Активность ферментов

Для оценки работы ферментов используется такое понятие как активность ферментов.

В связи с введением Международной системы единиц (СИ), в которой основной единицей времени является секунда, рекомендовано ввести единицу ферментативной активности катал. Это количество катализатора (фермента), способного превращать 1 моль субстрата в продукт в течение одной секунды.

1 катал (кат) = моль/с

В клинико-биохимических исследованиях активность ферметов выражается в каталах и его долях на единицу объема 1 литр. Например, кат/л, мккат/л.

Существуют также Международные единицы активности ферментов (МЕ), введенные Международным биохимическим союзом. 1 МЕ – это количество фермента, необходимого для превращения 1 микромоля субстрата в продукт в течение одной минуты.

1 МЕ = 1 мкмоль/1 мин = (1 мкмоль/60 с) = 1/60 мккат = 16,67 нкат.

Структура ферментов

Рассмотрим, какие участки различают в ферментах.

В конце 19 века Э. Фишером было постулировано, что любая ферментативная реакция начинается с образования промежуточного фермент-субстратного комплекса – ES:

E + S ↔ ES

E - enzyme - фермент (катализатор реакции)

S - substrate - субстрат (вещество, которое образуется в результате реакции)

При этом субстрат связывается не со всей поверхностью фермента, а лишь с его определенным участком, который называется активным центром (АЦ) фермента. В свою очередь, в АЦ фермента различают: а) центр связывания (якорный, контактный) – это участок, ответственный за присоединение субстрата; и б) каталитический центр – участок, ответственный за химические превращения субстрата.

АЦ локализован в углублении (нише, щели, кармане) поверхности фермента. В результате субстрат, связываясь с АЦ, оказывается не в водной среде цитоплазмы клетки, а в специфическом окружении функциональных групп АЦ, то есть попадает в ловушку.

Главным условием формирования АЦ является максимальное сближение в пространстве аминокислот, формирующих его. Это достигается благодаря третичному уровню организации пространственной структуры белка. Другими словами, аминокислоты, составляющие АЦ, на уровне первичной структуры белка могут находиться на расстоянии друг от друга, но на третичном уровне они должны быть максимально сближены.

При денатурации белков разрушаются третичная и вторичная структуры белков. Это приводит к удалению друг от друга совмещенных в пространстве аминокислотных остатков АЦ фермента, в результате чего активность фермента падает, вплоть до потери.

В пространственном сближении аминокислотных остатков большая роль принадлежит ковалентным дисульфидным связям, а также химически слабым связям таким как водородные, гидрофобные, электростатические, которые образуются между радикалами аминокислот.

Связывание субстрата с АЦ фермента происходит в нескольких точках. Это приводит к деформации субстрата и уменьшению его стабильности, то есть к активации. В результате субстрат постепенно преобразуется в продукт (Р - product), который утрачивает сродство к АЦ фермента. В итоге происходит высвобождение фермента и продукта реакции. Мы видим, что фермент, как и любой химический катализатор, не был израсходован в химической реакции. Схематически это можно представить в виде трех шагов:

1) E + S ↔ ES (образование фермент-субстратного комплекса);

2) ES ↔ ES* → EP (образование комплекса фермент-продукт в результате дестабилизации или активации субстрата);

3) EP → E + P (высвобождение фермента и продукта).

E + S ↔ ES↔ ES* → EP → E + P

Таким образом,

1) субстрат соединяется с активным центром фермента в нескольких точках, что обеспечивает высокую избирательность и гарантию связывания (комплементарность субстрата и АЦ), а также ориентацию субстрата, необходимую для протекания реакции;

2) в ходе присоединения субстрата и в ходе катализа происходят конформационные изменения субстрата и фермента, что приводит к строгой комплементарности фермента и субстрата, или индуцированному соответствию фермента и субстрата

( Э. Фишер → Д. Кошланд).

Аллостерический центр

Некоторые ферменты, помимо активного, имеют и другой, или аллостерический (регуляторный) центр. Это участок связывания низкомолекулярных эффекторов (лигандов), которые либо повышают, либо уменьшают активность ферментов.

Такие ферменты называются аллостерическими ферментами, и, как правило, они состоят из нескольких субъединиц, или имеют четвертичную структуру, являясь олигомерами.