8.3 Теоретическая часть модуля

8.3.1 Ферменты, их строение и классификация

Ферменты (лат. Fermentum – брожение; синоним энзимы) – специфические биологические катализаторы белковой природы, присутствующие в живых организмах и способные во много раз ускорять протекающие в них химические реакции. Благодаря ферментам , химические реакции в клетках составляют единую, строго согласованную систему, называемую обменом веществ и энергии.

Молекулярная масса ферментов составляет от 10⁴ до 10¹⁰ и более. Некоторые ферменты состоят из нескольких одинаковых (гомомеры) или разных (гетеромеры) субъединиц, связанных между собой ковалентными связями. Субъединица может состоять из двух и более цепей, соединенных дисульфидными связями.

На поверхности белковой глобулы фермента или, чаще, в специфической щели, углублении и т.п. выделяют относительно небольшой участок, называемый активным центром. Он представляет собой совокупность функциональных групп аминокислотных остатков, непосредственно взаимодействующих с субстратом. В активный центр ферментов, кроме функциональных групп, могут входить небелковые составляющие – коферменты. Такой комплекс называют холоферментом, а его белковую часть – апоферментом (к ним относятся витамины, ионы металлов).

Исторически многим ферментам присваиваются тривиальные названия, часто не связанные с типом катализируемой реакции. Поэтому в середине 20 века были разработаны классификация и номенклатура ферментов. По рекомендации Международного биохимического союза все ферменты делят на 6 классов: 1 - оксидоредуктазы, 2 – трансферазы, 3 – гидролазы, 4 – лиазы, 5 – изомеразы, 6 – лигазы. Каждый класс делится на подклассы, в соответствии с природой функциональных групп субстратов, подвергающих химическому превращению. Подклассы, в свою очередь, делят на подклассы в зависимости от типа, участвующего в превращении фермента. Каждому достаточно охарактеризованному ферменту присваивается классификационный номер из четырех цифр, обозначающих класс, подкласс, подподкласс и номер самого фермента.

К оксидоредуктазам относят ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции. Ферменты этого типа осуществляют присоединение О₂ , отнятие и перенос Н₂, перенос электронов, катализируя окислительно-восстановительные реакции. Многие оксидоредуктазы являются ферментами дыхания и окислительного фосфорилирования.

Трансферазы катализируют перенос функциональных групп (СН₃^-, СООН^-NН₂⁺, СНО^- и другие) с одной молекулы к другой.

Гидролазы катализируют гидролитическое расщепление связей (пептидной, гликозидной, эфирной, фосфодиэфирной и другие).

Лиазы катализируют реакции негидролитического расщепления каких-либо групп от субстрата, с образованием двойной связи, или присоединения группировок по месту разрыва двойной связи (например, отщепление СО₂, Н₂О, NН₃ и другие).

Изомеразы катализируют образование изомеров субстрата, в том числе цис-, транс-изомеризацию, перемещение кратных связей, а также групп атомов внутри молекулы.

Лигазы – ферменты, катализирующие реакции синтеза, сопряженные с разрывом высокоэнергетической связи АТФ и других нуклеозидтрифосфатов, (при этом возможно образование С-С-; C-S-;C-O; C-N –связей).

8.3.2 Механизм действия ферментов

Действие фермента, как и любого катализатора сводится к снижению энергии активации катализируемой реакции. Однако, молекулярный механизм взаимодействия многих ферментов с субстратом в частностях остается еще неясным. Лишь в отдельных случаях можно описать этот механизм достаточно полно. Взаимодействие фермента с субстратом для разных типов ферментов индивидуально. Однако существуют некоторые общие моменты, позволяющие судить о ходе ферментативных реакций. Принята гипотеза, согласно которой на первой стадии реакции происходит образование с очень высокой скоростью так называемого промежуточного фермент-субстратного комплекса, а на второй стадии комплекс претерпевает изменения и, в конечном счете, распадается на продукты реакции, причем фермент выходит из реакции в неизменном виде.

В настоящее время в условиях эксперимента показано, что при присоединении фермента к субстрату происходит изменение ряда физико-химических показателей ферментного белка.

В настоящее время выделяют четыре основных фактора, определяющих каталитическую активность ферментов:

- Сближение и ориентация субстрата по отношению к каталитической группе, т.е. фермент способен связывать молекулу субстрата таким образом, что атакуемая связь располагается вблизи от каталитической группы и правильно ориентируется относительно нее в пространстве.

- Напряжение и деформация: индуцированное соответствие, т.е. присоединение субстрата может вызвать конформационные изменения в молекуле фермента, которые приводят к напряжению структуры активного центра, к некоторой деформации связанного субстрата, облегчая тем самым достижение комплексом ES необходимого состояния.

- Общий кислотно-основной катализ, когда в активном центре системах.фермента могут находиться группы специфических аминокислотных остатков, которые являются донорами или акцепторами протонов. Такие кислотные или основные группы представляют собой мощные катализаторы многих органических реакций, протекающих в водных

- Ковалентный катализ, т.е. фермент, реагирует со своим субстратом, образуя очень нестабильные, ковалентно-связанные фермент-субстратные комплексы, из которых в ходе последующей реакции образуются конечные продукты.

По-видимому, перечисленные выше четыре фактора вносят различный вклад в ускорение химических реакций ферментами различных типов. Эти факторы реализуются в разных ферментах в разных сочетаниях и в результате механизм действия каждого фермента уникален.