Автор: Медведева М.В.Статей: 1ФерментыФЕРМЕНТЫАвторы: М.В. МедведеваФЕРМЕНТЫ (от лат. fermentum - брожение, закваска), энзимы (от среднегреческого ἔνζυ µ ος - заквашенный), биологич. катализаторы белковой природы, избирательно катализирующие химич. реакции в клетках всех живых организмов. Как и неорганич. катализаторы, Ф. не расходуются и остаются неизменными в ходе реакции (за редким исключением), могут неоднократно реагировать с новыми молекулами субстрата, действуют в ничтожно малых концентрациях, катализируют только энергетически возможные реакции (часто эти реакции обратимы); они не сдвигают равновесие реакции, но ускоряют его достижение. Отличит. особенностями Ф. являются высокая эффективность и специфичность по отношению к субстратам, их функционирование при физиологич. значениях темп-ры, рН и нормальном атмосферном давлении; важнейшим свойством ферментативного катализа является многоуровневая регуляция. Молекулярная масса большинства Ф. варьирует от 10000 до 3500000. Они могут быть простыми или сложными белками. Для проявления активности сложных белков требуются дополнит. группы небелковой природы - кофакторы, в качестве которых выступают ионы металлов или органич. низкомолекулярные соединения (часто производные водорастворимых витаминов), непосредственно участвующие в акте катализа. Полипептидную часть Ф. принято называть апоферментом, а Ф, связанный с кофактором, - холоферментом. С некоторыми Ф. кофакторы связываются временно и непрочно, лишь для осуществления ферментативной реакции, с другими - постоянно (как правило, ковалентно). В последнем случае небелковая часть называется простетической группой. По типу структурной организации Ф. делятся: на образованные одной полипептидной цепью (напр., лизоцим, рибонуклеаза); состоящие из нескольких одинаковых (напр., глицеральдегидфосфатдегидрогеназа) или разных (напр., цАМФ-зависимая протеинкиназа) полипептидных цепей (субъединиц), удерживаемых нековалентными связями; образованные несколькими полипептидными цепями, соединёнными ковалентными (дисульфидными) связями (напр., химотрипсин); полифункциональные ферменты (напр., синтаза жирных кислот); полиферментные надмолекулярные комплексы (напр., дыхательная цепь митохондрий, см. Окислительное фосфорилирование), при образовании которых достигается определённая пространственная организация, обеспечивающая согласованность последовательных реакций, когда продукт одной реакции становится субстратом другой. По отношению к своим субстратам Ф. делятся на абсолютно специфичные, взаимодействующие даже с очень близкими к субстрату по химич. структуре соединениями (напр., Ф., участвующие в превращении разных стереоизомеров) и относительно специфичные, взаимодействующие с рядом сходных по структуре субстратов, характеризующихся к.-л. типом химич. связей или наличием определённой химич. группировки (напр., пептидазы, аминоксидазы). Молекулы субстрата и кофактора связываются с Ф. в активном центре - особом участке, представляющем собой уникальную комбинацию сближенных в пространстве аминокислотных остатков, которые в полипептидной цепи могут отстоять друг от друга на значит. расстоянии. В активном центре выделяют субстратсвязывающий (удерживающий субстрат) и каталитический (непосредственно участвующий в акте катализа) участки. Большие размеры молекулы Ф. обеспечивают поддержание необходимой конформации его активного центра. Кроме того, в молекулах Ф. может присутствовать аллостерический центр (от греч. ἄλλος - другой, στερεός - пространственный) - участок, с которым связываются разл. специфические, обычно низкомолекулярные вещества - модуляторы. Присоединение модулятора к аллостерическому центру сопровождается изменением пространственной структуры Ф. и, соответственно, конфигурации его активного центра, вызывая снижение или повышение активности ферментативной активности (т. н. аллостерическая регуляция). Аллостерич. Ф. обычно участвуют в первом этапе многоступенчатого метаболич. процесса (при этом их активация или ингибирование определяют скорость протекания всего процесса в целом) или на развилке метаболич. путей. Кроме того, конечный продукт в цепи метаболич. превращений может служить аллостерич. ингибитором первого Ф., осуществляя регуляцию по типу обратной связи. Ф. могут увеличивать скорость химич. реакции в 10 10 -10 15 раз. Это достигается путём снижения энергии активации катализируемых ими реакций через образование промежуточных фермент-субстратных комплексов в реакции Е + S ⇄ ES ⇄ E + P, где E - фермент, S - субстрат, ES - фермент-субстратный комплекс, P - продукт реакции (побочные продукты не образуются); большое значение имеют правильная ориентация и связывание субстрата в активном центре Ф. Величина, характеризующая скорость ферментативной реакции и зависящая от количества Ф., называется активностью фермента. Согласно рекомендациям Комиссии по ферментам Междунар. биохимич. союза, за единицу фермента (МЕ - междунар. единица фермента) принимают такое его количество, которое катализирует превращение 1 мкмоля субстрата за 1 мин при темп-ре 30 °C и др. оптимальных условиях (рН, давление и др.). Скорость ферментативной реакции зависит от концентрации субстрата, с ростом которой она возрастает до определённого предела - макс. скорости, свыше которой увеличиваться не может. Стадией, лимитирующей скорость, является распад комплекса ES на фермент и продукт. Иногда при высоких концентрациях субстрат может ингибировать Ф., взаимодействуя с