Структура, свойства и механизм действия ферментов

Краткая история ферментологии

Экспериментальное изучение ферментов в 19 веке совпало по времени с изучением процессов дрожжевого брожения, что нашло отражение в терминах «ферменты» и «энзимы». Название ферменты возникло от латинского слова fermentatio – брожение. Термин энзимы произошёл от понятия en zyme - из дрожжей. Вначале этим названиям придавали разный смысл, но в настоящее время они являются синонимами.

Первая ферментативная реакция осахаривания крахмала солодом была исследована отечественным учёным К.С. Кирхгоффом в 1814 году. Впоследствии были предприняты попытки выделения ферментов из дрожжевых клеток (Э. Бюхнер, 1897 год). В начале ХХ века Л. Михаэлис и М. Ментен разработали теорию ферментативного катализа. В 1926 году Д. Самнер впервые выделил очищенный препарат фермента уреазы в кристаллическом состоянии. В 1966 году Б. Меррифилду удалось осуществить искусственный синтез фермента РНК-азы.

Структура ферментов

Ферменты – это высокоспециализированные белки, способные повышать скорость реакции в живых организмах. Ферменты - биологические катализаторы.

Все ферменты являются белками, как правило, глобулярными. Они могут относиться как к простым, так и к сложным белкам. Белковая часть фермента может состоять из одной полипептидной цепи и относиться к мономерным белкам (например, пепсин). Ряд ферментов являются олигомерными белками, включают в свой состав несколько протомеров или субъединиц. Протомеры, объединяясь в олигомерную структуру, соединяются самопроизвольно непрочными нековалентными связями. В процессе объединения (кооперации) происходят структурные изменения отдельных протомеров, в результате чего активность фермента заметно возрастает. Отделение (диссоциация) протомеров и их объединение в олигомерный белок является механизмом регуляции активности ферментов.

Субъединицы (протомеры) в олигомерах могут быть или одинаковыми, или отличающимися по первичной - третичной структуре (конформации). В случае соединения различных протомеров в олигомерную структуру фермента возникают множественные формы одного и того же фермента – изоферменты.

Изоферменты катализируют одну и ту же реакцию, но отличаются по набору субъединиц, физико-химическим свойствам, электрофоретической подвижности, по сродству к субстратам, активаторам, ингибиторам. Например, лактатдегидрогеназа (ЛДГ) – фермент, окисляющий молочную кислоту в пировиноградную кислоту, является тетрамером. Он состоит из четырёх протомеров двух типов. Один вид протомеров обозначается Н (выделен из сердечной мышцы), второй протомер обозначается М (выделен из скелетной мускулатуры). Возможно 5 сочетаний этих протомеров в составе ЛДГ: Н₄, Н₃М, Н₂М₂, Н₁М₃, М₄ соответственно ЛДГ₁, ЛДГ₂,ЛДГ₃,ЛДГ₄, ЛДГ₅.

Биологическая роль изоферментов.

• Изоферменты обеспечивают протекание химических реакций в соответствии с условиями в разных органах. Так, изофермент ЛДГ₁ – обладает высоким сродством к кислороду, поэтому он активен в тканях с высокой скоростью окислительных реакций (эритроциты, миокард). Изофермент ЛДГ₅ активен в присутствии высокой концентрации лактата, наиболее характерен для ткани печени.
• Выраженная органоспецифичность изоферментов используется для диагностики заболеваний различных органов.
• Изоферменты изменяют свою активность с возрастом. Так, у плода при недостатке кислорода преобладает ЛДГ₃, а с увеличением возраста и увеличением поступления кислорода возрастает доля ЛДГ₂.

Если фермент является сложным белком, то он состоит из белковой и небелковой части. Белковая часть является высокомолекулярной, термолябильной частью фермента и называется апоферментом. Он имеет своеобразную структуру и определяет специфичность ферментов.

Небелковая часть фермента называется кофактором (коферментом). Кофактором чаще всего являются ионы металлов, которые могут прочно связываться с апоферментом (например, Zn в ферменте карбоангидразе, Сu в ферменте цитохромоксидазе). Коферменты обычно являются органическими веществами, менее прочно связанными с апоферментом. Коферментами являются, в частности, нуклеотиды НАД, ФАД. Кофермент– низкомолекулярная, термостабильная часть фермента. Его роль заключается в том, что он определяет пространственную укладку (конформацию) апофермента, и определяет его активность. Некоторые кофакторы могут переносить электроны, функциональные группы, участвовать в образовании дополнительных связей между ферментом и субстратом.

В функциональном отношении в ферменте принято выделять два важных участка в молекуле фермента: активный центр и аллостерический участок.

Активный центр – это участок молекулы фермента, который взаимодействует с субстратом и участвует в каталитическом процессе. Активный центр фермента образован радикалами аминокислот, удалённых друг от друга в первичной структуре. Активный центр имеет трёхмерную укладку, чаще всего в его составе выявляются реакционноспособные

- ОН группы серина

- SH – цистеина

- NH₂ лизина

- γ-СООН глютаминовой кислоты

Схема активного центра фермента

В активном центре различают две зоны – зону связывания с субстратом и каталитическую зону.

Зона связывания обычно имеет жёсткую пространственную структуру, к которой комплементарно присоединяется субстрат реакции. Например, трипсин расщепляет белки в участках, богатых положительно заряженной аминокислотой лизином, так как в его зоне связывания содержатся остатки отрицательно заряженных аспарагиновой и глютаминовой кислот.

Каталитическая зона - это участок активного центра, непосредственно воздействующий на субстрат и осуществляющий каталитическую функцию. Эта зона более подвижна, в ней возможно изменение взаиморасположения функциональных групп.

В ряде ферментов (чаще олигомерных) кроме активного центра присутствует аллостерический участок – участок молекулы фермента, удалённый от активного центра и взаимодействующий не с субстратом, а с дополнительными веществами (регуляторами, эффекторами). В аллостерических ферментах в одной субъединице может находиться активный центр, в другой - аллостерический участок. Аллостерические ферменты изменяют свою активность следующим образом: эффектор (активатор, ингибитор) действует на аллостерическую субъединицу и изменяет её структуру. Затем изменение конформации аллостерической субъединицы по принципу кооперативных изменений опосредованно меняет структуру каталитической субъединицы, что сопровождается изменение активности фермента.

Механизм действия ферментов

Ферменты обладают рядом общекаталитических свойств:

· не смещают каталитическое равновесие;

· не расходуются в процессе реакции;

· катализируют только термодинамически реальные реакции. Такими реакциями являются те, в которых исходный энергетический запас молекул больше, чем финальный.

В ходе реакции преодолевается высокий энергетический барьер. Разница между энергией этого порога и исходным энергетическим уровнем (Е₂ – Е₀) - энергия активации (Е_а)

Скорость ферментативных реакций определяется энергией активации и рядом других факторов.

Константа скорости химической реакции рассчитывается по уравнению:

К - константа скорости реакции;

Р – пространственный (стерический) коэффициент;

Z – количество взаимодействующих молекул;

Е_а – энергия активации;

R – газовая постоянная;

Т – универсальная абсолютная температура;

е – основание натуральных логарифмов.

В данном уравнении Z, е, R, T – постоянные величины, а Р и Еа - переменные. Причём, между скоростью реакции и стерическим коэффициентом зависимость прямая, а между скоростью и энергией активации – обратная и степенная зависимость (чем ниже Еа, тем выше скорость реакции).

Механизм действия ферментов сводится к увеличению ферментами стерического коэффициента и уменьшению энергии активации.