Механизм действия ферментов

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ФЕРМЕНТОВ. КИНЕТИКА ФЕРМЕНТАТИВНЫХ РЕАКЦИЙ

Ферменты, функционирующие в организме человека и животных по своей природе являются белками[1] и проявляют все свойства белков. Они обеспечивают протекание биохимических реакций с такой интенсивностью, которая обеспечивает жизнеспособность организма, несмотря на влияние различных факторов.

Ферменты и метаболизм. В живой клетке, несмотря на присутствие самых разнообразных соединений, биохимические реакции, протекающие между ними строго упорядоченные, и протекают координированно, образуя определенные метаболические пути, характерные для данной клетки. Индивидуальность клетки в большой степени определяется уникальным набором ферментов, который она генетически за программирована производить. Отсутствие даже одного фермента или дефект, изменяющий его каталитические функции, могут иметь очень серьезные отрицательные последствия для организма. Нарушения структуры фермента, ведущие к снижению его активности, замедляют скорость метаболического пути, в котором участвует этот фермент.

Такие нарушения почти всегда проявляются как болезни (энзимопатии). Повреждения ферментов бывают двух типов: наследственные дефекты строения ферментов и повреждения, вызванные попадающими в организм токсическими веществами или другими внешними воздействиями.

Механизм действия ферментов

Первоначальным событием при действии фермента является его специфическое связывание с лигандом — субстратом (S). Это происходит в области активного центра, который формируется за счет специфического сближения радикалов аминокислот, определенным образом ориентированных в пространстве (рис. 1).

 

 

Рис. 1. Взаимодействие глюкозы с активным центром глюкокиназы:

А — реакция, катализируемая глюкокиназой; Б — образование фермент-субстратного комплекса.

Связывание субстрата с ферментом вызывает конформационные изменения в ферменте и субстрате, необходимые для протекания катализа, и тем самым увеличивает специфичность фермент-субстратного взаимодействия (индуцированное соответствие).

В общем виде ход ферментативной реакции можно представить следующим образом:

E + S →← ES →← EP → E + P;

 

Ферментативная реакция представляет собой многостадийный процесс, на первом этапе которого устанавливается индуцированное комплементарное соответствие между ферментом и субстратом с образованием фермент-субстратного комплекса (ES). Затем в области активного центра происходит химическое превращение субстрата и образование продуктов реакции (рис. 2.).

 

Рис. 2. Механизм действия фермента:

I — этап сближения и ориентации субстрата в активном центре фермента (установление индуцированного соответствия конформации активного центра фермента и субстрата);

II — образование фермент-субстратного комплекса (ES);

III — образование нестабильного комплекса фермент – продукт (EP);

IV — освобождение продуктов реакции из активного центра фермента, и переход фермента в исходное состояние;

Детальный механизм действия каждого фермента уникален, но есть общие черты в «работе» ферментов, которые заключаются в следующем:

• высокая избирательность действия фермента обеспечивается тем, что субстрат связывается в активном центре фермента в нескольких точках и это исключает ошибки;

• активный центр располагается в углублении (нише) поверхности фермента и имеет конфигурацию, комплементарную субстрату. В результате субстрат оказывается окруженным функциональными группами активного центра фермента и удаленным от водной среды;

• связывание субстрата со многими точками фермента способствует конформационным изменениям молекулы, «растягиванию» преобразуемой связи в субстрате и облегчает образование продуктов реакции;

• образующиеся продукты реакции теряют комплементарное соответствие ферменту, что обеспечивает их диссоциацию из области активного центра.