Биологически активные вещества
высоких значениях к денатурации белка и снижению каталитической функции, а
с другой стороны, оказывает влияние на скорость реакции образования фермент-
субстратного комплекса и на все последующие этапы преобразования субстрата,
что ведет к усилению катализа.
Зависимость каталитической активности фермента от температуры
выражается типичной кривой. До некоторого значения температуры (в среднем
до 5О°С) каталитическая активность растет, причем на каждые 10°С примерно в
2 раза повышается скорость преобразования субстрата. В то же время
постепенно возрастает количество инактивированного фермента за счет
денатурации его белковой части. При температуре выше 50°С денатурация
ферментного белка резко усиливается и, хотя скорость реакций преобразования
субстрата продолжает расти, активность фермента, выражающаяся количеством
превращенного субстрата, падает.
Детальные исследования роста активности ферментов с повышением
температуры, проведенные в последнее время, показали более сложный характер
этой зависимости, чем указано выше: во многих случаях она не отвечает
правилу удвоения активности на каждые 10°С в основном из-за постепенно
нарастающих конформационных изменений в молекуле фермента.
Температура, при которой каталитическая активность фермента
максимальна, называется его температурным оптимумом. Температурный оптимум
для различных ферментов неодинаков. В общем для ферментов животного
происхождения он лежит между 40 и 50°С, а растительного - между 50 и 60°С.
Однако есть ферменты с более высоким температурным оптимумом, например, у
папаина (фермент растительного происхождения, ускоряющий гидролиз белка)
оптимум находится при 8О°С. В то же время у каталазы (фермент, ускоряющий
распад Н2О2 до Н2О и О2) оптимальная температура действия находится между 0
и -10°С, а при более высоких температурах происходит энергичное окисление
фермента и его инактивация.
Зависимость активности фермента от значения рН среды была установлена
свыше 50 лет назад. Для каждого фермента существует оптимальное значение рН
среды, при котором он проявляет максимальную активность. Большинство
ферментов имеет максимальную активность в зоне рН поблизости от нейтральной
точки. В резко кислой или резко щелочной среде хорошо работают лишь
некоторые ферменты.
Переход к большей или меньшей (по сравнению с оптимальной)
концентрации водородных ионов сопровождается более или менее равномерным
падением активности фермента.
Влияние концентрации водородных ионов на каталитическую активность
ферментов состоит в воздействии ее на активный центр. При разных значениях
рН в реакционной среде активный центр может быть слабее или сильнее
ионизирован, больше или меньше экранирован соседними с ним фрагментами
полипептидной цепи белковой части фермента и т.п. Кроме того, рН среды
влияет на степень ионизации субстрата, фермент-субстратного комплекса и
продуктов реакции, оказывает большое влияние на состояние фермента,
определяя соотношение в нем катионных и анионных центров, что сказывается
на третичной структуре белковой молекулы. Последнее обстоятельство
заслуживает особого внимания, так как определенная третичная структура
белка-фермента необходима для образования фермент-субстратного комплекса.
Специфичность - одно из наиболее выдающихся качеств ферментов. Эго
свойство их было открыто еще в прошлом столетии, когда было сделано
наблюдение, что очень близкие по структуре вещества - пространственные
изомеры (?- и ?-метилглюкозиды) расщепляются по эфирной связи двумя
совершенно разными ферментами.
Таким образом, ферменты могут различать химические соединения,
отличающиеся друг от друга очень незначительными деталями строения, такими,
например, как пространственное расположение метоксильного радикала и атома
водорода при 1-м углеродном атоме молекулы метилглюкозида.
По образному выражению, нередко употребляемому в биохимической
литературе, фермент подходит к субстрату, как ключ к замку. Это знаменитое
правило было сформулировано Э. Фишером в 1894 г. исходя из того, что
специфичность действия фермента предопределяется строгим соответствием
геометрической структуры субстрата и активного центра фермента.
