Ферметати́вный ката́лиз — увеличение скорости химического процесса с помощью биологической молекулы, «фермента». Большинство ферментов представляют собой белки, и большинство таких процессов представляют собой биохимические реакции. Внутри фермента катализ обычно происходит в локализованном центре, называемом активным центром.
Большинство ферментов состоят преимущественно из белков, либо из одной белковой цепи, либо из множества таких цепей в многосубъединичном комплексе. Ферменты часто также включают небелковые компоненты, такие как ионы металлов или специализированные органические молекулы, известные как кофакторы (например, аденозинтрифосфат). Многие кофакторы являются витаминами, и их роль как витаминов напрямую связана с их использованием в катализе биологических процессов в рамках метаболизма. Катализ биохимических реакций в клетке жизненно важен, поскольку многие, но не все метаболически важные реакции имеют очень низкую скорость, если не катализируются. Одной из движущих сил эволюции белков является оптимизация такой каталитической активности, хотя только наиболее важные ферменты работают вблизи пределов каталитической эффективности, а многие ферменты далеки от оптимальных. Важные факторы ферментативного катализа включают общий кислотный и основной катализ, орбитальное управление, энтропийное ограничение, эффекты ориентации (то есть катализ замка и ключа), а также эффекты движения, связанные с динамикой белка.
Механизмы ферментативного катализа различаются, но все они в принципе аналогичны другим типам химического катализа, поскольку решающим фактором является снижение энергетического барьера (барьеров), отделяющего реагенты (или субстраты от продуктов). Снижение энергии активации (Еа) увеличивает долю молекул реагентов, которые могут преодолеть этот барьер и образовать продукт. Важным принципом является то, что, поскольку они только снижают энергетические барьеры между продуктами и реагентами, ферменты всегда катализируют реакции в обоих направлениях и не могут продвигать реакцию вперед или влиять на положение равновесия — только на скорость, с которой она достигается. Как и в случае с другими катализаторами, фермент не расходуется и не изменяется в ходе реакции (в отличие от субстрата), а рециркулируется, так что один фермент выполняет много циклов катализа.
Ферменты часто очень специфичны и действуют только на определённые субстраты. Некоторые ферменты абсолютно специфичны, что означает, что они действуют только на один субстрат, в то время как другие проявляют групповую специфичность и могут действовать на сходные, но не идентичные химические группы, такие как пептидная связь в разных молекулах. Многие ферменты обладают стереохимической специфичностью и действуют на один стереоизомер, но не действуют на другой.
Индуцированная подгонка
Классической моделью взаимодействия фермент-субстрат является модель индуцированной подгонки. Эта модель предполагает, что начальное взаимодействие между ферментом и субстратом относительно слабое, но эти слабые взаимодействия быстро вызывают конформационные изменения в ферменте, которые усиливают связывание.
Преимущества механизма индуцированной подгонки возникают благодаря стабилизирующему эффекту сильного связывания фермента. Существует два разных механизма связывания субстрата: однородное связывание, которое имеет сильное связывание с субстратом, и дифференциальное связывание, которое имеет сильное связывание в переходном состоянии. Стабилизирующий эффект однородного связывания увеличивает сродство связывания как субстрата, так и переходного состояния, в то время как дифференциальное связывание увеличивает сродство связывания только переходного состояния. Оба используются ферментами и были выбраны эволюционно для минимизации энергии активации реакции. Насыщенные ферменты, то есть имеющие высокую аффинность к связыванию с субстратом, требуют дифференциального связывания для снижения энергии активации, тогда как ферменты с небольшим субстратом, не связанные с субстратом, могут использовать либо дифференциальное, либо равномерное связывание.
Эти эффекты привели к тому, что большинство белков используют механизм дифференциального связывания для снижения энергии активации, поэтому большинство субстратов имеют высокое сродство к ферменту в переходном состоянии. Дифференциальное связывание осуществляется по механизму индуцированной подгонки — субстрат сначала связывается слабо, затем фермент меняет конформацию, увеличивая сродство к переходному состоянию и стабилизируя его, тем самым снижая энергию активации для его достижения.
Однако важно уточнить, что концепция индуцированной подгонки не может использоваться для рационализации катализа. То есть химический катализ определяется как восстановление Еа‡ (когда система уже находится в ES‡) по отношению к Еа‡ в некатализируемой реакции в воде (без фермента). Индуцированная подгонка только предполагает, что барьер ниже в закрытой форме фермента, но не говорит нам, какова причина снижения барьера.
Индуцированная подгонка может быть полезным для точности молекулярного распознавания в присутствии конкуренции и шума посредством механизма конформационной проверки.
