Ферменты — белки-катализаторы

Ферменты — это биологические катализаторы, вещества, ускоряющие протекание биохимических реакций в организме. Подавляющее большинство реакций, протекающих в живых организмах, осуществляется при их участии.

Термин «фермент» (от лат. «fermentum» — закваска) предложил в начале XVII в. голландский ученый Ван Гельмонт для веществ, участвующих в спиртовом брожении. Второе название ферментов — энзимы — также связано с дрожжевыми клетками (от греч. «еп» — в, внутри и «zyme» — закваска).

Лишь в 1897 г. пивовар Бухнер впервые выделил из дрожжей (в виде водного экстракта) набор ферментов, катализирующих расщепление сахара в процессе брожения. Тем самым было доказано, что выделенные из клетки ферменты сохраняют способность функционировать вне клетки.

Белковая природа ферментов окончательно признана только в 30-е гг. XX столетия после работ Джона Нортропа с сотрудниками. Они выделили в чистом виде ферменты желудочного сока пепсин и трипепсин и установили, что молекулы этих ферментов относятся к белкам.

Однако даже в настоящее время на многие вопросы, касающиеся ферментов, еще нет точного ответа. Например, почему молекулы ферментов намного крупнее молекул субстратов, на которые они действуют? Каким образом аминокислоты, сами по себе неспособные ускорять химические реакции, после соединения в специфические последовательности создают мощные каталитические системы?

Все ферменты состоят из собственно белковых частей и связанных с ними активных центров (рис. 8.12). В молекуле фермента различают активный центр А, т. е. место в пространственной структуре фермента, с которым связывается субстрат S, и белковую часть фермента, которую называют апоферментом или апоэнзимом.

Селективность действия фермента определяется высокоизбирательной способностью субстрата узнавать его активный центр. Часть активного центра, ответственную за селективное связывание, иногда называют адсорбционным центром фермента, а ту часть, которая принимает непосредственное участие в каталитическом процессе, называют катартическим центром. Эти два центра могут перекрываться.

Рис. 8.12. Ферментные структуры:

А — активный центр. S— субстрат, R — регуляторный, или аллостерический центр.

I — каталитические участки. 2 — контактные участки. 3 — кофактор В катализе принимают участие следующие функциональные группы ферментов:

Например, фермент панкреатическая рибонуклеаза катализирует двустадийный гидролиз фосфодиэфирных связей в РНК, сходный в общих чертах со щелочным гидролизом этих связей.

Белок, который в данном случае сам по себе является ферментом и не требует участия дополнительных кофакторов, «узнает» специфичный субстрат, ориентируя его нужным образом, и осуществляет общий кислотный и основной катализ на двух стадиях гидролиза. Эти две функции — наиболее общие для всех белков, являющихся ферментами или входящих в их состав.

Молекулярные массы ферментов лежат в пределах от 12 000 до 1 000 000, что намного превышает молекулярные массы их субстратов.

Ферменты действуют только при прямом контакте с превращающимся субстратом, поэтому необходимой стадией процесса, катализируемого ферментом (ферментативного превращения), является образование комплекса фермента с субстратом или субстратами.

Ферменты действуют по принципу «ключ-замок», вырезы и выступы «бородки» ключа — субстрата — должны соответствовать замку — активному центру (рис. 8.13). Этим и определяется селективность действия ферментов.

Кроме активного центра у ферментов имеется регуляторный (аллостерический) центр, который в молекуле фермента пространственно разделен с активным центром.

Вещества, связывающиеся с аллостерическим центром, называют аллостерическими эффекторами, либо положительными (активаторы), либо отрицательными (ингибиторы). Они влияют через аллостерический центр на функцию активного центра.

Рис. 8. 13. Действие активного центра фермента по принципу «ключ-замок».

Обычно активный центр фермента образуют 12−16 аминокислотных остатков полипептидной цепи. Аминокислоты, формирующие активный центр, находятся в разных местах полипептидной цепи, нередко на противоположных концах. При пространственной укладке они сближаются и образуют активный центр.

У простых ферментов роль функциональных групп контактного и каталитического участков активного центра выполняют только боковые радикалы аминокислот. У сложных ферментов главную роль в этих процессах играют кофакторы.

Кофактор — молекула, соединенная с ферментом и активизирующая его работу.

Характерной особенностью ферментов является их специфичность.

Под специфичностью фермента понимается его свойство изменять скорость реакций одного типа и не влиять на многие другие реакции, протекающие в клетке.

Для каталитической активности многих ферментов необходим дополнительный химический компонент — кофактор. Роль кофакторов играют неорганические вещества, например ионы Fe³ Mn² Zn, или сложные органические вещества, которые в этом случае носят названия коферментов. Коферменты и ионы металлов связываются с белком фермента, иногда временно и непрочно, а иногда — прочно и постоянно. В последнем случае небелковую часть фермента называют простетическои группой.

В табл. 8.12 приведен список некоторых ферментов, для которых необходимы ионы или атомы металлов в качестве кофакторов.

