Основы энзимологии

В.К. Плакунов
Основы энзимологии
Допущено Министерством образования Российской Федерации в
качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по направлениям подготовки бакалавров и магистров
«Биология», «Экология и природопользование», «Химическая
технология и биотехнология», направлениям подготовки
дипломированных специалистов «Биология», «Физиология»,
«Микробиология», «Биохимия», «Биоэкология»
Москва • «Логос» • 2020

УДК 577
ББК 28.072
         П37
Р е ц е н з е н т ы:
Доктора биологических наук
профессора И.М. Грачева и Д.Г. Звягинцев
Плакунов В.К.
Основы энзимологии. — М.: Логос, 2020. — 128 с.: ил.
П37           
ISBN 5-94010-027-9
Рассмотрены основные положения науки энзимологии — биохимии белков-ферментов и других посредников биохимических
процессов. Содержит не только общую характеристику ферментативной активности, но и разделы, связанные с регуляцией метаболизма и физиологических функций клеток.
Для студентов вузов. Представляет интерес для научных сотрудников, не получивших фундаментальной биохимической подготовки.
ББК 28.072
ISBN 5-94010-027-9
© 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
Настоящий учебник посвящен рассмотрению основ энзимологии,
т.е.  принципов функционирования белковых посредников биохимических процессов — ферментов и других  компонентов, осуществляющих катализ реакций, транслокацию и узнавание субстратов.
Понятие «энзимология» в настоящее время расширено в связи с
двумя основными обстоятельствами. Во-первых, экспериментальным
путем доказано, что ферментативными свойствами обладают не только белки, но и рибонуклеиновые кислоты (так называемые рибозимы).
Во-вторых, среди белковых посредников биохимических процессов
обнаружены не только ферменты (катализаторы биохимических реакций), но и клеточные компоненты, «узнающие» и «транслоцирующие» (компоненты систем таксиса, транспортных систем и т.д.), которые прямо не катализируют никаких химических реакций. Предметом энзимологии в настоящее время можно считать описание любых
посредников биохимических процессов, а в ее задачу входит изучение
физических и химических основ функционирования этих посредников
и их физиологической роли в живом организме.
Автор старался избегать дублирования прекрасных многотомных
учебников по общему курсу биохимии, существующих в настоящее
время, многие из которых переведены на русский язык, и для изложения выбрал те разделы биохимии, которые, по его мнению, необходимы для формирования  биохимического мышления у читателей, главным образом, студентов химических и микробиологических вузов, специализирующихся в области экологии и биотехнологии. Этим, в
частности, объясняется большой удельный вес материалов и множество примеров из области биохимии микроорганизмов, играющих основную роль в биотехнологических процессах.
Немаловажный фактор при выборе материала и, особенно, степени
детализации его изложения — представления автора о том, в каких разделах биохимии он считает себя наиболее компетентным.
Материалом для данного учебника послужили лекции по общей
биохимии и энзимологии, которые автор длительное время читал в
Московской химико-технологической академии им. Д.И. Менделеева и
на биологическом факультете Московского государственного университета, где он имел возможность контролировать усвояемость материала и вносить в текст лекций необходимые улучшения и дополнения.
5

&
Введение
Предмет и задачи биологической химии. Энзимология — это часть
биохимии, предметом биохимии являются живые системы, а в ее
задачу входит изучение химических основ жизни, т.е. химического
состава и структуры компонентов живых систем, а также природы протекающих в них химических реакций. Главной целью биохимии является не простое описание химических процессов в
живых системах, а выяснение взаимосвязи молекулярной структуры и биологической функции.
Очевидно, что предмет биохимии — в одном ряду с другими
химическими и биологическими науками (биоорганической химией, молекулярной биологией, физиологией и т.д.), изучающими
живые системы, тогда как задачи перекрываются лишь частично.
Границы между этими науками в настоящее время достаточно
условны в некоторых областях, что усиливается применением
общих методов исследования (например, методов генетической
инженерии). Биохимия составляет фундамент этих наук (см. рис. 1).
Рис. 1. Схема расположения энзимологии в системе других наук
6

