К ферментам относятся некоторые белки и некоторые виды РНК.
Еще в начале ХIХ века в Петербурге ученый Кирхгоф выяснил, что проросший ячмень может превращать полисахарид крахмал в дисахарид мальтозу, а дрожжи – расщеплять дисахарид сахарозу до моносахаридов – глюкозы и фруктозы. Это были первые работы в области ферментологии, а практическое применение ферментативных процессов было известно давно. Например, сбраживание винограда, закваска хлеба и другие.
Роль ферментов в организме огромна, так как они обеспечивают протекание всех био-химических реакций. Эти реакции в совокупности составляют материальную и энергетическую основу жизни.
В настоящее время обнаружено несколько тысяч различных ферментов, выделено и изучено несколько сотен. Отдельная живая клетка может содержать до тысячи различных ферментов.
Основные отличия ферментов от неорганических катализаторов.
1. Специфичность. Каждый фермент катализирует одну реакцию или несколько реакций одного типа. Неорганические катализаторы не специфичны.
2. Термолабильность. Ферменты активны в небольшом интервале температур. Неорганические катализаторы – при высокой температуре. Повышение температуры усиливает действие неорганического катализатора, но инактивирует фермент вследствие его денатурации.
3. Ферменты активны при физиологических значениях рН, многие же неорганические катализаторы проявляют свою активность в сильно кислой или сильно щелочной среде.
4. Реакции с участием ферментов происходят при атмосферном давлении, а с участием неорганических катализаторов – при высоком давлении.
5. Неорганические катализаторы увеличивают скорость реакции от 100 до 100 000 000 раз, а ферменты – от 100 000 000 до 100 000 000 000 000 000 раз.
6. Неорганические катализаторы в ходе реакции, как правило, не меняют своей структуры, ферменты же чаще всего осуществляют реакции с изменением конформации, которая возвращается в исходное состояние по окончании реакции.
7. Кооперативность и жесткая запрограммированность этапов действия ферментов.
Благодаря уникальной структуре каждого фермента, процесс ферментативного катализа представляет собой серию элементарных превращений вещества, строго организованных в пространстве и времени.
Строение ферментов.
По строению ферменты могут быть:
1. Однокомпонентные (простые белки – пепсин)
2. Двухкомпонентные (сложные белки)
Молекула такого белка называется холофермент (симплекс) и состоит из двух частей: белковая часть – апофермент и кофактор (небелковая группа)
Ни апофермент, ни кофактор по отдельности не обладают заметной каталитической активностью , только холофермент проявляет ферментативные свойства, при этом апофермент резко повышает активность кофактора, присущую ему в свободном состоянии в очень малой степени. Кофактор стабилизирует апофермент и делает его более устойчивым к денатурирующим агентам.
Кофакторы могут быть трех типов:
1. Неорганические ионы
2. Простетическая группа (тесно связанная с апоферментом, никогда от него не отделяющаяся небольшая группа органической природы)
3. Кофермент (отделяющаяся от апофермента и способная к самостоятельному состоянию органическая группа).
Витамины работают в организме в качестве коферментов. Неорганические ионы способствуют связыванию фермента с субстратом. Простетические группы и коферменты способствуют переносу различных функциональных групп. Кофакторы определяют тип катализируемой реакции и являются непосредственно исполнителями каталитической функции. У холоферментов в апоферментной части может находиться специфический участок, избирательно связывающий домен. Его структура у различных ферментов, связывающихся с одним и тем же коферментом, очень сходна.
В структуре любого фермента есть особая часть молекулы, которая непосредственно выполняет функцию катализа, она называется каталитическим центром. У однокомпонентных ферментов каталитический центр представлен уникальным сочетанием аминокислотных остатков, его функция обусловлена радикалами этих аминокислотных остатков. У двухкомпонентных ферментов в каталитическом центре находится кофактор.
Каталитический центр возникает при третичной структуре. Еще один специфический участок молекулы фермента служит для присоединения к нему субстрата и называется субстратным центром. Большую роль в процессе связывания с ферментом субстрата играет гидрофобное взаимодействие и водородные связи, возникающие между аминокислотными радикалами субстратного центра и определяются группами молекулы субстрата.
