Ферменты общая характеристика

Ферменты являются главным компонентом функционального аппарата клетки. Это белки, действующие как специфические высокоэффективные катализаторы химических реакций, протекающих в живых организмах. Выделение ферментов, исследование их структуры и механизма действия в течение длительного периода времени является одним из центральных разделов биохимии. К настоящему времени свыше тысячи ферментов по- лучены в индивидуальном виде, а около ста ферментов в виде кристал- лов. В ходе исследования ферментов, по существу, был создан современный методический арсенал биохимии. Ферменты используются как мощные инструменты при изучении структуры биополимеров. а также в генно-инженерных исследованиях. Они нашли широкое применение в медицине и пищевой промышленности.

История развития энзимологии (науки о ферментах) составляет ядро развития биохимии. Некоторые процессы, которые, как теперь известно, являются ферментативными, давно привлекали внимание исследователей, хотя, естественно, ничего не было известно о факторах, их вызывающих. В 1814 г. действительный член Петербургской Академии наук К. Кирхгоф установил, что крахмал превращается в сахар под действием факторов, находящихся в прорастающих зернах ячменя. В 1833 г. А. Пайен и В. Пирсо показали, что термолабильный фактор, получаемый из солодового экстракта путем осаждения спиртом, обладает спо- собностью гидролизовать крахмал, т.е. является катализатором; этот фактор был назван диастазой. После открытия факторов, обладающих каталитической активностью, стало ясно, что они действуют подобно дрожжам при брожении. Так, появились термины "фермент" (от латинского fermentatio - брожение) и "энзим" (от греческого en zumh - в дрожжах), которые в настоящее время являются синонимами.

В конце XIX века на базе достижений в области изучения структуры органических соединений биологического происхождения стало возможным изучение специфичности ферментов. В это время Э.Фишером было выдвинуто знаменитое положение о необходимости стерического соответствия между ферментом и субстратом (вещество, на которое действует фермент); по его образному выражению "субстрат подходит к ферменту, как ключ к замку". В начале нашего века были заложены основы исследования кинетики действия ферментов. Решающим этапом в исследовании ферментов явилось получение их в чистом виде. Следует отме- тить, что еще в 1862 г. русский химик А.Я.Данилевский методом ад- сорбции разделил трипсин и панкреатическую амилазу. Это была первая работа по получению очищенных препаратов ферментов. Важно отметить также, что в ней был использован метод, который много позднее был назван аффинной хроматографией. В 1926 г. Н.Самнер получил в кри- сталлическом виде препарат уреазы, однако, этот препарат еще не был гомогенным. В период 1930-36 гг. Д.Нортроп и его сотр. получили в кристаллическом виде ряд индивидуальных протеолитических ферментов (пепсин, трипсин, химотрипсин); были приведены доказательства того, что полученные белковые кристаллы являются ферментами. Исследование строения гомогенных препаратов ферментов обеспечило успешное развитие структурной энзимологии. К настоящему времени методом рентгено- структурного анализа установлено пространственное строение многих ферментов. Этот метод позволил определить вторичную. третичную и четвертичную структуры различных ферментов. При сравнении с некаталитическими белками не отмечено какой-либо специфической конформации, характерной для ферментов и отличающейся от конформации некаталитических белков. На основании результатов исследований первичной структуры, данных по химической модификации, кинетических ис- следований, а также результатов рентгеноструктурного анализа, генетической и белковой инженерии к настоящему времени удалось охарактеризовать механизм действия ряда ферментов.

Общие свойства ферментов. Ферменты имеют различные молекулярные массы от 12 до 1000 кДа. По типу общей структурной организации можно выделить несколько групп ферментов.

(1) Ферменты, образованные одной полипептидной цепью (лизоцим).

(2) Ферменты, образованные несколькими полипептидными цепями, соединенными дисульфидными мостиками (химотрипсин).

(3) Олигомерные ферменты, образованные несколькими идентичными (мышечная фосфорилаза) или различными (аспартат- карбамоилтрансфераза из E.coli) субъединицами, связанными некова- лентными связями.

(4) Полифункциональные ферментные ансамбли; в таком ансамбле одна полипептидная цепь образует активные центры нескольких функционально связанных ферментов (в клетках млекопитающих первые три фермента пути биосинтеза пиримидинов - карбамоилфосфат- синтетаза, аспартат-карбамоилтрансфераза и дигидрооротаза образованы одной полипептидной цепью с молек. массой 2150 кДа).

(5) Полиферментные комплексы. В состав таких комплексов, образованных за счет нековалентных взаимодействий, входит несколько индивидуальных ферментов; обычно эти ферменты функционально взаимосвязаны и катализируют серию последовательных реакций, например, пируватдегидрогеназный комплекс E.coli включает три фермента: пируватдегидроге- назный компонент, дигидролипоилтрансацетилазу и дигидролипоилдегидрогеназу.

