2.3. Механизм действия ферментов
Ферменты обладают рядом общекаталитических свойств:
не смещают каталитическое равновесие;
не расходуются в процессе реакции;
катализируют только термодинамически реальные реакции. Такими реакциями являются те, в которых исходный энергетический запас молекул больше, чем финальный.
В ходе реакции преодолевается высокий энергетический барьер. Разница между энергией этого порога и исходным энергетическим уровнем (Е2– Е0) - энергия активации (Еа)
Скорость ферментативных реакций определяется энергией активации и рядом других факторов.
Константа скорости химической реакции рассчитывается по уравнению:
К - константа скорости реакции;
Р – пространственный (стерический) коэффициент;
Z– количество взаимодействующих молекул;
Еа– энергия активации;
R– газовая постоянная;
Т – универсальная абсолютная температура;
е – основание натуральных логарифмов.
В данном уравнении Z, е,R,T– постоянные величины, а Р и Еа - переменные. Причём, между скоростью реакции и стерическим коэффициентом зависимость прямая, а между скоростью и энергией активации – обратная и степенная зависимость (чем ниже Еа, тем выше скорость реакции).
Механизм действия ферментов сводится к увеличению ферментами стерического коэффициента и уменьшению энергии активации.
Снижение ферментами энергии активации
Например, энергия расщепления Н2О2без ферментов и катализаторов – 18 000 ккал на моль. Если в качестве катализатора используется платина при высокой температуре, энергия активации снижается до 12 000 ккал/моль. При участии ферментакаталазыэнергия активации составляет лишь 2 000 ккал/моль.
Уменьшение Еа происходит в результате образования промежуточных фермент-субстратных комплексов по схеме: F+S <=> FS-комплекс → F + продукты реакции.Впервые возможность образования фермент- субстратных комплексов была доказана
Л. Михаэлисом, М. Ментеном. Впоследствии многие фермент-субстратные комплексы были выделены. Для объяснения высокой избирательности ферментов при взаимодействии с субстратом предложена теория «ключа и замка» Э Фишера. Согласно ей, фермент взаимодействует с субстратом только при абсолютном соответствии их друг другу (комплементарность) наподобие ключа и замка. Данная теория объясняла специфичность ферментов, но не раскрывала механизм их воздействия на субстрат. Позже разработана теория индуцированного соответствия фермента и субстрата -теория Д. Кошланда(теория «резиновой перчатки»). Её суть состоит в следующем: активный центр фермента сформирован и содержит все функциональные группы ещё до взаимодействия с субстратом (положение 1 на рисунке). Однако эти функциональные группы находятся в неактивном состоянии. Субстрат при присоединении к ферменту индуцирует изменение положения, структуры радикалов в активном центре фермента. В результате активный центр фермента под действием субстрата переходит в активное состояние и, в свою очередь, начинает воздействовать на субстрат, т.е. происходитвзаимодействиеактивного центра фермента и субстрата (положение 2 на рисунке). Вследствие этого субстрат переходит в нестабильное, неустойчивое состояние, что ведёт к уменьшению энергии активации и образованию продуктов реакции с переходом структуры активного центра в исходное состояние (положение 3 на рисунке).
1 2 3
Взаимодействие фермента и субстрата может заключаться в реакциях нуклеофильного замещения, электрофильного замещения, дегидратации субстрата. Возможно также кратковременное ковалентное взаимодействие функциональных групп фермента с субстратом. В основном происходит геометрическая переориентация функциональных групп активного центра.
Увеличение ферментами стерического коэффициента
Стерический коэффициент вводится для реакций, в которых участвуют крупные молекулы, имеющие пространственную структуру. Стерический коэффициент показывает долю удачных пространственно соответствующих столкновений активных молекул. Например, он равен 0,4, если 4 из 10 столкновений активных молекул привели к образованию продукта реакции.
Ферменты увеличивают стерический коэффициент, так как они изменяют строение молекулы субстрата в фермент - субстратном комплексе, в результате чего комплементарность фермента и субстрата возрастает. Кроме того, ферменты за счёт своих активных центров упорядочивают расположение молекул субстрата в пространстве (до взаимодействия с ферментом молекулы субстрата располагаются хаотично) и облегчают протекание реакции.