Скорость ферментативных реакций: температура, pH, активаторы и ингибиторы

В 1912 году в берлинскую больницу Урбан, где работал немецкий биохимик Леонор Михаэлис, приехала канадка Мод Ментен. Она была одной из первых женщин в Канаде, получивших диплом врача, но в канадских университетах женщинам тогда почти не давали заниматься научной работой, и Ментен отправилась в Европу. Вместе с Михаэлисом она изучала фермент инвертазу, расщепляющий сахарозу на глюкозу и фруктозу. Ход реакции они измеряли поляриметром: раствор сахарозы и раствор продуктов по-разному поворачивают плоскость поляризованного света, и по углу поворота можно было через каждые несколько минут узнать, сколько сахарозы уже расщепилось. За несколько месяцев Михаэлис и Ментен собрали точные данные и в 1913 году вывели уравнение, связывающее скорость ферментативной реакции с концентрацией субстрата [1]. Уравнение Михаэлиса — Ментен и сегодня — основа энзимологии; его используют при создании каждого нового лекарства.

Это четвёртая статья серии об обмене веществ и энергии в клетке. В предыдущей статье — «Ферменты: строение, свойства и механизм действия» — разобрано, как устроены ферменты и почему они ускоряют реакции. Здесь — от чего зависит скорость ферментативных реакций, что такое активаторы и ингибиторы и как клетка управляет своими ферментами. Начало серии — «Обмен веществ клетки».

• 1. Что такое скорость ферментативной реакции
• 2. Концентрация фермента
• 3. Концентрация субстрата и насыщение
• 4. Температура
• 5. Кислотность среды (pH)
• 6. Соли, вода и другие условия
• 7. Активаторы ферментов
• 8. Ингибиторы: обратимые и необратимые
• 9. Конкурентное ингибирование
• 10. Неконкурентное ингибирование
• 11. Необратимые ингибиторы: яды и лекарства
• 12. Аллостерическая регуляция
• 13. Ингибирование конечным продуктом
• 14. Ковалентная модификация и каскады
• 15. Регуляция количества ферментов: индукция и репрессия
• 16. Как клетка переключается между синтезом и расщеплением
• 17. Тренировка меняет количество ферментов
• 18. Как создают лекарства-ингибиторы
• 19. Разделение по отсекам как способ регуляции
• 20. Ферменты и суточные ритмы
• 21. Почему ферменты у людей работают по-разному
• 22. Ингибиторы в сельском хозяйстве
• 23. Ферменты и хранение продуктов
• 24. Как читать графики в задачах
• 25. Как поставить опыт о влиянии условий на фермент
• 26. Температура и ферменты в живой природе
• 27. Частые ошибки
• 28. Интересные факты
• 29. Частые вопросы
• 30. ЕГЭ
• 31. Для олимпиад
• 32. Задания с разбором
• Литература

1. Что такое скорость ферментативной реакции

Скорость ферментативной реакции — это количество субстрата, превращённого за единицу времени (или количество образовавшегося продукта). Её можно измерять по-разному: по исчезновению субстрата, по накоплению продукта, по выделению газа, по изменению окраски раствора. В школьных опытах скорость расщепления крахмала амилазой оценивают по тому, через сколько минут проба раствора перестаёт синеть от йода; скорость работы каталазы — по объёму выделившегося кислорода.

Активность ферментов в медицине и промышленности выражают в особых единицах: одна международная единица — это такое количество фермента, которое превращает один микромоль субстрата за минуту в стандартных условиях. Когда в анализе крови пишут, что активность аланинаминотрансферазы — 25 единиц на литр, это значит, что ферменты, содержащиеся в литре сыворотки, превращают 25 микромолей субстрата в минуту.

Скорость ферментативной реакции зависит от многих факторов [2, 3]:

• от концентрации фермента;
• от концентрации субстрата;
• от температуры;
• от кислотности среды (pH);
• от присутствия активаторов и ингибиторов;
• от концентрации солей, наличия воды и других условий среды.

Каждый из этих факторов клетка может использовать для управления обменом веществ, а человек — для управления ферментами в медицине, промышленности и на кухне.

2. Концентрация фермента

Если субстрата много, скорость реакции прямо пропорциональна количеству фермента: вдвое больше молекул фермента — вдвое больше молекул субстрата превращается за то же время. На графике это прямая линия, выходящая из начала координат.

Эту зависимость клетка использует постоянно. Количество фермента регулируется скоростью его синтеза и разрушения. Например, у людей, регулярно употребляющих алкоголь, в клетках печени увеличивается количество ферментов, окисляющих этанол и многие лекарства, — поэтому у них меняется действие некоторых препаратов. При длительной голодовке в печени накапливаются ферменты синтеза глюкозы, а после еды — ферменты синтеза жиров.

Пропорциональность сохраняется не всегда. Если фермента очень много, а субстрата мало, весь субстрат быстро расходуется, и дальнейшее увеличение количества фермента почти не ускоряет процесс: теперь скорость ограничена количеством субстрата.

3. Концентрация субстрата и насыщение

При постоянном количестве фермента скорость реакции зависит от концентрации субстрата особым образом. При малых концентрациях субстрата скорость растёт почти пропорционально: чем больше субстрата, тем чаще его молекулы попадают в активные центры. Но с ростом концентрации рост скорости замедляется, и наконец скорость перестаёт увеличиваться, сколько бы субстрата ни добавляли. На графике получается кривая, сначала круто поднимающаяся, а затем выходящая на горизонтальный уровень — плато.

Причина — в ограниченном числе активных центров. При высокой концентрации субстрата почти все молекулы фермента всё время заняты: как только одна освобождается от продукта, в её активный центр сразу попадает новая молекула субстрата. Фермент работает с максимальной скоростью, и ускорить реакцию можно только добавив фермента. Это состояние называют насыщением фермента субстратом, а наибольшую скорость — максимальной скоростью (V_max).

Михаэлис и Ментен описали эту кривую уравнением:

v = V_max · [S] / (K_M + [S])

Здесь v — скорость реакции, [S] — концентрация субстрата, а K_M — константа Михаэлиса, концентрация субстрата, при которой скорость равна половине максимальной. Константа Михаэлиса характеризует сродство фермента к субстрату: чем она меньше, тем при меньших концентрациях фермент уже работает быстро, тем прочнее, условно говоря, он «держит» субстрат.

Как догадались о фермент-субстратном комплексе

Ещё до Михаэлиса и Ментен, в 1902 году, англичанин Адриан Браун и француз Виктор Анри независимо заметили странную вещь: если увеличивать концентрацию сахарозы, скорость её расщепления инвертазой перестаёт расти. Для обычных химических реакций это было необычно — их скорость растёт с концентрацией без предела. Браун предположил, что фермент сначала образует с субстратом соединение и успевает обработать лишь ограниченное число молекул в секунду. Михаэлис и Ментен довели эту идею до точной математической формы и, что не менее важно, показали, как правильно ставить опыты: измерять начальную скорость, пока продуктов ещё мало, и строго поддерживать pH с помощью буферных растворов. Именно эти методические правила сделали их уравнение рабочим инструментом.

