Специфичность ферментов

Некоторые ферменты обладают почти абсолютной специфичностью по отношению к определенным субстратам и не взаимодействуют даже с очень близкими по строению молекулами. Например, фермент аспартаза катализирует присоединение аммиака по двойной связи фумаровой кислоты с образованием L-аспартата (в растениях и бактериях).

В то же время известны ферменты, которые проявляют относительно широкую специфичность и взаимодействуют со многими веществами, имеющими общие структурные особенности. Например, химотрипсин катализирует гидролиз многих пептидов и полипептидов, но разрывает только те пептидные связи, в которых карбонильная группа принадлежит остатками фенилаланина, тирозина или триптофана.

Изучение субстратной специфичности ферментов привело к возникновению идеи о комплементарности молекулы субстрата и специфического участка на поверхности молекулы фермента, которые подходят друг другу, как ключ к замку (теория Э. Фишера). К этому участку молекулы фермента, называемому активным, или каталитическим центром, присоединяется молекула субстрата, претерпевающая превращения в ходе каталитического акта. Т.е. согласно этой теории структура молекулы субстрата или части молекулы находится в точном геометрическом соответствии со структурой каталитического центра:

1. субстрат должен содержать специфическую химическую связь, которую фермент мог бы «атаковать».

2. субстрат должен содержать еще 1 или несколько функциональных групп, связывающихся с ферментом и ориентирующих субстрат относительно каталитического центра.

Однако исследования показали, что этот механизм сложнее. Активный центр фермента формируется только тогда, когда субстрат приходит во взаимодействие с ферментом (теория индуцированного взаимодействия).

Ингибирование ферментов.

Действие большинства ферментов можно подавить, или ингибировать, определенными химическими реагентами. Существуют ингибиторы 2 основных типов: необратимые и обратимые.

Необратимые ингибиторы связывают или разрушают функциональную группу молекулы фермента, необходимую для проявления его каталитической активности. Это постоянное, необратимое изменение. Например, необратимый ингибитор диизопропилфторфосфат (ДФФ) ингибирует ряд ферментов, у которых в активном центре есть остаток серина. Ингибитор ковалентно присоединяется к гидроксильной группе -ОН этого остатка серина. Образуется каталитически неактивное производное. Фермент перестает функционировать.

 

 

Ингибирование ферментов

 

необратимое обратимое

 

конкурентное неконкурентное

Обратимое ингибирование. Структура каталитического центра фермента комплементарна по отношению к структуре субстрата. Конкурентные ингибиторы структурно сходны с субстратом и конкурируют с ним «в борьбе» за активный центр фермента. Конкурентные ингибиторы обратимо связываются с ферментом. Конкурентное ингибирование может быть ослаблено или устранено путем увеличения концентрации субстрата.

Пример: ингибирование сукцинатдегидрогеназы анионом малоновой кислоты. Сукцинатдегидрогеназа – фермент цикла трикарбоновых кислот – это конечный метаболический путь окислительного разрушения углеводов и жиров в митохондриях. Фермент катализирует отщепление 2 атомов Н от сукцината. Сукцинатдегидрогеназа ингибируется малонатом, который напоминает сукцинат тем, что он также содержит 2 карбоксильные группы. Малонат связывается с активным центром фермента, не давая ему возможности взаимодействовать с нормальным субстратом. Сам малонат не изменяется под воздействием фермента.

Неконкурентное обратимое ингибирование не может быть ослаблено или устранено путем увеличения концентрации субстрата. Ингибитор связывается с ферментом на участке, отличающемся от центра связывания субстрата. Это обратимое взаимодействие ингибитора с какой-либо группой молекулы фермента, существенной для ферментативной активности, но не входящей в активный центр, например, с –SH-группой. Ионы тяжелых металлов (Cu²+, Hg²+, Ag²+) реагируют с –SH-группой. Образуются меркаптиды (-S-Hg-S-). Ферменты, активные лишь в присутствии ионов Fe²+ или Fe³+, ингибируются цианидом вследствие образования комплексов типа ферро- или феррицианида.

Ингибирование избытком субстратанаблюдается в ряде случаев в результате блокирования активного центра по схеме: