Особенности строения ферментов
Основу жизнедеятельности любого организма составляют химические процессы. Практически все реакции в живом организме протекают с участием природных биокатализаторов, называемых ферментами, или энзимами. В научной литературе утвердились оба термина, но предпочтение отдают первому, хотя наука об этих соединениях называется энзимологией. Слово «фермент» происходит от лат.fеrmentum – закваска, слово – «энзим» от греч. еn – в, внутри и zyme – дрожжи.
Ферменты (энзимы) - это высокоспецифичные белки, являющиеся катализаторами, веществами, которые ускоряют химическую реакцию, но сами в её ходе не расходуются. В настоящее время известно более 3700 энзимов.
Фермент подчиняется общим законам катализа и обладает всеми свойствами, характерными для небиологических катализаторов, однако имеет и отличия, связанные с особенностями строения.
Сходство ферментов с минеральными катализаторами:
1) катализируют только энергетически возможные реакции, то есть те, которые могут протекать и без них;
2) способны не изменять направление процесса;
3) не сдвигают равновесие обратимой реакции, а лишь ускоряют его наступление;
4) не расходуются в процессе катализа и выходят из реакции в первоначальном виде.
Oтличие энзимов от небиологических катализаторов:
1) Все ферменты имеют белковую природу, а минеральные катализаторы неорганического происхождения.
2) Характеризуются крупными размерами, потому что обычно состоят из более 100 аминокислотных остатков.
3) Интенсивность ферментативных реакций выше, чем у катализируемых небелковыми веществами и прямо пропорциональна количеству энзима. При минимальных концентрациях максимально увеличивают эффективность реакции (в 107-1014 раз). Одна молекула биокатализатора способна преобразовать от 1000 до 1 млн. субстратов за минуту. Эта скорость недостижима для их небиологических аналогов.
4) Биокатализаторы обладают высокой специфичностью (избирательностью) действия по отношению к субстрату, минеральные же безразличны к его природе.
5) Энзимы катализируют реакции в очень мягких условиях (обычное давление, значения рН близкие к нейтральным, невысокая tº ≈ 330- 430С), что их выгодно отличает от неорганических, чаще всего требующих ужесточение параметров (давление больше атмосферного, температура выше 1000С, среда сильно кислая или сильно щелочная).
6) Активность ферментов в клетках строго регулируется как на генетическом уровне, так и посредством определённых низкомолекулярных соединений (субстратов и продуктов реакции, катализируемой этими же энзимами) а также с помощью БАВ (витаминов, гормонов, медиаторов, ядов, лекарственных препаратов).
Биокатализаторы, как все протеины, обладают рядом свойств, характерных для высокомолекулярных веществ: амфотерностью, электрофоретической подвижностью и неспособностью к диализу через полупроницаемые мембраны. Их Mr колеблется от десятков тысяч до нескольких миллионов Дальтон. Им присущи все особенности пространственной организации белковых молекул (первичная, вторичная, третичная и четвертичная структуры).
1.1. Энзим – сложный белок
В природе существуют как простые (реже), так в основном и сложные ферменты:
Первые представлены полипептидными цепями и при гидролизе распадаются исключительно на аминокислоты. Это в основном гидролитические ферменты, в частности пепсин, трипсин, липаза, уреаза, лизоцим, рибонуклеаза, фосфатаза и др.
Большинство энзимов относится к классу сложных, содержащих помимо полипептидного компонента (апофермента), какой-либо небелковый фрагмент (кофермент или кофактор), присутствие которого является абсолютно необходимым для каталитической активности. Он может иметь различную химическую природу и различаться по прочности связи с апоферментом. Исходя из особенности строения, коферментами бывают органические соединения (активные формы витаминов РР, группы В), а кофактор – неорганические частицы (ионы металлов и другие электролиты).
Если апофермент связан прочной ковалентной связью с небелковым компонентом и этот комплекс не разделяется при выделении и очистке, то такой энзим получает название холофермент (холоэнзим), а кофермент – простетическая группа (например, ФАД, ФМН, биотин, липоевая кислота). Когда же между частями фермента связь непрочная (нековалентная) и они легко отделяются при диализе, то тогда небелковый фрагмент принято называеть коферментом (например, НАД+, НАДФ+) или кофактором (ионы металлов: Mg2+, Мn2+, Са2+ и др.).
Природа и роль кофермента
Все коферменты термодинамически стабильные органические соединения, имеющие различное строение.
