Общие представления о ферментативной реакции

Без преувеличения можно сказать, что все биохимические реакции в живых системах носят ферментативный характер. А это значит, что клетка обходится без высоких температур и давлений именно благодаря деятельности ферментов-катализаторов, способных ускорять реакции в миллионы раз в самых обычных условиях.

Все ферменты имеют белковую макромолекулярную природу и упрощенно могут быть представлены в виде сферических или палочковидных образований, на поверхности которых располагаются активные и регуляторные центры. Как сам фермент, так и его центры состоят из упорядоченно расположенных, создающих определенный пространственный узор полимерных нитей, построенных из аминокислот. Эти аминокислоты последовательно сшиты между собой ковалентными (пептидными) связями. Для каждого фермента характерен свой строго обязательный геометрический узор активного и регуляторного центров, что определяет его высокую специфичность к превращаемым веществам-субстратам. Реакция начинается после того, как образуется фермент-субстратный комплекс, т. е. как только ключ субстрата войдет в замочную скважину активного (сорбционного) центра фермента, для чего необходимо строгое геометрическое соответствие их форм (пространственных и зарядовых геометрий). Специфичность такого взаимодействия столь велика, что стереоизомеры одного и того же вещества, например d- и l-аминокислоты с одинаковыми структурными формулами, подвластны действию своих специальных ферментов: оксидаза d-аминокислот не окисляет l-изомер и наоборот. Высокая специфичность ферментов – одно из главных условий для наведения должного порядка в химических превращениях.

Как же ферменту все-таки удается резко ускорить течение реакции? Для процесса взаимодействия двух веществ А и В с образованием продукта С необходимо, чтобы к моменту столкновения А и В они обладали таким запасом энергии, которого было бы достаточно для критической деформации электронных облаков молекулы, т. е. для разрыва и новообразования прочных химических связей, превращающих субстраты А и В в новый продукт С. Этот энергетический барьер, так называемая энергия активации, – главный ограничитель скорости химического процесса. Действие же фермента сводится к снижению высоты барьера. С этой целью фермент вступает в прямой контакт (комплекс) с молекулами субстрата, снижая энергетический барьер несколькими способами. Во-первых, на упругом полимерном каркасе фермента может растянуться и ослабиться «неугодная» химическая связь между атомами субстрата. Во-вторых, субстрат на ферменте может приобрести способность принимать множество конфигураций, из которых хотя бы одна облегчит переход к новому веществу. В-третьих, не исключена возможность сближения и принятия нужной ориентации реагирующих молекул субстрата. Все эти события разыгрываются на активных центрах, хотя и остальная часть белковой глобулы служит резервуаром энергии для борьбы с энергетическим барьером (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Схематическое представление действия фермента: 1 – субстрат и фермент; 2 – субстрат связан с ферментом вблизи группы С, образующей комплекс, причем связывание вызывает соответствующее смещение каталитических групп А и В; 3 – реакция приводит к образованию продукта и исходного фермента; 4 – очень большие или очень маленькие молекулы могут образовывать связь с ферментом, однако реакция не протекает из-за не подходящего для него смещения каталитических групп

Ферменты способны неутомимо и без износа повторять реакцию миллиарды раз, перерабатывая все новые и новые молекулы субстрата.

Есть еще и регуляторные центры. В них не происходят каталитические превращения. В зависимости от избытка или недостатка продуктов ферментативной реакции эти центры замедляют или ускоряют ход процесса. В самом простом случае при избытке продукт присоединяется к центрам и предотвращает наработку новых. Когда продукта мало, регуляторные центры освобождаются и перестают тормозить работу активных центров.

Для обозначения фермента к названию катализируемой реакции прибавляется суффикс «-аза». Например, дегидрогеназа – это фермент, катализирующий удаление из молекулы атомов водорода; метилтрансфераза – трансформирует метильную группу и т. д.

Особую группу ксенобиотиков представляют самораспадающиеся соединения (основное место здесь занимают лекарственные препараты), спонтанно разрушающиеся в организме с образованием продуктов, не обладающих биологической активностью в данных концентрациях. Распад таких соединений не зависит от наличия ферментов, что важно в случаях, когда наблюдаются нарушения функций отдельных органов (печени или почек), т. е. в случаях, когда в организме отмечается нехватка ферментов метаболизма.