ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ И ИЗУЧЕНИЕ ФЕРМЕНТОВ

Первое научное представление о ферментах было дано еще

в 1814 г. петербургским ученым К.С. Кирхгофом, который показал, что не только проросшие зерна ячменя, но и экстракты из солода способны

осахаривать крахмал с превращением его в мальтозу. Вещество, извлекае-

мое из проросшего ячменя и обладающее способностью превращать крах-

мал в мальтозу, получило название амилазы. Ю. Либих и Ф. Велер от-

крыли агент, расщепляющий амигдалин, содержащийся в эфирном масле

горького миндаля. Этот агент был назван эмульсином. В последующие

годы были описаны другие ферменты, в частности пепсин и трипсин,

вызывающие распад (гидролиз) белков в пищеварительном тракте.

Наибольшее внимание исследователей привлекали процессы окисления

в организме. Уже был известен феномен химического катализа, означаю-

щий, что многие реакции in vitro протекают быстро и энергично в при-

сутствии ничтожных количеств примесей, как будто не участвующих в реак-

ции. Так, была установлена большая каталитическая роль ряда неорга-

нических веществ. Горение глюкозы на воздухе, например, протекает очень

медленно, а если добавить немного солей лития (или золы, также содержа-

щей ничтожные количества лития), то горение идет весьма интенсивно:

С6Н12О6 + 6O2 –> 6СO2 + 6Н2O.

Известно, что в живых организмах «горение» (а точнее, окисление)

углеводов также протекает быстро и до тех же конечных продуктов обмена,

т.е. СО2

и Н2О, с выделением (и накоплением) энергии. Однако это

«горение» происходит при относительно низкой температуре, без пламени

и, что особенно интересно, в присутствии воды. Разумеется, в этих необыч-

ных условиях без действия ферментов, получивших наименование биоло-

гических катализаторов , не было бы окисления углеводов. Забегая

несколько вперед, укажем, что в процессе превращения (окисления) глю-

козы в организме до СО2

и Н2О участвует последовательно около 15

различных ферментов (см. главу 10).

Биологические катализаторы, т.е. ферменты, как оказалось, не вызы-

вают в отличие от неорганических катализаторов каких-либо побочных реакций и не участвуют в реакциях, невозможных по термодинамическим

условиям; и те, и другие катализаторы только ускоряют химические

реакции, обычно протекающие очень медленно. Примером может служить

реакция расщепления перекиси водорода на кислород и воду, медленно

протекающая в отсутствие катализатора. При добавлении мелкораздроб-

ленной платины скорость этой реакции резко возрастает:

Эта же реакция будет протекать намного быстрее в присутствии фермен-

та каталазы, содержащейся, в частности, в эритроцитах, причем образуются

те же конечные продукты распада перекиси водорода.

Таким образом, можно считать установленным, что ферменты ката-

лизируют ряд химических реакций, аналогичных химическим реакциям,

катализируемым неорганическими веществами. Более того, считается ус-

тановленным, что любую из протекающих в живых организмах (или

клетках) химическую реакцию можно в принципе осуществить вне орга-

низма (или вне клетки), если экспериментатору удается выделить соот-

ветствующий фермент (или систему ферментов), катализирующий данную

реакцию, и создать оптимальные условия для его действия.

Горизонты энзимологии. В литературе появляются работы, в которых

делаются попытки прогнозирования дальнейшего развития энзимологии на

ближайшее десятилетие. Перечислим основные направления исследований

энзимологии будущего. Во-первых, это исследования более тонких деталей

молекулярного механизма и принципов действия ферментов в соответствии

с законами классической органической химии и квантовой механики,

а также разработка на этой основе теории ферментативного катализа.

Во-вторых, это изучение ферментов на более высоких уровнях (надмоле-

кулярном и клеточном) структурной организации живых систем, причем не

столько отдельных ферментов, сколько ферментных комплексов в сложных

системах. В-третьих, исследование механизмов регуляции активности и

синтеза ферментов и вклада химической модификации в действие фермен-

тов. В-четвертых, будут развиваться исследования в области создания

искусственных низкомолекулярных ферментов – синзимов (синтетические

аналоги ферментов), наделенных аналогично нативным ферментам высокой

специфичностью действия и каталитической активностью, но лишенных

побочных антигенных свойств. В-пятых, исследования в области инже-

нерной энзимологии (белковая инженерия), создание «гибридных» ката-

лизаторов, сочетающих свойства ферментов, антител и рецепторов, а также

создание биотехнологических реакторов с участием индивидуальных фер-

ментов или полиферментных комплексов, обеспечивающих получение и

производство наиболее ценных материалов и средств для народного хо-

зяйства и медицины. Наконец, исследования в области медицинской эн-

зимологии, основной целью которых является выяснение молекулярных

основ наследственных и соматических болезней человека, в основе развития

которых лежат дефекты синтеза ферментов или нарушения регуляции

активности ферментов.

 Особенности ферментативного катализа. 1. Белковая природа катализатора

2. Исключительно высокая эффективность. Эффективность биологического катализа превышает эффективность неорганического в 10⁹ - 10¹²

3. Исключительно высокая специфичность:

а) абсолютная, когда фермент работает только со своим субстратом (фумараза с транс-изомерами фумаровой кислоты и не будет с цис-изомерами);

б) групповая - специфичен для узкой группы родственнных субстратов (ферменты ЖКТ).

4. Работает в мягких условиях (t=37, рН 7.0, определенные осмолярность и солевой состав).

5. Многоуровневая регуляция: регуляция активности на уровне условий среды, на уровне метаболона, на генетическом уровне, тканевом, клеточном, с помощью гормонов и медиаторов, а также с помощью субстратов и продуктов той реакции, которую они катализируют.

6. Кооперативность: ферменты способны организовывать ассоциации - продукт 1-го фермента, является субстратом для 2-го; продукт 2-го - субстратом для 3-го и т.д.

Кроме того, ферменты обладают адаптивностью, т. е. могут изменять свою активность и образовывать новые ассоциации.

7. Способны катализировать как прямую так и обратную реакцию. Направление реакции для многих ферментов определяется соотношением действующих масс.

8. Катализ жестко расписан, т. е. происходит поэтапно.

КЛАССИФИКАЦИЯ И НОМЕНКЛАТУРА ФЕРМЕНТОВ Каждый фермент имеет 2 названия. Первое - короткое, так называемое рабочее, удобное для повседневного использования. Второе (более полное) - систематическое, применяемое для однозначной идентификации фермента.а. рабочее названиеВ названии большинства ферментов содержится суффикс «аза», присоединённый к названию субстрата реакции, например уреаза, сахараза, липаза, нуклеаза или к названию химического превращения определённого субстрата, например лактатдегидрогеназа, аденилатциклаза, фос-фо-глюкомутаза, пируваткарбоксилаза. Согласно российской классификации ферментов (КФ), названия ферментов пишутся слитно. Однако в употреблении сохранился ряд тривиальных, исторически закреплённых названий ферментов, которые не дают представления ни о субстрате, ни о типе химического превращения, например трипсин, пепсин, ренин, тромбин.б. классы ферментовМеждународный союз биохимии и молекулярной биологии в 1961 г. разработал систематическую номенклатуру, согласно которой все ферменты разбиты на 6 основных классов в зависимости от типа катализируемой химической реакции. Каждый класс состоит из многочисленных подклассов и подподклассов с учётомпреобразуемой химической группы субстрата, донора и акцептора преобразуемых группировок, наличия дополнительных молекул и т.д. Каждый из 6 классов имеет свой порядковый номер, строго закреплённый за ним.1. ОксидоредуктазыКатализируют различные окислительно-восстановительные реакции с участием 2 субстратов (перенос е^-или атомов водорода с одного субстрата на другой).Систематическое наименование ферментов составляют по формуле «донор: акцептор-ок-сидоредуктаза», рабочее - субстрат-подкласс оксидоредуктаз.Дегидрогеназы. В этот подкласс входят ферменты, катализирующие реакции дегидрирования (отщепления водорода). В качестве акцепторов электронов используются ко-ферменты NAD⁺, NADP⁺, FAD, FMN (см. ниже). Все ферменты этой группы обладают высокой субстратной специфичностью. Пример реакции:

