Біологія. Довідник школяра та абітурієнта
Ферменти
Ферменти — це біологічні каталізатори білкової природи.
Усі хімічні процеси, що відбуваються в живому організмі, прискорюються специфічними каталізаторами, які одержали назву ферментів, або ензимів. З ферментами людина знайома дуже давно: виготовлення сиру, випікання хліба, пивоваріння, виноробство, виробництво спирту тощо базуються на дії ферментів. Речовини, стійкі за звичайних умов, в організмі під дією ферментів легко розщеплюються. За своєю природою всі ферменти — білки.
Властивості ферментів
Ферменти — термолабільні сполуки. Це означає, що під дією високих температур вони денатурують. Спочатку з підвищенням температури активність їх різко знижується, а згодом припиняється взагалі. За температури 80 °С ферменти руйнуються. Виняток становлять лише окремі ферменти, які витримують температуру 100 °С. За низьких температур (нижче 0 °С) ферменти припиняють свою дію, але не руйнуються. Для більшості ферментів людини і ссавців оптимальною температурою функціонування ферментів є +37 ... +40 °С. Таким чином, чутливість до температури — характерна властивість ферментів, що пояснюється їх білковою природою. Кожний фермент виявляє свою максимальну за відповідної концентрації йонів Гідрогену, тобто за певного значення pH, яке одержало назву pH-оптимуму. Для більшості ферментів людини і ссавців оптимальне значення pH є в слабокислому або слаболужному середовищі. Проте відомі ферменти, які виявляють максимальну активність, якщо pH = 1,5-2,5 (пепсин шлункового соку) і якщо pH = 8,00 (хімотрипсин дванадцятипалої кишки).
Зміну каталітичної активності ферменту за різних значень pH пояснюють насамперед зміною тієї просторової конфігурації, яка детермінує його каталітичні властивості. Однією з найважливіших особливостей, що відрізняє ферменти від інших каталізаторів, є висока специфічність їх дії. Вона полягає в тому, що кожний фермент діє на певну речовину (субстрат) або на декілька близьких за хімічною структурою речовин. Залежно від того, може фермент каталізувати одну реакцію (діяти лише на одну речовину) чи кілька (діяти на групу схожих за будовою речовин), розрізняють абсолютну та відносну специфічність. Прикладом абсолютно специфічного ферменту може слугувати фермент уреаза, який розщеплює речовину на вуглекислий газ та аміак. Навіть на таку близьку до сечовини речовину, як тіосечовина, уреаза вже не діє. Більшість ферментів має відносну специфічність. До таких ферментів належать естерази, які розщеплюють ефірні зв’язки; протеолітичні ферменти травного каналу, що розщеплюють пептидні зв’язки в білках, ліпази та інші. Серед ферментів є й такі, що виявляють свою дію залежно від просторової конфігурації, тобто мають просторову специфічність. Так, ферменти, які окиснюють D-амінокислоти, не окиснюють їх L-форми. Слід підкреслити, що специфічність будь-якого ферменту завжди виявляється в чітко визначених умовах, зокрема, за певної концентрації йонів Гідрогену. Ферменти прискорюють перебіг хімічних реакцій як убік розщеплення якоїсь речовини, так і в бік її синтезу, тобто діють в обох напрямках.
Крім температури й значення pH, на активність ферментів впливає концентрація субстрату. За малих концентрацій субстрату реакція відбувається повільно, але з підвищенням концентрації швидкість реакції поступово зростає і за певних значень стає постійною. Відбувається процес так званого насичення ферменту субстратом. Подальше збільшення концентрації субстрату призводить до уповільнення реакції. Велике значення для швидкості реакції має і концентрація самого ферменту. За оптимальної концентрації речовини швидкість реакції пропорційна до концентрації ферменту в розчині. На активність ферментів впливають хімічні сполуки, що містяться в реакційній системі. Одні з них підвищують активність ферментів і мають назву активатори. Ними можуть бути катіони металів й аніони кислот Са2+, Mg +, Mn2+, Со2+) та аніони кислот (Cl-), органічні речовини (наприклад, ліпаза підшлункової залози, яка розщеплює жири, активується жовчними кислотами). Відомі випадки, коли активність ферментів зростала після додавання до розчину незначної кількості білків, які самі по собі не мають властивостей ферментів. Речовини, що знижують активність ферментів, називають інгібіторами. Ними є, наприклад, катіони важких металів.
Властивості ферментів
1. Ферменти значно підвищують швидкість перебігу біохімічних реакцій, але не входять до складу кінцевих продуктів реакції.
2. Забезпечують перебіг лише тих біохімічних реакцій, які можливі за законами термодинаміки.
