Ділянка молекули ферменту, на якому відбувається каталіз, отримав назву активний центр. Якщо фермент за будовою є простим білком, то його активний центр формується тільки залишками амінокислот, які зазвичай знаходяться в різних ділянках однієї й тієї ж поліпептидного ланцюга або ж в різних поліпептидах, але просторово зближені. Іншими словами активний центр утворюється на рівні третинної структури білка-ферменту. У ферментів - складних білків до складу активного центру часто входить їх простетичної група.
Освіта активного центру з функціональних груп, досить далеко віддалених один від одного в поліпептидних ланцюгах, але поєднаних просторово в активному центрі (тобто на рівні третинної структури білка). дозволяє ферменту за рахунок конформаційних змін забезпечувати необхідне відповідність між активним центром і молекулами реагують речовин (їх зазвичай називають субстратами). Завдяки зміні конформації ферменту відбувається як би «пристосування», «підгонка» активного центру до структури молекул, перетворення яких прискорюється даними ферментом.
Зміна конформації молекули ферменту є також одним з механізмів регуляції швидкості ферментативних реакцій (див. Нижче).
В активному центрі зазвичай виділяють дві ділянки - адсорбційний ікаталітіческій.
Адсорбційний ділянку (центр зв'язування) за своєю будовою відповідає структурі реагують сполук, і тому до нього легко приєднуються молекули субстрату.
Каталітіческійучасток активного центру безпосередньо здійснює ферментативну реакцію.
Більшість ферментів містять у своїй молекулі тільки один активний центр. У деяких ферментів може бути кілька активних центрів.
8.2.Механізм дії ферментів
У будь-якому каталізі, здійснюваним ферментами, можна виявити три обов'язкові стадії.
На першій стадії молекули реагуючих речовин (субстрату) приєднуються до адсорбционному ділянці активного центру ферменту за рахунок слабких зв'язків. Утворюється фермент-субстратної комплекс, який може легко розпадатися знову на фермент і субстрат, тобто перша стадія ферментативного каталізу повністю оборотна. На цій стадії за допомогою активного центру виникає сприятлива орієнтація реагують молекул, що сприяє їх подальшій взаємодії.
На другій стадії за участю каталітичного ділянки активного центру і молекул субстрату відбуваються різні реакції, які характеризуються низькою величиною енергії активації і тому протікають з високою швидкістю. В результаті цих реакцій в кінцевому підсумку утворюється або продукт реакції, або ж майже готовий продукт.
На третій стадії відбувається відділення продукту реакції від активного центру з утворенням вільного ферменту, здатного приєднувати до себе нові молекули субстрату. Якщо на другій стадії було отримано майже готовий продукт, то він попередньо перетворюється в продукт, який потім відділяється від ферменту.
Схематично стадії ферментативного каталізу можна представити таким чином:
Фермент Субстрат фермент хімічно Продукт
ний комплекс (S ¢ - продукт
або майже готовий продукт)
У клітинах ферменти, що каталізують багатостадійні хімічні процеси, часто об'єднуються в комплекси, звані Мультиферментний системами. Ці комплекси структурно пов'язані з органоидами клітин або ж вбудовані в біомембрани. Об'єднання окремих ферментів в єдиний комплекс дозволяє одночасно прискорювати всі послідовні стадії перетворення будь-якого субстрату.
У деяких випадках в каталізі поряд з білком-ферментом ще бере участь низкомолекулярное (небілкові) з'єднання, зване коферментом. Більшість коферментів в своєму складі містять вітаміни. Будова і механізм дії коферментів будуть розглянуті при описі хімічних реакцій, в яких вони беруть участь.
Розрізняють два види специфічності ферментів: специфічність дії і Субстратна специфічність.
Специфічність дії -це здатність ферменту каталізувати тільки строго певний тип хімічної реакції. Якщо субстрат може вступати в різні реакції, то для кожної реакції потрібен свій фермент. Наприклад, широко поширений в клітинах глюкозо-6-фосфат (похідне глюкози) піддається різним перетворенням:
Глюкоза + фосфорна кислота
Відщеплення від цього субстрату фосфорної кислоти відбувається під дією ферменту фосфатази. При цьому фосфатаза каталізує тільки реакцію відщеплення фосфорної кислоти, ніякі інші перетворення глюкозо-6-фосфату цей фермент не прискорює. Інше можливе перетворення глюкозо-6-фосфату здійснюється за участю ферменту мутази. В цьому випадку глюкозо-6-фосфат переходить в глюкозо-1-фосфат. Ще один фермент - ізомерази викликає перетворення глюкозо-6-фосфату у фруктозо-6-фосфат.
Таким чином, кожен фермент каталізує тільки одну з усіх можливих реакцій, в які може ступати субстрат. Специфічність дії визначається в основному особливостями будови каталітичного ділянки активного центру ферменту.
Субстратна специфічність - здатність ферменту діяти тільки на певні субстрати.
Розрізняють два різновиди субстратної специфічності: абсолютну і відносну.
Фермент, що володіє абсолютною субстратной специфічністю, каталізує перетворення тільки одного субстрату. На інші речовини, навіть дуже близькі за будовою до цього субстрату, фермент не діє. Прикладом ферменту з абсолютною субстратной специфічністю є аргіназа- фермент, відщеплюється від амінокислоти аргініну сечовину. Аргінін - єдиний субстрат аргінази.
Відносна (групова) Субстратна специфічність - це здатність ферменту каталізувати перетворення декількох схожих за будовою речовин. Зазвичай ці речовини володіють одним і тим же типом хімічного зв'язку і однаковою структурою однієї з хімічних угруповань, з'єднаних цим зв'язком. Наприклад, фермент пепсин розщеплює пептидні зв'язки в білках будь-якої будівлі.
Субстратна специфічність обумовлена, головним чином, структурою адсорбционного ділянки активного центру ферменту.
Ферменти (ізоензими) - різні молекулярні форми ферменту, що каталізують одну і ту ж хімічну реакцію. Зазвичай між изоферментами одного і того ж ферменту є відмінності в первинній структурі, тобто у ізоферментів може бути різний набір і послідовність амінокислот у поліпептидному ланцюзі. Але ці відмінності, як правило, не зачіпають структуру каталітичного ділянки активного центру, і тому ізоферменти одного і того ж ферменту прискорюють одну і ту ж хімічну реакцію. Відмінності в амінокислотним складом молекул изоферментов поза каталітичного ділянки призводять до змін їх фізико-хімічних властивостей і субстратної специфічності.
Кінетика ферментативного каталізу
Швидкість ферментативних реакцій істотно залежить від багатьох факторів. До них відносяться концентрації учасників ферментативного каталізу (ферменту і субстрату) і умови середовища, в якій протікає ферментативна реакція (температура. РН, присутність інгібіторів і активаторів).