ФЕРМЕНТЫ, органические вещества белковой природы, которые синтезируются в клетках и во много раз ускоряют протекающие в них реакции, не подвергаясь при этом химическим превращениям. Вещества, оказывающие подобное действие, существуют и в неживой природе и называются катализаторами.

Ферменты (от лат. fermentum – брожение, закваска) иногда называют энзимами (от греч. en – внутри, zyme – закваска). Все живые клетки содержат очень большой набор ферментов, от каталитической активности которых зависит функционирование клеток. Практически каждая из множества разнообразных реакций, протекающих в клетке, требует участия специфического фермента. Изучением химических свойств ферментов и катализируемых ими реакций занимается особая, очень важная область биохимии – энзимология.

Многие ферменты находятся в клетке в свободном состоянии, будучи просто растворены в цитоплазме; другие связаны со сложными высокоорганизованными структурами. Есть и ферменты, в норме находящиеся вне клетки; так, ферменты, катализирующие расщепление крахмала и белков, секретируются поджелудочной железой в кишечник. Секретируют ферменты и многие микроорганизмы.

Действие ферментов

Ферменты, участвующие в фундаментальных процессах превращения энергии, таких, как расщепление сахаров, образование и гидролиз высокоэнергетического соединения аденозинтрифосфата (АТФ), присутствуют в клетках всех типов – животных, растительных, бактериальных. Однако есть ферменты, которые образуются только в тканях определенных организмов.

Так, ферменты, участвующие в синтезе целлюлозы, обнаруживаются в растительных, но не в животных клетках. Таким образом, важно различать «универсальные» ферменты и ферменты, специфичные для тех или иных типов клеток. Вообще говоря, чем более клетка специализирована, тем больше вероятность, что она будет синтезировать набор ферментов, необходимый для выполнения конкретной клеточной функции.

Особенностью ферментов является то, что они обладают высокой специфичностью, т. е. могут ускорять только одну реакцию или реакции одного типа.

В 1890 году Э. Г. Фишер предположил, что эта специфичность обусловлена особой формой молекулы фермента, которая точно соответствует форме молекулы субстрата. Эта гипотеза получила название «ключа и замка», где ключ сравнивается с субстратом, а замок – с ферментом. Гипотеза гласит: субстрат подходит к ферменту, как ключ подходит к замку. Избирательность действия фермента связана со строением его активного центра.

Активность ферментов

В первую очередь, на активность фермента влияет температура. С повышением температуры скорость химической реакции возрастает. Увеличивается скорость молекул, у них появляется больше шансов столкнуться друг с другом. Следовательно, увеличивается вероятность того, что реакция между ними произойдет. Температура, обеспечивающая наибольшую активность фермента – оптимальная.

За пределами оптимальной температуры скорость реакции снижается вследствие денатурации белков. Когда температура снижается, скорость химической реакции тоже падает. В тот момент, когда температура достигает точки замерзания, фермент инактивируется, но при этом не денатурирует.

Классификация ферментов

В 1961 году была предложена систематическая классификация ферментов на 6 групп. Но названия ферментов оказались очень длинными и трудными в произношении, поэтому ферменты принято сейчас именовать с помощью рабочих названий. Рабочее название состоит из названия субстрата, на который действует фермент, и окончания «аза». Например, если вещество - лактоза, то есть молочный сахар, то лактаза – это фермент который его преобразует. Если сахароза (обыкновенный сахар), то фермент, который его расщепляет, – сахараза. Соответственно, ферменты, которые расщепляют протеины, носят название протеиназы.

Без ферментов человек не будет жизнеспособным, поскольку организм нуждается в белковых молекулах для всех важных метаболических процессов и здорового пищеварения.

Ферменты в организме человека имеют белковую структуру. Можно представить их в качестве катализаторов человеческого тела, которые обеспечивают функционирование всех обменных процессов. Они стимулируют многочисленные биохимические реакции и гарантируют, что организм получает необходимые питательные вещества из пищи.

Механизм действия

Ферменты расщепляют питательные компоненты таким образом, что те могут быть использованы организмом. В результате, питательные вещества из пищи, вводятся в организм.

На самом деле ферменты очень умны! Каждый из предполагаемых 10 000 различных видов ферментов в организме имеет свою функцию: он действует на определенный субстрат. Таким образом, расщепляющие белок ферменты исключительно переваривают белки и не растворяют жир.

Чтобы изменить свою функцию, фермент может кратковременно соединиться с другим субстратом, получается фермент-субстратный комплекс. Впоследствии он возвращается в исходную структуру.

Основные группы ферментов в организме

Ферменты подразделяются на три категории: пищеварительные, пищевые и ферменты метаболизма. В то время как пищеварительные и метаболические вырабатываются самим организмом, пищевые ферменты организм получает от употребления человеком сырых продуктов питания.

1. Пищеварительные . Эти белки продуцируются в поджелудочной железе, желудке, тонком кишечнике и слюнных железах полости рта. Там они разделяют молекулы пищи на основные строительные блоки и тем самым гарантируют их доступность для процесса обмена веществ.

