Ферменты. 
Предмет и задачи биохимии

Лекция 5. Строение, механизм действия и классификация ферментов

1. Строение и основные свойства ферментов

Ферменты (энзимы) — вещества белковой природы, присутствующие во всех живых клетках и выполняющие роль катализаторов биохимических процессов.

По своему составу ферменты делятся на:

• 1) простые — состоят только из аминокислот;
• 2) сложные — состоят из 2-х частей:

из белковой, которая называется апоферментом и небелковой части — кофактора.

Комплекс апофермента и кофактора называется холоферментом.

Ни апофермент, ни кофактор по отдельности не способны катализировать реакцию. Функционально активен только их комплекс.

Виды кофакторов:

По своей химической природе кофакторы могут быть представлены как органическими, так и неорганическими соединениями.

Органические кофакторы можно разделить на две группы:

1) простетические группы — кофакторы, которые прочно соединены с апоферментом и при выделении из организма не отсоединяются от белковой части.

Например, ФАД в составе фермента сукцинатдегидрогеназы из цикла Кребса.

2) коферменты — кофакторы, которые соединены с апоферментами слабыми связями и легко от него отщепляются: например, НАД, НАДФ, а иногда и ФАД.

Неорганические кофакторы представлены ионами металлов (чаще всего ионами железа, меди, марганца, цинка и т. д.). Ионы металлов как кофакторы либо непосредственно участвуют в акте катализа, либо образуют мостики, связывающие фермент с субстратом.

Субстрат (S) — вещество, химические превращения которого катализирует фермент.

Строение фермента, или энзима (Е):

Поскольку молекулы субстрата обычно мельче молекул ферментов, то в непосредственный контакт с субстратом вступает только часть молекулы фермента — активный центр. Причем, геометрическая форма поверхности участка молекулы субстрата является комплементарной поверхности активного центра.

Активный центр фермента — уникальная комбинация аминокислотных остатков, обеспечивающая взаимодействие с молекулой субстрата и участвующая в акте катализа. У сложных ферментов в состав активного центра обязательно входит кофактор.

Активный центр может иметь 2 участка:

якорный (субстратный);

каталитический.

Якорный участок обладает геометрическим сходством (соответствием) молекулы субстрата и обеспечивает специфичность действия фермента.

Сходство между ферментами и небиологическими катализаторами

• 1. Любой катализатор (неорганический и органический) уменьшает энергию активации молекулы. Энергия активации — количество энергии в калориях, необходимая для перевода всех молекул 1-го моля вещества в активированное состояние, т. е. состояние, при котором они способны вступить в химическую реакцию.
• 2. Любой катализатор может ускорять только химические реакции, возможные с точки зрения термодинамики.
• 3. Катализаторы не изменяют направление химической реакции.
• 4. Катализаторы не расходуются в процессе реакции.

Отличия ферментов от неорганических катализаторов

Катализ осуществляется в очень мягких условиях (Т, рН) Высокая эффективность: ферменты увеличивают скорость реакции в 10¹⁰ — 10¹² раз.

Пример: в организме есть фермент каталаза (кофактор — Fe).

1 мг железа в каталазе действует как 10 т неорганического железа.

Специфичность действия. Каждый фермент ускоряет только 1 реакцию. Виды специфичности:

абсолютная (1 фермент действует только на 1 субстрат, например, фермент уреаза катализирует гидролиз мочевины);

относительная (1 фермент может действовать на группу сходных по строению субстратов).

Возможность тонкой и точной регуляции скорости реакции изменением условий среды (связано с белковой природой фермента) Для каждого фермента есть свой температурный оптимум.

Пример: температура тела — 36,6 град.; при Т=40−41град. может быть необратимая денатурация. При низких температурах наблюдается снижение скорости ферментативного катализа (из-за броуновского движения молекул).

Ферменты очень чувствительны к изменению кислотности среды, в которой они действуют. Активность фермента проявляется в пределах довольно узкой зоны рН, называемой оптимумом рН. Можно считать, что для каждого фермента имеется определенная оптимальная концентрация протонов, при которой он наиболее активен.

Изменение рН приводит к изменению зарядов на активном центре и на молекуле в целом; в результате этого изменяется конформация белковой молекулы, вследствие чего нарушается пространственное соответствие активного центра и субстрата, а значит, скорость реакции снижается.

Возможность насыщения фермента субстратом (особенности кинетики).

Ферментативный катализ — это строго запрограммированный процесс (1 реакция; 1 субстрат; 1 фермент) — серия элементарных превращений вещества, строго организованных в пространстве и времени.

2. Механизм действия ферментов

Действие фермента основано на образовании фермент-субстратного комплекса. Под действием субстрата изменяется конформация фермента, затем изменяется субстрат.

Механизм действия ферментов можно представить в виде следующей схемы:

E+S > ES > EZ > EP > E+P.

Можно выделить 4 фазы:

Между субстратом и ферментом возникают соединения (ES), в которых соединения связаны ионной, ковалентной или другой связью.

• 2. Субстрат под действием присоединенного фермента претерпевает изменения (S>Z), делающие его более доступным для соответствующей реакции.
• 3. Происходит химическая реакция с образованием фермент-продуктного комплекса (EP).
• 4. Продукты реакции высвобождаются из фермент-продуктного комплекса.
• 3. Номенклатура и классификация ферментов

Номенклатура ферментов (правила образования их названий) Случайная (по случайным признакам) — тривиальная Пример: папаин (carica papaja — из дерева).

