Ферменты.

Еще в 1878 году Куне с целью унификации терминологии предложил называть каталитически активные соединения энзимами. В последние пятьдесят лет этот термин стал общепризнанным в литературе на всех языках. В переводе с греческого этот термин означает: «из дрожжей». В литературе на русском принят термин «ферменты» (fermentatio (с латинского) - сбраживание), хотя изучение ферментов и процессов с их участием традиционно называют «энзимология» .

По завершении девятилетних исследований в 1926 году Самнер сообщил о выделении из бобов фермента уреаза, и предположил, что она имеет белковую природу, что сочли поначалу нелепым. Последующие исследования Самнера и независимо Нортропа и Стэнли привели к выделению еще нескольких ферментов (например, в 1930 – 31 году Нортроп получил в чистом виде пепсин и трипсин).

Катализаторы – это вещества, ускоряющие химические реакции. Ферменты являются белковыми катализаторами биохимических реакций. В отличие от небелковых катализаторов, каждый фермент способен катализировать лишь очень небольшое число реакций, часто только одну. Таким образом ферменты являются специфическими катализаторами. Практически все биохимические реакции катализируются ферментами.

В 1814 году Киркгофф выделил амилазу из семян проросшего ячменя, которая сбраживала крахмал. В то время господствовало виталистичесое деление ферментов на «организованные» и «неорганизованные». В конце 19 века М. М. Манасеина, А. И. Лебедев (Россия) и братья Бюхнер (Германия) показали, что так делить ферменты нельзя. В начале двадцатого века И. П. Павлов предположил белковую природу ферментов.

И, наконец, в 1935 году белковая природа ферментов стала общепризнанной, Это имело большое значение (достаточно сказать, что за эти открытия в 1946 году Самнеру, Нортропу и Стенли была присуждена Нобелевская премия). За последние пятьдесят лет было выделено из всех типов организмов около 2500 ферментов, часть из них получена в кристаллическом виде, для более пятидесяти ферментов открыта третичная структура. В клетках кишечной палочки содержится около тысячи различных ферментов, а у человека еще больше.

Функции ферментов сводится к ускорению химических реакций, причем ферменты отличаются тремя уникальными свойствами:

1 )Это самые эффективные из всех известных катализаторов, так что даже очень малые (микромолярные) концентрации ферментов способны в очень большой степени ускорять реакции (в миллион и более раз, чем если бы реакция протекла бы без фермента). В самом деле в отсутствие ферментов скорость большинства реакций в биологических системах практически неощутима. Такая простая реакция, как гидратирование углекислого газа. В отсутствие фермента перенос углекислого газа из тканей кровь и затем в воздух легочных альвеол был бы не полон. Карбангидраза, катализирующая этот процесс является одним из самых активных ферментов. Каждая ее молекула способна гидратировать десять в пятой степени молекул углекислого газа в секунду. При этом скорость реакции в присутствии фермента в десять в седьмой степени раз выше, чем в его отсутствие.

2) Большинство ферментов отличаются специфичностью действия (практически каждая реакция катализируется специальным ферментом). Специфичность проявляется как в отношении катализируемой реакции, так в и отношении субстратов.

Каждый фермент катализирует какую-либо одну химическую реакцию или несколько очень сходных реакций. Степень специфичности к субстрату очень высока, а иногда практически абсолютна. Рассмотрим в качестве примера протеолитическте ферменты. Они катализируют реакцию гидролиза пептидной связи; многие протеолитические ферменты катализируют еще и иную, но сходную реакцию гидролиза эфирной связи. Протеолитические ферменты сильно различаются по степени субстратной специфичности. Например, субтилизин (он синтезируется определенным видом бактерий) расщепляет практически любые пептидные связи в независимости от того, какими аминокислотами они образованы. Трипсин расщепляет пептидные связи, образованные только карбонильными группами лизина и аргинина. Тромбин (участвующий в свертывание крови) разрывает только те петидные связи, котрые образованы карбонильной группой аргинина и аминогруппой глицина.

