Ферменти

Ферменти, органічні речовини білкової природи, які синтезуються в клітинах і в багато разів прискорюють що протікають в них реакції, не зазнаючи при цьому хімічним перетворенням. Речовини, надають подібну дію, існують і в неживої природи і називаються каталізаторами. Ферменти (від лат. Fermentum - бродіння, закваска) іноді називають ензимами (від грец. en - всередині, zyme - закваска). Всі живі клітини містять дуже великий набір ферментів, від каталітичної активності яких залежить функціонування клітин. Практично кожна з безлічі різноманітних реакцій, що протікають у клітці, вимагає участі специфічного ферменту. Вивченням хімічних властивостей ферментів і каталізуються ними реакцій займається особлива, дуже важлива область біохімії - ензимології.

Багато ферменти знаходяться в клітці у вільному стані, будучи просто розчинені в цитоплазмі; інші пов'язані зі складними високоорганізованим структурами. Є і ферменти, в нормі що знаходяться поза клітиною; так, ферменти, що каталізують розщеплення крохмалю та білків, секретуються підшлунковою залозою в кишечник. Секретують ферменти і багато мікроорганізмів.

Перші дані про ферменти були отримані при вивченні процесів бродіння і травлення. Великий внесок у дослідження бродіння вніс Л. Пастер, однак він вважав, що відповідні реакції можуть здійснювати тільки живі клітини. На початку 20 ст. Е. Бухнер показав, що зброджування сахарози з утворенням діоксиду вуглецю і етилового спирту може каталізувати безклітинним дріжджовим екстрактом. Це важливе відкриття послужило стимулом до виділення і вивчення клітинних ферментів. У 1926 Дж.Самнер з Корнельського університету (США) виділив уреазу; це був перший фермент, отриманий в практично чистому вигляді. З тих пір виявлено та виділено понад 700 ферментів, але в живих організмах їх існує набагато більше. Ідентифікація, виділення і вивчення властивостей окремих ферментів займають центральне місце в сучасній ензимології.

Ферменти, що беруть участь у фундаментальних процесах перетворення енергії, таких, як розщеплення цукрів, освіта та гідроліз високоенергетичного з'єднання аденозинтрифосфату (АТФ), присутні в клітинах всіх типів - тварин, рослинних, бактеріальних. Однак є ферменти, які утворюються тільки в тканинах певних організмів. Так, ферменти, які беруть участь у синтезі целюлози, виявляються в рослинних, але не в тваринних клітинах. Таким чином, важливо розрізняти «універсальні» ферменти і ферменти, специфічні для тих чи інших типів клітин. Взагалі кажучи, чим більше клітина спеціалізована, тим більше ймовірність, що вона буде синтезувати набір ферментів, необхідний для виконання конкретної клітинної функції.

Ферменти як білки. Всі ферменти є білками, простими або складними (тобто що містять поряд з білковим компонентом небілкової частина).

Ферменти - Великі молекули, їх молекулярні маси лежать в діапазоні від 10 000 до більш 1 000 000 Дальтон (Так). Для порівняння зазначимо мовляв. маси відомих речовин: глюкоза - 180, діоксид вуглецю - 44, амінокислоти - від 75 до 204 Так. Ферменти, каталізують однакові хімічні реакції, але виділені з клітин різних типів, що розрізняються за властивостями і складом, проте зазвичай мають певний подібністю структури.

Структурні особливості ферментів, необхідні для їх функціонування, легко втрачаються. Так, при нагріванні відбувається перебудова білкової ланцюга, що супроводжується втратою каталітичної активності. Важливі також лужні або кислотні властивості розчину. Більшість ферментів найкраще «працюють» у розчинах, pH яких близький до 7, коли концентрація іонів H + і OH-приблизно однакова. Пов'язано це з тим, що структура білкових молекул, а отже, і активність ферментів сильно залежать від концентрації іонів водню в середовищі.

Не всі білки, присутні в живих організмах, є ферментами. Так, іншу функцію виконують структурні білки, багато специфічні білки крові, білкові гормони і т.д.

Коферменти і субстрати. Багато ферменти з великою молекулярною масою проявляють каталітичну активність тільки у присутності специфічних низькомолекулярних речовин, які називаються коферментом (або кофактором). Роль коферментів грають більшість вітамінів і багато мінеральні речовини, саме тому вони повинні надходити в організм з їжею. Вітаміни РР (нікотинова кислота, або ніацин) і рибофлавін, наприклад, входять до склад коферментів, необхідних для функціонування дегідрогеназ. Цинк - кофермент карбоангідрази, ферменту, який каталізує вивільнення з крові діоксиду вуглецю, який видаляється з організму разом з повітрям, що видихається. Залізо і мідь служать компонентами дихального ферменту цитохромоксидази.

