Механізм ферментативного каталізу

Енергетичну схему хімічної реакції ми розглядали раніше. На рис. 18 ту саму схему доповнено ефектами, що є наслідком присутності ферменту. Уповільнення реакції зумовлено високим значенням вільної енергії активації − у відсутності ферменту реакція практично не відбувається (червоний шлях на рис. 18).

Відповідно, каталітична дія ферменту полягає у зниженні цього енергетичного бар’єра. Оскільки бар’єр, як будь-яка вільна енергія, має дві складові − ентальпійну та ентропійну, фермент здійснює зниження енергії активації двома шляхами (як правило, обидва мають значення).

• Ентропійний каталіз. Перше, що робить фермент − зв’язує субстрати у своєму активному центрі за рахунок спорідненості до них (перша зелена стрілка вниз). Але головне полягає в тому, що субстрати зв’язуються не аби як, а в певній, найбільш сприятливій для реакції, взаємній орієнтації та в певній орієнтації щодо хімічних груп активного центру. Це означає, що з великої кількості орієнтацій обирається лише одна: взаємодії субстратів з активним центром компенсують ентропійні витрати на впорядкування субстратів.

• Ентальпійний каталіз. На шляху перебудови системи ковалентних зв’язків субстратів обов’язково існує проміжна високоенергетична сполука − інтермедіат. Саме до нього активний центр ферменту має високу спорідненість (вищу, ніж до субстратів), реалізуючи з ним певні взаємодії.

Слова «висока спорідненість» означають, що зв’язаному в активному центрі інтермедіату відповідає значно нижча енергія, ніж вільному (рис. 18). Саме за рахунок цієї високої спорідненості до інтермедіату активний центр і знижує ентальпійну складову енергії активації: бар’єр (зелена стрілочка вгору) залишається, але стає значно нижчим − таким, що його можна швидко подолати за рахунок теплових флуктуацій.

Рис. 18. Енергетична схема ферментативної реакції. G − шкала вільної енергії.

Наступні дві зелені стрілочки вниз на рис. 18 показують закінчення процесу: з бар’єру система спускається униз по градієнту вільної енергії − у стан продуктів реакції; далі (і це також важлива подія) продукти, які не мають спорідненості до активного центру (вільна енергія дисоційованого продукту є нижчою, ніж зв’язаного) звільняють активний центр для інших субстратів.

Для успішного виконання завдання каталізу по обом шляхам активний центр ферменту має бути дуже жорстким − мати чітко зафіксовану у просторі й часі структуру. Для цього, власне, і потрібна твердість глобули, яка несе на собі активний центр. І для цього зовсім не потрібна (навпаки − шкідлива) конформаційна рухливість ферменту.

Білковим ферментам деяких простих реакцій (наприклад, протеазамна рис. 15) конформаційна рухливість практично не притаманна. Але ферменти часто мають вирішувати складніше завдання: дискримінувати субстрати − здійснити перетворення лише одного субстрату з певного набору аналогів. Типовий сценарій подій у цьому випадку включає в якості дійових осіб принаймні дві структурні форми ферменту, і, відповідно, його активного центру (рис. 19).

У відкритій формі активний центр має невисоку спорідненість до субстратів певного типу (завдяки чому є можливим швидкий перебір варіантів) і не здатен каталізувати хімічне перетворення. Якщо нарешті зв’язується потрібний субстрат, він спрацьовує як ліганд на рис. 17 − індукує перетворення ферменту в закриту форму. Такий процес було названо Кошландом (Daniel E. Koshland) індукованою відповідністю (induced fit). Закрита форма жорстко фіксує субстрат, каталітичний центр спрацьовує, і здійснюється хімічна реакція. У результаті ліганд змінюється, − і відбувається зворотне перетворення білка у відкриту форму із звільненням продуктів.

Рис. 19. Структурні перебудови ферменту при дискримінації субстратів.

Повертаючись до загальної схеми реакції, зображеної на рис. 18, варто ще раз зауважити: з ферментом чи без, реакція може відбуватися тільки в напрямку зниження вільної енергії. Протилежний напрямок може бути здійсненим лише за умови використання обхідних шляхів і особливих механізмів − також за участю білків.