Чинники, що визначають каталітичну ефективність ферментів
Ферменти підвищують швидкості реакцій, що каталізуються, в раз. Наприклад, уреаза прискорює гідроліз сечовини раз при pH 8 і 20°С. Як же вдається ферментам виявляти таку надзвичайно високу каталітичну активність у таких м'яких умовах?
Існують чотири основні фактори (табл. 9-7), що визначають здатність ферментів прискорювати хімічні реакції.
Зближення та орієнтація.
Таблиця 9-7. Чинники, що впливають на каталітичну ефективність ферментів
Фермент здатний зв'язувати молекулу субстрату таким чином, що атакований ферментом зв'язок виявляється не тільки розташованим у безпосередній близькості від каталітичної групи, але і правильно орієнтованою по відношенню до неї. Внаслідок цього ймовірність того, що комплекс ES досягне перехідного стану, сильно збільшується (рис. 9-13).
Напруга та деформація: індукована відповідність. Приєднання субстрату може викликати конформаційні зміни в молекулі ферменту, які призводять до напруги структури активного центру, а також деформують деформують пов'язаний субстрат, полегшуючи тим самим досягнення комплексом ES перехідного стану.
Мал. 9-13. Схематичне зображення процесів зближення та орієнтації при взаємодії молекули субстрату S з каталітичною групою в активному центрі ферменту Е.
Мал. 9-14. Індукована відповідність між активним центром ферменту та напруженою формою молекули субстрату.
При цьому виникає так звана індукована відповідність ферменту субстрату (рис. 9-14). Таким чином, невеликі зміни третинної або четвертинної структури щодо великої молекули ферменту можуть грати роль механічного важеля молекули субстрату. Можливо, що саме з цієїПричини ферменти є білками і, отже, за своїми розмірами значно перевершують молекули більшості субстратів.
Загальний кислотно-основний каталіз. В активному центрі ферменту можуть бути групи специфічних амінокислотних залишків, які є хорошими донорами або акцепторами протонів (рис. 9-15). Такі кислотні або основні групи загального типу є потужними каталізаторами багатьох органічних реакцій, що протікають у водних системах.
Мал. 9-15. Міогі органічні реакції прискорюються донорами чи акцепторами протонів, тобто. узагальненими кислотами чи основами. Активні центри ряду ферментів містять функціональні групи амінокислотних залишків, що приймають уяастіе в каталітичних процесах як донори або акцептори протонів. Тут показані деякі з цих груп. -група належить цистеїну, імідазольна група - гістидину.
Мал. 9-16. Одіа із моделей ковалентного каталізу. У деяких ферментативних реакціях фермент замінює функціональну групу R у субстраті RX, у результаті утворюється ковалентний комплекс EX. Він нестабільний та гідролізується значно швидше, ніж RX. До ферментів, що здійснюють ковалентний каталіз, відноситься хімотрипсин (додаток 9-4, Б).
Ковалентний каталіз. Деякі ферменти реагують зі своїми субстратами, утворюючи дуже нестабільні, ковалентно пов'язані фермент-субстратні комплекси, з яких у ході наступної реакції утворюються продукти реакції, причому значно швидше, ніж у разі реакцій, що не каталізуються (рис. 9-16).
Перераховані вище чотири фактори, мабуть, роблять різний внесок у прискорення хімічних реакцій ферментами різних типів, однак для жодного ферменту поки не відомо точного механізму,забезпечує прискорення тієї чи іншої специфічної йому реакції.