Рациональная: субстрат +"аза" (липиды — липаза) Систематическая: субстрат + тип катализируемой реакции + «аза» (лактатдегидрогеназа), либо субстрат + название класса, к которому относится данный фермент+ «аза» (лактат-оксидоредуктаза).

Классификация ферментов Принята в 1961 году.

В основу классификации положен тип катализируемой реакции:

Оксидоредуктазы (сложные ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции). Пример: изоцитратдегидрогеназа из цикла Кребса.

Трансферазы (катализируют реакции переноса функциональных групп или молекулярных остатков между молекулами). Пример: киназы — трансферазы 1-й стадии гликолиза.

Гидролазы (простые ферменты, катализируют реакции гидролиза крахмала, олигосахаридов, жиров). Примеры: липаза, инвертаза, мальтаза и др.

Лиазы (катализируют негидролитическое отщепление от субстратов определенных групп атомов с образованием двойной связи, либо присоединением по двойной связи). Пример: альдолаза из гликолиза.

Изомеразы (катализируют реакции изомеризации — пространственной или структурной перестройки в пределах 1-й молекулы). Пример: триозофосфатизомераза из гликолиза.

Лигазы (часто называются синтетазами) — катализируют реакции синтеза, сопряженные с распадом богатых энергией связей (АТФ).

Каждый фермент имеет 4-х-значный шифр: класс-подкласс-подподкласс — индивидуальный номер фермента.

4. Кинетика ферментативных реакций

Особенностью кинетики ферментативной реакции является насыщение фермента субстратом, при котором дальнейшее увеличение [S] не приводит к увеличению скорости реакции. Эмпирическим путем установлено, что кинетика ферментативной реакции может быть выражена следующим графиком:

Концентрация субстрата, при которой фермент достигает насыщения, является постоянной характеристикой для каждого конкретного фермента.

Кинетику ферментативной реакции можно описать с помощью уравнения, которое было выведено теоретическим путем учеными Михаэлисом и Ментен, и именно в честь них было названо.

Уравнение Михаэлиса — Ментен

К_м — константа Михаэлиса. Это такая концентрация субстрата, при которой скорость реакции равна половине максимальной.

Константа Михаэлиса характеризует сродство фермента к субстрату: чем меньше эта константа, тем больше сродство фермента к субстрату, тем эффективнее реакция.

5. Регуляция ферментативных процессов в клетке

Многочисленные способы регуляции ферментативных процессов можно разделить на две группы:

1. Регуляция содержания фермента за счет изменения скорости его синтеза и распада. Следует отметить следующие процессы:

репрессия — процесс подавления (или снижения) скорости синтеза фермента;

индукция — процесс ускорения синтеза ферментов под действием специфических низкомолекулярных соединений — индукторов.

• 2. Регуляция активности имеющихся в клетке ферментов.
• а) путем изменения температуры, значения рН, количества субстрата, кофакторов и т. д.;
• б) аллостерическая регуляция (характерна только для аллостерических ферментов). Аллостерическими называют ферменты, имеющие кроме активного центра дополнительный центр связывания (аллостерический центр). Активность аллостерических ферментов регулируется путем изменения конформации молекул ферментов, вызванного присоединением специального метаболита к аллостерическому центу. Метаболит-регулятор (аллостерический эффектор) выполняет функции либо активатора, либо ингибитора;
• в) ковалентная модификация ферментов — регуляция каталитической активности ферментов может осуществляться за счет ковалентного присоединения фосфатной группы или нуклеотида. Например, фосфорилированная форма гликогенфосфорилазы обладает более высокой каталитической активностью;
• г) изменение активности ферментов с помощью активаторов — химических соединений, повышающих активность ферментов (например, аминокислота цистеин и трипептид глутатион активируют действие многих протеаз).
• д) изменение активности ферментов с помощью ингибиторов — химических соединений, подавляющих активность ферментов.

Ингибирование

Ингибирование — снижение или полное подавление активности ферментов под действием определенных веществ (ингибиторов).

Ингибирование может быть двух основных видов: небратимое и обратимое.

При необратимом ингибировании фермент и ингибитор образуют недиссоциирующий комплекс. Необратимое ингибирование в организме встречается редко и если оно есть, то из-за веществ, поступающих извне.

При обратимом ингибировании фермент и ингибитор образуют диссоциирующий комплекс.

Обратимое ингибирование, в свою очередь, делится на конкурентное и неконкурентное.

Конкурентное ингибирование — ингибирование, при котором субстрат и ингибитор обладают сходным строением и конкурируют за активный цент фермента. Конкурентное ингибирование в организме часто встречается и является способом регулирования активности фермента.

Скорость реакции при конкурентном ингибировании зависит от соотношения концентраций субстрата и ингибитора. Чем выше концентрация субстрата, тем выше вероятность формирования комплекса, тем выше скорость реакции. Таким образом, конкурентное ингибирование можно подавить путем увеличения концентрации субстрата.

Неконкурентное ингибирование — ингибирование, при котором субстрат и ингибитор взаимодействуют с разными частями молекулы фермента. При этом ингибитор, соединяясь с молекулой фермента, так модифицирует его структуру, что достижение максимальной скорости реакции невозможно.

При неконкурентном ингибировании увеличение концентрации субстрата не приводит к устранению действия ингибитора. Неконкурентное ингибирование в организме, как правило, связано с поступлением в организм тяжелых металлов.