По признаку зависимости активности от дополнительных небелковых компонентов, которые называются кофакторами, ферменты можно разделить на две группы. Представители одной группы не нуждаются в ко- факторах (они состоят только из полипептидных цепей), для активно- сти представителей другой группы кофакторы необходимы. В качестве кофакторов могут выступать ионы металлов, например, Fe2+, Zn2+, а также весьма сложные органические молекулы; последние называют ко- ферментами. Некоторые ферменты содержат как кофермент, так и ионы металлов. В одних случаях кофермент прочно связан с белком, такой кофермент называют простетической группой. В других случаях кофермент образует с белком диссоциирующий комплекс; каталитически активный комплекс, содержащий диссоциирующий кофермент, называют хо- лоферментом, а собственно белковую часть комплекса - апоферментом. Примерами коферментов, образующих диссоциирующие комплексы с апо- ферментами, являются пиридоксальфосфат, участвующий в различных превращениях аминокислот, а также переносчик водорода никотинамид- адениндинуклеотид.

Ферменты проявляют все свойства белков, их активность зависит от сохранения нативной пространственной структуры. При глубоких изменениях конформации, приводящих к денатурации, ферменты утрачивают активность. Для ряда ферментов показано, что утрата активности при денатурации является обратимой. На основании результатов исследования ренатурации рибонуклеазы К.Анфинсен впервые четко сформулировал представление о том, что пространственное строение белка определяется его первичной структурой.

Ферменты являются высокоэффективными катализаторами; они способны увеличивать скорости реакций в 10 10 раз. Так, например, уреаза (при рН 8,0 ) способна ускорять гидролиз мочевины в 10 10 раз.

Специфичность ферментов.

Ферменты являются высокоспецифичными катализаторами; это их уникальное свойство. Известны различные "виды" специфичности ферментов. Ферменты проявляют специфичность в отношении типа катализируемой химичесой реакции. Каждый фермент катализирует определенную реакцию; при этом существенно то обстоятельство, что образования "побочных" продуктов не происходит. Ферменты проявляют отчетливо выраженную субстратную специфичность; не- которые ферменты действуют только на один субстрат, другие - на группу родственных субстратов. Степень субстратной специфичности у разных ферментов существенно различается. При действии на субстраты, содержащие асимметричные центры, ферменты, как правило, проявляют стереоспецифичность. Она оказывается абсолютной в тех случаях, когда в ферментативную реакцию вовлекается асимметрический центр. Так, например, L-лактатдегидрогеназа действует только на L-лактат, в то время как D-лактатдегидрогеназа - только на D-лактат. В тех случаях, когда субстрат не содержит, а продукт содержит асимметрический атом углерода, происходит "асимметрический синтез". Так, при восстановлении пирувата L-лактатдегидрогеназой образуется только L-лактат.

Ферменты проявляют специфичность к цис/транс-изомерам. Напри- мер, фумаратгидратаза, катализирующая реакцию

фумарат + H2O = L-малат, действует только на фумарат (она не действует на малеинат): из L-малата она образует только фумарат.

В симметричных молекулах ферменты способны различать группы, которые являются химически идентичными. Так, например, при фосфорилировании симметричной молекулы глицерина под действием глицеролкиназы образуется только sn-глицерол-3-фосфат. Асимметрическое фосфорилирование глицерина было подтверждено изотопным методом. Ряд фер- ментов обладает программируемой специфичностью. Например, при функционировании ферментов, осуществляющих матричный синтез полимеров, специфичность процесса определяется не только самим ферментом, но и матрицей, а в ряде случаев и дополнительными факторами. Представителем этой группы ферментов является ДНК-зависимая РНК-полимераза, катализирующая синтез РНК на матрице ДНК.

Классификация ферментов.

Ранее при наименовании ферментов, в частности, гидролитических, за основу часто брали наименование субстрата (группы субстратов) и добавляли суффикс "аза". Так появились названия отдельных ферментов, например, аргиназа (фермент, гидролизующий аргинин), и групп ферментов - протеиназы, липазы, карбогидразы. По сходному принципу получили наименование ферменты, катализи- рующие окислительные реакции; при этом за основу брали название реакции и добавляли тот же суффикс "аза"; например, группа фермен- тов, переносящих водород, получила название "дегидрогеназы"; а дегидрогеназа молочной кислоты (лактата) была названа "лактатдегидрогеназа". Некоторые давно открытые ферменты получили специальные названия, например, трипсин, пепсин.