3. Прискорюють швидкість як прямої, так і зворотної реакції перетворення субстрату, не змінюючи константи рівноваги (Кр) реакції та зменшуючи термін часу для досягнення стану рівноваги (або стаціонарного стану у відкритій метаболічній системі).
Каталітичний цикл ферменту
4. Під час реакції фермент певним чином взаємодіє із субстратом, але до складу кінцевих продуктів реакції не входить. Під час перебігу біохімічної реакції, що каталізується, відбувається циклічний процес, під час якого фермент та субстрат зазнають ступеневого перетворення з утворенням продукту реакції та регенерацією ферменту.
5. Це високоспецифічні каталізатори, тобто вони діють, як правило, на структурно близькі субстрати, що мають певний хімічний зв’язок, структурно подібні радикали або функціональні групи. Виявом високої специфічності ферментів є їх стереоспецифічність, тобто здатність перетворювати лише певні стереоізомери, наприклад, L-амінокислота або D-амінокислоти, D-моносахарид або L-моносахарид.
6. Каталітична активність ферментів дуже чутлива до змін фізико-хімічних властивостей середовища (pH, температури), які можуть впливати на структурну організацію молекул ферментів, спричиняючи в певних умовах їх денатурацію.
7. Активність ферментів може суттєво змінюватися під впливом певних хімічних сполук, що збільшують (активатори) або зменшують (інгібітори) швидкість реакції, яка каталізується.
Будова ферментів
Ферменти як речовини білкової природи поділяють на прості (ферменти-протеїни) й складні (ферменти-протеїди).
Ферменти-протеїни складаються лише з амінокислот. У більшості з них до складу молекули входить один поліпептидний ланцюг, який має характерну вторинну структуру у вигляді а- та β-спіралей (іноді вони мають третинну й четвертинну структури).
За хімічними властивостями прості ферменти відносять до альбумінів, глобулінів та інших груп простих білків.
Ферменти-протеїди складаються із двох частин: термолабільної білкової й термостабільної небілкової. Білкову частину складного ферменту називають апоферментом, небілкову — кофактором. Комплекс кофактора з апоферментом називають холоферментом. Зв’язок між апоферментом і кофактором у молекулах складних ферментів неоднаковий. У багатьох випадках кофактори слабо зв’язані з апоферментом, з’єднуються з ним лише під час ферментативної реакції й легко відокремлюються у процесі діалізу. У цьому разі кофактор називають коферментом. Деякі кофактори сполучені з апоферментом міцним ковалентним зв’язком. Такий кофактор називають простетичною групою. Проте проводити чітку межу між коферментом і простетичною групою не можна, оскільки в складі одного ферменту-протеїду кофактор може бути міцно сполучений з апоферментом, у складі іншого — слабо. Тому такий розподіл є умовним. Слід підкреслити, що апофермент каталітично не активний, а кофактор має дуже слабку активність.
Повноцінний фермент, або активний каталізатор, утворюється лише в результаті з’єднання коферменту з апоферментом. При цьому специфічні властивості ферменту і швидкість реакції обумовлюються лише білковою частиною, а перетворення субстрату, перенесення атомів, електронів, різних функціональних груп здійснюються коферментом. Як правило, у ролі коферментів виступають вітаміни та їх похідні. Крім вітамінів, роль коферментів виконують також йони Cu2+, Fe2+, Mg2+, Mn2+.
Функції коферментів різні. Головною з них є формування так званого активного центру ферменту й здійснення контакту молекули ферменту з молекулою субстрату. Крім того, коферменти беруть участь у переносі електронів, протонів, атомів, амінних груп під час реакцій, а також виконують об’єднувальну функцію між окремими ферментами, забезпечуючи узгодженість їх дії.
Коферменти — порфіринові комплекси. Порфіринові комплекси є складниками низки окисно-відновних ферментів, які здійснюють перенесення електронів, зокрема цитохромів. Активною частиною цих ферментів є ферумпорфіриновий комплекс. Найбільш вивченим коферментом порфіринової групи є цитохром С.
Спеціалізовані центри ферментів. Молекули ферментів мають більші розміри, ніж молекули субстратів, і складну просторову конфігурацію. У молекулі ферменту розрізняють три спеціалізовані центри: активний, субстратзв’язувальний та алостеричний. Кожна частина молекули строго спеціалізована, тобто виконує певну роль.
Активний центр — динамічне утворення. У простих ферментів він являє собою унікальне об’єднання залишків певних амінокислот, які розміщені в різних місцях поліпептидного ланцюга молекули білка. Такими залишками є радикали гістидину, серину, аргініну, триптофану, цистеїну, тирозину, аспарагінової й глутамінової амінокислот.
