Механизм действия ферментов

Свойства ферментов

n Термолабильность – скорость ферментативных реакций зависит от температуры.

n Каждый фермент имеет свой pH-оптимум.

n Активность фермента зависит от концентрации субстратов.

n Специфичность: абсолютная и относительная (групповая).

Действие большинства ферментов высокоспецифично

n Специфичность

n к типам каталитических реакций (реакционная специфичность),

n к природе соединений - субстратов (субстратная специфичность).

n Высокоспецифичные ферменты (тип А) катализируют расщепление только одного типа связи в субстратах определенной структуры.

n Ферменты типа Б обладают ограниченной реакционной специфичностью, но широкой субстратной специфичностью.

n Ферменты типа В (с низкой реакционной и низкой субстратной специфичностями) встречаются редко.

Механизм действия ферментов. Теории «ключ-замок», «рука-перчатка»

n Э. Фишер предложил предложил для объяснения специфичности взаимодействия фермента и субстрата модель «ключа и замка».

n Эта модель предполагала существование такого центра как особой структуры и без связи с субстратом.

n Д. Кошленд в 1959 г. предложил теорию индуцированного соответствия ( «рука-перчатка» ): т. е. что субстрат навязывает активному центру свою форму, а активный центр в свою очередь подгоняет форму субстрата под свою собственную.

n была подтверждена при помощи метода рентгеноструктурного анализа, позволившего построить пространственную модель фермента.

Механизм действия ферментов. Концепции «дыбы» и «лилипутов»

n В 1954 году была предложена гипотеза связывающая механизм ферментативного каталитического акта с деформацией и напряжением молекулы субстрата при ее сорбции в активном центра фермента.

n Эта гипотеза вошла в науку под названием концепции «дыбы» или «лилипутов».

n Первое подчеркивало принудительный характер механической деформации гибкого субстрата жестким ферментом.

n Второе название указывает на то, что слабые нековалентные взаимодействия субстрата и активного центра обеспечивают дестабилизацию субстрата и перевод его в высокоэнергетическое переходное состояние.

Механизм действия ферментов. Современные взгляды

n Современные концепции на механизм ферментативного катализа объединяются в теорию топохимического соответствия и объединяют все вышеперечисленные взгляды.

Теория промежуточных соединений

n Выдвинутая в 1913 году Л. Михаэлисом и М. Ментен общая теория ферментативного катализа постулировала, что фермент Е сначала обратимо и относительно быстро связывается с со своим субстратом S в реакции:

E + S = ES

n Образовавшийся при этом фермент-субстратный комплекс ES, не имеющий аналогий в органической химии и химическом катализе, затем распадается в второй более медленной (лимитирующей) стадии реакции:

ES = Е + Р

Этапы взаимодействия фермента и субстрата

n 1 этап: происходит сближение и ориентация субстрата относительно субстратного центра фермента и его постепенное «причаливание» к «якорной» площадке.

n 2 этап: напряжение и деформация: индуцированное соответствие - происходит присоединение субстрата, которое вызывает конформационные изменения в молекуле фермента приводящие к напряжению структуры активного центра и деформации связанного субстрата.

n 3 этап: непосредственный катализ.

Теория промежуточных соединений.

n Имеется реакция:

S → P + Q

n Представим эту реакцию в виде отдельных новых стадий:

S + E = ES = E + P

подстадии:

1. E + S = ES 2. ES = ES* 3. ES* = ES** 4. ES** = ES*** 5. ES*** = EP 6. EP = E + P

S*, S**, S*** - новые модификации субстрата, обусловленные изменением энергетической плотности, заряда и т. д.

Основы термодинамики катализа

n Из недостаточности чисто статических взаимоотношений в духе «замка и ключа» для объяснения многостадийного каталитического процесса, Д. Кошланд предположил, что с термодинамической точки зрения ферменты ускоряют химические реакции за счет снижения энергии активации.

n

Энергия активации

n Энергия активации - энергия, необходимая для перевода всех молекул моля вещества в активное состояние при данной температуре, т. е. это та энергия, которая необходима молекуле, чтобы преодолеть энергетический барьер.

n Фермент снижает энергию активации путем увеличения числа активированных молекул, которые становятся реакционно-способными на более низком энергетическом уровне, т. е. снижается и энергетический барьер.

Термодинамика ферментативных реакций

n Чем выше концентрация E, тем выше скорость реакции.

n Для каждого фермента существует оптимальная область pH (6,9 – 7,0 для большинства ферментов).

n Сдвиг pH приводит к изменению

n Поверхностного заряда фермента

n Степень ионизации активного центра и субстрата.

n С увеличением температуры на 10°C скорость реакции возрастает в 2 раза (правило Вант-Гоффа).

n После 60-70° C происходит денатурация фермента с потерей его каталитической активности.

n Для простых ферментов график имеет вид гиперболы и описывается уравнением Михаэлиса-Ментен.

n При очень высоких концентрациях субстрата наступает субстратное ингибирование

n Исследование зависимости скорости ферментативных реакций от концентрации реагирующих веществ стало одним из главных путей изучения механизма действия ферментов.

n В 1905 году французский исследователь Генри впервые высказал ряд предположений, которые были экспериментально подтверждены в 1913 году Леонором Михаэлисом и Мод Ментен (США, Канада).