Субстратный и каталитический центры фермента вместе образуют его активный центр. Он располагается в молекуле на дне глубокой впадины или щели. Помимо указанных центров в молекуле ферментов имеется также аллостерический центр. Это участок молекулы фермента, в результате присоединения к которому определенного вещества, изменяется третичная структура молекулы фермента, что приводит к изменению конфигурации активного центра, ведущее к увеличению или снижению активности фермента. Это явление лежит в основе аллостерической регуляции каталитической активности фермента.
Многие ферменты имеют четвертичную структуру. Например, каталаза состоит из шести равных, а РНК-полимераза тоже из шести неравных субъединиц. В состав ферментов – мультимеров наряду с каталитическими субъединицами могут входить и регуляторные. Среди ферментов-мультимеров преобладают димеры и тетрамеры, несколько меньше гексамеры и октамеры, довольно редки тримеры и пентамеры. Ферменты, способные ускорять одновременно несколько реакций и осуществлять сложные превращения, называются мультиэнзимы. Если он обслуживает единый многоступенчатый процесс превращений, его называют метаблоном.
Некоторые ферменты являются полифункциональными, то есть обладают несколькими каталитическими активностями. В этом случае их молекула имеет несколько доменов, со своей каталитической активностью каждый.
Механизм действия ферментов
Ведущую роль в механизме ферментативного катализа играет образование фермент-субстратных комплексов, на существование которых впервые еще в 1902 году указал Д.Браун.
Последовательность этапов ферментативного катализа следующая:
1. Возникновение фермент-субстратного комплекса с помощью образования ионной, гидрофобной и других типов связи между ферментом и субстратом.
2. Изменение субстрата под действием фермента. Субстрат становится более активным.
3. Осуществление химической реакции с образованием продукта.
4. Освобождение фермента и продукта из фермент-продуктного комплекса.
По вопросу о механизме ферментативного катализа ученый Фишер высказал мнение о том, что специфичность ферментов обусловлена особой формой молекулы фермента, точно соответствующей форме молекулы субстрата. Эту гипотезу называют гипотезой «ключа и замка»: субстрат в ней сравнивается с ключом, который точно подходит по форме замку, то есть ферменту. Фермент-субстратный комплекс представляет собой активированное состояние, приводящее к образованию продуктов реакции. Образовавшиеся продукты по форме уже не соответствуют активному центру фермента, поэтому отделяются от него.
В 1959 году Кошланд предложил гипотезу индуцированного соответствия. На основании полученных к тому времени данных о гибких активных центрах ферментов он высказал мысль о том, что, соединяясь с ферментом, субстрат вызывает какие-то изменения в структуре фермента, аминокислотные остатки активного центра фермента принимают форму, позволяющую ферменту более эффективно выполнять свою функцию (аналогия: перчатка, надеваемая на руку).
В некоторых случаях молекулы фермента несколько изменяют свою форму еще до того, как вступить в соединение с субстратом. Например, при аллостерической активации каким-то веществом.
Основные свойства ферментов
1. Термолабильность
2. Специфичность действия
3. Чувствительность к рН среды
4. Выходят из реакции в неизменном виде и в ходе реакции не расходуются
5. Катализируют как прямую, так и обратную реакции
6. Подвержены действию (влиянию) активаторов и ингибиторов
Активация и ингибирование ферментов
Активация
Многие ферменты находятся в клетке в неактивной форме – в форме протоферментов, что имеет большое биологическое значение, так как позволяет регулировать работу конкретного фермента в нужное время и в нужном месте. Например, фермент пепсин. Если бы он вырабатывался сразу в активной форме, то переваривал бы стенку желудка, но этого не происходит, потому что активным пепсин становится после попадания в полость желудка. От его молекулы под действием соляной кислоты желудочного сока отщепляется небольшой пептид, открывая тем самым активный центр, и фермент приобретает способность расщеплять белки.
