3.5. Ферменты

 

Биологические катализаторы были впервые выделены из живых клеток в 1897 г. братьями Эдуардом и Гансом Бухнерами, которые получили их из водного экстракта дрожжей. Эти вещества повышали скорость спиртового брожения и инактивировались при повышении температуры, тогда как субстраты были невосприимчивы к тепловому воздействию. Это открытие явилось первым указанием на то, что ферментами могут быть молекулы белка. Далее было установлено, что все без исключения ферменты – это белковые молекулы с очень специфическими для каждой разновидности фермента аминокислотными составом и последовательностью. Все эти молекулы, или по крайней мере их участки, обладающие ферментативной активностью, имеют глобулярную конформацию (рис. 3–13). Каждая клетка содержит буквально тысячи разновидностей ферментов, и они катализируют не меньшее число реакций. В работах по молекулярной генетике было показано, что ферменты представляют собой первичные продукты генов и играют чрезвычайно важную роль, регулируя все процессы, связанные с синтезом и метаболизмом в клетке. Задавая заранее структуру каждой молекулы фермента, синтезируемой в клетке, генетический аппарат косвенно несет ответственность за все происходящие там ферментативные реакции.

 

Рис. 3.13. Характерная для ферментов глобулярная структура иллюстрируется здесь на примере реконструированной молекулы рибонуклеазы из тканей быка. Изображен связанный с активным центром фосфат–ион. (Barry, Barry, 1969.) Дисулъфидные связи соединяют остатки цистеина, отстоящие далеко друг от друга вдоль полипептидной цепи, и играют, таким образом, важную роль в стабилизации третичной структуры фермента

 

Каталитическую эффективность (т. е. активность) фермента измеряют числом оборотов, представляющим собой число молекул субстрата, с которым успевает прореагировать одна молекула фермента за одну секунду с последующим высвобождением продукта реакции. Многим ферментам для их функционирования требуется кофактор (см. ниже) –ион или малая молекула небелковой природы, – который связывается с белковой молекулой, образуя совместно каталитически активный комплекс. Если концентрация кофактора в клетке не является избыточной, активность фермента можно регулировать, изменяя концентрацию кофактора. Другие ферменты, напротив, не проявляют каталитической активности, пока не диссоциирует связанная с ними молекула ингибитора.

 

3.5.1. Специфичность фермента

 

Каждый фермент в той или иной степени специфичен к какому–то определенному субстрату (молекуле реагента). Некоторые ферменты обладают повышенным сродством к определенному типу связей и могут, таким образом, взаимодействовать с молекулами самых разных субстратов, у которых есть такие связи. Например, реакция, катализируемая протеолитическими ферментами, представляет собой гидролиз пептидных связей. Протеолитический фермент трипсин, обнаруженный в пищеварительном тракте, катализирует реакцию гидролиза любой пептидной связи, карбонильная группа которой принадлежит остатку аргинина или лизина, независимо от того, где расположены эти связи в полипептидной цепи (рис. 3–14).

 

 

Рис. 3.14. Специфичность фермента трипсина, который избирательно гидролизует связь C – N внутри пептидной связи, соединяющей два остатка лизина, или два остатка аргинина, или остатки лизина и аргинина. (Baker, Allen, 1965.)

 

Другой присутствующий в кишечнике протеолитический фермент – карбоксипептидаза –катализирует исключительно гидролиз пептидной связи, соединяющей последний и предпоследний аминокислотные остатки в полипептидной цепи. Большинство ферментов проявляет гораздо большую специфичность по отношению к своим субстратам. Например, фермент сахараза катализирует только гидролиз сахарозы с образованием глюкозы и фруктозы. Другие дисахариды, например лактоза или мальтоза, не являются субстратом для этого фермента, но гидролизуются другими ферментами, которые к ним специфичны (лактазой и мальтазой в приведенном выше примере). Многие ферменты способны различать оптические изомеры – молекулы, идентичные по химическому составу и структуре и являющиеся зеркальным отражением одна другой. Например, фермент L–аминооксидаза катализирует окисление L–изомера –кетокислоты, но совершенно неспособен катализировать превращение D–изомера.