Специфичность

Одним из наиболее характерных свойств ферментов является их специ-

фичность. Под специфичностью подразумевается свойство ферментов изби-

рательно участвовать в превращении одного или нескольких веществ, близ-

ких по структуре. Каждый фермент действует на определенный тип химичес-

кой связи в молекуле субстрата. Даже незначительные изменени в химичес-

кой структуре вещества порой исключают возможность проявления действия

фермента. Различают абсолютную, относительную и стехиометрическую спе-

цифичности. Примером абсолютной специфичности могут служить следую-

щие ферменты: сахараза, действующая на сахарозу; мальтаза, действующая на

мальтозу; лактаза, действующая на лактозу (сахароза, лактоза, мальтоза -

сахара,имеющие одинаковую формулу C12H22O11 и различное строение). От-

носительной специфичностью обладает фермент пищеварительного сока пеп-

син, расщепляющий различные белковые вещества, доставляемые в желудок

вместе с пищей. Пепсин расщепляет мясной белок, рыбный белок, белок моло-

ка, белок растений. Большинство ферментов чувствительно к пространствен-

ной конфигурации молекулы субстрата, с которой они взаимодействуют, таким

образом ферменты проявляют стехиометрическую специфичность. Обычно

эта специфичность присуща ферментам, расщепляющим какие-либо изомеры,

отличающиеся друг от друга лишь характером пространственного расположе-

ния радикальных групп. Например, a- и b-гликозидазы разлагают a - и b-ме-

тилгликозиды, которые отличаются только пространственным расположени-

ем радикалов метилов.

Рис.5

Без специфического действи ферментов был бы невозможен упорядо-

ченный обмен веществ в клетках, а, следовательно, и сама жизнь.

Активный центр фермента

Изучение специфичности белка привело ученых исследова-

телей к выводу,что молекула субстрата реагирует не со всей

молекулой фермента, размеры которой во много раз превы-

шают размеры молекулы субстрата, а с ее отдельным участ-

ком, получившим название активного центра. Активный

центр - участок белковой молекулы, который обеспечивает

соединение фермента с субстратом и дает возможность для

дальнейших превращений субстрата . Активный центр должен представлять со-

бой определенную структуру, приспособленную для тесного сближения и взаи-

модействия с молекулой субстрата; активный центр должен обладать выражен-

ным сродством к соответствующему субстрату. Первоначально думалось, что мо-

лекулы ферментов имеют много активных центров, однако, позднее стало ясно,

что каждая молекула фермента содержит один или два активных центра. Поверх-

ность любого белка состоит из множества разнородных химических групп, при-

надлежащих боковым цепям аминокислот. Каждая из них может играть ту или

иную роль в работе фермента, влияя на конформацию молекулы и на взаимодей-

ствие с субстратом в силу своих особенных химических свойств или же просто в

силу своего присутстви (стерический эффект). В составе активного центра вы-

деляют различные по своим функциям участки. Одни из них обеспечивают сце-

пление фермента с субстратом, прочный контакт с ним (якорные или контакт-

ные участки) , другие выполняют собственно каталитическую функцию, активи-

руют субстрат (каталитические участки) . Такое условное разделение помогает

более точно представить механизм каталитической реакции . Значение функци-

ональных групп белка дл структуры и каталитического действия ферментов

очень многообразно. Атомы кислорода, серы, азота участвуют в образовании

водородных связей и комплексов с металлами. Кислые и основные группы в

зависимости от состояния и диссоциации функционируют в активных центрах

ферментов в качестве кислотных и основных, нуклео- и электрофильных ката-

лизаторов. Эти группы могут действовать непосредственно на субстрат ли из-

менять своим электростатическим воздействием реакционноспособность со-

седних групп молекул фермента. Аминные, гидроксильные и некоторые другие

группы во многих ферментативных реакциях выполняют функции промежуточ-

ных акцепторови переносчиков протонов, ацильных, фосфорильных гликозиль-

ных, амидиновых, альдегидных, метильных и других остатков. Группы SH, SS

участвуют в обратимых окислительных превращениях и в других реакциях об-

мена. Значение влияни функциональных групп на активность фермента играет

роль при классификации. Активность фермента зависит и от его конфигурации.