Особенно важным органом для производства многих пищеварительных ферментов является поджелудочная железа. Она производит амилазу, которая преобразует углеводы в простые сахара, липазу, создающую из жиров глицерин и простые жирные кислоты, и протеазу, образующую из белков аминокислоты.

2. Пищевые . Эта группа ферментов содержится в сырых свежих продуктах. Пищевые ферменты действуют как пищеварительные. Преимущество: они непосредственно помогают в переваривании пищи.

С потреблением свежих фруктов и сырых овощей пищевыми ферментами в организме переваривается до 70% пищи. Высокая температура разрушает их, поэтому важно есть пищу в сыром виде. Она должна быть как можно более разнообразной, чтобы обеспечить подачу разных ферментов.

Особенно богаты ими бананы, ананасы, инжир, груши, папайя и киви. Среди овощей выделяются брокколи, помидоры, огурцы и кабачки.

3. Метаболические . Эта группа ферментов в продуцируется в клетках, органах, костях и в крови. Только из-за их присутствия могут работать сердце, почки и легкие. Метаболические ферменты гарантируют, что питательные вещества эффективно поступят из пищи.

Таким образом, они доставляют в распоряжение организма витамины, минералы, фитонутриенты и гормоны.

Влияние на кожу

Трудолюбивые биокатализаторы ферменты в организме помогают не только внутри тела, но и снаружи. Люди, которые страдают от акне или имеют чувствительную кожу, могут улучшить с их помощью внешний вид. Чтобы ускорить процесс, применяются специальные энзим-пилинги. Они обычно состоят из ферментов фруктов.

Такие процедуры убирают отмершие клетки кожи и удаляют излишки кожного сала. Ферментные пилинги свободно продаются и действуют на кожу очень бережно. Тем не менее, их не стоит применять чаще, чем один раз в неделю.

Ключевые ферменты в организме

В основе жизнедеятельности человеческого организма - тысячи протекающих в клетках химических реакций. Каждая из них осуществляется при участии специальных ускорителей - биокатализаторов, или ферментов.

Ферменты выступают в роли катализаторов практически во всех биохимических реакциях, протекающих в живых организмах. К 2013 году было описано более 5000 разных ферментов

Современной науке известно около двух тысяч биокатализаторов. Сосредоточим внимание на так называемых ключевых ферментах . К ним относятся наиболее существенные для жизнедеятельности организма биокатализаторы, «поломка» которых, как правило, приводит к возникновению заболеваний. Мы стремимся ответить на вопрос: как данный фермент действует в здоровом организме и что с ним происходит в процессе заболевания человека?

Известно, что важнейшие биополимеры, составляющие основу всего живого (из них построены все составные части клеток нашего тела и все ферменты), имеют белковую природу. В свою очередь, белки состоят из простых азотистых соединений - аминокислот, связанных между собой химическими связями - пептидными. В организме существуют специальные ферменты, расщепляющие эти связи путем присоединения молекул воды (реакция гидролиза). Такие ферменты называются пептидгидролазами. Под их влиянием в молекулах белка разрываются химические связи между аминокислотами и образуются обломки белковых молекул - пептиды, состоящие из различного числа аминокислот. Пептиды, обладая высокой биологической активностью, могут вызвать даже отравление организма. В конце концов, подвергаясь воздействию пептидгидролаз, пептиды либо теряют, либо существенно снижают свою биологическую активность.

Профессору В. Н. Ореховичу в 1979 и его ученикам удалось открыть, выделить в чистом виде и подробно изучить физические, химические и каталитические свойства одной из пептидгидролаз, ранее не известной биохимикам. Ныне она вошла в международный перечень под названием фермент карбоксикатепсин. Исследования позволили приблизиться к ответу на вопрос: зачем нужен карбоксикатепсин здоровому организму и что может произойти в результате тех или иных изменений его структуры.

Оказалось, что карбоксикатепсин участвует как в образовании пептида ангиотензина Б, повышающего артериальное давление, так и в разрушении другого пептида - брадикинина, который, наоборот, обладает свойством снижать артериальное давление.

Таким образом, карбоксикатепсин оказался ключевым катализатором, участвующим в работе одной из важнейших биохимических систем организма - системы регуляции давления крови. Чем большую активность проявляет карбоксикатепсин, тем выше концентрация ангиотензина П и ниже концентрация брадикинина, а это, в свою очередь, приводит к повышению артериального давления. Неудивительно, что у людей, страдающих гипертонической болезнью, активность карбокси-катепсина в крови повышена. Определение этого показателя помогает врачам оценивать эффективность лечебных мер, прогнозировать течение болезни.

Можно ли затормозить действие карбоксикатепсина непосредственно в организме человека и тем самым добиться снижения артериального давления? Исследования, проведенные в нашем институте, показали, что в природе существуют пептиды, которые способны связываться с карбоксикатепсином, не подвергаясь гидролизу, и лишать его тем самым возможности выполнять свойственную ему функцию.

В настоящее время ведутся работы по синтезу искусственных блокаторов (ингибиторов) карбоксикатепсина, которые предполагается использовать в качестве новых лечебных средств для борьбы с гипертонической болезнью.

