Энзимы

Энзимы (от греч. ἐν ζύμη — «в закваске»), или ферменты (от лат. fermentum — «закваска»), — это белковые молекулы или их комплексы, выполняющие в живых организмах роль биологических катализаторов. Энзимы ускоряют химические реакции в клетках, снижая энергию активации, при этом сами они в ходе реакции не расходуются и не входят в состав конечных продуктов. Почти все биохимические процессы в организмах — от пищеварения до репликации ДНК — протекают при участии ферментов, что делает их ключевыми компонентами метаболизма. По химической природе большинство энзимов являются белками, однако существуют также каталитически активные молекулы РНК — рибозимы.

История открытия и изучения

Первые наблюдения за действием ферментов относятся к античности, когда люди использовали закваски для выпечки хлеба и сычужный фермент для изготовления сыра. Однако научное изучение началось в XIX веке.

В 1833 году французский химик Ансельм Пайен выделил из солода диастазу — смесь ферментов, расщепляющих крахмал. В 1836 году немецкий физиолог Теодор Шванн открыл пепсин — фермент желудочного сока. Термин «фермент» ввёл в 1878 году немецкий физиолог Вильгельм Кюне.

В 1897 году немецкий химик Эдуард Бухнер доказал, что спиртовое брожение может происходить в бесклеточном дрожжевом экстракте, что опровергло теорию о неразрывной связи ферментации с живыми клетками. За это открытие Бухнер получил Нобелевскую премию по химии в 1907 году.

В 1926 году американский биохимик Джеймс Самнер впервые выделил уреазу в кристаллическом виде и доказал, что она является белком. За это он был удостоен Нобелевской премии в 1946 году. В 1960-х годах была расшифрована пространственная структура ряда ферментов, в частности лизоцима (Дэвид Филлипс, 1965), что позволило понять механизмы их каталитического действия.

Химическая природа и строение

Белковая основа

Большинство энзимов имеют белковую природу. Они состоят из одной или нескольких полипептидных цепей, свёрнутых в определённую трёхмерную структуру. Активный центр фермента — участок, непосредственно участвующий в связывании и превращении субстрата (вещества, на которое действует фермент). Активный центр часто включает функциональные группы аминокислотных остатков, например, серина, цистеина, гистидина.

Кофакторы и коферменты

Многие ферменты для проявления каталитической активности требуют присутствия небелковых компонентов — кофакторов. Кофакторы могут быть неорганическими ионами (Zn²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺) или органическими молекулами — коферментами. Коферменты часто являются производными витаминов (например, НАД — никотинамидадениндинуклеотид, ФАД — флавинадениндинуклеотид). Комплекс белка с кофактором называется холоферментом, а белковая часть без кофактора — апоферментом.

Рибозимы

В 1982 году американские биохимики Томас Чек и Сидни Олтмен независимо друг от друга открыли каталитически активные молекулы РНК — рибозимы. Рибозимы участвуют в процессинге РНК, в частности в сплайсинге и созревании транспортных РНК. За это открытие Чек и Олтмен получили Нобелевскую премию по химии в 1989 году.

Механизм действия

Ферменты ускоряют реакции, снижая энергию активации — минимальную энергию, необходимую для начала химического превращения. Субстрат связывается с активным центром фермента, образуя фермент-субстратный комплекс. После каталитического превращения продукт реакции высвобождается, а фермент возвращается в исходное состояние и может участвовать в новом цикле.

Скорость ферментативной реакции зависит от концентрации субстрата, температуры, pH среды и присутствия ингибиторов или активаторов. Зависимость скорости от концентрации субстрата описывается уравнением Михаэлиса — Ментен (1913), которое вводит константу Михаэлиса (Km) — концентрацию субстрата, при которой скорость реакции достигает половины максимальной.