Оксидазы. Акцептором электрона служит молекулярный кислород. Пример реакции, катализируемой цитохромоксидазой:

Оксигеназы (гидроксилазы) - атом кислорода из молекулы кислорода присоединяется к субстрату. Пример реакции:

2. Трансферазы

Катализируют перенос функциональных групп от одного соединения к другому. Подразделяют в зависимости от переносимой группы.

Название этих ферментов составляют по формуле «донор: акцептор-транспортируемая груп-па-трансфераза». К классу трансфераз относят аминотрансферазы, ацилтрансферазы, метил-транс-феразы, гликозилтрансферазы, киназы (фосфо-трансферазы). Примеры реакций (см. схему А на след. стр.).

3. Гидролазы

Катализируют реакции гидролиза (расщепления ковалентной связи с присоединением молекулы воды по месту разрыва). Подразделяют в зависимости от расщепляемой связи.

Наименование ферментов составляют по формуле «субстрат-гидролаза» или прямым присоединением к названию субстрата суффикса «аза», например протеаза, липаза, фосфолипаза, рибонуклеаза. Пример реакции (см. схему Б на след. стр.).

Для отдельных классов гидролаз применимы специальные термины, характеризующие гидролиз определённой химической связи: эстеразы, фосфатазы и др.

4. ЛиазыК лиазам относят ферменты, отщепляющие от субстратов негидролитическим путём определённую группу (при этом могут отщепляться СО₂, Н₂О, NH₂, SH₂ и др.) или присоединяющие чаще всего молекулу воды по двойной связи. Наименование ферментов составляют по формуле «субстрат-отщепляемая или присоединяемая группировка». Примеры реакций (см. схему В на след. стр.).

5. ИзомеразыКатализируют различные внутримолекулярные превращения. Подразделяют в зависимости от типа реакции изомеризации.Как общее название ферментов этого класса применяют термин «изомеразы», например (см. схему А на след. стр.).Изомеразы могут катализировать внутримолекулярные окислительно-восстановительные реакции, осуществляя взаимопревращения альдоз и кетоз, кетонных и енольных групп, перемещения двойных связей внутри молекулы (см. схему Б на след. стр.).Когда изомеризация состоит во внутримолекулярном переносе группы, фермент называют«мутазой», например (см. схему В на след. стр.).6. Лигазы (синтетазы)Катализируют реакции присоединения друг к другу двух молекул с образованием ковалент-ной связи. Этот процесс сопряжён с разрывом фосфоэфирной связи в молекуле АТФ (или других нуклеозидтрифосфатов) или с разрывом макроэргических связей других соединений. В первом случае (при использовании энергии гидролиза АТФ) такие ферменты называют лигазами, или синтетазами (см. схему Г на след. стр.).В случае, когда источником энергии служит любое другое макроэргическое соединение (не

АТФ), ферменты называют синтазами (см. схему А на след. стр.).в. систематическое названиеВ соответствии с классификацией каждый фермент получил систематическое название, однозначно характеризующее катализируемую им химическую реакцию. Например, D-гли-церальдегид-3-фосфат: NAD-оксидоредуктаза (рабочее название - глицеральдегидфосфат дегидрогеназа). Из названия фермента следует, что субстратом этого фермента служит D-глице-ральдегид-3-фосфат, тип катализируемой реак-

