Белки и ферменты

 

Под субстратным центром  понимают участок молекулы фермента, ответственный за присоединение  вещества (субстрата), подвергающегося  ферментативному превращению. Часто  этот участок называют “якорной площадкой” фермента, где, как судно на якорь, становится субстрат.

Понятие о каталитическом и субстратном центре не следует  абсолютизировать. В реальных ферментах  субстратный центр может совпадать (или перекрываться) с каталитическим центром. Более того, каталитический центр может окончательно формироваться  в момент присоединения субстрата. Поэтому часто говорят об активном центре фермента, представляющем сочетание  первого и второго. Аллостерический центр представляет собой участок молекулы фермента, в результате присоединения к которому определенного низкомолекулярного (а иногда - и высокомолекулярного) вещества изменяется третичная структура белковой молекулы. Вследствие этого изменяется конфигурация активного центра, сопровождающаяся либо увеличением, либо понижением каталитической активности фермента.

 

Значения молекулярных масс ферментов колеблются в широких  пределах: от нескольких тысяч до нескольких миллионов. В природе насчитывается  несколько десятков ферментов, обладающих сравнительно небольшими молекулами (до 50 тыс.). Однако большинство ферментов  представлено белками более высокой  молекулярной массы, построенными из субъединиц. Так, каталаза (М=25200) содержит в молекуле шесть протомеров с М=42000 каждый.

 

Будучи белками, ферменты обладают всеми их свойствами. Вместе с тем биокатализаторы характеризуются  рядом специфических качеств, тоже вытекающих из их белковой природы. Эти  качества отличают ферменты от катализаторов  обычного типа. Сюда относятся термолабильность ферментов, зависимость их действия от значения рН среды, специфичность и, наконец, подверженность влиянию активаторов и ингибиторов.

 

Специфичность - одно из наиболее выдающихся качеств ферментов. По образному  выражению, нередко употребляемому в биохимической литературе, фермент  подходит к субстрату, как ключ к замку. Это знаменитое правило было сформулировано Э. Фишером в 1894 г. исходя из того, что специфичность действия фермента предопределяется строгим соответствием геометрической структуры субстрата и активного центра фермента.

В 50-е годы нашего столетия это статическое представление  было заменено гипотезой Д. Кошланда об индуцированном соответствии субстрата и фермента . Сущность ее сводится к тому, что пространственное соответствие структуры субстрата и активного центра фермента создается в момент их взаимодействия друг с другом, что может быть выряжено формулой “перчатка - рука”. При этом в субстрате уже деформируются некоторые валентные связи и он, таким образом, подготавливается к дальнейшему каталитическому

видоизменению, а в молекуле фермента происходят конформационные перестройки.

 

6 Факторы, влияющие на деятельность ферментов

От чего зависит активность ферментов?

1. Зависимость скорости реакции от температуры

Зависимость каталитической активности фермента от температуры

выражается типичной кривой. До некоторого значения температуры (в  среднем до 5О°С) каталитическая активность растет, причем на каждые 10°С примерно в 2 раза повышается скорость преобразования субстрата. В то же время постепенно возрастает количество инактивированного фермента за счет денатурации его белковой части. При температуре выше 50°С денатурация ферментного белка резко усиливается и, хотя скорость реакций преобразования субстрата продолжает расти, активность фермента, выражающаяся количеством превращенного субстрата, падает.

 

Температура, при которой  каталитическая активность фермента максимальна, называется его температурным оптимумом. Температурный оптимум для различных ферментов неодинаков. В общем для ферментов животного происхождения он лежит между 40 и 50°С, а растительного - между 50 и 60°С. Однако есть ферменты с более высоким температурным оптимумом, например, у папаина (фермент растительного происхождения, ускоряющий гидролиз белка) оптимум находится при 8О°С. В то же время у каталазы (фермент, ускоряющий распад Н 2 О 2 до Н 2 О и О 2 ) оптимальная температура действия находится между 0 и -10°С, а при более высоких температурах происходит энергичное окисление фермента и его инактивация.          

 

2. Зависимость скорости реакции от рН

Зависимость описывается колоколообразной кривой с максимумом скорости при оптимальном для данного фермента значении рН. Для каждого фермента существует определенный узкий интервал рН среды, который является оптимальным для проявления его высшей активности. Например, оптимальные значения рН для пепсина 1,5-2,5, трипсина 8,0-8,5, амилазы слюны 7,2 и т.д.