Механизмы альтернативного пути реакции Эти конформационные изменения также приближают каталитические остатки в активном центре к химическим связям в субстрате, которые будут изменены в ходе реакции. После связывания один или несколько механизмов катализа снижают энергию переходного состояния реакции, обеспечивая альтернативный химический путь реакции. Существует шесть возможных механизмов катализа «через барьер», а также механизм «сквозь барьер»:
Близость и ориентация Взаимодействия фермент-субстрат выравнивают реактивные химические группы и удерживают их близко друг к другу в оптимальной геометрии, что увеличивает скорость реакции. Это уменьшает энтропию реагентов и, таким образом, делает реакции присоединения или переноса менее неблагоприятными, поскольку уменьшение общей энтропии, когда два реагента становятся одним продуктом. Однако это общий эффект, который наблюдается в реакциях неприсоединения или переноса, где он возникает из-за увеличения «эффективной концентрации» реагентов. Это становится понятным при рассмотрении того, как увеличение концентрации приводит к увеличению скорости реакции: по сути, когда реагенты более концентрированы, они чаще сталкиваются и, следовательно, реагируют чаще. При ферментативном катализе связывание реагентов с ферментом ограничивает конформационное пространство реагентов, удерживая их в «правильной ориентации» и близко друг к другу, так что они сталкиваются чаще и с правильной геометрией, чтобы облегчить желаемая реакция. «Эффективная концентрация» — это концентрация, которой должен быть реагент в свободном растворе, чтобы испытать ту же частоту столкновений. Часто такие теоретические эффективные концентрации нефизичны и их невозможно реализовать в действительности, что свидетельствует о большой каталитической силе многих ферментов с огромным увеличением скорости по сравнению с некатализируемым состоянием. Например: Подобные реакции протекают гораздо быстрее, если реакция внутримолекулярная. Эффективную концентрацию ацетата во внутримолекулярной реакции можно оценить как k2 /k1 = 2 x 105 молярных. Однако ситуация может быть более сложной, поскольку современные вычислительные исследования установили, что традиционные примеры эффектов близости не могут быть непосредственно связаны с энтропийными эффектами ферментов. Кроме того, было обнаружено, что исходное энтропийное предложение сильно переоценивает вклад ориентационной энтропии в катализ.
Доноры или акцепторы протонов Доноры и акцепторы протонов, то есть кислоты и основания, могут отдавать и принимать протоны, чтобы стабилизировать развивающиеся заряды в переходном состоянии. Это связано с общим принципом катализа, заключающимся в снижении энергетических барьеров, поскольку в целом переходные состояния являются состояниями с высокой энергией, и за счет их стабилизации эта высокая энергия снижается, снижая барьер. Ключевой особенностью ферментативного катализа по сравнению со многими небиологическими катализами является то, что в одной и той же реакции можно сочетать как кислотный, так и основной катализ. Во многих абиотических системах кислоты (большие [H+]) или основания (большие концентрации H+ поглотители или виды с электронными парами) могут увеличить скорость реакции; но, конечно, окружающая среда может иметь только один общий pH (мера кислотности или щелочности). Однако, поскольку ферменты представляют собой большие молекулы, они могут размещать как кислотные, так и основные группы в своем активном центре для взаимодействия со своими субстратами и использовать оба режима независимо от общего pH.
Часто используется общий кислотный или основной катализ для активации нуклеофильных и/или электрофильных групп или для стабилизации уходящих групп. В активном центре используются многие аминокислоты с кислотными или основными группами, такие как глутаминовая и аспарагиновая кислоты, гистидин, цистин, тирозин, лизин и аргинин, а также серин и треонин. Кроме того, часто используется пептидный остов с карбонильными и амидными N-группами. Очень часто участвуют цистин и гистидин, поскольку они оба имеют pKa, близкую к нейтральному pH, и поэтому могут как принимать, так и отдавать протоны.
Многие механизмы реакций, включающие кислотно-основной катализ, предполагают существенно изменённую pKa. Это изменение pKa возможно благодаря локальному окружению остатка. Условия Кислоты Основания Гидрофобная среда Увеличение рКа Уменьшить рКа Соседние остатки одинакового заряда Увеличение рКа Уменьшить рКа Образование солевого мостика (и водородной связи) Уменьшить рКа Увеличение рКа Окружающая среда также может значительно влиять на pKa, так как остатки, которые являются основными в растворе, могут действовать как доноры протонов, и наоборот. Например: Каталитическая триада сериновых протеаз На начальном этапе каталитического механизма сериновой протеазы гистидин активного центра принимает протон от остатка серина. Это подготавливает серин как нуклеофил к атаке амидной связи субстрата. Этот механизм включает передачу протона серина (основание, pKa 14) гистидину (кислота, pKa 6), что стало возможным благодаря локальному окружению оснований. Важно уточнить, что модификация pKa является чистой частью электростатического механизма. Кроме того, каталитический эффект приведенного выше примера в основном связан со снижением pKa оксианиона и увеличением pKa гистидина, в то время как перенос протона от серина к гистидину существенно не катализируется, поскольку он не барьер, определяющий скорость. Обратите внимание, что в показанном примере кислота, сопряженная с гистидином, действует как общий кислотный катализатор для последующей потери амина из тетраэдрического промежуточного соединения. Доказательства, подтверждающие этот предполагаемый механизм (рис. 4 в ссылке 13), однако, были оспорены.
Электростатический катализ Стабилизация заряженных переходных состояний также может происходить за счет остатков в активном центре, образующих ионные связи (или частичные взаимодействия ионных зарядов) с промежуточным продуктом. Эти связи могут возникать либо из кислотных или основных боковых цепей аминокислот, таких как лизин, аргинин, аспарагиновая кислота или глутаминовая кислота, либо из кофакторов металлов, таких как цинк. Ионы металлов особенно эффективны и могут снизить pKa воды настолько, чтобы сделать её эффективным нуклеофилом.