4. Температура

Как и все химические реакции, ферментативные ускоряются при нагревании: при повышении температуры на 10 °C скорость обычно увеличивается в 2–3 раза (это отношение называют температурным коэффициентом Q₁₀). Молекулы движутся быстрее, чаще сталкиваются, и большая их доля преодолевает энергию активации.

Но ферменты — белки, и при нагревании они денатурируют: слабые связи, удерживающие пространственную структуру, разрываются, и активный центр теряет нужную форму. Поэтому скорость ферментативной реакции растёт с температурой лишь до определённого значения — температурного оптимума, а затем резко падает. Для большинства ферментов человека оптимум — около 37–40 °C, а при 50–60 °C большинство ферментов теплокровных животных быстро разрушается.

Важно различать действие низких и высоких температур. При охлаждении ферменты не разрушаются, а лишь замедляются: после нагревания до нормальной температуры их активность восстанавливается. Поэтому продукты в холодильнике портятся медленнее, а организмы в анабиозе при низких температурах могут жить долго. Денатурация же при сильном нагревании обычно необратима: сваренное яйцо не станет снова сырым.

Температурный оптимум зависит от условий жизни организма. У ферментов бактерий и архей горячих источников он достигает 80–100 °C: архея Pyrococcus furiosus из горячих источников у подводных вулканов лучше всего растёт при 100 °C, и её ферменты при этой температуре не разрушаются. У рыб полярных морей, живущих при температуре около 0 °C, ферменты, наоборот, приспособлены к холоду и разрушаются при нагревании до комнатной температуры.

Правило Вант-Гоффа

Зависимость скорости реакций от температуры первым количественно описал голландский химик Якоб Вант-Гофф, первый лауреат Нобелевской премии по химии (1901). Его эмпирическое правило гласит: при нагревании на каждые 10 градусов скорость химической реакции увеличивается в 2–4 раза. Для ферментативных реакций это правило выполняется только ниже температурного оптимума. Из него следует, что охлаждение с 37 до 7 °C замедляет ферментативные реакции примерно в 2,5³ ≈ 15 раз, — поэтому в холодильнике продукты хранятся во много раз дольше, а при охлаждении тела во время операций на сердце мозг может обходиться без кровотока гораздо дольше обычного.

Температурная зависимость ферментов объясняет и пользу, и опасность лихорадки. Умеренное повышение температуры тела ускоряет работу ферментов иммунных клеток и замедляет размножение многих возбудителей. Но температура выше 41–42 °C опасна: начинают денатурировать белки клеток, прежде всего нервных.

5. Кислотность среды (pH)

Каждый фермент лучше всего работает при определённом значении pH — оптимуме pH. При отклонении в кислую или щелочную сторону активность снижается, а при сильных отклонениях фермент денатурирует. Зависимость скорости от pH на графике обычно выглядит как колокол с вершиной в оптимуме.

Причина — в зарядах аминокислот. Боковые группы многих аминокислот (аспарагиновой и глутаминовой кислот, гистидина, лизина, аргинина) могут присоединять или отдавать протоны в зависимости от pH. От их зарядов зависит, свяжется ли субстрат с активным центром, сможет ли каталитическая группа отдать или принять протон, сохранится ли форма всей белковой молекулы. Изменение pH меняет заряды, и фермент работает хуже.

Различия оптимумов pH связаны с местом работы фермента. Пепсин приспособлен к кислому желудочному соку, трипсин — к слабощелочной среде кишечника. Ферменты лизосом работают в кислой среде, которую создают протонные насосы лизосомной мембраны. Это ещё и защита: если лизосома разорвётся, её ферменты попадут в цитоплазму с нейтральной средой и будут работать гораздо медленнее, не успев переварить клетку.

Человек давно использует зависимость ферментов от pH, не зная об этом. Маринование в уксусе и квашение (молочная кислота создаёт кислую среду) подавляют ферменты гнилостных бактерий и сохраняют продукты месяцами.

6. Соли, вода и другие условия

На активность ферментов влияют и другие условия среды.

• Ионы. Многим ферментам нужны определённые ионы. Амилаза слюны активируется ионами хлора, ферменты, работающие с АТФ, — ионами магния, многие ферменты свёртывания крови — ионами кальция. Поэтому кровь для анализов, которая не должна свернуться, собирают в пробирки с веществом, связывающим ионы кальция.
• Концентрация солей. Слишком высокая концентрация солей нарушает ионные связи в белке и может вызвать его выпадение в осадок. Солёные продукты — рыба, огурцы, сало — сохраняются долго: в крепком рассоле микроорганизмы теряют воду, и их ферменты не работают.
• Вода. Ферменты работают в водной среде. В сухих семенах, спорах, высушенных продуктах ферментативные реакции почти останавливаются. Семя «просыпается» только после набухания: вода восстанавливает работу ферментов, расщепляющих запасы.
• Давление в обычных условиях почти не влияет на ферменты, но у глубоководных организмов, живущих при давлении в сотни атмосфер, белки особым образом приспособлены к нему.

7. Активаторы ферментов

Активаторы — вещества, повышающие активность ферментов. По механизму действия их можно разделить на несколько групп.

• Ионы металлов и коферменты, необходимые для работы сложных ферментов. Без них апофермент неактивен.
• Вещества, превращающие проферменты в активные ферменты. Соляная кислота желудка активирует пепсиноген, энтеропептидаза кишечника — трипсиноген. При этом от молекулы профермента отщепляется участок, закрывавший активный центр.
• Аллостерические активаторы — вещества, присоединяющиеся к ферменту не в активном центре, а в особом регуляторном (аллостерическом) центре и изменяющие форму молекулы так, что активный центр начинает работать лучше. Например, АМФ, накапливающийся в мышце при нехватке энергии, активирует фермент расщепления гликогена.
• Вещества, восстанавливающие активный центр. Некоторые ферменты содержат в активном центре группы −SH, которые легко окисляются; восстановители возвращают их в рабочее состояние.

Активаторы позволяют клетке быстро включать ферменты, уже имеющиеся в готовом виде, не дожидаясь их синтеза.

8. Ингибиторы: обратимые и необратимые

Ингибиторы — вещества, снижающие активность ферментов. Их изучение имеет огромное практическое значение: большинство лекарств, многие яды и пестициды — ингибиторы ферментов. По прочности связывания ингибиторы делят на два типа.

Обратимые ингибиторы связываются с ферментом непрочно, нековалентными связями, и могут отсоединиться. Если удалить ингибитор (например, если он выведется из организма), активность фермента восстановится.

Необратимые ингибиторы образуют с ферментом прочную ковалентную связь или разрушают его активный центр. Такой фермент выходит из строя навсегда, и активность восстанавливается только тогда, когда клетка синтезирует новые молекулы фермента.

9. Конкурентное ингибирование

Конкурентный ингибитор похож по строению на субстрат и связывается с активным центром, но не превращается (или превращается очень медленно). Пока ингибитор занимает активный центр, субстрат не может в него попасть: ингибитор и субстрат конкурируют за одно место. Поэтому действие конкурентного ингибитора можно преодолеть, увеличив концентрацию субстрата: чем больше молекул субстрата, тем чаще именно они, а не ингибитор, занимают активный центр.

