Ферменты: биологические катализаторы¶

Ферменты — это биологические катализаторы белковой (в большинстве случаев) или РНК-природы, которые ускоряют химические реакции в живых системах, не расходуясь в ходе этих реакций и не изменяя положения химического равновесия. Они снижают энергию активации реакции за счёт образования промежуточных фермент-субстратных комплексов. Без ферментов большинство биохимических процессов протекало бы со скоростями, несовместимыми с жизнью.

¶Химическая природа и строение

Подавляющее большинство ферментов — белки. Исключение составляют рибозимы — каталитически активные молекулы РНК. Белковые ферменты построены из одной или нескольких полипептидных цепей и обладают уровнями организации от первичной до четвертичной структуры.

Катализ происходит в активном центре — участке, образованном несколькими аминокислотными остатками, пространственно сближенными при сворачивании цепи. Активный центр обеспечивает связывание субстрата и его химическое превращение. Многие ферменты содержат небелковую часть — кофактор: ионы металлов (Zn²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺) или органические коферменты (НАД⁺, ФАД, кофермент А). Белковая часть такого фермента называется апоферментом, а полный комплекс — холоферментом.

¶Механизм действия

Ключевая модель — «ключ и замок» (Э. Фишер, 1894), позже дополненная концепцией индуцированного соответствия (Д. Кошланд, 1958), согласно которой активный центр подстраивается под субстрат при связывании.

Стадии катализа:

1. Связывание субстрата в активном центре.
2. Образование переходного состояния с пониженной энергией активации.
3. Превращение субстрата в продукт.
4. Высвобождение продукта и возврат фермента в исходное состояние.

Фермент не смещает равновесие, а лишь ускоряет его достижение, иногда в 10⁶–10¹⁷ раз.

¶Свойства

• Специфичность — избирательность к субстрату; различают абсолютную, групповую и стереоспецифичность.
• Эффективность — высокая каталитическая активность при мягких условиях (температура тела, нейтральный pH).
• Регулируемость — активность меняется под действием ингибиторов, активаторов, pH и температуры.
• Денатурация — утрата активности при нагреве или экстремальных значениях pH из-за разрушения структуры белка.

¶Классификация

Международный союз биохимии и молекулярной биологии делит ферменты на семь классов:

Названия ферментов обычно образуются от названия субстрата или реакции с суффиксом «-аза» (амилаза, липаза, ДНК-полимераза).

¶Кинетика

Основной количественный закон — уравнение Михаэлиса — Ментен, связывающее скорость реакции с концентрацией субстрата:

v = (Vmax × [S]) / (Km + [S])

Константа Km характеризует сродство фермента к субстрату: чем она меньше, тем выше сродство. Ингибирование бывает конкурентным, неконкурентным и бесконкурентным.

¶Значение и применение

Ферменты лежат в основе обмена веществ, пищеварения, репликации ДНК, свёртывания крови и иммунного ответа. Их дефицит или нарушение работы вызывают наследственные болезни обмена (фенилкетонурию, галактоземию).

Практическое использование:

• медицина — диагностика (определение активности ферментов в крови) и ферментозаместительная терапия;
• пищевая промышленность — сыроварение, пивоварение, производство соков;
• биотехнология и генная инженерия — рестриктазы, лигазы, полимеразы;
• бытовая химия — протеазы и липазы в моющих средствах.

¶История изучения

Термин «фермент» ввёл в 1877 году Вильгельм Кюне. В 1897 году Эдуард Бухнер доказал, что брожение вызывается бесклеточным экстрактом дрожжей. В 1926 году Джеймс Самнер получил кристаллический уреазу, подтвердив белковую природу ферментов. За работы по механизмам ферментативного катализа Нобелевские премии получили Джон Нортроп, Уэнделл Стэнли, а также Макс Перуц и Джон Кендрю (1962).