В 50-е годы нашего столетия это статическое представление было
заменено гипотезой Д. Кошланда об индуцированном соответствии субстрата и
фермента. Сущность ее сводится к тому, что пространственное соответствие
структуры субстрата и активного центра фермента создается в момент их
взаимодействия друг с другом, что может быть выряжено формулой "перчатка -
рука". При этом в субстрате уже деформируются некоторые валентные связи и
он, таким образом, подготавливается к дальнейшему каталитическому
видоизменению, а в молекуле фермента происходят конформационные
перестройки. Гипотеза Кошланда, основанная на допущении гибкости активного
центра фермента, удовлетворительно объясняла активирование и ингибирование
действия ферментов и регуляцию их активности при воздействии различных
факторов. В частности, конформационные перестройки в ферменте в процессе
изменения его активности Кошланд сравнивал с колебаниями паутины, когда в
нее попала добыча (субстрат), подчеркивая этим крайнюю лабильность
структуры фермента в процессе каталитического акта.
В настоящее время гипотеза Кошланда постепенно вытесняется гипотезой
топохимического соответствия. Сохраняя основные положения гипотезы
взаимоиндуцированной настройки субстрата и фермента, она фиксирует внимание
на том, что специфичность действия ферментов объясняется в первую очередь
узнаванием той части субстрата, которая не изменяется при катализе. Между
этой частью субстрата и субстратным центром фермента возникают
многочисленные точечные гидрофобные взаимодействия и водородные связи.
3. Классификация ферментов
и характеристика некоторых групп.
По первой в истории изучения ферментов классификации их делили на две
группы: гидролазы, ускоряющие гидролитические реакции, и десмолазы,
ускоряющие реакции не гидролитического распада. Затем была сделана попытка
разбить ферменты на классы по числу субстратов, участвующих в реакции. В
соответствии с этим ферменты классифицировали на три группы. 1.
Катализирующие превращения двух субстратов одновременно в обоих
направлениях: А+В)С+D. 2. Ускоряющие превращения двух субстратов в прямой
реакции и одного в обратной: А+В)С. 3. Обеспечивающие каталитическое
видоизменение одного субстрата как в прямой, так и в обратной реакции: А)В.
Одновременно развивалось направление, где в основу классификации
ферментов был положен тип реакции, подвергающейся каталитическому
воздействию. Наряду с ферментами, ускоряющими реакции гидролиза
(гидролазы), были изучены ферменты, участвующие в реакциях переноса атомов
и атомных групп (феразы), в изомеризации (изомеразы), расщеплении (лиазы),
различных синтезах (синтетазы) и т. д. Это направление в классификации
ферментов оказалось наиболее плодотворным, так как объединяло ферменты в
группы не по надуманным, формальным признакам, а по типу важнейших
биохимических процессов, лежащих в основе жизнедеятельности любого
организма. По этому принципу все ферменты делят на 6 классов.
1. Оксидоредуктазы - ускоряют реакции окисления - восстановления. 2.
Трансферазы - ускоряют реакции переноса функциональных групп и молекулярных
остатков. 3. Гидролазы - ускоряют реакции гидролитического распада. 4.
Лиазы - ускоряют не гидролитическое отщепление от субстратов определенных
групп атомов с образованием двойной связи (или присоединяют группы атомов
по двойной связи). 5. Изомеразы - ускоряют пространственные или структурные
перестройки в пределах одной молекулы. 6. Лигазы - ускоряют реакции
синтеза, сопряженные с распадом богатых энергией связей. Эти классы и
положены в основу новой научной классификации ферментов.
К классу оксидоредуктаз относят ферменты, катализирующие реакции
окисления - восстановления. Окисление протекает как процесс отнятия атомов
Н (электронов) от субстрата, а восстановление - как присоединение атомов Н
(электронов) к акцептору.
В класс трансфераз входят ферменты, ускоряющие реакции переноса
функциональных групп и молекулярных остатков от одного соединения к
другому. Это один из наиболее обширных классов: он насчитывает около 500
индивидуальных ферментов. В зависимости от характера переносимых
группировок различают фосфотрансферазы, аминотрансферазы,
гликозилтрансферазы, ацилтрансферазы, трансферазы, переносящие
одноуглеродные остатки (метилтрансферазы, формил-трансферазы), и др.
