42
Глава 2. Ферменты
2.1 Общая характеристика
Ферменты — это высокоэффективные биологические катализаторы химических реакций. По своей химической природе ферменты являются белками (однако способностью катализировать химические реакции обладают и некоторые молекулы РНК).
2.2 Номенклатура ферментов
Каждому ферменту присваиваются 2 наименования: короткое (для удобства применения) и более полное систематическое.
Короткие названия обычно строятся по следующей схеме:
—Название субстрата + суффикс –аза (уреаза, глюкозидаза);
—Описание реакции, катализируемой ферментом (лактатдегидрогеназа,
аденилатциклаза).
Систематические наименования опираются на номенклатуру ферментов, разработанную Комитетом по Номенклатуре Международного Союза по Биохимии и Молекулярной Биологии и содержат полное описание катализируемой реакции, включая наименования всех субстратов: лактат:NAD+ оксидоредуктаза. Каждому ферменту присваивается номер по схеме КФ х.х.х.х (англ. EC x.x.x.x). Например, фермент пируватдегидрогеназа (E1), входящий в состав пируватдегидрогеназного комплекса, имеет номер EC 1.2.4.1.
С полной современной номенклатурой можно ознакомиться на сайте: http://enzyme.expasy.org. Согласно этой номенклатуре, ферменты подразделяют на 6 классов:
1.Оксидоредуктазы катализируют окислительно-восстановительные реакции. В ходе этих реакций один субстрат отдаёт электроны (окисляется), а другой их принимает (восстанавливается). Например, часто в клетке акцептором электронов служит NAD+ (восстанавливается до NADH). Пример реакции:
E + Лактат + NAD+ E + Пируват + NADH + H+
(фермент E — лактатдегидрогеназа)
2.Трансферазы катализируют реакции переноса химических групп между молекулами разных веществ. Этот обширный класс включает в себя несколько подклассов: фосфотрансферазы, гликозилтрансферазы, аминотрансферазы и др. Пример реакции:
E + Аланин + α-Кетоглутарат E + Пируват + Глутамат
(фермент E — аланинтрансаминаза)
Свойства ферментов 43
3.Гидролазы ускоряют гидролитическое расщепление химических связей (с участием молекул воды). Выделяют: эстеразы (гидролиз сложных эфиров), гликозидазы (гидролиз гликозидов), пептид-гидролазы (гидролиз белков и пептидов) и др. Пример реакции:
E + Пирофосфат + H2O → 2 HPO42–
(фермент E — пирофосфатаза)
4.Лиазы катализируют реакции разрыва химических связей без участия воды с образованием двойных связей. В обратной реакции они катализируют добавление групп по двойным связям с их разрывом. Пример реакции:
E + Пируват + H+ → E + Ацетальдегид + CO2
(фермент E — пируватдекарбоксилаза)
5.Изомеразы ускоряют реакции изомеризации, внутримолекулярного переноса химических групп. В этих реакциях участвует только один субстрат, поэтому они одни из самых простых. Пример реакции:
E + Глюкозо-6-фосфат E + Фруктозо-6-фосфат
(фермент E — фосфоглюкоизомераза)
6.Лигазы катализируют образование связей C—C, C—S, C—O, C—N с использованием энергии АТФ (или другого нуклеотида). Например, карбоксилазы добавляют карбоксильную группу к субстрату (карбоксилируют его), при этом расщепляя молекулу АТФ и используя энергию разрыва макроэргической связи для образования новых связей. Пример реакции:
E + Пируват + CO2 + AТФ → E + Оксалоацетат + АДФ + Фн
(фермент — пируваткарбоксилаза)
2.3Свойства ферментов
—Ферменты высокоэффективно ускоряют химические реакции на много порядков (106–1015 раз). Количество молекул субстрата, которое фермент превращает в продукт, обычно составляет 102–104 в секунду.
—Обладают субстратной и каталитической специфичностью. Фермент и суб-
страт формируют связанные комплексы [ES]. Связи между ферментом и субстратом могут быть как ковалентными, так и нековалентными.
—Ферментативные реакции происходят при относительно мягких условиях: температура ниже 100°C, атмосферное давление, почти нейтральные значения pH. Крайние условия наоборот нарушают их активность и структуру.
44 |
Глава 2 |
Ферменты |
—Ферменты обладают способностью к регуляции с помощью аллостери́ческого контроля, ковалентной модификации и изменения концентрации фер-
мента.
