Кратко и по существу.
1) Физико‑химические принципы катализа
- Снижение активационного барьера: ферменты стабилизируют переходное состояние, уменьшая свободную энергию активации $\Delta G^{‡}$, что экспоненциально повышает скорость реакции (Эйринга/Аррениуса): $k=A{e}^{-E_a/(RT)}$ или в терминах свободной энергии активации $k=\kappa \frac{k_{B}T}{h}{e}^{-\Delta G^{‡}/(RT)}$.
- Стратегии катализа:
- близость и ориентация реагентов (уменьшение энтропийного штрафа);
- кислотно‑щелочная катализация (перенос протонов активными остатками);
- ковалентная катализация (временное образование ковалентного промежуточного состояния);
- металлоферментативная катализация (металлы участвуют в поляризации связей/переносе электронов);
- электростатическая предорганизация и стабилизация зарядов в переходном состоянии.
- Энергетический эффект: отношение скоростей связано с разницей барьеров $\frac{k_{\text{cat}}}{k_{\text{uncat}}}=e^{-(\Delta G_{\text{cat}}^{‡}-\Delta G_{\text{uncat}}^{‡})/(RT)}$.
2) Как строение активного центра определяет специфичность
- Геометрическая и химическая комплементарность: форма, размеры, распределение полярности и зарядов в кармане связывания дают селективное узнавание субстрата (lock‑and‑key vs induced fit).
- Индукция подгонки (induced fit) и динамика: конформационные изменения повышают допуск к переходному состоянию и могут исключать альтернативные реакции.
- Ключевые каталитические остатки и коферменты: аминокислоты (His, Asp, Glu, Cys, Ser и т.д.) и кофакторы/коэнзимы определяют тип катализа и реакционную траекторию.
- Псевдосайты и «вторичная сфера»: резидуи вокруг активного центра модулируют pKa, электростатическое поле и доступ воды, что меняет селективность и кинетику.
- Специфичность характеризуется кинетическими параметрами: $v=\frac{V_{\max }[S]}{K_m+[S]}$, где $V_{\max }=k_{cat}[E{]}_T$; эффективностью считают отношение $k_{cat}/K_m$.
3) Факторы регуляции активности фермента in vivo
- Аллостерическая регуляция: связывание эффектора в отдалённой позиции меняет конформацию и активность (гомотропная/гетеротропная регуляция).
- Ковалентные модификации: фосфорилирование, ацетилирование, метилирование и пр. переключают активность или локализацию.
- Протеолитическая активация: синтез в форме зимогенов, активация специфической протеазой.
- Компоненты окружения: pH, ионная сила, концентрация ионов (например, $C{a}^{2+}$, $M{g}^{2+}$), температура, наличие восстановительных/окислительных условий.
- Доступность коферментов/субстратов и конкурентные/ингибирующие молекулы (конкурентные, неконкурентные, унарный‑необратимые ингибиторы).
- Регуляция на уровне экспрессии и деградации: транскрипция, трансляция, убиквитин‑зависимая деградация.
- Компартментализация и белково‑белковые взаимодействия: локализация в органеллах, формирование мультиферментных комплексов (метаболические каналы).
- Молекулярная термодинамика/кинетика: изменение $K_m$, $k_{cat}$ под влиянием модификаций или эффекторов изменяет каталитическую эффективность $k_{cat}/K_m$.
Заключение: ферменты действуют за счёт сочетания структурной комплементарности активного центра и применения разнообразных каталитических приёмов, а их активность в клетке подчинена множеству быстро и длинно‑срочных регуляторных механизмов, меняющих кинетические параметры и доступность субъекта.