3) Действия большинства ферментов регулируется (то-есть они способны переходить из состояния с низкой активностью к состоянию с высокой активностью и обратно). В совокупности эти механизмы регуляции представляют сложную систему, посредством которой организм контролирует все свои функции. Некоторые ферменты синтезируются в форме неактивного предшественника и переходят в активное состояние в физиологически соответствующем месте и времени. Примером регуляции такого типа могут служить пищеварительные ферменты. Так, например, пепсиноген синтезируется в поджелудочной железе, а активируется в тонком кишечнике, где в результате расщепления пептидной связи образуется активная форма – трипсин. Такой же тип регуляции многократно используется в последовательности ферментативных реакций, ведущих к свертыванию крови. Каталитически неактивные предшественники протеолитических ферментов называются проферментами или зимогенами. С помощью ферментов осуществляется трансформация различных видов энергии. Во многих биохимических реакциях энергия реагирующих веществ переходит из одной формы в другую с высокой степенью эффективности. Например, при фотосинтезе энергия света переходит в энергию химических связей. В митохондриях свободная энергия, содержащаяся в низкомолекулярных веществах поступающих с пищей переходит в энергию АТФ, которая затем может использоваться во многих процессах – при мышечном сокращении, при трансмембранном транспорте и так далее. Ферменты не сдвигают равновесие химических реакций, они лишь ускоряют наступление этого равновесия. Отсутствие даже одного фермента или его дефект могут иметь очень серьезные отрицательные последствия для организма. Впервые фермент синтезировал в 1966 году (рибонуклеазу) Меррифилд. Поскольку ферменты – белки, они могут быть мономерными (одна полипептидная цепь) – это пепсин, трипсин, уреаза и так далее; или олигомерными (например, ЛДГ). Олигомеры в определенных условиях могут дисссоциировать на мономеры. Биологическая активность олигомерных ферментов проявляется либо в диссоциированном, либо в не диссоцированном состоянии. Все ферменты относятся к глобулярным белкам. Соответствнно ферменты могут быть простые (рибонуклеаза) и сложные (каталазы). Максимальная активность сложных белков (ферментов) зависит от участия небелковых соединений, называемых ко-факторами. Молекулярный комплекс белка и ко-фактора называется холоферментом и обладает максимальной каталитической активностью. Белковый компонент, лишенный ко-фактора называется апоферментом, он обладает очень низкой активностью, а часто вообще не активен. Некоторые ферменты требуют два или три различных ко-фактора и обычно один из них неорганический ион. Связь между белковым компонентом (апоферментом) и ко-фактором может быть ковалентной или нековалентной. Внекоторых случаях ко-фактор и фермент существуют отдельно и связываются друг с другом только на время протекания реакции. В других случаях ко-фактор и фермент связаны постоянно, иногда очень прочно, ковалентными связями. Вообще говоря, роль ко-фактора сводится:

1) к изменению трехмерной структуры белка и (или) связанного субстрата для улучшения условий взаимодействия фермента с субстратом;

2) к непосредственному участию в реакции в качестве еще одного субстрата.

Различают неорганические ко-факторы (например, ионы цинка, магния, марганца, железа, меди, калия и натрия) и органические (их обычно называют ко-ферменты – это около десятка соединений различной структуры). Как правило, связь между ко-фактором неорганической природы и апоферментом прочная и, если ее разорвать, то ни ко-фактор, ни белковая часть фермента не проявляют активности. Большая часть ко-ферментов либо образуется из витаминов, либо представляют собой витамины, либо витамины являются частью ко-фермента. Поэтому, неорганические ионы, перечисленные выше, и витамины должны обязательно входить в рацион для любого организма. В качестве примера витаминов, входящих в неизменном виде в состав фермента, можно привести биотин, липоевую кислоту и так далее. Так, биотин связывает углекислоый газ, а липоевая кислота переносит ацильную групу. Такие же витамины, как рибофлавин (витамин В2) превращаются в ФАД или ФМН, то-есть в качестве ко-фермента выступают их производные, которые участвуют в окислительно-востановительных реакциях. Органические ко-ферменты обычно выступают в качестве дополнительных субстратов. Участие ко-ферментов в процессе обычно сводится к донорным или акцепторным функциям (по отношению к другим субстратам или субстрату) определенной химической группировки. Может происходить, например, перенос метильной группы – СН3, аминогруппы – NH2, электролитов. В соответстви с этим ко-фермент называют «переносчиком групп». Например, в присутствии передоксальфосфатзависимого фермента перенос аминогруппы осуществляется за одну реакцию, а для другого случая – электрон вместе с протоном – в результате двух реакций, катализируемых разными ферментами, но с участием одного ко-фермента (НАД):

