Специфические свойства ферментов: специфичность (абсолютная, групповая), термолабильность, оптимум рН

В зависимости от механизма действия различают ферменты с относительной (или групповой) и абсолютной специфичностью. Так, для действия ферментов с групповой специфичностью наибольшее значение имеет тип химической связи в молекуле субстрата. Например, пепсин в одинаковой степени расщепляет белки животного и растительного происхождения, несмотря на то, что эти белки существенно отличаются друг от друга как по химическому строению и аминокислотному составу, так и по физико-химическим свойствам. Однако пепсин не расщепляет ни углеводы, ни жиры. Объясняется это тем, что точкой приложения, местом действия пепсина является пептидная связь:

O

║

─C─N─.

|

H

Для действия липазы, катализирующей гидролиз жиров на глицерин и жирные кислоты, подобным местом является сложноэфирная связь. Относительной специфичностью наделены некоторые внутриклеточные ферменты, например, гексокиназа, катализирующая при участии АТФ фосфорилирование почти всех гексоз, хотя одновременно в клетках имеются и специфические для каждой гексозы ферменты, выполняющие такое же фосфорилирование.

При абсолютной специфичности фермент катализирует превращение только единственного субстрата. Любые изменения в структуре субстрата делают его недоступным для действия этого фермента. Имеются экспериментальные доказательства существования так называемой стереохимической специфичности, обусловленной существованием оптически изомерных L- и D- форм или геометрических (цис- и транс-) изомеров химических веществ. Так, известны оксидазы L- и D- аминокислот, хотя в природных белках обнаружены только L-аминокислоты. Каждый из видов оксидаз действует только на свой специфический стереоизомер:

+½O₂

L-аминокислота α – кетокислота + NH₃ + H₂O

Оксидаза L-аминокислот

+½O₂

D-аминокислота α-кетокислота + NH₃ + H₂O

Оксидаза D-аминокислот

Наглядным примером стереохимической специфичности является бактериальная аспартатдекарбоксилаза, катализирующая отщепление CО только от L-аланин. Если какое-либо соединение существует в форме цис- и транс-изомеров с различным расположением групп атомов вокруг двойной связи, то, как правило, только один из этих изомеров может служить в качестве субстрата для действия фермента. Например, фумараза катализирует превращение только фумаровой кислоты (транс-изомер), но не действует на малеиновую кислоту (цис-изомер):

Фумаровая кислота Малеиновая кислота

Специфичность действия ферментов пытался объяснить Э. Фишер. Согласно его гипотезе «фермент подходит к субстрату как ключ к замку», при этом топография активного центра не только высоко упорядочена, но и жёстко закреплена. Активный центр фермента соответствует топографии одного- единственного субстрата, поэтому он может подвергаться действию активного центра. Гипотеза «ключа и замка» вполне удовлетворительно объясняет абсолютную специфичность, однако объяснить групповую специфичность по этой гипотезе затруднительно.

Теория индуцированного соответствия (теория Кошланда) устраняет это противоречие. Суть теории в том, что пространственное соответствие структуры субстрата и активного центра фермента создаётся в момент их взаимодействия друг с другом. В зависимости от конформационной подвижности активного центра фермент способен взаимодействовать либо с немногими, либо с самыми разными субстратами. Фермент и субстрат в процессе образования фермент-субстратного комплекса как бы подстраиваются друг к другу (как перчатка к руке).

Теория химического соответствия, сохраняя основные положения теории Кошланда, фиксирует внимание на том, что специфичность действия ферментов объясняется узнаванием ферментом той части субстрата, которая при катализе не изменяется. Между этой частью субстрата и субстратным центром возникают взаимодействия и только тогда, когда совпадение это достаточно полно, может образоваться фермент-субстратный комплекс и начаться процесс катализа.