К числу других важных ключевых ферментов, участвующих в биохимических превращениях азотистых веществ в организме человека, относятся аминоксидазы. Без них не обходятся реакции окисления так называемых биогенных аминов, к которым принадлежат многие химические передатчики нервных импульсов - нейромедиаторы. Поломки аминоксидаз ведут к расстройствам функций центральной и периферической нервной системы; химические блокаторы аминоксидаз уже применяются в клинической практике в качестве лечебных средств, например, при депрессивных состояниях.

В процессе изучения биологических функций аминоксидаз удалось открыть их неизвестное ранее свойство. Оказалось, что определенные химические изменения молекул этих ферментов сопровождаются качественными изменениями их каталитических свойств. Так, моноаминоксидазы, окисляющие биогенные моноамины (например, широко известные нейромедиаторы - норадреналин, серотонин и дофамин), после обработки окислителями частично утрачивают присущие им свойства. Но зато обнаруживают качественно новую способность разрушать диамины, некоторые аминокислоты и аминосахара, нуклеотиды и другие азотистые соединения, необходимые для жизнедеятельности клетки. Причем трансформировать моноаминоксидазы удается не только в пробирке (то есть в тех случаях, когда исследователи экспериментируют с очищенными препаратами ферментов), но и в организме животного, в котором предварительно моделируются различные патологические процессы.

В клетках тела человека моноаминоксидазы включены в состав биологических мембран - полупроницаемых перегородок, которые служат и оболочками клетки и делят каждую из них на обособленные отсеки, где протекают определенные реакции. Биомембраны особенно богаты легко окисляемыми жирами, которые находятся в полужидком состоянии. Многие заболевания сопровождаются накоплением в биомембранах избыточных количеств продуктов окисления жиров. Чрезмерно окисленные (переокисленные), они нарушают и нормальную проницаемость мембран и нормальную работу ферментов, входящих в их состав. К числу таких ферментов относятся и моноаминоксидазы.

В частности, при лучевом поражении происходит переокисление жиров в биомембранах клеток костного мозга, кишечника, печени и других органов, а моноаминоксидазы при этом не просто частично теряют свою полезную активность, но еще и приобретают качественно новое, вредное для организма свойство. Они начинают разрушать жизненно важные для клетки азотистые вещества. Свойство моно-аминоксидаз трансформировать свою биологическую активность проявляется как в опытах с очищенными ферментными препаратами, так и в живом организме. Причем выяснилось, что лечебные средства, используемые в борьбе с лучевыми поражениями, предотвращают и развитие качественных изменений ферментов.

Это очень важное свойство - обратимость трансформации моноаминоксидаз - было установлено в экспериментах, в ходе которых исследователи научились не только предупреждать трансформацию ферментов, но и устранять нарушения, возвращая к норме функции катализаторов и добиваясь определенного лечебного эффекта.

Пока речь идет об опытах на животных. Однако сегодня есть все основания считать, что активность аминоксидаз меняется и в организме человека, в частности при атеросклерозе. Поэтому изучение свойств аминоксидаз, а также химических веществ, при помощи которых можно воздействовать на их активность в организме человека с лечебными целями, в настоящее время продолжается с особой настойчивостью.

И последний пример. Хорошо известно, какую важную роль в жизнедеятельности нашего организма играют углеводы, а следовательно, и ключевые ферменты, ускоряющие их биохимические превращения. К числу таких катализаторов относится открытый в нашем институте фермент гамма-амилаза; он принимает участие в расщеплении химических связей между молекулами глюкозы (из них построены сложные молекулы гликогена). Врожденное отсутствие или недостаточность гамма-амилазы приводит к нарушению нормальных биохимических превращений гликогена. Его содержание в клетках жизненно важных органов ребенка возрастает, они теряют возможность выполнять свойственные им функции. Все эти изменения характеризуют тяжелейшее заболевание - гликогеноз.

В биохимических превращениях гликогена участвуют и другие ферменты.

Их врожденная недостаточность также ведет к гликогенозам. Чтобы своевременно и точно распознать, каким именно типом гликогеноза страдает ребенок (а это важно для выбора метода лечения и прогнозирования течения заболевания), необходимы исследования активности ряда ферментов, в том числе гамма-амилазы. Разработанные еще в Институте биологической и медицинской химии АМН СССР в 1970-х годах методы дифференциальной лабораторно-химической диагностики гликогенозов ныне до сих пор применяются в клинической практике.

По данным профессора В.З. ГОРКИНА

Ферме́нты , или энзи́мы (от лат.Fermentum - закваска) - обычно белковые молекулыилимолекулы РНК(рибозимы) или их комплексы, ускоряющие (катализирующие) химические реакции вживыхсистемах.Реагентыв реакции, катализируемой ферментами, называютсясубстратами, а получающиеся вещества - продуктами. Ферменты специфичны к субстратам (АТФаза катализирует расщепление только АТФ, а киназа фосфорилазыфосфорилируеттолько фосфорилазу).

Ферментативная активность может регулироваться активаторамииингибиторами(активаторы - повышают, ингибиторы - понижают).

Белковые ферментысинтезируются нарибосомах, а РНК - в ядре.

Термины «фермент» и «энзим» давно используют как синонимы(первый в основном в русской и немецкой научной литературе, второй - в англо- и франкоязычной).

