Ферменты — биологические катализаторы¶
Ферменты — это белковые (в редких случаях — рибонуклеиновые) молекулы, ускоряющие биохимические реакции в живых организмах за счёт снижения энергии активации. Ферменты относятся к классу биологических катализаторов и отличаются от химических катализаторов высокой специфичностью, эффективностью и работоспособностью при мягких условиях (температура тела, нейтральный pH). В организме человека протекает свыше 5000 ферментативных реакций, и практически все они катализируются ферментами.
¶История открытия
Термин «фермент» происходит от латинского fermentum — «сбраживание». В 1833 году французские химики Ансельм Патьен и Жан-Франсуа Пельтье выделили из экстракта поджелудочной железы вещество, ускоряющее расщепление крахмала, и назвали его диастазой. В 1878 году немецкий физиолог Вильгельм Кюне предложил обобщить название «фермент» для всех подобных биокатализаторов.
В 1894 году Эмиль Фишер предложил «гипотезу ключа и замка», объясняющую специфичность ферментов: активный центр фермента имеет форму, допускающую связывание только определённого субстрата. Позже, в 1958 году, Даниэль Кушланд уточнил модель, предложив «гипотезу индуцированного соответствия»: активный центр подстраивается под субстрат в момент связывания.
В 1926 году Джеймс Самнер впервые получил кристаллический фермент — уреазу, что подтвердило белковую природу ферментов. В 1946 году он получил Нобелевскую премию по химии.
¶Структура и механизм действия
Фермент состоит из одной или нескольких полипептидных цепей. Область, где происходит катализ, называется активным центром. Субстрат связывается с активным центром, образуя фермент-субстратный комплекс, в котором реакция протекает со скоростью, на порядки превышающей некатализируемую. После завершения реакции продукт покидает активный центр, а фермент остаётся неизменным и готов к новому циклу.
Ключевые свойства ферментов:
- Высокая специфичность — один фермент обычно катализирует одну реакцию или группу родственных реакций.
- Эффективность — ускорение реакции может достигать 10⁶–10¹² раз.
- Регулируемость — активность фермента изменяется под действием аллостерических регуляторов, кофакторов, ингибиторов и посттрансляционных модификаций.
¶Классификация
По характеру катализируемой реакции ферменты делятся на шесть основных классов (Международная номенклатура ферментов, EC):
| Класс | Тип реакции | Пример |
|---|---|---|
| 1. Оксидоредуктазы | Окислительно-восстановительные | Лактатдегидрогеназа |
| 2. Трансферазы | Перенос функциональных групп | Гексокиназа |
| 3. Гидролазы | Гидролитическое расщепление | Амилаза, липаза |
| 4. Лиазы | Расщепление без гидролиза | Декарбоксилазы |
| 5. Изомеразы | Изомеризация | Фосфоглюкоизомераза |
| 6. Лигазы | Синтез с затратой АТФ | ДНК-лигаза |
¶Факторы, влияющие на активность
Активность фермента зависит от температуры, pH, концентрации субстрата и наличия ингибиторов. У каждого фермента существует оптимум: для большинства человеческих ферментов — около 37 °C и pH 6,5–7,5. При повышении температуры свыше 40–45 °C происходит денатурация — разрушение третичной структуры белка и потеря каталитической активности.
Ингибиторы делятся на обратимые (конкурентные, неконкурентные, неконкурентные по отношению к субстрату) и необратимые. Многие лекарственные средства являются ингибиторами: статины блокируя HMG-КоА-редуктазу, ингибиторы протеаз при ВИЧ-инфекции.
¶Применение
Ферменты широко используются в промышленности и медицине:
- Пищевая промышленность — амилазы и протеазы в хлебопечении, пектиназы в производстве соков, химозин в сыроделии.
- Биотехнология — рестрикционные энзимы и ДНК-лигазы в генной инженерии, Taq-полимераза в полимеразной цепной реакции.
- Медицина — ферментные препараты для лечения панкреатита (панкреатин), тромболитики (стрептокиназа), диагностические тесты.
- Детергенты — протеазы и амилазы в составе стиральных порошков.
¶Роль в организме
Ферменты обеспечивают метаболизм, пищеварение, свёртывание крови, синтез и распад молекул. Генетические дефекты ферментов приводят к наследственным заболеваниям — ферментопатиям, например фенилкетонурия (дефицит фенилаланингидроксилазы) или болезнь Гоше (дефицит глюкоцереброзидазы). Изучение ферментов — ферментология — является одной из ключевых областей биохимии и молекулярной биологии.
¶Источники
- Нельсон Д., Кокс М. «Биохимия Ленингера»
- Ленингер А. «Принципы биохимии»
- Строев Е. А. «Биохимия»
- Международный союз биохимии и молекулярной биологии (IUBMB). Nomenclature of Enzymes