Свойства ферментов

Ферменты характеризуются рядом как неспецифических, так и специфических свойств, определяющих (регулирующих) их активность. Ферменты, как и все катализаторы, обладают свойством не расходоваться в процессе катализируемых ими реакций, ускорять эти реакции в малых количествах и, наконец, одинаково ускорять обратимые реакции в обоих направлениях.

Свойство ферментов ускорять как прямую, так и обратную реакцию получило название обратимости действия фермента.

Наряду с неспецифическими свойствами ферментам присущ ряд специфических свойств. К характерным свойствам ферментов относится их чувствительность к изменению реакции среды. Для каждого фермента существует оптимальное значение рН среды, при котором он проявляет максимальную активность. Большинство ферментов имеет максимальную активность в зоне рН поблизости от нейтральной точки и соответствующей изоэлектрической точке фермента.

Влияние рН на каталитическую активность ферментов состоит в воздействии на их активный центр. При различных значениях рН в реакционной среде активный центр может быть слабее или сильнее ионизирован, больше или меньше экранирован соседними с ним фрагментами полипептидной цепи белковой части фермента. Кроме того, рН среды влияет на степень ионизации субстрата, фермент‑субстратного комплекса и продуктов реакции, а также оказывает большое влияние на состояние ферментного белка, определяя соотношение в нем катионных и анионных групп, что сказывается на третичной структуре белковой молекулы, с которой связана активность фермента.

Для ферментов характерна зависимость их активности от температуры. Скорость химических реакций, в том числе и реакций, катализируемых ферментами, быстро возрастает по мере повышения температуры, что объясняется увеличением подвижности реагируемых молекул. Однако при достаточно высоких температурах скорость ферментативных реакций снижается из-за денатурации ферментного белка и потери им каталитических свойств. Зависимость активности ферментов от температуры получила название термолабильности ферментов.

Температура, при которой каталитическая активность фермента максимальна, называется его температурным оптимумом. Температурный оптимум для различных ферментов неодинаков. В общем для ферментов животного происхождения он лежит между 37 и 40°С, а растительного – между 50 и 60°С. Однако есть и исключения: папаин имеет температурный оптимум при 80°С, а каталаза – в пределах 0-10°С. При температуре выше 70°С большинство ферментов полностью теряют активность.

Помимо температуры и рН, большое влияние на активность ферментов оказывает присутствие в растворе ряда химических соединений, так называемых активаторов и ингибиторов. Особенно часто активаторами ферментов бывают ионы магния, марганца, цинка, железа, натрия, кальция, калия и кобальта, а из анионов – хлора.

Активаторами ферментов могут служить также органические вещества. Например, действие липазы поджелудочного сока активируется желчными кислотами. Некоторые тканевые ферменты (катепсины, аргиназа и др.) активируются соединениями, содержащими свободные НS-группы (глутатион, цистеин). Для ряда ферментных систем открыты белковые модуляторы их активности (активаторы или ингибиторы).

Активирующее влияние ряда простых химических соединений (в частности, металлов) объясняют их действием как аллостерических активаторов.

Ингибиторы тормозят действие ферментов, снижают их активность. Механизм ингибирующего действия разнообразен, но в большинстве сводится к двум типам торможения: конкурентному и неконкурентному, обратимому и необратимому.

При конкурентном торможении ингибитор, обладающий структурным сходством с субстратом, соединяется с ферментом, подменяя собой субстрат, конкурирует с ним. Так как часть фермента расходуется на образование комплекса фермент-ингибитор, количество образующегося фермент-субстратного комплекса снижается и, следовательно, снижается ферментативная активность.

Конкурентные ингибиторы обратимо связываются с ферментом.

При неконкурентном торможении ингибитор взаимодействует с апоферментом или простетической группой, связывая существенные для ферментативной активности группировки, например, НО‑ и НS‑группы. Неконкурентное ингибирование не может быть снято добавлением субстрата. Так, соли тяжелых металлов (серебра, меди, свинца) в малых концентрациях, не вызывающих денатурацию белка, связывают НS‑группы в полипептидной цепи фермента.

В качестве другого варианта неконкурентного торможения активности ферментов следует отметить аллостерическое ингибирование, механизм которого подобен описанному выше аллостерическому активированию.

К числу весьма характерных свойств ферментов принадлежит их ярко выраженная специфичность действия. Ферменты специфичны в отношении, как типа катализируемой реакции, так и структуры субстратов, на которые они действуют. Специфичность ферментов определяется их строением, наличием определенных функциональных групп, которые могут участвовать в образовании фермент-субстратных комплексов.