Эти представления о влиянии функциональных групп на строение и активность

молекулы фермента опровергают теорию Фишера, который считал, что молекула

субстрата точно подходит к молекуле фермента, как ключ к замку. В простых фер-

ментах активный центр образуется определенной группировкой аминокислот-

ных остатков в спиральной цепи белковой молекулы. В сложных ферментах, сос-

тоящих из белка и небелкового компонента, в состав которого входят, например,

нуклеотиды, атомы металлов и др., активный центр образуется главным образом

небелковым компонентом и некоторыми прилегающими к нему аминокислот-

ными остатками.

 

Механизм действия ферментов

Вопрос о механизме действия ферментов издавна являлся предметом для

оживленных дискуссий ученых. Была выдвинуто огромное количество различ-

ных теорий, основная идея которых все же заключалась в том, что соединение

фермента с молекулой вещества вызывает активацию молекул субстрата вслед-

ствие поляризации связи, смещения электронов, деформации связей, вовлека-

емых в реакции. В ферментативных реакциях активация субстрата происходит

с образованием фермент-субстратного комплекса. Образование и превращения

фермент-субстратных комплексов можно разделить на три этапа:

1. Присоединение молекулы фермента к молекуле субстрата

2. Превращение первичного промежуточного соединения в один или нес-

колько последовательных активированных комплексов

3. Отделение конечных продуктов реакции от фермента

S+E SE ES* E+P

(1) (2) (3)

S - исходный субстрат

E - энзим (фермент)

SE - первичный фермент-субстратный комплекс

ES* - нестабильный переходный активированный комплекс

P - продукт реакции

 

Первая стадия реакции протекает наиболее быстро. Первичный комплекс

образуется за счет слабых типов связей и при достаточно низкой энергии акти-

вации. Однако только пространственного связывани фермента с субстратной

молекулой недостаточно дл прохождения ферментативного катализа. Во вто

рой стадии реакции преобразования связаны с разрывом и замыканием кова-

лентных связей. Предполагается, что в фермент-субстратном комплексе части-

цы субстрата подвергаютс деформации, что приводит к изменению прочности

отдельных химических связей. В результате этого снижаетс уровень энергети-

ческого барьера и возникают быстро протекающие реакции, катализируемые

ферментом. Образование фермент-субстратных комплексов возможно при учас-

тии различных типов связей: ковалентных, координационных, ионных, водород-

ных, а также при участии электростатических сил притяжения между отдельны-

ми полярными группами.

Рис.6

Частицы молекулы субстрата в свободном состоянии могут быть располо-

жены несколько ближе А-В, чем группы фермента, к которым присоединяется

субстрат. В процессе образовани фермент-субстратного комплекса происходит

растяжение и ослабление связи А-В (1), за счет чего распад фермент-субстрат-

ного комплекса на продукты гидролиза (2) и фермент происходит легче обыч-

ного, и свободный фермент может снова взаимодействовать с другой молеку-

лой субстрата(3). Какой вид имеет частица субстрата в фермент-субстратном

комплексе в переходном состоянии, еще мало изучено. Сейчас доказано, что в

фермент-субстратном комплексе наблюдается два одновременно быстро про-

текающих процесса. Первый - изменение электронной плотности комплекса,

вызывающее поляризацию связей, и второй-геометрическая деформация (на-

пряжение) отдельных валентных связей как в молекуле субстрата, так и в ак-

тивном центре белка-фермента. Оба эти фактора - деформация и поляризация

ковалентных связей - повышают термодинамический потенциал этих связей,

то есть способствуют преодолению активационного барьера переходного сос-

тояния фермент-субстратного комплекса.