Основы энзимологии

В.К. Плакунов

Основы энзимологии

Москва • «Логос» • 2020

Основы энзимологии. — М.: Логос, 2020. — 128 с.: ил.

Плакунов В.К, 2020
«Логос», 2020

Содержание

Предисловие ....................................................................... 5

Введение ............................................................................ 6
Глава 1. Строение и состав живой клетки ................................ 10
1.1. Клеточные стенки и клеточные мембраны ...............................................10
1.2. Состав мембранных липидов ..................................................................12
1.3. Природа и состав жирных кислот в мембранных липидах ........................17

Глава 2. Понятие о компартментации в живой клетке ................ 19

Глава 3. Ферменты — катализаторы биохимических реакций ...... 24
3.1. Общие представления о ферментативном катализе............................... 24
3.2. Сравнение химического и ферментативного катализа ............................26
3.3. Методы изучения специфичности ферментов ......................................... 28
3.4. Природа связей между молекулами фермента и субстрата .....................30
3.5. Принципы классификации и номенклатуры ферментов ........................... 30

Глава 4. Кинетика действия ферментов .................................. 32

Глава 5. Ингибирование ферментов ....................................... 37

Глава 6. Принципы биоэнергетики ......................................... 39
6.1. Пути и механизмы преобразования энергии в живых системах ............... 39
6.2. Классификация энергетических процессов ........................................... 40
6.3. Роль АТР и ТЭП в запасании энергии ..................................................... 41
6.4. Первичные и вторичные генераторы ТЭП ............................................... 44
6.5. Энергетический заряд и энергетическая эффективность роста ............. 45
6.6. Основные типы сопряжения энергетических
 и конструктивных процессов .................................................................. 46

Глава 7. Аэробные энергетические процессы .......................... 48
7.1. Аэробное дыхание. Дыхательная цепь ................................................... 48
7.2. Обратный перенос электронов ............................................................... 50
7.3. Эволюция путей аэробного метаболизма ...............................................52

Глава 8. Анаэробные энергетические процессы ....................... 54
8.1. Анаэробное дыхание ............................................................................. 54
8.2. Брожения................................................................................................57
Глава 9. Фотосинтез ............................................................ 60
9.1. Основные процессы фотосинтеза, доноры электронов ........................... 60
9.2. Путь углерода в фотосинтезе. Цикл Кальвина ......................................... 61
9.3. Бесхлорофильный фотосинтез ...............................................................62
9.4. Фоторецепция ........................................................................................63

Глава 10. Процессы конструктивного метаболизма..................64
10.1. Взаимосвязь энергетических
   и конструктивных процессов в клетке ................................................... 64
10.2. Азотфиксация .......................................................................................67

Глава 11. Регуляция биосинтеза белков  на этапе транскрипции ... 70
11.1. Основные определения.........................................................................70
11.2. Уровни регуляции .................................................................................71
11.3. Регуляция биосинтеза белков ...............................................................71
11.4. Особенности процесса репликации ......................................................71
11.5. Транскрипция генетической информации .............................................73
11.6. Регуляция процесса транскрипции ...................................................... 74

Глава 12. Регуляция биосинтеза белков  на этапе трансляции..... 84
12.1. Регуляция на этапе биосинтеза и сборки компонентов
    аппарата трансляции ........................................................................... 84
12.2. Регуляция на этапе функционирования аппарата трансляции ...............88
12.3. Регуляция биосинтеза белков путем
   посттрансляционной модификации .......................................................90
12.4. Регуляция круговорота белков путем избирательного протеолиза ........90

Глава 13. Регуляция активности белковых
посредников биохимических процессов .................... 93
13.1. Регуляция активности белковых посредников путем
    их ковалентной модификации ...............................................................93
13.2. Регуляция активности белковых посредников путем
     нековалентного взаимодействия с эффекторами.................................95
13.3. Регуляция активности белковых посредников путем
     пространственного разобщения и взаимодействия с мембранами ......98

