V. Свой­ст­ва фер­мен­тов

Для фер­мен­тов ха­рак­тер­ны все свой­ст­ва бел­ков. Од­на­ко по­сколь­ку важ­ней­шей ха­рак­те­ри­сти­кой фер­мен­тов яв­ля­ет­ся их био­ка­та­ли­ти­че­ская ак­тив­ность, для них ха­рак­тер­ны и спе­ци­фи­че­ские свой­ст­ва: тер­мо­ла­биль­ность, за­ви­си­мость дей­ст­вия от рН сре­ды, спе­ци­фич­ность, под­вер­жен­ность дей­ст­вию ак­ти­ва­то­ров и ин­ги­би­то­ров. Оха­рак­те­ри­зу­ем ка­ж­дое из этих свойств:

1) Тер­мо­ла­биль­ность

Дан­ное свой­ст­во объ­яс­ня­ет­ся тем, что ак­тив­ность фер­мен­тов про­яв­ля­ет­ся лишь в уз­ком диа­па­зо­не тем­пе­ра­тур. Как пра­ви­ло, наи­боль­шая их ак­тив­ность (тем­пе­ра­тур­ный оп­ти­мум) на­блю­да­ет­ся при 37–40⁰С. По­вы­ше­ние тем­пе­ра­ту­ры до 60⁰С ос­лаб­ля­ет их дей­ст­вие, а при тем­пе­ра­ту­ре 70–80⁰С они инак­ти­ви­ру­ют­ся. Ис­клю­че­ние со­став­ля­ют мио­ки­на­за, лег­ко вы­дер­жи­ваю­щая на­гре­ва­ние до 100⁰С, фер­мен­ты рас­те­ний, не пре­кра­щаю­щие свою дея­тель­ность пол­но­стью да­же зи­мой при тем­пе­ра­ту­ре ок­ру­жаю­щей сре­ды ни­же 0⁰С.

За­ви­си­мость ка­та­ли­ти­че­ской ак­тив­но­сти фер­мен­та от тем­пе­ра­ту­ры вы­ра­жа­ет­ся сле­дую­щей кри­вой на гра­фи­ке:

На гра­фи­ке вид­но, что с рос­том тем­пе­ра­ту­ры до оп­ре­де­лен­но­го пре­де­ла ак­тив­ность фер­мен­та рас­тет прак­ти­че­ски по урав­не­нию Вант-Гоф­фа (с g = 2, т.е. воз­рас­та­ет в 2 раза при по­вы­ше­нии тем­пе­ра­ту­ры на ка­ж­дые 10⁰С). По­сле дос­ти­же­ния пи­ко­во­го зна­че­ния (при 40⁰С) ак­тив­ность па­да­ет из-за кон­фор­ма­ци­он­ных на­ру­ше­ний мо­ле­ку­лы фер­мен­та вслед­ст­вие слиш­ком вы­со­кой тем­пе­ра­ту­ры. Сле­ду­ет так­же ска­зать, что у ка­ж­до­го фер­мен­та есть свой тем­пе­ра­тур­ный оп­ти­мум, не все­гда, од­на­ко, со­гла­сую­щий­ся с нор­маль­ной тем­пе­ра­ту­рой те­ла ор­га­низ­ма, со­дер­жа­ще­го этот фер­мент.

2) За­ви­си­мость ак­тив­но­сти фер­мен­та от рН сре­ды

Фер­мен­ты так­же весь­ма чув­ст­ви­тель­ны к из­ме­не­нию ре­ак­ции сре­ды. Во­до­род­ные ио­ны воз­дей­ст­ву­ют на ка­та­ли­ти­че­ский центр фер­мен­та, влия­ют на сте­пень ио­ни­за­ции суб­стра­та, фер­мент-суб­страт­но­го ком­плек­са и про­дук­тов ре­ак­ции, оп­ре­де­ля­ют со­от­но­ше­ние ка­ти­он­ных и ани­он­ных цен­тров фер­мен­та, что ска­зы­ва­ет­ся на тре­тич­ной струк­ту­ре его мо­ле­ку­лы.