Специфичность ферментов объясняется, в первую очередь, совпадением пространственных конфигураций субстрата и субстратного центра фермента. Согласно гипотезе Кошланда субстрат при взаимодействии с ферментом меняет конфигурацию его активного центра таким образом, чтобы обеспечить наилучшую адаптацию активного центра к субстрату. Однако согласно гипотезе топохимического соответствия, специфичность действия фермента объясняется узнаванием в первую очередь той части субстрата, которая не изменяется при катализе.

Детальное изучение специфичности ферментов показало их различные пределы у разных ферментов. Известны ферменты, катализирующие только одну реакцию превращения определенного вещества. Уже небольшие изменения в структуре вещества делают его недоступным для действия фермента. Это – абсолютная специфичность.

Существуют ферменты, субстратами для которых являются несколько химических соединений, построенных по одному типу, действие этих ферментов адаптировано к типу химической реакции, в которую вовлекаются эти вещества. Это – ферменты с абсолютной групповой специфичностью.

Существуют также ферменты, специфичность которых заключается в том, что они действуют на определенные связи, с помощью которых соединены отдельные части молекул (эфирные, гликозидные и др.). Химическая же структура молекул для действия этих ферментов роли не играет. Это – относительная групповая специфичность (эстеразы, гликозидазы и др.).

Некоторые ферменты отличаются стереохимической специфичностью, т.е. действуют только на один из пространственных изомеров. Так, лактатдегидрогеназа специфична к L‑лактату, а оксидаза Д‑аминокислот – к Д‑амино­кислотам.

Наконец, выделяют ферменты с относительной субстратной специфичностью, у которых субстратами служат вещества, относящиеся к различным химическим группам (например, цитохром Р-450).

Номенклатура и классификация ферментов

Выше уже говорилось, что живая клетка содержит более 2 тыс. различных ферментов, каждый из которых ускоряет ту или иную химическую реакцию. Большое разнообразие ферментного действия и ферментных механизмов требует строгой классификации и номенклатуры ферментов.

В 1979 году вышла «Номенклатура ферментов» (под ред. акад. А.Е. Браунштейна), согласно которой в основу номенклатуры и классификации положены следующие общие принципы:

1. Названия, предназначенные для обозначения ферментов, особенно те, которые оканчиваются на «‑аза»,. должны употребляться только для индивидуальных белков-катализаторов; их не следует применять для систем, содержащих более одного фермента. Если обозначается такая система термином, основанным на катализируемой ею суммарной реакции, то в наименование включается слово «система» (например, пируватдегидрогеназная система, но не пируватдегидрогеназа).

2. Классификация и номенклатура ферментов основывается на реакции, которую они катализируют. За основу номенклатуры принимается суммарная реакция, выражаемая суммарным уравнением. Определенное название фермента обозначает не индивидуальный ферментный белок, а группу белков с одинаковым каталитическим действием. Ферменты из различных источников (разные виды бактерий, растений, животных) классифицируются под единым названием. Это относится также к изоэнзимам.

3. Ферменты подразделяются на группы в соответствии с типом катализируемой реакции, и этот тип реакции в сочетании с названием субстрата (ов) служит основой для построения названий отдельных ферментов.

Одновременно с номенклатурой утверждена систематическая классификация ферментов, основанная на типе реакций, подвергающихся каталитическому воздействию. Согласно этой классификации ферменты подразделяются на 6 классов:

1. Оксидоредуктазы (17 подклассов)

2. Трансферазы (8 подклассов)

3. Гидролазы (11 подклассов)

4. Лиазы (7 подклассов)

5. Изомеразы (6 подклассов)

6. Лигазы (5 подклассов)

Каждый класс ферментов подразделяется на подклассы и подподклассы в зависимости от природы индивидуальных превращений. Рассмотрим отдельные классы ферментов.

1. Оксидоредуктазы. Их также называют дегидрогеназами, в качестве альтернативы можно использовать термин редуктаза. Термин оксидаза употребляется только в случаях, где акцептором является О₂.

Данными терминами обозначается большое число ферментов. Весь класс оксидоредуктаз подразделяется на 17 подклассов. Оксидоредуктазы катализируют окислительно-восстановительные реакции. Окисление протекает как процесс отнятия атомов водорода (электронов) от субстрата, а восстановление – как присоединение атомов водорода (электронов) к акцептору.

Выделяют три главных вида оксидоредуктаз:

- пиридинзависимые дегидрогеназы (например, малатдегидрогеназа);

- флавинзависимые дегидрогеназы (например, сукцинатдегидрогеназа);

- цитохромы (например, каталаза).

Имеется несколько особенностей этих ферментов, отличающих их от ферментов других классов.

Оксидоредуктазы в живой клетке образуют системы (так называемые цепи окислительно-восстановительных ферментов), в которых осуществляется многоступенчатый перенос атомов водорода, электронов от первичного субстрата к конечному акцептору, которым является, как правило, кислород. В конце концов, атомы водорода переносятся на кислород, и образуется вода.

