Любая каталитическая реакция предполагает изменение скоростей как прямой, так и обратной реакции за счет снижения ее энергетики. Если химическая реакция протекает с выделением энергии, то она должна начинаться спонтанно. Однако этого не происходит, потому что компоненты реакции должны быть переведены в активированное (переходное) состояние. Энергия, необходимая для перевода реагирующих молекул в активированное состояние, называется энергией активации.
Переходное состояние характеризуется непрерывным образованием и разрывом химических связей, причем между переходным и основным состояниями существует термодинамическое равновесие. Скорость прямой реакции зависит от температуры и разности значений свободной энергии для субстрата в переходном и основном состояниях. Эта разность называется свободной энергией реакции.
Достижение переходного состояния субстрата возможно двумя путями:
- за счет передачи реагирующим молекулам избыточной энергии (например, за счет увеличения температуры),
- за счет снижения энергии активации соответствующей химической реакции.
Основное и переходное состояния реагирующих веществ.
Ео, Ек — энергия активации реакции без и в присутствии катализатора; DG —
разность свободной энергии реакции.
Ферменты «помогают» субстратам принять переходное состояние за счет энергии связывания при образовании фермент-субстратного комплекса. Снижение энергии активации при ферментативном катализе обусловлено увеличением числа стадий химического процесса. Индуцирование ряда промежуточных реакций приводит к тому, что исходный активационный барьер дробится на несколько более низких барьеров, преодолеть которые реагирующие молекулы могут гораздо быстрее, чем основной.
Механизм ферментативной реакции можно представить следующим образом:
- соединение фермента (Е) и субстрата (S) с образованием нестойкого фермент-субстратного комплекса (ES): Е + S → E-S;
- образование активированного переходного состояния: Е-S → (ES)*;
- высвобождение продуктов реакции (Р) и регенерация фермента (Е): (ES)* → Р + Е.
Для объяснения высокой эффективности действия энзимов было предложено несколько теорий механизма ферментативного катализа. Наиболее ранней является теория Э. Фишера (теория «шаблона» или «жесткой матрицы»). Согласно этой теории фермент является жесткой структурой, активный центр которой представляет собой «слепок» субстрата. Если субстрат подойдет к активному центру фермента как «ключ к замку», то произойдет химическая реакция. Эта теория хорошо объясняет два типа субстратной специфичности ферментов — абсолютную и стереоспецифичность, но оказывается несостоятельной при объяснении групповой (относительной) специфичности ферментов.
Теория «дыбы» основана на представлениях Г. К. Эйлера, изучавшего действие гидролитических ферментов. По этой теории фермент связывается с молекулой субстрата в двух точках, при этом происходит растяжение химической связи, перераспределение электронной плотности и разрыв химической связи, сопровождающийся присоединением воды. Субстрат до присоединения к ферменту имеет «расслабленную» конфигурацию. После связывания с активным центром молекула субстрата подвергается растяжению и деформации (располагается в активном центре как на дыбе). Чем больше длина химических связей в субстрате, тем легче они разрываются и тем меньше энергия активации химической реакции.
В последнее время нашла широкое распространение теория «индуцированного соответствия» Д. Кошланда, которая допускает высокую конформационную лабильность молекулы фермента, гибкость и подвижность активного центра. Субстрат индуцирует конформационные изменения молекулы фермента таким образом, что активный центр принимает необходимую для связывания субстрата пространственную ориентацию, т. е. субстрат подходит к активному центру как «рука к перчатке».
Согласно теории индуцированного соответствия механизм взаимодействия фермента и субстрата следующий:
- фермент по принципу комплементарности распознает и «ловит» молекулу субстрата. В этом процессе белковой молекуле помогает тепловое движение ее атомов;
- аминокислотные остатки активного центра смещаются и подстраиваются по отношению к субстрату;
- химические группировки ковалентно присоединяются в активном центре - ковалентный катализ.