Ферментативная реакция

В присутствие фермента скорость реакции гидролиза резко возрастает. Рассмотрим работу гидролитического фермента α-химотрипсина, относящегося к сериновым протеазам (рис. 4–13). α-химотрипсин состоит из двух субглобул А и В, связанных между собой слабыми нековалентными взаимодействиями и небольшим участком полипептидной цепи, играющим роль шарнирного соединения субглобул А и В. Каждая субглобула (домен) состоит из шести, уложенных в β-структуру отрезков полипептидной цепи, соединенных водородными связями. Стык доменов находится между парой (His57 (Н), Asp102 (D) ), принадлежащей домену В, и остальной частью активного центра, находящегося в домене А (рис. 4–13).

Активный центр гидролитического фермента

Активный центр располагается между субглобулами. Он состоит из каталитического центра и субстрат – связывающего центра.

Каталитический центр ответственен за химическую трансформацию и является «сварочно/режущим аппаратом», так как фермент одинаково ускоряет как прямую (гидролиз), так и обратную (синтез) реакцию.

В каталитический аппарат активного центра входят аминокислотные остатки Ser-195 (S), His-57 (H), Asp-102 (D), (рис. 4–13, 4–14). Катализ непосредственно осуществляется боковой цепью Ser-195 (S).

Рис. 4–14. Начало ферментативной реакции, ориентация субстрата (заштрихован волнистыми линиями) и субстрат – связывающих элементов фермента. Расщепляется пептидная связь, обведенная кружком

Рис. 4–15. Схема ферментативного гидролиза пептида: 1-я стадия (а) и (б); 2-я стадия (в) и (г)

Важными элементами центра являются атом О, принадлежащий серину Ser195 (S), и атом N, принадлежащий гистидину His57 (H). Эти атомы находятся в разных субглобулах и соединены водородной связью: N – – – НО. Вдоль водородной связи имеются два энергетических минимума, определяющие пространственное положение протона Н⁺. Соотношение глубин этих минимумов имеет существенное значение для ферментативного катализа. Если левый минимум, расположенный ближе к атому N, становится глубже правого, то у протона возрастает вероятность прейти от атома О к атому N. При этом атом О приобретает заряд –е (рис. 4–15 а). Перенос протона может осуществляться как путем классического надбарьерного, термически активированного перехода, так и путем квантово-механического туннелирования. Однако в свободном состоянии (при отсутствии субстрата) потенциальный барьер, разделяющий минимумы очень велик (~40 ккал/моль), так что перенос маловероятен и электрон находится в правом (вблизи О) локальном, глубоком минимуме энергии.

Субстрат-связывающий центр обеспечивает правильное положение субстрата относительно каталитического центра. Он состоит 1) из оксианионовой дыры Ох (рис. 4–13 а, 4–14), связывающей кислород расщепляемой пептидной группы, 2) из неспецифической пептид-связывающей площадки и 3) из специфического субстрат – связывающего кармана (рис. 4–13–4–15). Первые два элемента отвечают за правильное положение расщепляемой пептидной группы (обозначенной кружком на рис. 4–14) относительно активированного атома кислорода Ser195. Третий элемент отвечает за распознавание той аминокислоты, после карбоксильной группы которой производится расщепление пептида.