Часто этовещества - производные витаминов (табл. 2)
Таблица 2
Витамины – компоненты коферментов
| Витамин | Название кофермента | Роль |
| Нуклеотидной природы | ||
| Никотинамид, витамин РР или В3 | Никатинамидадениндинуклеотид (фосфат) (NAD+, NADF) | Перенос протонов и электронов |
| Рибофлавин, витамин В2 | Флавинмононуклеотид, рибофлавинфосфат (FMN, FAD) | Перенос протонов и электронов |
| Пантотеновая кислота, или витамин В5 | Коэнзим А (СоА) | Перенос ацильных или ацетильных групп |
| Фолиевая кислота, витамин ВС | Тетрагидрофолиевая кислота (ТHF) | Перенос метильных, метиленовых, формильных групп или фориминогрупп (одноуглеродных остатков) |
| Биотин, витамин Н | Биоцитин | Перенос активной формы диоксида |
| Кобаламин, витамин В12 | Дезоксиаденозил- и (метил)-кобаламин (В12 - коферменты) | Перенос протонов и электронов |
| Продукты реакций фосфорилирования с участием АТФ | ||
| Тиамин, витамин В1 | Тиаминдифосфат (TDP) | Перенос карбонильных групп и некоторых молекул |
| Пиридоксин, витамин В6 | Пиридоксамин-5-фосфат (фосфопиридоксаль) | Перенос амино- и карбоксильной групп |
Кроме того в качестве коэнзимов регистрируются соединения невитаминной природы: глутатион, АТФ, липоевая кислота, производные нуклеозидов (уридинфосфат, цитидинфосфат, фосфоаденозинфосфосульфат), вещества тетрапиррольной природы типа гема и др.
Более 25% всех ферментов для проявления полной каталитической активности нуждается в кофакторах (ионах металлов), механизм влияния которых на скорость реакций разнообразен.
Кофермент необходим для выполнения следующих задач:
1. Служит фрагментом активного центра холоэнзима, необходимого для связывания субстрата.
2. Принимает непосредственное участие в химической реакции.
Апофермент и его значение
Это белки, имеющие третичную и даже четвертичную структуры. Первый вариант представлен глобулой. Если же апофермент обладает четвертичной структурой, то следовательно, состоит из нескольких одинаковых или разных субъединиц. Аналоги объединяются в мультимер, обладающий максимальной активностью. Энзимы, образованные разными субъединицами, делят на два типа:
1. Мультиэнзимный комплекс – это группа ферментов, катализирующих последовательные реакции одного и того же процесса. Например, упомянутый выше ПВКДГ - комплекс включает три энзима.
2. Изоферменты (изоэнзимы) – типичные белки, имеющие четвертичную структуру, отличающиеся строением протомеров, катализирующие одну и ту же реакцию, но с разной скоростью и локализующиеся в различных органах.
Лактатдегидрогеназа (ЛДГ) катализирует обратимое превращение молочной кислоты в пировиноградную, состоит из четырёх субъединиц, которые представлены типами Н- и М- (сердечный и мышечный). Энзимы различных локализаций имеют одну из следующих комбинаций:
ЛДГ1 состоит из НННН
ЛДГ2 – НННМ
ЛДГ3 – ННММ
ЛДГ4 – НМММ
ЛДГ5 – ММММ
Для каждой ткани в норме характерно свое соотношение форм ЛДГ. Например, в сердечной мышце преобладает тип ЛДГ1, а в скелетных мышцах и печени – тип ЛДГ5. Эти обстоятельства широко используют в клинической практике, поскольку изучение изменений спектра изоферментов в сыворотке крови может представлять интерес для дифференциальной диагностики органических и функциональных поражений органов и тканей. Если их содержание в сыворотке меняется, то судят о топографии патологического процесса и о степени поражения органа или ткани.
В целом апоэнзим выполняет следующие функции:
1) Обеспечивает определённую локализацию фермента в клетке, так как любой белок обладает лигандностью, то есть способен связываться с различными веществами, в том числе со структурами органоидных мембран, что и закрепляет энзим в одном месте.
Виды организации фермента в клетке:
- Внутриклеточная разрозненная, когда биокатализаторы разбросаны по клетке, а процессы, за которые они отвечают, не взаимосвязаны.
- Структурно-функциональная представляет мультиэнзимный комплекс; используется если продукт предыдущей реакции ни при каких условиях не может быть вычленен из метаболического пути и обязательно служит субстратом следующего процесса. Обычно такие крупные частицы связаны с мембранами. В качестве примеров подобной организации можно привести пируватдегидрогеназный комплекс (ПВКДГ-комплекс), под действием которого осуществляется окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты (пирувата).
- Органоспецифичная, когда энзимы регистрируются в определённом органе. Так, фермент аргиназа - участник синтеза мочевины, находится только в гепатоцитах, а кислая фосфатаза, отвечающая за гидролиз моноэфиров ортофосфорной кислоты, - в клетках простаты; митохондриальные энзимы - находящиеся в матриксе данных органоидов биокатализаторы.
2) Определяет специфичность действия фермента.
3) Его поверхностные группировки за счёт лигандности отвечают за работу аллостерического центра энзима (см. ниже).
4) На нём формируется активный центр фермента (см. ниже).
5) Благодаря своеобразной конформации определяет тип химической реакции.
Следует отметить одну отличительную особенность: ни кофермент отдельно (включая кофактор), ни сам по себе апофермент каталитической активностью не наделены, и только результат их объединения – холофермент способен изменять скорость реакции. Помогают энзиму выполнять катализ его функциональные центры.