Механизм действия ферментов

Ферменты (энзимы) - это высокомолекулярные органические соединения белковой природы, которые выполняют в организме роль биологических катализаторов.

Механизм действия ферментов

Выяснение механизмов, лежащих в основе каталитического действия энзимов, является одной из фундаментальных задач и актуальных проблем не только энзимологии, но и современной молекулярной биохимии и биологии.

Задолго до того как стали доступны чистые ферменты и была выяснена их природа, сложилось убеждение, что решающее значение для осуществления ферментативного процесса имеет соединение фермента с субстратом. Попытки обнаружить комплексное соединение фермента с субстратом долгое время не приводили к успеху, поскольку такой комплекс лабилен, он очень быстро распадается. Использование метода спектроскопии дало возможность выявить фермент-субстратные комплексы для каталазы, пероксидазы, алкогольдегидрогеназы, флавинзависимых ферментов.

Метод рентгеноструктурного анализа позволил получить много важных сведений о структуре и каталитических механизмах действия ферментов. Этот метод был использован для установления связи аналогов субстрата с ферментами лизоцимом и химотрипсином.

Некоторые прямые доказательства существования энзим-субстратных комплексов удалось получить для случаев, когда на одной из стадий каталитического цикла фермент оказывается связанным с субстратом ковалентной связью. В качестве примера может служить реакция гидролиза n-нитрофенилацетата, катализируемая химотрипсином. При смешивании фермента с этим эфиром химотрипсин ацетилируется по гидроксильной группе реакционно-способного остатка серина. Эта стадия протекает быстро, однако гидролиз ацетилхимотрипсина с образованием ацетата и свободною химотрипсина идет значительно медленнее. Поэтому в присутствии n-нитрофенилацетата накапливается ацетилхимотрипсин, который легко обнаружить.

Наличие субстрата в составе фермента можно «уловить» путем перевода неустойчивого комплекса ЕС в неактивную форму, например, обработкой фермент-субстратного комплекса боргидридом натрия, обладающего сильным восстановительным действием. Подобный комплекс в виде устойчивого ковалентного производного был обнаружен в ферменте альдолазе. Оказалось, что с молекулой субстрата взаимодействует е-аминогруппа лизина.

Субстрат взаимодействует с ферментом в определенной части, которая называется активным центром, или активной зоной фермента.

Под активным центром, или активной зоной, понимают ту часть молекулы ферментного белка, которая соединяется с субстратом (и кофакторами) и обусловливает ферментативные свойства молекулы. Активный центр определяет специфичность и каталитическую активность фермента и должен представлять собой структуру определенной степени сложности, приспособленную для тесного сближения и взаимодействия с молекулой субстрата или ее частями, непосредственно участвующими в реакции.

Среди функциональных групп различают входящие в состав «каталитически активного» участка фермента и образующие участок, обеспечивающий специфическое сродство (связывание субстрата с ферментом) — так называемый контактный, или «якорный» (или адсорбционный участок активного центра фермента).

Механизм действия энзимов объясняет теория Михаэлиса-Ментен. Согласно этой теории, процесс происходит в четыре этапа.

Механизм действия ферментов: I этап

Между субстратом (С) и энзимом (Е) возникает связь – образуется фермент-субстратный комплекс ЕС, в котором компоненты связаны между собой ковалентными, ионными, водными и другими связями.

Механизм действия ферментов: IІ этап

Субстрат под воздействием присоединенного фермента активируется и становится доступным для соответствующих реакций катализа ЕС.

Механизм действия ферментов: IІI этап

Совершается катализ ЕС. Эта теория подтверждена экспериментальными исследованиями.

И наконец, IV стадия характеризуется освобождением молекулы фермента Е и продуктов реакции Р. Последовательность преобразований можно отобразить так: Е+С – ЕС – ЕС* - Е+Р.

Специфичность действия ферментов

Каждый энзим действует на определенный субстрат или группу веществ, которые подобны по своей структуре. Специфичность действия ферментов объясняется сходством конфигурации активного центра и субстрата. В процессе взаимодействия  образуется фермент-субстратный комплекс.