НАД ⁺ НАДН НАД⁺

ко-фермент участвует в обеих реакциях, причем в одной НАД – это продукт, а в другой – реагент. Такие реакции называются сопряженными.

Мы уже упоминали, что ферменты могут быть мономерные и олигомерные. В свою очередь, олигомерные могут иметь в своем составе одинаковые субъединицы (например, каталаза имеет 6 субъединиц и все одинаковые) или разные, что предопределяет возникновение изомерных форм ферментов (например, ЛДГ – тетрамер, но имеет два типа субъединиц). Чем больше разных субъединиц входит в состав фермента, тем больше появляется его изомерных форм. Таким образом, мы можем сказать, что изоферменты – это ферменты, катализирующие одну и ту же реакцию, но отличающиеся по каталитической активности., физико-химическим свойством и составу. Например, ЛДГ имеет два вида субъединиц: Н (hart) и М (muscle). Соответственно образуется пять различных изоферментов (тетрамеров). Варианты: НННН, НННМ, ННММ, НМММ, ММММ, или их называют, соответствнно ЛДГ1, ЛДГ2, ЛДГ3, ЛДГ4, ЛДГ5. Соотношение изоферментных фракций в разных органах различно (например, в сердце преобладает ЛДГ1, в мышцах и в печени ЛДГ5). Изучая изоферментный спектр, можно судить о локализации патологическго процесса и о степени тяжести. Биологическое значение изоферментов заключается в том, что они обеспечивают протекание химических реакций в различных тканях, в зависимости от условий обмена в данной ткани. Например ЛДГ1 и ЛДГ2 наиболее активны в тканях с высокой скоростью окисления и высоким содержанием кислорода. Эти изоферменты обладают высоким сродством к кислороду и наиболее активны в эритроцитах и миокарде. ЛДГ5 наиболее активна в тканях с меньшим содержанием кислорода, например в печени и скелетных мышцах – где высокая концентрация молочной кислоты. С возрастом происходит изменение активности изоферментов в тканях (у детей).

Изоферментные формы характерны для тех ферментов которые в тканях выполняют особо важные функции то-есть стоят на перекрестке особо важных каталитических процессов (например ЛДГ – на границе аэробного и анаэробного процессов).

НОМЕНКЛАТУРА ФЕРМЕНТОВ.

1)Тривиальная, исторически сложившаяся (пепсин – от pepsis – пищеварение; трипсин – от tripsis - расжижение). Цитохромы (cytos – клетка, chromos - цвет) – окрашивающие клетку.

2) Рабочая: а) название субстрата плюс окончание «аза». Например , сахараза, мальтаза, липаза. Иногда берется греческое или латинское название, например amylos (крахмал) – фермент называется амилаза.

б) По названию типа катализируемой реакции (гидролаза, синтетаза, дегидрогеназа, и так далее).

в) По типу расщепляемой связи (пептидаза, эстераза, гликозидаза и так далее).

3) Систематическая (международная): необходимо дать точное название субстрата (химическое название), указать характар процесса и прибавить окончание «-аза». Например, попросту уреаза, а по международной номенклатуре: карбамидамидогидролаза (то-есть карбамид-мочевина и разрыв-гидролиз амидной связи). Если в реакции участвует ко-фермент, то это тоже должно быть отражено в названии. Например, попросту ЛДГ, а по международной номенклатуре – альфа-лактат-НАД-оксидоредуктаза.