Ка­ж­дый фер­мент про­яв­ля­ет мак­си­маль­ное дей­ст­вие при оп­ре­де­лён­ной для не­го кон­цен­тра­ции во­до­род­ных ио­нов – оп­ти­му­ме рН. Оп­ти­мум рН фер­мен­та­тив­ной ак­тив­но­сти час­то слу­жит ха­рак­те­ри­сти­кой чис­то­ты фер­мент­но­го пре­па­ра­та.

Раз­лич­ные фер­мен­ты про­яв­ля­ют мак­си­мум ак­тив­но­сти при раз­ных зна­че­ни­ях рН. Это от­ра­же­но в сле­дую­щей таб­ли­це:

Фер­мент	Оп­ти­мум рН
Пеп­син	1,5–2,5
Са­ха­ра­за дрож­жей	4,6–5,0
Са­ха­ра­за ки­шеч­ная	6,2
Ами­ла­за слю­ны	6,8–7,2
Ли­па­за под­же­лу­доч­ной же­ле­зы	7,0–8,0
Трип­син	7,8–9,5
Уреа­за	7,2
Фос­фа­та­за жи­вот­ных	6,2–9,4

При ис­поль­зо­ва­нии вы­де­лен­ных фер­мен­тов для дос­ти­же­ния ими мак­си­му­ма ак­тив­но­сти ис­поль­зу­ют раз­но­об­раз­ные бу­фер­ные сис­те­мы: фос­фат­ные, бо­рат­ные и т.д.

3) Спе­ци­фич­ность дей­ст­вия фер­мен­тов

Яв­ля­ет­ся вы­даю­щим­ся ка­че­ст­вом фер­мен­тов и вер­ши­ной хи­ми­че­ской эво­лю­ции жи­вой ма­те­рии. За­клю­ча­ет­ся в том, что ка­ж­дый фер­мент дей­ст­ву­ет на оп­ре­де­лен­ный тип хи­ми­че­ской свя­зи в мо­ле­ку­ле суб­стра­тов. Не­зна­чи­тель­ные из­ме­не­ния в струк­ту­ре ве­ще­ст­ва ис­клю­ча­ют ино­гда воз­мож­ность про­яв­ле­ния дей­ст­вия фер­мен­та.

Спе­ци­фич­ность бы­ва­ет двух ви­дов: аб­со­лют­ной и от­но­си­тель­ной. Боль­шин­ст­во фер­мен­тов об­ла­да­ет имен­но аб­со­лют­ной спе­ци­фич­но­стью, т.е фер­мент мо­жет дей­ст­во­вать толь­ко на один или два суб­стра­та. К та­ким фер­мен­там от­но­сят­ся де­гид­ро­ге­на­зы, ки­на­зы и син­те­та­зы.

Не­ко­то­рые груп­пы фер­мен­тов об­ла­да­ют от­но­си­тель­ной или груп­по­вой спе­ци­фич­но­стью. Это глав­ным об­ра­зом гид­ро­ли­ти­че­ские фер­мен­ты: эс­те­ра­зы (рас­ще­п­ля­ют слож­ные эфи­ры кар­бо­но­вых ки­слот), фос­фа­та­зы (дей­ст­ву­ют на эфи­ры фос­фор­ной ки­сло­ты) и пеп­ти­да­зы, рас­ще­п­ляю­щие пеп­ти­ды.

Ре­же на­блю­да­ет­ся двой­ст­вен­ная спе­ци­фич­ность. На­при­мер, ксан­ти­нок­си­да­за окис­ля­ет не толь­ко про­из­вод­ные пу­ри­нов, но и мно­гие аль­де­ги­ды; аль­де­ги­до­ок­си­да­за пе­че­ни окис­ля­ет про­из­вод­ные пи­ри­ди­на и хи­но­ли­на.

