Ферменты

Ферменты, или энзимы - вещества белковой природы, обладающие каталитической активностью. Явления брожения и переваривания известны давно. Термин «энзим» (от греч. en zyme- в дрожжах), так же как и «фермент» (от лат. fermentatio - брожение). Учение о ферментах выделено в самостоятельную науку энзимологию.

Хотя уже осуществлен лабораторный синтез ряда ферментов — рибонуклеазы, лизоцима, единственный способ получения ферментов — это выделение их из биологических объектов. Для выделения ферментов из клеточного содержимого необходимо тонкое измельчение, вплоть до разрушения субклеточных структур. Все операции проводят в условиях, исключающих денатурацию белка (использование защитных добавок, низкая температура). Используют специальные приемы - экстракция глицерином, метод ацетоновых порошков, метод ионообменной хроматографии, метод молекулярных сит, электрофорез, афинная хроматография, где адсорбентом служит вещество, с которым фермент взаимодействует избирательно.

Содержание ферментов в различных субклеточных структурах неодинаково. Ферменты гликолиза сосредоточены преимущественно в цитоплазме, ферменты цикла Кребса - в митохондриях.

Доказательства белковой природы ферментов:

1. Ферменты при гидролизе распадаются на аминокислоты.

2. Под действием кипячения и др. факторов ферменты подвергаются денатурации и теряют каталитическую активность.

3. Осуществлено выделение ферментов в форме кристаллов белка.

4. Ферменты оказывают высокоспецифическое действие.

Прямым доказательством белковой природы ферментов является лабораторный синтез первого фермента - рибонуклеазы, осуществленный в 1969 г. в лаборатории Б. Меррифилда в Нью-Йорке. В н. 80-х годов XX в. была открыта способность низкомолекулярных рибонуклеиновых кислот выполнять каталитическую функцию. Эти соединения назвали рибозимами.

Выделяют простые ферменты, состоящие только из полипептидной цепи: пепсин, трипсин, уреаза, рибонуклеаза, фосфатаза и др. Большинство природных ферментов - сложные белки. Их небелковые компоненты называются кофакторами и необходимы для выполнения ферментом его каталитической роли. Кофакторами ферментов являются витамины или соединения, построенные с их участием (коэнзим А, НАД⁺, ФАД); фосфорные эфиры некоторых моносахаридов, ионы металов (Zn²⁺, Mg²⁺, Mn²⁺, Fe²⁺).

Кофермент - небелковый фактор, который легко отделяется от белковой части - апофермента при диссоциации. Простетическая группа – ковалентно связанный с белковой цепью небелковый компонент, который не отделяется при выделении и очистке фермента. В апоферменте есть участок, избирательно связывающий кофермент. Это кофермент связывающий домен. Его структура у различных апоферментов, соединяющихся с одним и тем же коферментом, сходна. Весь фермент вместе с простетической группой назыывают холоферментом. Только объединение апофермента и кофермента обеспечивает активность холофермента.

Субстрат – вещество, подвергающееся превращениям под действием фермента.

Активный центр - специфический участок на поверхности фермента, связывающийся с молекулой субстрата и непосредственно участвующий в катализе (слайд 5). Аминокислотные остатки, образующие каталитический центр однокомпонентного фермента, расположены в различных участках полипептидной цепи. Поэтому активные центры ферментов образуются на уровне третичной структуры. У сложных ферментов в состав активного центра входят также простетические группы. Кофакторы ферментов выполняют роль промежуточных переносчиков атомов или групп.

Активный центр у ферментов располагается на дне щели при двухъядерной структуре, например у лизоцима, или на дне глубокой впадины, как у химотрипсиногена и трипсина. В активном центре различают два участка.

Субстратный (связывающий) центр - участок, отвечающий за присоединение субстрата. Его называют контактной, или «якорной» площадкой фермента. Каталитический центр отвечает за химическое превращение субстрата. В состав каталитического центра большинства ферментов входят такие аминокислоты, как серин, цистеин, гистидин, тирозин, лизин. Субстратный центр может совпадать (или перекрываться) с каталитическим центром.

Молекула субстрата также содержит функционально различные участки: специфическую связь или группу атомов, подвергающуюся атаке со стороны фермента, и один или несколько участков, избирательно связываемых ферментом. В связывании фермента и субстрата большую роль играют силы гидрофобных взаимодействий и водородные связи, возникающие между радикалами аминокислотных остатков субстратного центра фермента и соответствующими группировками в молекуле субстрата.

Аллостерический центр - участок молекулы фермента вне его активного центра, который способен связываться слабыми типами связей с тем или иным веществом (лигандом). В результате изменяется третичная, а часто и четвертичная структура белковой молекулы. Как следствие изменяется конфигурация активного центра и изменяется каталитическая активность фермента. Это т. н. аллостерическая регуляция каталитической активности ферментов. Ферменты, активность каталитического центра которых подвергается изменению под влиянием аллостерических эффекторов, называют аллостерическими. Отличительной особенностью ряда аллостерических ферментов является наличие в молекуле олигомерного фермента нескольких активных центров и нескольких аллостерических регуляторных центров.

Некоторые из ферментов являются полифункциональными, т. е. обладают несколькими энзиматическими активностями, но всего лишь одной полипептидной цепью. Единая цепь образует несколько доменов, каждый из которых характеризуется своей каталитической активностью. Например, алкогольдегидрогеназа не только катализирует реакцию окисления спиртов, но также реакции обезвреживания ряда ксенобиотиков, участвует в метаболизме ряда нейромедиаторов, гормонов.

Изоферменты - это множественные формы фермента, катализирующие одну и ту же реакцию, но отличающиеся друг от друга по физическим и химическим свойствам - сродству к субстрату, активности, электрофоретической подвижности.

Существуют ферменты, молекулы которых состоят из двух и более субъединиц, т.е. являющиеся мультимерами. Если молекулы мультимера составлены из субъединиц двух типов, то в зависимости от соотношения протомеров разных типов фермент может существовать в виде нескольких изомеров - изозимов. Классический пример - фермент лактатдегидрогеназа, ускоряющий в мышцах превращение лактата в пируват и обратно. Его молекула состоит из четырех субъединиц двух типов - Н (от англ. heart — сердце)и М (muscle — мышцы):