Специфичность действия ферментов

Ферменты обладают высокой специфичностью действия. Это свойство существенно отличает их от неорганических катализаторов. Высокая специфичность ферментов обусловлена конформационной и электростатической комплементарностью между молекулами субстрата и фермента и уникальной структурной организацией активного центра, что обеспечивает «узнавание», высокое сродство и избирательность протекания одной какой-либо реакции из тысячи других, осуществляющихся одновременно в живых клетках.

В зависимости от механизма действия различают три вида специфичности действия ферментов.

Относительной (или групповой) специфичностью обладают большинство ферментов, участвующих в процессе пищеварения. Так, для действия некоторых гидролитических ферментов наибольшее значение имеет тип химической связи в молекуле субстрата. Например, пепсин в одинаковой степени расщепляет белки животного и растительного происхождения несмотря на то, что эти белки существенно отличаются как по химическому строению и аминокислотному составу, так и по физико-химическим свойствам. Однако пепсин не расщепляет ни углеводы, ни жиры. Объясняется это тем, что точкой приложения действия пепсина является пептидная связь.

Абсолютной специфичностью действия называют способность фермента катализировать превращение только единственного субстрата. Любые изменения (модификации) в структуре субстрата делают его недоступным для действия фермента. Примерами таких ферментов могут служить аргиназа, расщепляющая в естественных условиях (в организме) аргинин, уреаза, катализирующая распад мочевины, и др.

Имеются экспериментальные доказательства существования так называемой стереохимической специфичности, обусловленной существованием оптически изомерных L- и D-форм или геометрических цис -и транс -изомеров химических веществ. Так, известны оксидазы L- и D-аминокислот, хотя в природных белках обнаружены только L-аминокислоты. Каждый из видов оксидаз действует только на свой специфический стереоизомер:

Оксидаза L-аминокислот

Оксидаза D-аминокислот

Если какое-либо соединение существует в форме цис -и транс -изомеров с различным расположением групп атомов вокруг двойной связи, то, как правило, только один из этих геометрических изомеров может служить в качестве субстрата для действия фермента. Например, фумараза катализирует превращение только фумаровой кислоты (транс -изомер), но не действует на малеиновую кислоту (цис -изомер):

Таким образом, благодаря высокой специфичности действия ферменты обеспечивают протекание с большой скоростью лишь определенных химических реакций из огромного разнообразия возможных превращений в микропространстве клеток и всём организме, регулируя интенсивность обмена веществ.

В 1890 г. Фишер (Fischer) высказал предположение о том, что высокая специфичность действия ферментов обусловливается особой формой молекулы фермента, точно соответствующей форме молекулы субстрата (или субстратов). Эту гипотезу часто называют гипотезой «ключа и замка»: в ней субстрат сравнивается с «ключом», который точно подходит по форме к «замку», т. е. к ферменту (рис. 14.13).

Рис. 14.13. Образование нестойкого фермент-субстратного комплекса согласно теории Э. Фишера «ключ-замок»

Фермент-субстратный комплекс – это активированное состояние, ведущее к образованию продуктов реакции. Образовавшиеся продукты по форме уже не соответствуют активному центру. Они отделяются от него (поступают в окружающую среду), после чего освободившийся активный центр может принимать новые молекулы субстрата.

В 1959 г. новую интерпретацию гипотезы «ключа и замка» предложил Д. Кошланд. На основании данных, позволявших считать ферменты и их активные центры физически более гибкими, чем это казалось вначале, он предложил идею о динамическом взаимодействии между ферментом и субстратом. Согласно этому представлению субстрат, соединяясь с ферментом, вызывает изменения в структуре последнего. Аминокислотные остатки, составляющие активный центр фермента, принимают определенную форму, которая дает возможность ферменту наиболее эффективным образом выполнять свою функцию (рис. 14.14.)

Рис. 14.14 Изменения структуры активного центра фермента, вызванные субстратом, согласно модели Д. Кошланда: 1 – активный комплекс; 2 – неактивный комплекс; А, В, С – функциональные группы активного центра

Эту гипотезу называют гипотезой индуцированного соответствия. Подходящей аналогией в этом случае может служить перчатка, которая при надевании на руку соответствующим образом изменяет свою форму. С выяснением отдельных деталей механизма различных реакций в эту гипотезу вносятся уточнения. Выяснилось, например, что молекулы субстрата в некоторых случаях несколько изменяют свою форму еще до того, как вступить в соединение с ферментом.