ции - окислительно-восстановительная в присутствии кофермента NAD⁺.В 1972 г. комиссией по номенклатуре биохимических соединений Международного союза теоретической и прикладной химии были предложены «Правила номенклатуры ферментов», имеющие кодовое четырёхзначное цифровое обозначение, где первая цифра обозначает класс фермента, вторая цифра (подкласс) уточняет преобразуемую группировку, третья (подпод-класс) - уточняет дополнительных участников реакции (например, донора и акцептора) и четвёртая - порядковый номер фермента в данной подгруппе. Так, фермент

малатдегидрогеназа имеет систематическое название L-малат: NAD-оксидоредуктаза и кодовый шифр 1.1.1.38. Шифр означает, что этот фермент относят к первому классу ферментов - оксидоредуктаз, окисляемая группа - гидро-ксильная группировка (1) в присутствии кофер-мента NAD⁺ (1) и порядковый номер фермента в этой подгруппе - 38. Кодовую номенклатуру ферментов в основном используют в научной литературе.

Химическая природа ферментов

Ферменты могут иметь все четыре уровня структурной организации: первичную, вторичную, третичную и четвертичную. Большинство ферментов имеют четвертичную структуру.

По химической природе фермент могут быть белками простыми (ферменты протеины) и сложными (ферменты протеиды).

Каталитическая функция ферментов определяется наличием одного или нескольких активных центров.

Активный центр – это участок в пространственного структуре фермента, с которым связывается субстрат и подвергается химическому превращению. Число активных центров может быть равно числу субъединиц в четвертичной структуре фермента, т.е. сколько субъединиц (протомеров), столько активных центров.

В активном центре условно выделяют два участка:

 - контактный (якорный или субстратный), отвечающий за специфичность связывания субстрата (узнавание);

 - каталитический, где происходит химическое превращение субстрата после его связывание (сначала фермент узнает субстрат, притягивает его, затем субстрат располагается в этом активном центре.

Структурная организация фермента

1. Особенности образования активного центра у ферментов протеинов (простых белковых ферментов).

Обычно он образован 12-16 аминокислотными остатками полипептидной цепи. Иногда их число больше. Аминокислоты, формирующие активный центр, находятся в разных местах полипептидной цепи. При пространственной укладки белка-фермента (в третичную структуру), они сближаются и образуют активный центра.

Приблизительно 1/2 – 1/3 аминокислот фермента прямо или косвенно участвуют в работе активного центра.

2. Особенности образования активного центра у ферментов-протеидов (сложных белков-ферментов).

Протеиды состоят из:

Апофермент (белковая часть) + кофактор (небелковая часть) = холофермент (активный комплекс).

Кофактор (или простетическая группа) чаще всего предствавлен витаминами или ионами металлов.

Холофермент в диссоциированном состоянии неактивен.

У ферментов-протеидов главную роль в катализе играют кофакторы, а боковые радикалы аминокислот и их функциональные группы в апоферменте отвечают за специфичность связывания с субстратом и регуляторами (активаторами и ингибиторами) Таким образом, якорный участок активного центра и регуляторные центры находятся в апоферменте.

Кинетика ферментативных реакций – этот раздел энзимологии изучает зависимость скорости ферментативной реакции от условий взаимодействий субстрата с ферментом (в том числе от факторов среды). Основы были заложены в работах Михаэлиса и Ментен.

Скорость ферментативной реакции определяется количеством вещества (субстрата), которое превращается в единицу времени.

Скорость является мерой способности фермента катализировать реакцию и обозначается как активность фермента.

Измерить активность фермента можно только косвенно: по концентрации превращаемого субстрата или нарастанию концентрации продукта в единицу времени.

Скорость ферментативной реакции зависит от:

1. концентрации субстрата;

2. концентрации фермента;

3. реакции характера рН-среды;

4. температуры

Зависимость скорости ферментативной реакции от температуры.

