ФЕРМЕНТЫ
Ферменты - это биологические катализаторы белковой природы. Между ферментами и неорганическими катализаторами есть сходства и различия, связанные с белковой природой ферментов.
Сравнительная характеристика свойств ферментов и неорганических катализаторов представлена в таблице 1.
Таблица 1. Сравнение свойств ферментов и неорганических катализаторов.
| Показатель | Неорганические катализаторы | Ферменты
|
| Количество вещества | Макроколичества
| Микроколичества |
| Химическая природа | Низкомолекулярные вещества, состоящие из одного или нескольких химических элементов | Белки – высокомолекулярные соединения, состоящие из тысяч различных атомов |
| Специфичность | Низкая | Высокая |
| Оптимум температуры | Высокий (1000С и выше) | Низкий (35-450С) |
| Оптимум рН | Сильно кислая или сильно щелочная среда | Физиологический диапазон рН среды |
| Оптимальное рабочее давление | Высокое (несколько атмосфер) | Атмосферное (нормальное) |
| Изменение структуры катализатора в ходе реакции | Не изменяется | Изменяется и восстанавливается в исходную структуру по окончании реакции |
| Увеличение скорости | В 102—106 раз | В 108—1011 раз (высоко эффективные вещества) |
Общие свойства ферментов и неорганических катализаторов.
1) Не ускоряют термодинамически невозможных реакций.
2) Не влияют на положение равновесия обратимой реакции, а только ускоряют его достижение, т.е. ускоряют как прямую, так и обратную реакцию.
3) Не влияют на энергетический эффект реакции.
4) Выходят из реакции в неизменном виде.
Отличие ферментов от неорганических катализаторов.
1) Высокая эффективность действия ферментов
2) Высокая специфичность действия ферментов. Специфичность – способность фермента связываться с определенным субстратом или группой субстратов. Различают 3 вида субстратной специфичности:
а) Абсолютная – фермент катализирует превращение строго определенного субстрата. Например, уреаза расщепляет только мочевину, аргиназа – аргинин.
б) Относительная – фермент катализирует превращение нескольких субстратов, имеющих один тип связи. Например, липаза расщепляет сложноэфирную связь между глицерином и любой высшей жирной кислотой в молекуле жира.
в) Стереохимическая – фермент катализирует превращение только одного стереоизомера при наличии их смеси. Например, L-оксидаза превращает L-аминокислоту, но не действует на Д-изомер.
3) Ферменты действуют в «мягких» условиях внутренней среды организма.
4) Высокая чувствительность ферментов к различным физико-химическим факторам среды – температуре, рН, ионной силе раствора и др., что связано с белковой природой ферментов. Кроме того, активность ферментов зависит от возраста, пола и физиологических состояний организма.
5) Активность ферментов регулируется специальными веществами – активаторами или ингибиторами.
I.1. СТРОЕНИЕ ФЕРМЕНТОВ
Высокая эффективность и специфичность действия ферментов объясняется их строением.
По строению различают простые (состоят только из аминокислот) и сложные (кроме аминокислот содержат добавочные группы небелковой природы) ферменты.
Белковая часть фермента называется апофермент, небелковая – кофактор. Природный комплекс, состоящий из апофермента и кофактора называется холофермент. В зависимости от природы связи между белковой и небелковой частью различают 2 типа кофактора: а) простетическая группа – прочно (ковалентно) связанная с апоферментом небелковая часть, примеры – ионы металлов, гем-группа цитохромов; б) кофермент – относительно слабо связанная (водородными или электростатическими взаимодействиями) с апоферментом и легко отделяемая от него при диссоциации небелковая часть, примеры – витамины группы В или их содержащие вещества.
По своим размерам молекула фермента, как правило, превышает размеры молекул субстрата (S) – вещества, на которое действует фермент; активаторов (А) - веществ, ускоряющих активность фермента; ингибиторов (I) - веществ, тормозящих активность фермента. Поэтому в молекуле фермента выделяют несколько участков - центров.
