Механізм дії ферментів

Механізм дії ферментів


Ферменти (ензими) - це високомолекулярні органічні сполуки білкової природи, які виконують в організмі роль біологічних каталізаторів.


Механізм дії ферментів

З'ясування механізмів, що лежать в основі каталітичної дії ензимів, є одним з фундаментальних завдань і актуальних проблем не тільки ензімології, а й сучасної молекулярної біохімії та біології.

Задовго до того як стали доступні чисті ферменти і була з'ясована їх природа, склалося переконання, що вирішальне значення для здійснення ферментативного процесу має з'єднання ферменту з субстратом. Спроби виявити комплексне з'єднання ферменту з субстратом довгий час не приводили до успіху, оскільки такий комплекс лабілен, він дуже швидко розпадається. Використання методу спектроскопії дало можливість виявити фермент-субстратні комплекси для каталази, пероксидази, алкогольдегідрогенази, флавінзалежних ферментів.

Метод рентгеноструктурного аналізу дозволив отримати багато важливих відомостей про структуру і каталітичні механізми дії ферментів. Цей метод був використаний для встановлення зв'язку аналогів субстрату з ферментами лізоцимом і хімотрипсином.

Деякі прямі докази існування ензим-субстратних комплексів вдалося отримати для випадків, коли на одній зі стадій каталітичного циклу фермент виявляється пов'язаним з субстратом ковалентним зв'язком. Як приклад може служити реакція гідролізу n-нітрофенілацетату, яка каталізується хімотрипсином. При змішуванні ферменту з цим ефіром хімотрипсин ацетилюється по гідроксильній групі реакційно-здатного залишку серіна. Ця стадія протікає швидко, однак гідроліз ацетилхімотрипсину з утворенням ацетату і вільною хімотрипсина йде значно повільніше. Тому в присутності n-нітрофенілацетату накопичується ацетилхімотрипсин, який легко виявити.

Наявність субстрату в складі ферменту можна «вловити» шляхом переведення нестійкого комплексу ЄС в неактивну форму, наприклад, обробкою фермент-субстратного комплексу боргідридом натрію, що володіє сильною відновлювальною дією. Подібний комплекс у вигляді стійкого ковалентного похідного був виявлений у ферменті альдолазі. Виявилося, що з молекулою субстрату взаємодіє е-аміногрупа лізину.

Субстрат взаємодіє з ферментом у певній частині, яка називається активним центром, або активною зоною ферменту.

Під активним центром, або активною зоною, розуміють ту частину молекули ферментного білка, яка з'єднується з субстратом (і кофакторами) і обумовлює ферментативні властивості молекули. Активний центр визначає специфічність і каталітичну активність ферменту і повинен являти собою структуру певного ступеня складності, пристосовану для тісного зближення і взаємодії з молекулою субстрату або її частинами, які безпосередньо беруть участь у реакції.

Серед функціональних груп розрізняють ті, що входять до складу «каталітично активної» ділянки ферменту і утворюють ділянку, що забезпечує специфічне споріднення (зв'язування субстрату з ферментом) - так звану контактну, або «якірну» (або адсорбційну ділянку активного центру ферменту).

Механізм дії ензимів пояснює теорія Міхаеліса-Ментен. Згідно з цією теорією, процес відбувається в чотири етапи.

Механізм дії ферментів: I етап

Між субстратом (С) і ензимом (Е) виникає зв'язок - утворюється фермент-субстратний комплекс ЄС, в якому компоненти пов'язані між собою ковалентними, іонними, водними та іншими зв'язками.

Механізм дії ферментів: IІ етап

Субстрат під впливом приєднаного ферменту активується і стає доступним для відповідних реакцій каталізу ЄС.

Механізм дії ферментів: IІI етап

Здійснюється каталіз ЄС. Ця теорія підтверджена експериментальними дослідженнями.

І нарешті, IV стадія характеризується звільненням молекули ферменту Е і продуктів реакції Р. Послідовність перетворень можна відобразити так: Е + С - ЄС - ЄС * - Е + Р.

Специфічність дії ферментів

 Кожен ензим діє на певний субстрат або групу речовин, які подібні за своєю структурою. Специфічність дії ферментів пояснюється схожістю конфігурації активного центру і субстрату. У процесі взаємодії утворюється фермент-субстратний комплекс.