Ферменты 1. ПОНЯТИЕ О ФЕРМЕНТАХ

Ферменты (энзимы) биологические катализаторы белковой природы, которые синтезируются в клетках живых орагнизмов и используются живыми организмами для многих взаимосвязанных химических реакций, включая синтез, распад и взаимопревращение огромного множества разнообразных химических соединений. Жизнь и многообразие ее проявлений – сложная совокупность химических реакций, катализируемых специфическими ферментами.

Осн. функции ферментов- ускорять превращение веществ, поступающих в организм и образующихся при метаболизме (для обновления клеточных структур, для обеспечения его энергией и др.), а также регулировать биохимические процессы (например реализацию генетической информации), в т. ч. в ответ на изменяющиеся условия.

От неорганических катализаторов ферменты отличаются рядом характерных особенностей.

1. Прежде всего ферменты чрезвычайно эффективны, то есть скорость ферментативных реакций выше, чем реакций, катализируемых неорганическими катализаторами в условиях умеренной  температуры (температура тела), нормального давления и в области близких к нейтральным значениям рН среды.

2. Ферменты по своей химической природе белки, катализаторы - неорганика. Ферменты подвержены регуляции (есть активаторы и ингибиторы ферментов) , неорганические катализаторы работают нерегулируемо.

3. Ферментативные реакции протекают только в физиологических условиях, т. к. работают внутри клеток, тканей и организма (это определенные значения температуры, давления и рН).

4. Ферменты – высокомолекулярные белковые тела, они довольно специфичны. Ферменты способны катализировать всего лишь один-единственный тип реакции. Они являются катализаторами биохимических реакций. Неорганические катализаторы ускоряют разные реакции.

5. Ферменты могут действовать в конкретном узком температурном интервале, определенном давлении и кислотности среды.

6. Ферментативные реакции обладают высокой скоростью.

Свойства ферментов.

1. Ферменты отличаются высокой специфичностью (избирательностью)  действия в отношении как химической природы субстрата, так и типа реакции, т.е. каждый фермент катализирует в основном только определенную химическую реакцию.

2. Для каждого фермента характерны специфическая последовательность расположения аминокислотных остатков и пространственная конформация.

3. Существенной особенностью ферментовявляется также то, что их активность в клетках строго контролируется как на генетическом уровне, так и посредством определенных низкомолекулярных соединений, в частности субстратов и продуктов реакций, катализируемых этими же ферментами, ингибиторов и др. Таким образом, молекула фермента характеризуется уникальностью структуры, которая и определяет уникальность ее функции.

4. Ферменты повышают свойства химических реакций, но не входят в состав их продуктов.

5. Ферменты не смещают положение равновесия, а лишь ускоряют его.

6. Ферменты ускоряют как прямую, так и обратную реакцию.

7. Ферментативная активность зависит от температуры (повыш. в 2-4 р на каждые 10 С) рН - среды.

8.Активность ферментов может меняться под влиянием хим. соединений: активаторов (ускоряют) или ингибиторов (замедляют).

9. Ферменты обеспечивают протекание только тех реакций, которые возможны согласно закону термодинамики.

2. Строение ферментов

Ферменты бывают простые и сложные. Простые (однокомпонентные) представлены только белковой частью и при гидролизе распадаются исключительно на аминокислоты. Такими ферментами  (простые белки) являются гидролитические ферменты, в частности  пепсин, трипсин, папаин, уреаза, лизоцим, рибонуклеаза, фосфатаза и др.

Большинство природных ферментов относится к классу сложных белков (двухкомпонентные), они содержатв своем составе белковую часть (апофермент) и какую-либо небелковую часть (кофермент), присутствие которого является абсолютно необходимым для каталитической  активности. Кофакторы могут иметь различную химическую природу и различаться по прочности связи с полипептидной цепью.

Полипептидную (белковую) часть фермента принято называть апоферментом.

Предполагают, что простетическая группа может быть связана с белком ковалентными и не ковалентными связями. Так, в молекуле ацетилкоэнзим-А-карбоксилазы кофактор биотин ковалентно связан с апоферментом посредством амидной связи. С другой стороны, химические связи между кофакторами и пептидными цепями могут быть относительно слабыми (например, водородные связи, электростатические взаимодействия  и др.).

