Поняття про енергетичну цінність

Хоча ферменти прискорюють енергетично вигідні реакції, вони ніяк не можуть індукувати енергетично не вигідні реакції. Використовуючи аналогію з водою можна сказати, що самі по собі ферменти не здатні примусити воду текти вгору. Але для того, щоб клітина мала змогу рости і ділитися, в ній повинні відбуватись саме такі процеси: клітини повинні будувати великі й складні молекули з малих і простих. Ми вже побачили, що це відбувається, головним чином, завдяки ферментам, під дією яких енергетично вигідні реакції, що використовують сонячну енергію і продукують тепло, зчіплюються з енергетично не вигідними реакціями, які збільшують ступінь біологічної невпорядкованості. Розглянемо більш детально, як досягається таке зв’язування.

Перш за все потрібно уважніше поставитися до виразу енергетична цінність, котрим ми до цього часу користувались занадто вільно. Як вже згадувалось вище, спонтанно можуть відбуватися лише ті реакції, в результаті яких невпорядкованість у Всесвіті зростає.

Невпорядкованість збільшується у тому випадку, коли енергія виділяється у вигляді тепла; критерієм збільшення невпорядкованості може виступати величина, що наз. вільною енергією G. Ця величина визначається у такий спосіб, що зміна, яку позначають ^ G, визначає міру невпорядкованості, що виникає у Всесвіті в результаті реакції. За визначенням, `енергетично вигідними' є ті реакції, під час протікання яких вивільняється велика кількість вільної енергії; інакше кажучи, такі реакції відрізняються великою за модулем від'ємною величиною G і створюють більший ступінь невпорядкованості. Такі реакції мають яскраво виражену тенденцію до спонтанного протікання, хоча швидкість цих реакцій залежатиме і від інших чинників, як то — присутність специфічних ферментів. І навпаки, реакції, в яких має додатнє значення (наприклад, реакція утворення пептидного зв’язку між двома амінокислотами), підвищують впорядкованість Всесвіту і не можуть протікати спонтанно, самовільно. Так: енергетично не вигідні реакції відбуваються лише в тому випадку, коли вони зв’язані з іншими реакціями, що мають настільки від'ємну величину ^ G, що й всього процесу стає від'ємним.

Хід більшості реакцій може бути кількісно передбаченим. Відомо багато термодинамічних параметрів, виходячи з яких можна розрахувати зміну вільної енергії для більшості важливих метаболічних реакцій клітини. Загальна зміна вільної енергії при функціонуванні того чи іншого метаболічного шляху буде при цьому виражена сумою змін енергії на кожному з етапів цього шляху:

Розглянемо дві реакції: А — Б та В-Г, значення яких відповідно дорівнюють +2 та -17 ккал / моль (нагадаємо, що 1 моль 23 речовини містить 6*10 молекул). В тому випадку, коли ці реакції зв’язані одна з одною, ^ G всього процесу буде дорівнювати -15 ккал / моль. З цього випливає, що енергетично не вигідна реакція, А — Б, яка не може протікати спонтанно, може бути обумовлена енергетично вигідною реакцією В-Г за умови, що існує механізм, що забезпечує зв’язування цих двох реакцій.

Одна з найважливіших функцій білків полягає в специфічному каталізі хімічних реакцій. Лігандом — молекулою, що взаємодіє з білком — в цьому випадку виступає молекула субстрата, зв’язування якої ферментом є необхідною передумовою хімічної реакції. Ферменти здатні дуже сильно прискорювати хімічні реакції - значно сильніше за будь-які штучні каталізатори. Настільки високу ефективність можна пояснити кількома факторами: по-перше, ферменти збільшують локальну концентрацію молекул субстрата в каталітичному центрі і утримують відповідні атоми в орієнтації, що необхідна для наступної реакції. Але найважливіше значення має той факт, що частина енергії зв’язування безпосередньо використовується для каталізу. Справа в тому, що молекули субстрата, перш ніж перетворитися на продукти реакції, проходять через ряд проміжних форм із зміненою геометрією і зміненим електронним розподілом. Вільна енергія всіх цих проміжних форм і особливо найменш стабільних перехідних станів значно знижена, якщо молекула зв’язана з поверхнею фермента. Звичайно ферменти мають значно більшу адаптованість до нестабільних перехідних станів субстратів, ніж до їх постійних форм. Використовуючи енергію зв’язування, ферменти допомагають субстратам прийняти певний перехідний стан і таким чином прискорюють певну реакцію.