Боль­шин­ст­во фер­мен­тов чув­ст­ви­тель­ны так­же к про­стран­ст­вен­ной кон­фи­гу­ра­ции мо­ле­ку­лы суб­стра­та, т.е. про­яв­ля­ют сте­рео­хи­ми­че­скую спе­ци­фич­ность. Как пра­ви­ло, они, рас­ще­п­ляя од­ни изо­ме­ры, не реа­ги­ру­ют с их оп­ти­че­ски­ми ан­ти­по­да­ми (L- и D-изо­ме­ры; a- и b-глю­ко­зи­ды). Сте­рео­хи­ми­че­ская спе­ци­фич­ность фер­мен­тов про­яв­ля­ет­ся в лю­бых хи­ми­че­ских ре­ак­ци­ях, ка­та­ли­зи­руе­мых ими (рас­ще­п­ле­ния, син­те­за и т.д.).

4) Дей­ст­вие ак­ти­ва­то­ров и ин­ги­би­то­ров

Ак­тив­ность мно­гих фер­мен­тов за­ви­сит так­же и от при­сут­ст­вия в рас­тво­ре раз­но­об­раз­ных хи­ми­че­ских со­еди­не­ний. Од­ни из них по­вы­ша­ют ак­тив­ность фер­мен­тов и на­зы­ва­ют­ся ак­ти­ва­то­ра­ми, дру­гие, уг­не­таю­щие их дей­ст­вие, – па­ра­ли­за­то­ра­ми или ин­ги­би­то­ра­ми.

Од­на­ко де­ле­ние на ак­ти­ва­то­ры и ин­ги­би­то­ры не яв­ля­ет­ся аб­со­лют­ным. Од­но и то же ве­ще­ст­во мо­жет вес­ти се­бя и как ак­ти­ва­тор, и как ин­ги­би­тор, или для од­но­го фер­мен­та яв­лять­ся ак­ти­ва­то­ром, а для дру­го­го – ин­ги­би­то­ром. На­при­мер, циа­ни­ды бло­ки­ру­ют ком­по­нен­ты ды­ха­тель­ных це­пей, но в то же вре­мя спо­соб­ны ак­ти­ви­ро­вать дея­тель­ность па­паи­на и ка­теп­си­на, рас­ще­п­ляю­щих бел­ки. Ан­та­го­ни­сти­че­ским дей­ст­ви­ем об­ла­да­ют так­же и ио­ны. На­при­мер, мы­шеч­ная АТФ-аза ак­ти­ви­ру­ет­ся ио­на­ми Ca²⁺ и тор­мо­зит­ся ио­на­ми Mg²⁺. И, на­обо­рот, рас­тво­ри­мая АТФ-аза ак­ти­ви­ру­ет­ся ио­на­ми Mg²⁺ и уг­не­та­ет­ся ио­на­ми Ca²⁺. Na⁺ час­то дей­ст­ву­ет как ин­ги­би­тор фер­мен­тов, ак­ти­ви­руе­мых ио­на­ми K⁺ и т.д.

Боль­шин­ст­во ак­ти­ва­то­ров – ка­тио­ны ме­тал­лов – Na⁺, K⁺, Rb⁺, Cs⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Zn²⁺, Cd²⁺, Cr³⁺, Cu²⁺, Mn²⁺, Fe²⁺, Co²⁺, Ni²⁺ и Al³⁺ ак­ти­ви­ру­ют один, два или ре­же не­сколь­ко фер­мен­тов. Это спе­ци­фи­че­ские ак­ти­ва­то­ры. Толь­ко Mg²⁺ не спе­ци­фи­чен, ак­ти­ви­руя ки­на­зы, син­те­та­зы и гид­ро­ла­зы.

Ак­ти­ва­то­ры обыч­но вхо­дят в со­став про­сте­ти­че­ской груп­пы фер­мен­та, об­лег­ча­ют об­ра­зо­ва­ние фер­мент-суб­страт­но­го ком­плек­са, дей­ст­ву­ют на ал­ло­сте­ри­че­ский центр фер­мен­та. В по­след­нем слу­чае, при­сое­ди­ня­ясь к ал­ло­сте­ри­че­ско­му цен­тру, они из­ме­ня­ют ка­та­ли­ти­че­ский центр фер­мен­та, при­во­дя его в «бое­вое» со­стоя­ние.

