biohimiyaverstka

Данный пример не только иллюстрирует механизм действия фермента, но и дает представление о том, что биохимический процесс можно выразить в виде цепи простых химических превращений субстрата.

2.2.3. Свойства ферментов

Ферменты обладают всеми свойствами белков. Однако по сравнению с белками, выполняющими другие функции в клетке, ферменты имеют ряд специфических, присущих только им свойств.

Зависимость активности ферментов от температуры. Температура по-разному влияет на активность фермента. При высоких значениях температуры может происходить денатурация белковой части фермента, что негативно сказывается на его активности. При определенных (оптимальных) значениях температура может влиять на скорость образования фермент-субстратного комплекса, вызывая увеличение скорости реакции. Температура, при которой каталитическая активность фермента максимальна, называется температурным оптимумом фермента. Различные клеточные ферменты имеют собственные температурные оптимумы, которые определяются экспериментально. Для ферментов животного происхождения температурный оптимум находится в интервале 40–50°С (рис. 29).

131

t, С

Рис. 29. Влияние температуры на активность фермента

Зависимость активности фермента от рН-среды.

Большинство ферментов проявляет максимальную активность при значениях рН, близких к нейтральным. Лишь отдельные ферменты «работают» в сильно кислой или сильно щелочной среде. Например, активность пепсина – фермента, гидролизующего белки в желудке, – максимальна при рН 1,5–2,5. В щелочной среде «работают» ферменты, локализованные в кишечнике. Изменение оптимального для данного фермента значения рН-среды может привести к изменению третичной структуры фермента, что скажется на его активности. С другой стороны, при изменении рН может измениться ионизация субстрата, что повлияет на образование фермент-субстратного комплекса. Влияние рН-среды на активность фермента показано на рисунке 30.

Специфичность действия ферментов – одно из главных их свойств, характеризующее избирательность фермента по отношению к субстрату (или субстратам). Специфичность действия ферментов объясняется тем, что субстрат должен подходить к активному центру как «ключ к замку». Фермент рассматривается как жесткая структура, активный центр которой представляет собой «слепок» субстрата. Однако этой гипотезой трудно объяснить групповую специфичность ферментов, т. к. конфигурация «ключей» (субстратов), подходящих к одному

132

Молекула фермента не жесткая, а гибкая, эластичная, поэтому информация фермента и его активного центра может изменяться при присоединении субстрата или других лигандов. В момент присоединения (рис. 31) субстрат «вынуждает» активный центр фермента принять соответствующую форму. Это можно сравнить с «перчаткой» и «рукой».

Рис. 31. Взаимодействие субстрата с ферментом согласно модели «вынужденного соответствия»

133

Гипотеза «вынужденного соответствия» получила экспериментальное подтверждение. Она позволяет также объяснить причину превращения близких аналогов субстратов.

Различают несколько видов специфичности:

•стереохимическая субстратная специфичность –

фермент катализирует превращение только одного стереоизомера субстрата. Причиной всех этих уникальных свойств ферментов является их пространственное строение. Все ферменты представляют собой глобулярные белки, намного превосходящие по размерам субстрат. Именно это обстоятельство, вместе с особенностями третичной структуры белков, привело к тому, что в процессе эволюции на поверхности фермента сформировался активный центр, комплементарный субстрату.

•абсолютная субстратная специфичность – фермент катализирует превращение только одного субстрата. Как правило, они отличают субстрат от его структурных изомеров, и даже небольшая химическая модификация природного субстрата резко снижает сродство фермента к субстрату.

•ферменты обладают высокой специфичностью к

типу катализируемой реакции. В подавляющем большинстве случаев фермент катализирует лишь одну реакцию (реже – две).

•влияние на активность ферментов активаторов и ингибиторов. К числу факторов, повышающих активность ферментов, относятся катионы металлов и некоторые анионы. Чаще всего активаторами ферментов являются катионы Mg2+, Mn2+, Zn2+, K+ и Со2+, а из анионов –

Сl-. Катионы действуют на ферменты по-разному. В одних случаях они облегчают образование ферментсубстратного комплекса, в других – способствуют присоединению кофермента к апоферменту, либо присоединяются к аллостерическому центру фермента и изменяют его третичную структуру, в результате чего субстратный и каталитический центры приобретают наиболее выгод-

134

ную для осуществления катализа конфигурацию. Ингибиторы тормозят действие ферментов. Ингибито-

рами могут быть как эндогенные, так и экзогенные вещества. Механизмы ингибирующего действия различных химических соединений разнообразны.

2.2.4. Классификация ферментов

Как уже говорилось, в настоящее время известно более трех тысяч ферментов. Чтобы ориентироваться в этом множестве, была введена систематика ферментативных реакций. Все ферменты делятся на шесть классов. Каждый класс подразделяется на подклассы, подкласс – на подподклассы. В пределах подподкласса каждый фермент имеет свой порядковый номер. Ниже перечислены классы ферментов, но более подробно охарактеризованы те ферменты, которые имеют особо важное биологическое значение либо широко используются в исследовательской работе.

Оксидоредуктазы. К этому классу относятся практически все ферменты, катализирующие реакции окисле- ния-восстановления. Общая схема процессов, катализируемых оксидоредуктазами, может быть выражена следующим образом:

В соответствии с несколькими способами протекания реакций биологического окисления выделяются следующие подклассы оксидоредуктаз: дегидрогеназы, оксидазы, гидроксилазы, оксигеназы. Наиболее часто мы будем встречать оксидоредуктазы подкласса оксидаз и дегидрогеназ, поэтому рассмотрим их подробнее.

