Ферменты обладают всеми общими свойствами обычных катализаторов. Но, по сравнению с обычными катализаторами, все ферменты являются белками. Поэтому они обладают особенностями, отличающими их от обычных катализаторов. Эти особенности ферментов, как биологических катализаторов, иногда называют общими свойствами ферментов. К ним относятся:
1. Высокая эффективность действия. Ферменты могут ускорять реакцию в 108 -1012 раз (к примеру 1 г пепсина расщепляет 50 кг яичного белка за один час). Кроме того, в процессе протекания ферментативной реакции исключительно образуется необходимый продукт, и НЕ ОБРАЗУЮТСЯ побочные, ненужные для клетки соединения.
2. Высокая избирательность ферментов к субстратам (субстратная специфичность) и к типу катализируемой реакции (специфичность действия).
3. Конформационная лабильность. Каталитическая активность фермента, как и любой белковой молекулы, зависит от его конформации, и в частности конформации активного центра. В клетке присутствуют вещества, которые в той или иной мере влияют на конформацию молекулы фермента за счет разрыва одних и образования других слабых связей, что сопровождается изменением активности фермента.
4. Активность ферментов может регулироваться. Действие ферментов в клетке строго упорядоченно: продукт одной реакции является субстратом другой (следующей) реакции. Таким образом организуются метаболические пути. Среди множества ферментов определенного метаболического пути имеются ключевые, или регуляторные ферменты, активность которых может целенаправленно меняться в зависимости от потребностей клетки в конечном продукте данного метаболического пути.
5. Высокая и избирательная чувствительность к физико-химическим воздействиям тех или иных химических веществ, которые благодаря этому могут взаимодействовать с ферментом, улучшая или затрудняя его.
|
|
6. Высокая чувствительность ферментов к неспецифическим физико-химическим факторам среды - температуре, рН, ионной силе раствора и т.д.
7. Высокая чувствительность к химическим реагентам.
СТРУКТУРНО ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ
В ферментативном процессе (реакции) принимают участие следующие участники:
субстрат (S) – вещество (лиганд), которое подвергается химическому превращению; продукт (Р) реакции, как итог данной реакции; и фермент (Е) катализирующий реакцию.
В общем виде этот процесс описывается следующей реакцией:
S + Е ↔ Р + Е;
Биологическая функция фермента, как и любого белка, обусловлена наличием в его структуре активного центра. Участок поверхности молекулы фермента Е, который непосредственно взаимодействует с молекулой субстрата S, называется АКТИВНЫМ ЦЕНТРОМ ФЕРМЕНТА. В активном центре фермента есть аминокислотные остатки, функциональные группы которых обеспечивают связывание субстрата, и аминокислотные остатки, функциональные группы которых осуществляют химическое превращение субстрата. Условно эти группы обозначают как участок связывания субстрата и каталитический участок, однако не всегда эти участки имеют чёткое 
пространственное разделение и иногда могут "перекрываться".
Рис. 1. Строение активного центра фермента. А - присоединение субстрата к ферменту в активном центре; Б - положение аминокислотных остатков, формирующих активный центр фермента, в первичной структуре белка; В - активный центр фермента условно разделяется на участок связывания и каталитический участок. Участок связывания представлен радикалами аминокислот, функциональные группы которых обеспечивают связывание субстрата. Каталитический участок образован радикалами аминокислотных остатков, функциональные группы которых обеспечивают химическое превращение субстрата.
|
|
АКТИВНЫЙ ЦЕНТР ФЕРМЕНТА
Активный центр фермента образован из остатков аминокислот, которые расположены в различных участках полипептидной цепи или различных полипептидных цепей, пространственно сближенных друг с другом. Он образуется на уровне третичной структуры белка-фермента.
В пределах активного центра фермента различают АДСОРБЦИОННЫЙ УЧАСТОК (центр) и КАТАЛИТИЧЕСКИЙ УЧАСТОК (центр). Кроме того, вне активного центра фермента встречаются особые функциональные участки; каждый из них обозначают термином АЛЛОСТЕРИЧЕСКИЙ ЦЕНТР.
КАТАЛИТИЧЕСКИЙ ЦЕНТР - это область (зона) активного центра фермента, которая непосредственно участвует в химических преобразованиях субстрата.
В каталитическом участке субстрат претерпевает химическое превращение в продукт, который затем высвобождается из активного центра фермента. Схематично процесс катализа можно представить следующим уравнением:
Е + S ↔ ES ↔ ЕР ↔ Е + Р,
где Е - фермент (энзим), S - субстрат, Р - продукт. Данные обозначения общеприняты и происходят от английских слов enzyme, substrat, product.
|
|
Формируется каталитический участок за счет радикалов двух, иногда трех аминокислот, расположенных в разных местах полипептидной цепи фермента, но пространственно сближенных между собой за счет изгибов этой цепи. Например, каталитический центр "серин-гистидиновых" ферментов формируется за счет радикалов аминокислот Ser и His. Если фермент является сложным белком, то в формировании каталитического центра нередко участвует простетическая группа молекулы фермента (кофермент). Коферментную функцию выполняют все водорастворимые витамины и жирорастворимый витамин K.