Активный центр фермента (АЦ) – участок молекулы фермента, где происходит связывание субстрата и превращение его в продукт. Он имеет форму узкого углубления или щели, что создает микроокружение, благоприятное для катализа. В простом ферменте АЦ образован: несколькими функциональными группами сближенных в пространстве радикалов аминокислот (например, -NH2 лизина, -COOH аспарагиновой или глутаминовой, -ОН серина, -SH цистеина). В сложном ферменте в АЦ входит ещё кофактор.
В АЦ условно выделяю два участка:
субстратный центр (якорная площадка или центр связывания) - ответственнен за присоединение субстрата и образован радикалами аминокислот;
каталитический центр – обеспечивает катализ, образован радикалами аминокислот в простом ферменте и кофактором в сложном.
Аллостерический центр – участок молекулы фермента, изменяющий активность фермента. Это центр, пространственно удаленный от активного. В этот центр присоединяются низкомолекулярные вещества (активаторы или ингибиторы), что ведет к изменению третичной структуры всего фермента и АЦ в том числе, в результате активность фермента увеличивается или уменьшается.
I.2. МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ФЕРМЕНТОВ
I стадия – образование фермент-субстратного комплекса ES, протекает очень быстро. На этой стадии происходит узнавание ферментом «своего субстрата» и обеспечение высокой специфичности фермента.
II стадия – преобразование фермент-субстратного комплекса в более активный промежуточный комплекс. При этом субстрат под действием присоединенного к нему фермента претерпевает изменение, делающее его более доступным для соответствующей химической реакции, в результате образуется промежуточный комплекс с меньшей энергией активации и происходит резкое увеличение скорости реакции.
III стадия – протекание самой химической реакции.
IV стадия – освобождение продуктов реакции из АЦ фермента, восстановление исходной структуры фермента.
Таким образом, в механизме ферментативного катализа ведущую роль играют промежуточные фермент-субстратные комплексы, образование которых приводит к снижению энергии активации и обеспечивает высокую специфичность и скорость процесса в целом.
I.3. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА СКОРОСТЬ
ФЕРМЕНТАТИВНОЙ РЕАКЦИИ
Факторы, влияющие на скорость ферментативной реакции, влияют также и на активность ферментов. К ним относят:
концентрация субстрата и фермента,
условия протекания реакции (температура, рН среды, давление),
наличие активаторов и ингибиторов.
Рассмотрим их более подробно.
I.4. НОМЕНКЛАТУРА И КЛАССИФИКАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ
Каждая из примерно 2-3 тыс. рекций обмена в клетке катализируется своим ферментом, общее число видов ферментов составляет десятки тысяч, что требует единой номенклатуры и классификации.
Изначально существовала тривиальная номенклатура, когда названия ферментам давали по случайным признакам, например, пепсин (от греч. пепсис-пищеварение), трипсин (от греч. трипсис-разжижаю), цитохромы (от лат. сitos – клетка и chroma – цвет).
Позднее получила распространение рациональная номенклатура, согласно которой название фермента состоит из названия субстрата и окончания –аза.
В 1961 г. Международным биохимическим союзом (IUB) была введена единая Международная номенклатура и классификация, согласно которой ферменты называют и классифицируют в соответствии с типом катализируемой химической реакции.
Основные черты системы, введённой IUB, состоят в следующем:
1. Реакции и ферменты, которые их катализируют, подразделяются на шесть классов, в каждом из которых имеется несколько подклассов:
Оксидоредуктазы – ускоряют реакции окисления-восстановления.
Трансферазы – ускоряют реакции переноса функциональных групп и молекулярных остатков.
Гидролазы – ускоряют реакции гидролитического распада.
Лиазы – учкоряют негидролитическое отщепление определенных групп атомов с образованием двойной связи или присоединяют группы атомов по двой ной связи.
Изомеразы – ускоряют пространственные или структурные изменения в пределах одной молекулы.
Лигазы (синтетазы) – ускоряют реакции синтеза, сопряженные с распадом богатых энергией связей.
2. Название фермента состоит из двух частей: первая часть - название субстрата, вторая указывает тип катализируемой реакции и оканчивается на - аза.
32 096
568 