Классический пример открыли в 1928 году английские биохимики Джуда Квастел и Уильям Вулдридж [5]. Фермент цикла Кребса сукцинатдегидрогеназа окисляет янтарную кислоту (сукцинат) до фумаровой. Малоновая кислота похожа на янтарную — у неё на одну группу CH₂ меньше — и связывается с активным центром, но окислиться не может. Малонат тормозит фермент, но если добавить побольше сукцината, работа восстанавливается.

янтарная кислота: HOOC–CH₂–CH₂–COOH; малоновая кислота: HOOC–CH₂–COOH

Конкурентное ингибирование спасает жизни при отравлениях. Метанол сам по себе не очень ядовит, но фермент печени алкогольдегидрогеназа превращает его в формальдегид и муравьиную кислоту, которые поражают зрительный нерв и вызывают слепоту и смерть. Этот же фермент окисляет обычный этиловый спирт и связывает его гораздо прочнее. Поэтому при отравлении метанолом больному вводят этанол или специальный ингибитор алкогольдегидрогеназы: фермент занят ими, метанол окисляется медленно и успевает вывестись почками в неизменном виде. Так же лечат отравление этиленгликолем — ядовитой жидкостью из автомобильных антифризов.

10. Неконкурентное ингибирование

Неконкурентный ингибитор не похож на субстрат и связывается с ферментом не в активном центре, а в другом месте молекулы. Связавшись, он изменяет форму фермента так, что активный центр работает хуже или не работает вовсе. Субстрат при этом может связываться с ферментом, но превращение не идёт. Поэтому увеличение концентрации субстрата не снимает действия неконкурентного ингибитора: максимальная скорость реакции снижается, сколько бы субстрата ни было.

Неконкурентно действуют, например, ионы тяжёлых металлов — ртути, свинца, кадмия. Они присоединяются к группам −SH аминокислоты цистеина во многих ферментах, нарушая их структуру. При длительном действии и больших дозах они выводят ферменты из строя практически необратимо. Поэтому соли тяжёлых металлов ядовиты для всех организмов и широко использовались как антисептики и средства против грибов и вредителей.

11. Необратимые ингибиторы: яды и лекарства

Необратимые ингибиторы особенно опасны и особенно полезны: однажды выключенный фермент больше не работает.

Фосфорорганические соединения. Фермент ацетилхолинэстераза разрушает медиатор ацетилхолин в синапсах, прекращая передачу нервного импульса к мышцам. Фосфорорганические вещества ковалентно присоединяются к серину в её активном центре. Ацетилхолин перестаёт разрушаться, мышцы непрерывно возбуждаются, развиваются судороги и паралич дыхательных мышц. Так действуют многие инсектициды и боевые отравляющие вещества — зарин, зоман, VX. Противоядия — атропин, блокирующий рецепторы ацетилхолина, и оксимы, способные «снять» яд с фермента, если ввести их вовремя, пока связь ещё не упрочилась.

Аспирин. Ацетилсалициловая кислота переносит ацетильную группу на серин в активном центре фермента циклооксигеназы, синтезирующего простагландины — вещества, вызывающие воспаление, боль и жар, и тромбоксан, участвующий в свёртывании крови. Механизм действия аспирина, которым люди пользовались с конца XIX века, открыл в 1971 году английский фармаколог Джон Вейн [6] и получил за это Нобелевскую премию 1982 года. Интересно, что в тромбоцитах нет ядра, и они не могут синтезировать новые молекулы фермента. Поэтому одна таблетка аспирина подавляет свёртывающую функцию тромбоцитов на всю их жизнь — около недели, — и малые дозы аспирина назначают для профилактики тромбозов.

Пенициллин. Антибиотики-пенициллины необратимо присоединяются к ферментам бактерий, сшивающим цепи муреина в клеточной стенке. Растущая бактерия строит дефектную стенку и лопается от внутреннего давления. У клеток человека нет муреиновой стенки и этих ферментов, поэтому пенициллин для нас малотоксичен.

Тяжёлые металлы. Ртуть, свинец, мышьяк при длительном поступлении накапливаются в организме, присоединяются к группам −SH ферментов и надолго выводят их из строя. В XIX веке в Англии мастера, изготовлявшие фетровые шляпы, обрабатывали мех раствором соли ртути и со временем страдали дрожью, раздражительностью, расстройствами памяти. Отсюда, как считают, пошло английское выражение «безумен, как шляпник» и образ Безумного Шляпника из «Алисы в Стране чудес».

12. Аллостерическая регуляция

Многие ферменты, особенно стоящие в начале метаболических путей, кроме активного центра имеют один или несколько аллостерических центров (от греческого allos — другой, stereos — пространственный). С ними связываются регуляторные вещества — эффекторы. Связавшись, эффектор изменяет форму всей молекулы фермента, и активный центр начинает работать лучше (если эффектор — активатор) или хуже (если ингибитор).

Понятие аллостерии ввели в начале 1960-х годов французские учёные Жак Моно, Франсуа Жакоб и молодой аспирант Жан-Пьер Шанжё, а в 1965 году Моно, Шанжё и американец Джеффрис Уайман предложили модель, объясняющую, как работают такие ферменты [7]. Аллостерические ферменты обычно состоят из нескольких субъединиц, которые могут находиться в двух состояниях — активном и неактивном — и переходят из одного в другое согласованно. Поэтому график зависимости их скорости от концентрации субстрата имеет не гиперболическую, а S-образную форму: при малых концентрациях скорость растёт медленно, затем резко, а потом выходит на плато. Такой фермент работает как переключатель: небольшое изменение концентрации вещества переводит его из выключенного состояния во включённое.

Похожим образом работает и гемоглобин, хотя он не фермент: его четыре субъединицы согласованно связывают кислород, и S-образная кривая насыщения позволяет гемоглобину почти полностью насыщаться в лёгких и легко отдавать кислород в тканях. Гемоглобин стал первым белком, на котором изучили аллостерию.

13. Ингибирование конечным продуктом

Самый распространённый способ регуляции метаболических путей — отрицательная обратная связь: конечный продукт пути служит аллостерическим ингибитором фермента первой реакции этого пути. Пока продукта мало, путь работает. Когда продукта накопилось достаточно, он выключает первый фермент, и синтез прекращается, а промежуточные вещества не накапливаются зря.

Первый пример описал в 1956 году американский микробиолог Эдвин Амбаргер [8]. Кишечная палочка синтезирует аминокислоту изолейцин из треонина за пять реакций. Амбаргер обнаружил, что изолейцин тормозит фермент самой первой реакции — треониндезаминазу, а на ферменты следующих реакций не действует. Если в среду добавить изолейцин, бактерия сразу прекращает его синтез и экономит ресурсы.

