Принципи ферментативного каталізу.
Уповільнення реакції зумовлено високим значенням вільної енергії активації - у відсутності ферменту реакція практично не відбувається. Відповідно, каталітична дія ферменту полягає у зниженні цього енергетичного бар'єра. Оскільки бар'єр, як будь-яка вільна енергія, має дві складові - ентальпійну та ентропійну, фермент здійснює зниження енергії активації двома шляхами (як правило, обидва мають значення).
• Ентропійний каталіз. Перше, що робить фермент - зв'язує субстрати у своєму активному центрі за рахунок спорідненості до них (перша зелена стрілка вниз). Але головне полягає в тому, що субстрати зв'язуються не аби як, а в певній, найбільш сприятливій для реакції, взаємній орієнтації та в певній орієнтації щодо хімічних груп активного центру. Це означає, що з великої кількості орієнтацій обирається лише одна: взаємодії субстратів з активним центром компенсують ентропійні витрати на впорядкування субстратів.
• Ентальпійний каталіз. На шляху перебудови системи ковалентних зв'язків субстратів обов'язково існує проміжна високоенергетична сполука - інтермедіат. Саме до нього активний центр ферменту має високу спорідненість (вищу, ніж до субстратів), реалізуючи з ним певні взаємодії. Слова «висока спорідненість» означають, що зв'язаному в активному центрі інтермедіату відповідає значно нижча енергія, ніж вільному. Саме за рахунок цієї високої спорідненості до інтермедіату активний центр і знижує ентальпійну складову енергії активації: бар'єр (зелена стрілочка вгору) залишається, але стає значно нижчим - таким, що його можна швидко подолати за рахунок теплових флуктуацій.
Наступні дві зелені стрілочки вниз показують закінчення процесу: з бар'єру система спускається униз по градієнту вільної енергії - у стан продуктів реакції; далі (і це також важлива подія) продукти, які не мають спорідненості до активного центру (вільна енергія дисоційованого продукту є нижчою, ніж зв'язаного) звільняють активний центр для інших субстратів.
Для успішного виконання завдання каталізу по обом шляхам активний центр ферменту має бути дуже жорстким - мати чітко зафіксовану у просторі й часі структуру. Для цього, власне, і потрібна твердість глобули, яка несе на собі активний центр. І для цього зовсім не потрібна (навпаки - шкідлива) конформаційна рухливість ферменту. Білковим ферментам деяких простих реакцій (наприклад, протеазам) конформаційна рухливість практично не притаманна. Але ферменти часто мають вирішувати складніше завдання: дискримінувати субстрати - здійснити перетворення лише одного субстрату з певного набору аналогів. Типовий сценарій подій у цьому випадку включає в якості «дійових осіб» принаймні дві структурні
форми ферменту, і, відповідно, його активного центру ). У відкритій формі активний центр має невисоку спорідненість до субстратів певного типу (завдяки чому є можливим швидкий перебір варіантів) і не здатен каталізувати хімічне перетворення. Якщо нарешті зв'язується потрібний субстрат, він спрацьовує як ліганд - індукує перетворення ферменту в закриту форму. Такий процес було названо Кошландом індукованою відповідністю. Закрита форма жорстко фіксує субстрат, каталітичний центр спрацьовує, і здійснюється хімічна реакція. У результаті ліганд змінюється, - і відбувається зворотне перетворення білка у відкриту форму із звільненням продуктів.