ВВЕДЕНИЕ

Ферменты (или энзимы) - биологические катализаторы, образующиеся и функционирующие во всех живых организмах. Основная их функция - регулирование скорости биохимических реакций. Ферменты являются важнейшими компонентами клетки, они теснейшим образом связаны с разнообразными процессами жизнедеятельности. Через ферментативный аппарат, регуляцию его активности происходит регуляция скорости и направленности биохимических и физиологических процессов. По определению И.И. Павлова «Ферменты есть, так сказать, первый акт жизненной деятельности. Все химические процессы направляются в теле именно этими веществами, они есть возбудители всех химических превращений. Все эти вещества играют огромную роль, они обуславливают собою те процессы, благодаря которым проявляется жизнь, они есть в полном смысле возбудители жизни...»¹.

Раздел биохимии занимающийся изучением ферментов в настоящее время выделяется как самостоятельная наука и называется ферментологией или энзимологией.

Ферменты имеют важное значение в сельскохозяйств многие эл. мин питания, особенно микроэлементы оказывают влияние на ферментные системы растений изменяя активность физиологических процессов на рост и развитие; средства защиты являются ингибиторами ферментов.

Значение ферментов в промышленности: сыроделие, производство чая, табака, АК, витаминов, антибиотиков основаны на ферментативных процессах.

Значение в медицине: известно более 100 заболеваний, обусловленных нарушением деятельности ферментативных систем, отсутствием отдельных ферментов вследствие наследственных дефектов.

Теоретическое значение - позволяют изучать природу (строение) сложных орг. в-в.

Новые возможности использования ферментов открываются благодаря иммобилизации ферментов на нерастворимых носителях (в промышленности, медицине и др. отраслях).

Сокращения:

ОВР

НАД

ФАД

АДФ,

ГТФ,

УТФ,

ЦТФ

РДФ

КоА

ФСК

ПВК

Дегидрогеназы (ДГ)

1. Краткая история открытия и изучения ферментов

Ферменты впервые были открыты в бродильном производстве (fermentum от лат.- закваска; энзимы - от греч. эн - в, зиме - закваска).

Первые наблюдения над ферментами относятся к концу VIII - началу XIX века.

В 1783 г. Спалланцани показал, что мясо разжижается под действием желудочного сока хищных птиц, т.е. переваривание пищи - химический процесс.

В 1814 г. К. С. Кирфгоф показал, что в проросшем зерне пшеницы содержится вещество, способное превращать крахмал в сахар.

В 1833 г. Пайон и Персо выделили его из пшеницы и назвали диастазой. Они постулировали роль ферментов как катализаторов биохимических процессов.

В 1836 г. Шванн описал фермент пепсин.

Н. Е. Лясковский, профессор Московского университет, высказал предположение о белковой природе ферментов. Те же предположения высказывали И. П. Павлов и Э. Фишер.

Р. Вильдштеттер (нем.хим.) достиг больших успехов в выделении и очистке ферментов. Он высказал предположение, что ферменты состоят из двух частей - низкомолекулярной активной части (агона) и высокомолекулярного носителя (ферона).

В 1905г. А. Горден и В. Ионг выделили первый кофермент спиртового брожения - «козимазу».

В 1926 г. Самнер впервые получил в кристаллическом виде фермент уреазу и доказал, что она является белком.

В 1931 г. Д. Нортроп (США) получил кристаллический пепсин.

В 1946 г. Самнер и Нортроп были удостоены Нобелевской премии за исследования в области энзимологии

2. Строение и свойства ферменты.

На основании многочисленных исследований установлено, что ферменты являются глобулярными белками. Их относительная молекулярная масса колеблется от 15 тысяч до нескольких миллионов. Так, фермент химотрипсин состоит из 246 аминокислотных остатков. Многие ферменты имеют олигомерную структуру, т.е. состоят из нескольких субъединиц. Например, .... По размерам ферменты иногда значительно превосходят субстраты, на которые они действуют.

Различают однокомпонентные и двухкомпонентные ферменты. Однокомпонентные состоят только из аминокислот, т.е. являются чистыми белками. В состав двухкомпонентных ферментов входит белковая часть (апофермент) и небелковая часть (простетическая группа, кофермент). Соединение белковой и небелковой частей чаще осуществляется за счет ионных, водородных, гидрофобных и реже - ковалентных связей. Если небелковая часть связана с белком ковалентными связями и в цикле биохимических реакций не отделяется, её называют простетической группой. Если же она соединена с белком слабыми связями и легко отделяется - коферментом. Некоторые авторы небелковые части ферментов называют кофакторами [²]. Однако четкой границы между простетической группой и коферментом нет.

