Ферменты

Пространственная структура триозфосфат-изомеразы (PDB 1WYI) Ферменты или энзимы – органические катализаторы белковой или РНК природы. Ферменты катализируют большинство химических реакций, происходящих в живых организмах. Они могут иметь от одного до нескольких полипептидных цепей – субъединиц. Каждый из ферментов имеет один или более активных центров, определяющих специфичность химической реакции, катализируемой данным ферментом. Кроме активного центра некоторые ферменты имеют алостеричний центр, регулирующий работу активного центра. Ферментативная реакция также может регулироваться другими молекулами, как белковой природы, так и другими – активаторами и ингибиторами.
Ферменты РНК-природы называются рибозимов и считаются первоначальной формой ферментов, которые были заменены белковыми ферментами в процессе эволюции.
Термины фермент и энзим »давно используют как синонимы. Наука о ферментах называется энзимологией, а не ферментологией (чтобы не смешивать корни слов латинского и греческого языков).
Термин фермент предложен в 17 веке химиком ван Гельмонтом при обсуждении механизмов пищеварения. В конце 18 – начале 19 века было известно, что мясо переваривается желудочным соком, а крахмал превращается в сахар под действием слюны. Однако механизм этих явлений был неизвестен. В 19 веке Луи Пастер, изучая превращение углеводов в этиловый спирт под действием дрожжей, пришел к выводу, что этот процесс (брожение) катализируется некой жизненной силой, находящейся в дрожжевых клетках.
Более ста лет назад термины фермент и энзим отражали различные точки зрения Пастера с одной стороны, и М. Бертло и Ю. Либиха с другой в теоретическом споре о природе спиртового брожения. Собственно ферментами (от лат. Fermentum – закваска) называли «организованные ферменты» (то есть сами живые микроорганизмы), а термин энзим (от греч.- «в-и – дрожжи, закваска) предложен в 1876 году В. Кюне для «неорганизованных ферментов», секретируемых клетками, например, в желудок (пепсин) или кишечника (трипсин, амилаза). За два года после смерти Пастера в 1897 году Эдуард Бюхнер опубликовал работу «Спиртовое брожение без дрожжевых клеток», в которой экспериментально показал, что экстракт клеток дрожжей осуществляет спиртовое брожение так же, как и неразрушимые дрожжевые клетки 1907 году за эту работу он был удостоен Нобелевской премии.
Ферменты являются биологическими катализаторами, они присутствуют во всех живых клетках и способствуют превращению одних веществ (субстратов) в другие (продукты). Ферменты выступают в роли катализаторов практически во всех биохимических реакциях, происходящих в живых организмах – ими катализируется около 4000 биореакций. Ферменты играют важнейшую роль во всех процессах жизнедеятельности, направляя и регулируя обмен веществ организма.
Подобно всем катализаторам, ферменты ускоряют как прямую, так и обратную реакцию, понижая энергию активации процесса. Химическое равновесие при этом не смещается ни в прямой, ни в обратную сторону. Отличие ферментов от небелковых катализаторов заключается в их высокой специфичности – константа диссоциации некоторых субстратов с белком-ферментом может достигать менее 10 -10 моль / л.
Ферменты широко используются в народном хозяйстве – пищевой, текстильной промышленности, в фармакологии.



