ОСНОВЫ БИОХИМИИ ЛЕНИНДЖЕРА - ТОМ 1. ОСНОВЫ БИОХИМИИ СТРОЕНИЕ И КАТАЛИЗ - 2011

ЧАСТЬ I. СТРОЕНИЕ И КАТАЛИЗ

Данное условие могло выполняться, если бы молекулы при соединении с ферментами находились на несколько большем расстоянии друг от друга, чем при ковалентной связи, но на более близком расстоянии, чем свободные молекулы в равновесии... Если говорить в рамках фишеровской модели ключа и замка, то ключ не совсем подходит к замку, а подвергается в нем некоторой деформации.

Дж. Б. С. Холдейн. Enzymes, 1930

Катализ формально может быть описан как стабилизация переходного состояния посредством тесного связывания с катализатором.

В. П. Дженне. Статья в журнале Advances in Enzymology, 1975

6. ФЕРМЕНТЫ

Для существования жизни необходимо выполнение двух основных условий. Во- первых, живой организм должен обладать способностью к самовоспроизведению (эту тему мы рассмотрим далее в части III). Во-вторых, организм должен уметь эффективно и селективно катализировать химические реакции. Основополагающая роль катализа, возможно, удивляет студентов, начинающих изучать биохимию, однако значение катализа очень просто продемонстрировать. Как говорилось в гл. 1, живая система использует энергию окружающей среды. Например, многие из нас в качестве источника энергии потребляют значительное количество сахарозы (столового сахара) либо в виде сладостей и напитков, либо в чистом виде. Превращение сахарозы в СO₂ и Н_2O в присутствии кислорода — это экзергонический процесс, сопровождающийся высвобождением большого количества свободной энергии, которая позволяет нам думать, двигаться, ощущать вкус и видеть. (А пакет сахара на полке может храниться годами, не превращаясь в сколько-нибудь заметной степени в СO₂ и Н_2O.) Хотя этот химический процесс является благоприятным с термодинамической точки зрения, он протекает крайне медленно! Однако, попадая в организм человека (или любого другого живого существа), сахароза высвобождает запасенную в ней энергию за считанные секунды. Здесь и проявляется катализ. Без катализаторов такие химические реакции, как окисление глюкозы, не могли бы протекать со значительными скоростями, а, следовательно, и поддерживать жизнь.

Таким образом, данную главу мы посвятим каталитическим реакциям в биологических системах и ферментам — самым удивительным и высокоспециализированным белкам. Ферменты обладают чрезвычайно высокой каталитической активностью, часто намного превышающей активность синтетических или неорганических катализаторов. Они проявляют высокую специфичность к субстратам, многократно ускоряют химические реакции и действуют в водных растворах в мягких условиях (температура и pH). Из небиологических катализаторов лишь немногие обладают подобными свойствами.

Фермент — ключевой участник любого биологического процесса. Действуя последовательно, ферменты катализируют сотни реакций, приводящих к расщеплению питательных веществ, получению и превращению химической энергии, а также к синтезу биологических макромолекул из простых предшественников.

Изучение ферментов играет огромную практическую роль. Некоторые заболевания, особенно наследственные генетические нарушения, могут быть связаны с дефектом или полным отсутствием одного или нескольких ферментов. Причиной других заболеваний может быть слишком высокая активность фермента. Определение активности ферментов в плазме крови, эритроцитах или тканях играет важную роль в медицинской диагностике. Механизм действия многих лекарств включает их взаимодействие с ферментами в организме. Кроме того, ферменты находят практическое применение в химической и пищевой промышленности и в сельском хозяйстве.

Мы начнем с описания свойств ферментов и тех принципов, на которых базируется их каталитическое действие, а затем обратимся к ферментативной кинетике, без которой невозможно обсуждение активности ферментов. После этого мы обсудим механизмы действия некоторых ферментов, чтобы продемонстрировать основные биохимические принципы, и, наконец, остановимся на регуляции активности ферментов.

6.1. Введение

Значительная часть истории биохимии связана с исследованиями активности ферментов. Биологический катализ впервые был обнаружен и описан в конце 1700-х гг. при изучении процесса переваривания мяса под действием желудочного сока: позднее, в XIX в., были проведены исследования, посвященные превращению крахмала в сахар под действием слюны и различных растительных экстрактов. В 1850 г. Луи Пастер пришел к выводу, что сбраживание сахара в спирт под действием дрожжей катализируется «энзимами» — ферментами. Он считал, что эти ферменты неотделимы от структуры живой дрожжевой клетки. Подобная точка зрения, получившая название витализма, господствовала на протяжении нескольких десятилетий. Позднее, в 1887 г., Эдуард Бухнер показал, что превращение сахара в спирт может происходить под действием экстракта из дрожжей; это означало, что ферментацию осуществляют молекулы, продолжающие функционировать в бесклеточной системе. Эксперимент Бухнера положил конец виталистической теории — начался расцвет науки биохимии. Фредерик В. Кюне назвал молекулы, открытые Бухнером, ферментами.

Важнейшим достижением раннего периода изучения ферментов стало выделение и получение кристаллического препарата уреазы, осуществленное Джеймсом Самнером в 1926 г. Обнаружив, что кристаллы уреазы полностью состоят из белка, Самнер высказал предположение, что все ферменты — белки. Других данных в то время не существовало, поэтому эта теория долгое время являлась темой для дискуссий. Только после того, как в 1930-х гг. Джон Нортроп и Мозес Кунитц выделили пепсин, трипсин и другие пищеварительные ферменты, получили их кристаллические препараты и показали, что они также являются белками, теория Самнера была полностью признана. В этот период Дж. Б. С. Холдейн издал трактат под названием «Ферменты». Хотя молекулярная природа ферментов еще не была полностью ясна, Холдейн выдвинул замечательное предположение, что в основе каталитической реакции могут лежать слабые взаимодействия между ферментом и его субстратом. Эта теория является основным элементом нашего сегодняшнего представления о ферментативном катализе.

