Механизм действия ферментов

Размеры ферментов намного превышают размеры их низкомолекулярных субстратов. В связи с этим воз­никло представление о том, что в катализе участвует небольшая область молекулы белка. Эта область получила название каталитического цен­тра. На начальных этапах изучения ферментов было непонятно, чем объясняются большие размеры этих макромолекул, если только часть их струк­туры имеет отношение к связыванию субстрата и катализу. Как показал последующий анализ трехмерной структуры фермент-субстратных комплексов, в связывании субстрата участвует заметно бόльшая часть белковой молекулы, чем предполагалось ранее. Кроме того, если уче­сть, что в работу многих ферментов включаются регуляторные (аллостерические) центры, имеющие размеры, сравнимые с размерами активных центров - не прихо­дится удивляться объемности молекул ферментов.

Модели фермент-субстратного взаимодействия Модель «ключ—замок»

Первоначальная модель каталитического центра, предложенная Эмилем Фишером, объясняла взаи­модействие субстрата с ферментом по аналогии с системой «ключ—замок».

Рис. 5.1 Образование фермент-субстратного комплекса [ES] согласно модели «жесткой матрицы» Фишера.

Эта модель, которую иног­да называют моделью «жесткой матрицы», до сих пор не утратила своего значения для понимания некото­рых особенностей поведения ферментов, например их способности к строго определенному связыванию двух или боль­шего числа субстратов, или для объяснения кинетики насыщения фермента субстратом.

Рис. 5.2 Последовательное связывание холоферментом, содержащим кофермент (СоЕ), двух субстратов (S₁ и S₂) в соответствии с гипотезой «жесткой матрицы». Предполагается, что кофермент расположен в участке, способном связывать первый субстрат; после связывания первого субстрата облегчается связывание второго.

Модель индуцированного соответствия

Недостатком модели Фишера является подразу­меваемая «жесткость» каталитического центра фермента. Гораздо большей универсальностью характеризуется модель индуцированно­го соответствия, предложенная Кошландом. Эта мо­дель основывается на весьма убедительных экспери­ментальных данных, которые подтверждают высокую степень подвижности каталитического центра. В соответствии с моделью Фи­шера считается, что каталитический центр заранее подогнан под структуру молекулы субстрата. В модели же индуцированного соответствия субстрат инициирует такие конформационные изменения фермента, при которых радикалы соответствующих аминокислотных остат­ков и другие функционально важные группы фермента принимают простран­ственную ориентацию, необходимую для катализа. При формировании активной конформации некоторые аминоки­слотные остатки могут погружаться внутрь молеку­лы ф ермента. На рис. 5.3 схематично показаны конформационные перестройки в области активного центра фермента, индуцированные субстратом.

Рис. 5.3 Схематическое представление конформационных изменений в молекуле фермента при связывании субстрата согласно модели индуцированного соответствия.

Как можно видеть, в связывании субстрата принимают участие как гидрофобные, так и заря­женные радикалы аминокислот (область, обозначенная точками). В катализе непосредственно участвуют остаток фосфосерина (Р) и SH-группа цистеина. Остатки, не вовлекаемые в процессы связывания субстрата и катализа, пред­ставлены лизином - Lys и метионином - Met. В отсутствие суб­страта каталитические и субстрат-связывающие группы находятся на большом расстоянии друг от друга. При добавлении субстрата, последний индуцирует соответствующие конформационные перестройки фермента, в результате которых активные группы занимают поло­жение, необходимое для связывания субстрата и для катализа. Одновременно изменяется пространственное расположение других остатков – теперь радикалы Lys и Met оказываются сближенными.

Аналоги субстратов также могут изменять конфор­мацию ферментов, но поскольку не любой аналог способен метаболизироваться, точно так же далеко не все конформационные изменения ферментов, индуцируемые такими аналогами, становятся активными (см. рис. 5.4).

Р ис. 5.4 Схематическое представление конформационных изменений в ферменте при связывании истинного субстрата (А) и его аналогов (Б, В).

При связывании истинно­го субстрата (А) функциональные группы фермента (обозначены черными точками) приобретают нужную ориентацию. Присутствие же аналога субстрата – либо более объемного (Б), либо, наоборот, меньшего по размеру (В) – индуцирует неправильное расположение этих групп. На рис. 5.4 показана еще одна структурная особенность фер­мента - наличие небольшой выемки в правой части. Представим, что эта выемка является регуляторной областью, предназначенной для связывания эффектора. Тогда молекула-эффектор, попадая в этот центр будет препятствовать перемещению одного из полипептидных участков фермента, который несет каталитическую группу. В результате будет иметь место связывание субстрата без катализа.

Н а рис. 5.5 приведена последовательность возможных событий, из которых складываются индуцирован­ные субстратом конформационные изменения белка.

Рис. 5.5 Схема альтернативных путей реакции при индуцировании субстратом конформационных изменений в ферменте. Сначала фермент претерпевает конформационное изменение (А), затем связывает субстрат (Б). В другом случае фермент сначала связывает субстрат (В), а затем претерпевает конформационное изменение (Г). Наконец, оба процесса могут раз-виваться согласованным образом (Д) с образованием конечной конформации (Е).

Предположим, что известна полная первич­ная структура какого-либо фермента. Но даже в этом случае обычно бывает трудно решить, из каких именно аминокислотных остатков формируется каталитический центр. Как явствует из модели индуцированного соответствия, эти остатки могут располагаться далеко один от другого в полипептидной цепи, однако они оказываются сближенными в трехмерной (третичной) структуре. Например, в формировании активного или каталитического центра могут прини­мать участие аминокислотные остатки, принадлежащие нескольким спирализованным сегментам полипептидной цепи, как это имеет место в случае гемо­глобина или химотрипсина.