Ферменты и их биологическая роль¶

Ферменты (от лат. fermentum — закваска), или энзимы (от греч. ἐν — «в» и ζύμη — «закваска»), — это биологические катализаторы белковой природы, ускоряющие химические реакции в живых организмах в десятки, сотни тысяч и миллионы раз. Оба термина — «фермент» и «энзим» — являются полными синонимами: первый преимущественно используется в русскоязычной и немецкой традиции, второй — в англоязычной литературе. Практически все ферменты представляют собой глобулярные белки, за редким исключением рибозимов — каталитически активных молекул РНК.

¶Общая характеристика

Ферменты не расходуются в ходе реакции и не входят в состав конечных продуктов, а лишь ускоряют превращение. Они обладают рядом принципиальных свойств:

• Специфичность — способность катализировать строго определённую реакцию или тип реакций.
• Высокая эффективность — ускорение реакции на несколько порядков по сравнению с некаталитическим процессом.
• Регулируемость — активность может изменяться в зависимости от условий и сигналов клетки.
• Мягкие условия работы — большинство ферментов функционирует при температуре 37 °C, нормальном давлении и близнейтральном pH.

¶История изучения

Первые представления о ферментах связаны с процессами брожения и пищеварения. В XVIII–XIX веках учёные изучали превращение крахмала в сахар под действием слюны и солода. В 1833 году французские химики Ансельм Пайен и Жан-Батист Персо выделили из солода вещество, катализирующее расщепление крахмала, — диастазу. В 1877 году немецкий физиолог Вильгельм Кюне предложил термин «энзим».

В 1897 году Эдуард Бухнер доказал, что брожение может протекать вне живой клетки, в бесклеточном экстракте дрожжей, за что в 1907 году получил Нобелевскую премию по химии. В 1926 году Джеймс Самнер впервые выделил фермент уреазу в кристаллическом виде и показал его белковую природу. За исследования ферментов Нобелевские премии также получили Джон Нортроп и Уэнделл Стэнли (1946), а за механизмы их действия — ряд учёных во второй половине XX века.

¶Строение и механизм действия

Молекула фермента имеет активный центр — участок, непосредственно связывающий субстрат и обеспечивающий катализ. У сложных ферментов выделяют также аллостерические центры, регулирующие активность.

Механизм действия описывается несколькими моделями:

1. Модель «ключ — замок» (Эмиль Фишер, 1894) — активный центр строго соответствует субстрату по форме.
2. Модель индуцированного соответствия (Дэниел Кошланд, 1958) — при связывании субстрата конформация активного центра меняется.

Фермент понижает энергию активации реакции, образуя с субстратом промежуточный фермент-субстратный комплекс. После превращения субстрата в продукт фермент высвобождается и может участвовать в следующем цикле.

Скорость ферментативной реакции зависит от концентрации субстрата и фермента, температуры и pH. Зависимость от концентрации субстрата описывается уравнением Михаэлиса — Ментен, а величина Kм (константа Михаэлиса) характеризует сродство фермента к субстрату.

¶Классификация

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

Каждый фермент имеет уникальный номер по классификации EC (Enzyme Commission).

¶Кофакторы и коферменты

Многие ферменты для работы нуждаются в дополнительных компонентах — кофакторах. Это могут быть ионы металлов (Mg²⁺, Zn²⁺, Fe²⁺) или сложные органические молекулы — коферменты. К последним относятся производные витаминов: NAD, FAD, коэнзим A, пиридоксальфосфат. Белковая часть фермента называется апоферментом, а вместе с кофактором образует холофермент.

¶Биологическое значение

Ферменты обеспечивают протекание всех метаболических процессов:

• Пищеварение — амилаза, пепсин, липаза, трипсин расщепляют белки, жиры и углеводы.
• Энергетический обмен — ферменты цикла Кребса и дыхательной цепи.
• Синтез ДНК и РНК — ДНК-полимеразы, РНК-полимеразы, рестриктазы.
• Защита — ферменты иммунной системы и антиоксидантной защиты.
• Свёртывание крови — тромбин, факторы свёртывания.

¶Применение

Ферменты широко используются в промышленности и медицине:

• Пищевая промышленность — сыроварение (реннин), хлебопечение, производство соков, пивоварение.
• Медицина — диагностика (определение активности ферментов в крови), лечение (ферментозаместительная терапия).
• Биотехнология — генная инженерия, ПЦР (Taq-полимераза).
• Бытовая химия — протеазы и липазы в составе моющих средств.
• Текстильная и кожевенная промышленность — обработка материалов.

¶Ингибирование и регуляция

Активность ферментов может подавляться ингибиторами. Различают:

• Конкурентное ингибирование — ингибитор связывается с активным центром, конкурируя с субстратом.
• Неконкурентное — связывание вне активного центра изменяет его конформацию.
• Бесконкурентное — ингибитор присоединяется только к фермент-субстратному комплексу.

Многие лекарственные препараты действуют как ингибиторы ферментов: например, аспирин подавляет циклооксигеназу, а статины — ГМГ-КоА-редуктазу. Регуляция активности также осуществляется путём фосфорилирования, аллостерических взаимодействий и изменения количества фермента в клетке.

¶Ферменты и наследственные заболевания

Наследственные дефекты ферментов лежат в основе многих болезней обмена веществ — фенилкетонурии, галактоземии, болезни Тея — Сакса. Диагностика таких состояний основана на определении активности соответствующих ферментов или концентрации метаболитов.

¶Значение в науке

Изучение ферментов — предмет энзимологии, раздела биохимии. Понимание их работы лежит в основе молекулярной биологии, фармакологии, биотехнологии и медицины. Открытие каталитических свойств РНК (рибозимов) в 1980-х годах расширило представление о биологическом катализе и сыграло роль в гипотезе «мира РНК» о происхождении жизни.