Просто о ферментах. Почему они так полезны?

Строение фермента

Активный центр – это пространственная часть фермента, в которой происходит взаимодействие с реагентом (здесь и далее мы будем называть его субстратом) и его превращение в продукт. В активном центре выделяют два подцентра: непосредственно каталитический (тот, в котором и происходит превращение) и сорбционный, роль которого состоит в «удержании» субстрата, чтобы тот не «сбежал» в процессе.

Высокая каталитическая активность ферментов сочетается с исключительной специфичностью, то есть каждый фермент связывается со своим определенным субстратом, игнорируя (в идеальном случае) все остальные вещества. Еще в 1890‑х годах Эмиль Фишер предположил, что специфичность строения ферментов заключается в том, что активный центр и субстрат идеально подходят друг другу, как ключ к замку. Дальнейшие исследования позволили американскому биохимику Дэниелу Кошланду спустя почти полстолетия сформулировать гипотезу «Рука-перчатка». Которая гласит, что активный центр может подстраиваться под субстрат, «обнимая» его, как тонкая лайковая перчатка.

Можно подумать, что активный центр представляет собой самую главную часть фермента. Такое мнение разделили бы биохимики середины XX века, которые пытались «отсечь» все остальные части белка, надеясь получить самый компактный и совершенный биокатализатор. Но увы, так лихо оптимизировать природное творение не удалось – активный центр, не поддерживаемый всей остальной глобулой, терял свою способность к катализу[5].

В дальнейшем был обнаружен эффект так называемой аллостерической регуляции, когда на активность фермента оказывали влияние вещества, связывающиеся вне активного центра.

Но высокая специфичность строение и эффективное связывание субстрата в активном центре еще не окончательно объясняет колоссальное ускорение реакций в присутствии ферментов.

Три эффекта, ответственных за ускорение химических реакций

Долгие годы исследований этой загадки привели к элегантному ответу, который, как и все великие теории, базируется на трех китах. Исследования в этой области заложили основу отдельного научного направления – физической химии ферментов, где с помощью строгих математических расчетов фиксировались рекордные эффекты ускорения. Мы же ограничимся базовым обсуждением этих «китов», на которых стоит наука о ферментах – энзимология.

Три эффекта, ответственных за ускорение химических реакций в присутствии ферментов:

• эффект сближения;

• эффект ориентации;

• эффекты среды.

Начнем с эффекта сближения. Представьте, что вам необходимо встретиться со одноклассником в Москве, притом вы оба забыли телефоны дома и не условились ни о месте, ни о времени встречи. Как думаете, долго будете искать друг друга? Фермент выступает в роли назначенного места, где обязательно встретятся два реагента. Как одноклассники часто знают, что друг с другом можно встретиться на излюбленном с юных лет месте, так и реагенты обязательно свяжутся с ферментом (за это отвечает особое строение белка, но об этом позже). Эффект сближения позволяет существенно ускорить реакцию.

Второй эффект – это эффект ориентации. Бывало ли у вас, что вы долго пытаетесь поймать взгляд человека, чтобы с ним переговорить, – вроде и стоите рядом, а провзаимодействовать – никак? В ферментативном катализе «собеседники» всегда «лицом к лицу». Переходя на более научный язык, молекула реагента связывается с ферментом в оптимальной геометрии и ориентации так, что дальнейшим процессам не препятствуют пространственные ограничения.

Третий эффект связан с особыми условиями, которые созданы для реагентов в участке связывания – а именно в активном центре. Вновь обратимся к аналогии с межличностными отношениями. Для наиболее эффективного общения с важным человеком, например, в рамках деловой встречи, вы наверняка предпочтете создать благоприятную обстановку. Вы забронируете переговорный кабинет в офисе, напомните секретарю, что будет нужен кофе, проветрите помещение да и сами настроитесь на рабочий лад. Даже если за окнами будет ежедневная суета, вы будете поддерживать оптимальную обстановку, чтобы ускорить положительный итог встречи. Как вы понимаете, в активном центре фермента реализуется та же стратегия, только не на основе психологии, а на основе физико-химических законов. В активном центре может быть другая полярность среды и другой уровень кислотности. Функциональные группы, которые при обычных условиях малореакционноспособны, начинают демонстрировать чудеса химической «прыти».

Коферменты и кофакторы