Ин­ги­би­то­ра­ми боль­шин­ст­ва фер­мен­тов яв­ля­ют­ся со­ли тя­же­лых ме­тал­лов (свин­ца, кад­мия и рту­ти). Они бло­ки­ру­ют ак­тив­ные груп­пи­ров­ки фер­мен­тов (свя­зы­ва­ют NH₂-груп­пы, сульф­гид­риль­ные груп­пы SH и т.д.). Фер­мент­ны­ми яда­ми мо­гут так­же быть мо­но­ио­дук­сус­ная ки­сло­та, льюи­зит, фто­рид-анио­ны, за­рин (дии­зо­про­пил­фтор­фос­фат), Vx и т.д.

На­при­мер, дии­зо­про­пил­фтор­фос­фат

бло­ки­ру­ет ак­тив­ный центр фер­мен­та аце­тил­хо­ли­нэ­сте­ра­зы, рас­ще­п­ляю­ще­го в пост­си­нап­ти­че­ской мем­бра­не аце­тил­хо­лин до хо­ли­на и ос­тат­ка ук­сус­ной ки­сло­ты. Дии­зо­про­пил­фтор­фос­фат при­сое­ди­ня­ет­ся к се­ри­ну ак­тив­но­го цен­тра фер­мен­та, на­дол­го вы­во­дя его из строя.

Ин­ги­би­ро­ва­ние бо­лее раз­но­об­раз­но, чем ак­ти­ви­ро­ва­ние фер­мен­тов. Оно бы­ва­ет об­ра­ти­мым и не­об­ра­ти­мым. Об­ра­ти­мое ин­ги­би­ро­ва­ние в свою оче­редь бы­ва­ет кон­ку­рент­ным и не­кон­ку­рент­ным.

При кон­ку­рент­ном тор­мо­же­нии ак­тив­но­сти фер­мен­тов ин­ги­би­тор, об­ла­дая струк­тур­ным сход­ст­вом с суб­стра­том, взаи­мо­дей­ст­ву­ет с ак­тив­ным цен­тром фер­мен­та, под­ме­няя со­бой суб­страт и кон­ку­ри­руя с ним. К кон­ку­рент­ным ин­ги­би­то­рам от­но­сят­ся, на­при­мер, раз­но­об­раз­ные ди­кар­бо­но­вые ки­сло­ты, бло­ки­рую­щие суб­страт­ный центр де­гид­ро­ге­на­зы ян­тар­ной ки­сло­ты.

При не­кон­ку­рент­ном ин­ги­би­ро­ва­нии про­ис­хо­дит взаи­мо­дей­ст­вие ве­ще­ст­ва с оп­ре­де­лен­ной ча­стью (но не с ак­тив­ным цен­тром) фер­мен­та, вслед­ст­вие че­го фер­мент те­ря­ет ак­тив­ность. По­доб­ным дей­ст­ви­ем об­ла­да­ют тя­же­лые ме­тал­лы, циа­ни­ды и т.д. Дру­гим ва­ри­ан­том не­кон­ку­рент­но­го тор­мо­же­ния фер­мен­та­тив­ной ак­тив­но­сти яв­ля­ет­ся ал­ло­сте­ри­че­ское ин­ги­би­ро­ва­ние, ко­гда ин­ги­би­тор при­сое­ди­ня­ет­ся к ал­ло­сте­ри­че­ско­му цен­тру фер­мен­та, ко­то­рый при этом ут­ра­чи­ва­ет нуж­ную для ка­та­ли­ти­че­ско­го ак­та тре­тич­ную струк­ту­ру.

От­дель­ную груп­пы ин­ги­би­то­ров со­став­ля­ют бел­ко­вые ин­ги­би­то­ры, ре­гу­ли­рую­щие дея­тель­ность про­теи­наз, а сле­до­ва­тель­но и об­мен ве­ществ клет­ки.