Специфичность ферментов

Способность фермента катализировать определенный тип реакции называют специфичностью. Структура активного центра фермента комплементарна структуре его субстрата. Поэтому фермент из всех имеющихся в клетке веществ выбирает и присоединяет только свой субстрат. Для ферментов характерна специфичность не только по отношению к субстрату, но и в отношении пути его превращения.

У ферментов различают абсолютную, относительную (групповую) и стереохимическую специфичность.

Абсолютная специфичность – избирательная способность фермента катализировать только единственное из возможных превращений одного субстрата. Это можно объяснить конформационной и электростатической комплементарностью молекул субстрата и фермента.

Например, фермент аргиназа катализирует только гидролиз аминокислоты аргинина, фермент уреаза – только расщепление мочевины и не действуют на другие субстраты.

Относительная специфичность (группоспецифичность) – избирательная способность фермента катализировать однотипные превращения сходных по строению субстратов. Такие ферменты оказывают воздействие на одинаковые функциональные группы или на один и тот же тип связей в молекулах субстратов. Так, например, разные гидролитические ферменты действуют на определённый тип связей: амилаза – на гликозидные связи; пепсин и трипсин – на пептидные связи; липаза и фосфолипаза – на сложноэфирные связи. Действие этих ферментов распространяется на большое число субстратов, что позволяет организму обойтись малым количеством пищеварительных ферментов.

Стереохимическая (оптическая) специфичность – избирательная способность фермента катализировать превращение только одного из возможных пространственных изомеров субстрата. Так, большинство ферментов млекопитающих катализирует превращение только L-изомеров аминокислот, но не D-изомеров. Ферменты, участвующие в обмене моносахаридов, наоборот, катализируют превращение только D-, но не L-фосфосахаров. Гликозидазы специфичны не только к моносахаридному фрагменту, но и характеру гликозидной связи. Например, α-амилаза расщепляет α-1,4-гликозидные связи в молекуле крахмала, но не действует на α-1,2-гликозидные связи в молекуле сахарозы.

Изоферменты

Изоферменты (изозимы) – множественные формы ферментов, катализирующие одну и ту же реакцию, но отличающиеся друг от друга по аминокислотному составу, первичной структуре, электрофоретической подвижности, локализации в клетке и органе, сродству к субстрату, кинетическим свойствам. Они выполняют одинаковые биологические функции, но с различной эффективностью, могут присутствовать в разных тканях одного организма, в разных типах клеток одной ткани и даже в одной клетке прокариотического организма, например, в клетках E. coli. Изоферменты играют регуляторную роль в обмене веществ и позволяют метаболизму в разных тканях лучше приспосабливаться к действию внутренних и внешних факторов.

Примером фермента, у которого были обнаружены такие формы, может служить лактатдегидрогеназа, катализирующая обратимое восстановление пирувата в лактат, в которой в роли восстановителя выступает NADH.

Лактатдегидрогеназа (ЛДГ) присутствует в тканях животных в виде пяти разных изоферментов, которые различаются на уровне четвертичной структуры. Молекула ЛДГ состоит из четырех протомеров двух типов, Н (от англ. heart – сердце) и М (от англ. muscle – мышца), которые различаются по аминокислотному составу и последовательности аминокислот. Каталитической активностью обладает только тетрамерная молекула. Пять изоферментов ЛДГ имеют следующий полипептидный состав: ЛДГ₁ – (Н₄); ЛДГ₂ – (Н₃М); ЛДГ₃ – (Н₂М₂); ЛДГ₄ – (НМ₃); ЛДГ₅ – (М₄). Различные ткани человека имеют свои характерные изоферментные спектры. В сердечной мышце и почках наиболее высокой активностью обладают изоферменты ЛДГ₁ и ЛДГ₂. В печени и скелетной мускулатуре максимальны ЛДГ₅. В селезенке, поджелудочной железе, щитовидной железе, надпочечниках – ЛДГ₃.

В тканях, в которых преобладает аэробный распад глюкозы, присутствуют обычно ЛДГ₁ и ЛДГ₂, для которых характерно низкое сродство к пирувату. Поэтому они не могут эффективно конкурировать за пировиноградную кислоту с пируватдегидрогеназным комплексом. В результате пируват подвергается преимущественно окислительному декарбоксилированию и образующийся в этой реакции ацетил-CоА «сгорает» в цикле трикарбоновых кислот. В тканях, где доминирует анаэробный гликолиз, присутствуют изоферменты с высоким сродством к пирувату: ЛДГ₄ и ЛДГ₅. В них пируват расходуется преимущественно в лактатдегидрогеназной реакции.