Химическая природа ферментов

Доказательства белковой природы ферментов:

1. Ферменты при гидролизе распадаются на аминокислоты.

2. Под действием кипячения и других факторов ферменты подвергаются денатурации и теряют каталитическую активность.

3. Осуществлено выделение ферментов в форме кристаллов белка.

4. Ферменты являются высокоспецифичными.

Прямым доказательством белковой природы ферментов является лабораторный синтез рибонуклеазы.

Выделяют простые ферменты, состоящие только из полипептидной цепи: трипсин, пепсин, рибонуклеаза, уреаза, фосфатаза и др.

Большинство природных ферментов - сложные белки. Их небелковые компоненты называются кофакторами; они необходимы для выполнения ферментом его каталитической роли. Кофакторами ферментов являются витамины или соединения, построенные с их участием (коэнзим А, НАД⁺, ФАД), фосфорные эфиры некоторых моносахаридов, ионы металов.

Кофермент - небелковый фактор, который легко отделяется от белковой части при диссоциации.

Простетическая группа – ковалентно связанный с белковой цепью небелковый компонент, который не отделяется при выделении и очистке фермента.

Апофермент – белковая часть фермента. В апоферменте есть участок, избирательно связывающий кофермент. Это кофермент связывающий домен. Его структура у различных апоферментов, соединяющихся с одним и тем же коферментом, сходна.

Весь фермент вместе с простетической группой называют холоферментом. Только объединение апофермента и кофермента обеспечивает активность холофермента.

Субстрат – вещество, подвергающееся превращениям под действием фермента.

Активный центр - специфический участок на поверхности фермента, связывающийся с молекулой субстрата и непосредственно участвующий в катализе. Активный центр у ферментов обычно располагается на дне щели или глубокой впадины (например, у трипсина). Активные центры ферментов образуются на уровне третичной структуры. У сложных ферментов в состав активного центра входят также простетические группы. Кофакторы ферментов выполняют функцию промежуточных переносчиков атомов или групп.

В активном центре различают два участка. Субстратный (связывающий) центр - участок, отвечающий за присоединение субстрата. Его называют контактной, или «якорной» площадкой фермента. Функция к аталитического центра - химическое превращение субстрата. В состав каталитического центра большинства ферментов входят цистеин, серин, гистидин, лизин, тирозин. Субстратный центр может совпадать (или перекрываться) с каталитическим центром.

Аллостерический центр - участок молекулы фермента вне его активного центра, который способен связываться с тем или иным веществом (лигандом). В результате изменяется третичная, а в ряде случаев и четвертичная структура белковой молекулы. Конфигурация активного центра претерпевает изменения, и, в свою очередь, изменяется каталитическая активность фермента. Так происходит аллостерическая регуляция активности ферментов. Ферменты, активность каталитического центра которых меняется под влиянием аллостерических эффекторов, называют аллостерическими.

Некоторые из ферментов являются полифункциональными, т. е. способны катализировать несколько химических превращений. Их белковая цепь образует несколько доменов, каждый из которых характеризуется своей каталитической активностью (например, алкогольдегидрогеназа не только катализирует реакцию окисления спиртов, но также реакции обезвреживания ряда ксенобиотиков).

Изоферменты - это множественные формы фермента, катализирующие одну и ту же реакцию, но отличающиеся друг от друга по физическим и химическим свойствам: сродству к субстрату, активности, электрофоретической подвижности. Например, фермент лактатдегидрогеназа (ЛДГ) катализирует обратимое превращение пировиноградной кислоты в молочную. ЛДГ состоит из 4 субъединиц и содержит два типа полипептидных цепей: Н - сердечный тип (от англ. Heart - сердце) и М - мышечный тип (от англ. Muscle - мышца). Этот фермент благодаря различным сочетаниям субъединиц может существовать в 5 формах (рис. 14).

Для каждой ткани в норме характерно свое соотношение форм ЛДГ (изоферментный спектр). В сердечной мышце преобладает Н₄, т.е. ЛДГ₁, а в скелетных мышцах и печени – М₄ (ЛДГ₅). Изучение появления изоферментов ЛДГ в сыворотке крови позволяет судить о месте патологического процесса и о степени поражения органа или ткани.

 

Рис. 14. Изоформы ЛДГ

 

Особой формой существования ферментов являются мультимолекулярные ферментные комплексы. Существование таких комплексов ускоряет химические превращения. Метаболон -мультиэнзимный комплекс, обслуживающий единый многоступенчатый процесс биохимических превращений. Примерами являются метаболоны гликолиза, цикла Кребса, дыхательная цепь митохондрий, НАДФН-оксидаза (рис. 15) и др.

 

Рис. 15. НАДФН-оксидаза

МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ФЕРМЕНТОВ

Фермент Е обратимо соединяется с субстратом S, образуя нестойкий промежуточный фермент-субстратный комплекс ES, который в конце реакции распадается с освобождением фермента и продуктов реакции Р:

Подобные представления о взаимодействии фермента и субстрата легли в основу теории «ключ-замок» Э. Фишера (1890). Структура активного центра комплементарна молекулярной структуре субстрата, что обеспечивает высокую специфичность фермента (рис. 16а). В образовании фермент-субстратных комплексов участвуют электростатические и гидрофобные взаимодействия, водородные связи, а также ковалентные либо координационные связи.

 

а. Теория «перчатка – рука»

б. Теория «индуцированного соответствия»

Рис. 16. Теории ферментативного катализа

Д. Кошлендом была разработана теория «индуцированного соответствия» (1958). Согласно данной теории, пространственное соответствие структуры активного центра фермента и субстрата возникает в момент их взаимодействия друг с другом. Это было образно охарактеризовано формулой «перчатка - рука». Субстрат индуцирует конформационные изменения активного центра фермента таким образом, что он принимает пространственную ориентацию, необходимую для связывания субстрата (рис. 16б). Т.е. фермент только в момент присоединения субстрата будет находиться в активной (напряженной) Т-форме (tensile) в отличие от неактивной R-формы (relaxe).

В настоящее время все более популярной становится гипотеза топохимического соответствия. Сохраняя основные положения теории «индуцированного соответствия», она объясняет специфичность действия ферментов узнаванием той части субстрата, которая не изменяется при катализе. В момент присоединения субстрата к активному центру фермента последний индуцирует переход субстрата в напряженное состояние (рис. 17).

Рис. 17. Гипотеза топохимического соответствия

 

Ферменты ускоряют химические реакции за счет снижения энергии активации (рис. 18).

Энергия активации - энергия, необходимая для перевода всех молекул 1 моль вещества в активированное состояние при данной температуре.

Химическая реакция, как катализируемая ферментом, так и им не катализируемая, имеет одинаковую величину стандартного изменения свободной энергии (ΔG). Однако энергия активации ферментативной реакции ниже. Увеличивая скорость реакции, ферменты, однавко, не изменяют положения равновесия между прямой и обратной реакциями, а лишь ускоряют его достижение.

Рис. 18. Энергетическая диаграмма ферментативной реакции