Властивості ферментів як біологічних каталізаторів

Ферменти, як каталізатори, мають ряд загальних з небіологічними каталізаторами властивостей:

1. Вони не входять до складу кінцевих продуктів реакції і виходять з неї, як правило, в первинному вигляді, тобто вони не витрачаються в процесі каталізу (в даний час доведено, що деякі ферменти в кінці хімічної реакції піддаються модифікації і навіть розпаду, а не звільняються в незмінному вигляді, як постулював Л. Міхаеліс).

2. Ферменти не можуть каталізувати ті реакції, протікання яких суперечить законам термодинаміки, вони прискорюють тільки ті реакції, які можуть протікати і без них.

3. Ферменти не зміщують положення рівноваги, а лише прискорюють його досягнення.

Специфічною властивістю ферментів є вузька вибірковість дії на субстрати. Висока специфічність обумовлена конформаційною та електростатичною компліментарністю між молекулами субстрату і ферменту та унікальною структурою активного центру ферменту, що забезпечують впізнавання, високу спорідненість і вибірковість протікання хімічних реакцій, що здійснюються одночасно в живих клітинах.

Залежно від механізму дії розрізняють ферменти з відносною (або груповою) специфічністю і абсолютною специфічністю. Так, для дії деяких гідролітичних ферментів найбільше значення має тип хімічного зв'язку в молекулі субстрату. Наприклад, пепсин розщеплює білки тваринного, і рослинного походження, хоча вони можуть істотно відрізнятися один від одного як за амінокислотним складом, так і за фізико-хімічними властивостями. Проте пепсин не розщеплює вуглеводи або жири. Пояснюється це тим, що місцем дії пепсину є пептидний (-CO-NH-) зв'язок. Для дії ліпази, що каталізує гідроліз жирів на гліцерин та жирні кислоти, таким місцем є складноефірний зв'язок. Аналогічною відносною специфічністю характеризуються також деякі внутріклітинні ферменти, наприклад гексокіназа, що каталізує у присутності АТФ фосфорилювання майже всіх гексоз, хоча одночасно в клітках є специфічні для кожної гексози ферменти, що виконують таке ж фосфорилювання.

Абсолютною специфічністю дії називають здатність ферменту каталізувати перетворення тільки одного субстрату. Будь-які модифікації в структурі субстрату роблять його недоступними для дії ферменту.

Стереохімічна специфічність ферментів обумовлена існуванням оптично ізомерних L- і D-форм або геометричних (цис- і транс-) ізомерів хімічних речовин. Так, відомі оксидази L- і D-амінокислот, хоча в природних білках виявлені тільки L-амінокислоти. Кожен з видів оксидази діє тільки на свій специфічний стереоізомер. Наочним прикладом стереохімічної специфічності є бактерійна аспартатдекарбоксілаза, що каталізує відщеплення СО₂ лише від L-аспаргинової кислоти з перетворенням її на L-аланин.

Швидкість хімічних реакцій залежить від температури, ферменти також чутливі до змін температури. Термолабільність, або чутливість до підвищення температури, є однією з характерних властивостей ферментів, що різко відрізняє їх від неорганічних каталізаторів. При 100°С майже всі ферменти втрачають свою активність (виняток становить, очевидно, тільки один фермент м'язової тканини – міокіназа, яка витримує нагрівання до 100 °С). При низьких температурах (0°С і нижче) ферменти, як правило, не руйнуються, хоча активність їх зменшується майже до нуля. У всіх випадках має значення час дії відповідної температури. В даний час для пепсину, трипсину і низки інших ферментів доведено існування прямої залежності між швидкістю інактивації ферменту і ступенем денатурації білка. На термолабільність ферментів певний вплив має концентрація субстрату, рН середовища і інші чинники.

Залежність активності ферментів від рн середовища. Ферменти зазвичай найбільш активні в межах вузької зони концентрації водневих іонів, яка лежить в межах фізіологічних значень. Виняток становить пепсин, рН - оптимум якого рівний 2,0. Пояснюється це тим, що пепсин входить до складу шлункового соку, що містить вільну соляну кислоту, яка створює оптимальне кисле середовище для дії цього ферменту. З іншого боку, рН – оптимум аргінази лежить в сильно лужній зоні (близько 10); такого середовища немає в клітках печінки, отже, in vivo аргіназа функціонує не в своїй оптимальній зоні рН. Вплив змін рн середовища на молекули ферменту полягає в дії на стан і ступінь іонізації кислотних і основних груп (СООН - групи дикарбонових амінокислот, SH-групи цистеїну, імідазольного азоту гістидіна і ін.). При різних значеннях рН середовища активний центр може знаходитися в частково іонізованій або в неіонізованій формі, що позначається на третинній структурі білка і відповідному формуванні активного фермент-субстратного комплексу. Крім того, має значення і стан іонізації субстратів і кофакторів.