У молекулах простих ферментів активний центр виникає в результаті того, що поліпептидний ланцюг молекули білка набуває такої конфігурації, за якої радикали зазначених вище амінокислот опиняються поруч. Утворюється своєрідна «кишеня», у якій відбуваються каталітичні перетворення субстрату. Такою конфігурацією, як правило, є третинна структура поліпептидного ланцюга. Таким чином, активний центр ферментів протеїнів виникає в той момент, коли білкова молекула набуває характерної для неї третинної структури. Тому зміна цієї структури може викликати деформацію або руйнування активного центру й ослаблення ферментативної активності.
У складних ферментів роль активного центру виконує його небілкова частина, тобто кофактор, а білкові функціональні групи, що прилягають до нього: HS- — цистеїну, ОН- — серину, СООН- — аспарагінової та глутамінової кислот, імідазольне кільце гістидину та ін. Активний центр, утворений радикалами зазначених амінокислот або кофактором, характеризується чіткою геометричною конфігурацією. Тому даний фермент може виявляти каталітичну дію на субстрат, будова молекул якого має точну геометричну відповідність структурі активного центру, подібно до того як ключ підходить до замка. Відповідністю будови активного центру ферменту та субстрату пояснюється висока специфічність ферментів, лише субстрат певної будови може увійти в тісний контакт з активним центром ферменту.
У молекулах ферментів розрізняють також спеціалізовану ділянку для зв’язку із субстратом, її ще називають субстратним центром, або «якірним» майданчиком. Установлено, що прикріплення субстрату до цієї ділянки в одних ферментів відбувається в результаті взаємодії субстрату з ε-аміногрупою амінокислоти лізину, в інших — з ділянкою вільної СООН-групи глутамінової кислоти і HS-групою цистеїну, які розташовані, як правило, у субстратному центрі молекули ферменту. Проте встановлювати чітку межу між активним і субстратним центром, не можна, оскільки у природних ферментах субстратний центр може збігатися або перекриватися з активним. Уявлення про наявність у молекулах білків певних ділянок допомагає краще зрозуміти каталітичну функцію ферментів.
У молекулах ферментів є також ділянки, розташовані на деякій відстані від активного й субстратного центрів. Їх називають алостеричними, або регулятивними, центрами. До цих центрів можуть приєднуватися різні речовини, спричиняючи зміну просторової конфігурації молекули ферменту. Як наслідок, відбувається зміна конфігурації й активного центру, що супроводжується збільшенням або зменшенням каталітичної активності ферменту. Через алостеричний центр на активність ферменту можуть впливати різні регулятивні чинники, якими виступають продукти ферментативних реакцій, гормони та продукти їх обміну, медіатори нервової системи тощо, регулятивні чинники, що підвищують активність ферментів, називають алостеричними активаторами, що зменшують її — алостеричними інгібіторами. Нині відомо десятки ферментів, які мають алостеричні центри. Такі ферменти називають алостеричними, або регулятивними, тобто ферментами, активність яких регулюється. У поліферментних системах регулятивні ферменти, як правило, першими починають каталітичне перетворення субстрату і припиняють свою дію під впливом кінцевого продукту ферментативних реакцій. Такий регульований вплив на активність алостеричного ферменту кінцевим продуктом називають принципом зворотного зв’язку.
Цей принцип лежить в основі молекулярної саморегуляції більшості ферментативних процесів (біосинтезу білків, глікогену, окиснення вуглеводів тощо).
Класифікація та номенклатура ферментів
Висока специфічність дії ферментів зумовлює велику їх кількість. Майже кожна реакція, що відбувається в живому організмі, здійснюється за участі специфічного ферменту або групи ферментів. Зараз відомо близько 2 000 різних ферментів і їх кількість збільшується. В основу класифікації ферментів було покладено принцип поділу всіх ферментів за типом хімічних реакцій, які вони каталізують. Усі відомі реакції, що відбуваються в організмі, поділені на шість основних типів:
- 1) окисно-відновні реакції;
- 2) процеси перенесення окремих груп від одних субстратів до інших;
- 3) реакції розщеплення субстратів за участі води (гідроліз);
- 4) процеси відщеплення деяких груп з утворенням подвійних зв’язків без участі води;
- 5) реакції, за яких одні речовини перетворюються в інші без зміни кількості атомів (процеси ізомерації);
- 6) синтетичні процеси, у результаті яких утворюються нові речовини з використанням енергії АТФ. Відповідно до шести типів хімічних реакцій усі відомі ферменти поділяють на шість класів.
• Оксиредуктази — ферменти, що каталізують окисно-відновні реакції, тобто перенесення електронів та атомів Гідрогену від однієї речовини (донатора) до іншої (акцептора). У результаті реакцій, що каталізуються оксиредуктазами, клітини одержують хімічну енергію.
