принимающие непосредственное участие в преобразовании субстрата:- ОН, - SH, =N, -NH3+,-СООН .
Кроме активного центра, некоторые ферменты имеют дополнительный, регуляторный, аллостерический (allos– другой, steros – пространственный) центр, с которым взаимодействуют аллостерические регуляторы (эффекторы, модуляторы). Аллостерические эффекторы могут быть позитивными (активаторами), которые повышают каталитическую активность фермента, или негативными (ингибиторами), которые ее снижают.
Активный и аллостерический центры локализуются на разных субъединицах фермента. При взаимодействии аллостерического центра с эффекторами происходят конформационные изменения активного центра фермента, что приводит к увеличению или снижению его активности. Ферменты, имеющие аллостерический центр, называются регуляторными.
Активаторы и ингибиторы ферментов
Активаторы – вещества, которые повышают скорость ферментативных реакций, увеличивают активность ферментов. Они бывают органической и неорганической природы.
Активаторы органической природы : желчные кислоты (активируют поджелудочную липазу), энтерокиназа (активирует трипсиноген), глутатион, цистеин, витамин С повышают активность оскидоредуктаз.
Активаторы неорганической природы : например, НС1 активирует пепсиноген, ионы металлов ( Na, Cl, К, Mg, Mn, Zn ) активируют очень многие ферменты. Ионы металлов: а) способствуют образованию фермент-субстратного комплекса; б) служат донорами и акцепторами электронов; в) принимают участие в образовании активного центра ферментов ( Zn – в составе карбоангидразы, Fe – в составе цитохромов, каталазы, пероксидазы); г) выступают в роли аллостерических регуляторов.
Ингибиторы – вещества, которые уменьшают активность ферментов и замедляют химические реакции. Различают обратимое и необратимое ингибирование:
если ингибитор (И) связывается с молекулой фермента (Ф) слабыми связями (Ф+И↔ФИ), то такой ингибитор легко удаляется и активность фермента восстанавливается;
если ингибитор связывается с молекулой фермента прочными ковалентными связями (Ф+И→ФИ), то наступает необратимое подавление активности фермента.
Изоферменты. Часть ферментов состоят не из одной белковой цепочки, а из нескольких субъединиц. Изоферменты – это семейство ферментов, которые катализируют одну и ту же реакцию, но отличаются по строению и физико-химическим свойствам. Например: лактатдегидрогеназа (ЛДГ) состоит из 4 субъединиц 2х-типов: субъединица Н, выделен-
ная из сердечной мышцы (heart – сердце), субъединица М, выделенная из скелетных мышц (musculus – мышца). Эти субъединицы кодируются разными генами. В разных органах имеются различные формы ЛДГ с различным набором субъединиц.
9.3. Механизм действия ферментов
Считается, что взаимодействие фермента и субстрата происходит по закону комплементарности. То есть конформация активного центра фермента должна соответствовать конфигурации субстрата, они подходят друг к другу как «ключ к замку» (рис. 9.2).
Позже была предложена теория «индуцированного» соответствия – замок формируется только в момент приближения субстрата к активному центру фермента.
Следует отметить, что размер молекулы фермента намного больше молекул субстрата. Возникает вопрос, какое это имеет значение для катализа и, зачем нужна та часть молекулы фермента, которая не входит в каталитический центр. Например, молекула химотрипсина состоит из 245 аминокислотных остатков, в то время как каталитический центр включает всего две аминокислоты – серин и гистидин (рис. 9.3).
Изучение механизма действия химотрипсина показало, что большой размер ее молекулы позволяет вызвать напряжение в структуре субстрата в результате конформационного изменения структуры самого фермента. Вследствие такой «подгонки» обеспечивается точное взаиморасположение каталитического центра фермента и катализируемых групп субстрата, т.е. индуцированное соответствие фермента субстрату. Другой смысл индуцированных конформационных изменений фермента состоит в том, чтобы обеспечить освобождение продуктов реакции из активного центра, после чего конформация молекулы возвращается в исходное состояние.
Понятие об энергии активации и энергетическом барьере
С точки зрения термодинамики ферменты ускоряют ход химической реакции за счет снижения энергии активации. Энергия активации – это количество энергии, которое необходимо для перевода всех молекул 1 моля вещества (субстрата) в активное состояние. Энергетический барьер – это такое количество энергии, которое необходимо преодолеть молекулам, чтобы вступить в химическое взаимодействие. Молекулы в субстрате имеют различные энергии и только немногие способны преодолеть энергетический барьер. В этих условиях реакция может не пройти или пройти очень медленно. В состоянии газов или растворов энергия молекул может быть повышена за счет энергии в виде тепла; больше молекул будут преодолевать энергетический барьер и реакция ускорится. В теле этого не может быть, учитывая строгий контроль постоянства температуры. В такой ситуации то же самое может быть достигнуто путем снижения энергетического барьера, вместо повышения энергии молекул. Это является функцией ферментативного катализа. На рисунке 9.4. верхняя линия показывает действие на скорость некатализированной реакции за счет повышения внешней энергии.