За типом біосинтезу ферменти можуть бути:

1) конститутивні – присутні завжди у клітині, конститутивні ферменти забезпечують стабільність метаболізму клітини;

2) індуцибельні – утворюються як відгук на наявність у поживному середовищі певної речовини – індуктора і не утворюються при його відсутності (як правило, це усі гідролітичні ферменти). Наприклад, при біосинтезі амілолітичних ферментів індуктором біосинтезу є крохмаль, а репресором – глюкоза.

За місцем дії ферменти бувають внутрішньо і зовнішньо клітинні.

По відношенню до температури всі ферменти поділяють на:

1) термотолерантні (термофільні) – активні при температурі 55–75^○С, як правило, їх продукують термостійкі мікроорганізми.

2) мезофільні – оптимум температури для активності ферментів 25–37^○С.

3) психрофільні – активні при температурі до 15^○С, продукуються психрофільними мікроорганізмами.

 

Класифікація ферментів, найменування та номенклатура ферментних препаратів

За типом реакції, що каталізується, ферменти розподілені на шість класів згідно ієрархічної класифікації ферментів (КФ, ЕС – Enzyme Comission code). Кожен клас містить підкласи, так що кожен фермент описується сукупністю чотирьох чисел розділених крапками. Наприклад, пепсин має номер EС 3.4.23.1.

· КФ 1: Оксидоредуктази – ферменти, що каталізують реакції окислення і відновлення. Наприклад: каталаза, алкогольдегідрогеназа.

· КФ 2: Трансферази – каталізують перенос хімічних груп з однієї молекули до іншої. Наприклад кінази, що переносять фосфатну групу, як правило, з молекули АТФ.

· КФ 3: Гідролази, що каталізують гідроліз хімічних сполук. Наприклад: естерази, трипсин, амілаза.

· КФ 4: Ліази – каталізують розриви хімічних зв’язків без гідролізу з утворенням подвійних зв’язків.

· КФ 5: Ізомерази – каталізують структурні зміни в молекулі субстрату.

· КФ 6: Лігази – каталізують утворення хімічних зв’язків між субстратами за рахунок гідролізу АТФ. Наприклад: ДНК-полімераза.

Класифікаційна система АТСС.

Для фармацевтичних ферментних препаратів окрім загальної класифікації (клас, підклас, підпідклас, номер в списку), прийнятої в 1961 Міжнародним біохімічним союзом, використовується міжнародна класифікаційна система Anatomic therapeutic chemical classification (АТСС).

Найменування ферментів.

Зазвичай ферменти називають за типом реакції, яку вони каталізують, додаючи суфікс -аза до назви субстрату (наприклад, лактаза – фермент, що приймає участь у перетворенні лактози). Таким чином, у різних ферментів, що виконують одну функцію, буде однакова назва. Такі ферменти розрізняють за іншими властивостями, наприклад, за оптимальним рН (лужна фосфатаза) або за локалізацією в клітині (мембранна АТФаза).

Номенклатура ферментних препаратів – система, яка дозволяє враховувати походження препарату та технологічний спосіб його отримання.

Основою такої номенклатури є назва ферментного препарату, яка складається з назви ферменту та видової назви продуцента і закінчується суфіксом «ін», наприклад, амілосубтилін – амілаза, продуцентом якої є B. subtilis, пектофоетидін – пектиназа, продуцент A. foetidus, лактоколін – лактаза, продуцент E. colі.

Далі літерами Г або П позначають спосіб культивування продуцента: Г– глибинне культивування, П – поверхневе культивування. Після цих літер вказують цифру, яка характеризує ступінь очищення препарату. Взагалі неочищений препарат має позначення – х. Наприклад, амілосубтилін Гх – культуральна рідина після вирощування B. subtilis, що містить амілазу.

Індекси у номенклатурі ферментних препаратів:

Пх і Гх– культура продуценту без будь-якого очищення;

П2х і Г2х – рідкий концентрат вихідної культури, вивільнений від нерозчинної частини. Для поверхневої культури – це концентрат з вмістом сухих речовин 50%; для глибинної культури – не більше 40%;

ПЗх і ГЗх – сухі ферментні препарати, отримані висушуванням шляхом розпилення екстракту з поверхневої культури або фільтрату культуральної рідини у разі глибинного культивування;

П10х і Г10х – сухі ферментні препарати, отримані осадженням ферментів з водних розчинів органічними розчинниками або методом висолювання;

П20х і Г20х – препарати очищених ферментів, в технології яких використані різноманітні методи очищення і фракціонування ферментів;

П25х і Г25х – високоочищені, але не кристалічні ферментні препарати, що містять до 20 – 25% баластних речовин.

У харчовій промисловості використовують ферментні препарати зі ступенем очищення не нижче 10х. Для отримання фармацевтичних препаратів – використовують в якості субстанції ферментні препарати з ступенем очищення 10х і вище.