В определенном ограниченном интервале температур скорость ферментативной реакции увеличивается с ростом температуры. Повышение скорости реакции по мере приближения к оптимальной температуре (от 0 до 40°С) объясняется увеличением кинетической энергии реагирующих молекул. При дальнейшем увеличении температуры кинетическая энергия молекулы фермента становиться достаточной для разрыва связей, поддерживающих вторичную, третичную и четвертичную структуру фермента в нативном состоянии. Это приводит к тепловой денатурации фермента.

При низкой температуре происходит обратимая инактивация фермента, т.к. наблюдаются незначительные изменения конформации активного центра фермента.

Фермент имеет белковую природу, поэтому температура на него, влияет также как на белок (повышении температуры приводит к денатурации).

Однокомпонентные и двукомпонентные ферменты. Примеры.

Все ферменты можно условно разделить на две группы: однокомпонентные и двухкомпонентные.

Однокомпонентные ферменты состоят только из белка. Примерами однокомпонентных ферментов могут служить пепсин и папаин.

Двухкомпонентные ферменты состоят из белковой части, или апофермента, и небелковой, или кофермента. Примерами двухкомпонентных ферментов являются: каталаза.

Биологическая активность проявляется у двухкомпонентного фермента лишь в случае присоединения кофермента к белку, по отдельности каждая из частей двухкомпонентного фермента ею не обладает.

Каждый фермент имеет свой активный центр. Активным центром однокомпонентного фермента являются некоторые химические группы белковой молекулы. В активный центр двухкомпонентного фермента входит кофермент.

Среди коферментов встречаются витамины, нуклеотиды, металлы. Важная роль витаминов, которую они играют в питании человека, связана именно с тем, что они входят в состав ряда ферментов. По этой же причине ионы ряда металлов в микроколичествах являются необходимыми для человека.

Белковая часть фермента определяет специфичность его действия. Один и тот же кофермент может входить в состав разных ферментов. Такие ферменты будут отличаться своей специфичностью.

Структурная организация фермента

1. Особенности образования активного центра у ферментов протеинов (простых белковых ферментов).

Обычно он образован 12-16 аминокислотными остатками полипептидной цепи. Иногда их число больше. Аминокислоты, формирующие активный центр, находятся в разных местах полипептидной цепи. При пространственной укладки белка-фермента (в третичную структуру), они сближаются и образуют активный центра.

Приблизительно 1/2 – 1/3 аминокислот фермента прямо или косвенно участвуют в работе активного центра.

2. Особенности образования активного центра у ферментов-протеидов (сложных белков-ферментов).

Протеиды состоят из:

Апофермент (белковая часть) + кофактор (небелковая часть) = холофермент (активный комплекс).

Кофактор (или простетическая группа) чаще всего предствавлен витаминами или ионами металлов.

Холофермент в диссоциированном состоянии неактивен.

У ферментов-протеидов главную роль в катализе играют кофакторы, а боковые радикалы аминокислот и их функциональные группы в апоферменте отвечают за специфичность связывания с субстратом и регуляторами (активаторами и ингибиторами) Таким образом, якорный участок активного центра и регуляторные центры находятся в апоферменте.

Кинетика ферментативных реакций – этот раздел энзимологии изучает зависимость скорости ферментативной реакции от условий взаимодействий субстрата с ферментом (в том числе от факторов среды). Основы были заложены в работах Михаэлиса и Ментен.

Скорость ферментативной реакции определяется количеством вещества (субстрата), которое превращается в единицу времени.

Скорость является мерой способности фермента катализировать реакцию и обозначается как активность фермента.

Измерить активность фермента можно только косвенно: по концентрации превращаемого субстрата или нарастанию концентрации продукта в единицу времени.

Скорость ферментативной реакции зависит от:

1. концентрации субстрата;

2. концентрации фермента;

3. реакции характера рН-среды;

4. температуры

Зависимость скорости ферментативной реакции от температуры.

