2. Основные свойства ферментов

2.1.Отличие от неорганических катализаторов

От неорганических катализаторов ферменты отличаются рядом харак­терных особенностей:

• Ферменты чрезвычайно эффективны и проявляют в 10⁸ – 10²⁰ раз более высокую каталитическую активность в условиях умеренной температуры (температура тела), нор­мального давления и в области близких к нейтральным значениям рН среды.

• Ферменты отличаются высокой специфичностью действия в отношении как химической природы субстрата, так и типа реакции, т.е. каждый фермент катализирует в основном только определенную химическую реак­цию. Для каждого фермента характерны специфическая последователь­ность расположения аминокислотных остатков и пространственная конформация.

• Ферменты термолабильны и неустойчивы по отношению к кислотам и щелочам.

• Активность ферментов в клетках строго контролируется: воздействуя на фермент, можно регулировать скорость соответствующей реакции

• Ферменты не вызы­вают в отличие от неорганических катализаторов каких-либо побочных реакций.

2.2 Субстратная специфичность действия ферментов

Субстратная специфичность – это способность каждого фермента взаимодействовать лишь с одним или несколькими определёнными субстратами.

Различают:

• абсолютную субстратную специфичность;

• групповую субстратную специфичность;

• стереоспецифичность.

Активный центр ферментов, обладающих абсолютной субстратной специфичностью, комплементарен только одному субстрату. Таких ферментов в живых организмах мало. Например, уреаза, катализирует гидролиз мочевины до диоксида углерода и аммиака:

Примерами ферментов, характеризующихся абсолютной специфичностью, также являются аргиназа, катализирующая реакцию расщепления аргинина до мочевины и орнитина, и лактатдегидрогеназа, катализирующая превращение лактата в пируват.

Относительная субстратная специфичность характерна для многих ферментов, например, для ферментов класса гидролаз: протеаз, эстераз, фосфатаз. Так, фермент панкреатическая липаза катализирует гидролиз жиров в двенадцатиперстной кишке человека, катализируя превращение любой молекулы жира (триацилглицерола) до молекулы моноацилглицерола и двух молекул высших жирных кислот:

Большинство протеолитических ферментов, осуществляющих гидролиз белков, имеет групповую субстратную специфичность, гидролизуя пептидные связи, образованные разными аминокислотами.

При наличии у субстрата нескольких стереоизомеров фермент проявляет абсолютную стереоспецифичность к одному из них. В организме человека наблюдают специфичность ферментов к следующим стереоизомерам.

• Стереоспецифичность к D-сахарам. Большинство моносахаридов и продуктов их обмена в организме человека и других млекопитающих относят к D-стереоизомерам. Ферменты, осуществляющие их метаболизм, имеют специфичность к D-, а не к L-сахарам.

• Стереоспецифичность к L-аминокислотам. Белки человека состоят из аминокислот L-ряда. Большинство ферментов, обеспечивающих превращение аминокислот, имеет стереоспецифичность к L-аминокислотам.

• Стереоспецифичносгь к α- и β-гликозидным связям. Фермент амилаза действует только на α- гликозидные связи, что позволяет гидролизовать крахмал и гликоген (полимеры глюкозы), остатки глюкозы в которых соединены α-гликозидными связями. Целлюлоза - также полимер глюкозы, однако остатки глюкозы в нём связаны β-гликозидными связями. В результате отсутствия у человека ферментов, специфичных к β-гликозидной связи, целлюлоза не гидролизуется в кишечнике человека и не может служить источником глюкозы.

В 1890 г . Эмиль Фишер предложил модель «ключ-замок» для иллюстрации специфичности действия ферментов. Модель была основана на предположении, что специфичность ферментов определяется точным соответствием формы молекул фермента и субстрата. Фермент соединяется с субстратом с образованием короткоживущего фермент-субстратного комплекса.

Рис.3 . Модель взаимодействия фермента и субстрата по типу «ключ-замок»

Однако, эта модель не объясняла явления стабилизации переходного состояния, которое наблюдается на практике.

Д. Кошланд в 1958 г. предложил модификацию модели «ключ-замок» - модель индуцированного соответствия. Ферменты, в основном, гибкие молекулы, поэтому 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.

Рис. 4. Модель взаимодействия фермента и субстрата по типу индуцированного соответствия. («Неправильные субстраты» — слишком большие или слишком маленькие — не подходят к активному центру).

В отличие от модели «ключ-замок», модель индуцированного соответствия объясняет не только специфичность ферментов, но и стабилизацию переходного состояния.