Молекулярные механизмы ферментативного катализа

При ферментативных превращениях происходит множество взаимосвязанных процессов и явлений на пути превращения субстрата в продукт биохимической реакции. Механизмы ферментативного катализа определяются природой субстрата и функциональных групп активного центра фермента.

Большую роль в развитии представлений о механизме действия ферментов сыграли классические работы Михаэлиса и Ментен, развивших положение о фермент-субстратных комплексах. Согласно этому положению весь процесс ферментативного катализа описывается простым уравнением:

1 2 3 4

E + S ↔ ES ↔ ES* ↔ EP → E + P

где: Е – фермент, S – субстрат, S* – активированный субстрат, Р – продукт реакции.

Процесс ферментативного катализа можно условно разделить на четыре стадии, каждая из которых имеет свои особенности:

1. Диффузия субстрата к ферменту и его стерическое связывание в активном центре (образование нестойкого фермент-субстратного комплекса ЕS). В субстратном центре с помощью слабых взаимодействий связывается та часть молекулы субстрата, которая не подвергается химическим превращениям. Данная стадия, обычно непродолжительная по времени, зависит от концентрации субстрата в среде и скорости его диффузии к активному центру фермента.

2. Изменение субстрата под действием фермента, делающее его доступным для химической реакции. На данной, наиболее медленной по времени стадии, происходит активация субстрата за счёт:

- поляризации химических связей в молекуле субстрата и перераспределения электронной плотности;

- деформации связей, вовлекаемых в реакцию;

- сближения и необходимой взаимной ориентации молекул субстрата.

Молекула субстрата фиксируется в активном центре фермента в напряженной конфигурации, в деформированном состоянии, что приводит к ослаблению прочности химических связей и снижению уровня энергетического барьера. Другими словами происходит образование активированного фермент-субстратного комплекса (ES*). Эта вторая стадия лимитирует скорость всего катализа.

3. Химическая реакция, в ходе которой происходит превращение субстрата в продукт за счёт разрыва и замыкания ковалентных связей.

4. Фермент переходит в исходное состояние с отделением продуктов реакции. Данная непродолжительная стадия определяется скоростью диффузии продуктов в окружающую среду.

В образовании фермент-субстратного комплекса у сложных ферментов принимают участие апофермент и кофермент. При этом субстратный центр располагается обычно на апоферменте, а кофермент принимает участие непосредственно в акте химического превращения субстрата. На последней стадии реакции апофермент и кофермент выделяются в неизменном виде.

Для образования фермент-субстратного комплекса (ES) необходимо соблюдение трех условий, которые и определяют высокую специфичность действия фермента:

1. Структурное соответствие между субстратом и активным центром фермента. Это подобие обеспечивается на уровне третичной структуры фермента, т.е. пространственного расположения функциональных групп активного центра.

2. Электростатическое соответствие активного центра фермента и субстрата, которое обусловлено взаимодействием противоположно заряженных групп.

3. Подвижность третичной структуры фермента – «индуцированное соответствие». Согласно теории вынужденного или индуцированного соответствия каталитически активная конфигурация молекулы фермента может возникать лишь в момент присоединения субстрата в результате его деформирующего воздействия по принципу «рука-перчатка».