АДСОРБЦИОННЫЙ ЦЕНТР - это участок активного центра молекулы фермента, на котором происходит сорбция (связывание) молекулы субстрата и образование фермент-субстратного комплекса (поэтому данный участок также называется субстрат связывающий или субстрат узнающий центр). Он формируется одним, двумя, чаще тремя радикалами аминокислот, которые обычно расположены рядом с каталитическим центром. Главная его функция - связывание молекулы субстрата и передача этой молекулы каталитическому центру в наиболее удобном положении (для каталитического центра). Эта сорбция происходит ТОЛЬКО ЗА СЧЕТ СЛАБЫХ ТИПОВ СВЯЗЕЙ (не ковалентных) и потому ЯВЛЯЕТСЯ ОБРАТИМОЙ. По мере формирования этих связей происходит конформационная перестройка адсорбционного центра, которая приводит к более тесному сближению субстрата и активного центра фермента, более точному соответствию между их пространственными конфигурациями. Такое соответствие - не заранее "готовое", а формирующееся в ходе взаимодействия - американский ученый Кошленд положил в основу теории ИНДУЦИРОВАННОГО СООТВЕТСТВИЯ (или «НАВЕДЕННОГО» СООТВЕТСТВИЯ), которая преодолела ограниченность существовавшей ранее теории КЛЮЧА И ЗАМКА (жесткого соответствия структуры субстрата структуре адсорбционного центра по теории Фишера).
Очевидно, что именно структура адсорбционного центра определяет субстратную специфичность фермента, то есть требования фермента к молекуле химического вещества, чтобы она могла стать для него подходящим субстратом.
Некоторые вещества, обладающие подходящими характеристиками (то есть похожие по строению на субстрат), могут тоже связываться с адсорбционным центром фермента. Но если в их молекуле нет такой химической связи, на которую может воздействовать каталитический центр данного фермента, то химических превращений этого вещества не произойдет. Занимая активный центр фермента, такие молекулы блокируют его работу, то есть являются ОБРАТИМЫМИ ИНГИБИТОРАМИ данного фермента (обратимыми, потому что связаны с ферментом слабыми типами связей). Повышая концентрацию субстрата, их можно ВЫТЕСНИТЬ из адсорбционного центра. Поэтому такие ингибиторы называют КОНКУРЕНТНЫМИ. Они конкурируют с истинным субстратом данного фермента за обладание его адсорбционным центром.
АЛЛОСТЕРИЧЕСКИМИ ЦЕНТРАМИ называют такие участки молекулы фермента вне его активного центра, которые способны связываться СЛАБЫМИ ТИПАМИ СВЯЗЕЙ (значит - обратимо) с тем или иным веществом (лигандом). Причем такое связывание приводит к такой конформационной перестройке молекулы фермента, которая распространяется и на активный центр, облегчая, либо затрудняя (замедляя) его работу. Соответственно такие вещества называются АЛЛОСТЕРИЧЕСКИМИ АКТИВАТОРАМИ или АЛЛОСТЕРИЧЕСКИМИ ИНГИБИТОРАМИ данного фермента.
Термин "аллостерический" allos - иной, stereos – пространство, (то есть "имеющий иную пространственную структуру", или расположен в друго месте в пространстве) появился в связи с тем, что эти эффекторы по своей пространственной конфигурации совсем не похожи на молекулу субстрата данного фермента (и потому не могут связываться с активным центром фермента). Было сделано заключение, что и аллостерический центр не похож по своей структуре на активный центр фермента.
Аллостерические центры найдены не у всех ферментов. Они есть у тех ферментов, работа которых может изменяться под действием гормонов, медиаторов и других биологически активных веществ. Некоторые искусственно синтезированные лекарства обладают биологической активностью потому, что их молекулы комплементарны аллостерическому центру некоторых ферментов организма.
Многие ферменты оказывают каталитическое действие на субстраты только в присутствии специфического термостабильного низкомолекулярного органического соединения—кофермента. В таких случаях холофермент (каталитически активный комплекс) состоит из апофермента (белковая часть) и связанного с ним кофермента.
Кофермент может быть связан с апоферментом ковалентными или нековалентными связями. Термин «простетическая группа» (prosteo приоединять) относится к ковалентно связанному коферменту. К числу реакций, требующих присутствия коферментов, относятся окислительно-восстановительные реакции, реакции переноса групп и изомеризации, а также реакции конденсации (по системе IUB это классы 1, 2, 5 и 6). Реакции расщепления, например, гидролитические реакции, катализируемые пищеварительными ферментами, протекают в отсутствие кофермента (по системе IUB это классы 3 и 4). Коферменты (коэнзимы) в зависимости от выполняемых функций классифицируют следующим образом:
1. Коферменты, участвующие в переносе любых групп, кроме атомов водорода: сахарофосфаты, CoASH, тиаминпирофосфат, пиридоксальфосфат, фолиатные коферменты, биотин. кобамидные (В12) коферменты, липоевая кислота.
