Большинство ферментов катализирует реакции, в которых участвует более чем один субстрат. В случае если кофермент не является простетической группой, его также можно рассматривать как ещё один субстрат. Следовательно, участников ферментативной реакции может быть несколько: непосредственно фермент, несколько субстратов и кофермент.
В этих случаях механизм ферментативной реакции, как правило, может идти по одному из двух путей: по механизму «пинг-понг» (механизму двойного замещения) или последовательному. Рассмотрим оба механизма.
1. Механизм «пинг-понг»
Схематично механизм «пинг-понг» может быть представлен следующим образом:
Субстрат А, взаимодействуя с ферментом (Е), превращается в продукт (Р1). Фермент остаётся в результате этого преобразования не в нативной форме, а в изменённой (Е') в результате модификации кофермента. Далее к активному центру Е' присоединяется субстрат В, подвергающийся преобразованию в продукт (Р2 с высвобождением нативной формы фермента (Е).
Хороший пример механизма «пинг-понг» — реакции трансаминирования с участием ферментов аминотрансфераз (кофермент пиридоксаль-фосфат). Аминотрансферазы, открытые отечественным учёным А.Е. Браунпггейном, катализируют обратимые реакции переноса аминогруппы с аминокислоты на кетокислоту. Механизм «пинг-понг» данной реакции схематично представлен на рис. 2-7.
Рис. 2-7. События в активном центре аминотрансферазы как пример механизма «пинг-понг». Кофермент пиридоксаль-фосфат (ПФ), связанный с ферментом, принимает а-аминогруппу от первой аминокислоты (АК1) которая при этом превращается в α-кетокислоту 1 (KK1) и высвобождается из активного центра фермента. Далее в активный центр фермента присоединяется а-кетокислота 2 (КК2), которая забирает аминогруппу от кофермента и превращается в а-аминокислоту (АК2)
Другой пример механизма «пинг-понг» — реакции дегидрирования с участием кофермента FAD (флавинадениндинуклеотид) или FMN (флавинмононуклеотид), которые прочно связаны с ферментом и, следовательно, не могут рассматриваться в качестве второго субстрата.
Схематично структура этих коферментов и соответствующие им химические формулы представлены на рис. 2-8.
Рис. 2-8. Структура (А) и химическое строение (Б) коферментов FMN и FAD
FMN и FAD участвуют в окислительно-восстановительных реакциях, акцептируя 2 е- и 2 H+ изоаллаксазиновом кольце (см. схему 1).
Схема 1
Схему реакции дегидрирования (как пример механизма «пинг-понг» с участием коферментов FMN и FAD) можно представить в следующем виде:
где АН2 — донор водорода, окисляемый субстрат 1; А — окисленная форма субстрата 1; В — акцептор водорода — субстрат 2; ВН2 — восстановленная форма субстрата 2; Е (FAD), Е (FADH2) — окисленная и восстановленная формы кофермента FAD, входящего в состав фермента Е.
В качестве примера FAD-зависимой реакции можно привести сукцинатдегидрогеназную реакцию. В этой реакции в качестве второго субстрата участвует убихинон — один из посредников ЦПЭ (см. схему 2).
Схема 2
2. Последовательный механизм
В случае последовательного механизма для протекания ферментной реакции требуется одновременно взаимодействие двух субстратов. В этом случае возможно присоединение субстратов двумя различными путями:
Механизм упорядоченного взаимодействия субстрата с активным центром фермента:
Первым в активный центр фермента присоединяется субстрат А, облегчая присоединение субстрата В. После химической модификации также наблюдают определённый порядок высвобождения продуктов реакции.
Механизм случайного взаимодействия субстрата с активным центром фермента:
Приоритетности за взаимодействие субстратов А и В в активном центре фермента нет (каждый субстрат имеет свой центр связывания в активном центре). Также нет строгой закономерности высвобождения продуктов реакции.
Примером последовательного упорядоченного механизма может быть реакция дегидрирования с участием коферментов NAD+, NADP+.
Схематично структура и химические формулы этих коферментов представлены на рис. 2-9.
Рис. 2-9. Структура (А) и химическое строение (Б) коферментов NAD+ и NADP+
Оба кофермента функционируют как посредники переноса двух электронов и одного протона от донора к акцептору, другого протона — в среду (см. схему 3).
Схема 3
Донор и акцептор не обязательно участвуют в одном метаболическом пути. Другими словами, восстановленная форма этих нуклеотидов действует как общий пул электронов, образованный в результате окислительных реакций, и может быть использована в различных восстановительных реакциях. Такие реакции называют сопряжёнными (см. схему 4).
Схема 4
где AH2 — донор водорода, восстановленная форма субстрата 1; А — окисленная форма субстрата 1; В — акцептор водорода — второй субстрат; ВН2 — восстановленная форма субстрата 2; NAD+, NADH — окисленная и восстановленная формы кофермента; Е, и Е2 — ферменты.
Две ферментативные реакции, катализируемые ферментами Е, и Е2, сопряжены друг с другом посредством кофермента NAD+, служащего в каждом из этих случаев субстратом. Для первого фермента субстратом служит окисленная форма NAD, в качестве второго субстрата выступает донор водорода — пример последовательных реакций, продуктом — восстановленная форма NAD, для фермента Е2 — наоборот.
В качестве примера можно рассмотреть следующие сопряжённые реакции (см. схему 5), где Е1 — глицеральдегидфосфат дегидрогеназа; Е2 — лактатдегвдрогеназа.