Белковая часть определяют специфичность действия ферментов, усиливают ферментативную активность небелковой части.

Небелковая часть фермента принимает непосредственное участие в акте катализа (например, действует как акцептор электронов или протонов в ОВР), при её участии осуществляется контакт между ферментом и субстратом, она также стабилизирует структуру апофермента.

Коферменты (простетические группы) по химическому составу делят на 4 группы:

1. Нуклеотидного типа строения. Среди них выделяют:

• Никатинамидные: НАД⁺, НАДФ⁺. Они входят в состав дегидрогеназ и переносят электроны и гидрид ион (Н⁺).

• Флавиновые коферменты: ФАД и ФМН. Входят в состав более 80 ферментов и участвуют в ОВР.

• Нуклеозидтрифосфаты и нуклеозиддифосфатсахара (НДФС). АТФ и АДФ, ГТФ, УТФ, ЦТФ - коферменты фосфотрансфераз (киназ). НДФС - коферменты гликозилтрансфераз, участвующие в биосинтезе олиго- и полисахаридов.

• Кофермент ацитилирования - Ко А. Входит в состав ферментов, участвующих в реакциях активирования и переноса ацетильных групп (-СН₃) и ацильных (остатков жирных кислот) - реакциях синтеза ЖК и стероидов, ацетилхолина и др., окислительном декарбоксилировании кетокислот.

2. Витаминсодержащие небелковые части. Известно более 200 ферментов, в состав которых входят витамины или производные витаминов. Ниже приведены примеры таких ферментов.

Ферменты (коферменты)	Входящие в их состав витамины
Пирувотдекарбоксилаза	фосфорный эфир витамина В1 (тиамина)
РДФ-карбоксилаза	Н (биотин)
Алкоголь-, малат-, изоцитрат­дегидро­геназы (НАД + и НАДФ+)	РР (никотиновая кислота)
Сукцинатдегидрогеназа, нитрат- и нитритредуктазы (ФАД)	В2 (рибофлавин)
Аминотрансферазы	В6 (пиридоксин)
Метил- и оксиметилтрансферазы	Вс (фолиевая кислота)
Ацетил-КоА - синтетаза	Пантотеновая кислота

2. Металлосодержащие небелковые части. Различают истинные металло­ферменты и ферменты активируемые металлами. В состав металлоферментов чаще входят микроэлементы (Cu, Fe, Zn и др.), а активаторами могут быть и макроэлементы (Са, ...). Роль металлов - участие в акте катализа (выступают в роли электрофильных агентов), участие в образовании ФСК (служат связующим мостиком между ферментом и субстратом). Примерами металлосодержащих ферментов являются: аскорбинатоксидаза и полифенолоксидаза (Cu), каталаза, пероксидаза, цитохромоксидаза (Fe), карбоангидраза, алкогольдегидрогеназа (Zn), нитрат- и нитритредуктазы (Mo), -амилаза, липаза (Ca).

3. В четвёртую группу входят соединения иного типа. Например, липоевая кислота входит в состав мультиферментного комплекса, катализирующего окислительное декарбоксилирование ПВК и -кетоглутарата, тетрапептид глутатион входит в состав ферментов, катализирующих внутримолекулярный перенос водорода.

Каталитические свойства фермента определяются не свей молекулой, а её небольшой частью, называемой активным центром. Активный центр - это та область ферментной молекулы, в которой происходит связывание и превращение субстрата. Один фермент может иметь один или два активных центра. В состав активных центров входят функциональные группы (или радикалы) аминокислоты: -ОН серина, -SH цистеина, индольное кольцо треонина, имидозольная группа фенилаланина, -NH₂ глутамин, аспарагина, аргинина, гистидин, -COOH. У двухкомпонентных ферментов в состав активного центра входят также некоторые группировки небелковой части.

Активные центры обычно расположены в углублениях на поверхности ферментной молекулы, где создается специфическая микросреда. Индивидуальные особенности строения активных центров различных ферментов обусловливают специфичность их действия.

В активном центре выделяют зоны: каталитическую и зону связывания. При нарушении структуры активного центра фермент теряет активность, в то время как другие части фермента могут быть разрушены или удалены без снижения ферментативной активности.

Некоторые ферменты могут иметь аллостерический центр - участок молекулы фермента, к которому присоединяются вещества, способные вызвать обратимую перестройку ферментативного белка, вследствие чего происходит пространственное перемещение группировок, образующих АЦ фермента, и изменение его каталитических свойств. Ферменты, имеющие аллостерические центры называются аллостерическими. Вещества, присоединяющиеся к аллостерическому центру и оказывающие влияние на его каталитическую активность, называются эффекторами. Роль эффекторов могут выполнять промежуточные или конечные продукты реакций.