Механизмы катализа

Доноры	Акцепторы
-СООН -NH3+-SH	-СОО- -NH2-S-

1.Кислотно-основной катализ– в активном центре фермента находятся группы специфичных аминокислотных остатков, которые являются хорошими донорами или акцепторами протонов. Такие группы представляют собой мощные катализаторы многих органических реакций.

2. Ковалентный катализ– ферменты реагируют со своими субстратами, образуя при помощи ковалентных связей очень нестабильные фермент-субстратные комплексы, из которых в ходе внутримолекулярных перестроек образуются продукты реакции.

Типы ферментативных реакций

1. Тип "пинг-понг"– фермент сначала взаимодействует с субстратом А, отбирая у него какие либо химические группы и превращая в соответствующий продукт. Затем к ферменту присоединяется субстрат В, получающий эти химические группы. Примером являются реакции переноса аминогрупп от аминокислот на кетокислоты -трансаминирование.

Ферментативная реакция по типу "пинг-понг"

2. Тип последовательных реакций– к ферменту последовательно присоединяются субстраты А и В, образуя "тройной комплекс", после чего осуществляется катализ. Продукты реакции также последовательно отщепляются от фермента.

Ферментативная реакция по типу "последовательных реакций"

3. Тип случайных взаимодействий– субстраты А и В присоединяются к ферменту в любом порядке, неупорядоченно, и после катализа так же отщепляются.

Ферментативная реакция по типу "случайных взаимодействий"

3. Химическая природа ферментов.

Давно выяснено, что все ферменты являются белками и обладают всеми свойствами белков. Поэтому подобно белкам ферменты делятся на простые и сложные.

Простые ферментысостоят только из аминокислот – например, практически все гидролитические ферменты – протеазы, липазы, рибонуклеазы.

Сложные ферменты(холоферменты (греч. holos весь, полностью + фермент) имеют в своем составе белковую часть, состоящую из аминокислот –апофермент, и небелковую часть –кофактор (ионы металла)иликофермент (органическое соединение). Примером могут бытьсукцинатдегидрогеназа(содержитФАД) (в цикле трикарбоновых кислот),аминотрансферазы(содержатпиридоксальфосфат),пероксидаза (содержитгем). Для осуществления катализа необходим полноценный комплекс апобелка и кофактора, по отдельности катализ они осуществить не могут.

Кофакторы и коферменты

Большинство ферментов для проявления ферментативной активности нуждается в низкомолекулярных органических соединениях небелковой природы (коферментах) и/или в ионах металлов (кофакторах) (~ 25% ферментов).

Кофакторы

Наиболее значимыми кофакторами являютсяMg⁺²,Mn⁺²,Zn⁺²,Cu⁺²,Fe⁺²,Co⁺²,Mo⁺². Ферменты, содержащие эти металлы называютсяметаллоэнзимы. Ионы металлов выполняют следующие функции в ферментативном катализе:

• стабилизируют молекулы субстрата, активный центр и конформацию белковой молекулы (вторичную, третичную и четвертичную структуры). Например, четыре атома Zn⁺² стабилизируют тетрамерную четвертичную структуруалкогольдегидрогеназы, К⁺стабилизирует третичную структуру ферментапируваткиназы.

• Для некоторых ферментов субстратом служит комплекс превращаемого вещества с ионом металла (Mg⁺²-АТФдля киназ (гексокиназа, пируваткиназа, фосфофруктокиназа). Кроме того таким образом они обеспечивают правильную ориентацию субстрата в активном центре.

• Выполняют функцию стабилизатора активного центра фермента, облегчают присоединение к нему субстрата или кофермента.

• Непосредственно принимают участие в катализе (Zn⁺²,Mn⁺²,Fe⁺²,Cu⁺²). Например, цинксодержащий ферменткарбоангидраза, катализирующая образование угольной кислоты.

Комплекс Mg²⁺ и АТФ

Большинству ферментов для выполнения каталитической функции необходимы коферменты. Исключение составляютгидролитические ферменты(протеазы, рибонуклеазы, липазы) не имеющие в составе активного центра коферментов.

Коферменты встраиваются в активный центр фермента и непосредственно участвуют в каталитическом процессе. Если связь ковалентная - такой кофермент называется простетической группой (липоат, биотин, ФАД, ФМН). Коферменты чаще всего представляют собой витамины или их производные.

Апоферментопределяет специфичность превращений субстрата. Один и тот же кофермент встроенный в различные апоферменты может участвовать в различных преобразованиях субстрата. Например,пиридоксальфосфат(коферментная форма витамина В₆) участвует в реакциях трансаминирования или декарбоксилирования – всё зависит от апофермента с которым он связан. Коферментами выступают:

• витамины или их производные: В₁, В₂, В₃, В₅, В₆, В₇, В₉, В₁₂, С и др.

• гемы (простетическая группа). Входят в состав цитохромов, NO-синтаз,каталазы,пероксидазы, гуанилатциклазы, цитохромы.

• нуклеотиды.

• S-аденозилметионин.

• убихинон.

• глутатион.

Как многие белки, ферменты могут быть мономерами, т.е. состоят из одной субъединицы, иполимерами, состоящими из нескольких субъединиц.

Некоторым ферментам например мультиферментному комплексу пируват дегидрогеназы, связывающему гликолиз и цикл трикарбоновых кислот, требуется пять органических коферментов и один ион металла:тиамин пирофосфат(ТДФ), ковалентно связанныйлипоамид и флавин аденин динуклеотид (ФАД), косубстраты –никотинамид аденин динуклеотид (НАД) коэнзим А (КоА) и ион магния (Mg²⁺).