Ферментативная реакция

Реальная ферментативная реакция, происходит в клетках с участием фермента рацемазы и кофермента ПЛФ.

Ферменты вносят энергетически слабое возмущение, связанное с образованием нековалентных взаимодействий. Благодаря этим взаимодействиям все промежуточные соединения становятся близкими по энергии (рис. 4–9, кривая 4).

Понижение энергии максимумов и сглаживание кривой вдоль оси реакции, благодаря присутствию фермента рацемазы связаны со следующим.

1. Реакции в пробирке происходят при столкновении молекул. Однако, как указывалось выше, не всякое столкновение приводит к началу реакции. Чтобы прошла химическая реакция (в рассматриваемом случае между ПЛФ и L-аминокислотой), молекулы должны быть ориентированы вдоль оси реакции, то есть так, чтобы атом кислорода у ПЛФ при столкновении оказался против атома Н у L-аланина (на рис. 4–10 оба атома обведены кружком). Остальные соударения малоэффективны. Вероятность нужных столкновений оценивается примерно в 0,01.

При реакциях с участием ферментов молекулы субстрата (или субстратов) ориентируются в активном центре фермента вдоль оси реакции, что резко повышает ее скорость. Если реакция проходит через много стадий, то, поскольку разные стадии – это разные реакции, то фермент перестраивается в процессе реакции таким образом, чтобы на каждой стадии взаимные ориентации субстрата, фермента и кофермента были оптимальными.

Как это достигается? Обратим внимание на то, что на каждой стадии реакции характер связей, определяющих ориентацию молекул субстрата и кофермента (закрепляющих связей) и связей внутри кофермента (например, C=N↔C–N) изменяется, в результате чего в процессе реакции у кофермента появляются новые степени свободы.

Таким образом, ситуация выглядит так, как будто каждая стадия реакции создает возможности перестройки взаимной ориентации молекул на следующей стадии. В результате, в процессе реакции происходит непрерывная перестройка структуры активного центра, обеспечивающая оптимальную ориентацию реагентов на каждой стадии и оптимальные расстояния между реагирующими группами. Фермент работает как механическая машина на молекулярном уровне. Он совершает целенаправленные движения, сближая, сдвигая, поворачивая определенные группы атомов.

Рис. 4–10. Схема катализа в клетке с участием витамина В₆ – пиридодоксальфосфата. В результате катализа L-аминокислота превращается в D-изомер, а ПЛФ выходит неизменным

2. Известно, что реакционная способность различных ионных форм молекул различна, то есть скорость химических реакций зависит от того, какие ионные формы молекул в данном акте реагируют.

Например, из двух форм аминокислоты (нейтральной и биполярного иона) наиболее активной формой является нейтральная.

У ПЛФ в растворе существуют три ионные формы, представленные на рис. 4–11.

Скорости реакций нейтральной аминокислоты с анионом, биполярным ионом и катионом ПМФ составляют соответственно 10², 10⁴ и 10⁶ моль/мин.

Замечательной особенностью фермента является его способность создавать в активном центре наиболее реакционно–способное зарядовое сочетание ПЛФ и аминокислоты на каждой стадии реакции, что еще более увеличивает ее скорость. При этом условие оптимального сочетания зарядовых состояний реагентов, так же как и их структурное соответствие, на каждой стадии достигается за счет структурных и электронных изменений на предыдущих стадиях (принцип конвейера).

Рис. 4–11. Схемы ионных форм пиридоксальфосфата (ПЛФ)

3. На выполнение условий 1 и 2 требуется энергия. Величина этой энергии, из общих соображений, должна иметь порядок энергии нековалентных взаимодействий. Необходимая энергия получается за счет энергии многоточечного связывания реагентов с белком, обеспечивающего их ориентацию вдоль координаты реакции.

Указанные выше особенности ферментативной реакции (в отличие от каталитической) способствуют образованию в течение реакции новых лабильных промежуточных соединений, разделенных более низкими потенциальными барьерами. При этом оптимальной для протекания реакции является ситуация, при которой уровни энергии промежуточных соединений мало отличаются друг от друга. Иными словами, фермент, используя нековалентные взаимодействия, предельно выравнивает профиль энергии вдоль пути реакции (см. рис. 4–9, кривая 4), что обеспечивает гигантские (по сравнению с реакциями без фермента) скорости ферментативных реакций.