4.3.4. Основные особенности ферментативного катализа

1. Характерной особенностью ферментов является их способность в небольших количествах ускорять превращения большого количества веществ.

2. Каждый фермент обладает высокой субстратной специфичностью, то есть способностью катализировать превращения только одного или нескольких близких по структуре белков. Поэтому задачей активного (адсорбционного) центра является распознавание (узнавание) нужных молекул и их определенное ориентирование. Специфичность выбора молекул субстрата обеспечивается условием их комплементарности адсорбционному центру, то есть пространственным соответствием структур адсорбционного центра и молекул субстрата. Комплементарные структуры стыкуются друг с другом также как определенный ключ подходит к определенному замку (гипотеза «ключа и замка» Фишера (Fischer), 1890 г.). Взаимодействие адсорбционного центра с молекулами других субстратов настолько слабо, по сравнению с энергией теплового движения, что связи не образуется.

Основными типами взаимодействия в комплементарных структурах являются нековалентные взаимодействия: электростатическое, гидрофобное и образование водородных связей между каким-либо атомом – донором протона и атомом – акцептором протона, то есть атомом, имеющим неподеленную пару электронов. Каждое из этих взаимодействий в отдельности не обладает необходимой избирательностью. Избирательность резко увеличивается, если контакт между взаимодействующими партнерами (молекулами или их фрагментами) становится многоточечным.

Высокая специфичность многоточечного взаимодействия означает комплементарность, то есть пространственное соответствие структур партнеров и соответствующее взаимное расположение взаимодействующих участков (рис. 4–5).

Рис. 4–5. Многоточечное взаимодействие комплементарных структур, схематически изображенных в виде изогнутых черных линий

На рис. 4–5 схематически, в виде нитей, изображены две комплементарные друг другу структуры. Очевидно, что наличие у одной из молекул зарядовых центров, гидрофобных участков и донорно–акцепторных центров требует для установления связей не просто наличия соответствующих групп у другой молекулы, но и определенного расположения их в пространстве. При этом следует учитывать, что подавляющее большинство органических молекул в живых организмах может существовать в виде большого числа конформаций, каждой из которых соответствует определенное пространственное расположение центров взаимодействия. Поэтому комплементарность присуща не молекулам вообще, а только их определенным конформациям.

Таким образом, адсорбционный центр представляет собой (в функциональном плане) набор связывающих точек, расположение которых в пространстве обеспечивает возможность связывания белка (или белков), при наличии у белков строго определенной пространственной структуры. Только тогда фермент катализирует биохимическую реакцию и обеспечивает ее протекание.

3. Скорость ферментативной реакции определяется временем (вероятностью) образования комплекса субстрат – активный центр фермента.

Количественно способность двух партнеров F и S к образованию комплекса FS: F+S=FS, описывается константой ассоциации (ч.III, с.256)

, (4.19)

определяемой как отношение концентрации комплексов [FS] к произведению концентраций свободных, не образовавших комплексы компонентов [F] и [S].

Кроме того, вероятность образования заданного комплекса определяется также двумя противоположными тенденциями. С одной стороны, увеличение числа взаимодействующих точек увеличивает селективность узнавания, то есть делает опознавание более совершенным. С другой стороны, увеличение числа взаимодействующих точек требует участия более сложных структур, у которых число возможных конформаций больше. При этом вероятности реализации нужных конформаций адсорбционного центра ( ) и партнера ( ) уменьшаются.

Учитывая оба фактора (значения концентраций и вероятностей нужных для реакции конформаций) константу ассоциации можно представить в виде

, (4.20)

где К_ист – истинная константа ассоциации, характеризующая взаимодействие двух оптимальных конформаций при заданном числе взаимодействующих точек и возрастающая при их увеличении.

Максимальная эффективность взаимодействия (максимум К_а (4.20)) осуществляется при условии, что, по крайней мере, одна из структур имеет достаточно жесткую пространственную конфигурацию ( или ). Это особенно важно для биополимеров, имеющих огромное число различных конформаций, в результате чего вероятность реализации конформации, благоприятной для узнавания ( ), оказывается очень небольшой. Время образования активной конформации обычно составляет (10^–2÷10^–4) с. Это время и определяет скорость катализа.

Таким образом, пространственная структура белков имеет решающее значение для их функционирования.

4. В результате динамической перестройки белковой глобулы фермента и диффузионного движения субстрата к активному центру возникает строго определенная конформация фермента с оптимальным расположением функциональных групп фермента и химических связей субстрата. Согласованное действие нескольких активных групп фермента, например, по расщеплению пептидной связи субстрата эквивалентно, для обычных химических реакций, происходящих в растворе или газовой фазе, одновременному соударению нескольких молекул, что маловероятно.

5. Среда активного центра, содержащего аминокислотные остатки, более гидрофобна, чем окружающая водная среда. В результате диэлектрическая проницаемость активного центра не превышает ε ≤ 10, в то время как диэлектрическая проницаемость чистой воды ~80. Низкое значение ε активного центра способствует, во-первых, усилению электростатического взаимодействия между субстратом и полярными группами фермента. Во-вторых, усиливается экранировка переносимых зарядов от сильно полярной окружающей среды. В-третьих, ориентированные диполи пептидных связей создают в активном центре электрическое поле напряженностью , которое может активировать химические реакции.

6. Активность фермента меняется в зависимости от рН среды, температуры, давления и от концентраций субстратов и самого фермента. Ферменты, как правило, работают в достаточно узких интервалах значений параметров среды, при которых скорость реакции имеет максимальное значение. В то же время среда, то есть внутриклеточное окружение, в результате изменения, например, рН может регулировать активность фермента. В зависимости от состава среды (прежде всего рН) величина и знак заряда белковой макромолекулы могут быть различны (см. с.399-410, рис.3-31, 3-34), а это сильно сказывается на форме молекулы.

7. Ферментативная реакция может быть заторможена. Торможение производят ингибиторы ферментов. Существует несколько механизмов ингибирования. Ингибиторы, близкие по своей структуре к обычному субстрату, соединяются с активным центром фермента, преграждая доступ молекулам субстрата. Такое ингибирование используется, например, в химиотерапии онкологических заболеваний.

Ингибиторы второго типа образуют комплекс с ферментом в другой части структуры фермента (не на активном центре), но при этом меняют структуру фермента и подавляют его активность. Кроме того, ингибиторное действие может оказывать и сам конечный продукт, когда его количество достигает определенной величины. Это так называемое ингибирование по принципу обратной связи, которое имеет большое значение для торможения внутриклеточных реакций.