Ферменты

Все процессы обмена веществ в живых организмах протекают с участием ферментов. Ферментами (или энзимами) называют специфические белки, которые находятся во всех клетках живых организмов и играют роль биологических катализаторов. Вещества, подвергающиеся под действием ферментов разнообразным химическим превращениям, носят название субстратов. Благодаря ферментам все жизненные процессы протекают чрезвычайно организованно, т. е. в необходимом направлении и в нужной последовательности. Распад и синтез сложных соединений, составляющих сущность обмена веществ, осуществляется с участием ферментов.

Ферменты обладают признаками как гомогенных, так и гетерогенных катализаторов. Они проявляют свою активность в растворах, имеют большую молекулярную массу, образуют макроповерхность раздела, на которой находятся особые участки – активные центры. Так как ферменты состоят из белков, для них характерны не только генетически закодированная последовательность расположения отдельных аминокислот в полипептидных цепях, но и разнообразие химических связей между отдельными звеньями этих цепей, определяющих уникальную для каждого фермента структуру. Поэтому одна из важных особенностей ферментов – высокая специфичность действия. Различают индивидуальную специфичность – способность катализировать только одну химическую реакцию и притом лишь данного субстрата, и групповую – способность катализировать ту же реакцию в разных субстратах.

Сущность механизма действия фермента заключается в том, что субстрат образует с ним непрочное соединение – фермент-субстратный комплекс. По-видимому, существует множество точек соединения фермента с субстратом, в результате чего внутримолекулярные связи субстрата легче разрываются. Промежуточный продукт разлагается с образованием конечных продуктов и высвобождением фермента, который может воздействовать на новую молекулу субстрата.

Синтез ферментов осуществляется в дрожжевой клетке непрерывно. Адаптивные ферменты образуются в результате появления в среде соответствующего субстрата, а конститутивные – независимо от состава среды. В соответствии с последними данными все ферменты в клетке образуются в результате индукции субстратов. Только у адаптивных ферментов индуктором является субстрат среды, а у конститутивных – метаболиты клеток.

Ферменты разделяют на одно- и двухкомпонентные.

Однокомпонентные ферменты (простые белки, протеины) состоят только из белка, обладающего каталитическим свойством, которое в них проявляют чаще всего остатки аминокислот. Свободные радикалы аминокислот составляют активный центр, выполняющий ту же функцию, что простетическая группа в двухкомпонентных ферментах. Аминокислотные остатки, входящие в состав активного центра, расположены в различных частях полипептидной цепи, поэтому он образуется тогда, когда белковая молекула приобретает присущую ей глобулярную структуру.

Двухкомпонентные ферменты (сложные белки, протеиды) помимо белкового компонента содержат небелковую часть в виде молекулы органического вещества, а также иона металла. Небелковую часть фермента называют коферментом, или простетической группой, белковый компонент – апоферментом. Белковая часть служит носителем активной группы и резко повышает ее каталитическую активность. Простетическая группа и кофермент стабилизируют белковую часть и делают ее менее уязвимой к денатурирующим агентам.

Активаторы и ингибиторы ферментов

Активность ферментов может быть усилена, ослаблена или полностью подавлена. К активаторам (кофакторам) ферментов относятся ионы многих металлов. Действие их проявляется различно: они входят в состав простетической группы, облегчают образование ферментно-субстратного комплекса, способствуют присоединению кофермента к апоферменту и т. д. Присоединяясь к аллостерическому центру, они изменяют третичную структуру белковой молекулы, в результате чего субстратный и каталитический центры фермента приобретают конфигурацию, наиболее выгодную для осуществления их функций.

Механизм ингибирующего действия проявляется в двух типах торможения: конкурентном и неконкурентном. При конкурентном торможении ингибитор, обладая сродством к субстрату, соединяется с ферментом, т. е. конкурирует с ним за фермент. При добавлении большого количества субстрата (вытеснение ингибитора) активность фермента восстанавливается. Если торможение реакции не снимается добавлением субстрата, происходит неконкурентное ингибирование. Конечные продукты реакции являются также ингибиторами ферментов, что может быть следствием двух причин: частного случая конкурентного обратимого ингибирования и неконкурентного ингибирования (взаимодействия с функциональными группами вне активного центра), что влияет на активность фермента.

Классификация ферментов базируется на типичных реакциях, которые они катализируют. В соответствии с этим все ферменты разделяют на шесть классов: оксидоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы, лигазы.

1. Оксидоредуктазы – ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции. Из этих ферментов большую роль играют дегидрогеназы, катализирующие реакции дегидрирования, Это двухкомпонентные ферменты, в которых коферментом чаще являются пиридиннуклеотиды и флавиновые соединения.

2. Трансферазы – ферменты, катализирующие перенос отдельных радикалов, частей молекул и даже целых молекул от одних соединений к другим. Они участвуют в многочисленных реакциях обмена веществ.

3. Гидролазы – ферменты, катализирующие как процессы катаболизма, так и анаболизма. В первом случае процесс сопровождается присоединением воды, во втором – ее выделением.

4. Лиазы – катализаторы отщепления от субстратов негидролитическим путем определенных групп с образованием двойной связи или с присоединением группы к двойной связи. Одни из них катализируют отщепление воды, другие – углекислоты или аммиака. Многие из них принимают участие в реакциях цикла Кребса.

5. Изомеразы служат катализаторами изомеризации различных органических соединений и играют важную роль в обмене веществ.

6. Лигазы (синтетазы) катализируют соединение двух молекул, сопровождающееся расщеплением пировиноградной связи в АТФ или в другом нуклеозидтрифосфате.