Механізм дії ферментів

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

Механізм дії ферментів

З`ясування механізмів, що лежать в основі каталітичної дії ензимів, є однією з фундаментальних завдань і актуальних проблем не тільки ензимології, але й сучасної молекулярної біохімії та біології.

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

Метод рентгеноструктурного аналізу дозволив отримати багато важливих відомостей про структуру і каталітичних механізми дії ферментів. Цей метод був використаний для встановлення зв`язку аналогів субстрату з ферментами лизоцимом і химотрипсином.

Деякі прямі докази існування ензим-субстратні комплексів вдалося отримати для випадків, коли на одній зі стадій каталітичного циклу фермент виявляється пов`язаним з субстратом ковалентним зв`язком. Як приклад може служити реакція гідролізу n-нітрофенілацетата, катализируемая химотрипсином. При змішуванні ферменту з цим ефіром химотрипсин ацетилюється по гідроксильної групі реакційно-здатного залишку серину. Ця стадія протікає швидко, однак гідроліз ацетілхімотріпсіна з утворенням ацетату і свобідною химотрипсина йде значно повільніше. Тому в присутності n-нітрофенілацетата накопичується ацетілхімотріпсін, який легко виявити.

Наявність субстрату в складі ферменту можна «вловити» шляхом переведення нестійкого комплексу ЄС в неактивну форму, наприклад, обробкою фермент-субстратного комплексу боргідридом натрію, що володіє сильним відновлювальних дією. Подібний комплекс у вигляді стійкого ковалентного похідного був виявлений в ферменті альдолаза. Виявилося, що з молекулою субстрату взаємодіє е-аминогруппа лізину.

Субстрат взаємодіє з ферментом в певній частині, яка 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) і обумовлює ферментативні властивості молекули. Активний центр визначає специфічність і каталітичну активність ферменту і повинен являти собою структуру певного ступеня складності, пристосовану для тісного зближення і взаємодії з молекулою субстрату або її частинами, безпосередньо беруть участь у реакції.

Серед функціональних груп розрізняють входять до складу «каталитически активного» ділянки ферменту і утворюють ділянку, що забезпечує специфічна спорідненість (зв`язування субстрату з ферментом) - так званий контактний, або «якірний» (або адсорбційний ділянку активного центру ферменту).

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

Механізм дії ферментів: I етап

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

Механізм дії ферментів: IІ етап

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

Механізм дії ферментів: IІI етап

Вчиняється каталіз ЄС. Ця теорія підтверджена експериментальними дослідженнями.

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

Специфічність дії ферментів

Кожен ензим діє на певний субстрат або групу речовин, які подібні по своїй структурі. Специфічність дії ферментів пояснюється схожістю конфігурації активного центру і субстрату. У процесі взаємодії утворюється фермент-субстратний комплекс.