Деякі ферменти ковалентно взаємодіють з одним із своїх субстратів. При цьому субстрат зв’язується з амінокислотою або молекулою кофермента (небілковий органічний кофактор). Такі ферментативні реакції часто відбуваються в декілька стадій так, що один субстрат захоплюється центром зв’язування і ковалентно зв’язується, а потім реагує на поверхні фермента з другим субстратом.

З наближенням до кінця кожного реакційного циклу вільний фермент відновлюється. Спосіб дії ферментів накладає обмеження на кількість молекул субстрата, яка може бути `оброблена' однією молекулою фермента за одиницю часу. При збільшенні концентрації субстрата швидкість утворення продукта спочатку також збільшується до максимальної величини. В цій точці досягається насичення молекул фермента субстратом, і тепер швидкість реакції, яку позначають Vmax, залежить тільки від того, наскільки швидко може фермент обробити одну молекулу субстрата. Відношення цієї швидкості до концентрації фермента наз. числом оборотів, яке для багатьох ферментів складає близько 1000 молекул субстрата за 1с, але у виняткових випадках може досягати значення 1 000 000 і більше.

За низької концентрації субстрата швидкість реакції зростає пропорціонально концентрації субстрата. Однак по мірі збільшення концентрації - зменшується, і пропорціональність порушується, тут іде реакція змішаного порядку. При подальшому збільшенні концентрації субстата, швидкість реакції стає постійною і не залежить від концентрації субстрата, віббувається насичення субстратом. При цьому лімітуючим фактором стає концентрація фермента.

За допомогою цього графіка ми можемо визначити й інший кінетичний параметр характеристики ферментів — константу Міхаеліса, яку позначають Км. (Варто зазначити, що Км не має змінюватись в залежності від структури субстрата, від рівня PH та температури) 1913 року Міхаеліс і Ментем опублікували теорію загального К1 К2 механізму ферментативних реакцій:

E + S — ES — E + P.

К₁ Вони ввели поняття Vmax і отримали, що крива насиченості (тобто залежність швидкості реакції від концентрації субстрата) є рівнобічною гіперболою. Вони довели, що максимальна швидкість є однією з асимптот кривої, а відрізок, що відсікається на осі абсцис в області максимальної швидкості - другою асимптотою, тобто константа в рівнянні швидкості дорівнює за абсолютним значенням концентрації субстрата, що необхідна для досягнення половини Vmax.

Для більшості ферментів концентрація субстрата, за якої швидкість реакції складає половину максимальної, Км відображає міцність зв’язування субстрата з ферментом. Великі значення Км відповідають слабкому зв’язуванню, і навпаки.

Цікавою особливістю клітинного метаболізму є той факт, що кожна клітина регулює синтез продуктів, що є необхідними для її нормального існування, виробляючи їх в потрібній кількості. В той же час клітина уникає перевиробництва, яке призвело б до марних витрат енергії та матеріалів. Доступність вихідних молекул субстрата або коферментів — основний лімітуючий фактор, і з цієї причини більшість ферментів працює із швидкістю, далекою від максимальної.

Температура також впливає на швидкість ферментативних реакцій. Підвищення температури збільшує їх швидкість, але до певної межі.

Як видно з малюнка, швидкість більшості ферментативних реакцій подвоюється при підвищенні температури на кожні 10 градусів, але після 40 градусів спадає дуже швидко. Збільшення швидкості реакцій відбувається за рахунок підвищення енергії реагуючих компонентів; зменшення швидкості пов’язано з тим, що в самій молекулі фермента починається вібрація, яка руйнує водневі зв’язки і порушує інші, відносно слабкі взаємодії, що утримують молекулу у певному стані.

На активність фермента впливає і рівень PH навколишнього середовища. Конформація фермента залежить від притягання і відштовхування між негативно (кислотними) і позитивно (основними) зарядженими групами амінокислот. При зміні PH ці заряди змінюються, що призводить до зміни структурної організації фермента — інколи настільки — що він не може функціонувати. Мабуть, найвагомішу роль відіграє зміна зарядів активного центру та субстрата, що відбивається на здатності утворювати зв’язки. Інколи деякі ферменти можуть працювати за рівня PH, далекого від максимального. Припускають, що це протиріччя є не `помилкою' процеса еволюції, а способом регуляції активності ферментів.