Активаторами ферментов могут быть многие катионы и некоторые анионы (магния, марганца, калия, цинка, кобальта, хлора), а также некоторые вещества – аллостерические активаторы.
Пути активации ферментов:
1. Отщепление пептида от неактивного фермента, открывающего его активный центр
2. Образование дисульфидных мостиков в молекуле, изменяющее конформацию молекулы с открытием активного центра
3. Присутствие металла, необходимое для выполнения ферментативной функции
4. Активация каким-то веществом, которое связано с периферическим участком белковой молекулы и изменяет структуру фермента таким образом, чтобы облегчить доступ субстрата к активному центру. Одной из разновидностей является аллостерическая активация, в результате которой при присоединении к аллостерическому центру фермента вещества-активатора изменяется структура белковой части фермента и такое воздействие приводит к тому, что активный центр фермента приобретает нужную для осуществления своей функции активацию.
Ингибирование
Оно может быть обратимым и необратимым. При необратимом ингибировании после удаления ингибитора фермент остается неактивным. Это происходит чаще всего потому, что возникает необратимая денатурация белковой части фермента или же вследствие его химической модификации. В этом случае ингибитор, обладающий структурным сходством с субстратом соединяется с ферментом, подменяя субстрат. Например, нервные яды, блокирующие гидролиз ацетилхолина, соли тяжелых металлов, щелочи, кислоты и т.д.
При обратимом ингибировании в случае удаления ингибитора фермент вновь приобретает активность. Оно может быть конкурентным и неконкурентным. При конкурентном ингибировании за активный центр борются похожие ингибиторы. Снять такое ингибирование можно, увеличив концентрацию субстрата. При неконкурентном ингибировании ингибитор взаимодействует с апоферментом или простетической группой, в результате чего фермент теряет активность. Одной из разновидностей такого ингибирования является аллостерическое ингибирование. Ингибиторы – белки, как правило, блокируют действие фермента за счет белок-белковых взаимодействий, в результате чего закрывается активный центр фермента.
Факторы, влияющие на активность фермента.
1. Концентрация фермента
2. Концентрация субстрата. До определенных пределов зависимость прямо пропорциональная, а затем активность фермента не меняется.
3. Температура
4. рН
Номенклатура ферментов
Тривиальная – название ферментом по случайным признакам (пепсин, цитохром)
Рациональная – название ферментов по названию субстрата с добавлением окончания -аза (амилаза, липаза, нуклеаза)
Современная (научная) – название ферментов по типу катализируемой реакции и характеру субстрата (пируватдекарбоксилаза) или продукта (лактатдегидрогеназа).
Классификация ферментов
1. Оксиредуктазы – фермента, катализирующие ОВР. ОВР с переносом (отщеплением) водородных атомов катализируют фермента подкласса дегидрогеназ.
2. Трансферазы – катализируют реакции переноса функциональных групп или молекулярных остатков от одного соединения в другое.
Фосфотрансферазы – остатков фосфорной кислоты
Амитрансферазы – осуществляют реакции переаминирования.
Гликозилтрансферазы – углеводных остатков.
Ацилтрансферазы – осуществляют перенос остатков карбоновых кислот.
Пептидилтрансферазы – перенос пептидов.
3. Гидролазы – осуществляют гидролитическое расщепление органических веществ.
Эстеразы – гидролиз сложных эфиров спиртов и органических или неорганических кислот (липаза, фосфотаза)
Гликозидазы – гидролиз гликозидов, углеводов (мальтаза, сахараза)
Пептидгидролазы – гидролиз пептидных связей в белках и пептидах
Амидазы – гидролиз амидов кислот (уреаза – мочевины)
4. Лигазы (синтетазы) – осуществляют реакции синтеза полимерных соединений, идущие с затратой энергии (АТФ) (ДНК-полимераза и др.)
5. Лиазы – осуществляют негидролитический распад органических соединений.
Декарбоксилазы – отщепляют карбоксильную группу от соединений.
6. Изомеразы – осуществляют реакции изомеризации (фосфоглицеромутаза).