Механизмы ферментативного катализа

Ферменты ускоряют реакции, используя небольшой набор химических стратегий в точно организованном активном центре, снижая энергию активации за счет стабилизации переходного состояния реакции.

Definition

Каталитический механизм — это поэтапный химический путь, по которому фермент превращает субстрат в продукт в своем активном центре, включая специфические остатки, кофакторы и промежуточные состояния, которые снижают свободную энергию активации.

Scope

Эта тема охватывает химические стратегии катализа — кислотно-основной, ковалентный, металлоионный и электростатический катализ, а также эффекты близости и ориентации и стабилизацию переходного состояния — проиллюстрированные классическими механизмами, такими как каталитическая триада сериновой протеазы, и роль кофакторов и коферментов.

Core questions

• Какие химические стратегии используют ферменты для ускорения реакций?
• Как стабилизация переходного состояния объясняет увеличение скорости ферментативных реакций?
• Как каталитическая триада сериновой протеазы иллюстрирует ковалентный и общий кислотно-основной катализ?
• Почему многим ферментам требуются кофакторы или коферменты?

Key theories

Индуцированное соответствие

Кошланд предположил, что связывание субстрата вызывает конформационное изменение фермента, которое приводит каталитические группы в продуктивное выравнивание, уточняя статическую модель «ключ-замок» и объясняя как специфичность, так и предотвращение непродуктивного катализа.

Стабилизация переходного состояния

Ферменты связывают переходное состояние более прочно, чем субстрат; дифференциальная энергия связывания преобразуется в более низкий активационный барьер, что является центральным объединяющим объяснением каталитической силы.

Mechanisms

В сериновых протеазах каталитическая триада Ser–His–Asp обеспечивает ковалентный катализ: гистидин действует как общее основание, депротонируя гидроксил серина, который атакует карбонил субстрата, образуя ковалентный ацил-ферментный интермедиат, стабилизированный оксианионной полостью, в то время как аспартат ориентирует и поляризует гистидин. Этот единственный пример сочетает ковалентный, общий кислотно-основной и электростатический катализ — тот же набор инструментов, который ферменты используют в различных комбинациях.

Clinical relevance

Механистическое понимание лежит в основе разработки ингибиторов, аналогов переходного состояния, и сконструированных катализаторов, используемых в химии. Представленный здесь материал описывает механизм и не является предписывающим.

History

Предложение Полинга в середине века о том, что ферменты комплементарны переходным состояниям, сформировало современное мышление; теория индуцированного соответствия Кошланда 1958 года объяснила специфичность; а кристаллографические работы по химотрипсину в конце 1960-х годов дали первую детальную атомную картину действия каталитической триады.

Key figures

• Daniel Koshland
• Linus Pauling
• David Blow
• William Lipscomb

Seminal works

• koshland1958
• blow1969
• nelson2021

Frequently asked questions

Что такое кофермент?

Кофермент — это небольшая органическая молекула, часто производная витамина, которая необходима ферменту для осуществления катализа, часто путем переноса химических групп или электронов во время реакции.

Изменяют ли ферменты равновесие реакции?

Нет; фермент ускоряет достижение равновесия, одинаково снижая активационный барьер в обоих направлениях, но он не изменяет положение равновесия или общее изменение свободной энергии.