В разветвлённых путях регуляция сложнее: каждый конечный продукт тормозит фермент на своей ветви и частично — общий фермент начала пути. Так клетка поддерживает нужное соотношение веществ. Например, при синтезе нуклеотидов пуриновые нуклеотиды тормозят свою ветвь, а пиримидиновые — свою, и в клетке поддерживается баланс, необходимый для синтеза ДНК и РНК.

Регуляция энергетического обмена устроена так же. АТФ — конечный «продукт» гликолиза и дыхания — аллостерически тормозит ключевой фермент гликолиза фосфофруктокиназу, а АМФ и АДФ, накапливающиеся при нехватке энергии, её активируют. Когда энергии много, расщепление глюкозы замедляется; когда мало — ускоряется.

14. Ковалентная модификация и каскады

Ещё один способ быстро включать и выключать ферменты — присоединять к ним и отщеплять от них химические группы, чаще всего фосфатную. Фосфат переносят с АТФ на определённые аминокислоты фермента (серин, треонин, тирозин) ферменты-киназы, а снимают — ферменты-фосфатазы. Присоединение фосфата меняет заряд и форму белка и включает одни ферменты, а другие выключает.

Этот механизм открыли в 1955 году американские биохимики Эдмонд Фишер и Эдвин Кребс (не путать с Хансом Кребсом, открывшим цикл Кребса). Изучая фермент гликогенфосфорилазу, расщепляющий гликоген в мышцах, они обнаружили, что он существует в двух формах — малоактивной и активной — и что переход в активную форму требует АТФ и особого фермента, переносящего фосфат на фосфорилазу [9]. Нобелевскую премию Фишер и Кребс получили лишь в 1992 году, когда стало ясно, что фосфорилирование белков — главный способ передачи сигналов во всех клетках: в клетках человека работают более пятисот различных протеинкиназ.

Ферменты, активирующие друг друга по цепочке, образуют каскады, многократно усиливающие сигнал. При испуге надпочечники выделяют адреналин. Одна молекула адреналина, связавшись с рецептором клетки мышцы или печени, активирует фермент, синтезирующий много молекул циклического АМФ; каждая молекула цАМФ активирует протеинкиназу; каждая протеинкиназа фосфорилирует много молекул киназы фосфорилазы; каждая из них — много молекул фосфорилазы; а каждая фосфорилаза отщепляет от гликогена тысячи остатков глюкозы. В итоге одна молекула гормона за секунды высвобождает миллионы молекул глюкозы, и мышцы получают топливо для бегства или борьбы. Роль цАМФ как посредника открыл американец Эрл Сазерленд, получивший Нобелевскую премию 1971 года.

Каскады ферментов работают и при свёртывании крови. Повреждение сосуда запускает цепочку из десятка протеаз, каждая из которых активирует следующую, отщепляя от неё участок. Последний фермент цепочки — тромбин — превращает растворимый белок фибриноген в нити фибрина, образующие сгусток. Каскад позволяет за минуты остановить кровотечение, но и опасен: если он запускается без нужды, образуются тромбы.

15. Регуляция количества ферментов: индукция и репрессия

Активаторы, ингибиторы и фосфорилирование меняют активность уже имеющихся молекул фермента за секунды и минуты. Более медленный, но экономный способ — изменять количество фермента, включая и выключая его ген.

Этот механизм открыли французские учёные Франсуа Жакоб и Жак Моно, изучая, как кишечная палочка переходит с глюкозы на молочный сахар лактозу [10]. Если в среде есть только глюкоза, бактерия почти не синтезирует ферментов расщепления лактозы — зачем тратить ресурсы на ненужные белки? Если глюкоза кончилась и появилась лактоза, производное лактозы снимает с ДНК белок-репрессор, и гены лактозного оперона начинают работать: за несколько минут количество фермента β-галактозидазы возрастает в сотни раз. Это пример индукции — включения синтеза фермента его субстратом. Противоположный процесс, репрессия, — выключение синтеза ферментов избытком конечного продукта: если в среде много аминокислоты триптофана, бактерия перестаёт синтезировать ферменты его синтеза. Жакоб, Моно и Андре Львов получили за эти работы Нобелевскую премию 1965 года.

У многоклеточных количество ферментов регулируют гормоны: например, кортизол при голодании усиливает в печени синтез ферментов, превращающих аминокислоты в глюкозу. Регулируется и разрушение ферментов: многие ключевые ферменты живут лишь часы, и их количество можно быстро уменьшить, прекратив синтез.

16. Как клетка переключается между синтезом и расщеплением

Синтез и расщепление одного и того же вещества обычно идут разными путями, с разными ферментами на ключевых стадиях. Это позволяет регулировать их взаимно противоположно: один и тот же сигнал включает фермент расщепления и одновременно выключает фермент синтеза. Если бы оба пути работали одновременно, клетка бессмысленно гоняла бы вещество по кругу, расходуя АТФ.

Лучший пример — гликоген. Его синтезирует гликогенсинтаза, а расщепляет гликогенфосфорилаза. Между приёмами пищи и при стрессе глюкагон и адреналин запускают каскад протеинкиназ, которые фосфорилируют оба фермента. Фосфорилирование включает фосфорилазу и выключает гликогенсинтазу: печень расщепляет гликоген и выпускает глюкозу в кровь. После еды инсулин активирует фосфатазу, снимающую фосфаты с обоих ферментов, — фосфорилаза выключается, синтаза включается, и избыток глюкозы откладывается в гликоген. Одна химическая метка — фосфатная группа — работает как двусторонний переключатель.

Похожим образом в растениях свет управляет ферментами цикла Кальвина. На свету в хлоропластах восстанавливаются небольшие белки-переносчики, которые, в свою очередь, восстанавливают дисульфидные мостики в нескольких ферментах цикла и включают их. В темноте мостики снова окисляются, и ферменты выключаются, — иначе ночью цикл Кальвина бесполезно расходовал бы АТФ, который хлоропласт уже не синтезирует (подробнее — в статьях серии о фотосинтезе).

17. Тренировка меняет количество ферментов

Количество ферментов в клетках меняется не только по сигналам гормонов, но и в ответ на нагрузку. В 1967 году американский физиолог Джон Холлоши заставлял крыс ежедневно бегать по дорожке в течение нескольких недель и затем измерял активность ферментов в их мышцах [11]. Оказалось, что у тренированных крыс в мышцах примерно вдвое больше ферментов клеточного дыхания и выше способность митохондрий потреблять кислород. Мышцы буквально перестраивались, синтезируя больше митохондрий.

У человека то же самое: регулярные тренировки на выносливость увеличивают число митохондрий и содержание ферментов цикла Кребса и дыхательной цепи в мышечных волокнах, а силовые тренировки — содержание сократительных белков. При прекращении тренировок количество этих ферментов за несколько недель снижается. Так проявляется общий принцип: клетка поддерживает столько ферментов, сколько нужно для её текущей работы, и не тратит ресурсы на лишние.

18. Как создают лекарства-ингибиторы

Большинство современных лекарств — ингибиторы определённых ферментов. Их ищут разными путями.

