Механизмът на действие на ензимите

Ензимите (ензимите) са високомолекулни органични съединения с протеинова природа, които действат като биологични катализатори в организма.

Изясняването на механизмите, лежащи в основата на каталитичното действие на ензимите, е една от основните задачи и неотложни проблеми не само на ензимологията, но и на съвременната молекулярна биохимия и биология.

Много преди чистите ензими да станат достъпни и тяхната природа да бъде изяснена, се смяташе, че свързването на ензима със субстрата е от решаващо значение за ензимния процес. Опитите да се намери сложно съединение на ензима със субстрата за дълго време не доведоха до успех, тъй като такъв комплекс е лабилен, той се разлага много бързо. Използването на метода на спектроскопия направи възможно идентифицирането на ензимно-субстратни комплекси за каталаза, пероксидаза, алкохолдехидрогеназа и флавин-зависими ензими.

Методът на рентгеновия дифракционен анализ позволи да се получи много важна информация за структурата и каталитичните механизми на действие на ензима. Този метод е използван за свързване на субстратни аналози с ензимите лизозим и химотрипсин.

Някои преки доказателства за съществуването на ензимно-субстратни комплекси са получени за случаите, когато в един от етапите на каталитичния цикъл ензимът е свързан със субстрата чрез ковалентна връзка. Пример е хидролизата на р-нитрофенилацетат, катализирана от химотрипсин. Когато ензимът се смеси с този естер, химотрипсинът се ацетилира в хидроксилната група на реактивния серинов остатък. Този етап протича бързо, но хидролизата на ацетилхимотрипсин с образуването на ацетат и свободен химотрипсин е много по-бавна. Ето защов присъствието на р-нитрофенилацетат се натрупва ацетилхимотрипсин, който лесно се открива.

Наличието на субстрат в състава на ензима може да бъде "уловено" чрез превръщане на нестабилния ЕК комплекс в неактивна форма, например чрез третиране на ензимно-субстратния комплекс с натриев борохидрид, който има силен редуциращ ефект. Подобен комплекс под формата на стабилно ковалентно производно е открит в ензима алдолаза. Оказа се, че е-аминогрупата на лизина взаимодейства с молекулата на субстрата.

Субстратът взаимодейства с ензима в определена част, която се нарича активно място или активна зона на ензима.

Под активен център или активна зона се разбира тази част от ензимната протеинова молекула, която се комбинира със субстрата (и кофакторите) и определя ензимните свойства на молекулата. Активният център определя специфичността и каталитичната активност на ензима и трябва да представлява структура с определена степен на сложност, приспособена за близко приближаване и взаимодействие със субстратната молекула или нейните части, пряко участващи в реакцията.

Сред функционалните групи има такива, които са част от "каталитично активното" място на ензима и образуват място, което осигурява специфичен афинитет (субстратно свързване с ензима) - така нареченият контакт или "котва" (или адсорбционно място на активния център на ензима).

Механизмът на действие на ензимите се обяснява с теорията на Михаелис-Ментен. Според тази теория процесът протича на четири етапа.

Механизъм на действие на ензимите: I етап

Между субстрата (С) и ензима (Е) възниква връзка - образува се ензимно-субстратен комплекс ЕС, в който компонентите са свързани помежду си чрез ковалентни, йонни, водни и други връзки.

Механизъмензимно действие: етап II

Субстратът се активира под въздействието на прикрепения ензим и става достъпен за съответните катализни реакции на ЕС.

Механизмът на действие на ензимите: Етап III

Осъществява се катализът на ЕК. Тази теория е потвърдена от експериментални изследвания.

И накрая, етап IV се характеризира с освобождаването на ензимната молекула Е и реакционните продукти Р. Последователността на трансформациите може да бъде показана, както следва: Е + С - ЕС - ЕС * - Е + Р.

Спецификата на действието на ензимите

Всеки ензим действа върху определен субстрат или група вещества, които са сходни по структура. Специфичността на действието на ензимите се обяснява със сходството на конфигурацията на активния център и субстрата. В процеса на взаимодействие се образува ензимно-субстратен комплекс.