Химическая природа и свойства ферментов

Ферменты (энзимы) — белки, действующие как катализаторы в биологических системах; белковая природа установлена в 1922 г. «Фермент» — от лат. fermentum (закваска); «энзим» — от греч. en (внутри) и zyme (закваска).

Правило: один ген → один белок-фермент → одна биохимическая реакция. Путь реализации: сигнал → активация структурного гена → транскрипция (мРНК) → трансляция на рибосоме → полипептидная цепь → фермент.

Терминология:

• метаболит — вещество, участвующее в метаболических процессах;
• субстрат — вещество, вступающее в реакцию;
• продукт — вещество, образующееся в реакции.

Активный центр — участок молекулы фермента, специфически взаимодействующий с субстратом и непосредственно участвующий в катализе:

• расположен в нише (кармане) молекулы;
• состоит из субстратного участка (контактная площадка) и каталитического участка;
• субстрат фиксируется не менее чем тремя точками связывания.

Аллостерический центр — вне активного; связывает «+»- и «−»-модуляторы (есть у регуляторных ферментов).

Состав ферментов:

• простые — только из аминокислот;
• сложные — апофермент (белок) + кофермент (небелковая органическая часть);
• формула: холофермент = апофермент + кофермент;
• простетическая группа — кофермент, связанный ковалентно (ФАД, ФМН, биотин, липоевая кислота);
• косубстрат — связан нековалентно, приходит на время реакции (НАД⁺, НАДФ⁺);
• кофакторы — ионы металлов (K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Zn²⁺, Cu²⁺, Fe²⁺…); АТФ присоединяется к киназам только в комплексе с Mg²⁺.

Сходство с неорганическими катализаторами:

• ускоряют только термодинамически возможные реакции;
• не смещают равновесие, а ускоряют его достижение;
• не расходуются в реакции;
• действуют в малых количествах;
• чувствительны к активаторам и ингибиторам.

Отличия ферментов:

• высокая специфичность;
• эффективность: ускорение в 10⁸–10¹⁴ раз, одна молекула фермента превращает 100–1000 молекул субстрата в секунду;
• мягкие условия (37–38 °C, pH 6,9–7,7, атмосферное давление) из-за конформационной лабильности;
• специфическая регулируемость;
• широкий диапазон действия.

Специфичность:

• субстратная абсолютная — один субстрат (уреаза);
• субстратная групповая — группа похожих субстратов (пепсин);
• стереоспецифичность — один стереоизомер (L-аминокислоты);
• каталитическая — выбор пути превращения: глюкозо-6-фосфат — субстрат четырёх ферментов с четырьмя разными продуктами.

Влияние температуры: ниже оптимума — активность снижена, денатурация обратима (хранение биоматериалов на холоде); выше оптимума — падение до нуля, денатурация необратима (стерилизация). pH-оптимумы: пепсин 1,0–1,5; трипсин — слабощелочная среда; щелочная фосфатаза — сильнощелочная; большинство ферментов 6,9–7,7.

Изоферменты — множественные формы одного фермента: катализируют одну и ту же реакцию, различаются первичной структурой и физико-химическими свойствами. Имеют четвертичную структуру из чётного числа субъединиц (2, 4, 6…).

ЛДГ — тетрамер из субъединиц Н (heart) и М (muscle), 5 изоформ: ЛДГ₁ (НННН) и ЛДГ₂ — миокард, почки (аэробный обмен); ЛДГ₄ и ЛДГ₅ (ММММ) — скелетные мышцы, печень (анаэробный). У зародыша преобладают ЛДГ₄–ЛДГ₅, после рождения в части тканей нарастают ЛДГ₁–ЛДГ₂. Разделяются электрофорезом (Н-цепи богаты дикарбоновыми аминокислотами, М — диаминокислотами).

Креатинкиназа — димер из субъединиц М и В: КК-ВВ — головной мозг (через гематоэнцефалический барьер не проходит, в крови не определяется), КК-МВ — миокард (маркёр инфаркта), КК-ММ — скелетные мышцы.

Локализация — три группы:

• общие (универсальные) — во всех клетках;
• органоспецифические: печень — аргиназа; почки и кости — щелочная фосфатаза; простата — кислая фосфатаза; поджелудочная железа — α-амилаза, липаза; миокард — КФК, ЛДГ, АСТ;
• органеллоспецифические (маркёры органелл): лизосомы — кислая фосфатаза; митохондрии — ферменты ЦТК; цитоплазма — ферменты гликолиза.

Итог распределения — компартментализация метаболизма. Строгая локализация ферментов закодирована в генах.