Статины. В начале 1970-х годов японский биохимик Акира Эндо искал среди плесневых грибов вещества, подавляющие синтез холестерина. Он рассуждал так: грибы воюют с другими микроорганизмами, а многим из них для мембран нужны стерины, — значит, какие-то грибы могли «научиться» подавлять синтез стеринов. Проверив около шести тысяч штаммов грибов, Эндо в 1973 году нашёл в культуре зелёной плесени Penicillium citrinum вещество компактин, которое конкурентно подавляло ключевой фермент синтеза холестерина — ГМГ-КоА-редуктазу [12]. Из похожих веществ были созданы статины — одни из самых распространённых лекарств в мире, снижающие уровень холестерина в крови и риск инфаркта.

Лекарство из змеиного яда. В 1960-х годах бразильский фармаколог Сержиу Феррейра изучал яд ямкоголовой змеи жарараки, укус которой вызывает резкое падение давления. Он выделил из яда пептиды, подавляющие ангиотензинпревращающий фермент — фермент, образующий в крови вещество, сужающее сосуды. Американские химики Мигель Ондетти и Дэвид Кушман, изучив строение активного центра этого фермента и этих пептидов, в 1977 году сконструировали небольшую молекулу каптоприла [13] — первое лекарство, созданное «по форме» активного центра. Ингибиторы этого фермента и сегодня — одни из главных средств против гипертонии.

Ингибиторы протеазы ВИЧ. Вирус иммунодефицита синтезирует свои белки в виде длинной цепи, которую разрезает на части вирусный фермент протеаза. Когда в конце 1980-х годов расшифровали строение протеазы ВИЧ, химики создали молекулы, похожие на переходное состояние расщепляемой связи, которые прочно занимают её активный центр. Появившиеся в середине 1990-х годов ингибиторы протеазы в сочетании с другими препаратами превратили ВИЧ-инфекцию из смертельной болезни в хроническую, с которой люди живут десятилетиями.

Общий принцип таких лекарств — специфичность: вещество должно подавлять фермент возбудителя или один определённый фермент человека и не затрагивать другие. Иначе возникают побочные эффекты. Поэтому разработка каждого ингибитора — годы работы, в которых измеряют, как вещество влияет на скорость реакции, и вычисляют константы связывания по уравнению Михаэлиса — Ментен и его следствиям.

19. Разделение по отсекам как способ регуляции

Клетка регулирует ферменты и тем, где они находятся. Синтез жирных кислот идёт в цитозоле, а их окисление — в матриксе митохондрий. Чтобы жирная кислота окислилась, её нужно перенести через внутреннюю мембрану митохондрии особым переносчиком. Вещество, образующееся на первом этапе синтеза жирных кислот (малонил-КоА), тормозит этот переносчик. Получается изящная схема: когда клетка синтезирует жиры, она одновременно запрещает их окисление, и вновь синтезированные жирные кислоты не сжигаются бесполезно.

Похожий принцип работает в лизосомах: гидролазы заключены в мембранный пузырёк с кислой средой и могут переваривать только то, что туда доставлено. А ферменты, синтезирующие белки на экспорт, работают в полости ЭПС, отделённой от цитоплазмы. Таким образом, мембраны клетки — не только перегородки, но и инструмент управления ферментами (подробнее — в статье «Одномембранные органоиды»).

20. Ферменты и суточные ритмы

Активность многих ферментов меняется в течение суток. В клетках почти всех органов работают «молекулярные часы» — гены, белки которых включают и выключают друг друга с периодом около 24 часов, а заодно управляют синтезом сотен других белков, в том числе ферментов обмена веществ. Например, в печени ночью усиливается синтез ключевого фермента синтеза холестерина, днём — ферментов, перерабатывающих поступающую пищу. За открытие механизма этих часов американские генетики Джеффри Холл, Майкл Росбаш и Майкл Янг в 2017 году получили Нобелевскую премию.

Суточные ритмы ферментов важны для медицины. Некоторые статины с коротким действием советуют принимать вечером, когда синтез холестерина наиболее интенсивен. Работа ферментов, обезвреживающих лекарства в печени, тоже меняется в течение суток, поэтому одна и та же доза может действовать по-разному утром и вечером. Нарушение режима сна, ночная работа сбивают эти ритмы и связаны с нарушениями обмена веществ.

21. Почему ферменты у людей работают по-разному

Одинаковые ферменты у разных людей могут иметь разную скорость работы из-за небольших различий в генах. Это объясняет, почему одни и те же вещества по-разному действуют на разных людей.

• Алкоголь. Этанол сначала окисляется до ядовитого ацетальдегида, а затем другой фермент — альдегиддегидрогеназа — превращает его в безвредную уксусную кислоту. Примерно у трети жителей Восточной Азии этот второй фермент из-за одной замены аминокислоты почти не работает. Ацетальдегид накапливается, и даже после небольшой дозы алкоголя лицо краснеет, учащается сердцебиение, появляется тошнота.
• Лекарства. Противотуберкулёзный препарат изониазид обезвреживается в печени ферментом, присоединяющим к нему ацетильную группу. У «медленных ацетиляторов» — а их среди европейцев около половины — фермент работает медленнее, препарат дольше остаётся в крови, и чаще возникают побочные эффекты. Обезболивающее кодеин действует только после превращения ферментом печени в морфин; у людей с неактивной формой этого фермента кодеин почти не обезболивает, а у людей с удвоенным геном фермента может вызвать отравление.
• Лактоза. Способность взрослых переваривать молочный сахар зависит от регуляторных мутаций рядом с геном лактазы (подробнее — в статье «Ферменты»).

Наука, изучающая, как генетические различия ферментов влияют на действие лекарств, называется фармакогенетикой. Её цель — подбирать лекарства и дозы с учётом генотипа больного.

22. Ингибиторы в сельском хозяйстве

Ингибиторы ферментов защищают урожай. Самый распространённый в мире гербицид — глифосат — подавляет фермент, который участвует в синтезе ароматических аминокислот (фенилаланина, тирозина, триптофана) у растений. Без этих аминокислот растение не может синтезировать белки и погибает. У животных и человека этого пути вообще нет — мы получаем ароматические аминокислоты с пищей, — поэтому глифосат для них гораздо менее токсичен, чем для растений. Чтобы бороться с сорняками, не губя посевы, вывели сорта сои, кукурузы, хлопчатника с устойчивой формой этого фермента, полученной от почвенной бактерии.

Другие гербициды подавляют ферменты синтеза разветвлённых аминокислот или пигментов, а многие инсектициды — уже знакомую ацетилхолинэстеразу насекомых. Широкое применение ингибиторов приводит к отбору устойчивых сорняков и вредителей: у них распространяются мутации, изменяющие фермент-мишень так, что ингибитор больше не связывается, — пример естественного отбора, идущего на глазах.

23. Ферменты и хранение продуктов

Порча продуктов — во многом работа ферментов: собственных ферментов продукта и ферментов микроорганизмов. Все способы консервирования, придуманные людьми, так или иначе подавляют ферменты.

Иногда ферменты, наоборот, нужны: мясо после убоя выдерживают несколько дней, чтобы собственные протеазы мышц размягчили его; чай, какао и табак ферментируют — их собственные ферменты окисляют дубильные и другие вещества, придавая продукту цвет и аромат.