По типу катализируемых реакций ферменты подразделяются на 6 классов согласно иерархической классификации ферментов (КФ, EC – Enzyme Commission code). Классификации было предложено Международным союзом биохимии и молекулярной биологии (International Union of Biochemistry and Molecular Biology). Каждый класс содержит подклассы, так что фермент описывается совокупностью четырех чисел, разделенных точками. Например, пепсин имеет ЕС 3.4.23.1. Первое число описывает механизм реакции, катализирует фермент:
Являясь катализаторами, ферменты ускоряют как прямую, так и обратную реакции, поэтому, например, лиазы способны катализировать и обратную реакцию – присоединение по двойным связям. Тем не менее направление реакции может привлекать несколько субстратов и быть таким, что обратная реакция практически не происходит.
Обычно ферменты именуют по типу реакции, которую он катализирует, добавляя суффикс-аза к названию субстрата (например лактаза – фермент, участвующий в превращении лактозы). Таким образом, в различных ферментов, выполняющих одну функцию, будет одинаковое название. Такие ферменты различают по другим свойствам, например, по оптимальному pH (щелочная фосфатаза) или локализации в клетке (мембранная АТФаза).
Кривая насыщения химической реакции (уравнение Михаэлиса-Ментен), иллюстрирующая соотношение между концентрацией субстрата [S] и скоростью реакции V. Простейшим описанием кинетики односубстратных ферментативных реакций является уравнение Михаэлиса-Ментен.
На сегодняшний момент описано несколько механизмов действия ферментов. Например, если реакция требует нескольких молекул субстрата или различных субстратов, часто реакция протекает через образование третичного комплекса. Для действия многих ферментов также типичное образований переходных комплексов (состояний), которое описывается «механизмом пинг-понг».
Активность ферментов определяется их трехмерной структурой.
Как и все белки, ферменты синтезируются в виде линейной цепочки аминокислот, которая сворачивается определенным образом. Каждая последовательность аминокислот сворачивается особым образом, и молекула (белковая глобула) получается, обладает уникальными свойствами. Несколько белковых цепей могут объединяться в белковый комплекс. Наибольшие уровни структуры белков – третичная и четвертичная структуры – разрушаются при нагревании или под действием некоторых химических веществ.
Чтобы катализировать реакцию, фермент должен связаться с одним или несколькими субстратами. Белковая цепь фермента сворачивается таким образом, что на поверхности глобулы образуется щель, или впадина, где связываются субстраты. Эта область называется сайтом связывания субстрата. Обычно она совпадает с активным центром фермента или находится вблизи него. Некоторые ферменты содержат также сайты связывания кофакторов или ионов металлов.
В некоторых ферментов есть сайты связывания малых молекул, которые не принимают непосредственного участия в реакции и часто, но не могут быть субстратами или продуктами метаболического пути, в который входит фермент. Они уменьшают или увеличивают активность фермента, что создает возможность для обратной связи или регуляции работы фермента.
Для активных центров некоторых ферментов характерно явление кооперативности.
Специфичность
Ферменты обычно проявляют высокую специфичность по отношению к своим субстратам. Это достигается частичной комплементарностью формы, распределения зарядов и гидрофобных областей на молекуле субстрата и в центре связывания субстрата на ферменте. Ферменты демонстрируют высокий уровень стереоспецифичности (пространственной специфичности), региоселективности (специфичности ориентации) и хемоселективности (специфичности к химическим группам).
Модель «ключ-замок»
Гипотеза Кошланд о индуцированную соответствие реалистичная ситуация индуцированного соответствия. Неправильные субстраты – слишком большие или слишком маленькие – не подходят к активному центру В 1890 году Эмиль Фишер предположил, что специфичность ферментов определяется точным соответствием формы фермента и субстрата. Такое предположение называется моделью «ключ-замок». Фермент соединяется с субстратом с образованием короткоживущего фермент-субстратного комплекса. Однако, хотя эта модель объясняет высокую специфичность ферментов, она не объясняет явления стабилизации переходного состояния, которое наблюдается на практике.
Модель индуцированного соответствия
В 1958 году Дениел Кошланд предложил модификацию модели «ключ-замок». Ферменты, в основном, – не жесткие, а гибкие молекулы. Активный центр фермента может изменить конформацию после связывания субстата. Боковые группы аминокислот активного центра принимают такое положение, которое позволяет ферменту выполнить свою каталитическую функцию. В некоторых случаях молекула субстрата также меняет конформацию после связывания в активном центре. В отличие от модели «ключ-замок», модель индуцированного соответствия объясняет не только специфичность ферментов, но и стабилизацию переходного состояния.
Модификации
Многие ферменты после синтеза белковой цепи претерпевают модификации, без которых фермент не проявляет свою активность в полной мере такие модификации называются посттрансляционными. Один из самых распространенных типов модификации – присоединение химических групп к боковым остатков полипептидной цепочки. Например, присоединение фосфатной группы называется фосфорилированием, оно катализируется ферментом киназой. Многие ферменты эукариот гликозилированы, т.е. модифицировать олигомерами углеводной природы.
Еще один распространенный тип посттранляционных модификаций – расщепление полипептидной цепи. Например, химотрипсин (протеаза, участвующая в пищеварении), получается при отщеплении полипептидного участка из химотрипсиногена. Химотрипсиноген является неактивным предшественником химотрипсина и синтезируется в поджелудочной железе. Неактивная форма транспортируется в желудок, где превращается в химотрипсин. Такой механизм необходим для того, чтобы избежать повреждения поджелудочной железы и других тканей до поступления фермента в желудок. Неактивный предшественник фермента называют также «зимогеном».
Кофакторы ферментов



Некоторые ферменты выполняют каталитическую функцию сами собой, без дополнительных компонентов. Однако есть ферменты, которым для осуществления катализа необходимы компоненты небелковой природы. Кофакторы могут быть как неорганическими молекулами (ионы металлов, железо-серные кластеры и др.), так и органическими (например, флавин или гем). Органические кофакторы, прочно связанные с ферментом, называют также простетическими группами. Кофакторы органической природы, способные отделяться от фермента, называют коферментами.
Фермент, который требует наличия кофактора для проявления каталитической активности, но не связан с ним, называется апоферментом. Апофермент в комплексе с кофактором носит название холо-фермента. Большинство кофакторов связано с ферментом нековалентными, но довольно прочными взаимодействиями. Есть и такие простетические группы, которые связаны с ферментом ковалентно, например, тиаминпирофосфат в составе фермента пируватдегидрогеназы.