Международный биохимический союз рекомендовал классификацию, в которой ферменты сгруппированы в 6 классов в соответствии с типом катализируемых реакций:

1. Оксидоредуктазы (окислительно-восстановительные реакции).

2. Трансферазы (реакции переноса функциональных групп).

3. Гидролазы (реакции гидролиза).

4. Лиазы (реакции отщепления групп негидролитическим путем).

5. Изомеразы (реакции изомеризации).

6. Лигазы (реакции синтеза за счет энергии АТР).

В пределах классов ферменты группируются в подклассы и подподклассы в соответствии с особенностями катализируемых реакций; на этой основе (с учетом названия субстратов) базируется кодовая нумерация (шифры) ферментов и их систематические названия. Шифр фермента состоит из четырех разделенных точками чисел; первое число показывает, к какому из шести классов относится фермент; второе и третье числа показывают подкласс и подподкласс, соответственно, а четвертое число - порядковый номер фермента в его подподклассе. На- пример, кислая фосфатаза имеет шифр 3.1.3.2; это означает, что она относится к классу гидролаз (3.1.3.2), подклассу этих ферментов, действующих на сложноэфирные связи (3.1.3.2), к подподклассу ферментов, гидролизующих моноэфиры фосфорной кислоты (3.1.3.2), и что порядковый номер фермента в этом подподклассе "2" (3.1.3.2). Наряду с шифром фермент имеет систематическое название, которое составля- ется в соответствии с определенными (для каждого из классов) прави- лами, оно по возможности точно определяет действие фермента и тем самым идентифицирует его. Так, например, систематическое название кислой фосфатазы: "фосфогидролаза моноэфиров ортофосфорной кислоты (кислый оптимум)". Рекомендуется, однако, пользоваться, в основном, рабочими (тривиальными) названиями, в рассматриваемом случае это "кислая фосфатаза".

Множественные формы ферментов и изоферменты.

Ферменты, катализирующие одну и ту же реакцию, но выделенные из разных видов растений и животных, различаются между собой, если их рассматривать как белки. В номенклатуре же они имеют общее название и один кодовый номер. Различные формы определенного фермента нередко встречаются и у одного биологического вида; для наименования группы ферментов, катализирующих одну и ту же реакцию и находящихся в организмах одного вида, рекомендуется термин "множественные формы" фермента. Для тех множественных форм, которые имеют генетически обусловленные различия в первичной структуре белка, используют термин "изоферменты". Примером фермента, представленного в тканях животных несколькими изоферментами (изоформами), является лактатдегидрогеназа. Этот фермент (молек. масса 140 кДа) является тетрамером, образованным субъединицами с молек. массой по 35 кДа. В его состав входят субъединицы двух типов, которые обозначаются буквами М и Н; они отличаются по первичной структуре. В скелетной мышце преобладает изофер- мент, имеющий состав М. а в сердечной мышце и печени - изофермент Н. Известны изоферменты и с другим составом - М3Н, М2Н2 и МН3. Изоферменты различаются по своим функциональным свойствам, их часто удается разделить методом электрофореза.

Единица активности ферментов.

Для характеристики эффективности действия фермента часто пользуются величиной, называемой "число оборотов" или "молекулярная активность". Эта величина показывает, сколько молекул субстрата превращается в продукт за одну секунду одной молекулой фермента в условиях насыщающей концентрации субстрата ( т.е. при максимальной скорости реакции); ее размерность с-1. Число оборотов можно рассчитать по величине максимальной скорости реакции. Действительно, в общем случае

Vmax = kкат [E], где k - каталитическая константа скорости реакции. Если [E] выражена в молях активных центров фермента на литр, то kкат и является "числом оборотов". Числа оборотов ферментов варьируют в широком интервале. Например, для лизоцима число оборотов 0,5 с -1 ; трипсин, химотрипсин, а также многие внутриклеточные ферменты характеризуются числами оборотов порядка 10 2 с -1 ; для карбоангидразы число оборотов составляет10 6 с -1 .

Активность препаратов ферментов обычно выражают в "Международных единицах активности". Активностью, равной одной Международной единице, обладает такое количество фермента, которое катализирует превращение 1 мкМ субстрата в продукт за 1 мин. в стандартных (обычно оптимальных) условиях. Удельная активность - это число единиц активности на 1 мг белка препарата фермента. Удельная активность отражает степень очистки фермента; она максимальна у чистого фермента.

Международный биохимический союз предложил использовать в качестве единицы активности "катал" (кат); активностью 1 кат обладает такое количество фермента, которое катализирует превращение 1 моль субстрата в продукт за 1 с. Следовательно, 1 кат = 10 *60 = 6*10 Международных единиц. Рекомендовано использовать также единицу значительно меньшего масштаба: 1 нанокатал (нкат) = 10 кат.