Строение фермента

Классификация и номенклатура ферментов

Тема 4. ВВЕДЕНИЕ В ЭНЗИМОЛОГИЮ. СВОЙСТВА ФЕРМЕНТОВ

Катализатор — это вещество, которое ускоряет химическую реакцию, но само в ходе этой реакции не расходуется.

Энзим (en zyme — в дрожжах), фермент (fermentum — закваска) — термины для обозначения биологических катализаторов белковой природы.

Рибозим —это биологический катализатор рибонуклеиновой природы.

Субстратом (S) называют вещество, химические превращения которого в продукт (Р) катализирует фермент (Е).

Чтобы произошла химическая реакция, необходимы следующие условия:

1) молекулы должны сблизиться (столкнуться);

2) запас энергии молекул в момент столкновения должен быть не ниже энергетического барьера реакции.

В начале ХХ в. предложили называть ферменты по названию субстрата с добавлением суффикса -аза (amylum — амилаза, lipos — липаза, protein — протеиназа). В 1961 г. Ме­ждународный Совет Биохимиков (IUB) предложил положить в основу названия и классификации ферментов тип химической реакции и ее механизм. Все ферменты разделили на 6 классов: оксидоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы, лигазы (синтетазы). Каждый класс состоит из 4–13 подклассов, а те в свою очередь из подподклассов.

1. Оксидоредуктазы — это ферменты, катализи­рующие окислительно-восстано-вительные реакции с участием двух субстратов А и В: А _red + В_ox à А_ox + В_red.

2. Трансферазы — это ферменты, катализирующие реакции межмолекулярного переноса группы Х, кроме водорода и кислорода, с субстрата А на субстрат В: А-Х + В <–>
А + В-Х.

3. Гидролазы — это ферменты, которые катализируют расщепление внутримолекулярных связей с участием воды. Например: Ацетилхолин + Н₂О < – > Холин + Уксусная кислота.

4. Лиазы — это ферменты, отщепляющие группы от субстратов по негидролитическому механизму с образованием двойных связей и присоединением веществ по месту двойной связи.

5. Изомеразы катализируют превращения различных типов оптических, геометрических и по­зиционных изомеров.

6. Лигазы катализируют соединение двух молекул, сопряженное с разрывом пирофосфатной связи АТФ или другого макроэргического соединения.

Каждый фермент по классификации ферментов (КФ, ЕС) обозначается че­тырьмя цифрами (шифр фермента): 1— класс, 2 — подкласс, 3 — подподкласс, 4 — номер фермента в спи­ске подподкласса. Так, например, КФ 2.7.1.1 означает: класс 2 (трансферазы), подкласс 7 (перенос фос­фата), подподкласс 1 (алкогольная группа — акцептор фосфата). Конечное на­звание — гексокиназа, или АТФ:D-гексоза-6-фосфотрансфераза, фермент, ката­лизирующий перенос фосфата с АТФ на гидроксильную группу у шестого углеродного атома глюкозы.

По сложности строения белковой молекулы выделяют простые (однокомпонентные) ферменты, состоящие только из белковой части, и сложные (двухкомпонентные) ферменты, имеющие кроме белковой части (апофермента) и небелковую часть (кофермент). В этом случае сложный фермент часто называют холофермент.

Кофермент часто называют кофактором или простетической группой. Отличие заключается в характере связывания с апоферментом. Кофермент связывается с ним нековалентными связями, а кофактор (простетическая группа) — ковалентными.

Коферменты выполняют следующие функции: а) являются посредниками между ферментом и субстратом; б) непосредственно участвуют в акте катализа; в) стабилизируют апофермент.

Роль коферментов могут выполнять как органические, так и неорганические соединения. Различают: а) коферменты алифатического ряда (липоевая кислота); б) коферменты ароматического ряда (убихинон); в) коферменты — производные водорастворимых витаминов (ТПФ, ПФ); г) коферменты-нуклеотиды (НАД⁺, ФАД); д) коферменты-металлы (Zn, Co, Mg).

В строении белковой части фермента можно выделить ряд функциональных доменов, обеспечивающих главные функции фермента: а) домен, обеспечивающий связь с коферментом (в двухкомпонентных ферментах); б) домен, обеспечивающий взаимодействие с регулятором (регулируемые ферменты) и др. Обязательным для всех ферментов является домен — активный центр фермента. Он образуется из остатков аминокислот, находящихся в составе различных участков полипептидной цепи или различных полипептидных цепей, но пространственно сближающихся при образовании пространственной структуры белка-фермента. В активном центре выделяют: а) способствующие группы; б) контактный (якорный) участок; в) каталитический участок; г) вспомогательные группы.

Белковая природа ферментов придает им ряд особенностей, отличающих их от обычных катализаторов. Эти особенности ферментов называют общими свойствами ферментов. К ним относятся:

- высокая молекулярная активность (ферменты могут ускорять реакцию в 10⁸–10¹² раз);

- высокая специфичность ферментов к субстратам (субстратная специфичность) и к типу катализируемой реакции (реакционная специфичность);

- высокая чувствительность ферментов к неспецифическим физико-химическим факторам среды — температуре, рН, ионной силе раствора и т. д.;

- высокая чувствительность к химическим реагентам;

- возможность регуляции активности.

Важное условие, характеризующее действие фермента, — специфичность взаимодействия. Различают несколько типов специфичности: а) абсо­лютная — фермент катализирует превращение строго определенного вещества (уреаза расщепляет только мочевину на СО₂ и NH₃); б) стереохимическая — фермент катализирует превращение только одного стереоизомера при наличии рацемата (L-оксидазы превращают L-аминокислоты, но не D-амино-кислоты); в) групповая абсолютная специфичность — фер­мент катализиpyет превращения группы субстратов, имеющих одинаковую химическую группу, связанную одним типом химических связей (например, метилэстеразы действуют на субстраты, в которых метильная группа связана эфирной связью); г) групповой относительной специфичностью обладают ферменты, для которых важен только тип связи. Существуют две модели, объясняющие специфичность: модель Фишера — «ключ – замок» и модель Кошленда — индуцированного взаимодействия.