Зарегистрироваться

Ферменты

Категории Биоорганическая химия | Под редакцией сообщества: Химия

Ферменты (энзимы) (от лат. fermentum – закваска) – молекулы белков или РНК (рибозимы) или их комплексы, ускоряющие (катализирующие) химические реакции в живых системах. Почти все биохимические реакции, протекающие в любом организме, и составляющие его обмен веществ, катализируются соответствующими ферментами. Ферменты катализируют более 4000 разных биохимических реакций. Направляя и регулируя обмен веществ, ферменты играют важнейшую роль во всех процессах жизнедеятельности.

Классификация ферментов

По рекомендации Международного биохимического союза ферменты разделяют на 6 классов: оксидоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы и лигазы.

Класс оксидоредуктаз включает ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции (каталаза, алкогольдегидрогеназа). Он подразделяется на 14 подклассов в зависимости от природы той группы в молекуле субстрата, которая подвергается окислению (спиртовая, альдегидная, кетонная и т.д.).

Класс трансфераз объединяет ферменты, катализирующие реакции переноса химических групп с одной молекулы субстрата на другую, и подразделяется на 8 подклассов в зависимости от природы переносимых групп, которыми могут быть гликозидные остатки, азот- или серосодержащие группы и т.д. Среди трансфераз особо выделяют киназы, переносящие фосфатную группу с молекулы АТФ.

К гидролазам принадлежат ферменты, катализирующие гидролитическое расщепление различных соединений (эстеразы, пепсин, трипсин, амилаза, липопротеинлипаза). Они подразделяются на 9 подклассов в зависимости от типа гидролизуемой связи – сложноэфирной, пептидной, гликозидной и т.д.

Лиазы – ферменты, катализирующие разрыв химических связей без гидролиза с образованием двойной связи в одном из продуктов или, наоборот, присоединяющие группы к двойным связям. У лиаз 5 подклассов, различающихся по типу подвергающейся разрыву связи (углерод – углерод, углерод – кислород и т.д.).

Изомеразы, катализирующие структурные или геометрические изменения в молекуле субстрата, подразделяются на 5 подклассов в зависимости от типа катализируемой реакции.

Лигазами (синтетазами) называются ферменты, катализирующие образование химических связей между субстратами за счет гидролиза АТФ (ДНК-полимераза и др.).

Структура, специфичность и механизм действия ферментов

Активность ферментов определяется их структурой. Как и все белки, ферменты синтезируются в виде линейной цепочки аминокислот. Аминокислотная последовательность определяет первичную структуру молекулы. Фрагменты аминокислотных последовательностей (полипептидные цепи) могут сворачиваться определенным образом (-спирали, -структуры), определяя вторичную структуру фермента. Совокупность стандартных элементов вторичных структур и специфически уложенных участков полипептидной цепи, определенным образом расположенных в пространстве, образует третичную структуру, определяющую биологические свойства ферментов. Третичная структура уникальна для каждого фермента, однако у однотипных ферментов, даже сильно отличающихся по первичной структуре, пространственное расположение цепей может быть сходным (напр., химотрипсины и субтилизины). Часто в третичной структуре можно выделить отдельные компактные части (домены), соединенные участками полипептидной цепи. Организация в пространстве нескольких субъединиц (молекул) определяет четвертичную структуру ферментов.

На поверхности или внутри белковой глобулы фермента находится относительно небольшой участок, называемый активным центром. Он представляет собой совокупность функциональных групп аминокислотных остатков, непосредственно взаимодействующих с субстратом. В активный центр фермента, кроме функциональных групп аминокислот, могут входить небелковые составляющие - коферменты (например, ионы металлов и др.). Такой комплекс называют холоферментом, а его белковую часть - апоферментом. Аминокислотные остатки, входящие в активный центр, относятся к наиболее консервативным в данной группе ферментов. В активном центре можно выделить субстрат-связывающий участок и собственно каталитический участок.

Действие ферментов, в отличие от неорганических катализаторов, строго специфично и зависит от строения субстрата, на который фермент действует. В 1890 г. Э. 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. В 1958 г. Д. Кошланд предложил модификацию модели «ключ-замок». Ферменты, в основном, не жесткие, а гибкие молекулы. Активный центр фермента может изменить конформацию после связывания субстрата. 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. Эта модель получила название «рука-перчатка». Стереохимическая специфичность ферментов теснейшим образом связана с одной из основных особенностей живых организмов – их способностью к синтезу оптически активных органических соединений.