24. Как читать графики в задачах

Задания на зависимость скорости ферментативной реакции от условий почти всегда содержат график. Важно узнавать типичные формы кривых.

• Скорость от концентрации фермента (при избытке субстрата) — прямая линия: скорость пропорциональна количеству фермента.
• Скорость от концентрации субстрата — кривая с насыщением: сначала почти прямая, затем изгибается и выходит на плато (максимальная скорость). У аллостерических ферментов — S-образная кривая.
• Скорость от температуры — несимметричная кривая с максимумом: слева пологий подъём (ускорение реакции при нагревании), справа крутой спуск (денатурация).
• Скорость от pH — колоколообразная кривая с максимумом в оптимуме pH; у разных ферментов максимумы при разных pH.
• Действие ингибиторов: при конкурентном ингибиторе кривая насыщения поднимается медленнее, но при большой концентрации субстрата достигает того же плато; при неконкурентном плато ниже.

Отвечая на вопрос о графике, полезно назвать: какой фактор отложен по оси, как меняется скорость на каждом участке кривой и почему. Например: «на участке до 37 °C скорость растёт, потому что молекулы движутся быстрее и чаще сталкиваются; выше 40 °C скорость падает, так как фермент денатурирует и разрушается его активный центр».

25. Как поставить опыт о влиянии условий на фермент

В заданиях второй части ЕГЭ часто описывают эксперимент и просят указать, какой фактор изучали, что было контролем, какой вывод можно сделать. Правильно поставленный опыт всегда строится по одной схеме.

1. Независимая переменная — фактор, который экспериментатор специально меняет (температура, pH, концентрация).
2. Зависимая переменная — то, что измеряют (скорость реакции, время исчезновения крахмала, объём газа).
3. Постоянные условия — всё остальное должно быть одинаковым во всех пробирках: количество фермента и субстрата, объём, время.
4. Контроль — проба, в которой изучаемого воздействия нет или фермент заведомо неактивен (например, прокипячённый), чтобы убедиться, что результат вызван именно ферментом.

Пример. Чтобы изучить влияние температуры на амилазу, в пять пробирок наливают одинаковое количество крахмального клейстера и одинаковое количество слюны и выдерживают их при 0, 20, 37, 60 и 100 °C. Каждые минуту-две берут каплю смеси и проверяют йодом. Быстрее всего синее окрашивание исчезнет при 37 °C; при 20 °C — медленнее; при 0 °C реакция почти не пойдёт, но если пробирку потом согреть, амилаза заработает; при 60 и 100 °C крахмал не расщепится — фермент денатурировал. Контролем служит пробирка с клейстером без слюны.

26. Температура и ферменты в живой природе

Зависимость ферментов от температуры во многом определяет образ жизни организмов. У холоднокровных животных температура тела следует за температурой среды, и их активность падает в холод: ящерицы утром греются на солнце, прежде чем начать охоту, а насекомые в прохладные дни малоподвижны. Многие холоднокровные приспосабливаются, синтезируя в разные сезоны разные изоферменты: у рыб, живущих в реках с сезонными колебаниями температуры, зимой работают формы ферментов, лучше действующие при холоде.

Ледяные рыбы Антарктики живут при температуре около −1,8 °C — ниже точки замерзания пресной воды. Их ферменты гибкие и активные при холоде, а кровь содержит белки-антифризы, не дающие образоваться кристаллам льда. При нагревании до +4–6 °C эти рыбы гибнут — их белки не приспособлены к теплу.

Теплокровные животные решили проблему иначе — поддерживают постоянную температуру тела, близкую к оптимуму своих ферментов. Высокая температура тела птиц (около 40–42 °C) и млекопитающих (36–39 °C) позволяет их ферментам работать быстро, а значит, быстро двигаться и реагировать в любую погоду. Цена — большие затраты энергии на теплопродукцию (подробнее — в статье «АТФ и энергетика клетки»).

27. Частые ошибки

• «Чем выше температура, тем быстрее работает фермент». Только до оптимума; выше него фермент денатурирует, и скорость резко падает.
• «При низкой температуре фермент разрушается». При охлаждении фермент замедляется, но сохраняет структуру; разрушает его нагревание.
• «Если добавить много субстрата, скорость будет расти бесконечно». Скорость выходит на плато, когда все активные центры заняты (насыщение).
• «Все ферменты работают при pH 7». У каждого фермента свой оптимум: у пепсина — 1,5–2, у трипсина — около 8.
• «Ингибитор разрушает фермент». Обратимые ингибиторы лишь временно связываются с ферментом; после их удаления активность восстанавливается.
• «Конкурентный ингибитор связывается вне активного центра». Конкурентный — в активном центре (похож на субстрат), неконкурентный — вне его.
• «Ферменты регулируются только количеством». Есть и быстрые способы: аллостерические эффекторы, фосфорилирование, активация проферментов.
• «Отрицательная обратная связь — это когда продукт тормозит последний фермент пути». Обычно продукт тормозит первый фермент пути, чтобы не накапливались промежуточные вещества.

28. Интересные факты

• Уравнение Михаэлиса — Ментен выведено в 1913 году по измерениям, сделанным поляриметром, и до сих пор используется при разработке каждого нового лекарства.
• Тёмные уши, лапы и хвост сиамских кошек объясняются ферментом синтеза пигмента, который работает только на холодных участках тела.
• При отравлении метанолом противоядием может служить обычный этиловый спирт: он занимает активный центр фермента, превращающего метанол в яд.
• Одна таблетка аспирина выключает фермент в тромбоцитах на всю их жизнь, потому что у тромбоцитов нет ядра и они не могут синтезировать новый фермент.
• Одна молекула адреналина через каскад ферментов высвобождает из гликогена миллионы молекул глюкозы.
• Лекарство от гипертонии каптоприл создано на основе пептидов из яда бразильской змеи жарараки.
• Статины, принимаемые миллионами людей, ведут начало от вещества, найденного в зелёной плесени.
• Ледяные рыбы Антарктики живут при −1,8 °C и гибнут при нагревании воды всего до +4–6 °C.

29. Частые вопросы

Почему у человека температура тела около 37 °C, а не 45 °C — ведь ферменты работали бы быстрее?

При 45 °C многие белки человека начинают денатурировать, а поддержание такой температуры требовало бы ещё больших затрат энергии. Около 37 °C — компромисс между скоростью реакций, устойчивостью белков и затратами на теплопродукцию. По одной из гипотез, высокая температура тела млекопитающих защищает их и от многих грибковых инфекций: большинство грибов плохо растёт выше 35–37 °C.

Почему при высокой температуре тела может наступить смерть?

При температуре выше 41–42 °C начинают денатурировать белки клеток, прежде всего нервных; нарушается работа ферментов, мембран, ионных каналов. Поэтому тепловой удар и очень высокая лихорадка опасны для жизни.

Можно ли «оживить» денатурированный фермент?