3. Зависимость скорости реакции  от концентрации субстрата

При увеличении концентрации субстрата скорость реакции сначала  возрастает соответственно подключению  к реакции новых молекул фермента, затем наблюдается эффект насыщения, когда все молекулы фермента взаимодействуют  с молекулами субстрата. При дальнейшем увеличении концентрации субстрата между его молекулами возникает конкуренция за активный центр фермента и скорость реакции снижается.

4. Зависимость от концентрации фермента

При увеличении количества молекул фермента скорость реакции  возрастает непрерывно и прямо пропорционально  количеству фермента, т.к. большее количество молекул фермента производит большее  число молекул продукта.

5. Присутствие  активаторов

Активаторы повышают активность ферментов. Их действие обусловлено тем, что они присоединяются к активной группе какого-то участка апофермента, кофермента или того и другого. Это присоединение может быть обратимым или необратимым. В качестве активаторов могут действовать ионы, специфические ферменты, гормоны. Так, фермент амилаза, расщепляющий крахмал, активируется ионами хлора; пепсин образуется из неактивного пепсиногена под влиянием высокой концентрации водородных ионов; активность гексокиназы, катализирующей превращение глюкозы в ее фосфорный эфир, увеличивается под влиянием гормона инсулина.

6. Присутствие  ингибиторов

Действие ферментов  можно полностью или частично подавить (ингибировать) определенными  химическими веществами (ингибиторами). По характеру действия  ингибиторы могут быть обратимыми и необратимыми. В основе этого деления лежит прочность соединения ингибитора с ферментом. Другой способ деления ингибиторов основывается на характере места их связывания. Одни из них связываются с ферментом в активном центре, а другие - в удаленном от активного центра месте. Они могут связывать и блокировать функциональную группу молекулы фермента, необходимую для проявления его активности. При этом они необратимо, часто ковалентно, связываются с ферментом или фермент - субстратным комплексом и необратимо изменяют нативную конформацию. Это, в частности, объясняет действие Hg²⁺, Pb²⁺, соединений мышьяка. Ингибиторы такого рода могут быть полезны при изучении природы ферментативного катализа.

 

 

 

 

 

7 Номенклатура и классификация ферментов

 

Ферментология очень долго  не располагала строго научной номенклатурой  ферментов. Наименования ферментам  давали по случайным признакам (тривиальная  номенклатура), по названию субстрата (рациональная), по химическому составу  фермента, наконец, по типу катализируемой реакции и характеру субстрата.

Примерами тривиальной номенклатуры могут служить названия таких  ферментов, как пепсин (от греч. пепсис - пищеварение), трипсин (от греч. трипсис - разжижаю) и папаин (от названия дынного дерева Carica papaja, из сока которого он выделен).

Наибольшее распространение  получила рациональная номенклатура, согласно которой название фермента составляется из названия субстрата  характерного окончания -аза . Она была предложена более столетия тому назад, в 1883 г. Э. Дюкло - учеником Л. Пастера. Так, фермент, ускоряющий реакцию гидролиза крахмала, получил название амилаза (от греч. амилон - крахмал), гидролиза жиров - липаза (от греч. липос - жир), белков (протеинов) - протеаза, мочевины - уреаза (от греч. уреа - мочевина) и т. п.

Когда методами аналитической  химии были достигнуты известные  успехи в расшифровке химической природы простетических групп, возникла новая номенклатура ферментов. Их стали именовать по названию простетической группы , например, геминфермент (простетическая группа - гем), пиридоксаль-фермент (простетическая группа - пиридоксаль) и т.п.

Затем в названии фермента стали указывать как на характер субстрата, так и на тип катализируемой реакции. К примеру, фермент, отнимающий водород от молекулы янтарной кислоты, называют сукцинатдегидрогеназой, подчеркивая этим одновременно и химическую природу субстрата, и отнятие атомов водорода в процессе ферментативного действия.

