Кинетика биологических процессов - Рубин А.Б.
Скачать (прямая ссылка):
1 Существование большого числа ферментативных этапов метаболических, путей является, по-видимому, биологически необходимым, поскольку химические превращения, протекающие иа каждой индивидуальной стадии, обычно относительно просты (что в свою очередь обусловлено' высокой специфичностью-белковых катализаторов).
простой эквивалентной модели. Отсюда следует вывод: математические модели полиферментных систем могут быть такими же простыми, как и модели отдельных ферментативных реакций (см., например, изложенные в этой главе эквивалентные модели энергетического метаболизма клетки).
Не следует, однако, забывать, что редуцированные, эквивалентные модели позволяют судить лишь об общих динамических свойствах полиферментных реакций, но не несут информации о деталях внутренней организации таких систем. Для решения специальных задач биокатализа, таких, как определение числа и кинетических параметров отдельных стадий полиферментной цепи, необходимо рассмотрение достаточно полных математических моделей. При этом, естественно, исследование таких моделей в рамках качественной теории динамических систем не дает ответа на поставленный вопрос, который решается лишь путем тщательного количественного (численного) анализа.
Численный анализ многокомпонентных математических моделей строится прежде всего на данных стационарной кинетики катализа. Исследование переходных режимов в таких моделях проводится с помощью методов предстационарной и релаксационной кинетики, которые позволяют ограничиваться рассмотрением моделей, линеаризованных вблизи стационарных состояний (Березин, Варфоломеев, 1979; Варфоломеев, 1976).
Математическое описание ферментативных реакций в гомогенных растворах и в надмолекулярных комплексах
При построении математических • моделей многоступенчатых ¦ферментативных процессов необходимо различать полифермент-ные системы, растворенные в цитоплазме (гомогенные ферментативные реакции, или системы идеального перемешивания), и реакции, протекающие в биологических структурах.
В настоящее время хорошо известно, что живая клетка отнюдь не. представляет собой объем с раствором ферментов. Напротив, многие ферменты прочно связаны с кэкими-либо структурами, например с клеточными мембранами. Так, по данным центрифугирования, более 60% белков клетки — это агрегаты с участием фос-фолипидных мембран. Некоторые ферменты взаимодействуют друг с другом, образуя жесткий надмолекулярный комплекс. На рис. 11.29 показан пример такого полиферментного комплекса — детально изученный в последнее время пируватдегидроге-назный комплекс (ПДК). Размеры ПДК довольно внушительны: в его состав входят 16 молекул пируватдекарбоксилазы (Пд), 8 молекул дигидролипоатдегидрогеназы (Дд) и 1 молекула редук-тазо-трансацетилазы липолиевой кислоты, состоящая из 64 субъединиц (РТЛК).
Другой пример подобной организации ферментов — р-окисле-ние жирных кислот, в котором происходит превращение ацилпро-изводных КоА в ацетил-КоА (схема этого процесса показана на
Ацил- Ко А-дегидрогеназа
R.CH2CH2-COSKOA'!
sW
R.CH = CH-COSKoA
о
350150А
Еноил-гидраза
R.CHOHCHj-COSKoA
fi - Оксиацил- Ко А-дегидрогеназа
Sw-tr
R.COCHj-COSKoA
^HoASH
R.COSKoA + CH3COS KoA
Рис. 11.29. Пространственная модель Рис. 11.30. Полиферментная система^
полиферментного комплекса — пиру- ’ р-окисления жирных кислот, орга-
ватдегидрогеназной системы (ПДК): низоваиная в надмолекулярную*
ПД — пируватдекарбоксилаза, ДД — структуру
дигидролипоатдегидр огена за, РТ Л К— редуктазо-трансацетилаза липоляе-вой кислоты
рис. II.3Q). Начальные стадии процессов трансформации энергии при дыхании и фотосинтезе также протекают в пространственно», организованных комплексах ферментов, расположенных в мембранах митохондрий, хлоропластов, хроматофоров и др. Работа ферментов в таких cfpyKTypax до некоторой степени аналогична поточной линии в современной индустрии: промежуточные продукты процесса всегда находятся в связанном с тем или иным реакционным центром состоянии и в свободном виде в тканях не обнаруживаются. Это, по-видимому, биологически оправдано, если ни один из промежуточных продуктов не участвует ни в каком ином биохимическом процессе.
Пространственная организация полифермеитных систем выполняет важные биологические функции. Одна из таких функций — разделение несовместимых, противоположно направленных биохимических процессов, таких, как синтез и распад различных веществ, разделение ионов полупроницаемыми мембранами и проч. Объединение ферментов в комплексы позволяет увеличить эффективность реакций, скорость которых ограничена диффузией; об-
