Ферменты – биологические катализаторы
Ферментами (энзимами) называют катализаторы, действующие в живых организмах и имеющие белковую природу. Как и любые катализаторы, ферменты способны ускорять только те реакции, которые могут происходить и без их участия, только со значительно меньшей скоростью. Сами ферменты по окончании реакции возвращаются в исходное состояние.
В организме человека имеется огромное количество разнообразных ферментов. В каждой клетке может содержаться до 1000 и более разнообразных видов ферментов. По-существу, ни одна реакция в организме не идет без участия ферментов.
Ферменты обладают очень высокой активностью. Некоторые ферменты способны ускорять реакции в сотни и даже тысячи раз. Под влиянием различных воздействий активность ферментов может меняться в очень широком диапазоне. Благодаря этому обеспечивается тонкая регуляция обменных процессов.
Строение ферментов
Практически все ферменты являются глобулярными белками, что подчеркивает высокую значимость пространственной структуры молекулы фермента для проявления каталитических свойств.
По химическому строению различают ферменты – простые белки и ферменты – сложные белки. К простым белкам, состоящим только из полипептидных цепей, относятся ферменты, катализирующие реакции гидролиза: пепсин, трипсин, фосфатазы, рибонуклеазы и др.
Ферменты – сложные белки, кроме белковой части, называемой апоферментом, содержат небелковые компоненты различной химической природы. Если такой компонент прочно связан с белковой частью, его называют простетической группой. Если небелковая часть легко отделяется от белковой, то ее называют коферментом. Коферментами, или их составными частями часто являются витамины: В1, В2, В5, Е, Q и др. Высокая значимость витаминов для обеспечения жизнедеятельности в первую очередь связана с их ролью как компонента небелковой части ферментов, осуществляющих обмен веществ и энергии в организме.
Коферменты и простетические группы, как правило, выполняют роль активных центров, непосредственно осуществляющих каталитические функции. Белковая часть обеспечивает специфичность действия фермента и отвечает за активность фермента. У ферментов - простых белков роль активных центров выполняет особое сочетание аминокислотных остатков, обеспечивающее взаимодействие с молекулой субстрата и принимающее непосредственное участие в каталитическом акте.
В активном центре фермента различают субстратный центр, обеспечивающий связывание субстрата и образование фермент-субстратного комплекса, и каталитический центр, на котором и происходят химические превращения субстрата.
Некоторые ферменты образуются в неактивной форме (в форме предшественников – проферментов). Их переход в активное состояние осуществляется под влиянием каких либо дополнительных факторов, или условий внутренней среды. Обычно это бывает связано с изменением пространственной конфигурации апофермента, или освобождением активного центра. Примером таких ферментов могут быть пепсин и трипсин – ферменты белкового пищеварения.
К особенностям ферментов можно отнести множественность их форм. Как правило, каждый фермент существует в нескольких модификациях (изоферментах), различающихся по физико-химическим свойствам. Важность существования изоферментов связана с тем, что свою наивысшую активность они могут проявлять в несколько разных условиях (при разных значениях рН, температуры и т.п.). Если изменяются условия, то начинает усиленно синтезироваться та модификация фермента, которая наиболее устойчива к этим условиям. Изоферменты – один из механизмов адаптации живых организмов к условиям существования. Так, систематическое выполнение на тренировочных занятиях интенсивной мышечной работы, вызывающей накопление молочной кислоты, достаточно сильно влияющей на активность ферментов, повышает устойчивость к ней ферментов, работающих в этих условиях. Причина этого кроется в усиленном синтезе более устойчивых к кислой среде модификаций ферментов.
Свойства ферментов
Ферменты обладают целым рядом свойств. Остановимся на некоторых из них, имеющих наибольшее практическое значение. К числу таких свойств относится специфичность их действия. Различают абсолютную и относительную специфичность ферментов. Ферменты, обладающие абсолютной специфичностью, могут катализировать конкретный тип реакции конкретного вещества. Ферменты, обладающие относительной специфичностью, могут катализировать конкретный тип реакции нескольких сходных по строению субстратов.
