Enzimologiya

Обычно ферменты именуют по типу катализируемой реакции, добавляя суффикс -аза к названию субстрата (например, лактаза — фермент, участвующий в превращении лактозы). Таким образом, у различных ферментов, выполняющих одну функцию, будет одинаковое название. Такие ферменты различают по другим свойствам, например, по оптимальному pH (щелочная фосфатаза) или локализации в клетке (мембранная АТФаза).

Энзимология

Ферме́нты или энзи́мы (от лат. fermentum , греч. ζύμη , ἔνζυμον — дрожжи, закваска) — обычно белковые молекулы или молекулы РНК или их комплексы, ускоряющие (катализирующие) химические реакции в живых системах. Реагенты в реакции, катализируемой ферментами называются субстратами, а получающиеся вещества – продуктами. Ферменты специфичны к субстратам (АТФаза катализирует расщепление только АТФ, а киназа фосфорилазы фосфорилирует только фосфорилазу) Ферментативная активность может регулироваться активаторами и ингибиторами (активаторы – повышают, ингибиторы – понижают) Белковые ферменты синтезируются на рибосомах, а РНК – в ядре.

Термины «фермент» и «энзим» давно используют как синонимы (первый в основном в русской и немецкой научной литературе, второй — в англо- и франкоязычной).
Наука о ферментах называется энзимологией, а не ферментологией (чтобы не смешивать корни слов латинского и греческого языков).

История изучения

Термин фермент предложен в XVII веке химиком ван Гельмонтом при обсуждении механизмов пищеварения.

В кон. ХVIII — нач. XIX вв. уже было известно, что мясо переваривается желудочным соком, а крахмал превращается в сахар под действием слюны. Однако механизм этих явлений был неизвестен [1]

В XIX в. Луи Пастер, изучая превращение углеводов в этиловый спирт под действием дрожжей, пришел к выводу, что этот процесс (брожение) катализируется некой жизненной силой, находящейся в дрожжевых клетках.

Более ста лет назад термины фермент и энзим отражали различные точки зрения в теоретическом споре Л. Пастера с одной стороны, и М. Бертло и Ю. Либиха — с другой, о природе спиртового брожения. Собственно ферментами (от лат. fermentum — закваска) называли «организованные ферменты» (то есть сами живые микроорганизмы), а термин энзим (от греч. ἐν- — в- и ζύμη — дрожжи, закваска) предложен в 1876 году В. Кюне для «неорганизованных ферментов», секретируемых клетками, например, в желудок (пепсин) или кишечник (трипсин, амилаза). Через два года после смерти Л. Пастера в 1897 году Э. Бюхнер опубликовал работу «Спиртовое брожение без дрожжевых клеток», в которой экспериментально показал, что бесклеточный дрожжевой сок осуществляет спиртовое брожение так же, как и неразрушенные дрожжевые клетки. В 1907 году за эту работу он был удостоен Нобелевской премии.

Функции ферментов

Ферменты — белки, являющиеся биологическими катализаторами. Ферменты присутствуют во всех живых клетках и способствуют превращению одних веществ (субстратов) в другие (продукты). Ферменты выступают в роли катализаторов практически во всех биохимических реакциях, протекающих в живых организмах — ими катализируется около 4000 биореакций [2] . Ферменты играют важнейшую роль во всех процессах жизнедеятельности, направляя и регулируя обмен веществ организма.

Подобно всем катализаторам, ферменты ускоряют как прямую, так и обратную реакцию, понижая энергию активации процесса. Химическое равновесие при этом не смещается ни в прямую, ни в обратную сторону. Отличительной особенностью ферментов по сравнению с небелковыми катализаторами является их высокая специфичность — константа связывания некоторых субстратов с белком может достигать 10 −10 моль/л и менее. См. также Каталитически совершенный фермент

Ферменты широко используются в народном хозяйстве — пищевой, текстильной промышленности, в фармакологии.

Классификация ферментов

Основная статья: Шифр КФ

По типу катализируемых реакций ферменты подразделяются на 6 классов согласно иерархической классификации ферментов (КФ, EC — Enzyme Comission code). Классификация была предложена Международным союзом биохимии и молекулярной биологии (International Union of Biochemistry and Molecular Biology). Каждый класс содержит подклассы, так что фермент описывается совокупностью четырёх чисел, разделённых точками. Например, пепсин имеет название ЕС 3.4.23.1. Первое число грубо описывает механизм реакции, катализируемой ферментом:

КФ 1: Оксидоредуктазы, катализирующие окисление или восстановление. Пример: каталаза, алкогольдегидрогеназа
КФ 2: Трансферазы, катализирующие перенос химических групп с одной молекулы субстрата на другую. Среди трансфераз особо выделяют киназы, переносящие фосфатную группу, как правило, с молекулы АТФ.
КФ 3: Гидролазы, катализирующие гидролиз химических связей. Пример: эстеразы, пепсин, трипсин, амилаза, липопротеинлипаза
КФ 4: Лиазы, катализирующие разрыв химических связей без гидролиза с образованием двойной связи в одном из продуктов.
КФ 5: Изомеразы, катализирующие структурные или геометрические изменения в молекуле субстрата.
КФ 6: Лигазы, катализирующие образование химических связей между субстратами за счет гидролиза АТФ. Пример: ДНК-полимераза

Будучи катализаторами, ферменты ускоряют как прямую, так и обратную реакции, поэтому, например, лиазы способны катализировать и обратную реакцию — присоединение по двойным связям.