• Трансферази — клас ферментів, які каталізують транспортування різноманітних хімічних груп від однієї речовини (донатора) до іншої (акцептора). Клас трансфераз налічує близько 800 ферментів. Трансферази беруть участь в обміні білків, ліпідів, вуглеводів, нуклеїнових кислот.
• Гідролази — ферменти, що каталізують реакції розщеплення речовин за участі води. Гідролази доволі поширені в природі, беруть участь в обміні вуглеводів, жирів, білків та інших сполук.
• Ліази — ферменти, що каталізують реакції негідролітичного відщеплення певних груп з утворенням подвійних зв’язків або приєднання групи в місці подвійного зв’язку. Ці реакції здійснюються без використання енергії макроергічних сполук. Ліази, як правило, — складні ферменти, що містять як кофактори фосфатні етери водорозчинних вітамінів.
• Ізомерази — ферменти, які каталізують реакції внутрішньомолекулярного переміщення різних груп або реакції утворення ізомерів.
• Лігази (синтетази) — ферменти, за участі яких здійснюється з’єднання двох молекул з використанням енергії АТФ та утворенням нових зв’язків. Лігази називають ще синтетазами, оскільки вони є каталізаторами синтетичних реакцій. Це складні ферменти.
Внутрішньоклітинна локалізація ферментів
Переважна більшість ферментів діє всередині клітини, де вони утворилися, тобто є ендоферментами. При цьому для них характерна певна клітинна локалізація. Загалом локалізацію найважливіших груп ферментів усередині клітини можна зобразити так. У цитоплазмі у вигляді окремих молекул є численні ферменти: ферменти, що каталізують процеси анаеробного дихання або спиртового бродіння; перетворення цукрів; розщеплення крохмалю (а- і β-амілази). У ній же локалізовані всі ферменти синтезу вищих жирних кислот, багато ферментів, що каталізують синтез і взаємні перетворення амінокислот, а також численні гідролітичні ферменти.
Частина ферментів локалізована в органелах клітини: ядрі, мітохондріях, рибосомах тощо. У ядрі переважно містяться ферменти, що каталізують утворення нуклеїнових кислот. Усі ферменти й кофактори дихального ланцюга, а також усі ферменти окиснювального фосфорилювання, які беруть участь у створенні АТФ у клітині, локалізовані в мітохондріях. Тут також міститься повний набір ферментів, які каталізують реакції циклу трикарбонових кислот, а також ферменти, що каталізують окиснення жирних кислот. Крім того, у мітохондріях міститься багато амінотрансфераз, що каталізують реакції переамінування та ключовий фермент нітратного обміну (глутаматдегідрогеназа). Ферменти синтезу білків зосереджені переважно в рибосомах. У них містяться також ферменти, що каталізують синтез рибонуклеїнових кислот.
Біохімічні процеси, що відбуваються в клітині, є складними ланцюгами реакцій, які послідовно каталізуються декількома ферментами. Багато ферментів у клітині діють одночасно. При цьому речовина, одержана під дією першого ферменту, є субстратом для наступного і т. д. Утворюються так звані мультиферментні системи.
За ступенем складності мультиферментні системи можна розділити на три групи.
До першої групи належать системи, в яких окремі ферменти знаходяться в цитоплазмі й не зв’язані один з одним. До другої групи відносять системи, утворені у вигляді комплексів, які важко розпадаються на окремі ферменти. До третьої групи належать найбільш високоорганізовані мультиферментні системи — комплекси ферментів, які з’єднані з мембранами клітинних органел. Одиниці виміру активності ферментів
Кількість ферменту в біологічному об’єкті, здебільшого визначити неможливо, тому для характеристики швидкості біохімічної реакції, що каталізується певним ферментом, за умов сталості інших показників середовища (фізико-хімічних параметрів, концентрації активаторів та інгібіторів) користуються значеннями активності ферменту. Одиниці активності ферментів — умовні величини, що базуються на лінійній залежності швидкості ферментативної реакції від кількості речовини ферменту (або кількості його молекул, що перебувають у каталітично активному стані).
У біохімічній практиці загальноприйнятими є одиниці ферменту.
Одиницею ферменту (U) є така його кількість, яка каталізує перетворення 1 мкмоля субстрату за 1 хв: 1 U = 1 мкмоль/хв.
У разі використанні одиниць системи СІ активність ферменту виражають у каталах (кат). 1 катал — така кількість ферменту, яка каталізує перетворення 1 моля субстрату за 1 с: 1 кат = 1 моль/с.
Питому активність ферменту визначають кількістю одиниць ферментної активності, що припадають на 1 мг білка в біологічному об’єкті (U/мг білка).
У медичній ензимології активність ферменту часто виражають в одиницях (U) на 1 л біологічної рідини, яку досліджують (сироватка крові, слина, сеча тощо (U/л).
