Роль ферментов в каталитической специфичности
- Ферменты обеспечивают специфичность через строго организованный активный центр: селективное сопряжение по форме, заряду и гидрофобности («ключ-замок» и «индуцированное соответствие»).
- Основные каталитические приёмы: приближение и ориентация субстрата, стабилизация переходного состояния, кислотно-основный катализм, ковалентный катализм, металлоферментативный катализм.
- Типы специфичности: абсолютная (один субстрат), групп‑специфичность, лигатурная (тип связи) и стереоспецифичность.
- Параметры кинетики: скорость реакции следует уравнению Михаэлиса–Ментен: $v=\frac{V_{\max }[S]}{K_M+[S]}$, где $[S]$ — концентрация субстрата, $V_{\max }=k_{cat}[E{]}_T$, а каталитическая эффективность равна $\frac{k_{cat}}{K_M}$.
Механизм обратимого конкурентного ингибирования
- Механизм: конкурентный ингибитор (I) связывается с тем же сайтом, что и субстрат (S), образуя EI вместо ES; связывание обычно нековалентное и обратимо.
- Кинетический эффект: уменьшается сродство фермента к субстрату (увеличивается $K_M$), $V_{\max }$ не меняется. Введённое выражение:
$v=\frac{V_{\max }[S]}{K_M\left(1+\frac{[I]}{K_i}\right)+[S]}$,
где $K_i$ — константа диссоциации EI.
- Физический смысл: ингибирование можно преодолеть увеличением $[S]$ (конкуренция за сайт). На графике Лайнвивера‑Бёрка меняется наклон и абсцисса пересечения, ордината пересечения остаётся прежней.
- Пример лекарства: метотрексат — аналог дигидрофолата, конкурентно ингибирует дигидрофолатредуктазу (DHFR), препятствуя восстановлению фолатов; связывание обратимо и зависит от соотношения $[S]$ и $[I]$.
Механизм обратимого неконкурентного ингибирования
- Механизм: неконкурентный ингибитор связывается в аллостерическом участке как с ферментом (E), так и с комплексом фермент‑субстрат (ES), причём связывание уменьшает каталитическую активность независимо от занятости активного центра.
- Кинетический эффект (классический неконкурентный случай, когда $I$ связывается с равной константой к E и ES): $K_M$ остаётся неизменным, $V_{\max }$ снижается. Можно записать:
$V_{\max }^{app}=\frac{V_{\max }}{1+\frac{[I]}{K_i}},v=\frac{V_{\max }^{app}[S]}{K_M+[S]}=\frac{V_{\max }[S]}{(1+\frac{[I]}{K_i})(K_M+[S])}.$
- Физический смысл: повышение $[S]$ не восстанавливает активность, потому что ингибитор уменьшает $k_{cat}$ или количество «активных» молекул фермента. На графике Лайнвивера‑Бёрка меняется ордината пересечения (1/$V_{\max }$) — растёт, абсцисса пересечения (−1/$K_M$) не меняется.
- Пример лекарства: донепезил (ингибитор ацетилхолинэстеразы) описывается как обратимый неконкурентный/аллостерический ингибитор — связываясь вне каталитического кармана, он изменяет конформацию фермента и снижает скорость гидролиза ацетилхолина, при этом эффект слабо зависит от увеличения $[ACh]$.
Краткое практическое значение для дизайна лекарств
- Конкурентные ингибиторы хороши, когда можно достичь более высокого сродства, но их эффект зависит от концентрации субстрата.
- Неконкурентные/аллостерические ингибиторы полезны, если нужно уменьшить максимальную активность фермента независимо от уровня субстрата; часто обеспечивают большую селективность и меньшее влияние на физиологические флюктуации субстрата.
(Все описанные выше механизмы предполагают обратимое нековалентное связывание; существуют также смешанные и необратимые механизмы, отличающиеся по кинетике и последствиям.)