Глава 14. Транспорт субстратов и продуктов ......................... 100
14.1. Механизмы клеточной проницаемости................................................ 100
14.2. Организация транспортных систем ..................................................... 102
14.3. Способы сопряжения транспорта с энергией метаболизма ................ 103
14.4. Регуляция транспортных процессов ....................................................105
14.5. Транспорт веществ из клетки в среду: секреция и экскреция .............. 109
Глава 15. Регуляция клеточного деления
и скорости роста клеток ........................................ 112
15.1. Последовательность событий в процессе деления клетки ................... 112
15.2. Накопление критической клеточной массы и репликация ДНК ............ 113
15.3. Построение новой клеточной оболочки ...............................................113
15.4. Построение клеточной перегородки ................................................... 116
15.5. Характер взаимосвязи процессов клеточного деления .......................117
15.6. Взаимодействие регуляторных механизмов
    при управлении скоростью роста микроорганизмов ........................... 119

Литература ...................................................................... 126

Предисловие

6

Введение

Рис. 1. Схема расположения энзимологии в системе других наук

8

10

Глава 1. Строение и состав живой клетки

Все живые организмы состоят из клеток и подразделяются на одноклеточные и многоклеточные. Популяция одноклеточных организмов включает клетки одного типа или небольшого количества типов, тогда как у многоклеточных
организмов клетки специализированы. По типу строения
клетки подразделяются на прокариотические и эукариотические (рис. 2).

Рис. 2. Упрощенная схема строения прокариотической
и эукариотической клеток

Все клеточные организмы имеют сходный химический состав и содержат три основных типа макромолекул: ДНК, РНК и
белки, а также полисахаридные и липидные компоненты. Кроме того, в клетках присутствуют переменные количества низкомолекулярных веществ — субстратов и продуктов энергетических и конструктивных процессов (аминокислоты, сахара,
нуклеотиды и др.). В среднем около 80% клеточной массы составляет вода.

1.1. Клеточные стенки и клеточные мембраны

11

Рис. 3. Схема строения клеточной стенки
у бактерий разных таксонов

12

Рис. 4. Упрощенная жидкостно-мозаичная модель
цитоплазматической мембраны

1.2. Состав мембранных липидов

13

Рис. 5. Химическая структура мембранных фосфолипидов

14


Рис. 6. Химическая структура фосфолипидов, содержащих простую
эфирную связь в сравнении со сложноэфирными глицеридами

Рис. 7. Химическая структура сфинголипидов

16

Таблица 1. Природа жирных кислот в липидах клеток животных

17

1.3. Природа и состав жирных кислот в мембранных липидах

Таблица 2. Природа жирных кислот в липидах клеток растений

Таблица 3. Природа жирных кислот в липидах клеток прокариот

18

Рис. 8. Схема биосинтеза разветвленных и циклопропановых кислот

19

Глава 2. Понятие о компартментации
в живой клетке

Распределение веществ или процессов по внутриклеточным изолированным «отсекам» называют компартментацией
(от англ. compartment — отсек). В клетках эукариот таких отсеков, изолированных внутриклеточными мембранами, — органелл много, а у прокариот они встречаются сравнительно редко. Один из примеров — периплазматическое пространство
между цитоплазматической и наружной мембранами у грамотрицательных бактерий (см. рис. 3).

Таблица 4. Распределение клеточных компонентов при дифференциальном
центрифугировании гомогената животных клеток

20

Таблица 5. Различия между клетками эукариот и прокариот
по строению и наличию органелл

21

22

24

Глава 3. Ферменты — катализаторы
биохимических реакций

Реакции, протекающие в живых организмах, подчиняются
общим законам химии, однако отличаются высокой специфичностью и отсутствием побочных продуктов. Эта особенность
определяется свойствами белковых посредников биохимических реакций — ферментов, выполняющих роль катализаторов.
Для понимания роли ферментов как биологических катализаторов необходимо остановиться на некоторых общих особенностях катализируемых химических реакций.

3.1. Общие представления о ферментативном катализе

∆∆∆25

∆∆Рис. 9. Диаграмма переходного состояния химической реакции:
H0 — энтальпия (тепловая энергия) исходных субстратов; H1 — энтальпия продуктов реакции;
∆Ha1 = H2 – H0 — энергия активации некатализируемой реакции; ∆Ha2 = H3 – H0  — то же для катализируемой реакции, причем ∆Ha1  > ∆Ha2 ; ∆H = H0 – H1 —тепловой эффект реакции: если ∆H > 0 —
реакция экзэргоническая (экзотермическая, протекает самопроизвольно c выделением тепла),
если ∆H < 0 — реакция эндэргоническая (эндотермическая, требует затраты энергии)

