Ферменты или энзимы — органические катализаторы белковой или РНК природы, которые образуются в живых организмах, способных ускорять протекание химических реакций в организме.

Общее описание

Ферменты катализируют большинство химических реакций, которые происходят в живых организмах. Они могут иметь от одного до нескольких полипептидных цепей — субъединиц. Каждый из ферментов имеет один или более активных центров, которые определяют специфичность химической реакции, катализируемой данным ферментом. Кроме активного центра некоторые ферменты имеют аллостерический центр, регулирующий работу активного центра. Ферментативная реакция также может регулироваться другими молекулами, как белковой природы, так и другими — активаторами и ингибиторами.

Биохимические реакции происходят при участии ферментов при нормальном давлении, температуре, в слабокислой, нейтральной или слабощелочной среде.

Ферменты РНК-природы называются рибозимами и считаются первоначальной формой ферментов, которые были заменены белковыми ферментами в процессе эволюции.

Термины «фермент» и «энзим» можно использовать как синонимы. Но наука о ферментах называется энзимология, а не Ферментология (вероятно чтобы не смешивать корни слов латинского и греческого языков).

История исследования

Термин «фермент» был предложен в 17 веке химиком ван Гельмонтом для описания механизмов пищеварения. В конце 18 — начале 19 века уже было известно, что мясо переваривается желудочным соком, а крахмал превращается в сахар под действием слюны. Однако механизм этих явлений был неизвестен. В 19 веке Луи Пастер, изучая превращение углеводов в этиловый спирт под действием дрожжей, пришел к выводу, что этот процесс (брожение) катализируется некой «жизненной силой», что находится в дрожжевых клетках.

Более ста лет назад термины «фермент» и «энзим» отражали различные взгляды Луи Пастера с одной стороны и Бертло и Юстуса Либиха с другой в теоретическом споре о природе спиртового брожения. Собственно «ферментами» (от лат. Fermentum — «закваска») называли «организованные ферменты» (то есть именно живые микроорганизмы), а термин «энзим» (от греч. Ἐν- — «В-» и ζύμη — «дрожжи», « закваска »), предложенный 1876 В. Кюне для« неорганизованных ферментов », секретируемых клетками, например, в желудок (пепсин) или кишечника (трипсин, амилаза). Два года после смерти Пастера, 1897 года, Эдуард Бюхнер опубликовал работу «Спиртовое брожение без дрожжевых клеток», в которой экспериментально показал, что экстракт клеток дрожжей осуществляет спиртовое брожение так же, как и неразрушимые дрожжевые клетки. 1907 за эту работу он был удостоен Нобелевской премии.

Функции ферментов

Ферменты являются биологическими катализаторами, они имеются во всех живых клетках и способствуют превращению одних веществ (субстратов) на другие (продукты). Ферменты выступают в роли катализаторов практически во всех биохимических реакциях, происходящих в живых организмах — ими катализируется около 4000 отдельных биореакций. Ферменты играют надзичайно важную роль во всех процессах жизнедеятельности, направляя и регулируя обмен веществ организма. Для ферментов характерно то, что их синтез и каталитическая активность контролируется на генетическом уровне, а также с участием низкомолекулярных соединений-субстратов или продуктов реакции.

Подобно всем катализаторов, ферменты ускоряют как прямую, так и обратную реакцию, снижая энергию активации процесса. Химическое равновесие при этом не сдвигается ни в прямой, ни в обратную сторону. Отличие ферментов от небелковых катализаторов заключается в их высокой специфичности — константа диссоциации некоторых субстратов с белком-ферментом может достигать менее 10 -10 моль / л.

Ферменты широко используются и в народном хозяйстве — в пищевой, текстильной промышленности, в фармакологии.

Классификация ферментов

По типу реакций, которые катализируют, ферменты делятся на 6 классов согласно иерархической классификации ферментов (КФ или EC — Enzyme Commission code). Классификацию было предложено Международным союзом биохимии и молекулярной биологии (International Union of Biochemistry and Molecular Biology). Каждый класс содержит подклассы, так что фермент описывается совокупностью четырех чисел, разделенных точками. Например, пепсин имеет код КФ 3.4.23.1. Первое число описывает класс реакций, катализирует фермент:

  • КФ 1: Оксидоредуктазы — ферменты, которые катализируют окисление или восстановление. Пример: каталаза, алкогольдегидрогеназа
  • КФ 2: Трансферазы — ферменты, катализирующие перенос химических групп с одной молекулы субстрата на другую. Среди трансфераз особо выделяют киназы, переносящие фосфатную группу, как правило, с молекулы АТФ.
  • КФ 3: Гидролазы — ферменты, которые катализируют гидролиз химических связей. Пример: эстеразы, пепсин, трипсин, амилаза, липопротеинлипазу.
  • КФ 4: Лиазы — ферменты, катализирующие разрыв химических связей без гидролиза с образованием двойной связи в одном из продуктов.
  • КФ 5: Изомеразы — ферменты, катализирующие структурные или геометрические изменения в молекуле субстрата.
  • КФ 6: Лигазы — ферменты, катализирующие образование химических связей между субстратами за счет гидролиза АТФ. Пример: ДНК-полимераза.

Будучи катализаторами, ферменты ускоряют как прямую, так и обратную реакции, поэтому, например, лиазы способны катализировать и обратную реакцию — присоединение по двойным связям. Тем не менее направление реакции может привлекать несколько субстратов и быть таким, что обратная реакция практически не происходит.

