Ферменты. Теории ферментативного катализа. Роль конформационной лабильности молекулы фермента в процессе катализа.

Теория активного ценгтра (ключ и замок). Форма и химическое строение активного центра таковы, что с ним могут связаться только определённые субстраты из-за соответствия их пространственных структур. Весь процесс ферментативного катализа описывается простым уравнением:

1 2 3 4

E + S ↔ ES ↔ ES* ↔ EP → E + P

где: Е – фермент, S – субстрат, S* – активированный субстрат, Р – продукт реакции. Процесс ферментативного катализа можно условно разделить на четыре стадии, каждая из которых имеет свои особенности: 1. Диффузия субстрата к ферменту и его стерическое связывание в активном центре (образование нестойкого фермент-субстратного комплекса ЕS). В субстратном центре с помощью слабых взаимодействий связывается та часть молекулы субстрата, которая не подвергается химическим превращениям. 2. Изменение субстрата под действием фермента, делающее его доступным для химической реакции. На данной стадии происходит активация субстрата. Молекула субстрата фиксируется в активном центре фермента, происходит образование активированного фермент-субстратного комплекса (ES*). 3. Химическая реакция, в ходе которой происходит превращение субстрата в продукт за счёт разрыва и замыкания ковалентных связей. 4. Фермент переходит в исходное состояние с отделением продуктов реакции. Данная непродолжительная стадия определяется скоростью диффузии продуктов в окружающую среду. Для образования фермент-субстратного комплекса (ES) необходимо соблюдение трех условий, которые и определяют высокую специфичность действия фермента: 1. Структурное соответствие между субстратом и активным центром фермента. Это подобие обеспечивается на уровне третичной структуры фермента, т.е. пространственного расположения функциональных групп активного центра. 2. Электростатическое соответствие активного центра фермента и субстрата, которое обусловлено взаимодействием противоположно заряженных групп. 3. Подвижность третичной структуры фермента – «индуцированное соответствие». 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. Особенность ферментов как белков — большая лабильность, легкая изменяемость свойств в зависимости от условий среды (pH, температуры, присутствия активаторов и ингибиторов и др.). Это позволяет проводить химические реакции в очень мягких условиях в отличие от применения неорганических катализаторов— при низкой температуре, нормальном давлении, невысоком pH среды и т. д.