Механізм дії ферментів

Ферменти (ензими) – це високомолекулярні органічні сполуки білкової природи, які виконують в організмі роль біологічних каталізаторів.

З'ясування механізмів, що лежать в основі каталітичної дії ензимів, є одним із фундаментальних завдань та актуальних проблем не тільки ензимології, а й сучасної молекулярної біохімії та біології.

Задовго до того як стали доступні чисті ферменти і з'ясовано їх природа, склалося переконання, що вирішальне значення реалізації ферментативного процесу має з'єднання ферменту з субстратом. Спроби виявити комплексне з'єднання ферменту з субстратом довгий час не призводили до успіху, оскільки такий комплекс лабілен, він дуже швидко розпадається. Використання методу спектроскопії дало можливість виявити фермент-субстратні комплекси для каталази, пероксидази, алкогольдегідрогенази, флавінзалежних ферментів.

Метод рентгеноструктурного аналізу дозволив отримати багато важливих відомостей про структуру та каталітичні механізми дії ферментів. Цей метод був використаний для встановлення зв'язку аналогів субстрату з ферментами лізоцимом та хімотрипсином.

Деякі прямі докази існування ензим-субстратних комплексів вдалося отримати для випадків, коли на одній із стадій каталітичного циклу фермент виявляється пов'язаним із субстратом ковалентним зв'язком. Як приклад може бути реакція гідролізу n-нітрофенілацетату, що каталізується хімотрипсином. При змішуванні ферменту з цим ефіром хімотрипсин ацетилюється гідроксильною групою реакційно-здатного залишку серину. Ця стадія протікає швидко, проте гідроліз ацетилхімотрипсину з утворенням ацетату та вільною хімотрипсину йде значно повільніше. Томуу присутності n-нітрофенілацетату накопичується ацетилхімотрипсин, який легко виявити.

Наявність субстрату у складі ферменту можна «вловити» шляхом переведення нестійкого комплексу ЄС у неактивну форму, наприклад, обробкою фермент-субстратного комплексу боргідридом натрію, що має сильну відновну дію. Подібний комплекс у вигляді стійкого ковалентного похідного було виявлено у ферменті альдолазі. Виявилося, що з молекулою субстрату взаємодіє е-аміногрупа лізину.

Субстрат взаємодіє з ферментом у певній частині, що називається активним центром, або активною зоною ферменту.

Під активним центром, або активною зоною, розуміють ту частину молекули ферментного білка, яка з'єднується з субстратом (і кофакторами) та зумовлює ферментативні властивості молекули. Активний центр визначає специфічність і каталітичну активність ферменту і повинен являти собою структуру певного ступеня складності, пристосовану для тісного зближення та взаємодії з молекулою субстрату або її частинами, що безпосередньо беруть участь у реакції.

Серед функціональних груп розрізняють входять до складу «каталітично активної» ділянки ферменту і утворюють ділянку, що забезпечує специфічну спорідненість (зв'язування субстрату з ферментом) — так звану контактну, або «якорну» (або адсорбційну ділянку активного центру ферменту).

Механізм дії ензимів пояснює теорія Міхаеліса-Ментена. Відповідно до цієї теорії, процес відбувається у чотири етапи.

Механізм дії ферментів: І етап

Між субстратом (С) та ензимом (Е) виникає зв'язок – утворюється фермент-субстратний комплекс ЄС, у якому компоненти пов'язані між собою ковалентними, іонними, водними та іншими зв'язками.

Механізмдії ферментів: ІІ етап

Субстрат під впливом приєднаного ферменту активується і стає доступним відповідних реакцій каталізу ЄС.

Механізм дії ферментів: ІІІ етап

Здійснюється каталіз ЄС. Ця теорія підтверджена експериментальними дослідженнями.

І, насамкінець, IV стадія характеризується звільненням молекули ферменту Е та продуктів реакції Р. Послідовність перетворень можна відобразити так: Е+С – ЄС – ЄС* - Е+Р.

Специфіка дії ферментів

Кожен ензим діє на певний субстрат або групу речовин, які подібні до своєї структури. Специфіка впливу ферментів пояснюється подібністю зміни активного центру і субстрату. У процесі взаємодії утворюється фермент-субстратний комплекс.