Наименование ферментов

Обычно фермент называют по типу реакции, которую он катализирует, добавляя суффикс -аза к названию субстрата (например лактаза — фермент, участвующий в превращении лактозы). Таким образом, в различных ферментов, выполняют одну функцию, будет одинаковое название. Такие ферменты различают по другим свойствам, например, по оптимальному pH (щелочная фосфатаза) или локализации в клетке (мембранная АТФ-аза).

Кинетика ферментативной реакции

Самым простым и распространенным описанием кинетики односубстратних ферментативных реакций является уравнение Михаэлиса-Ментен.

На сегодняшний момент описано и несколько сложных типов кинетики ферментов. Например, если реакция требует нескольких молекул субстрата или различных субстратов, часто реакция протекает через образование третичного комплекса. Для действия многих ферментов также типичное образований переходных комплексов (состояний), что описывается «механизмом пинг-понг».

Структура и механизм действия ферментов

Активность ферментов определяется их трехмерной структурой.

Как и все белки, ферменты синтезируются в виде линейной цепочки аминокислот, который сворачивается определенным образом. Каждая последовательность аминокислот сворачивается особым образом, и молекула (белковая глобула), образующийся приобретает уникальные свойства. Несколько белковых цепочек могут объединяться в белковый комплекс. Наибольшие уровни структуры белков — третичная и четвертичная структуры — разрушаются при нагревании или под действием некоторых химических веществ.

Чтобы катализировать реакцию, фермент должен связаться с одним или несколькими субстратами. Белковую цепочку фермента сворачивается таким образом, что на поверхности глобулы образуется щель или впадина, к которой присоединяются молекулы субстрата. Эта область называется участком (сайтом) связывание субстрата. Обычно она совпадает с активным центром фермента или находится вблизи от него. Некоторые ферменты содержат связывания кофакторов или ионов металлов.

В некоторых ферментов присутствуют также связывания малых молекул, которые не принимают непосредственного участия в реакции и часто, но не обязательно, являются субстратами или продуктами метаболического пути, в который входит фермент. Они уменьшают или увеличивают активность фермента, создает возможность для обратной связи или регуляции работы фермента.

Для активных центров некоторых ферментов характерно явление кооперативности.

Специфичность

Ферменты обычно проявляют высокую специфичность по отношению к своим субстратов. Это достигается частичной комплиментарность формы, распределения зарядов и гидрофобных областей на молекуле субстрата и в области связывания субстрата на ферменте. Ферменты демонстрируют высокий уровень стереоспецифичности (пространственной специфики), региоселективности (специфичности ориентации) и хемоселективности (специфичности к химическим групп).

Модель «ключ-замок»

В 1890 году Эмиль Фишер предположил, что специфичность ферментов определяется точным соответствием формы фермента и субстрата. Такое предположение называется моделью «ключ-замок». Фермент соединяется с субстратом с образованием короткоживущего фермент-субстратного комплекса. Однако, хотя эта модель объясняет высокую специфичность ферментов, она не объясняет явления стабилизации переходного состояния, которое наблюдается на практике.

Модель индуцированного соответствия

В 1958 году американский исследователь Дэниэл Кошланда предложил модификацию модели «ключ-замок». Ферменты, в основном — не жесткие, а гибкие молекулы. Активный центр фермента может изменить конформацию после связывания с ним субстрата. Боковые группы аминокислот активного центра занимают такое положение, которое позволяет ферменту выполнять свою каталитическую функцию. В некоторых случаях молекула субстрата также меняет конформацию после связывания в активном центре. В отличие от модели «ключ-замок», модель индуцированного соответствия объясняет не только специфичность ферментов, но и стабилизацию переходного состояния.

Модификации

Многие ферменты после синтеза белковой цепи испытывают модификаций, без которых фермент не проявляет свою активность в полной мере; такие модификации называются Посттрансляционная. Один из самых распространенных типов посттрансляционным модификаций — присоединение химических групп к боковым остатков полипептидной цепочки. Например, присоединение фосфатной группы называется фосфорилированием, оно катализируется ферментом-киназы. Многие ферменты эукариот гликозилированы, то есть модифицированные олигомеры углеводной природы.

Еще один распространенный тип посттранляцийних модификаций — расщепление полипептидной цепи. Например, химотрипсин (протеаза, участвует в пищеварении), образуется при отщеплении полипептидной участка с химотрипсиногена. Химотрипсиноген является неактивным предшественником химотрипсина и синтезируется в поджелудочной железе. Неактивная форма транспортируется в желудок, где превращается в химотрипсин. Такой механизм необходим для того, чтобы избежать повреждения поджелудочной железы и других тканей до поступления фермента в желудок. Неактивный предшественник фермента называют также «зимогена».

Кофакторы ферментов

Некоторые ферменты выполняют каталитическую функцию сами собой, без дополнительных компонентов. Однако есть ферменты, которым для осуществления катализа необходимы компоненты небелковой природы. Кофакторы могут быть как неорганическими молекулами (ионы металлов, железо-серные кластеры и другие), так и органическими (например, флавины или гем). Органические кофакторы, которые постоянно (навсегда) связаны с ферментом, называют также простетическими группами. Кофакторы органической природы, способные отделяться от фермента, называют коферментами.

Фермент, который требует наличия кофактора для каталитической активности, но не связан с ним, называется апоферментом. Апофермент в комплексе с кофактором носит название голоферменту. Большинство кофакторов связано с ферментом нековалентными, но достаточно прочными взаимодействиями. Есть и такие простетические группы, связанные с ферментом ковалентно, например, тиаминпирофосфат в составе фермента пируватдегидрогеназы.

Видео по теме

Изображения по теме

  • Ферменты
  • Ферменты
  • Ферменты