В XIX в., когда были выделены различ­ные ферментные препараты и описа­ны удивительные свойства фермен­тов, учёные не могли не задуматься: а каким же образом работают фер­менты? Чему они обязаны своей спо­собностью ускорять реакции и столь поразительной избирательностью?

В 1894 г. немецкий химик Эмиль Герман Фишер начал цикл работ по изучению действия ферментов. В ре­зультате он пришёл к выводу, что между ферментом и субстратом (так называют реагирующее вещество) должно существовать соответствие молекулярных конфигураций, подоб­ное сходству конфигураций замка и ключа. Эта яркая и наглядная картин­ка хорошо объясняет специфичность действия ферментов: в самом деле, к замку подходит только определённый ключ. Что считать «замком», а что «ключом» — неважно. Важно лишь то, что «выемки» и «выступы» в структу­рах фермента и субстрата подходят друг другу уникальным образом. «Ключ, вставленный в замок», т. е. суб­страт, связанный с ферментом, назы­вают промежуточным фермент-суб­стратным комплексом.

Схема, предложенная Фишером, живёт уже более ста лет и не стареет. Но, к сожалению, она объясняет не всё. Если «ключику» так удобно лежать в «замочной скважине», почему он превращается во что-то другое? Ведь тогда соответствие конфигураций неизбежно нарушается. Чтобы ис­толковать это, были предложены раз­ные уточнения модели Фишера.

В 1925 г. шведский биохимик Ханс Карл Август Симон фон Эйлер (1873— 19б4) выдвинул теорию деформации субстрата, названную «теорией дыбы». Эйлер предположил, что соответствие конфигураций между ферментом и

субстратом неполное: для того чтобы присоединиться к ферменту, субстрат должен «растянуться». Другими слова­ми, «ключ» не железный, а скорее ре­зиновый — он способен подстраи­ваться под «замок». При растягивании молекулы субстрата связь ослабевает, и облегчается её разрыв.

Этой схеме отвечают реакции, происходящие с разрывом связей (на­пример, отщепление остатка фос­форной кислоты от аденозинтрифосфата). Однако остаётся непонятным, как работают ферменты, не рвущие, а образующие новые связи, допустим при удвоении ДНК.

К разгадке образования связи меж­ду молекулами двух субстратов учёные подошли с другой стороны. Для того чтобы такая связь возникла, субстраты прежде всего должны оказаться рядом, причём в заданном положении друг относительно друга. Здесь работает механизм «ключа и замка», вот только для одного «замка»-фермента одновре­менно требуется два «ключика»-субстрата. А дальше? Дальше происходит нечто прямо противоположное «тео­рии дыбы». «Усевшись» на фермент, субстраты изменяют его пространст­венную структуру. Под влиянием но­вого распределения зарядов и геомет­рических факторов гибкая белковая молекула фермента деформируется, ещё больше сближая реагенты, а тем временем каталитические группы фермента делают своё дело.

На самом деле абсолютно жёстких молекул не бывает: свою форму меняют и фермент, и субстраты. При этом создаётся удобная для ка­тализа конформация промежуточ­ного фермент-субстратного комп­лекса, т. е. определённое взаимное расположение частей молекул, соста­вляющих этот комплекс.