Рис. Енергетичні діаграми хімічної реакції (S —>- Р) без каталізатора (1) та в присутності каталізатора — ферменту (2). ДЕ та ДЕк — енергія активації реакції без та в присутності каталізатора, відповідно.

Порівняно з хімічними каталізаторами, ферменти значно зменшують АЕ реакцій, які вони каталізують. Так, наприклад, у реакції розщеплення перекису водню енергія активації може зменшуватися під дією неорганічних

каталізаторів (йодиду, платини) або, більш сильно, під впливом специфічного ферменту каталази, що призводить до відповідних величин збільшення швидкості реакції.

Таблиця. Неферментативний та ферментативний каталіз розщеплення перекису водню (t = 25 °С; константу швидкості некаталізуючоїреакції прийнято за одниницю) (за S.Rapoport, 1964)

Умови реакції | Енергія активації (ккал/моль) | Кількість активованих молекул | Збільшення константи швидкості реакції

Без каталізатора + Йодид

+ Платина

+ Каталаза | 18

14

12

2 | 1,3 · 10–13

1 ·10–10

3 · 10–9

4 · 10-2 | 1

8 · 102

2 · 104

3 · 1011

Активні центри ферментів

Зниження енергії активації біохімічної реакції і, як результат високої каталітич-ної ефективності ферментів досягають за рахунок взаємодії субстратів із певними ділянками ферментної молекули (активними, або каталітичними центрами), що супроводжується зближенням та орієнтацією відповідних хімічних груп субст-ратів і створює стеричні умови, необхідні для реалізації специфічних актів каталізу.

Активний центр — ділянка молекули ферментного білка, що взаємо-діє із субстратом під час ферментативної реакції і необхідна для перетво-рення субстрату в каталітичному процесі.

Він формується з певних ді-лянок поліпептидного ланцюга, що просторово зближені за раху-нок унікальної тривимірної кон-формації ферментного білка.

До складу активних центрів різних ферментів входять ради-кали певних амінокислотних залишків, головним чином ОН-групи серину, треоніну та тиро-зину, імідазольне кільце гісти-дину, SH-rpyna цистеїну, СООН-групи дикарбонових аміно-кислот, NH3+-rpynn аргініну та лізину. В утворенні активних.центрів беруть участь також кофактори даного фер-менту: простетичні групи, іони металів.

Рис. Тривимірна будова ферменту хімотрипсину. Ак-тивний центр ферменту сформований амінокис-лотними залишками Ser-195, His-57 та Asp-102.

Рис. Розташування атома Zn в активному центрі ферменту карбоангідрази.

Активний центр локалізується, як правило, в заглибленні, просторовій ніші, що утворюється в макромолекулі білка-ферменту. Структура активного центру є комплементарною до просторової будови субстрату, що стало основою уявлення Е.Фішера про відповідність ферменту і субстрату як "ключа і замка". Пізніші теорії ферментативного каталізу (Д.Кошленд) враховують можливі взаємні зміни просторових конформацій ферменту і субстрату під час їх взаємодії ("теорія інду-кованої відповідності ферменту і субстрату").

У структурі активного центру розрізняють:

- ділянку, що зв'язує субстрат, або контактну ("якірну") ділянку; вона містить радикали полярних (зв'язують молекули субстрату за рахунок водневих зв'язків або дипольних взаємодій) або неполярних амінокислотних залишків (створюють в активному центрі гідрофобні зони, що взаємодіють із відповідними радикалами в субстраті);

- каталітично активну ділянку, до складу якої входять хімічні групи, що беруть безпосередню участь у перетворенні субстрату (групи -ОН, -SH, >N, -NH3+, -COO ).

Механізми перетворення субстрату за каталітичної дії ферменту

У механізмі ферментативного перетворення субстрату беруть участь такі молекулярні ефекти:

1. Ефекти зближення та орієнтації. Адсорбція та фізико-хімічна взаємодія субстратів з активними центрами ферментів супроводжуються локальнимзростанням концентрації реагуючих молекул, їх зближенням та найбільш ефек-тивною орієнтацією одна до одної та до каталітично активних груп активного центру.

2. Ефекти кислотно-основного каталізу. Певні функціональні групи радика-лів амінокислот, що входять до структури активних центрів, мають властивості кислот або основ Бренстеда, тобто донорів чи акцепторів протонів (амінні, карбок-сильні, сульфгідрильні, імідазольні групи).

Прикладом кислотно-основного каталізатора є імідазольна група гістидину, яка у взаємодії з гідроксильною групою серину створює кислотно-основну пару Бренс-теда. Функціональні групи >N та -ОН, що відіграють каталітичну роль, розміще-ні, як правило, в різних ді-лянках пептидного ланцюга та зближуються за рахунок унікальної третинної струк-тури ферментного білка.

3. Ефекти нуклеофільного та електрофільного каталізу. Функціональні групи амінокислотних залишків, що входять до складу активних центрів, можуть виступати в каталітичному акті перетворення субстратів як донори електронів (нуклеофіли) або акцептори електронів (електрофіли), тобто як основи або кислоти Льюіса, відповідно.

Нуклеофільні групи в складі активних центрів ферментів:

Електрофільні групи в складі активних центрів ферментів:

- NH3+ — групи аргініну та лізину;

- іони металів-кофакторів (Mg2+, Fe3+, Mn2+, Cu2+).

Механізми каталітичної дії хімотрипсину

Механізми ферментативної дії найбільш вивчені для гідролаз, які є каталіза-торами з активними центрами кислотно-основного типу. Представниками таких фер-ментів є біокаталізатори, до складу активних центрів яких входять гістидин-серинові каталітичні комплекси; це такі поширені ферменти, як хімотрипсин (КФ 3.4.4.5), трипсин (КФ 3.4.4.4), тромбін (КФ 3.4.4.13), еластаза (КФ 3.4.21.11), ацетилхолін-естераза (КФ 3.1.1.7).

Хімотрипсин (а-хімотрипсин) — протеолітичний фермент (протеаза), що розщеплює пептидні зв'язки за участю води в молекулах певних білків та пептидів.Як уже зазначалося (рис. 7.2), каталітичний центр хімотрипсину утворюється з гідроксильної групи серину та імідазольної групи гістидину, що розташовані в 195-му (Ser-195) та 57-му (His-57) положеннях пептидного ланцюга молекули ферменту.

Перший етап каталітичного акту.

Імідазол діє як основа Бренстеда, віттягуючи на себе протон від ОН-групи серину, що спричиняє появу надлишкової електронної щільності на атомі кисню серину та полегшує нуклеофільну атаку групи -CO- субстрату гідроксилом се-рину. Як результат цього процесу, відбувається ацилування ферменту за рахунок перенесення ацильного радикала від субстрату на сериновий залишок (Ser-195) ферменту.

Другий етап каталітичного акту.

Атом гістидину (His-57) здійснює нуклеофільну атаку на кисень ацильного похідного серину, що сприяє відщепленню та перенесенню ацилу на зовнішній акцептор — молекулу води (рис. 7.4 в,г).

В Г

Рис. Участь функціональних груп активного центру хімотрипсину (His-57 та Ser-195)