Механизм индуцированного соответствия

Связывание субстрата в ряде случаев может вызывать конформационные изменения в молекуле фермента, которые приводят к напряжению структуры активного центра, а также несколько деформируют связанный субстрат, упрощая тем самым достижение комплексом ES переходного состояния. При этом возникает так называемое индуцированное соответствие фермента субстрату. Таким образом, небольшие изменения третичной или четвертичной структуры относительно крупной молекулы фермента могут играть роль механического рычага для молекулы субстрата. Возможно, именно по этой причине ферменты представляют собой белки и, следовательно, по своим размерам значительно превосходят молекулы большинства субстратов.

Кислотно-оснóвный катализ

Концепция кислотно-оснóвного катализа объясняет ферментативную активность участием в химической реакции кислотных групп (доноры протонов) и/или оснóвных групп (акцепторы протонов). Кислотно-оснóвный катализ – часто встречающееся явление. Аминокислотные остатки, входящие в состав активного центра, имеют функциональные группы, проявляющие свойства, как кислот, так и оснований.

К аминокислотам, участвующим в кислотно-оснóвном катализе, в первую очередь относят Cys, Tyr, Ser, Lys, Glu, Asp и His. Радикалы этих аминокислот в протонированной форме – кислоты (доноры протона), в депротонированной – основания (акцепторы протона).

При фиксации субстрата в активном центре на его молекулу влияют электрофильные и нуклеофильные группы каталитического участка, что вызывает перераспределение электронной плотности на участках субстрата, атакуемого кислотно-оснóвными группами. Это облегчает перестройку и разрыв связей в молекуле субстрата. Ярко выраженной способностью к кислотно-оснóвному катализу обладают ферменты, в каталитическом центре которых имеется гистидин, который отличается отчётливыми кислотно-оснóвными свойствами. При блокировании гистидина фермент инактивируется.

Данный механизм ферментативного катализа характерен для гидролаз, лиаз, изомераз. Он часто сочетается с ковалентным катализом.

Ковалентный катализ

Ковалентный катализ основан на атаке нуклеофильных (отрицательно заряженных) или электрофильных (положительно заряженных) групп активного центра фермента молекулами субстрата с формированием ковалентной связи между субстратом и коферментом или функциональной группой аминокислотного остатка (как правило, одной) активного центра фермента. Ковалентные фермент-субстратные промежуточные продукты очень неустойчивы и легко распадаются, освобождая продукты реакции. Действие сериновых протеиназ, таких как трипсин, химотрипсин, эластаза и тромбин, – пример механизма ковалентного катализа, когда ковалентная связь образуется между субстратом и остатком серина в активном центре фермента.

Для большинства ферментов характерно сочетание описанных механизмов, что обеспечивает их высокую каталитическую активность.

Мультисубстратные комплексы

Большинство ферментов катализирует реакции, в которых участвует более одного субстрата. В случае если кофермент не является простетической группой, его можно рассматривать как косубстрат или другими словами как второй субстрат. Следовательно, участников ферментативной реакции может быть несколько: собственно фермент, несколько субстратов и кофермент.

В случаях бисубстратных реакций механизм ферментативного катализа, как правило, может идти по одному из двух путей: по механизму «пинг-понг» (механизм двойного замещения) или последовательному механизму.

Механизм «пинг-понг»схематично может быть представлен следующим образом:

Связывание субстрата Ас ферментом (Е) приводит к образованию фермент-субстратного комплекса ЕА, при этом субстрат А превращается в продукт (Р), который покидает фермент. В результате такого преобразования фермент остается в измененной (Е')форме, в результате модификации кофермента. Далее в активном центре фермента происходит связывание субстрата В с образованием второго фермент-субстратного комплексаЕ'Вс последующим превращением субстрата В в продукт Q и высвобождением нативной формы фермента (Е).

Примером этого механизма являются реакции дегидрирования с участием коферментов FAD и FMN.

Последовательный механизм ферментативной бисубстратной реакции предусматривает взаимодействие с ферментом двух субстратов до их превращения в соответствующие продукты. В этом случае связывание субстратов возможно различными путями – упорядоченным или случайным способом.

Механизм упорядоченного взаимодействия субстрата с активным центром фермента:

Первым в активный центр фермента доставляется субстрат А,облегчая тем самым, присоединение субстрата В.

После химического превращения этих субстратов так же в определенном порядке происходит высвобождение продуктов реакции (Ри Q). Примером такого механизма является реакция дегидрирования с участием коферментов NAD⁺ и NADP⁺.

Механизм случайного взаимодействия субстрата с активным центром фермента:

Приоритетности за взаимодействие субстратов Аи В в активном центре фермента нет, так как каждый субстрат имеет свой центр связывания. Также нет строгой закономерности высвобождения продуктов реакции.