∆H

3.2. Сравнение химического и ферментативного катализа

27

Рис. 10. Влияние формиата на активность трансаминазы
В молекуле фермента предполагается существование двух центров связывания субстрата
(для цвиттерионной и анионной частей). Когда субстратом служит аланин, один центр остается
свободным, а формиат, связываясь с ним, обеспечивает оптимальную конформацию
фермента. Глутамат сам перекрывает оба центра, а формиат в этом случае конкурирует
за анионный центр с глутаматом и снижает активность фермента

28

3.3. Методы изучения специфичности ферментов

29

30

3.4. Природа связей между молекулами фермента и субстрата

3.5. Принципы классификации и номенклатуры ферментов

→→→→→→32

Глава 4. Кинетика действия ферментов

Кинетические исследования ферментативных реакций необходимы не только для количественного определения ферментов и сравнения скоростей их функционирования, но, в еще
большей степени, для расшифровки механизмов ферментативных реакций. В этих целях прежде всего необходимо уметь
корректно вычислять кинетические параметры ферментативных реакций, оценивать конкурентный или неконкурентный
характер действия ингибиторов. Рассмотрим основные уравнения, описывающие ферментативную кинетику и способы
вычислений. Основное внимание будет уделено не строгости
математического вывода уравнений, а правильному их использованию для получения достоверных результатов.

→
←→
←[
]
[ ][ ]
[
]

33

[
] [ ][ ]

[
][ ]
[ ]
+

[
][ ]
[ ]
+

[ ]
[ ]
+

[ ]

34

=
+
=
+
⋅
Рис. 11. График Михаэлиса—Ментен

∞    

35

==−=
⋅
Рис. 12. График Лайнуивера—Берка

36

Рис. 14. График Эйзенталя и Корниш—Боуден

Рис. 13. График Эди—Хофсти

37

Глава 5. Ингибирование ферментов

Изучение подавления активности ферментов служит одним из способов расшифровки механизма их действия. Подходом к решению последней задачи является изучение специфичности действия ферментов. В свою очередь, это требует корректного измерения кинетических параметров в
присутствии изучаемого аналога субстрата. Рассмотрим способы определения характера взаимоотношений субстратов,
их аналогов и ингибиторов ферментативной активности путем вычисления ряда кинетических параметров.

→
→
↑↓
→
↑↓
← [ ][ ]
[
]

=
[ ][ ]
[
]

=
=
+
=
−

=
+

=
−

39

Глава 6. Принципы биоэнергетики

Все биохимические процессы в клетке взаимосвязаны и
взаимозависимы, тем не менее часть из них преимущественно выполняет функцию построения клеточного материала, а
часть — снабжения источниками энергии этих «строительных
работ». Поэтому принято разделять биохимические процессы
на два основных типа: ассимиляционные (конструктивные),
называемые анаболизмом, включающим синтез низкомолекулярных предшественников и построения из них молекул биополимеров, и диссимиляционные (энергетические), называемые катаболизмом, состоящим в обеспечение источника энергии, «энергетического привода», приводящего в движение
анаболизм.
Рассмотрим основные механизмы процессов трансформации
энергии в клетке, т. е. механизмы катаболических процессов.

6.1. Пути и механизмы преобразования энергии в живых системах

∆∆40

∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆6.2. Классификация энергетических процессов

41

6.3. Роль АТР и ТЭП в запасании энергии

42

→ → 43

Рис. 15. Схема циркуляции протонов
В процессе дыхания протоны окисляемого субстрата выбрасываются из мембраны с помощью
протонных насосов дыхательной цепи во внешнюю среду (или периплазму) в случае прокариот,
а в случае эукариот — в межмембранное пространство митохондрий. Поскольку мембрана
непроницаема для протонов, их возврат в клетку возможен только через канал АТРазы (и другие
транспортные каналы), при этом АТРаза трансформирует энергию ТЭП в АТР (или энергия ТЭП
непосредственно используется для обеспечения других эндэргонических процессов: транспорта,
движения и др.)

