Механизм действия ферментов

Любые химические реакции протекают, под­чиняясь двум основным законам термодинами­ки: закону сохранения энергии и закону энтро­пии. Согласно этим законам, общая энергия химической системы и её окружения остаётся постоянной, при этом химическая система стре­мится к снижению упорядоченности (увеличе­нию энтропии).

Энергией активации называют дополнитель­ное количество кинетической энергии, необхо­димое молекулам вещества, чтобы они вступи­ли в реакцию.

При достижении этого энергетического барь­ера в молекуле происходят изменения, вызыва­ющие перераспределение химических связей и образование новых соединений.

свободная энергия активации

Чем больше молекул обладает энергией, пре­вышающей уровень Е_а, тем выше скорость хи­мической реакции. Повысить скорость хи­мической реакции можно нагреванием. При этом увеличивается энергия реагирующих моле­кул. Однако для живых организмов высокие температуры губительны, поэтому в клетке для ускорения химических реакций используются ферменты. Ферменты обеспечивают высокую скорость реакций при оптимальных условиях, существующих в клетке, путём понижения уровня Е_а. Таким образом, ферменты снижают высоту энергетического барьера, в результате возрастает количество реакционно-способных молекул, следовательно, увеличивается скорость реакции.

время

Энергия активации

Е_а - энергия активации некатализируемои реакции

Е'_а - энергия активации катализируемой ферментами реакции

В механизме ферментативного катализа ре­шающее значение имеет образование фермент-субстратного комплекса в активном центре фермента. Активный центр фер­мента комплементарен субстрату, т.е. соответ­ствует ему как «ключ замку». Это объясняет то что ферменты обладают высокой субстратной специфично­стью.

Молекула фермента, как правило, во много раз больше молекулы субстрата, подвергающегося химическому превращению этим ферментом. В контакт с субстратом вступает лишь неболь­шая часть молекулы фермента, обычно от 5 до 10 аминокислотных остатков, формирующих ак­тивный центр фермента. Роль остальных ами­нокислотных остатков состоит в обеспечении правильной конформации молекулы фермента для оптимального протекания химической ре­акции. Субстраты рас­полагаются таким образом, чтобы участвующие в реакции функциональные группы субстратов находились в непосредственной близости друг к другу. Это свойство активного центра назы­вают эффектом сближения и ориентации реа­гентов. Такое упорядоченное расположение суб­стратов вызывает уменьшение энтропии и, как следствие, снижение энергии активации (Е_а), что определяет каталитическую эффективность ферментов. Активный центр фермента также способствует дестабилизации межатомных связей в молекуле субстрата, что облегчает протекание химичес­кой реакции и образование продуктов. Это свой­ство активного центра называют эффектом де­формации субстрата.

Способность ферментов к регуляции

Активность ферментов в клетке зависит от количества молекул субстрата, продукта, нали­чия кофакторов и коферментов. Действие фер­ментов в клетке, как правило, строго упорядо­чено: продукт одной ферментативной реакции является субстратом другой, образуя таким об­разом «метаболические пути». Среди множества ферментов практически каждого метаболичес­кого пути различают ключевые, или регуляторные, ферменты, активность которых может из­меняться в зависимости от потребности клетки в конечном продукте метаболического пути. Регуляторные ферменты расположены, как пра­вило, в начале и/или в месте разветвления ме­таболического пути и обычно имеют очень сложное строение.

У некоторых ферментов есть участки связывания малых молекул, которые могут уменьшить, или увеличить активность фермента, что создает возможность для обратной связи. Вещество, замедляющее протекание ферментативной реакции, называется ингибитором. Различают обратимые и необратимые ингибиторы. Обратимые ингибиторы могут быть конкурентные и неконкурентные.

Конкурентный ингибитор конкурирует с субстратом за связывание с активным центром, но в отличие от субстрата конкурентный ингибитор не подвергается превращению.

Во время неконкурентного ингибирования ингибитор присоединяется к ферменту не в активном центре, а совсем в другом месте.

В случаях как конкурентного, так и неконкурентного ингибирования действие ингибитора является обратимым и по прошествии определенного времени и воздействия к ферменту возвращается каталитическая активность.

Необратимое ингибирование - Формирование стабильного комплекса ингибитора с ферментом, ведущее к его необратимой инактивации.

Изучение ингибирования ферментов играет важную роль в создании и изучении дейстия фармакологических средств. Большинство из лекарств является обратимыми ингибиторами, (напр. сульфаниламидные препараты, применяемые для лечения инфекционных заболеваний; аналоги нуклеотидов для лечения онкологических заболеваний и т.д.) а много токсических веществ ( напр. нейропаралитические яды, ) являются необратимыми ингибиторами ферментов.