Так, например, фермент пищеварительной система сахараза осуществляет только гидролитическое расщепление сахарозы. Он обладает абсолютной специфичностью. Фермент пищеварения белков пепсин обладает относительной специфичностью. Он может катализировать реакцию гидролиза разнообразных белковых молекул.
К числу важнейших свойств ферментов относится их активность. Активность ферментов не стабильный параметр. Она может меняться под влиянием очень многих воздействий. На активность ферментов могут оказывать влияние изменения температуры, активной реакции внутренней среды (рН), различные вещества эндогенного и экзогенного происхождения. Именно эти изменения активности ферментов являются важнейшим фактором, определяющим скорость тех или иных процессов.
Хотя диапазон изменения температуры в организме человека достаточно узок, некоторое влияние этих изменений обнаруживается. Зависимость активности ферментов от изменений температуры иллюстрирует график на рис. 12.
Рис. 12. Зависимость активности фермента от температуры
Как видно из графика на рис. 14, ферменты могут проявлять некоторую активность даже при температуре 0о. Повышение температуры сопровождается повышением активности ферментов. Это продолжается до температуры 37-380. Данный температурный интервал называют температурным оптимумом, так как он наиболее благоприятен для протекания реакций.
При дальнейшем повышении температуры активность каждой молекулы фермента повышается, но при этом может начаться их денатурация, т.к. ферменты относятся к наиболее чувствительным к различным воздействиям белкам. Количество ферментов при этом уменьшается, что приводит к снижению скорости ферментативных реакций.
Следующий фактор, оказывающий еще более существенное влияние на активность ферментов – изменение активной реакции внутренней среды. Как правило, ферменты наибольшую активность проявляют в узком диапазоне рН. Изменение рН в ту или другую сторону резко снижает их активность. Зависимость активности фермента от изменений рН иллюстрирует график на рис. 13.
Рис. 13. Зависимость активности фермента от реакции среды (рН)
Большинство ферментов организма человека свою наивысшую активность проявляют при значениях рН, близких к 7 (нейтральная среда). В тоже время оптимум рН для пепсина – фермента пищеварения белков находится в сильно кислой среде при рН, равном 1,5-2,5.
Как уже указывалось ранее, систематическая мышечная тренировка, связанная с накоплением молочной кислоты и изменением рН внутренней среды, может привести к повышению устойчивости ферментов к таким изменениям. Причина этого явления связана с существованием изоферментов.
Существует большая группа веществ, повышающих (активаторы) и понижающих (ингибиторы) активность ферментов. В качестве активаторов могут выступать некоторые витамины, допинги, вещества, относящиеся к группе адаптогенов, ионы отдельных металлов (железа, меди, кобальта, магния и др.) и многие другие соединения. Так, например, соляная кислота усиливает действие пепсина, желчные кислоты активируют липазу поджелудочной железы.
Наиболее мощным естественным активатором ферментов, повышающим их активность в широком диапазоне, являются гормоны.
Ингибирование бывает обратимым и необратимым. При необратимом ингибировании фермент надолго или навсегда теряет свою активность, что может привести к летальному исходу. Такое воздействие могут оказывать некоторые яды, ионы тяжелых металлов (свинца, ртути, мышьяка и др.). Именно с ингибированием ферментов связан механизм воздействия на организм многих ядов, солей тяжелых металлов.
При обратимом ингибировании, как правило, оказывается более мягкое воздействие – активность фермента не подавляется полностью, а лишь снижается. Такое воздействие оказывают некоторые лекарственные препараты, высокие концентрации некоторых продуктов обмена, в частности, мочевина.
Изменение активности ферментов наиболее часто обуславливается изменением третичной структуры его белковой фракции под влиянием различных воздействий. В других случаях изменение активности связано с воздействием на активный центр фермента, который блокируется или, наоборот, освобождается. Существует также т.н. конкурентное ингибирование, при котором какое либо вещество, сходное по строению с субстратом, конкурирует с ним за активный центр фермента.