Основные этапы развития биохимических знаний. Развитие биохимии было невозможно без открытия главных законов природы
для неживых систем и изучения фундаментальных основ физики
и химии этих систем.
В конце XVIII в. А. Лавуазье и П. Лаплас  показали, что основные законы сохранения вещества и энергии справедливы и для
биологических объектов.
Выделение химическими методами большого количества новых
индивидуальных веществ из живых организмов и установление того
факта, что все они содержат углерод, положило начало органической
химии, основателем которой можно считать Ж. Гей-Люcсака, изучившего методом сжигания состав многих углеводов и белков.
В 1824 г. Ф. Вёлер синтезировал щавелевую кислоту, в 1828 г. —
мочевину, опровергнув виталистическую точку зрения, что органические вещества могут быть продуктом только живых организмов. Правда, Ф. Хеннель синтезировал этанол до открытий Ф. Вёлера, однако, образующие этанол дрожжи до работ Л. Пастера не
считались живыми организмами.
В XIX в. И. Берцелиус впервые использовал термин катализатор и сформулировал основные принципы катализа, после чего
стало ясно, что птиалин слюны, пепсин желудочного сока и амилаза солода являются биологическими катализаторами. К концу
XIX в. были достигнуты большие успехи в развитии неорганической, органической и физической химии, сформулированы законы термодинамики, генетические принципы наследственности
(Г. Мендель) и получила признание доктрина эволюции (Ч. Дарвин). В начале XX в. Э. Фишер разработал методы выделения мономеров из белков и полисахаридов, установил структуру и оптические конфигурации многих из них, продемонстрировал специфичность действия ферментов и, таким образом, положил начало
многим направлениям биохимии. Сам термин биохимия был введен в 1903 г. К. Нейбергом.
Однако в первой половине ХХ в. биохимики уделяли главное
внимание малым молекулам (мономерам) и составу биополимеров, а функционирование биополимеров стало предметом интенсивного изучения лишь в середине и второй половине XX в.
Термин энзим был введен в 1870-е годы К.Кюне (от en zyme —
в закваске) для обозначения компонентов дрожжевой клетки,
осуществляющих химические превращения субстратов. Ферментами
в то время назывались живые микроорганизмы. Однако в русскоязычной научной литературе  для обозначения  белковых катализаторов термин фермент является более употребляемым в настоящее время.
7

Вопрос о том, что химические превращения субстратов катализируются определенными веществами, которые могут функционировать как внутри клеток («организованные» ферменты Л.Пастера), так и вне клеток («неорганизованные» ферменты Ю.Либиха
и К.Бернара), окончательно был решен в 1897 г. Г. и Э.Бухнерами,
осуществившими процесс брожения с помощью экстракта из клеток дрожжей.
Широкое изучение физико-химических свойств ферментов и
механизма их функционирования стало возможным только после
разработки методов получения ферментов в гомогенном состоянии. Первый индивидуальный кристаллический фермент (уреаза) получен  Д.Самнером в 1926 г.
Последующее выделение в индивидуальном состоянии ряда
других ферментов привело к формулировке правила: «все ферменты — белки», которое было опровергнуто только в 70-е годы в
результате открытия ферментативных свойств РНК (например,
РНКазы Р, участвующей в процессинге tРНК). Такие ферменты
получили название рибозимы.
Главные этапы развития биохимии связаны с именами ряда ученых, многие из которых работали в России: А.Н.Баха (перекисная теория биологического окисления), В.И.Палладина (теория
дегидрирования), В.А.Энгельгарда (открытие АТФ), А.И.Опарина
(гипотеза возникновения жизни), А.Н.Белозерского (исследование нуклеиновых кислот), К.Функа (витамины, авитаминоз),
Г.Эмбдена и К.Мейергофа (механизм гликолиза), Г.Кребса (цикл
трикарбоновых кислот), А.Сцент-Дьёрди (основы биоэнергетики), А.Ленинджера (окислительное фосфорилирование), П.Митчелла (хемиосмотическая теория) и многих других современных
биохимиков.
Принципы классификации семейства биохимических наук. Основным принципом является классификация по объекту исследования, в результате чего выделяют биохимию:
животных,
растений,
микроорганизмов.
В свою очередь, каждая из этих наук может включать более
мелкие подразделы, например биохимию насекомых, водорослей,
грибов и т.д. Иногда в качестве объектов рассматривают классы
химических соединений, выделяя биохимию белков, целлюлозы
и др.
Как принцип классификации можно выделить область применения биохимических подходов, например существует термин
техническая биохимия.
8

Иногда подчеркивается тот или иной аспект проблемы, включаемый в сферу действия данной области науки. Это приводит к
появлению таких «гибридов», как физическая биохимия. Не вдаваясь в терминологическую казуистику, мы лишь констатируем сложившуюся ситуацию, выражающуюся, в частности, в существовании монографической литературы с указанными названиями.
В свою очередь, биохимия включается в более широкие понятия, например, физико-химическая биология, объединяющая родственные физические, химические и биохимические разделы соответствующих наук: физики, химии и биологии (рис. 1).
Значение биохимии для биотехнологии. Биохимические процессы
лежат в основе очень многих технологических производств пищевой, медицинской и микробиологической промышленности. В
настоящее время технологические процессы, осуществляемые с
помощью живых организмов или их компонентов, называют биотехнологией. В этом смысле биохимия составляет фундаментально-научную основу биотехнологии, и биохимические знания абсолютно необходимы для разработки рациональной схемы соответствующего производства.

&
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
Как правило, клетки окружены двумя оболочками: клеточной
стенкой и цитоплазматической мембраной, для эукариотических
клеток применяют название плазмолемма.
Клеточная стенка обеспечивает механическую прочность клетки, придавая ей жесткую (ригидную) структуру, благодаря чему
10