Биохимия и молекулярная биология - Белясова Н.А. 2002

Структура и функции клеточных компонентов
Белки. Особенности организации и функции ферментов
Свойства ферментов

Характеризуя свойства ферментов, в первую очередь оперируют поняти­ем «активность». Под активностью фермента понимают такое его количество, которое катализирует превращение определенного количества субстрата в единицу времени. Для выражения активности препаратов ферментов исполь­зуют две альтернативные единицы: международную (Е) и «катал» (кат). За международную единицу активности фермента принято то его количество, которое катализирует превращение 1 мкмоль субстрата в продукт за 1 мин в стандартных условиях (обычно оптимальных). Один катал обозначает коли­чество фермента, катализирующее превращение 1 моль субстрата за 1 с. 1 кат = 6∙10⁷ Е.

Часто ферментные препараты характеризуются удельной активностью, которая отражает степень очистки фермента. Удельная активность — это число единиц активности фермента на 1 мг белка.

Активность ферментов в очень сильной степени зависит от внешних ус­ловий, среди которых первостепенное значение имеют температура и рН среды. Повышение температуры в интервале 0—50° С обычно приводит к плав­ному увеличению ферментативной активности, что связано с ускорением процессов формирования субстрат-ферментного комплекса и всех последую­щих событий катализа. Однако дальнейшее повышение температуры, как правило, сопровождается увеличением количества инактивированного фер­мента за счет денатурации его белковой части, что выражается в снижении активности. Каждый фермент характеризуется температурным оптиму­мом — значением температуры, при котором регистрируется наибольшая его активность. Чаще для ферментов растительного происхождения температур­ный оптимум лежит в пределах 50—60° С, а животного — между 40 и 50° С. Ферменты термофильных бактерий характеризуются очень высоким темпера­турным оптимумом.

Зависимость активности ферментов от значений рН среды также имеет сложный характер. Для каждого фермента характерен оптимум рН среды, при котором он проявляет максимальную активность. При удалении от этого оптимума в одну либо другую сторону ферментативная активность снижает­ся. Это объясняется изменением состояния активного центра фермента (уменьшением или увеличением ионизации функциональных групп), а также третичной структуры всей белковой молекулы, которая зависит от соотноше­ния в ней катионных и анионных центров. Большинство ферментов имеют оптимум рН в области нейтральных значений. Однако есть ферменты, прояв­ляющие максимальную активность при рН 1,5 (пепсин) или 9,5 (аргиназа).

Активность ферментов подвержена значительным колебаниям в зависи­мости от воздействия ингибиторов (вещества, снижающие активность) и активаторов (вещества, увеличивающие активность). Роль ингибиторов и активаторов могут выполнять катионы металлов, некоторые анионы, пере­носчики фосфатных групп, восстановительных эквивалентов, специфические белки, промежуточные и конечные продукты метаболизма и др. Эти вещества могут попадать в клетку извне либо вырабатываться в ней. В последнем слу­чае говорят о регуляции активности ферментов — неотъемлемом звене в об­щей регуляции метаболизма.

Воздействующие на активность ферментов вещества могут связываться с активным и аллостерическим центрами фермента, а также вне этих центров. Частные примеры подобных явлений будут рассмотрены в главах 7—19. Для обобщения некоторых закономерностей ингибирования активности фермен­тов следует указать, что эти явления в большинстве случаев сводятся к двум типам — обратимому и необратимому. В ходе обратимого ингибирования в молекулу фермента не вносится каких-либо изменений после его диссоциации с ингибитором. Примером служит действие аналогов субстрата, которые могут связываться с активным центром фермента, препятствуя взаимодейст­вию фермента с истинным субстратом. Однако увеличение концентрации субстрата приводит к «вытеснению» ингибитора из активного центра, и ско­рость катализируемой реакции восстанавливается (конкурентное ингибиро­вание). Другой случай обратимого ингибирования представляет собой связы­вание ингибитора с простетической группой фермента, или апоферментом, вне активного центра. Например, взаимодействие ферментов с ионами тяже­лых металлов, которые присоединяются к сульфгидрильным группам остатков аминокислот фермента, белок-белковые взаимодействия или ковалентая модификация фермента. Такое ингибирование активности называется не­конкурентным.

Необратимое ингибирование в большинстве случаев основано на свя­зывании так называемых «суицидных субстратов» с активными центрами ферментов. При этом между субстратом и ферментом формируются кова­лентные связи, которые расщепляются очень медленно и фермент долго не способен выполнять свою функцию. Примером «суицидного субстрата» слу­жит антибиотик пенициллин (глава 18, рис. 18.1).

Поскольку для ферментов характерна специфичность действия, их клас­сифицируют по типу реакции, подвергающейся катализу. Согласно принятой в настоящее время классификации, ферменты группируют в 6 классов:

1. Оксидоредуктазы (окислительно-восстановительные реакции).

2. Трансферазы (реакции переноса функциональных групп между суб­стратами).

3. Гидролазы (реакции гидролиза, акцептором переносимой группы явля­ется молекула воды).

4. Лиазы (реакции отщепления групп негидролитическим путем).

5. Изомеразы (реакции изомеризации).

6. Лигазы, или синтетазы (реакции синтеза за счет энергии расщепления нуклеозидтрифосфатов, чаще АТР).

Номер соответствующего класса фермента закреплен в его кодовой нуме­рации (шифре). Шифр фермента состоит из четырех разделенных точками чисел, обозначающих класс фермента, подкласс, подподкласс и порядковый номер в подподклассе.