2. Коферменты, участвующие в переносе атомов водорода: NAD+\ NADP+; FMN, FAD, липоевая кислота, кофермент Q.
СПЕЦИФИЧНОСТЬ ФЕРМЕНТОВ.
Различают два главных вида специфичности ферментов: субстратную специфичность и специфичность действия.
СУБСТРАТНАЯ СПЕЦИФИЧНОСТЬ.
Это способность фермента катализировать превращения только одного определенного субстрата или же группы сходных по строению субстратов. Определяется структурой адсорбционного участка активного центра фермента. (См. рис 2.)
Различают 3 типа субстратной специфичности:
1) АБСОЛЮТНАЯ субстратная специфичность - это способность фермента катализировать превращение только одного, строго определенного субстрата.
2) ОТНОСИТЕЛЬНАЯ субстратная специфичность - способность фермента катализировать превращения нескольких, сходных по строению, субстратов.
3) СТЕРЕОСПЕЦИФИЧНОСТЬ - способность фермента катализировать превращения определенных стереоизомеров.
Например, фермент оксидаза L-аминокислот способен окислять все аминокислоты, но относящиеся только к L-ряду. Таким образом, этот фермент обладает относительной субстратной специфичностью и стереоспецифичностью одновременно.
СПЕЦИФИЧНОСТЬ ДЕЙСТВИЯ.
Специфичность действия - это способность фермента катализировать только определенный тип химической реакции. Определяется структурой каталитического участка активного центра фермента. (См. рис 2.)
В соответствии со специфичностью действия все ферменты делятся на 6 классов. Классы ферментов обозначаются латинскими цифрами. Название каждого класса ферментов соответствует этой цифре.
Рис. 2. Функциональная значимость отдельных участков активного центра фермента.
МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ФЕРМЕНТОВ
 |
Любая ферментативная реакция протекает через ряд промежуточных стадий. Различают три основных этапа ферментативного катализа:
1 этап. ОРИЕНТИРОВАННАЯ СОРБЦИЯ СУБСТРАТА НА АКТИВНОМ ЦЕНТРЕ ФЕРМЕНТА С ОБРАЗОВАНИЕМ ОБРАТИМОГО E-S КОМПЛЕКСА (ФЕРМЕНТ-СУБСТРАТНОГО). На этом этапе происходит взаимодействие адсорбционного центра фермента с молекулой субстрата. При этом и субстрат подвергается конформационной перестройке. Все это происходит за счет возникновения слабых типов связей между субстратом и адсорбционным центром фермента. В результате этого молекула субстрата ориентируется по отношению к каталитическому центру в наиболее удобном для него положении. Этот этап является легко обратимым, потому что здесь участвуют только слабые типы связей. Кинетическая характеристика 1-го этапа ферментативного катализа - константа Михаэлиса (Км).
2 этап. ХИМИЧЕСКИЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ МОЛЕКУЛЫСУБСТРАТА В СОСТАВЕ ФЕРМЕНТ-СУБСТРАТНОГО КОМПЛЕКСА С ОБРАЗОВАНИЕМ КОМПЛЕКСА ФЕРМЕНТА С ХИМИЧЕСКИ ПРЕОБРАЗОВАННЫМ СУБСТРАТОМ. На этом этапе разрываются одни ковалентные связи в составе субстрата и возникают новые. Поэтому этот этап протекает значительно медленнее, чем 1-й и 3-й этапы. Именно скорость второго этапа определяет скорость всей ферментативной реакции в целом. В целом, скорость ферментативного процесса в характеризуется величиной k+2, которая является почти всегда самой маленькой из всех частных констант скоростей. Кинетическая характеристика 2-го этапа - максимальная скорость (Vmax).
3 этап. ДЕСОРБЦИЯ (ОТСОЕДИНЕНИЕ) ГОТОВОГО ПРОДУКТА ИЗ ЕГО КОМПЛЕКСА С ФЕРМЕНТОМ. Этот этап протекает легче, чем 2-й. Он, как и 2-й этап, тоже необратим. Исключение - обратимые ферментативные реакции.
Процесс освобождения продукта реакции от фермента становится возможным так как он связан с ферментом слабыми силами. Более того после реакции меняется его структура и конфигурация молекулы, в результате чего продукт реакции теряет комплементарность к ферменту и данный комплекс самопроизвольно распадается, т.е. комплекс диссоциирует на продукт и свободный фермент. После диссоциации фермент способен к взаимодействия с другой молекулой субстрата.