В определенном ограниченном интервале температур скорость ферментативной реакции увеличивается с ростом температуры. Повышение скорости реакции по мере приближения к оптимальной температуре (от 0 до 40°С) объясняется увеличением кинетической энергии реагирующих молекул. При дальнейшем увеличении температуры кинетическая энергия молекулы фермента становиться достаточной для разрыва связей, поддерживающих вторичную, третичную и четвертичную структуру фермента в нативном состоянии. Это приводит к тепловой денатурации фермента.

При низкой температуре происходит обратимая инактивация фермента, т.к. наблюдаются незначительные изменения конформации активного центра фермента.

Фермент имеет белковую природу, поэтому температура на него, влияет также как на белок (повышении температуры приводит к денатурации). Понятие об активном, аллостерическом центрах.

В составе фермента выделяют области, выполняющие различную функцию:

1. Активный центр – комбинация аминокислотных остатков (обычно 12-16), обеспечивающая непосредственное связывание с молекулой субстрата и осуществляющая катализ. Аминокислотные радикалы в активном центре могут находиться в любом сочетании, при этом рядом располагаются аминокислоты, значительно удаленные друг от друга в линейной цепи.

У ферментов, имеющих в своем составе несколько мономеров, может быть несколько активных центров по числу субъединиц. Также две и более субъединицы могут формировать один активный центр.

У сложных ферментов в активном центре обязательно расположены функциональные группы кофактора.

В свою очередь в активном центре выделяют два участка:

• якорный (контактный, связывающий) – отвечает за связывание и ориентацию субстрата в активном центре,

• каталитический– непосредственно отвечает за осуществление реакции.

Схема строения ферментов

2. Аллостерический центр(allos – чужой) – центр регуляции активности фермента, который пространственно отделен от активного центра и имеется не у всех ферментов. Связывание с аллостерическим центром какой-либо молекулы (называемой активатором или ингибитором, а также эффектором, модулятором, регулятором) вызывает изменение конфигурации белка-фермента и, как следствие, скорости ферментативной реакции. В качестве такого регулятора может выступать продукт данной или одной из последующих реакций, субстрат реакции или иное вещество (см "Регуляция активности ферментов").

Аллостерические ферменты являются полимерными белками, активный и регуляторный центры находятся в разных субъединицах.

Функциональные группы фермента ( карбоксильные группы, аспарагиновой и глютаминовой кислот, аминогруппы лизина, гуанидиновые группы аргинина, дисульфидные группы цистеина, неполярные белковые цепи) находятся в различных местах цепей белковой молекулы, образующей третичную и нередко четвертичные структуры, которые весьма гибки и изменяются при взаимодействии фермента с молекулами субстратов. [1]

МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ФЕРМЕНТОВ

Механизм действия ферментов может быть рассмотрен с двух позиций: с точки зрения изменения энергетики химических реакций и с точки зрения событий в активном центре.

а. энергетические изменения при химических реакциях

Любые химические реакции протекают, подчиняясь двум основным законам термодинамики: закону сохранения энергии и закону энтропии. Согласно этим законам, общая энергия химической системы и её окружения остаётся постоянной, при этом химическая система стремится к снижению упорядоченности (увеличению энтропии). Для понимания энер-

гетики химической реакции недостаточно знать энергетический баланс входящих и выходящих из реакции реагентов, необходимо учитывать изменения энергии в процессе данной химической реакции и роль ферментов в динамике этого процесса. Рассмотрим реакцию разложения угольной кислоты:

H₂CO₃ → H₂O + CO₂.

Угольная кислота слабая; реакция её разложения пойдёт при обычных условиях, если молекулы угольной кислоты имеют энергию, превышающую определённый уровень, называемый энергией активации Е_а (рис. 2-10).

Энергией активации называют дополнительное количество кинетической энергии, необходимое молекулам вещества, чтобы они вступили в реакцию.

