Биохимия человека Том 1 - Марри Р. 1993

Структура и функции белков и ферментов
Ферменты: механизм действия
Ферменты как катализаторы общего кислотного и общего основного типа

После связывания субстрата в области каталитического центра заряженные (или способные нести заряд) функциональные группы боковых цепей могут участвовать в катализе в качестве кислотных или основных катализаторов.

Рис. 9.8. Неупорядоченное и упорядоченное присоединение субстратов А и В к ферменту и высвобождение продуктов Р и Q из комплекса с ферментом Е.

Рис. 9.9. Схема механизма «пинг-понг» ферментативного катализа.

Рис. 9.10. Механизм «пинг-понг» при переаминировании. Е—СНО и Е—СН₂ NH₂ — комплексы фермента с пиридоксальфосфатом и пиридоксаминфосфатом соответственно. (Ala — аланин, Руr - пируват, KG -a-кетоглутарат. Glu - глутамат.)

Мы различаем две широкие категории ферментативного кислотно-основного катализа: общий кислотный (или основный) и специфический кислотный (или основный).

Реакции, скорость которых изменяется при изменении концентрации ионов Н⁺ или Н₃O⁺, но не зависит от концентрации других кислот или оснований, присутствующих в растворе, рассматриваются как реакции, осуществляемые в результате специфического кислотного или специфического ocновногo катализа. Реакции, скорость которых зависит от присутствия в растворе любых кислот (доноров протонов) и любых оснований (акцепторов протонов), рассматриваются как реакции, осуществляемые в результате общего кислотного или общего основного катализа.

Для того чтобы решить, какой именно катализ имеет место в данной ферментативной реакции — общий или специфический кислотный или основный, — нужно измерить скорость реакции в следующих условиях: 1) при различных pH, но при постоянной концентрации буфера; 2) при фиксированном pH, но при различных концентрациях буфера.

Если скорость реакции при постоянной концентрации буфера изменяется с изменением pH, то имеет место специфический основный катализ (при pH > 7) или специфический кислотный катализ (при pH < 7). Если же скорость реакции при фиксированном pH возрастает с повышением концентрации буфера, то осуществляется общий основный катализ (при pH > 7) или общий кислотный катализ (при pH < 7).

В качестве примера специфического кислотного катализа рассмотрим превращение субстрата S в продукт Р. Реакция протекает в две стадии: за быстрой стадией, включающей обратимый перенос протона:

S + H₃О ⇄ SH⁺ + Н₂О,

следует более медленная, лимитирующая скорость всего процесса стадия превращения протонированного субстрата в продукт:

SH⁺ +H₂О ⇄ P + H₃О⁺.

Повышая концентрацию ионов гидрония [Н₃О⁺], мы повышаем концентрацию SH⁺ — сопряженной кислотной формы субстрата; поскольку SH⁺ является субстратом лимитирующей стадии, возрастет и скорость полной реакции. Математически это можно записать следующим образом:

где Р — продукт, t — время, k — удельная константа скорости, [SH⁺] — концентрация сопряженной кислотной формы субстрата.

Поскольку концентрация SH⁺ зависит одновременно от концентраций S и Н, O⁺ общее выражение для скорости реакции, катализируемой по типу специфического кислотного катализа, примет вид

Обратите внимание на свойственную специфическому кислотному катализу особенность: в выражение для скорости реакции входят только члены [S] и [Н₃О⁺].

Рассмотрим теперь в дополнение к описанному выше специфическому кислотному катализу также и катализ, осуществляемый ионом имидазолия имидазольного буфера. Поскольку имидазол — это слабая кислота (рК_а = 7), он является плохим донором протонов; поэтому реакция

S + Имидазол Н⁺→ SH⁺ + Имидазол

протекает медленно и лимитирует скорость полной реакции. Отметим, что быстрая и медленная стадии в случаях специфического и общего кислотного катализа меняются местами. Выражение для скорости реакции в случае общего кислотного катализа часто имеет довольно сложный вид и поэтому здесь не рассматривается.