Начиная со второй половины двадцатого столетия были выделены тысячи ферментов, структура и химический механизм действия многих из них теперь известны.

Большинство ферментов являются белками

За исключением немногочисленной группы молекул РНК, обладающих каталитической активностью (гл. 26), все остальные ферменты являются белками. Каталитическая активность ферментов зависит от степени сохранности их нативной конформации. При денатурации белка или его диссоциации на отдельные субъединицы ферментативная активность обычно исчезает. При разделении белка на отдельные составляющие его аминокислоты ферментативная активность всегда теряется. Таким образом, для функционирования фермента важно сохранение первичной, вторичной, третичной и четвертичной структуры белка.

Ферменты, как и другие белки, имеют молекулярные массы в диапазоне от 12 000 до 1 000 000 и более. Некоторым ферментам для проявления каталитической функции не нужны никакие химические группы, кроме собственной аминокислотной последовательности. Другие ферменты нуждаются в дополнительных химических компонентах — кофакторах. Кофакторами могут быть неорганические ионы, такие как Fе²⁺, Mg²⁺, Мn²⁺ или Zn²⁺ (табл. 6-1), или сложные металлоорганические вещества, которые носят название коферментов (табл. 6-2). Некоторым ферментам для проявления активности необходим как кофактор, так и один или несколько ионов металла. Кофермент или ион металла, которые очень прочно (иногда посредством ковалентной связи) связаны с ферментом, называют простетической группой. Полностью каталитически активный фермент со связанным коферментом и (или) ионами металла называется холоферментом. Белковая часть такого сложного фермента называется апоферментом, или апопротеином. Наконец, некоторые ферменты подвергаются ковалентной модификации при фосфорилировании, гликозилировании и т. д. Многие из этих процессов связаны с регуляцией ферментативной активности.

Таблица 6-1. Некоторые ионы и атомы, являющиеся кофакторами ферментов

Таблица 6-2. Некоторые коферменты, исполняющие роль промежуточных переносчиков атомов или функциональных групп

Примечание: структура и механизм действия этих коферментов обсуждаются в части II.

Ферменты классифицируют в соответствии с катализируемыми ими реакциями

Названия многих ферментов образовались в результате добавления суффикса «-аза» к названию их субстрата или к слову (фразе), описывающему суть их действия. Так, уреаза (от англ. urea) катализирует гидролиз мочевины, а ДНК-полимераза катализирует полимеризацию нуклеотидов с образованием нити ДНК. Некоторые другие ферменты были названы первооткрывателями в соответствии с какой-то особенностью их действия, прежде чем были обнаружены их специфические реакции. Например, фермент, участвующий в расщеплении пищи, был назван пепсином — от греч. pepsis, что означает «пищеварение»; лизоцим был назван так за свою способность лизировать клеточные стенки бактерий. Кроме того, существуют ферменты, название которых происходит от источника, из которого они были выделены: слово «трипсин» частично происходит от греч. tryein, что означает «стирать», поскольку он был получен при натирании панкреатической ткани глицерином. Иногда один и тот же фермент имеет несколько названий, а два разных фермента могут называться одинаково. Из-за этой путаницы с терминологией, а также в связи с возрастающим количеством вновь открываемых ферментов было принято международное соглашение о создании системы единой номенклатуры и классификации ферментов. В соответствии с этой системой все ферменты в зависимости от катализируемых ими реакций делятся на шесть основных классов, каждый из которых включает в себя несколько подклассов (табл. 6-3). Фермент имеет классификационный номер из четырех цифр и систематическое название, отражающее суть катализируемой им реакции. Например, формальным систематическим названием для фермента, катализирующего реакцию

АТР + D-глюкоза —> ADP + D-глюкозо-6-фосфат,

является АТР: гексозо-6-фосфотрансфераза, что означает, что данный фермент катализирует перенос фосфорильной группы с АТР на гексозу. Этот фермент имеет классификационный номер (Enzyme Commission number) ЕС 2.7.1.1. Первая цифра номера (2) отражает класс фермента (трансфераза), вторая цифра (7) определяет подкласс (фосфотрансфераза), третья цифра (1) относится к подподклассу фосфотрансфераз, имеющих в качестве акцептора гидроксильную группу, а последняя цифра (1) означает порядковый номер данного фермента в его подподклассе; в данном случае эта цифра означает, что в качестве акцептора фосфорильной группы выступает D-гексоза. Для обозначения многих ферментов гораздо чаще используют тривиальные названия, в частности обсуждаемый фермент называется гексокиназой. Полный список и описание тысяч известных ферментов создаются Комитетом по номенклатуре Международного союза по биохимии и молекулярной биологии (wwvv. chem. qmul. ac.uk/iubmb/cnzyme). Данная глава посвящена в первую очередь общим принципам действия всех ферментов.

Таблица 6-3. Международная система классификации ферментов

Краткое содержание раздела 6.1 Введение

■ Жизнь зависит от существования мощных и специфических катализаторов — ферментов. Почти все биохимические реакции протекают с участием этих катализаторов.

■ За исключением нескольких каталитических РНК, все известные ферменты являются белками. Многим из них для проявления каталитической активности требуется присутствие коферментов или кофакторов.

■ Ферменты классифицируют в соответствии с типом реакции, которую они катализируют. Всем ферментам присвоены EC-номера (ЕС — enzyme classification) и названия, а у многих ферментов есть также тривиальные названия.