При достижении этого энергетического барьера в молекуле происходят изменения, вызывающие перераспределение химических связей и образование новых соединений. Говорят, что молекулы, обладающие Е_а, находятся в переходном состоянии. Разницу энергий между исходным реагентом Н₂СО₃ и конечными соединениями Н₂О и СО₂называют изменением свободной энергии реакции DG. Молекулы Н₂О и СО₂ - более стабильные вещества, чем Н₂СО₃, т.е. обладают меньшей энергией и при обычных условиях практически не реагируют. Выделившаяся энергия в результате этой реакции рассеивается в виде тепла в окружающую среду.

Чем больше молекул обладает энергией, превышающей уровень Е_а, тем выше скорость химической реакции. Повысить скорость химической реакции можно нагреванием. При этом увеличивается энергия реагирующих молекул. Однако для живых организмов высокие температуры губительны, поэтому в клетке для ускорения химических реакций используются ферменты. Ферменты обеспечивают высокую скорость реакций при оптимальных условиях, существующих в клетке, путём понижения уровня Е_а. Таким образом, ферменты снижают высоту энергетического барьера, в результате возрастает количество реакционно-способных молекул, следовательно, увеличивается скорость реакции.

В механизме ферментативного катализа решающее значение имеет образование нестойких промежуточных соединений - фермент-субстратный комплекс ES, подвергающийся превращению в нестабильный переходный комплекс ЕР, который почти мгновенно распадается на свободный фермент и продукт реакции.

Таким образом, биологические катализаторы (ферменты) не изменяют свободную энергию субстратов и продуктов и поэтому не меняют равновесие реакции (рис. 2-11).

Фермент, выполняя функцию катализатора химической реакции, подчиняется общим законам катализа и обладает всеми свойствами, характерными для небиологических катализаторов, однако имеет и отличительные свойства, связанные с особенностями строения ферментов.

Сходство ферментов с небиологическими катализаторами заключается в том, что:

•  ферменты катализируют энергетически возможные реакции;

•  энергия химической системы остаётся постоянной;

•  в ходе катализа направление реакции не изменяется;

•  ферменты не расходуются в процессе реакции.

Отличия ферментов от небиологических катализаторов заключаются в том, что:

•  скорость ферментативных реакций выше, чем реакций, катализируемых небелковыми катализаторами;

•  ферменты обладают высокой специфичностью;

•  ферментативная реакция проходит в клетке, т.е. при температуре 37 ?С, постоянном атмосферном давлении и физиологическом значении рН;

•  скорость ферментативной реакции может

Ферментативный катализ, биокатализ, ускорение химических реакций под влиянием ферментов. В основе жизнедеятельности лежат многочисленные химические реакции расщепления питательных веществ, синтеза необходимых организму химических соединений и трансформации их энергии в энергию физиологических процессов (работа мышц, почек, нервная деятельность и т.п.). Все эти реакции не могли бы происходить с необходимой для живых организмов скоростью, если бы в ходе эволюции не возникли механизмы их ускорения с помощью Ф. к.

Одно время считалось, что Ф. к. принципиально отличается отнебиологического катализа, широко используемого в химическом производстве. Такое представление основывалось на трёх отличительных особенностях Ф. к.: исключительно высокой эффективности (увеличение скорости реакции в 10¹⁰–10¹³раз) и специфичности, т. е. избирательности (способности каждого фермента катализировать превращение строго определённых биологических субстратов, иногда лишь единственного вещества, в единственном направлении), не достижимых в небиологическом катализе. Особенностью Ф. к. является также его регулируемость – способность биокатализатора – фермента – увеличивать или уменьшать свою активность в зависимости от потребностей организма. Однако исследование механизма Ф. к. показывает, что к нему применимы законы и принципы, на которых основаны обычные химические реакции. Отличие реакций Ф. к. определяется сложностью структуры ферментов и химических превращений, которые совершают вещества в ходе катализа.