Оксидазы – это оксидоредуктазы, которые переносят атомы водорода или электроны непосредственно на ато-

135

мы кислорода либо внедряют в молекулу субстрата атом кислорода:

Дегидрогеназы – это оксидоредуктазы, катализирующие окислительно-восстановительные реакции, происходящие путем отнятия электронов и протонов (т. водорода) от одного субстрата и переноса их на другой. Наиболее распространены в природе дегидрогеназы, содержащие в качестве кофермента НАД:

Как видно из схемы, присоединение снятого с субстрата атома водорода происходит по ядру никотинамида. Механизм действия НАДФ такой же, как и НАД. НАД- и НАДФ-зависимые дегидрогеназы способны отщеплять атомы водорода от субстратов (спиртов, альдегидов,гидроксикислот, аминов и др.) в виде гидрид-ионов (Н-) и протонов (Н+), окисляя таким образом указанные соединения.

Примером процесса, катализируемого НАД-зависимой дегидрогеназой, может служить окисление молочной кислоты (лактата) до пировиноградной кислоты (пирувата):

COOH НАД+ COOH

лактатдегидрогеназа

136

Коферменты ФМН и ФАД содержат в своем составе фосфорилированный витамин В2 (рибофлавинфосфат), который способен отщеплять от субстрата два атома водорода.

Все дегидрогеназы являются холоферментами, коферментами которых служат следующие соединения: никотинамидадениндинуклеотид (НАД), никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ), флавинмононуклеотид (ФМН), флавинадениндинуклеотид (ФАД), хиноны.

Гидроксилазы и оксигеназы ускоряют некоторые реакции логического окисления, протекающие с присоединением гидроксила или кислорода к окисляемому веществу.

Трансферазы – ферменты, катализирующие реакции переноса различных групп от молекулы донора к молекуле акцептору, но не являющиеся реакциями гидролиза:

(X, Y H2O или HO – )

В зависимости от переносимой атомной группы разделяются на подклассы:

Фосфотрансферазы – это ферменты, катализирующие перенос остатка фосфорной кислоты (Н2PO4-). В результате действия фосфотрансфераз образуются фосфорные эфиры различных органических соединений, многие из которых обладают повышенной реакционной способностью и более легко вступают в последующие реакции. Следовательно, фосфорилирование органических соединений можно считать процессом их активации. Чаще всего донором фосфатных групп является молекула аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Фосфотрансферазы, использующие в качестве донора фосфатной группы молекулу АТФ, называются киназами. К киназам относится, например, глицеролкиназа, ускоряющая перенос остатка фосфорной кислоты от молекулы АТФ к молекуле глицерина:

137

Аминотрансферазы ускоряют перенос аминогруппы –NН2. Аминотрансферазы – двухкомпонентные ферменты, коферментом которых служит пиридоксальфосфат (фосфорилированный витамин В6).

Гликозилтрансферазы ускоряют реакции переноса гликозильных остатков, обеспечивая, главным образом, реакции синтеза и распада олиго- и полисахаридов. Если гликозильный остаток переносится на молекулу фосфорной кислоты, то процесс называется фосфоролизом, а ферменты, обеспечивающие этот процесс, называются фосфорилазами. В качестве примера приведем схему фосфоролиза мальтозы:

Донором гликозильных остатков в процессах синтеза олиго- и полисахаридов служат нуклеозиддифосфатсахара (НДФ-сахара).

Ацилтрансферазы катализируют процессы переноса ацилов (радикалов карбоновых кислот) на спирты, ами-

138

ция синтеза фосфатидной кислоты, в которой участвует фосфоглицерин и две молекулы ацил-КоА:

Метилтрансферазы – это ферменты, которые катализируют перенос метильной группы с одной молекулы на другую. Реакции метилирования очень распространены в клетке, донором метильной группы служит S-аденозил- метионин.

Гидролазы – это ферменты, которые катализируют реакции гидролиза эфирных или пептидных связей в молекулах полисахаридов, липидов, белков, нуклеотидов. Обязательным участником этих процессов является вода. Как правило, они не требуют кофермента, т. е. являются однокомпонентными ферментами. К гидролазам относятся все пищеварительные ферменты. В зависимости от хими-

139

ческой структуры субстрата и характера разрываемой (или синтезируемой) связи гидролазы делятся на подклассы: эстеразы, фосфатазы, гли(ю)козидазы, пептидгидролазы.

Эстеразы катализируют реакции гидролиза сложноэфирных связей, например:

Липаза ускоряет гидролиз внешних сложноэфирных связей в молекуле триглицерида.

Фосфатазы катализируют гидролитическое отщепление фосфорной кислоты от нуклеотидов и фосфорных эфиров углеводов:

Гликозидазы ускоряют реакции гидролиза гликозидных связей. Примером гликозидазы может служить мальтаза (a-глюкозидаза).

Из гликозидаз, действующих на полисахариды, наиболее распространены амилазы.

Пептидгидролазы. Ферменты этого подкласса катализируют гидролиз пептидных связей в молекулах пептидов и белков, что можно выразить следующей схемой:

Пептидгидролазы ускоряют гидролиз пептидных связей в белках и пептидах:

140