Действие ферментов в организме осуществляется путём регуляции их синтеза и активности. Свойственный данному организму набор ферментов определяется его генетической природой. Однако он может изменяться под влиянием различных внутренних и внешних факторов – действия ионизирующей радиации, состава окружающей среды, условий питания и т.д., что может приводить к возникновению различных заболеваний (например, алкаптонурия). При этом наследственном заболевании у больных утеряна способность к синтезу двух ферментов, катализирующих окисление гомогентизиновой кислоты, образующейся в организме в результате превращений аминокислоты тирозина. Связь между ферментами и наследственными болезнями обмена веществ была впервые установлена А. Гэрродом в 1910-е гг. В результате мутации в гене, кодирующем определенный фермент, может измениться аминокислотная последовательность фермента. При этом в результате большинства мутаций его каталитическая активность снижается или полностью пропадает. Если организм получает два таких мутантных гена (по одному от каждого из родителей), в организме перестает идти химическая реакция, которую катализирует данный фермент. Например, появление альбиносов связано с прекращением выработки фермента тирозиназы, отвечающего за одну из стадий синтеза темного пигмента меланина. Фенилкетонурия связана с пониженной или отсутствующей активностью фермента фенилаланин-4-гидроксилазы в печени. В настоящее время известны сотни наследственных заболеваний, связанные с дефектами ферментов. Разработаны методы лечения и профилактики многих из таких болезней.

Применение ферментов и их практическое значение

Ферменты широко используются в народном хозяйстве — пищевой, текстильной промышленности, в фармакологии. Ферментативные процессы являются основой многих производств: хлебопечения, виноделия, пивоварения, сыроделия, производства спирта, чая, уксуса. С начала XX века по предложению Д. Такамине в спиртовой и др. отраслях промышленности началось применение ферментных препаратов, получаемых из плесневых грибов или бактерий. В ряде стран этот способ широко используется для осахаривания с помощью амилаз крахмалистого сырья с целью получения кристаллической глюкозы или его сбраживания на спирт. Концентрированные амилолитические препараты ферментов из плесневых грибов при добавке в тесто приводят к улучшению качества хлеба и ускорению технологического процесса. Препараты протеолитических ферментов, получаемых из микроорганизмов, употребляются в кожевенной промышленности для удаления волос и смягчения сырья, а в сыродельной промышленности – для замены дефицитного сычужного фермента (реннина). Препараты микробных пектолитических ферментов широко используют при производстве соков (выход плодового сока повышается на 10–20%). Всё большее применение очищенные ферментные препараты находят в медицине. В научных исследованиях и в клинической практике высокоочищенные ферментные препараты служат в качестве специфических средств биохимического анализа. Перспективно применение т. н. иммобилизованных ферментов, которые связываются каким-либо носителем, образующим с данным ферментом нерастворимый комплекс (например, для получения полусинтетических пенициллинов применяют иммобилизованную пенициллинамидазу).

Историческая справка

Начало современной науки о ферментах (энзимологии) связывают с открытием в 1814 г. К. Кирхгофом превращения крахмала в сахар под действием водных вытяжек из проростков ячменя. Действующее начало из этих вытяжек было выделено в 1833 г. А. Пайеном и Ж. Персо. Им оказался фермент амилаза. В 1836 г. Шванн обнаружил и описал пепсин. В этом же году И. Пуркин и И. Паппенгейм охарактеризовали трипсин. В 1897 г. братья Г. и Э. Бухнеры выделили из дрожжей растворимый препарат (так называемую зимазу), вызывавший спиртовое брожение. Этим был положен конец спору Л. Пастера, полагавшего, что процесс брожения могут вызывать только целостные живые клетки, и Ю. Либиха, считавшего, что брожение связано с особыми веществами. В конце XIX века Э. Фишер предложил первую теорию специфичности ферментов. В 1913 г. Л. Михаэлис сформулировал общую теорию кинетики ферментативных реакций. В кристаллическом виде первые ферменты были получены Дж. Самнером в 1926 г. (уреаза) и Дж. Нортропом в 1930 г. (пепсин). К середине XX века благодаря развитию методов физико-химического анализа (главным образом хроматографии) и органической химии была расшифрована первичная структура многих ферментов. Так, в 1960 г. У. Стейном и С. Муром была установлена первичная структура рибонуклеазы А, а в 1969 г. P. Меррифилдом осуществлен химический синтез этого фермента. Примерно в это же время с помощью рентгеноструктурного анализа расшифрована вторичная и третичная структура ряда ферментов. В 1965 г. методом рентгеноструктурного анализа английский учёный Д. Филлипс установил трёхмерную структуру фермента лизоцима. Каталитическая активность РНК (рибозимы) впервые была обнаружена в 1980-е годы Т. Чеком, изучавшим сплайсинг РНК у инфузории Tetrahymena thermophila. Участок молекулы пре-рРНК Tetrahymena thermophila, кодируемый интроном внехромосомного гена рДНК, осуществлял аутосплайсинг, то есть сам вырезал себя при созревании рРНК.

Рекомендуемая литература

1. Диксон M., Уэбб Э. Ферменты. В 3-х т. Пер. с англ. М.: Мир. 1982. С. 1120.

2. Фершт Э. Структура и механизм действия ферментов. Пер. с англ. М.: Мир. 1980. С. 432.

3. Страйер Л. Биохимия. В 3-х т. Пер. с англ. М.: Мир. 1984 - 1985. С. 936.

4. Марри Р., Греннер Д., Мейес П., Родуэлл В. Биохомия человека, т. 1. М., 1993. Марри Р., Греннер Д., Мейес П., Родуэлл В. Биохимия человека. В 2-х т. М.: Мир. 2004. Т. 1. С. 384.

См. также статью "Ферменты" в категории "Биохимия".

Эта статья еще не написана, но вы можете сделать это.