 

В 1961 г. Международная комиссия по номенклатуре ферментов представила V Международному биологическому конгрессу  проект номенклатуры, построенный на строго научных принципах. Проект был утвержден конгрессом, и новая номенклатура прочно вошла в ферментологию. Согласно этой (Московской) номенклатуре название ферментов составляют из химического названия субстрата и названия той реакции, которая осуществляется ферментом. Если химическая реакция, ускоряемая ферментом, сопровождается переносом группировки атомов от субстрата к акцептору, название фермента включает также химическое наименование акцептора.

 

Например, пиридоксальфермент, катализируюший реакцию переаминирования между L-аланином и a –кетоглутаровой кислотой, называется L-аланин: 2-оксоглутарат аминотрансфераза. В этом названии отмечены сразу три особенности: 1) субстратом является L-аланин; 2) акцептором служит 2-окcоглутаровая кислота; З) от субстрата к акцептору передается аминогруппа.

 

Названия ферментов по научной номенклатуре неизмеримо выигрывают в точности, но становятся в ряде случаев гораздо сложнее старых, тривиальных. Так, уреаза (тривиальное название), ускоряющая реакцию гидролиза - мочевины на оксид углерода (IV) и аммиак, по научной номенклатуре именуется карбамид – амидогидролазой. В связи со значительным усложнением научных названий в новой номенклатуре допускается сохранение наряду с новыми старых тривиальных, рабочих названий

ферментов. Международной  комиссией был составлен детальный  список всех

известных в то время ферментов, существенно дополненный в 1972 г. при пересмотре как классификации, так и номенклатуры некоторых ферментов, где рядом с новым научным названием каждого фермента приведено старое, а также указан химизм катализируемой ферментом реакции и в некоторых случаях природа фермента. Таким образом, исключается возможность путаницы в наименовании ферментов. В 1964 г. список включал 874 фермента; в последующее время он был существенно дополнен и возрос до 1770 ферментов в 1972 г. и до 2003 ферментов в 1979 г.

 

Название ферментов большей  частью слагается из названия вещества, на которое действует фермент, и  окончания "аза". Например, саха-раза — фермент, расщепляющий сахарозу. В некоторых случаях ферменты называют по процессам, которые они катализируют, - гидролазы (вызывающие гидролиз) и др. По современной классификации все ферменты делят на шесть основных классов:

 

1. Оксидоредуктазы - ускоряют реакции окисления - восстановления.

2. Трансферазы - ускоряют реакции переноса функциональных групп и молекулярных остатков.

3. Гидролазы – ускоряют  реакции гидролитического распада. 

4. Лиазы - ускоряют негидролитическое отщепление от субстратов определенных групп атомов с образованием двойной связи (или присоединяют группы атомов по двойной связи).

5. Изомеразы - ускоряют пространственные или структурные перестройки в пределах одной молекулы.

6. Лигазы – ускоряют реакции синтеза, сопряженные с распадом богатых энергией связей. Эти классы и положены в основу новой научной классификации ферментов.

 

К классу оксидоредуктаз относятся ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции. При окислении может происходить либо отнятие водорода от окисляемого вещества, либо присоединение кислорода к окисляемому веществу. В зависимости от способа окисления различают следующие подклассы оксидоредуктаз:

1. дегидрогеназы. Катализируют реакции, при которых происходит отнятие водорода от окисляемого вещества;
2. оксигеназы. Ферменты этого подкласса катализируют включение кислорода в окисляемое вещество:
1. монооксигеназы - включают один атом кислорода в окисляемое вещество;
2. диоксигеназы - включают 2 атома кислорода в окисляемое вещество. Часто это сопровождается разрывом циклической структуры. По месту разрыва связи присоединяются атомы кислорода.

К оксиредуктазам принадлежат оксидаза, пероксидаза и каталазы, участвующие в процессах дыхания.

 

 

В класс трансфераз входят ферменты, ускоряющие реакции переноса функциональных групп и молекулярных остатков от одного соединения к другому. Это один из наиболее обширных классов: он насчитывает около 500 индивидуальных ферментов.  В зависимости от характера переносимых группировок различают фосфотрансферазы, аминотрансферазы, гликозилтрансферазы, ацилтрансферазы, трансферазы, переносящие одноуглеродные остатки (метилтрансферазы, формил-трансферазы), и др. Например, амидазы ускоряют гидролиз амидов кислот. Из них важную роль в биохимических процессах в организме играют уреаза, аспарагиназа и глутаминаза.