Наука о ферментах называется энзимологией , а не ферментологией (чтобы не смешивать корни слов латинского и греческого языков).

История изучения

Термин фермент предложен в XVII веке химиком ван Гельмонтомпри обсуждении механизмовпищеварения.

В кон. ХVIII - нач. XIX вв. уже было известно, что мясо переваривается желудочным соком, акрахмалпревращается всахарпод действием слюны. Однако механизм этих явлений был неизвестен .

В XIX в. Луи Пастер, изучая превращениеуглеводоввэтиловый спиртпод действиемдрожжей, пришёл к выводу, что этот процесс (брожение) катализируется некой жизненной силой, находящейся в дрожжевых клетках.

Более ста лет назад термины фермент и энзим отражали различные точки зрения в теоретическом споре Л. Пастерас одной стороны, иМ. БертлоиЮ. Либиха- с другой, о природе спиртового брожения. Собственноферментами (от лат.fermentum - закваска) называли «организованные ферменты» (то есть сами живые микроорганизмы), а термин энзим (от греч.ἐν- - в- и ζύμη - дрожжи, закваска) предложен в1876 годуВ. Кюне для «неорганизованных ферментов», секретируемых клетками, например, в желудок (пепсин) или кишечник (трипсин,амилаза). Через два года после смерти Л. Пастера в1897 годуЭ. Бухнер опубликовалработу «Спиртовое брожение без дрожжевых клеток», в которой экспериментально показал, что бесклеточный дрожжевой сок осуществляет спиртовое брожение так же, как и неразрушенные дрожжевые клетки. В1907 годуза эту работу он был удостоен Нобелевской премии. Впервые высокоочищенный кристаллический фермент (уреаза) был выделен в 1926 годуДж. Самнером. В течение последующих 10 лет было выделено ещё несколько ферментов, и белковая природа ферментов была окончательно доказана.

Каталитическая активность РНК впервые была обнаружена в 1980-е годы у пре-рРНК Томасом Чеком, изучавшимсплайсингРНК уинфузорииTetrahymena thermophila . Рибозимомоказался участок молекулы пре-рРНК Tetrahymena, кодируемыйинтрономвнехромосомного гена рДНК; этот участок осуществлял аутосплайсинг, то есть сам вырезал себя при созревании рРНК.

Функции ферментов

Ферменты присутствуют во всех живых клетках и способствуют превращению одних веществ (субстратов) в другие (продукты). Ферменты выступают в роли катализаторов практически во всех биохимических реакциях, протекающих в живых организмах. К 2013 году было описано более 5000 разных ферментов . Они играют важнейшую роль во всех процессах жизнедеятельности, направляя и регулируя обмен веществорганизма.

Подобно всем катализаторам, ферменты ускоряют как прямую, так и обратную реакцию, понижая энергию активациипроцесса.Химическое равновесиепри этом не смещается ни в прямую, ни в обратную сторону. Отличительной особенностью ферментов по сравнению с небелковыми катализаторами является их высокаяспецифичность-константа связываниянекоторых субстратов с белком может достигать 10 −10 моль/л и менее. Каждая молекула фермента способна выполнять от нескольких тысяч до нескольких миллионов «операций» в секунду.

Например, одна молекула фермента ренина, содержащегося в слизистой оболочке желудка телёнка, створаживает около 10 6 молекул казеиногена молока за 10 мин при температуре 37 °C.

При этом эффективность ферментов значительно выше эффективности небелковых катализаторов - ферменты ускоряют реакцию в миллионы и миллиарды раз, небелковые катализаторы - в сотни и тысячи раз. См. также Каталитически совершенный фермент

Классификация ферментов

По типу катализируемых реакций ферменты подразделяются на 6 классов согласно иерархической классификации ферментов Классификация была предложена Международным союзом биохимии и молекулярной биологии (International Union of Biochemistry and Molecular Biology). Каждый класс содержит подклассы, так что фермент описывается совокупностью четырёх чисел, разделённых точками. Например,пепсинимеет название ЕС 3.4.23.1. Первое число грубо описывает механизм реакции, катализируемой ферментом:

КФ 1: Оксидоредуктазы , катализирующие окисление или восстановление. Пример: каталаза,алкогольдегидрогеназа.

КФ 2: Трансферазы , катализирующие перенос химических групп с одной молекулы субстратана другую. Среди трансфераз особо выделяюткиназы, переносящие фосфатную группу, как правило, с молекулыАТФ.

КФ 3: Гидролазы , катализирующие гидролизхимических связей. Пример:эстеразы,пепсин,трипсин,амилаза,липопротеинлипаза.

КФ 4: Лиазы , катализирующие разрыв химических связей без гидролизас образованиемдвойной связив одном из продуктов.

КФ 5: Изомеразы , катализирующие структурные или геометрические изменения в молекуле субстрата.

КФ 6: Лигазы , катализирующие образование химических связей между субстратами за счёт гидролиза АТФ. Пример:ДНК-полимераза.

Оксиредуктазы – это ферменты, катализирующие реакции окисления и восстановления, т.е. перенос электронов от донора к акцептору. Окисление представляет собой отнятие атомов водорода от субстрата, а восстановление это присоединение атомов водорода к акцептору.

