2.7. Теоретические основы ферментативного катализа

Ферменты увеличивают скорость химических реакций за счет снижения энергетического барьера без изменения уровня свободной энергии субстратов. Снижение энергетического барьера без изменения свободной энергии субстратов достигается за счет того, что его превращение происходит не одномоментно, а через ряд промежуточных состояний. Для перехода от одного промежуточного состояния к другому требуется относительно небольшое количество свободной энергии. Благодаря этому в реакцию вовлекается большое количество молекул субстрата.

Ферментативные реакции протекают в три этапа. Вначале фермент взаимодействует со своим субстратом с образованием фермент-субстратного комплекса.

Е  S  ЕS

На втором этапе происходит преобразование субстрата в составе фермент-субстратного комплекса с образованием комплекса фермент-продукт. Причем преобразование субстрата в продукт происходит через ряд промежуточных состояний, требующих меньшей величины энергии активации, чем для прямого перехода субстрата в продукт. Таким образом, величина необходимой энергии активации раскладывается на несколько этапов, которые могут быть преодолены молекулами с относительно низкой свободной энергией.

ЕS ЕSЕSЕР

На последнем этапе происходит расщепление комплекса фермент-продукт

ЕР Е  Р

В общем виде ферментативную реакцию можно записать следующим образом:

S ^Е Р

как следует из записи, фермент не подвергается химическим модификациям и выходит из реакции в неизменном виде

2.8. Функциональная организация ферментов

Поверхность молекулы фермента функционально неоднородна и взаимодействует с субстратом лишь определенным своим участком, который принято называть активный центр (АЦ). Активным центром фермента называется совокупность функциональных групп фермента, пространственно сближенных за счет вторичной и третичной структур и обеспечивающих захват, удержание и химическое преобразование субстрата. В однокомпонентных ферментах активный центр формируется за счет пространственного сближения функциональных групп радикалов аминокислот. В двухкомпонентных ферментах в состав активного центра включаются функциональные группы кофермента. В составе активного центра выделяют якорный участок, функция которого заключается в захвате и удержании субстрата, и каталитический, функция которого заключается в химическом преобразовании субстрата. Активный центр располагается, как правило, в углублении, нише поверхности фермента. В результате субстрат, соединяясь с активным центром, оказывается не в водном окружении цитозоля клетки, а в специфическом окружении активного центра.

Взаимодействие активного центра фермента и субстрата основано на комплементарности якорного участка субстрата.

В соответствии с теорией Фишера фермент и субстрат, обладая жесткой конформацией, взаимодействуют друг с другом благодаря абсолютному комплементарному соответствию активного центра фермента и субстрата (как ключ к замку см. рис.2.1.

Рис.2.1 Взаимодействие фермента и субстрата в соответствии с моделью жесткой матрицы, предложенной Э. Фишером

Кошланд развил представления Фишера, выдвинув теорию индуцированного контакта, согласно которой активный центр фермента и субстрат имеют лишь общее стерическое соответствие. В момент взаимодействия происходит изменение конформации субстрата и активного центра фермента, что обеспечивает приведение в соответствие поверхностей якорного участка АЦ и субстрата (пример  одевание перчатки, см. рис.2.2).

Рис.2.2. Конформационные изменения в молекуле фермента при связывании субстрата согласно модели индуцированного контакта Кошланда.

Образование фермент-субстратного комплекса подчиняется представлениям о трехточечной фиксации субстрата в якорном участке. При этом образуются ковалентные и в основном нековалентные связи. Благодаря трехточечной фиксации субстрат приобретает определенную ориентацию в активном центре фермента, создается максимальное пространственное сближение их функциональных групп.