Механизм действия ферментов

Изменение свободной реакции при катализируемой и некатализируемой реакции представлено на рисунке 3.1.

Энергия активации – это дополнительное количество энергии, которое необходимо дать молекуле для преодоления энергетического барьера (или для достижения переходного состояния), т.е. это энергия, необходимая для перевода всех молекул моля вещества в активированное состояние. Ферменты ускоряют реакцию путем снижения энергии активацииза счет увеличения числа активизированных молекул, которые становятся реакционноспособными на более низком энергетическом уровне.

Ферментативный катализ идет в 3 стадии:

I стадия – присоединение молекулы субстрата к молекуле фермента и образование фермент-субстратного комплекса: E + S « ES

Рис. 3.1. Изменения свободной энергии катализируемой и некатализируемой реакции. S – исходный субстрат; Р – продукт; ΔЕнф – энергия активации неферментативной реакции; ΔЕф – энергия активации ферментативной реакции; ΔG – стандартное изменение свободной энергии.

Изменение энергии активации на этой стадии незначительно. В образовании фермент-субстратного комплекса участвуют водородные связи, электростатические и гидрофобные взаимодействия. Для этой стадии важно сближение и правильная ориентация фермента и субстрата. Сближение и необходимая ориентация реагентов значительно повышают вероятность образования продуктивного фермент-субстратного комплекса. Кроме того, связывание субстрата в активном центре приводит к удалению гидратной оболочки субстрата. В результате удаления молекул воды в активном центре фермента во время катализа создаются совершенно другие условия, чем в растворе.

Существует 2 теории объясняющие взаимодействие фермента и субстрата.

1. В соответствии с теорией Э.Фишера фермент и субстрат подходят друг другу как ключ к замку. Это означает, что структура фермента и субстрата строго комплементарны.

2. Согласно гипотезе Д.Кошланда «индуцированного» или «вынужденного» соответствия фермент изменяет конформацию активного центра при присоединении субстрата. Кроме того, в процессе присоединения происходит перестройка молекул субстрата.

II стадия – преобразование фермент-субстратного комплекса в один или несколько последовательных (переходных) комплексов с образованием на поверхности фермента конечного продукта реакции:

ES ® EZ® EP

IIстадия наиболее медленная. На этой стадии происходит образование переходных состояний. При этом важным фактором является стабилизация переходного состояния вследствие взаимодействия между функциональными группами субстрата и фермента. Переходное состояние в случае ферментативной реакции требует меньшей энергии активации.

Механизмы действия ферментов на этой стадии объясняются эффектом деформации субстрата, кислотно-основным и ковалентным катализом. Эффект деформации субстрата (или так называемая теория «дыбы») объясняет действие гидролаз, лиаз и трансфераз. После связывания с активным центром молекула субстрата как бы растягивается на активном центре фермента. Чем больше длина межатомной связи в субстрате, тем меньше энергия ее разрыва.

Многие ферменты во время катализа переносят специфические группировки с субстрата или на субстрат. Особенно часто осуществляется перенос протонов. Этот ферментативный кислотно-основный катализ более эффективен, чем обмен протонов с кислотами и основаниями в растворе. При закреплении субстрата в активном центре на его молекулу влияют электрофильные и нуклеофильные группы каталитического участка, что вызывает перераспределение электронной плотности на участках субстрата, атакуемого кислотно-основными группами.

Часто химические группировки ковалентно присоединяются к остаткам фермента. Это явление называют ковалентным катализом. Ковалентные фермент-субстратные комплексы очень неустойчивы и легко распадаются.

Вторая стадия лимитирует скорость всего катализа.

III стадия – отделение продукта реакции от фермента: EP ® E+P.

Стадия непродолжительна и определяется скоростью диффузии продуктов реакции в окружающую среду.