Глава 9. Ферменты (энзимы)
Ферменты – самый крупный и высокоспециализированный класс белковых молекул, при помощи которых реализуется действие генов в осуществлении жизненно необходимых химических реакций в организме животных. Ферментативной активностью обладают также матричные РНК, называемые рибозимами. К настоящему времени открыто более тысячи ферментов, наиболее востребованные получены в кристаллическом виде и используются во многих областях – медицине, в сельском хозяйстве, пищевой промышленности и т.д.
История энзимологии. Термин фермент предложен в XVII веке химиком ван Гельмонтом при обсуждении механизмов пищеварения (от лат. fermentum – закваска). Термин энзим (от греч. – дрожжи, закваска) предложен в 1876 г. В. Кюне для ферментов, секретируемых клетками желудка. Л.Пастер (1866) установил, что процесс спиртового и молочно-кислого брожения катализируется «живыми» ферментами, т.е. микроорганизмами. Э. Бухнер доказал в 1897 г., что бесклеточный дрожжевой сок способен катализировать спиртовое брожение так же, как и неразрушенные дрожжевые клетки; Дж. Самнер в 1926 г. выделил фермент уреазу в кристаллической форме; каталитическая активность РНК была обнаружена в 1980г. Т.Чеком.
Название многих ферментов образуются путем добавления суффикса – аза к названию субстрата, т.е. того вещества, на которое воздействует данный фермент. Уреаза катализирует гидролиз мочевины (англ. urea-юреа-мочевина) до NH3 и CO2 , аргиназа катализирует гидролиз аргинина до орнитина и мочевины. Суммарное название ферментов для определенного класса веществ: протеазы – ферменты расщепляющие белки (протеины), липазы, расщепляющие липиды (жиры), карбогидразы – углеводы, нуклеазы – нуклеиновые кислоты и т.д. Слова фермент и энзим имеют равный смысл.
Ферменты, или энзимы – это катализаторы, что в классическом химическом понимании означает вещество, которое влияет на скорость химических реакций без появления в конечных продуктах; характерно, что катализатор остается неизмененным по завершении реакции. Энзимы способны повышать скорость реакции в 109 -1012 раз по сравнению с некатализированной реакцией. Реакции, катализируемые энзимами, теоретически являются обратимыми и должны достигать равновесия. В живых клетках продукты реакции удаляются, и реакции являются в значительной мере однонаправленными и не достигают равновесия, скорее, они достигают стабильного состояния, в котором концентрации реактантов остаются относительно постоянными.
Каждая живая клетка содержит сотни энзимов и может функционировать эффективно только тогда, когда действия энзимов благоприятно скоординированы. Важно подчеркнуть, что в пределах клетки энзимы существуют в разных компартаментах: клетка не ящик, в котором они в беспорядке разбросаны. Например, энзимы 1-ой стадии в окислении глюкозы (гликолитический путь) присутствуют в цитоплазме, в то время как ферменты дыхательной цепи, включенные в цикл трикарбоновых кислот, находятся в митохондриях; ферменты, катализирующие процессы обмена нуклеиновых кислот, локализованы в ядре и т.д.
9.1. Классификация энзимов
Энзимы классифицируются на 6 больших групп в соответствии с характером их действия.
Оксидоредуктазы катализируют окислительно – восстановительные реакции, лежащие в основе биологического окисления. В результате реакции происходит перенос водорода, кислорода или элекронов от одной молекулы к другой, например, лактат окисляется в пируват в присутствии лактатдегидрогеназы. В процессе реакции два электрона и два атома водорода отрываются от спиртовой группы, образуя кетон, и трансформируются с образованием никотинамидадениндинуклеотида (НАДН) (+Н+ ).
Группа включает:
-
дегидрогеназы;
-
оксидазы;
-
пероксидазы;
-
каталазы;
-
оксигеназы;
-
гидроксилазы.
Трансферазы – большая группа энзимов, которые катализируют перенос от субстрата (донор) к другому веществу (акцептор) разных функциональных групп, таких как ацетил, амино и фосфат от одной молекулы к другой. Например, при образовании глюкоза-6-фосфат из глюкозы при освобождении энергии в теле добавление фосфатной группы происходит в присутствии гексокиназы:
Группа включает:
-
трансальдолазы и транскетолазы;
-
ацетил-, глюкозил- и фосфорилтрансферазы;
-
киназы;
-
фосфомутазы.
Гидролазы катализируют гидролитическое расщепление внутримолекулярных связей (за исключением С-С связей) в субстратах с присоединением Н2О . Типичным является гидролиз жиров и белков. Жир может быть разрушен до глицеридов (ацилглицеролов) и жирных кислот под воздействием липазы.
Подобным образом пептидазы расщепляют белки путем гидролиза пептидных связей между смежными аминокислотами.
Эта группа включает:
-
эстеразы;
-
гликозидазы;
-
пептидазы;
-
фосфатазы;
-
тиолазы;
-
фосфолипазы;
-
амидазы;
-
дезаминазы;
-
рибонуклеазы.
Лиазы – энзимы, которые катализируют негидролитический разрыв С-О, С-С, С-N и других связей, включая отрыв определенных групп при декарбоксилировании или дезаминировании. Пируват декарбосилаза, например, катализирует превращение 2-оксо-кислоты в альдегид, при этом удаляется двуокись углерода:
