Механизм ферментативных реакций

Будучи катализаторами, ферменты ускоряют достижение состояния равновесия в химических реакциях. При этом они могут катализировать только те химические превращения, которые возможны с термодинамичес-кой точки зрения.

Для того чтобы понять механизм ферментативных процессов, необходимо четко представлять себе энергетику химических реакций. Рассмотрим процесс превращения субстрата S в продукт реакции Р. Примером может служить реакция изомеризации

S Р

Реакция становится возможной в том случае, если величина свободной энергии ее продукта становится меньше, чем у исходного субстрата (рис. 26). В этом случае в процессе превращения субстрата S выделяется определенное количество свободной энергии, в результате чего возникает продукт, молекула которого более устойчива, чем субстрат.

Рисунок 26 – Энергетика химических реакций

(по оси ординат – величина свободной энергии. S – субстрат, P – продукт

реакции, S* – субстрат в переходном состоянии, E- энергия активации; пунктирная кривая – реакция в присутствии катализатора

Для прохождения этой реакции, необходимо, что бы молекула субстрата приобрела определенное дополнительное количество свободной энергии. При этом она переходит в переходное (возбужденное) неустойчивое состояние (S*). Количество энергии, необходимое для перевода молекулы в переходное состояние, определяется как энергия активации. Энергияактивации – количество энергии в килокалориях необходимое для перевода 1 М субстрата в переходное состояние. Скорость ферментативной реакции тем больше, чем больше в единицу времени молекул субстрата переходит в переходное состояние.

Молекула субстрата в переходном состоянии далее спонтанно переходит в продукт реакции. При этом происходит выделение соответствующего количества свободной энергии.

Существует две основные возможности преодоления энергетического барьера реакции, т.е. перевода молекулы субстрата в переходное состояние:

Сообщение молекуле субстрата дополнительного количества энергии происходит за счет нагревания, облучения, воздействия давлением и т.д.

При внесении в реакционную смесь катализатора под его влиянием происходит резкое понижение энергетического барьера реакции.

Причина понижения энергетического барьера реакции может быть прояснена при изучении характера взаимодействия фермента с молекулой субстрата в процессе каталитической реакции.

Ферментативная реакция протекает в несколько стадий:

S + E ES ES^* P + E

где ES – фермент-субстратный комплекс.

Акту катализа предшествует взаимодействие фермента с субстратом, в результате чего образуется фермент-субстратный комплекс (ES). Этот комплекс очень нестоек и у него очень небольшая продолжительность жизни, которая исчисляется тысячными долями секунды. Его образование в процессе ферментативной реакции может быть зарегистрировано с помощью физико-химических методов исследований (спектроскопических методов, ЭПР, ЯМР и др.). В некоторых реакциях образуется стабильный фермент-субстратный комплекс. В этом случае он может быть выделен из реакционной смеси и очищен.

Важным аргументом в пользу образования фермент-субстратного комплекса в процессе ферментативной реакции может быть и своеобразный (характеризующийся насыщением) характер зависимости скорости реакции от концентрации субстрата. Так, Михаэлисом еще в 1913 г. было установлено, что скорость ферментативной реакции становится максимальной при той концентрации субстрата, при которой он занимает активные центры на всех молекулах фермента (насыщающая концентрация).

Присоединение фермента к субстрату происходит в области активного центра. Существует несколько теорий, которые позволяют объяснить специфический характер взаимодействия фермента с субстратом при образовании фермент-субстратного комплекса:

1. Теория стерического соответствия. Еще в 1890 г. Э. Фишер использовал для объяснения взаимодействия фермента с субстратом сравнение ключа с замком. “Ключ“ – субстрат, по этому образному определению может подходить только к определенному “замку” – ферменту. Подобного рода стерические соответствия возникают за счет геометрического соответствия поверхности молекулы субстрата и субстратного участка активного центра.

Геометрическое сходство приводит к образованию комплекса субстрата с активным центром фермента, который стабилизируется многочисленными силами слабых взаимодействий между отдельными функциональными группами молекулы субстрата и аминокислотными радикалами активного центра. Особое значение из них приобретают Ван-дер-Ваальсовы силы, гидрофобные, электростатические и водородные связи. По этой причине возникающий фермент-субстратный комплекс нестабилен и способен распадаться.

Стерическое взаимодействие между активным центром фермента сукцинатдегидрогеназы и ее субстратом – янтарной кислотой представлены на рис. 27. В активном центре выделены положительно заряженные аминокислотные радикалы лизина, находящиеся на расстоянии, соответствующем длине молекулы янтарной кислоты. Гидрофобные радикалы активного центра обеспечивают взаимодействие с гидрофобной областью молекулы субстрата. В результате этих взаимодействий молекула янтарной кислоты специфически встраивается в активный центр СДГ.

Рисунок 27 – Образование фермент-субстратного комплекса

сукцинатдегидрогеназы (СДГ) с янтарной кислотой

2. Теория индуцированного соответствия Д. Кошланда. Ее возникновение было связано с наблюдением того, что не во всех случаях имеет место строгое соответствие пространственных конфигураций молекулы субстрата и соответствующих участков активного центра. В том случае, когда фермент контактирует со своим субстратом, происходит индуцированная последним перестройка конформации активного центра. В результате этого возникает структурное соответствие между молекулой субстрата и участком связывания активного центра, что обеспечивает возможность их специфического взаимодействия (рис. 28).

Рисунок 28 – Схема индуцированного соответствия

активного центра фермента субстрату:

Е – фермент, S – субстрат, P – продукт реакции

В настоящее время считается, что наиболее адекватно отражает механизм образования фермент-субстратного комплекса именно теория индуцированного соответствия. Теория же Э. Фишера имеет больше историческое значение.

Образование фермент-субстратного комплекса обеспечивает перевод молекулы субстрата в переходное состояние. Причиной этого является взаимное влияние молекулы фермента и субстрата друг на друга. Конкретные причины, по которым происходит активация молекулы субстрата в составе фермент-субстратного комплекса, могут сильно различаться. Однако можно выделить четыре основные группы причин, по которым данный переход становится возможным:

· при образовании ES-комплекса молекула субстрата ориентируется таким образом, что облегчается его взаимодействие с другим субстратом;

· в молекуле субстрата, включенной в состав фермент-субстратного комплекса, возникают конформационные изменения, индуцированные активным центром фермента. Они проявляются в возникновении напряжений и деформаций в молекуле субстрата, следствием чего становится возможным перераспределение в ней электронной плотности и изменение реакционной способности субстрата;

· в активном центре фермента молекула субстрата может оказываться в окружении функциональных групп, которые проявляют свойства доноров или акцепторов водорода. Такие группы представляют собой мощные катализаторы многих химических реакций, протекающих в водной фазе. Таким образом в составе активного центра молекула субстрата может оказаться в окружении функциональных групп – катализаторов;

· в некоторых случаях при образовании фермент-субстратного комп-лекса молекула субстрата ковалентно связывается с активным центром фермента. При этом происходит ковалентная модификация молекулы суб-страта, что сопровождается изменением ее реакционной способности.

Таким образом, при образовании ES комплекса различными путями создаются условия для повышения реакционной способности молекулы субстрата, что лежит в основе его перевода в переходное состояние ES*.

После того как молекула субстрата переходит в переходное состояние, субстрат спонтанно трансформируется в продукт реакции и его комп-лекс с ферментом разрушается. Таким образом, после реакции остается редуцированный фермент и появляется продукт реакции.