Речовина, піддається перетворенню в присутності ферменту, називають субстратом. Субстрат приєднується до ферменту, який прискорює розрив одних хімічних зв'язків в його молекулі та створення інших; що утворюється в результаті продукт від'єднується від ферменту. Цей процес представляють наступним чином:

Продукт теж можна вважати субстратом, оскільки всі ферментативні реакції в тій чи іншою мірою оборотні. Щоправда, зазвичай рівновагу зрушено в бік освіти продукту, і зворотну реакцію буває важко зафіксувати.

Механізм дії ферментів. Швидкість ферментативної реакції залежить від концентрації субстрату [S] і кількості присутнього ферменту. Ці величини визначають, скільки молекул ферменту з'єднається з субстратом, і саме від змісту фермент-субстратного комплексу залежить швидкість реакції, що каталізується даними ферментом. У більшості ситуацій, що представляють інтерес для біохіміків, концентрація ферменту дуже мала, а субстрат присутнє в надлишку. Крім того, біохіміки досліджують процеси, досягли стаціонарного стану, при якому утворення фермент-субстратного комплексу врівноважується його перетворенням на продукт. У цих умовах залежність швидкості (v) ферментативного перетворення субстрату від його концентрації [S] описується рівнянням Міхаеліса - Ментен:

де KM - константа Міхаеліса, що характеризує активність ферменту, V - максимальна швидкість реакції при даній сумарної концентрації ферменту. З цього рівняння випливає, що при малих [S] швидкість реакції зростає пропорційно концентрації субстрату. Однак при досить великому збільшенні останньої ця пропорційність зникає: швидкість реакції перестає залежати від [S] -- наступає насичення, коли всі молекули ферменту виявляються зайнятими субстратом.

З'ясування механізмів дії ферментів у всіх деталях - справа майбутнього, проте деякі важливі їхні особливості вже встановлені. Кожний фермент має один або декілька активних центрів, з якими і зв'язується субстрат. Ці центри високоспецифічний, тобто «Дізнаються» тільки «свій» субстрат або близькоспоріднені з'єднання. Активний центр формують особливі хімічні групи в молекулі ферменту, орієнтовані один щодо одного певним чином. Що здійснюється так легко втрата ферментативної активності пов'язана саме з зміною взаємної орієнтації цих груп. Молекула субстрату, пов'язаного з ферментом, зазнає змін, в результаті яких розриваються одні й утворюються інші хімічні зв'язки. Щоб цей процес відбувся, необхідна енергія; роль ферменту полягає в зниженні енергетичного бар'єру, який потрібно подолати субстрату для перетворення у продукт. Як саме забезпечується таке зниження - до кінця не встановлено.

ферментативні реакції і енергія. Вивільнення енергії при метаболізмі поживних речовин, наприклад при окисленні шестіуглеродного цукру глюкози з утворенням діоксиду вуглецю і води, відбувається в результаті послідовних узгоджених ферментативних реакцій. У тваринних клітинах у перетвореннях глюкози в піровиноградна кислоту (піруват) або молочну кислоту (лактат) беруть участь 10 різних ферментів. Цей процес називається гліколізу. Перша реакція - фосфорилювання глюкози - вимагає участі АТФ. На перетворення кожної молекули глюкози в дві молекули піровиноградної кислоти витрачаються дві молекули АТФ, але при цьому на проміжних етапах з аденозиндифосфату (АДФ) утворюються 4 молекули АТФ, так що весь процес в цілому дає 2 молекули АТФ.

Далі піровиноградна кислота окислюється до діоксиду вуглецю і води за участю ферментів, що асоціюються з мітохондріями. Ці перетворення утворюють цикл, званий циклом трикарбонових кислот, або циклом лимонної кислоти.

Окислення однієї речовини завжди пов'язане з відновленням іншого: перша віддає атом водню, а другий його приєднує. Каталізують ці процеси дегідрогенази, забезпечують перенесення атомів водню від субстратів до коферментів. У циклі трикарбонових кислот одні специфічні дегідрогенази окислюють субстрати з утворенням відновленої форми коферменту (нікотінаміддінуклеотіда, позначається НАД), а інші окислюють відновлений кофермент (НАД