Роль кофермента (Ко) в качестве переносчика, например, атомов водорода может быть представлена в виде схемы, где SH – субстрат, КоЕ – холофермент, А – акцептор протона:

Субстрат подвергается окислению, отдавая электроны и протоны, а КоЕ – восстановлению, принимаяэлектроны и протоны. В следующей полуреакции восстановленный КоЕН может отдавать электроны и протоны на какой-либо другой промежуточный переносчик  электронов и протонов или на конечный акцептор.

Следует отметить одну отличительную особенность двухкомпонентных ферментов: ни кофактор отдельно (включая большинство коферментов), ни сам по себе апофермент  каталитической активностью не наделены, и только их объединение в одно целое, протекающее не хаотично, а в соответствии с программой их структурной организации, обеспечивает быстрое протекание химической реакции.

Разнообразие ферментов. Огромное разнообразие химических реакций, протекающих в клетках всех организмов. Ускорение каждой химической реакции особым ферментом. Тысячи химических реакций в клетке, их ускорение несколькими тысячами различных ферментов. Так, каждую реакцию обмена веществ катализирует своя группа ферментов: многочисленные реакции пластического обмена — одна группа ферментов, а реакции энергетического обмена — другая группа ферментов.

Специфичность ферментов.

Ферменты обладают высокой специфичностью действия. Это свойство часто существенно отличает их от неорганических катализаторов. Так, мелкоизмельченные  платина  и палладий могут катализировать восстановление (с участием молекулярного водорода) десятков тысяч химических соединений различной структуры. Высокая специфичность ферментов обусловлена, как было отмечено, конформационной и электростатической  комплементарностью  между  молекулами субстрата и фермента и уникальной структурной организацией активного центра, обеспечивающими «узнавание», высокое сродство и избирательность протекания одной какой-либо реакции из тысячи других химических реакций, осуществляющихся одновременно в живых клетках.

В зависимости от механизма действия различают ферменты с относительной (или групповой) и абсолютной специфичностью. Так, для действия некоторых гидролитических  ферментов наибольшее значение имеет тип химической связи в молекуле субстрата. Например, пепсин в одинаковой степени расщепляет белки животного и растительного происхождения, несмотря на то что эти белки существенно отличаются друг от друга как по химическому строению и аминокислотному составу, так и по физико-химическим свойствам. Однако пепсин не расщепляет ни углеводы, ни жиры. Объясняется это тем, что точкой приложения, местом действия пепсина является пептидная —СО—NH-связь.

Абсолютной специфичностью действия называют способность фермента катализировать превращение только единственного субстрата. Любые изменения (модификации) в структуре субстрата делают его недоступным для действия фермента. Примерами таких ферментов могут служить аргиназа, расщепляющая в естественных условиях (в организме) аргинин, уреаза, катализирующая распад мочевины, и др.

Под активным центром подразумевают уникальную комбинацию аминокислотных остатков в молекуле фермента, обеспечивающую непосредственное связывание ее с молекулой субстрата и прямое участие в акте катализа. Установлено, что у сложных ферментов в состав активного центра входят также простетические группы.

Структура активного центра:

1. участок, связывающий субстрат (с помощью водородных или дипольных взаимодействий)

2. каталитически активный участок (в состав входят хим группы, которые берут участие в превращении субстрата)

Помимо активного центра, в молекуле фермента может присутствовать также аллостерический центр (или центры) представляющий собой участок  молекулы  фермента, с которым связываются определенные, обычно низкомолекулярные, вещества (эффекторы, или модификаторы), молекулы которых отличаются по структуре от  субстратов. Присоединение эффектора к аллостерическому центру изменяет третичную и часто также четвертичную структуру молекулы фермента и соответственно конфигурацию активного центра, вызывая снижение или повышение энзиматической активности.  Ферменты, активность каталитического центра которых подвергается изменению под влиянием аллостерических эффекторов, связывающихся с аллостерическим центром, получили название аллостерических ферментов.

Рис. 4.4. Схематическое изображение аллостерического фермента, состоящего из двух протомеров, соединенных по типу гетерологической («голова»-«хвост») ассоциации (по Кошленду). S – субстрат; М₁ – модификатор, связывающийся в активном центре; М₂ – модификатор, связывающийся в аллосте-рическом центре (эффектор).