Механизмы ферментативного катализа. Модели Фишера, Кошланда

Последовательность взаимодействия фермента и субстрата можно изобразитьсхематично:

Субстрат + Фермент → Фермент-субстратный комплекс → Фермент + Продукт.

Образование фермент-субстратного комплекса – необходимое условие ферментативной реакции. Конечным этапом ферментативной реакции являетсяосвобождение фермента от продукта. Свободный фермент может вновь вступить во взаимодействие с очередной молекулой субстрата. Превращение субстрата в продукт происходит в активном центре фермента. Молекула фермента может иметь специальные центры для увеличения активности катализа или ее снижения. Для изменения активности фермент должен связаться соответствующими центрами с молекулами ингибиторами или активаторами. Последние часто называют эффекторами. Каталитической активностью обладает только определенный участок молекулы фермента, называемый активным центром. Активный центр содержит относительно небольшое число аминокислотных остатков и формируется в результате изгиба полипептидной цепи. Изменение условий приводит к изменению пространственной структуры белковой молекулы, при этом нарушается пространственная конфигурация активного центра и фермент теряет свою активность.

По образному выражению, нередко употребляемому в биохимической литературе, фермент подходит к субстрату, как ключ к замку. Это знаменитое правило было сформулировано Э. Фишером в 1894 г. исходя из того, что специфичность действия фермента предопределяется строгим соответствием геометрической структуры субстрата и активного центра фермента. В 50-е годы нашего столетия это статическое представление было заменено гипотезой Д. Кошланда об индуцированном соответствии субстрата и фермента. Сущность ее сводится к тому, что пространственное соответствие структуры субстрата и активного центра фермента создается в момент их взаимодействия друг с другом, что может быть выряжено формулой "перчатка - рука". При этом в субстрате уже деформируются некоторые валентные связи и он, таким образом, подготавливается к дальнейшему каталитическому видоизменению, а в молекуле фермента происходят конформационные перестройки. Гипотеза Кошланда, основанная на допущении гибкости активного центра фермента, удовлетворительно объясняла активирование и ингибирование действия ферментов и регуляцию их активности при воздействии различных факторов. В частности, конформационные перестройки в ферменте в процессе изменения его активности Кошланд сравнивал с колебаниями паутины, когда в нее попала добыча (субстрат), подчеркивая этим крайнюю лабильность структуры фермента в процессе каталитического акта. В настоящее время гипотеза Кошланда постепенно вытесняется гипотезой топохимического соответствия. Сохраняя основные положения гипотезы взаимоиндуцированной настройки субстрата и фермента, она фиксирует внимание на том, что специфичность действия ферментов объясняется в первую очередь узнаванием той части субстрата, которая не изменяется при катализе. Между этой частью субстрата и субстратным центром фермента возникают многочисленные точечные гидрофобные взаимодействия и водородные связи.