Ферменты: строение, свойства и функции¶

Ферменты (от лат. fermentum — закваска), или энзимы, — это биологические катализаторы белковой или рибонуклеиновой природы, которые ускоряют химические реакции в живых системах, не расходуясь в ходе этих реакций. Практически все процессы жизнедеятельности — обмен веществ, синтез и распад биомолекул, передача нервных импульсов, свёртывание крови, репликация ДНК — протекают при участии ферментов. По химической сути ферменты являются катализаторами, но отличаются от неорганических катализаторов исключительно высокой специфичностью и эффективностью: одна молекула фермента способна превращать тысячи молекул субстрата в секунду, ускоряя реакцию в миллионы и миллиарды раз.

¶История изучения

Представление о существовании особых «бродильных начал» возникло задолго до выделения самих веществ. В XVIII–XIX веках учёные изучали брожение и пищеварение, не понимая их механизма. В 1833 году французские химики Ансельм Пайен и Жан-Батист Персо выделили из солода вещество, расщепляющее крахмал, и назвали его диастазой — это была первая выделенная ферментная фракция.

Термин «фермент» ввёл в научный оборот голландский химик Якоб Хендрикус Вант-Гофф и его современники; широкое распространение получило также предложенное Вильгельмом Кюне слово «энзим» (от греч. en — «в» и zyme — «закваска»). В 1897 году Эдуард Бухнер доказал, что брожение может идти без участия живых клеток, получив экстракт зимазы, за что в 1907 году был удостоен Нобелевской премии по химии. В 1926 году Джеймс Самнер выделил уреазу в кристаллическом виде и показал её белковую природу; позднее это подтвердили работы Джона Нортропа и Уэнделла Стэнли. В 1960-х годах Томас Чек и Сидни Олтмен открыли каталитически активные РНК — рибозимы, за что получили Нобелевскую премию по химии 1989 года.

¶Строение и свойства

По химическому строению большинство ферментов — белки. Многие из них для проявления активности нуждаются в дополнительных компонентах:

• Кофакторы — неорганические ионы (например, ионы магния, цинка, железа).
• Коферменты — органические молекулы, часто производные витаминов (НАД, ФАД, коэнзим А).
• Простетические группы — прочно связанные с белком небелковые части.

Белковая часть фермента называется апоферментом, а вместе с кофактором — холоферментом. Участок молекулы, непосредственно связывающий субстрат и обеспечивающий катализ, называют активным центром. Помимо него существуют аллостерические (регуляторные) центры, связывание веществ с которыми меняет активность фермента.

Ключевые свойства ферментов:

¶Механизм действия

Фермент связывает субстрат в активном центре, образуя фермент-субстратный комплекс. При этом снижается энергия активации реакции — энергетический барьер, который необходимо преодолеть для её протекания. В результате реакция идёт значительно быстрее. После превращения субстрата в продукт фермент высвобождает продукт и возвращается в исходное состояние, готовый к новому циклу.

Скорость ферментативной реакции описывают уравнением Михаэлиса — Ментен, в котором фигурируют константа Михаэлиса (Km) и максимальная скорость (Vmax). Константа Km характеризует сродство фермента к субстрату: чем она меньше, тем выше сродство.

¶Классификация

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

1. Оксидоредуктазы — катализируют окислительно-восстановительные реакции.
2. Трансферазы — переносят функциональные группы между молекулами.
3. Гидролазы — расщепляют связи с участием воды.
4. Лиазы — разрывают связи без гидролиза, часто с образованием двойных связей.
5. Изомеразы — катализируют изомерные превращения.
6. Лигазы — соединяют молекулы с затратой энергии АТФ.
7. Транслоказы — обеспечивают перенос веществ через мембраны.

Каждому ферменту присваивается четырёхзначный шифр (КФ), отражающий класс, подкласс, подподкласс и порядковый номер.

¶Регуляция активности

Активность ферментов регулируется несколькими способами. Ингибирование бывает обратимым и необратимым, конкурентным (вещество занимает активный центр) и неконкурентным (связывание вне активного центра меняет форму молекулы). Аллостерическая регуляция позволяет клетке быстро подстраивать обмен веществ под изменяющиеся условия. Важную роль играют также химические модификации — например, фосфорилирование, и активация неактивных предшественников (проферментов) путём частичного расщепления.

¶Применение

Ферменты широко используются в практической деятельности человека:

• Пищевая промышленность — сычужные ферменты в сыроварении, амилазы и протеазы в хлебопечении, пектиназы в производстве соков.
• Медицина — диагностика (определение активности ферментов в крови), ферментозаместительная терапия, лекарственные препараты.
• Бытовая химия — протеазы, липазы и амилазы в составе моющих средств.
• Биотехнология — получение глюкозы из крахмала, производство спиртов, биотоплива.
• Генная инженерия — рестриктазы и лигазы для работы с ДНК.
• Аналитика — биосенсоры, в том числе глюкометры для измерения уровня сахара в крови.

¶Значение и перспективы

Ферменты лежат в основе обмена веществ всех живых организмов, поэтому их изучение — энзимология — составляет важнейшую часть биохимии и молекулярной биологии. Нарушения работы ферментов приводят к наследственным болезням обмена веществ (фенилкетонурии, галактоземии и другим). Достижения энзимологии применяются в медицине, промышленности и охране окружающей среды. Перспективные направления включают создание искусственных ферментов, направленную инженерию белков с заданными свойствами и использование иммобилизованных ферментов в непрерывных технологических процессах.