К оксидоредуктазам относятся: дегидразы,оксидазы,оксигеназы, гидроксилазы, пероксидазы, каталазы. Например, ферменталкогольдегидрогеназакатализирует реакцию превращение спирта в альдегид.

Оксиредуктазы, переносящие атом водорода или электроны непосредственно на атомы кислорода, называются аэробными дегидрогеназами (оксидазами), тогда как оксидоредуктазы, переносящие атом водорода или электроны от одного компонентадыхательной цепи ферментов к другому, называются анаэробными дегидрогеназами. Распространённым вариантом окислительно-восстановительного процесса в клетках является окисление атомов водорода субстрата при участии оксиредуктаз. Оксидоредуктазы являются двухкомпонентными ферментами, у которых один и тот же кофермент может связываться с различными апоферментами. Например, многие оксидоредуктазы в качестве кофермента содержат НАД и НАДФ. В конце многочисленного класса оксиредуктаз (на 11 позиции) находятся ферменты типа каталаз и пероксидаз. Из всего количества белков пероксисом клеток до 40 процентов приходится на каталазу. Каталаза и пероксидаза расщепляют пероксид водорода в следующих реакциях: Н2О2 + Н2О2 = О2 + 2Н2О H2O2 + HO – R – OH = O=R=O + 2H2O Из данных уравнений сразу становятся видны как аналогия, так и существенное отличие между этими реакциями и ферментами. В этом смыслекаталазное расщепление пероксида водорода представляет собой особый случай пероксидазной реакции, когда пероксид водорода служит и в качестве субстрата, и акцептора в первой реакции.

Трансфера́зы - отдельный класс ферментов, катализирующих перенос функциональных групп и молекулярных остатков от одной молекулы к другой. Широко распространены в растительных и животных организмах, участвуют в превращениях углеводов, липидов, нуклеиновых и аминокислот.

Реакции, катализируемые трансферазами, в общем случае выглядят так:

A-X + B ↔ A + B-X.

Молекула A здесь выступает в качестве донора группы атомов (X ), а молекулаB является акцептором группы. Часто в качестве донора в подобных реакциях переноса выступает один изкоферментов. Многие из катализируемых трансферазами реакций являются обратимыми. Систематические названия ферментов класса образуются по схеме:

«донор:акцептор + группа + трансфераза ».

Или же используются чуть более общие названия, когда в название фермента включается имя либо донора, либо акцептора группы:

«донор + группа + трансфераза » или «акцептор + группа + трансфераза ».

Например, аспартатаминотрансферазакатализирует переносаминной группыс молекулыглутаминовой кислоты,катехол-О-метилтрансферазаосуществляет переносметильной группыS-аденозилметионина на бензольное кольцо различныхкатехоламинов, агистон-ацетилтрансферазапереносит ацетильную группу с ацетил-кофермента А нагистонв процессе активациитранскрипции.

Кроме того ферменты 7 подгруппытрансфераз, переносящие остаток фосфорной кислоты, используя в качестве донора фосфатной группыАТФ, часто называют также киназами; аминотрансферазы (6 подгруппа) часто называюттрансаминазами

Гидролазы (КФ3) - это классферментов, катализирующийгидролизковалентной связи. Общий вид реакции, катализируемой гидролазой выглядит следующим образом:

A–B + H 2 O → A–OH + B–H

Систематическое название гидролаз включает название расщепляемого субстрата с последующим добавлением -гидролаза . Однако, как правило в тривиальном названии слово гидролаза опускается и остаётся только суффикс «-аза».

Важнейшие представители

Эстеразы: нуклеаза, фосфодиэстераза, липаза, фосфотаза;

Гликозидазы: амилаза, лизоцим и др;

Протеазы: трипсин, химотрипсин, эластаза, тромбин, ренин и др;

Будучи катализаторами, ферменты ускоряют как прямую, так и обратную реакции, поэтому, например, лиазы способны катализировать и обратную реакцию - присоединение по двойным связям.

Лиа́зы - отдельный класс ферментов, катализирующих реакции негидролитического и неокислительного разрыва различных химических связей (C-C , C-O , C-N , C-S и других) субстрата, обратимые реакции образования и разрыва двойных связей, сопровождающиеся отщеплением или присоединением групп атомов по её месту, а также образованием циклических структур.

В общем виде названия ферментов образуются по схеме «субстрат + лиаза». Однако чаще в названии учитывают подкласс фермента. Лиазы отличаются от других ферментов тем, что в катализируемых реакциях в одном направлении участвуют два субстрата, а в обратной реакции только один. В названии фермента присутствуют слова "декарбоксилаза" и "альдолаза" или "лиаза" (пируват-декарбоксилаза, оксалат-декарбоксилаза, оксалоацетат-декарбоксилаза, треонин-альдолаза, фенилсерин-альдолаза, изоцитрат-лиаза, аланин-лиаза, АТФ-цитрат-лиаза и др.), а для ферментов, катализирующих реакции отщепления воды от субстрата - "дегидратаза" (карбонат-дегидратаза, цитрат-дегидратаза, серин-дегидратаза и др.). В тех случаях, когда обнаружена только обратная реакция, или это направление в реакциях более существенно, в названии ферментов пристутствует слово "синтаза" (малат-синтаза, 2-изопропилмалат-синтаза, цитрат-синтаза, гидроксиметилглутарил-CoA-синтаза и др.).