Некоторые небольшие белки после мягкой денатурации могут восстановить свою структуру, если вернуть нормальные условия: это показал в 1950-х годах американский биохимик Кристиан Анфинсен на рибонуклеазе, доказав, что пространственная структура белка определяется последовательностью аминокислот. Но большинство ферментов после сильного нагревания денатурирует необратимо: их цепи слипаются друг с другом и выпадают в осадок.

Почему в желудке пепсин не переваривает саму стенку желудка?

Во-первых, пепсин выделяется в неактивной форме — пепсиногеном — и активируется уже в полости желудка. Во-вторых, стенку покрывает толстый слой слизи, содержащей гидрокарбонаты, которые нейтрализуют кислоту у поверхности клеток. В-третьих, клетки эпителия быстро обновляются. При нарушении этой защиты (например, при заражении бактерией хеликобактер) образуются язвы.

Почему одни ингибиторы — лекарства, а другие — яды?

Всё зависит от того, какой фермент подавляется, насколько сильно и избирательно. Ингибитор фермента бактерии или вируса, не затрагивающий ферментов человека, — лекарство. Ингибитор жизненно важного фермента человека, например ацетилхолинэстеразы или цитохромоксидазы, — яд. Некоторые вещества в малых дозах лечат, а в больших — отравляют.

Что такое оптимум и почему он есть?

Оптимум — значение фактора (температуры, pH), при котором фермент работает быстрее всего. Он возникает потому, что на фермент одновременно действуют два противоположных эффекта: например, при нагревании реакция ускоряется, но одновременно растёт доля разрушенных молекул фермента. В оптимуме их суммарное действие даёт максимальную скорость.

Чем аллостерический центр отличается от активного?

В активном центре связывается и превращается субстрат. В аллостерическом центре связывается регуляторное вещество, которое не превращается, а лишь меняет форму фермента и тем самым работу активного центра.

Почему при отравлении фосфорорганическими веществами важно быстро ввести противоядие?

Фосфорорганическое вещество сначала связывается с ацетилхолинэстеразой обратимо, а затем связь постепенно упрочняется («стареет»), и фермент выходит из строя окончательно. Оксимы могут снять яд с фермента только в первые часы, пока связь не постарела. После этого активность восстанавливается лишь по мере синтеза новых молекул фермента, на что уходят недели.

Почему ферменты работают быстрее в живой клетке, чем в пробирке?

В клетке ферменты одного пути часто расположены рядом или объединены в комплексы, и продукт одного фермента сразу попадает к следующему, не успевая разбавиться. Кроме того, в клетке поддерживаются оптимальные pH, ионный состав, концентрации кофакторов. В пробирке же фермент часто работает в разбавленном растворе и в неидеальных условиях.

Почему лекарства принимают несколько раз в день?

Многие лекарства — обратимые ингибиторы ферментов. Их действие продолжается, пока концентрация в крови достаточна; затем препарат обезвреживается ферментами печени и выводится почками, ингибитор покидает фермент-мишень, и активность восстанавливается. Чтобы поддерживать нужную концентрацию, препарат принимают повторно. Необратимые ингибиторы, как аспирин в тромбоцитах, действуют дольше — пока клетка не синтезирует новый фермент.

30. ЕГЭ

Эта тема почти всегда проверяется через эксперимент. Типичные задания второй части: «Экспериментатор изучал влияние температуры на активность каталазы… Какой параметр задавался экспериментатором (независимая переменная), а какой менялся в зависимости от этого (зависимая)? Что является отрицательным контролем? Почему при 80 °C реакция не идёт?»; «Объясните, почему пепсин не активен в кишечнике»; задания на анализ графиков зависимости скорости от pH для пепсина и трипсина.

Разбор типичного задания второй части

Задание: «Учёный поместил в пробирки одинаковое количество раствора пероксида водорода и кусочки сырого картофеля и выдерживал их при разных температурах: 0, 20, 37, 60 и 90 °C, измеряя объём выделившегося газа за 5 минут. Какая переменная независимая, какая зависимая? Объясните, почему при 0 и 90 °C газа выделялось мало и чем различаются причины». Полный ответ: 1) независимая переменная — температура, зависимая — объём выделившегося кислорода (скорость реакции); 2) при 0 °C каталаза замедлилась из-за низкой скорости движения молекул, но не разрушилась; при нагревании до 37 °C её активность восстановится; 3) при 90 °C каталаза денатурировала: разрушилась её пространственная структура и активный центр; эти изменения необратимы; 4) наибольшая скорость — около оптимальной температуры (в опыте — 37 °C).

31. Для олимпиад

Уравнение Михаэлиса — Ментен. v = V_max[S]/(K_M + [S]). При [S] = K_M скорость равна половине максимальной; при [S] = 9K_M — 90 % максимальной; при [S] ≪ K_M скорость почти пропорциональна [S]: v ≈ (V_max/K_M)[S].

Двойные обратные координаты. Если взять обратные величины, уравнение превращается в уравнение прямой: 1/v = (K_M/V_max) · (1/[S]) + 1/V_max (график Лайнуивера — Бэрка). Прямая пересекает ось 1/v в точке 1/V_max, а ось 1/[S] — в точке −1/K_M. При конкурентном ингибировании прямые с ингибитором и без него пересекаются на оси 1/v (V_max не меняется, K_M растёт), при неконкурентном — на оси 1/[S] (K_M не меняется, V_max падает).

Кажущаяся константа при конкурентном ингибировании. K_M^каж = K_M(1 + [I]/K_i), где [I] — концентрация ингибитора, K_i — константа его диссоциации. Если [I] = 4K_i, кажущаяся константа Михаэлиса возрастает в 5 раз.

Кооперативность. Для аллостерических ферментов используют уравнение Хилла: v = V_max[S]ⁿ/(Kⁿ + [S]ⁿ). При n = 1 получается обычная гипербола, при n > 1 — S-образная кривая. Чтобы фермент Михаэлиса перешёл от 10 % до 90 % максимальной скорости, концентрацию субстрата нужно увеличить в 81 раз; для фермента с n = 4 — всего в 3 раза. Поэтому аллостерические ферменты — эффективные «переключатели».

32. Задания с разбором

Задание 1

Выберите три верных ответа. Скорость ферментативной реакции зависит от: 1) температуры; 2) pH среды; 3) цвета пробирки; 4) концентрации субстрата; 5) времени суток проведения опыта; 6) формы сосуда.

Задание 2

Установите соответствие между ферментами и оптимумом pH их работы. Ферменты: А) пепсин; Б) трипсин; В) амилаза слюны; Г) кислые гидролазы лизосом; Д) липаза поджелудочной железы. Оптимум: 1) кислая среда (pH 1,5–5); 2) нейтральная (около 7); 3) слабощелочная (около 8).

Задание 3

Найдите ошибки в тексте. (1) Скорость ферментативной реакции растёт с повышением температуры до оптимума. (2) При дальнейшем нагревании фермент денатурирует. (3) При понижении температуры до 0 °C ферменты разрушаются. (4) Каждый фермент имеет свой оптимум pH. (5) Конкурентный ингибитор связывается с аллостерическим центром фермента.

