4. Механизм действия ферментов

По образному выражению, нередко употребляемому в биохимической литературе, фермент подходит к субстрату, как ключ к замку. Это знаменитое правило было сформулировано Э. Фишером в 1894 г. исходя из того, что специфичность действия фермента предопределяется строгим соответствием геометрической структуры субстрата и активного центра фермента.

В 50-е годы нашего столетия это статическое представление было заменено гипотезой Д. Кошланда об индуцированном соответствии субстрата и фермента. Сущность ее сводится к тому, что пространственное соответствие структуры субстрата и активного центра фермента создается в момент их взаимодействия друг с другом, что может быть выражено формулой “перчатка - рука”. При этом в субстрате уже деформируются некоторые валентные связи и он, таким образом, подготавливается к дальнейшему каталитическому видоизменению, а в молекуле фермента происходят конформационные перестройки.

Обратите внимание на домены А и Б. Домены А и Б участвуют в связывании субстратов и препятствуют проникновению воды (которая бы способствовала гидролизу нуклеотидов, а не переносу фосфатных групп). Связывание субстрата запускает конформационные изменения, которые видны на рис. б. Обратите внимание, что домены сблизились и их конформация изменилась. Домен Б приобрел более упорядоченную вторичную структуру, в нем появились -складчатые элементы. На рис. б видно, что оба домена прикрывают субстрат.

Рис. 5 Конформационные изменения в аденилаткиназе при связывании синтетического аналога субстратов. а — пространственная структура аденилаткиназы; б— аденилатциклаза, связанная с синтетическим аналогом субстратов.

В настоящее время гипотеза Кошланда получила дальнейшее развитие в гипотезу топохимического соответствия. Сохраняя основные положения гипотезы взаимоиндуцированной настройки субстрата и фермента, она фиксирует внимание на том, что специфичность действия ферментов объясняется в первую очередь узнаванием той части субстрата, которая не изменяется при катализе. Между этой частью субстрата и субстратным центром фермента возникают многочисленные точечные гидрофобные взаимодействия и водородные связи.

Основные этапы ферментативного катализа

Любая ферментативная реакция протекает через ряд промежуточных стадий. Различают три основных этапа ферментативного катализа:

1 этап. ОРИЕНТИРОВАННАЯ СОРБЦИЯ СУБСТРАТА НА АКТИВНОМ ЦЕНТРЕ ФЕРМЕНТА С ОБРАЗОВАНИЕМ ОБРАТИМОГО E-S КОМПЛЕКСА (ФЕРМЕНТ-СУБСТРАТНОГО). На этом этапе происходит взаимодействие адсорбционного центра фермента с молекулой субстрата. При этом и субстрат подвергается конформационной перестройке. Все это происходит за счет возникновения слабых типов связей между субстратом и адсорбционным центром фермента. В результате этого молекула субстрата подается на каталитический центр в наиболее удобном для него положении. Этот этап является легко обратимым, потому что здесь участвуют только слабые типы связей.

2 этап. ХИМИЧЕСКИЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ МОЛЕКУЛЫ СУБСТРАТА В СОСТАВЕ ФЕРМЕНТ-СУБСТРАТНОГО КОМПЛЕКСА С ОБРАЗОВАНИЕМ КОМПЛЕКСА ФЕРМЕНТА С ХИМИЧЕСКИ ПРЕОБРАЗОВАННЫМ СУБСТРАТОМ. На этом этапе разрываются одни ковалентные связи и возникают новые. Поэтому этот этап протекает значительно медленнее, чем 1-й и 3-й этапы. Именно скорость второго этапа определяет скорость всей ферментативной реакции в целом.

3 этап. ДЕСОРБЦИЯ ГОТОВОГО ПРОДУКТА ИЗ ЕГО КОМПЛЕКСА С ФЕРМЕНТОМ. В результате образования продукта, комплементарность снижается (или исчезает), а после диссоциации продукта фермент возвращается в исходное состояние. Он, как и 2-й этап, тоже необратим. Исключение - обратимые ферментативные реакции.

В общем виде ход ферментативного катализа представлен ниже, где ES* — комплекс между ферментом и субстратом в переходном состоянии, ЕР - комплекс фермента и продукта: Е + S  Е S  ES*  ЕР  Е+Р. Энергетический профиль реакции представлен на рисунке 6.

Рис. 6

Активность ферментов – способность в разной степени ускорять скорость реакции.