—Ферменты способны катализировать одну и ту же реакцию большое количество раз (этим они отличаются от неорганических катализаторов). Т.е. фер-
менты неисчерпаемы.
Рис. 32. Фермент-субстратный комплекс: комплементарность фермента и субстрата зависит от
нековалентных связей. Гидро-
фобные связи изображены в виде буквы h. Водородные связи отмечены пунктиром.
2.4Строение фермента
Все ферменты имеют активный центр — участок молекулы фермента, где происходит катализ химической реакции. Активный центр представляет собой группу радикалов аминокис-
лот, взаимодействующих с субстратом в ходе образования фермент-субстратного комплекса (см. Рис. 32 ). Если взглянуть на первичную структуру фермента, то становится очевидно, что данные аминокислоты расположены далеко друг от друга в полипептидной цепи, однако сворачивание (фолдинг) белковой молекулы фермента обеспечивает их пространственное сближение и активность. В Приложении 2 приводится иллюстрация вышесказанному на примере химотрипсина (фермента, участвующего в переваривании белков в кишечнике).
Некоторые ферменты имеют аллостерический центр, отвечающий за регуляцию их активности. С этим центром связываются аллостерические регуляторы (см. ниже).
2.5 Специфичность ферментов
Представления о специфичности ферментов в настоящее время расширяются
имогут быть представлены следующим образом:
1.Относительная специфичность (или специфичность по химическим свя-
зям): при этом типе специфичности ферменты взаимодействуют с субстратами схожими по структуре и содержащими те же типы химических связей. Примеры:
а. Амилаза расщепляет α-1,4-гликозидные связи в крахмале, декстринах и гликогене.
б. Липаза гидролизует эфирные связи в различных триацилглицеролах.
Специфичность ферментов 45
2.Групповая специфичность (или структурная специфичность): в этом случае фермент специфичен не только к типу химической связи, но и к структурным компонентам молекулы, окружающим её. Примеры:
а. Пепсин (желудочный фермент) — эндопептидаза, гидролизующая пептидные связи внутри белковой молекулы (потому и «эндо-») между ароматическими аминокислотами: фенилаланином, тирозином, триптофаном.
б. Трипсин — эндопептидаза, гидролизующая пептидные связи внутри молекулы белка между осно́вными аминокислотными остатками: лизином, аргинином и гистидином.
в. Химотрипсин — эндопептидаза, гидролизующая пептидные связи внутри молекулы белка между ароматическим аминокислотным остатком и любым другим с карбоксильной «стороны» цепи (т.е. остаток карбоксильной группы в пептидной связи принадлежит ароматической аминокислоте).
г. Аминопептидаза — это экзопептидаза, гидролизующая концевые пептидные связи (между последним и предпоследним аминокислотными остатками) в молекуле белка с его N-конца.
д. Карбоксипептидаза — это экзопептидаза, гидролизующая концевые пептидные связи (между последним и предпоследним аминокислотными остатками) в молекуле белка с его C-конца.
3.Абсолютная специфичность (или субстратная специфичность): фер-
мент взаимодействует строго с одним субстратом. Примеры: а. Уриказа катализирует окисление мочевой кислоты.
б. Аргиназа расщепляет аргинин до орнитина и мочевины.
в. Карбоновая ангидраза расщепляет угольную кислоту до углекислого газа и воды.
г. Лактаза расщепляет лактозу. д. Сахараза расщепляет сахарозу. е. Мальтаза расщепляет мальтозу.
4.Оптическая специфичность (или стереоспецифичность): при этом типе специфичности фермент специфичен не только к субстрату, но и к его пространственной конфигурации. Примеры:
а. Оксидаза L-аминокислот окисляет только L-аминокислоты и не способна связываться с D-аминокислотами.
б. Оксидаза D-аминокислот окисляет только D-аминокислоты и не способна связываться с L-аминокислотами.
в. α-Гликозидаза расщепляет только α-гликозидные связи (в крахмале, декстринах и гликогене).
г. β -Гликозидаза расщепляет только β -гликозидные связи (в целлюлозе). У людей этот фермент отсутствует, поэтому мы не усваиваем целлюлозу
5.Двойная специфичность подразделяется на 2 подтипа:
а. Фермент катализирует одну реакцию для двух различных субстра-
тов. Пример: ксантиноксидаза окисляет ксантин и гипоксантин: