Термодинамика ферментативной реакции
Ферменты с термодинамической точки зрения ускоряют химические реакции за счет снижения энергии активации. Энергией активации называется энергия, необходимая для перевода всех молекул моля вещества в активированное (переходное) состояние при данной температуре. Фермент снижает энергию активации путем увеличения числа активированных молекул, которые становятся реакционноспособными на более низком энергетическом уровне (рис. 5.3).
| Рис. 5.3. | Энергетические барьеры катализируемой и некатализируемой реакций. Следует отметить, что как катализируемая ферментом, так и некатализируемая реакция независимо от ее пути имеет одинаковую величину стандартного изменения свободной энергии. Действуя на скорость реакции, ферменты не изменяют равновесия между прямой и обратной реакциями, как и не влияют на величину свободной энергии реакции; они лишь ускоряют наступление равновесия химической реакции. Еа – энергия активации. |
Фермент, соединяясь с субстратом, образует короткоживущий фермент-субстратный комплекс, которому соответствует более низкая энергия активация по сравнению с субстратом в некатализируемой реакции. По завершении реакции фермент-субстратный комплекс распадается на продукт (или продукты) и свободный фермент.
Механизм сближения и ориентации
Фермент способен связывать молекулу субстрата таким образом, что атакуемая им связь оказывается не только расположенной в непосредственной близости от каталитической группы, но и правильно ориентированной по отношению к ней. В результате вероятность того, что комплекс ES достигнет переходного состояния, сильно увеличивается.
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.