Особенностью оксидоредуктаз является также то, что, будучи двухкомпонентными ферментами (т.е. ферментами-протеидами) с весьма ограниченным набором коферментов, они способны катализировать множество реакций. Это достигается за счет того, что различные апоферменты способны связываться с одними и теми же коферментами, образуя каждый раз новые холоферменты. Наконец, оксидоредуктазы ускоряют протекание химических процессов, связанных с высвобождением энергии. Последняя используется как для обеспечения синтетических процессов в организме, так и для других нужд.

2. Трансферазы составляют класс ферментов, ускоряющих реакции переноса атомных групп и молекулярных остатков от одного соединения к другому. В класс трансфераз входит несколько сот индивидуальных ферментов, подразделяемых на 8 подклассов.

В зависимости от вида переносимых группировок различают подклассы, переносящие одноуглеродные остатки, альдегидные и кетонные остатки, ацильные остатки, гликозидные остатки, алкильные группы, азотистые группы, группы, содержащие фосфор и группы, содержащие серу.

Например:

- фосфотрансферазы – гексокиназа;

- аминотрансферазы – аланинаминотрансфераза;

- гликозилтрансфераза – фосфорилаза;

- ацилтрансферазы – холинацетилтрансфераза.

3. Гидролазы – ферменты, ускоряющие реакции расщепления (а иногда и синтеза) различных связей органических соединений при участии воды.

В составе гидролаз насчитывается, несколько сот ферментов, которые распределены по 11 подклассам в зависимости от характера подвергающихся гидролизу связей. К их числу относятся гидролазы, действующие на сложноэфирные связи, на гликозильные соединения, на простые эфирные связи, на пептидные связи, на С‑N-связи, отличающиеся от пептидных, на С‑С‑связи, на галоидные связи, на P‑N-связи, на S‑N-связи, на С‑Р‑связи.

Например:

- эстеразы - липаза;

- гликозидазы - мальтаза;

- пептидгидролазы - пепсин;

- аминогидролазы-аспарагиназа.

4. Лиазы – класс ферментов, катализирующих негидролитические реакции распада органических соединений по связям С-С, С-О, С-N, С-S, Р-О. При этом часто замыкаются двойные связи и выделяются такие простейшие продукты как СО₂, Н₂О, NH₃ и т.д. Некоторые из этих реакций обратимы, и соответствующие ферменты катализируют не только распад, но и синтез. Этот класс ферментов включает 7 подклассов. Например:

- С-С-лиазы (декарбоксилазы) – пируватдекарбоксилаза;

- С-О-лиазы (гидратирование или дегидратирование) – фумаратдегидрогеназа;

- С-N-лиаза – аспартат-амиак-лиаза.

5. Изомеразы - ускоряют процессы внутримолекулярных превращений. Эти превращения состоят во внутримолекулярном переносе водорода, фосфатных и ацильных групп, в изменении пространственного расположения атомных группировок, в перемещении двойных связей и т.д. В соответствии с типом реакции изомеризации ферменты могут обозначаться как рацемазы, эпимеразы, цис-транс-изомеразы, таутомеразы, мутазы, цикло-изомеразы. Класс изомераз включает несколько десятков индивидуальных ферментов, которые подразделяются на 6 подклассов. Важнейшими из них являются триозофосфатизомераза, фосфоглицерат-фосфомутаза и другие.

6. Лигазы (синтетазы) – ферменты, ускоряющие реакции синтеза органических веществ, т.е. соединение друг с другом двух молекул, сопряженное с распадом донаторов энергии для осуществления биосинтетического процесса. Одним из таких донаторов энергии является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Выделяющаяся энергия при отщеплении остатков фосфорной кислоты используется для активирования реагирующих веществ. Образующиеся связи часто принадлежат к типу высокоэнергетических связей. Этот класс включает 5 подклассов ферментов.

Лигазы катализируют образование связей C-N, С-С, С-S, C-O, Р-О. В частности, лигазам, катализирующим синтез С‑О‑связей, принадлежит важнейшая роль в биосинтезе белков, так как они ускоряют реакции активирования аминокислот перед вступлением последних в пептидную связь при синтезе полипептидных цепей в рибосомах. Одной из простейших реакций этого типа является образование аминоацил-аденилатов.

Действие ферментов разных классов, как уже говорилось выше, тесно увязано между собой в результате образования мультиферментных систем. Примером может служить образование ацетил-коэнзима А, протекающее сопряжено с распадом АТФ при каталитическом участии ацетил-коэнзим-А-синтетазы. Ацетил-коэнзим-А служит коферментом в реакциях трансацилирования, поэтому действие лигаз и ацилтрансфераз в живых системах тесно увязано друг с другом. Аналогичные взаимодействия характерны и для многих других ферментов.

Дата добавления: 2014-01-05