- Ключевая идея: ферменты ускоряют реакции главным образом за счёт снижения свободной энергии активации $\Delta G^{‡}$, что экспоненциально увеличивает скорость реакции: $k=A{e}^{-\Delta G^{‡}/RT}$. Типичные ускорения — от $\sim 10^6$ до $\sim 10^{17}$ и более по сравнению с некатализируемой реакцией.
- Структура активного центра обеспечивает специфичность и каталитическую мощность через несколько механизмов:
- Геометрическая и химическая комплементарность: активный центр точно располагает субстрат в благоприятной ориентации (proximity/orientation), уменьшая энтропийные потери и повышая вероятность продуктивного столкновения.
- Стабилизация переходного состояния: фермент лучше связывает переходное состояние, чем исходный субстрат (Haldane); это уменьшает $\Delta G^{‡}$. Практическое выражение: $\Delta \Delta G^{‡}=-RT\ln \left(\frac{k_{cat}}{k_{uncat}}\right)$.
- Каталитические остатки и кофакторы: кислотно-основной катализ (донор/акцептор протонов), ковалентный катализ (образование промежуточного сопряжения), металлоэнзимы (активируют воду/стабилизируют заряды), электростатическая стабилизация (предварительная организація зарядов в активном центре).
- Оксагоние отверстия и «кишки» для воды/субстрата: специфические H‑связи и гидрофобные стягивания исключают нежелательные взаимодействия и десолватируют субстрат, повышая реакционной способности.
- Роль динамики белка:
- Быстрые флуктуации (пс–нс) локальных остатков облегчают перестройку электронных плотностей и оптимизацию геометрии для достижения TS.
- Более медленные движения (нс–мс): закрытие петель, «induced fit» или «conformational selection» избирательно формируют каталитически компетентные конформации и изолируют активный центр от растворителя, поддерживая нужный микросредовой потенциал.
- Динамика обеспечивает связку между удалёнными сайтами (аллостерия): изменение конформационной популяции может включать/выключать каталитическую активность.
- Концепция энергетического ландшафта: фермент представляет ансамбль конформаций; каталитически активные конформации имеют повышенную способность стабилизировать TS, и катализ часто достигается смещением населения в эти состояния.
- Примеры механизмов, где структура + динамика критичны:
- Сериновые протеазы: каталитическая триада (Ser–His–Asp), оксанионный карман стабилизирует TS; петли закрываются над субстратом.
- Карбоангидраза: Zn²⁺ активирует воду (нуклеофил), плюс сильно организованное электростатическое поле ускоряет перенос протонов.
- ДНК‑полимеразы: конформационные изменения («finger closing») обеспечивают корректную комплементарность и селекцию нуклеотидов перед химическим шагом.
- Итог: высокая специфичность и каталитическая мощность возникают из сочетания точной молекулярной геометрии и химии активного центра (позиционирование, катализующие группы, кофакторы, электростатика) и из тонко настроенной динамики белка, которая формирует и поддерживает каталитически оптимальные конформации и эффективно стабилизирует переходное состояние.