Задание 4

Выберите три верных ответа. Конкурентный ингибитор: 1) похож по строению на субстрат; 2) связывается с активным центром; 3) действие преодолевается увеличением концентрации субстрата; 4) всегда необратимо связывается с ферментом; 5) связывается только вне активного центра; 6) является продуктом реакции во всех случаях.

Задание 5

Экспериментатор изучал активность амилазы слюны при pH 2, 5, 7 и 9, добавляя к одинаковым порциям крахмального клейстера одинаковое количество слюны и определяя время, за которое смесь перестаёт синеть от йода. Какая переменная независимая, какая зависимая? При каком pH реакция шла быстрее всего? Что нужно использовать как отрицательный контроль?

Задание 6

Установите соответствие между примерами и типом воздействия на фермент. Примеры: А) ионы хлора и амилаза слюны; Б) малонат и сукцинатдегидрогеназа; В) соляная кислота и пепсиноген; Г) ионы ртути и ферменты с группами −SH; Д) АМФ и фосфорилаза мышц; Е) этанол и окисление метанола. Типы: 1) активация; 2) ингибирование.

Задание 7

Почему при увеличении концентрации субстрата скорость ферментативной реакции сначала растёт, а затем перестаёт изменяться?

Задание 8

Выберите три верных ответа. Аллостерическая регуляция: 1) осуществляется веществами, связывающимися вне активного центра; 2) изменяет форму молекулы фермента; 3) может как активировать, так и тормозить фермент; 4) всегда необратимо разрушает фермент; 5) возможна только у рибозимов; 6) происходит при замене аминокислот в гене.

Задание 9

Почему при отравлении метанолом больному вводят этиловый спирт?

Задание 10

Установите последовательность событий при отрицательной обратной связи в метаболическом пути A → B → C → D (продукт D): А) концентрация D возрастает; Б) D связывается с аллостерическим центром фермента первой реакции; В) превращение A в B замедляется; Г) синтез D уменьшается; Д) при расходовании D фермент освобождается и снова активен.

Задание 11

Объясните, почему тёмная шерсть у сиамских кошек растёт только на ушах, лапах, хвосте и мордочке.

Задание 12

Выберите три верных ответа. Необратимыми ингибиторами ферментов являются: 1) фосфорорганические вещества (для ацетилхолинэстеразы); 2) аспирин (для циклооксигеназы); 3) малонат (для сукцинатдегидрогеназы); 4) пенициллин (для ферментов синтеза клеточной стенки бактерий); 5) избыток субстрата; 6) этанол (для алкогольдегидрогеназы).

Задание 13

Почему продукты в холодильнике хранятся дольше, а после варки — ещё дольше (если их не загрязнить снова)?

Задание 14

Установите соответствие между характеристиками и способами регуляции ферментов. Характеристики: А) присоединение фосфата ферментом-киназой; Б) включение гена фермента субстратом; В) связывание эффектора в регуляторном центре; Г) отщепление участка цепи от профермента; Д) изменение количества молекул фермента. Способы: 1) изменение активности имеющихся молекул; 2) изменение количества фермента.

Задание 15

Почему аспирин назначают в малых дозах для профилактики тромбозов, а его действие на тромбоциты сохраняется несколько дней после приёма одной таблетки?

Задание 16

Выберите три верных ответа. Насыщение фермента субстратом: 1) наступает при высокой концентрации субстрата; 2) означает, что все активные центры заняты; 3) приводит к денатурации фермента; 4) соответствует максимальной скорости реакции; 5) возникает только при низкой температуре; 6) снимается добавлением ингибитора.

Задание 17

Почему в лизосомах кислая среда и какое значение это имеет для клетки?

Задание 18

Как с помощью каскада ферментов одна молекула адреналина вызывает высвобождение миллионов молекул глюкозы?

Задание 19 (олимпиадное)

Для фермента V_max = 100 мкмоль/мин, K_M = 2 ммоль/л. Рассчитайте скорость реакции при концентрации субстрата 2, 6 и 18 ммоль/л. Как изменится скорость при [S] = 2 ммоль/л, если добавить конкурентный ингибитор, увеличивающий кажущуюся K_M в 3 раза?

Задание 20 (олимпиадное)

Скорость ферментативной реакции при 20 °C равна 10 условным единицам, температурный коэффициент Q₁₀ = 2,5. Оцените скорость при 30 °C и 37 °C, если фермент не денатурирует. Почему реальная скорость при 50 °C может оказаться меньше расчётной?

Литература

1. Johnson K. A., Goody R. S. The original Michaelis constant: translation of the 1913 Michaelis–Menten paper // Biochemistry. 2011. Vol. 50. P. 8264–8269.
2. Nelson D. L., Cox M. M. Lehninger Principles of Biochemistry. 8th ed. New York: W. H. Freeman, 2021.
3. Berg J. M., Tymoczko J. L., Gatto G. J., Stryer L. Biochemistry. 9th ed. New York: W. H. Freeman, 2019.
4. Lyons L. A., Imes D. L., Rah H. C., Grahn R. A. Tyrosinase mutations associated with Siamese and Burmese patterns in the domestic cat (Felis catus) // Animal Genetics. 2005. Vol. 36. P. 119–126.
5. Quastel J. H., Wooldridge W. R. Some properties of the dehydrogenating enzymes of bacteria // Biochemical Journal. 1928. Vol. 22. P. 689–702.
6. Vane J. R. Inhibition of prostaglandin synthesis as a mechanism of action for aspirin-like drugs // Nature New Biology. 1971. Vol. 231. P. 232–235.
7. Monod J., Wyman J., Changeux J.-P. On the nature of allosteric transitions: a plausible model // Journal of Molecular Biology. 1965. Vol. 12. P. 88–118.
8. Umbarger H. E. Evidence for a negative-feedback mechanism in the biosynthesis of isoleucine // Science. 1956. Vol. 123. P. 848.
9. Krebs E. G., Fischer E. H. The phosphorylase b to a converting enzyme of rabbit skeletal muscle // Biochimica et Biophysica Acta. 1956. Vol. 20. P. 150–157.
10. Jacob F., Monod J. Genetic regulatory mechanisms in the synthesis of proteins // Journal of Molecular Biology. 1961. Vol. 3. P. 318–356.
11. Holloszy J. O. Biochemical adaptations in muscle. Effects of exercise on mitochondrial oxygen uptake and respiratory enzyme activity in skeletal muscle // Journal of Biological Chemistry. 1967. Vol. 242. P. 2278–2282.
12. Endo A. A historical perspective on the discovery of statins // Proceedings of the Japan Academy, Series B. 2010. Vol. 86. P. 484–493.
13. Ondetti M. A., Rubin B., Cushman D. W. Design of specific inhibitors of angiotensin-converting enzyme: new class of orally active antihypertensive agents // Science. 1977. Vol. 196. P. 441–444.
14. ФИПИ. Кодификатор проверяемых требований к результатам освоения основной образовательной программы и элементов содержания для проведения ЕГЭ по биологии, 2027 г. М.: ФИПИ, 2026.