Общие свойства ферментов

Ферменты называют катализаторами белковой природы, так как они в миллионы раз ускоряют течение отдельных химических реакций. Благодаря этой способности ферменты играют важнейшую роль в обмене веществ, во взаимодействии организма с внешней средой. Таким образом, первым свойством ферментов, отличающим их от химических катализаторов, является колоссальное ускорение течения реакций.

Вторым свойством ферментов является строгая специфичность их действия. Например, мальтаза разлагает мальтозу и не действует на близкий дисахарид сахарозу. Действие ферментов направлено на совершенно определенные химические связи.

Третьим свойством ферментов является их большая зависимость (лабильность) от ряда внешних воздействий — температуры, рН среды, окислительно-восстановительных условий, примесей некоторых веществ и др.

По степени чувствительности к температуре ферменты делят на две группы: термолабильные и термостабильные. Первые переносят кратковременное нагревание до 55— 65 °С, при более высокой температуре они инактивируются. Вторые переносят нагревание до температуры ~75°С.

- Ферменты обладают более высокой специфичностью действия по сравнению с неорганическими катализаторами. Различают специфичность по отношению к типу химической реакции, катализируемой ферментом, и специфичность по отношению к субстрату. Эти два вида специфичности характерны для каждого фермента.
Специфичность по отношению к субстрату – это предпочтительность фермента к субстрату определенной структуры в сравнении с другими субстратами. Различают 4 вида субстратной специфичности ферментов:
1. Абсолютная специфичность – способность фермента катализировать превращение только одного субстрата. Например – глюкокиназа фосфорилирует только глюкозу, аргиназа расщепляет только аргинин, уреаза – мочевину.
2. Относительная специфичность – фермент катализирует превращение нескольких субстратов, имеющих один тип связи. Например – липаза расщепляет сложноэфирную связь в триацилглицеролах.
3. Относительная групповая специфичность – фермент катализирует превращение нескольких субстратов, имеющих один тип связи, но требуется наличие определенных функциональных групп, входящих в состав субстратов. Например, все протеолитические ферменты расщепляют пептидную связь, но пепсин – образованную аминогруппами ароматических аминокислот, химотрипсин – образованную карбоксильными группами этих же аминокислот, трипсин – пептидную связь, образованную карбоксильной группой лизина, аргинина.
4. Стереохимическая специфичность – фермент катализирует превращение только одного стереоизомера. Например, бактериальная аспартатдекарбоксилаза катализирует декарбоксилирование только L-аспартата и не действует на D-аспарагиновую кислоту.

23. Центры ферментов: Молекула фермента взаимодействует с субстратом не всей своей по верхностью, а определенными участками. На поверхности фермента различают:

Активныйцентр – это участок фермента, который взаимодействует с субстратом. Ак тивных центров может быть 2, 4, 6, 8, в каждый входят 715 аминокислот. Наиболее часто в состав активных центров ферментов входят функциональные группы таких аминокислот:

ОН – группы серина, треонина, тирозина;

SН – группы цистеина;

NН – группа гистидина;

СООН – группы глутамата и аспартата;

NН2 – группы аргинина и лизина.

В сложных ферментах в активный центр входят кофакторы (небелковые компоненты):

простетические группы, коферменты, ионы металлов. Активный центр является комплемен тарным к строению S, имеется соответствие (комплементарность) Е и S как “ключа и замка”. В структуре активного центра выделяют:

• участок, который связывается с субстратом: контактный (“якорный”) участок;

• каталитический участок, в состав которого входят химические группы, принимающие непосредственное участие в преобразовании субстрата (ОН, SH, =N, NH3+, СООН). Кроме активного центра, некоторые ферменты имеют дополнительный, регуляторный, аллостерический (allos – другой, steros – пространственный) центр, с которым взаимодейст вуют аллостерические регуляторы (эффекторы, модуляторы). Аллостерические эффекторы могут быть позитивными (активаторами), которые повышают каталитическую активность фермента или негативными (ингибиторами), которые ее снижают.

Активный и аллостерический центры локализуются на разных субъединицах фермента. При взаимодействии аллостерического центра с эффекторами происходят конформационные изменения активного центра фермента, что приводит к увеличению или снижению его ак тивности. Ферменты, имеющие аллостерический центр, называются регуляторными.

24. Ферменты обладают очень высокой специфичностью. Фишер (Fischer) в 1890 г. высказал предположение, что эта специфичность обусловливается особой формой молекулы фермента, точно соответствующей форме молекулы субстрата (или субстратов).

Эту гипотезу часто называют гипотезой «ключа и замка»: субстрат сравнивается в ней с «ключом», который точно подходит по форме к «замку», т. е. к ферменту. В схематическом виде это представлено на рисунке. Часть молекулы фермента, вступающую в контакт с субстратом, называют активным центром фермента, и именно активный центр фермента имеет особую форму.

Молекулы большей части ферментов во много раз крупнее, чем молекулы тех субстратов, которые атакует данный фермент. Активный же центр фермента составляет лишь очень небольшую часть его молекулы, обычно от 3 до 12 аминокислотных остатков. Роль остальных аминокислот, составляющих основную массу фермента, заключается в том, чтобы обеспечить его молекуле правильную глобулярную форму, которая, как мы увидим далее, очень важна для наиболее эффективной работы активного центра фермента.

Образовавшиеся продукты по форме уже не соответствуют активному центру фермента. Они отделяются от него (поступают в окружающую среду), после чего освободившийся активный центр может принимать новые молекулы субстрата.

В 1959 г. Кошланд (Koshland) предложил новую интерпретацию гипотезы «ключа и замка», получившую название гипотезы «индуцированного соответствия». На основе данных, позволяющих считать ферменты и их активные центры физически более гибкими, чем это казалось вначале, он заключил, что субстрат, соединяясь с ферментом, вызывает какие-то изменения в структуре его активного центра. Аминокислотные остатки, составляющие активный центр фермента, принимают определенную форму, которая дает возможность ферменту наиболее эффективным образом выполнять свою функцию.

Подходящей аналогией в этом случае может служить перчатка, которая при надевании на руку соответствующим образом изменяет свою форму. По мере выяснения отдельных деталей механизма различных реакций в эту гипотезу вносятся уточнения.

Представление о том, как работает фермент, можно получить с помощью рентгеноструктурного анализа и компьютерного моделирования. Рисунок иллюстрирует это на примере фермента лизоцима.

--- Kинетический параметр ферментативной реакции, численно равный концентрации субстрата, при которой скорость реакции составляет половину максимальной; К.М. характеризует сродство фермента к субстрату.