Загальні поняття про ферменти

Ферменти або ензими, - це каталізатори білкового походження, які утворю­ються і функціонують в усіх живих організмах (ферменти від лат. Fermentum -закваска; ензім від грец. En zyme - в дріжджах). Походження термінів пояснюється тим, що початкові відомості щодо ферментативних процесів були відкриті і вивче­ні в бродильних виробництвах. Вони здатні, як і неорганічні каталізатори, каталі-тично прискорювати хімічні реакції. Усі біохімічні процеси, які проходять у живо­му організмі, відбуваються за присутності ферментів.

Ферменти знижують енергію активації, яка потрібна для здійснення хімічних реакцій, направляючи їх через проміжні реакції, які потребують значно меншої ене­ргії. Ферменти прискорюють швидкість реакції, не витрачаються і не входять у склад кінцевих продуктів реакцій.

Ферменти відрізняються характерними властивостями від неорганічних ката­лізаторів. Вони надзвичайно ефективні І проявляють високу каталітичну активність в умовах помірної температури, нормального тиску і невисокої (близької до нейт­ральної) кислотності середовища.

Ферменти мають високу специфічність дії по відношенню до природи суб­страту і типу хімічної реакції, тобто кожний фермент каталізує в основному тільки одну хімічну реакцію. Суттєвою особливістю ферментів є і те, що їх активність у клітинах строго контролюється як на генетичному рівні, так і за допомогою низь­комолекулярних сполук: субстратів і продуктів реакцій, які відбуваються за присут­ності цих самих ферментів. Кожний фермент сприяє певним змінам у структурі молекули даної речовини, після чого діє наступний фермент.

Це забезпечує упорядкований обмін речовин у живому організмі, без чого він не міг би існувати.

За будовою ферменти можуть бути протеїнами (простими білками), а також дво- і багатокомпонентними ферментами, в склад яких входять специфічні речови­ни (додаткова група небілкового походження, присутність якої необхідна для того, щоб ці ферменти мали активність). Додаткова група дуже мала, наприклад, складає біля 1% від білкової частини. До таких груп належать органічні молекули, іони металів (заліза, цинку, міді, марганцю та ін.) або їх комбінації. Небілкову частину ферменту називають коферментом або простетичною (тобто активною) групою. Білкову частину складного ферменту - апоферментом або білковим компонентом, фероном (носієм).

У деяких випадках простетична група так міцно зв'язана з білком, що зв'язок між ними не порушується навіть при різних сильних діях. В інших випадках про­стетична група може бути легко відділена. Терміном "кофермент", як правило, на­зивають ті простетичні групи, які можуть бути легко відділені від білка. Коферме-нти здійснюють перенесення окремих атомів і груп (водню, фосфатної групи та ін.) під час ферментативних реакцій, забезпечують погоджену дію ферментів. У ролі коферментів виступають більшість вітамінів (Е, С, Н, В_ь В₂, В_]2 та ін.) або сполу­ки, утворені за участю вітамінів (коензим А, НАД та ін.). Крім того, функцію кофе­рментів виконують такі сполуки, як HS -глутатіон, нуклеотиди, розчинні РНК, фо­сфорні ефіри деяких моноцукридів та ін.

Ні білкова частина складного ферменту, ні його додаткова група окремо не мають каталітичної активності.

У ферментів протеїнів, які не мають додаткової групи, що могла б вступати в безпосередній контакт із субстратом, цю функцію виконує частина білкової моле­кули (активний центр). Він є унікальною сполукою певних амінокислотних залиш­ків. Часто в активних центрах зустрічаються залишки сірину, гістидину, триптофа­ну, аргінину, цистеїну, аспарагінової кислоти. Радикали цих амінокислот викону­ють ту ж саму функцію, що і кофермент. Активних центрів у молекулі ферменту може бути один або два.

У ферментів розрізняють ще два центри: субстратний і алостеричний.

Субстратний центр - ділянка молекули ферменту, відповідальна за приєднан-

ня субстрату. Цю роль часто виконують радикали лізину, карбоксильна група ради­калу глютамінової кислоти, сульфгідрильні групи радикалу цистеїну, їх буває від одного до чотирьох.

Алостеричний центр - ділянка молекули ферменту, в результаті приєднання до якого певної низькомолекулярної речовини змінюється третична структура біл­кової молекули. У результаті цього змінюється конфігурація активного центру, що спричиняє збільшення або зменшення каталітичної активності ферменту.

У ферментах субстратний центр може співпадати або перекриватися актив­ним центром, а зміна третинної структури білкової молекули може наступити в момент приєднання субстрату.

Ферменти мають різну просторову структуру, тому можуть бути їх ізомери (ізозоми), які відрізняються за активністю, фізичним властивостям і навіть специ­фічністю.

МЕХАНІЗМ ДІЇ ФЕРМЕНТІВ

Головною проблемою ферментології (ензимології) є з'ясування механізму дії ферментів. Незважаючи на те, що до цього часу немає єдиної теорії, яка пояснює цей механізм, розгляд її основи допоможе подальшим науковим розробкам і більш раціональному використанню ферментів.

В основі всіх відомих уявлень щодо дії ферментів є загальна думка про те, що при з'єднанні молекули субстрату з ферментом проходить її активування вна­слідок поляризації, зміщення електронів або деформації зв'язків, які беруть участь у реакції.

Це призводить до підвищення реакційної здатності частини субстрату в ре­зультаті напруги, розтягнення або поляризації зв'язків, або ініціювання ланцюго­вих процесів утворення вільних радикалів.

Визначальну роль у механізмі ферментативного каталізу відіграє утворення фермент-субстратних комплексів, на існування яких вперше звернув увагу Браун в 1902 р.

Послідовність процесів ферментативних реакцій описують такою схемою:

де Е - фермент; - субстрат; • активний субстрат; Р - продукт реакції.

На першій фазі ферментативного каталізу між субстратом і ферментом утво­рюється сполука, в якій вони зв'язані поміж собою ковалентним або другого типу зв'язком. Друга фаза - субстрат під дією приєднаного до нього ферменту змінюєть­ся так, що він є більш доступним для відповідної хімічної реакції. На третій фазі проходить сама хімічна реакція на поверхні ферменту, і на четвертій фазі утворені продукти реакції звільнюються із фермент-субстратного комплексу.

Така схема початкове розроблена Генрі (1903 p.), а потім МІхаелісом і Менте-ном (1913 p.). Пізніше було виділено - комплекси.

У процесі утворення фермент-субстратного комплексу і на подальших фазах ферментативного каталізу проходять неодноразові зміни третинної структури фер­менту, що призводить до послідовного зближення із субстратом і орієнтування в просторі тих активних груп, які взаємодіють одна з одною на різних етапах пере­творення субстрату.

Унікальна структура і взаємодія активного, субстратного й алостеричного центрів ферменту забезпечує кооперативність здійснення багатоступеневих процесів. Саме впорядкованість реакцій у просторі і часі, їх кооперативність і відрізняють дії біока-талізаторів, забезпечуючи високу специфічність і швидкість процесу в цілому.