СВОЙСТВА ФЕРМЕНТОВ

ферментов характерны все свойства белков + специфические функции: ЗАВИСИМОСТЬ СКОРОСТИ

ФЕРМЕНТАТИВНОЙ РЕАКЦИИ

ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ СРЕДЫ

Повышение температуры до определённых пределов оказывает влияние на скорость ферментативной реакции, подобно влиянию температуры на любую химическую реакцию. С повышением температуры ускоряется движение молекул, что приводит к повышению вероятности взаимодействия реагирующих веществ. Кроме того, температура может повышать энергию реагирующих молекул, что также приводит к ускорению реакции. Однако скорость химической реакции, катализируемая ферментами, имеет свой температурный оптимум, превышение которого сопровождается понижением ферментативной активности, возникающим из-за термической денатурации белковой молекулы (рис. 2-17).

Для большинства ферментов человека оптимальна температура 37-38 ?С. Однако в природе существуют и термостабильные ферменты. Например, Taq-полимераза, выделенная из микроорганизмов, живущих в горячих источниках, не инактивируется при повышении температуры до 95 ?С. Этот фермент используют в научно-практической медицине для молекулярной диагностики заболеваний с использованием метода полимеразной цепной реакции (ПЦР).

В. ЗАВИСИМОСТЬ СКОРОСТИ ФЕРМЕНТАТИВНОЙ РЕАКЦИИ

ОТ РН СРЕДЫ

Активность ферментов зависит от рН раствора, в котором протекает ферментативная реак-

ция. Для каждого фермента существует значение рН, при котором наблюдается его максимальная активность. Отклонение от оптимального значения рН приводит к понижению ферментативной активности.

Влияние рН на активность ферментов связано с ионизацией функциональных групп аминокислотных остатков данного белка, обеспечивающих оптимальную конформацию активного центра фермента. При изменении рН от оптимальных значений происходит изменение ионизации функциональных групп молекулы белка. Например, при закислении среды происходит протонирование свободных аминогрупп (NH₃⁺), а при защелачивании происходит отщепление протона от карбоксильных групп (СОО^-). Это приводит к изменению конформации молекулы фермента и конформации активного центра; следовательно, нарушается присоединение субстрата, кофакторов и коферментов к активному центру. Кроме того, рН среды может влиять на степень ионизации или пространственную организацию субстрата, что также влияет на сродство субстрата к активному центру. При значительном отклонении от оптимального значения рН может происходить денатурация белковой молекулы с полной потерей ферментативной активности.

Оптимум значения рН у разных ферментов различный (рис. 2-18). Ферменты, работающие в кислых условиях среды (например, пепсин в желудке или лизосомальные ферменты), эволю-ционно приобретают конформацию, обеспечивающую работу фермента при кислых значениях рН. Однако большая часть ферментов организма

человека имеет оптимум рН, близкий к нейтральному, совпадающий с физиологическим значением рН (табл. 2-1).

Биологическая функция фермента, как и любого белка, обусловлена наличием в его структуре активного центра. Лиганд, взаимодействующий с активным центром фермента, называют субстратом. В активном центре фермента есть аминокислотные остатки, функциональные группы которых обеспечивают связывание субстрата, и аминокислотные остатки, функциональные группы которых осуществляют химическое превращение субстрата. Условно

эти группы обозначают как участок связывания субстрата и каталитический участок, однако следует помнить, что не всегда эти участки имеют чёткое пространственное разделение и иногда могут «перекрываться» (рис. 2-1).

В участке связывания субстрат при помощи нековалентных связей взаимодействует (связывается) с ферментом, формируя фермент-субстратный комплекс. В каталитическом участке субстрат претерпевает химическое превращение в продукт, который затем высвобождается из активного центра фермента. Схематично процесс катализа можно представить следующим уравнением:

E + S ↔ ES ↔ ЕР ↔ Е + P,

где E - фермент (энзим), S - субстрат, P - продукт. Данные обозначения общеприняты и происходят от английских слов enzyme, substrat, product.

Специфичность - наиболее важное свойство ферментов, определяющее биологическую значимость этих молекул. Различают субстратную и каталитическую специфичности фермента, определяемые строением активного центра (рис. 2-2).