Примеры: гистидиндекарбоксилаза,фумаратгидратаза.

Изомеразы - ферменты,катализирующиеструктурные превращенияизомеров(рацемизация или эпимеризация). Изомеразы катализируютреакции, подобные следующей: A → B, где B является изомером A.

В названии фермента присутствует слово "рацемаза " (аланин-рацемаза, метионин-рацемаза, гидроксипролин-рацемаза, лактат-рацемаза и др.), "эпимераза " (альдоза-1-эпимераза, рибулозофосфат-4-эпимераза, УДФ-глюкуронат-4-эпимераза и др.), "изомераза " (рибозофосфат-изомераза, ксилозоизомераза, глюкозаминфосфат-изомераза, эноил-СоА изомераза и др.), "мутаза " (фосфоглицерат-мутаза, метиласпартат-мутаза, фосфоглюкомутазаи др.).

Лигаза (лат.ligāre - сшивать, соединять) - фермент,катализирующийсоединение двух молекул с образованием новой химической связи (лигирование ). При этом обычно происходит отщепление (гидролиз) небольшой химической группы от одной из молекул.

Лигазы относятся к классу ферментов EC 6.

В молекулярной биологии лигазы подкласса 6.5 классифицируют на РНК-лигазы и ДНК-лигазы.

ДНК-лигазы

ДНК-лигаза, осуществляющая репарациюДНК

ДНК-лигазы - ферменты(EC 6.5.1.1),катализирующиековалентное сшиваниецепейДНКв дуплексе прирепликации,репарацииирекомбинации. Они образуют фосфодиэфирные мостики между 5"-фосфорильной и 3"-гидроксильной группами соседнихдезоксинуклеотидовв местах разрыва ДНК или между двумя молекулами ДНК. Для образования этих мостиков лигазы используют энергиюгидролизапирофосфорильной связиАТФ. Один из самых распространённых коммерчески доступных ферментов - ДНК-лигазабактериофагаТ4.

ДНК-лигазы млекопитающих

У млекопитающих классифицируют три основных типа ДНК-лигаз.

ДНК-лигаза I лигирует фрагменты Оказакив ходерепликацииотстающей цепи ДНК и участвует в эксцизионной репарации .

ДНК-лигаза III в комплексе с белком XRCC1участвует вэксцизионной репарациии в рекомбинации.

ДНК-лигаза IV в комплексе с XRCC4катализирует окончательный этап негомологичного соединения (non-homologous end joining - NHEJ) двунитевых разрывов ДНК. Также требуется для V(D)J рекомбинации геновиммуноглобулинов.

Ранее выделяли ещё один тип лигаз - ДНК-лигазу II, которая позднее была признана артефактом выделения белков, а именно продуктом протеолиза ДНК-лигазы III .

Соглашения о наименовании ферментов

Обычно ферменты именуют по типу катализируемой реакции, добавляя суффикс -аза к названию субстрата(например , лактаза- фермент, участвующий в превращениилактозы). Таким образом, у различных ферментов, выполняющих одну функцию, будет одинаковое название. Такие ферменты различают по другим свойствам, например, по оптимальномуpH(щелочная фосфатаза) или локализации в клетке (мембраннаяАТФаза).

Структура и механизм действия ферментов

Активность ферментов определяется их трёхмерной структурой .

Как и все белки, ферменты синтезируются в виде линейной цепочки аминокислот, которая сворачивается определённым образом. Каждая последовательность аминокислот сворачивается особым образом, и получающаяся молекула (белковая глобула) обладает уникальными свойствами. Несколько белковых цепей могут объединяться в белковый комплекс.Третичная структурабелков разрушается при нагревании или воздействии некоторых химических веществ.

Активный центр ферментов

Изучение механизма химической реакции, катализируемой ферментом наряду с определением промежуточных и конечных продуктов на разных стадиях реакции подразумевает точное знание геометрии третичной структуры фермента, природы функциональных групп егомолекулы, обеспечивающих специфичность действия и высокую каталитическую активность на данныйсубстрат, а также химической природы участка (участков) молекулы фермента, который обеспечивает высокую скорость каталитической реакции. Обычно молекулы субстрата, участвующие в ферментативных реакциях, по сравнению с молекулами ферментов имеют относительно небольшие размеры. Таким образом, при образовании фермент-субстратных комплексов в непосредственное химическое взаимодействие вступают лишь ограниченные фрагменты аминокислотной последовательности полипептидной цепи - «активный центр» - уникальная комбинация остатков аминокислот в молекуле фермента, обеспечивающая непосредственное взаимодействие с молекулой субстрата и прямое участие в акте катализа .

В активном центре условно выделяют :

каталитический центр - непосредственно химически взаимодействующий с субстратом;

связывающий центр (контактная или «якорная» площадка) - обеспечивающий специфическое сродство к субстрату и формирование комплекса фермент-субстрат.