Каталаза является типичным метаплоферментом, поэтому целесообразно остановиться подробнее на механизме ее действия.

Кислородное дыхание приводит к образованию пероксида водорода Н2О2. Это вещество обладает высокой окислительной способностью. Оно является побочным промежуточным продуктом в процессе внутреннего дыхания клеток. При его взаимодействии с биоорганическими соединениями клеток образуются радикалы очень активные молекулярные частицы с ненасыщенной валентностью — и инициируется пероксидное окисление. Под действием радикалов разрушаются важнейшие составные части клетки — мембраны и ДНК.

Таблица 8.12.

Ферменты с ионами или атомами металлов

Рис. 8.14. Активный центр каталазы CatFe²*.

В ходе биологической эволюции природа выработала особый белок — фермент каталазу, которая разрушает Н2О2. Тем самым ограничивается избыточное накопление этого вещества и предотвращается разрушение клетки.

В отсутствие каталазы пероксид водорода разлагается медленно и накапливается в значительных количествах. Это приводит к отрицательным последствиям: Н₂0₂ взаимодействует с биоорганическими веществами клетки, окисляет их, что в конечном счете приводит к гибели клетки. Это свойство пероксида используется для уничтожения патогенных микроорганизмов при обработке свежих ран.

В состав каталазы, как и в состав большинства ферментов, входит ион металла. Поэтому такие биологические катализаторы называются металлоферментами. Химический анализ показывает, что в каждой молекуле каталазы имеется ион железа Fe²*. Этот факт не является неожиданным, поскольку выше было показано, что именно ионы Fe²* ускоряют разложение Н₂0₂. Но существенное отличие заключается в том, что в присутствии каталазы Н₂0₂ разлагается гораздо быстрее, чем при таком же количестве соли железа (II).

Строение активного центра каталазы аналогично таковому гемоглобина и миоглобина (рис. 8.14).

Действие каталазы CatFe²* может быть представлено в виде каталитического цикла из двух последовательных реакций:

В результате разрушаются две молекулы Н₂0₂, а молекула биокатализатора CatFe²* освобождается и может вступать в следующий каталитический цикл. Этот процесс очень быстрый. В течение секунды 1 молекула каталазы может осуществлять до 20 000 циклов.

Каталитическая активность фермента зависит от сохранности нативной структуры белка. Каталитическая активность исчезает при нагревании белка в результате тепловой денатурации или при воздействии денатурирующими агентами и растворами с экстремальными значениями pH.

Таким образом, для сохранения каталитической активности фермента важно сохранение их первичной, вторичной и третичной структур.

Действие большинства ферментов высокоизбирательно — специфично. Понятие специфичности относится не только к типам каталитических реакций (реакционная специфичность), но и к природе соединений — субстратов (субстратная специфичность).

Различают абсолютную, относительную (групповую) и стереохимическую специфичность.

Большинство ферментов обладает абсолютной специфичностью — ускоряют какую-либо одну реакцию. Примерами абсолютной специфичности могут служить: фермент сахароза (инвертаза), расщепляющая только дисахарид сахарозу, мальтоза, действующая лишь на мальтозу, лактаза — только на лактозу. Указанные выше дисахариды — мальтоза, лактоза и сахароза — хотя и имеют одинаковую эмпирическую формулу С12Н22О11, но расщепляются только под влиянием трех разных ферментов, так как различаются по структуре и составу входящих в них моносахаридов.

Примером относительной (групповой) специфичности может служить действие фермента пепсина. Дефицит пепсина приводит к несварению желудка. Этот фермент расщепляет самые различные белковые вещества пищи: белки мяса, молока, растений. В желудке белковые вещества расщепляются пепсином, независимо от качества и количества входящих в них аминокислот, благодаря тому, что аминокислоты соединены пептидной связью, которую и расщепляет пепсин (этот фермент расщепляет пептидные связи между ароматическими аминокислотами). Следовательно, действие пепсина относительно специфично.

Примером стереохимической специфичности служат ферменты, расщепляющие какой-либо изомер аили (5-сахаров. Сюда относятся аи р-гликозидазы.

Активность ферментов зависит от кислотности (pH) среды: одни ферменты способны ускорять химическую реакцию, если среда кислая, другие — если щелочная, третьи — если среда нейтральная. Каждый фермент имеет оптимум pH, при котором он наиболее активен. Так, оптимум pH пепсина — 1,5−2,0, трипсина — 7,0- 8,0, амилазы — 6,8−7,2, липазы — 7,0−7,5, тканевой протеазы — 4,7−5,0.

Благодаря тому что каждый фермент проявляет свое действие при определенном pH, в клетках и тканях организма возможно сохранение строгой последовательности химических превращений различных веществ.

Ферменты термолабильны. Под термолабильностью ферментов понимают их неустойчивость к высокой температуре. Инактивирование исследуемого раствора при нагревании до 100 °C является одним из доказательств того, что вещество, содержащееся в растворе, является ферментом. Термолабильность обусловлена наличием в молекуле фермента белковой части (апофермента. апоэнзима).