Раздел 4. Инженерная энзимология

Ферменты как биологические катализаторы

Многочисленные биохимические реакции в живых организмах протекают в мягких условиях при температурах, близких к 40 С, и значениях рН, близких к нейтральным. В этих условиях скорости протекания большинства реакций ничтожно малы, поэтому для их приемлемого осуществления необходимы специальные биологические катализаторы – ферменты (fermentum – закваска) или энзимы (enzume – в дрожжах).

В 1946 году Самнер и Нортрон получили Нобелевскую премию за выделение в кристаллическом виде первого фермента - уреазы. Так было бесспорно доказано, что биологические катализаторы представляют собой белки.

Ферменты обладают высокой специфичностью по отношению к субстрату, т.е. тому соединению, превращение которого он ускоряет. Контакт фермента с субстратом происходит с помощью активного центра. Обычно это небольшая часть молекулы фермента, в которой выделяют две зоны: связывающую и каталитическую.

Сегодня мы знаем, что ферменты, или энзимы, катализируют миллионы химических превращений в клетках животных, растений, микроорганизмов и воздействуют на соответствующие субстраты вне клетки. При помощи ферментов получают ряд продуктов: фруктозный сироп, аминокислоты, медикаменты, да и сами ферменты служат медикаментами. Ферменты используются в пищевой промышленности и во многих областях деятельности человека.

Строение ферментов

В 1963 г. была расшифрована первичная структура лизоцима -фермента животного происхождения. Было установлено, что этот белок состоит из 129 аминокислот.

Часть ферментов представляет собой сложные белки (протеиды), содержащие кроме белковой части (апофермента) небелковую (простетическую часть или кофермент). В качестве кофермента обычно выступают витамины или ионы металлов.

Во многих случаях коферментами являются витамины. Так, в состав пируватдекарбоксилазы, катализирующей образование уксусной кислоты из пировиноградной кислоты, входит тиамин (витамин В₁). В состав дегидрогеназ часто входит рибофлавин (витамин Вз); в состав аминотрансфераз - пиридоксальфосфат. Функцию простетических групп в молекуле ферментов иногда могут выполнять комплексы, содержащие ионы металлов. Считают, что при соединении фермента с субстратом металлы сближают последний с каталитическим центром фермента, обеспечивая начало реакций, или непосредственно участвуют в процессе переноса электронов. Известно, по меньшей мере, 15 ионов металлов, в том числе микроэлементов, активирующих ферменты.

Ферменты синтезируются, как все белки, на рибосомах и локализуются в цитоплазме и в различных субструктурах, встроенных в мембраны; находятся на поверхности клетки или окружающей клетку среде.

Перед контактированием с ферментом в молекуле субстрата происходят некоторые изменения формы, которая точно «подгоняется» к форме активного центра фермента по принципу «ключа и замка».

Эту мысль выдвинул в 1958 г. Д. Кошланд. Он отмечает индуцированное соответствие субстрата и фермента («рука и перчатка»). Гипотеза Д. Кошланда сегодня доказана и заменила принцип «ключа и замка» Э. Фишера, постулированный в 1894г.

Виды и свойства ферментов

Всего известно около 3 000 различных ферментов, их делят на 6 классов.

Таблица

Основные классы ферментов

Наименование	Катализируемые реакции	Примеры
Оксидоредуктазы	Восстановительные и окислительные процессы	Глюкозооксидаза, каталаза, алкоголь- дегидрогеназа
Трансферазы	Перенос различных химических групп от одного субстрата к другому	Протеинкиназа, гликогенфосфорилаза, пируваткиназа
Гидролазы	Гидролитическое расщепление химических связей субстратов	Протеазы, амилазы, целлюлазы
Лиазы	Отщепление химической группы с образованием двойной связи или, например, присоединение химической группы по двойной связи	Аспартаза, фумараза
Изомеразы	Изменения в пределах молекулы субстрата	Глюкозоимераза, триозофосфатизомераза
Лигазы (синтетазы)	Соединение молекул субстрата с использованием высокоэнергетических соединений, например, АТФ	ДНК-лигаза, трипто-фансинтетаза