Механизм действия ферментов в мультисубстратных реакциях

Большинство ферментов катализирует реакции, в которых участвует более чем один субстрат. В случае, если кофермент не является простетической группой, его также можно рассматривать как ещё один субстрат. Следовательно, участников ферментативной реакции может быть несколько: непосредственно фермент, несколько субстратов и кофермент.

В этих случаях механизм ферментативной реакции, как правило, может идти по одному из двух путей: по механизму "пинг-понг" (механизму двойного замещения) или последовательному. Рассмотрим оба механизма.

1. Механизм "пинг-понг". Схематично механизм "пинг-понг" может быть представлен следующим образом:

Субстрат А, взаимодействуя с ферментом (Е), превращается в продукт (Р₁). Фермент остаётся в результате этого преобразования не в нативной форме, а в изменённой (Е') в результате модификации кофермента. Далее к активному центру Е' присоединяется субстрат В, подвергающийся преобразованию в продукт (Р₂) с высвобождением нативной формы фермента (Е). Хороший пример механизма "пинг-понг" - реакции трансаминирования с участием ферментов аминотрансфераз (кофермент пиридоксальфосфат). Аминотрансферазы, открытые отечественным учёным А.Е. Браунштейном, катализируют обратимые реакции переноса аминогруппы с аминокислоты на кетокислоту. Механизм "пинг-понг" данной реакции схематично представлен на рис. 25. Кофермент пиридоксальфосфат (ПФ), связанный с ферментом, принимает α-аминогруппу от первой аминокислоты (АК₁), которая при этом превращается в α-кетокислоту 1 (КК₁) и высвобождается из активного центра фермента. Далее в активный центр фермента присоединяется кетокислота 2 (КК₂), которая забирает аминогруппу от кофермента и превращается в α-аминокислоту (АК₂).

Рис. 25. События в активном центре аминотрансферазы как пример механизма "пинг-понг".

Другой пример механизма "пинг-понг" - реакции дегидрирования с участием кофермента FAD\ФАД(флавинадениндинуклеотид) или FMN\ФМН (флавинмононуклеотид), которые прочно связаны с ферментом и, следовательно, не могут рассматриваться в качестве второго субстрата. FMN и FAD участвуют в окислительно-восстановительных реакциях, акцептируя 2 е^- и 2 Н⁺ в изоаллоксазиновом кольце (см. схему ниже):

Схему реакции дегидрирования (как пример механизма "пинг-понг" с участием FMN\ФМН и FAD\ФАД) можно представить в следующем виде:

где АН₂ - донор водорода, окисляемый субстрат 1; А - окисленная форма субстрата 1; В - акцептор водорода - субстрат 2; ВН₂ - восстановленная форма субстрата 2; Е (FAD=ФАД), Е (FADH₂=ФАДН₂) - окисленная и восстановленная формы кофермента FAD, входящего в состав фермента Е. В качестве примера FAD-зависимой реакции можно привести сукцинатдегидрогеназную реакцию цикла Кребса.

2. Последовательный механизм.В случае последовательного механизма для протекания ферментной реакции требуется одновременно взаимодействие двух субстратов. В этом случае возможно присоединение субстратов двумя различными путями:

· Механизм упорядоченного взаимодействия субстрата с активным центром фермента:

Первым в активный центр фермента присоединяется субстрат А, облегчая присоединение субстрата В. После химической модификации также наблюдают определённый порядок высвобождения продуктов реакции. Примером последовательного упорядоченного механизма может быть реакция дегидрирования с участием коферментов НАД⁺, НАДФ⁺.

Две ферментативные реакции, катализируемые ферментами Е₁ и Е₂, сопряжены друг с другом посредством кофермента NAD⁺\НАД⁺, служащего в каждом из этих случаев субстратом. Для первого фермента субстратом служит окисленная форма НАД⁺, в качестве второго субстрата выступает донор водорода - пример последовательных реакций, продуктом - восстановленная форма НАДН, для фермента Е₂ - наоборот.

где АН₂ - донор водорода, восстановленная форма субстрата 1; А - окисленная форма субстрата 1; В - акцептор водорода - второй субстрат; ВН₂ - восстановленная форма субстрата 2; NAD⁺, NADH - окисленная и восстановленная формы кофермента; Е₁ и Е₂ - ферменты. В качестве примера можно рассмотреть следующие сопряжённые реакции гликолиза, где Е₁ - глицеральдегидфосфатдегидрогеназа; Е₂ - лактатдегидрогеназа.

· Механизм случайного взаимодействия субстрата с активным центром фермента:

Приоритетности за взаимодействие субстратов А и В в активном центре фермента нет (каждый субстрат имеет свой центр связывания в активном центре). Также нет строгой закономерности высвобождения продуктов реакции.