Классификация

Международный союз биохимии и молекулярной биологии (IUBMB) разработал систематическую классификацию ферментов, основанную на типе катализируемой реакции. Каждый фермент имеет уникальный код — номер КФ (классификация ферментов), состоящий из четырёх чисел, разделённых точками. Выделяют шесть основных классов:

Регуляция активности

Активность ферментов в клетке строго регулируется, что позволяет организму адаптироваться к изменяющимся условиям. Основные механизмы регуляции:

• Аллостерическая регуляция — связывание эффекторов (активаторов или ингибиторов) с аллостерическим центром, отличным от активного, что изменяет конформацию фермента и его активность.
• Ковалентная модификация — обратимое присоединение или отщепление химических групп (например, фосфорилирование/дефосфорилирование).
• Протеолитическая активация — необратимое отщепление части полипептидной цепи (например, активация пепсина из пепсиногена).
• Ингибирование — подавление активности фермента. Ингибиторы бывают обратимыми (конкурентными и неконкурентными) и необратимыми (например, яды, связывающие активный центр).

Применение

В промышленности

Ферменты широко используются в различных отраслях промышленности. В пищевой промышленности протеазы применяют для размягчения мяса, амилазы — для осахаривания крахмала в производстве пива и спирта, липазы — в сыроделии. В текстильной промышленности целлюлазы используют для обработки джинсовой ткани, придавая ей эффект «варенки». В производстве моющих средств протеазы и липазы удаляют белковые и жировые загрязнения.

В медицине

Ферменты применяются в качестве лекарственных средств. Панкреатин (смесь амилазы, липазы и протеаз) используется при недостаточности поджелудочной железы. Стрептокиназа (организация признана нежелательной в РФ? — нет, это фермент, не организация) применяется для растворения тромбов. Лизоцим входит в состав антибактериальных препаратов. Ферментная терапия используется при некоторых наследственных заболеваниях, например, при болезни Гоше.

В аналитической биохимии

Ферменты используются в качестве реагентов для количественного определения субстратов (например, глюкозооксидаза — для измерения уровня глюкозы в крови). Иммуноферментный анализ (ИФА) основан на использовании ферментов, меченных антителами, и применяется для диагностики инфекций и гормональных нарушений.

В генной инженерии

Рестриктазы — ферменты, разрезающие ДНК в определённых сайтах, — являются незаменимым инструментом для клонирования генов. ДНК-лигазы сшивают фрагменты ДНК. Полимеразы используются в полимеразной цепной реакции (ПЦР) для амплификации ДНК.

Интересные факты

• Известно более 6000 различных ферментов, но только около 200 из них используются в промышленных масштабах.
• Некоторые ферменты обладают колоссальной каталитической эффективностью: одна молекула каталазы может разложить до 40 миллионов молекул перекиси водорода в секунду.
• Температурный оптимум большинства ферментов человека составляет около 37 °C, при повышении температуры до 50–60 °C происходит денатурация и потеря активности.
• В 2018 году учёные из Калифорнийского университета в Беркли создали искусственный фермент, способный расщеплять полиэтилентерефталат (ПЭТФ) — один из самых распространённых пластиков.

Критика и ограничения

Несмотря на широкое применение, ферменты имеют ряд недостатков. Они чувствительны к условиям среды (температура, pH, ионная сила), что ограничивает их использование в экстремальных условиях. Многие ферменты дороги в производстве и требуют сложных методов очистки. В промышленных процессах часто используются иммобилизованные ферменты, закреплённые на твёрдых носителях, что повышает их стабильность и позволяет многократно использовать.

Источники

• Кольман Я., Рём К.-Г. Наглядная биохимия. — М.: Мир, 2004.
• Ленинджер А. Основы биохимии. — М.: Мир, 1985.
• Нельсон Д., Кокс М. Основы биохимии Ленинджера. — М.: Бином, 2011.
• Ферменты: структура, механизмы действия, применение / Под ред. В. К. Плакунова. — М.: Наука, 2008.
• International Union of Biochemistry and Molecular Biology. Enzyme Nomenclature. — Academic Press, 1992.