Чтобы катализировать реакцию, фермент должен связаться с одним или несколькими субстратами. Белковая цепь фермента сворачивается таким образом, что на поверхности глобулы образуется щель, или впадина, где связываются субстраты. Эта область называется сайтом связывания субстрата. Обычно он совпадает с активным центром фермента или находится вблизи него. Некоторые ферменты содержат также сайты связывания кофакторовили ионов металлов.

Фермент, соединяясь с субстратом:

очищает субстрат от водяной «шубы»

располагает реагирующие молекулы субстратов в пространстве нужным для протекания реакции образом

подготавливает к реакции (например, поляризует) молекулы субстратов.

Обычно присоединение фермента к субстрату происходит за счет ионных или водородных связей, редко - за счет ковалентных. В конце реакции её продукт (или продукты) отделяются от фермента.

В результате фермент снижает энергию активации реакции. Это происходит потому, что в присутствии фермента реакция идет по другому пути (фактически происходит другая реакция), например:

В отсутствие фермента:

В присутствии фермента:

• АФ+В = АВФ

  АВФ = АВ+Ф

где А, В - субстраты, АВ - продукт реакции, Ф - фермент.

Ферменты не могут самостоятельно обеспечивать энергией эндергонические реакции (для протекания которых требуется энергия). Поэтому ферменты, осуществляющие такие реакции, сопрягают их с экзергоническими реакциями, идущими с выделением большего количества энергии. Например, реакции синтеза биополимеровчасто сопрягаются с реакциейгидролизаАТФ.

Для активных центров некоторых ферментов характерно явление кооперативности.

Специфичность

Ферменты обычно проявляют высокую специфичность по отношению к своим субстратам (субстратная специфичность). Это достигается частичной комплементарностью формы, распределения зарядов и гидрофобных областей на молекуле субстрата и в центре связывания субстрата на ферменте. Ферменты обычно демонстрируют также высокий уровень стереоспецифичности (образуют в качестве продукта только один из возможных стереоизомеров или используют в качестве субстрата только один стереоизомер), региоселективности (образуют или разрывают химическую связь только в одном из возможных положений субстрата) и хемоселективности (катализируют только одну химическую реакцию из нескольких возможных для данных условий). Несмотря на общий высокий уровень специфичности, степень субстратной и реакционной специфичности ферментов может быть различной. Например, эндопептидазатрипсинразрывает пептидную связь только послеаргининаилилизина, если за ними не следует пролин, апепсингораздо менее специфичен и может разрывать пептидную связь, следующую за многими аминокислотами.

В 1890 г. Эмиль Фишерпредположил, что специфичность ферментов определяется точным соответствием формы фермента и субстрата . Такое предположение называется моделью «ключ-замок». Фермент соединяется с субстратом с образованием короткоживущего фермент-субстратного комплекса. Однако, хотя эта модель объясняет высокую специфичность ферментов, она не объясняет явления стабилизации переходного состояния, которое наблюдается на практике.

Модель индуцированного соответствия

В 1958 г. Дениел Кошландпредложил модификацию модели «ключ-замок» . Ферменты, в основном, - не жесткие, а гибкие молекулы. Активный центр фермента может изменить конформацию после связывания субстрата. Боковые группы аминокислот активного центра принимают такое положение, которое позволяет ферменту выполнить свою каталитическую функцию. В некоторых случаях молекула субстрата также меняет конформацию после связывания в активном центре. В отличие от модели «ключ-замок», модель индуцированного соответствия объясняет не только специфичность ферментов, но и стабилизацию переходного состояния. Эта модель получила название «рука-перчатка».

Модификации

Многие ферменты после синтеза белковой цепи претерпевают модификации, без которых фермент не проявляет свою активность в полной мере. Такие модификации называются посттрансляционными модификациями (процессингом). Один из самых распространенных типов модификации - присоединение химических групп к боковым остаткам полипептидной цепи. Например, присоединение остатка фосфорной кислоты называется фосфорилированием, оно катализируется ферментом киназой. Многие ферменты эукариот гликозилированы, то есть модифицированы олигомерами углеводной природы.

Ещё один распространенный тип посттранляционных модификаций - расщепление полипептидной цепи. Например, химотрипсин(протеаза, участвующая впищеварении), получается при выщеплении полипептидного участка из химотрипсиногена. Химотрипсиноген является неактивным предшественником химотрипсина и синтезируется вподжелудочной железе. Неактивная форма транспортируется вжелудок, где превращается в химотрипсин. Такой механизм необходим для того, чтобы избежать расщепления поджелудочной железы и других тканей до поступления фермента в желудок. Неактивный предшественник фермента называют также «зимогеном».

Кофакторы ферментов

Некоторые ферменты выполняют каталитическую функцию сами по себе, безо всяких дополнительных компонентов. Однако есть ферменты, которым для осуществления катализа необходимы компоненты небелковой природы. Кофакторы могут быть как неорганическими молекулами (ионы металлов, железо-серные кластеры и др.), так и органическими (например, флавинилигем). Органические кофакторы, прочно связанные с ферментом, называют также простетическими группами. Кофакторы органической природы, способные отделяться от фермента, называют коферментами.