∆µ∆∆µ∆∆ϕ∆µ∆∆ϕ ∆∆∆∆∆∆ϕ44

6.4. Первичные и вторичные генераторы ТЭП

Рис. 16. Схема трансформации энергии в живой клетке

6.5. Энергетический заряд и энергетическая эффективность роста

==
46

6.6. Основные типы сопряжения энергетических
      и конструктивных процессов

Таблица 6. Основные типы питания



48

Глава 7. Аэробные энергетические процессы

По отношению к молекулярному кислороду организмы подразделяются на аэробов (для которых кислород необходим) и
анаэробов (для которых кислород безразличен или токсичен).
В свою очередь, аэробы и анаэробы подразделяются на облигатные (обязательные) и факультативные (не обязательные)
(см. схему, рис. 17). Некоторые облигатные аэробы могут существовать при содержании кислорода, равном его содержанию в атмосфере (21%) или превышающем эту величину (до
50%), но встречаются те, которые не переносят уровень кислорода, превышающий несколько процентов (микроаэрофилы). В свою очередь, некоторые анаэробы, хотя и не используют кислород, но переносят его высокие концентрации в окружающей среде (аэротолеранты). Ряд микроорганизмов может
резко менять чувствительность к кислороду в зависимости от
типа питания, например водородные бактерии при выращивании в гетеротрофных условиях аэротолерантны, а в автотрофных — микроаэрофильны.

7.1. Аэробное дыхание. Дыхательная цепь

Рис. 17. Классификация организмов по степени аэробности и анаэробности

Рис. 18. Упрощенная схема дыхательной цепи
Показана дыхательная цепь, характерная для митохондрий и некоторых бактерий.
В такой цепи «протонными насосами», создающими ТЭП, являются NAD- и сукцинатдегидрогеназы, цитохром-с-редуктаза и цитохромоксидаза:
NAD — никотинамид-адениндинуклеотид; FP — флавопротеины, содержащие FMN (флавинмононуклеотид) или FAD (флавин-адениндинуклеотид) и FeS (железо-серные центры);
CoQ — кофермент Q (убихинон); Цит.в,с,а — соответствующие цитохромы

50


7.2. Обратный перенос электронов

51

Рис. 19. Схемы:
а) дыхательной цепи Escherichia coli. Обозначения, как на рис. 18. Путь 1 реализуется в
аэробных условиях. Путь 2 существует в микроаэробных условиях (при низком содержании
кислорода). Пути 3 и 4 функционируют в анаэробных условиях с использованием в качестве конечных акцепторов электронов (и протонов) фумарата (ФР — фумаратредуктаза)
или нитрата (НР — нитратредуктаза).
б) обратного переноса электронов ( на примере дыхательной цепи Thiobacillus ferrooxidans,
с упрощениями)

7.3. Эволюция путей аэробного метаболизма

→ → →  →  →ν→ → →54

Глава 8. Анаэробные энергетические процессы

Наиболее распространенным способом получения энергии
в анаэробных условиях являются различные виды брожений.
В случае животных и растительных клеток это гликолиз, у прокариот типы брожений значительно разнообразнее.
И гликолиз, и некоторые другие анаэробные процессы диссимиляции являются лишь подготовительными этапами для
последующих аэробных процессов получения энергии, и, как
правило, животные и растительные клетки не могут расти только за счет анаэробных процессов катаболизма (за исключением некоторых паразитических форм). Среди прокариот, напротив, существует множество облигатно анаэробных форм, способных расти только за счет анаэробных способов получения
энергии. Мы последовательно рассмотрим главные типы анаэробных энергетических процессов: анаэробное дыхание, бескислородный фотосинтез и разные виды брожений.

8.1. Анаэробное дыхание

(
)
–
–
+
3
2
2
4
NADPH, NO
NO
NH OH
NH
→
→
→

–
–
3
2
2
2
NADH, FADH
NO
NO
NO
N O
N
→
→
→
→
2–
4
ATP-SO
+ ATP
′
→
2–
2–
3

APS-PAPS-APS + ATP
3 -P

SO
S

′
′
→

→
→

56

Рис. 20. Пути диссимиляционной сульфатредукции

→2
2
3
3
4
CO
X-COOH
X -CHO
X -CH OH
X -CH
CH -S-CoM
CH

 ATP

′
′′
′′′
→
→
→
→
→
→
↓

57

8.2. Брожения

∆∆58

Рис. 22. Формирование ∆pNa за счет декарбоксилирования
(на примере пропионовокислых бактерий Propionibacterium modestum)

Рис. 21. Основные реакции субстратного фосфорилирования в брожениях