Свойства ферментов

Внутриклеточное распределение ферментов

Ферменты локализованы во всех компартментах клеток. Ядерные ферменты катализируют синтез информационных макромолекул, а также процессы их созревания, функционирования и распада. В митохондриях действуют ферменты энергетического обмена, в аппарате Гольджи – ферменты, катализирующие созревание белков, в лизосомах – гидролитические ферменты. Значительное число ферментов ассоциировано с внешней и внутренними мембранами. Так, ферменты, защищающие клетку от действия чужеродных химических веществ, локализованы в эндоплазматическом ретикулуме. Распределение ферментов в клетках определяют методом дифференциального центрифугирования гомогената тканей. Локализация некоторых ферментов идентифицирована гистохимическими методами in situ. Для этого при помощи микротома получают срезы ткани и обрабатывают их раствором субстрата. Идентификация продуктов ферментативной реакции облегчена, если последние окрашены.

Специфичность действия. Еще в конце XIX и в начале XX столетия было установлено, что способность того или иного фермента катализировать превращение определенного вещества (субстрата) зависит от природы как фермента, так и субстрата. Высокая избирательная способность взаимодействия фермента с компонентами биологической реакции особенно наглядно проявляется при оценке стереохимических превращений. Э. Фишер одним из первых показал высокую стереоспецифичность ряда ферментов и постулировал, что это обусловлено комплементарным присоединением субстрата к ферменту в процессе каталитической реакции. Это особенно ярко проявляется в процессе реакций, характерных для L- или D-форм субстрата. Например, фермент лак-татдегидрогеназа катализирует превращение только L-формы молочной кислоты и полностью инертен в отношении ее D-формы. L-Аспарагиназа, катализирующая реакцию превращения аспарагина, действует только на его L-форму: Ферменты характеризуются высокой специфичностью как в отношении субстратов, так и катализируемых ими реакций. Кроме стереохимической, выделяют абсолютную и относительную специфичность действия ферментов.

Абсолютная специфичность предполагает, что фермент катализирует только одну реакцию. Например, аргиназа расщепляет аргинин на орнитин и мочевину:

Следует отметить, однако, что общепринятое понятие «абсолютная специфичность» в определенной степени условно. Так, глюкозооксидаза, специфически окисляющая D-глюкозу с образованием глюконовой кислоты, действует еще по крайней мере на 8—10 субстратов, таких, как манноза, мальтоза, лактоза и др. Учитывая тот факт, что скорость окисления этих субстратов ниже по сравнению с глюкозой примерно на два порядка, этими данными зачастую пренебрегают и глюкозооксидазу считают ферментом, проявляющим абсолютную специфичность. Вместе с тем исследования влияния фермента на близкие по строению субстраты оказались чрезвычайно плодотворными в другом отношении. Выяснилось, что на скорость ферментативной реакции влияет не только природа атакуемой связи, но и ее окружение, а также длина углеродной цепи субстрата. Это особенно характерно для ферментов, проявляющих относительную, или групповую, специфичность. Данные ферменты действуют на группу близких по строению субстратов с сопоставимой скоростью, однако каждый индивидуальный фермент проявляет характерные особенности воздействия на тот или иной субстрат. Наиболее детально изучена групповая специфичность действия протеиназ, катализирующих гидролиз белков и полипептидов. Оказалось, что пепсин (фермент желудочного сока) гидролизует пептидные связи, образованные тирозином или фенилаланином. Наличие свободной аминной группы вблизи от гидролизуемой связи на несколько порядков уменьшает скорость ферментативной реакции. Напротив, свободная карбоксильная группа стимулирует ферментативный гидролиз, причем это характерно только для пепсина. Химотрипсин также гидролизует пептидные связи, образованные ароматическими аминокислотами, однако в отличие от пепсина воздействует на связи, образованные карбоксильными группами ароматических аминокислот.

Таким образом, можно сказать, что ферменты обладают специфичностью по отношению к какому-либо субстрату или к определенной химической связи в различных субстратах.

Следует отметить, что один и тот же фермент может быть полифункциональным, т. е. катализировать различные биохимические реакции. В качестве примера можно привести трипсин — фермент, синтезируемый поджелудочной железой и секретируемый в кишечник. Будучи протеолитическим ферментом, он гидролизует пептидные связи, образованные карбоксильной группой аргинина или лизина. Кроме того, трипсин катализирует гидролиз амидных связей (это было установлено при работе с синтетическим субстратом бензоил — L-аргининамидом), а также гидролизует сложноэфирные связи между аминокислотой и спиртом.

Для некоторых протеолитических ферментов характерны реакции транс-пептидации — перенос аминокислотных остатков от одного субстрата к другому.

Интенсивное изучение биологических катализаторов дало возможность составить целостное представление об этих, по сути, наиболее важных структурах живой материй. В частности, было установлено, что все ферменты являются макромолекулами белковой природы. (Каталитическая активность специфичных полинуклеотидов, принимающих участие в сплайсинге РНК, является исключением, подтверждающим общее правило.) Первостепенное значение для функций ферментов имеет первичная структура, определяющая тип катализируемых реакций. Гидролиз пептидных связей трипсином или пепсином необратимо инактивирует ферменты. Для проявления каталитического действия большое значение имеет также нативность высших белковых структур (гл. 3). Обратимая денатурация является фактором подавления или восстановления ферментативной активности. Физико-химические свойства ферментов соответствуют таковым для белков, причем заряд играет существенное значение для каталитического акта. Молекулярные массы ферментов лежат в пределах от 10 до 1000 kDa и более, т. е. в большинстве случаев фермент по размерам гораздо больше, чем субстрат.

Как и белки, ферменты бывают простыми и сложными, причем каталитическое действие связано с небольшим участком белковой макроструктуры, целостность которой тем не менее весьма существенна для ферментативного катализа. Будучи истинными катализаторами, ферменты не инициируют химические реакции, они лишь изменяют скорость их протекания. Важно отметить, что ферменты не только увеличивают скорости реакций в клетках или тканях, они из нескольких равновероятных спонтанных реакций «выбирают» ту, которая наиболее целесообразна для процесса жизнедеятельности.

Ферменты, так же как и химические катализаторы неорганической природы, катализируют только энергетически выгодные реакции, не изменяют направления реакции и не расходуются в процессе реакции. Вместе с тем ферменты обладают рядом свойств, отличающих их от химических катализаторов:

• ферменты во много раз более специфичны;

• скорости ферментативных реакций на много порядков выше, чем у не-биологических катализаторов;

• ферменты термолабильны и неустойчивы по отношению к кислотам и щелочам;

• воздействуя на фермент, можно регулировать скорость соответствующей реакции.

Дата добавления: 2014-01-07