Фермент, который требует наличия кофактора для проявления каталитической активности, но не связан с ним, называется апо-фермент. Апо-фермент в комплексе с кофактором носит название холо-фермента. Большинство кофакторов связано с ферментом нековалентными, но довольно прочными взаимодействиями. Есть и такие простетические группы, которые связаны с ферментом ковалентно, например, тиаминпирофосфат в пируватдегидрогеназе.

Регуляция работы ферментов

У некоторых ферментов есть сайты связывания малых молекул, они могут быть субстратами или продуктами метаболического пути, в который входит фермент. Они уменьшают или увеличивают активность фермента, что создает возможность для обратной связи.

Ингибирование конечным продуктом

Метаболический путь - цепочка последовательных ферментативных реакций. Часто конечный продукт метаболического пути является ингибитором фермента, ускоряющего первую из реакций данного метаболического пути. Если конечного продукта слишком много, то он действует как ингибитор для самого первого фермента, а если после этого конечного продукта стало слишком мало, то первый фермент опять активируется. Таким образом, ингибирование конечным продуктом по принципу отрицательной обратной связи- важный способ поддержаниягомеостаза(относительного постоянства условий внутренней среды организма).

Влияние условий среды на активность ферментов

Активность ферментов зависит от условий в клетке или организме - давления, кислотности среды, температуры, концентрации растворённых солей (ионной силы раствора) и др.

Множественные формы ферментов

Множественные формы ферментов можно разделить на две категории:

Изоферменты

Собственно множественные формы (истинные)

Изоферменты - это ферменты, синтез которых кодируется разными генами, у них разная первичная структура и разные свойства, но они катализируют одну и ту же реакцию. Виды изоферментов:

Органные - ферменты гликолизав печени и мышцах.

Клеточные - малатдегидрогеназацитоплазматическая и митохондриальная (ферменты разные, но катализируют одну и ту же реакцию).

Гибридные - ферменты с четвертичной структурой, образуются в результате нековалентного связывания отдельных субъединиц (лактатдегидрогеназа- 4 субъединицы 2 типов).

Мутантные - образуются в результате единичной мутации гена.

Аллоферменты - кодируются разными аллелями одного и того же гена.

Собственно множественные формы (истинные) - это ферменты, синтез которых кодируется одним и тем же аллелем одного и того же гена, у них одинаковая первичная структура и свойства, но после синтеза на рибосомахони подвергаются модификации и становятся разными, хотя и катализируют одну и ту же реакцию.

Изоферменты разные на генетическом уровне и отличаются от первичной последовательности, а истинные множественные формы становятся разными на посттрансляционном уровне.

Медицинское значение

Связь между ферментами и наследственными болезнями обмена веществ была впервые установлена А. Гэрродом в 1910-е гг. Гэррод назвал заболевания, связанные с дефектами ферментов, «врожденными ошибками метаболизма».

Если происходит мутация в гене, кодирующем определенный фермент, может измениться аминокислотная последовательность фермента. При этом в результате большинства мутаций его каталитическая активность снижается или полностью пропадает. Если организм получает два таких мутантных гена (по одному от каждого из родителей), в организме перестает идти химическая реакция, которую катализирует данный фермент. Например, появление альбиносов связано с прекращением выработки фермента тирозиназы, отвечающего за одну из стадий синтеза темного пигмента меланина.Фенилкетонуриясвязана с пониженной или отсутствующей активностью фермента фенилаланин-4-гидроксилазы в печени.

В настоящее время известны сотни наследственных заболеваний, связанные с дефектами ферментов. Разработаны методы лечения и профилактики многих из таких болезней.

Практическое использование

Ферменты широко используются в народном хозяйстве - пищевой, текстильной промышленности, в фармакологии и медицине. Большинство лекарств влияют на течение ферментативных процессов в организме, запуская или приостанавливая те или иные реакции.

Ещё шире область использования ферментов в научных исследованиях и в медицине.

В природе существуют особые вещества белковой природы, одинаково успешно функционирующие как в живой клетке, так и за её пределами. Это ферменты. С их помощью организм переваривает пищу, выращивает и разрушает клетки, благодаря им эффективно работают все системы нашего организма и, в первую очередь, центральная нервная система. Без ферментов в мире не существовало бы йогурта, кефира, сыра, брынзы, кваса, готовых каш, детского питания. Из чего состоят и как устроены эти биокатализаторы, недавно ставшие верными помощниками биотехнологов, как их отличают друг от друга, как они облегчают нашу жизнь, об этом вы узнаете из этого урока.

Список литературы

1. Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Общая биология 10-11 класс Дрофа, 2005.

2. Биология. 10 класс. Общая биология. Базовый уровень / П. В. Ижевский, О. А. Корнилова, Т. Е. Лощилина и др. - 2-е изд., переработанное. - Вентана-Граф, 2010. - 224 стр.

3. Беляев Д. К. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. - 11-е изд., стереотип. - М.: Просвещение, 2012. - 304 с.

4. Биология 11 класс. Общая биология. Профильный уровень / В. Б. Захаров, С. Г. Мамонтов, Н. И. Сонин и др. - 5-е изд., стереотип. - Дрофа, 2010. - 388 с.

5. Агафонова И. Б., Захарова Е. Т., Сивоглазов В. И. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. - 6-е изд., доп. - Дрофа, 2010. - 384 с.