Ферменты: строение и классификация¶

Ферменты — это белковые молекулы (или их комплексы с небелковыми компонентами), которые выполняют в живых организмах роль биологических катализаторов, ускоряя химические реакции в тысячи и миллионы раз. В отличие от неорганических катализаторов, ферменты обладают высокой специфичностью: каждый из них действует на определённое вещество (субстрат) или группу родственных веществ и катализирует строго определённый тип превращения. Изучением ферментов занимается энзимология — раздел биохимии.

¶Строение ферментов

По химической природе все ферменты являются белками. Многие из них представляют собой простые белки, состоящие только из аминокислотных остатков (например, пепсин, трипсин, уреаза). Однако значительная часть ферментов — сложные белки, в состав которых, помимо белковой части (апофермента), входит небелковый компонент — кофактор. Комплекс апофермента и кофактора называется холоферментом.

Кофакторы делятся на две группы:

• Коферменты — органические соединения небелковой природы, которые непрочно связаны с белковой частью и могут легко отделяться. Многие коферменты являются производными витаминов (например, НАД — производное никотиновой кислоты, кофермент А — производное пантотеновой кислоты).
• Простетические группы — органические или неорганические компоненты, прочно связанные с апоферментом ковалентными связями (например, гем в составе цитохромов, ионы металлов: Fe²⁺, Zn²⁺, Mg²⁺, Cu²⁺).

¶Активный центр

Ключевым элементом структуры фермента является активный центр — уникальная трёхмерная область молекулы, образованная боковыми радикалами аминокислотных остатков, часто удалённых друг от друга в первичной структуре, но сближенных при формировании третичной структуры. Именно здесь происходит связывание субстрата и его химическое превращение. Активный центр имеет определённую геометрическую и химическую комплементарность субстрату, что обеспечивает специфичность фермента.

У сложных ферментов активный центр формируется при участии кофактора. У некоторых ферментов, состоящих из нескольких субъединиц, выделяют также аллостерический центр — участок, расположенный вне активного центра, при связывании с которым регуляторных молекул изменяется активность фермента (усиливается или подавляется).

¶Классификация ферментов

Международный союз биохимии и молекулярной биологии (IUBMB) разработал иерархическую классификацию ферментов, основанную на типе катализируемой реакции. Согласно этой системе, каждый фермент имеет шифр КФ (классификация ферментов), состоящий из четырёх чисел, разделённых точками: первое число обозначает класс, второе — подкласс, третье — подподкласс, четвёртое — порядковый номер в подподклассе.

Выделяют шесть классов ферментов:

1. Оксидоредуктазы — катализируют окислительно-восстановительные реакции (перенос электронов или атомов водорода). Примеры: дегидрогеназы, оксидазы, каталаза.
2. Трансферазы — переносят функциональные группы (амино-, метильные, фосфатные и др.) от одной молекулы к другой. Примеры: киназы, аминотрансферазы.
3. Гидролазы — катализируют реакции гидролиза, то есть расщепление связей с участием воды. Примеры: липазы, амилазы, протеазы.
4. Лиазы — отщепляют от субстрата группы (без участия воды) с образованием двойных связей, либо присоединяют группы по двойным связям. Примеры: декарбоксилазы, альдолазы.
5. Изомеразы — катализируют внутримолекулярные перестройки, превращение одного изомера в другой. Примеры: мутазы, эпимеразы.
6. Лигазы (синтетазы) — соединяют две молекулы с затратой энергии АТФ (образование новых связей). Примеры: ДНК-лигазы, аминоацил-тРНК-синтетазы.

¶Номенклатура

Существует несколько типов наименований ферментов. Тривиальные названия исторически присваивались без системы (пепсин, трипсин, ренин). Рациональные названия строятся по схеме «субстрат — тип реакции — аза» (например, лактатдегидрогеназа, глюкозооксидаза). Систематические названия, согласно номенклатуре IUBMB, точно описывают химическую реакцию и используются в научной литературе наряду с шифром КФ.

¶Свойства ферментов

Ферменты обладают рядом отличительных свойств по сравнению с неорганическими катализаторами:

• Высокая специфичность — избирательность по отношению к субстрату (абсолютная, групповая, стереоспецифичность).
• Высокая эффективность — скорость ферментативных реакций в 10⁸–10¹⁴ раз выше скорости некатализируемых реакций.
• Зависимость от условий среды — активность ферментов максимальна при определённых значениях температуры (обычно 37–40 °C) и pH (для большинства ферментов — нейтральная среда, но существуют исключения, например, пепсин активен при pH 1,5–2,0).
• Чувствительность к ингибиторам и активаторам — вещества, снижающие или повышающие скорость ферментативных реакций.

¶Применение ферментов

Ферменты широко используются в промышленности и медицине. В пищевой промышленности применяются амилазы (хлебопечение), протеазы (мясная и пивоваренная промышленность), липазы (сыроделие). В медицине ферменты используются как лекарственные препараты (панкреатин, трипсин, стрептокиназа), а также как диагностические маркёры (определение активности аланинаминотрансферазы при заболеваниях печени). В молекулярной биологии и генной инженерии применяются рестриктазы, лигазы и полимеразы для конструирования рекомбинантных ДНК.

¶Источники

• Березов Т. Т., Коровкин Б. Ф. «Биологическая химия».
• Комов В. П., Шведова В. Н. «Биохимия».
• Нельсон Д., Кокс М. «Основы биохимии Ленинджера».