Гипотеза “ключа и замка”. Гипотеза индуцированного соответствия

Гипотеза “ключа и замка”. Гипотеза индуцированного соответствия

Фишер (Fischer) в 1890 г. высказал предположение, что специфичность обуславливается особой формой молекулы фермента, точно соответствующей форме молекулы субстрата (субстратов). Эту гипотезу часто называют гипотезой “ключа и замка”: субстрат сравнивается в ней с “ключом”, который точно подходит по форме к “замку” — ферменту.

Рис. 13 Фишеровская гипотеза “ключа и замка” (1890 г. ). Последовательность событий при связывании субстрата с ферментом.

E-S-комплекс — это “активированное” состояние, ведущее к образованию продуктов реакции. Образовавшиеся продукты по форме уже не соответствуют активному центру. Они отделяются от него (поступают в окружающую среду), после чего освободившийся активный центр может принимать новые молекулы субстрата.

В 1959 г. новую интерпретацию гипотезы “ключа и замка” (гипотезу индуцированного соответствия) предложил Кошланд (Koshland).

На основании данных, позволявших считать ферменты и их активные центры физически более гибкими, чем это казалось вначале, он высказал мысль о динамическом взаимодействии между ферментом и субстратом. Согласно этому представлению, субстрат, соединяясь с ферментом, вызывает конфармационные изменения последнего. В результате этих изменений каталитические группы фермента ориентируются таким образом, что становится возможным превращение субстрата в продукт. Дальнейшее развитие модели индуцированного соответствия связано с учетом того, что конформация субстрата при связывании с ферментом также может слегка изменяться. В этом случае говорят о напряжении в молекуле субстрата. Гипотеза о существовании конформационных изменений в ферменте и субстрате при их связывании друг с другом объяснила тот факт, что молекулы, очень похожие на истинный субстрат, могут связываться с ферментом, но не превращаются в продукт, т. е. действуют как ингибиторы. Таким образом, правильный субстрат — это больше, чем просто “ключ” к соответствующему “замку”.

Свойства ферментов

1. Являясь катализаторами, ферменты имеют ряд общих с небиологическими катализаторами свойств:
1. Ферменты не входят в состав конечных продуктов реакции и выходят из нее, как правило, в первоначальном виде, т. е. они не расходуются в процессе катализа (в настоящее время доказано, что некоторые ферменты в конце химической реакции подвергаются модификации и даже распаду, а не освобождаются в неизменном виде, как постулировал Л. Михаэлис), их присутствие не влияет ни на природу, ни на свойства конечных продуктов.
2. Ферменты не могут возбудить те реакции, протекание которых противоречит законам термодинамики, они ускоряют те реакции, которые могут протекать и без них.
3. Ферменты не смещают положения равновесия, а лишь ускоряют его достижение. Положение равновесия не зависит от присутствия или отсутствия фермента в реакционной смеси. Рассмотрим изменение свободной энергии для обратимой реакции S ↔ P. Свободная энергия реакции Δ G⁰ равна разности свободных энергий S и P и определяет положение равновесия реакции. В присутствии любого катализатора, в том числе и фермента, свободная энергия исходных реагентов (S) и продуктов реакции (P) не изменяется и, следовательно, не изменяется Δ G⁰.
2. Специфические свойства.
1. По своему химическому строению все ферменты являются глобулярными белками.
2. Эффективность ферментов намного выше, чем небиологических катализаторов (скорость протекания реакции при участии фермента выше на несколько порядков).
3. Ферменты обладают узкой специфичностью, избирательностью на субстраты. Под специфичностью фермента понимают его способность отличать свой истинный субстрат от других родственных молекул. Такая избирательность обусловлена высокой специфичностью E-S-взаимодействий. Ранняя модель этого взаимодействия, называемая моделью “замка и ключа”, была дополнена идеей “индуцированного соответствия”. Специфичность узнавания у разных ферментов значительно варьирует — некоторые ферменты могут катализировать реакцию с участием только одного субстрата, тогда как другие — с несколькими химически родственными веществами.

Пример. Формамидаза гидролизует только формамид, тогда как амидаза гидролизует любой алифатический амид.

1. Относительная (групповая) специфичность.

Для действия некоторых гидролитических ферментов наибольшее значение имеет тип химической связи в молекуле субстрата.

Пример 1. Для действия липазы, катализирующей гидролиз жиров на глицерин и жирные кислоты, таким местом является сложноэфирная связь.

Пример 2. Гексокиназа (внутриклеточный фермент) катализирует в присутствии АТФ фосфорилирование почти всех гексоз, хотя одновременно в клетках имеются специфические для каждой гексозы ферменты, выполняющие такое же фосфорилирование.

1. Абсолютная специфичность.

Это способность фермента катализировать превращение только единственного субстрата. Любые модификации в структуре субстрата делают его недоступным для действия фермента.

1. Стереохимическая специфичность.

Обусловлена существованием оптически изомерных L- и D-форм или геометрических (цис- и транс-) изомеров химических веществ.

Пример. Бактериальная аспартатдекарбоксилаза катализирует отщепление CO₂ только от L-аспарагиновой кислоты с превращением ее в L-аланин.

1. Регулируемость ферментов как биокатализаторов. Через регуляцию ферментативного аппарата осуществляется скоординированность всех метаболических процессов во времени и пространстве, направленное на воспроизведение живой материи, поддержание постоянства внутриклеточной среды, на приспособление к меняющимся внешним условиям.
2. Термолабильность (зависимость от температуры).
3. Зависимость активности от pH среды.