ним по аллостерич. центру (субстратное ингибирование). На скорость ферментативных реакций оказывают влияние также темп-ра и рН среды. Влияние темп-ры описывается колоколообразной кривой с максимумом, восходящая ветвь которой отражает обычную для химич. реакций экспоненциальную зависимость, а нисходящая обусловлена тепловой денатурацией белка. Температурный оптимум для разл. Ф. может существенно варьировать в зависимости от их термостабильности и термолабильности. Для большинства Ф. он лежит в пределах 40-50 °С, для термофильных организмов - в пределах 80-90 °С. Каждый фермент имеет определённый оптимум рН, при котором достигается макс. скорость ферментативной реакции. Для большинства Ф. это нейтральные значения в области 6,0-8,0, но существуют и исключения (напр., оптимум рН пепсина желудка 1,5-2,0). Ф. участвуют в осуществлении всех процессов обмена веществ и превращения энергии, в реализации генетич. информации. Они могут быть локализованы в разных компартментах и органеллах клетки: в цитоплазме, плазматич. мембране, в матриксе или мембранах митохондрий и т. д., что обеспечивает пространственное разделение (компартментализацию) разл. метаболич. путей. Благодаря этому в разных частях клетки одновременно могут происходить как анаболические (синтез), так и катаболические (распад) процессы. Содержание Ф. в клетке может регулироваться на генетич. уровне путём индукции или репрессии их генов, т. е. путём изменения скорости их биосинтеза и/или деградации. Ф., которые синтезируются в клетке постоянно, называют конститутивными, а те, синтез которых начинается лишь при наличии в среде соответствующих субстратов (индукторов), - индуцибельными. При регуляции на гормональном уровне запускаются каскады химич. превращений, многократно усиливающих гормональный сигнал (см. Протеинкиназы). Ряд Ф. характеризуется тканевой специфичностью. Ф., которые катализируют одну и ту же реакцию, но кодируются разными генами и отличаются по физико-химич. и иммунологич. свойствам, а также по локализации, называются изоферментами. Некоторые Ф. синтезируются в форме неактивных предшественников (проферментов, или зимогенов) и активируются после соответствующей модификации молекулы (напр., в результате специфич. ограниченного протеолитич. расщепления или присоединения разл. химич. групп - фосфатной, метильной, ацильной и т. п.). В основу междунар. классификации Ф. (КФ) положен тип катализируемых ими химич. реакций. Ф. делят на 6 классов: оксидоредуктазы (катализируют окислительно- восстановительные реакции), трансферазы (обеспечивают реакции межмолекулярного переноса функциональных групп), гидролазы (ответственны за реакции гидролитич. расщепления связей), лиазы (катализируют реакции негидролитич. отщепления от субстратов разл. химич. групп или обратные реакции - присоединения), изомеразы (обеспечивают образование изомеров субстрата) и лигазы (катализируют реакции синтеза с использованием энергии АТФ или др. нуклеотидтрифосфатов). В пределах классов Ф. группируются в подклассы и подподклассы. В КФ каждому ферменту присвоен свой шифр, состоящий из 4 цифр (напр., КФ 1.1.1.1 - алкогольдегидрогеназа; первое число указывает на класс Ф., второе - на подкласс, третье - на подподкласс, а четвёртое - порядковый номер фермента в его подподклассе) и систематич. название. Ф., катализирующие одну и ту же реакцию у организмов разных видов, могут существенно различаться между собой по структуре, но в номенклатуре имеют общее назв. и один кодовый номер. Охарактеризовано более 2000 разл. Ф., многие из которых выделены в гомогенном виде. Для большинства Ф. определена аминокислотная последовательность, а для многих установлена пространственная структура. В структуре функционально близких Ф. выявлены сходные домены, что свидетельствует об их эволюционном родстве. Методы белковой инженерии позволяют избирательно заменять в молекуле Ф. отдельные аминокислоты или целые фрагменты разл. длины. Благодаря этому появляется возможность изменять свойства Ф. в нужном направлении, облегчается изучение механизма ферментативного катализа. Раздел биохимии, изучающий структуру, свойства Ф. и катализируемые ими реакции, называется энзимологией. Ф. находят широкое применение. Они используются в генетической инженерии (напр., рестриктазы, ДНК-лигазы, обратные транскриптазы), для количественного определения ряда веществ (ферментные электроды, ферментные сенсоры) и получения разл. веществ (ферментные реакторы), для диагностики (энзимодиагностика) и лечения (энзимотерапия) ряда заболеваний, а также в некоторых технологич. процессах, применяемых в лёгкой, пищевой и фармацевтич. пром-сти. С ними связаны перспективы развития иммуноферментного и биолюминесцентного анализа, применение в пром-сти иммобилизованных ферментов. Определение общей и тканеспецифич. активности Ф. помогает при решении некоторых вопросов идентификации личности. Отсутствие или нарушение активности к.-л. Ф. приводит к развитию ряда заболеваний (ферментопатий), многие из которых обусловлены дефектами в генах, кодирующих эти ферменты. См. также Ферментативный катализ. Обладающие ферментативной активностью РНК называются рибозимами. Литература Лит.: Диксон М., Уэбб Э. Ферменты. М., 1982. Т. 1-3; Фридрих П. Ферменты: четвертичная структура и надмолекулярные комплексы. М., 1986; Реннеберг Р. Эликсиры жизни: Новейшие результаты в области исследования ферментов. М., 1987; Нельсон Д., Кокс М. Основы биохимии Ленинджера. М., 2012-2015. Т. 1-3. |
 |