Соглашения о наименовании ферментов

Обычно ферменты именуют по типу катализируемой реакции, добавляя суффикс -аза к названию субстрата (например, лактаза — фермент, участвующий в превращении лактозы). Таким образом, у различных ферментов, выполняющих одну функцию, будет одинаковое название. Такие ферменты различают по другим свойствам, например, по оптимальному pH (щелочная фосфатаза) или локализации в клетке (мембранная АТФаза).

Кинетические исследования

Кривая насыщения химической реакции, иллюстрирующая соотношение между концентрацией субстрата [S] и скоростью реакции v

Простейшим описанием кинетики односубстратных ферментативных реакций является уравнение Михаэлиса — Ментен (см. рис.). На сегодняшний момент описано несколько механизмов действия ферментов. Например, действие многих ферментов описывается схемой механизма «пинг-понг».

Структура и механизм действия ферментов

Активность ферментов определяется их трёхмерной структурой [3] .

Как и все белки, ферменты синтезируются в виде линейной цепочки аминокислот, которая сворачивается определённым образом. Каждая последовательность аминокислот сворачивается особым образом, и получающаяся молекула (белковая глобула) обладает уникальными свойствами. Несколько белковых цепей могут объединяться в белковый комплекс. Третичная структура белков разрушается при нагревании или воздействии некоторых химических веществ.

Чтобы катализировать реакцию, фермент должен связаться с одним или несколькими субстратами. Белковая цепь фермента сворачивается таким образом, что на поверхности глобулы образуется щель, или впадина, где связываются субстраты. Эта область называется сайтом связывания субстрата. Обычно он совпадает с активным центром фермента или находится вблизи него. Некоторые ферменты содержат также сайты связывания кофакторов или ионов металлов.

У некоторых ферментов есть сайты связывания малых молекул, они могут быть субстратами или продуктами метаболического пути, в который входит фермент. Они уменьшают или увеличивают активность фермента, что создает возможность для обратной связи.

Для активных центров некоторых ферментов характерно явление кооперативности.

Специфичность

Ферменты обычно проявляют высокую специфичность по отношению к своим субстратам. Это достигается частичной комплементарностью формы, распределения зарядов и гидрофобных областей на молекуле субстрата и в центре связывания субстрата на ферменте. Ферменты демонстрируют высокий уровень стереоспецифичности, региоселективности и хемоселективности.

Модель «ключ-замок»

Гипотеза Кошланда об индуцированом соответствии

Более реалистичная ситуация в случае индуцированного соответствия. Неправильные субстраты — слишком большие или слишком маленькие — не подходят к активному центру

В 1890 г. Эмиль Фишер предположил, что специфичность ферментов определяется точным соответствием формы фермента и субстрата [4] . Такое предположение называется моделью «ключ-замок». Фермент соединяется с субстратом с образованием короткоживущего фермент-субстратного комплекса. Однако, хотя эта модель объясняет высокую специфичность ферментов, она не объясняет явления стабилизации переходного состояния, которое наблюдается на практике.

Модель индуцированного соответствия

В 1958 г. Дениел Кошланд предложил модификацию модели «ключ-замок» [5] . Ферменты, в основном, — не жесткие, а гибкие молекулы. Активный центр фермента может изменить конформацию после связывания субстата. Боковые группы аминокислот активного центра принимают такое положение, которое позволяет ферменту выполнить свою каталитическую функцию. В некоторых случаях молекула субстрата также меняет конформацию после связывания в активном центре. В отличие от модели «ключ-замок», модель индуцированного соответстия объясняет не только специфичность ферментов, но и стабилизацию переходного состояния.

Модификации

Многие ферменты после синтеза белковой цепи претерпевают модификации, без которых фермент не проявляет свою активность в полной мере. Такие модификации называются посттрансляционными модификациями (процессингом). Один из самых распространенных типов модификации — присоединение химических групп к боковым остаткам полипептидной цепи. Например, присоединение остатка фосфорной кислоты называется фосфорилированием, оно катализируется ферментом киназой. Многие ферменты эукариот гликозилированы, то есть модифицированы олигомерами углеводной природы.

Еще один распространенный тип посттранляционных модификаций — расщепление полипептидной цепи. Например, химотрипсин (протеаза, участвующая в пищеварении), получается при выщеплении полипептидного участка из химотрипсиногена. Химотрипсиноген является неактивным предшественником химотрипсина и синтезируется в поджелудочной железе. Неактивная форма транспортируется в желудок, где превращается в химотрипсин. Такой механизм необходим для того, чтобы избежать расщепления поджелудочной железы и других тканей до поступления фермента в желудок. Неактивный предшественник фермента называют также «зимогеном».

Кофакторы ферментов

Некоторые ферменты выполняют каталитическую функцию сами по себе, безо всяких дополнительных компонентов. Однако есть ферменты, которым для осуществления катализа необходимы компоненты небелковой природы. Кофакторы могут быть как неорганическими молекулами (ионы металлов, железо-серные кластеры и др.), так и органическими (например, флавин или гем). Органические кофакторы, прочно связанные с ферментом, называют также простетическими группами. Кофакторы органической природы, способные отделяться от фермента, называют коферментами.

Фермент, который требует наличия кофактора для проявления каталитической активности, но не связан с ним, называется апо-фермент. Апо-фермент в комплексе с кофактором носит название холо-фермента. Большинство кофакторов связано с ферментом нековалентными, но довольно прочными взаимодействиями. Есть и такие простетические группы, которые связаны с ферментом ковалентно, например, тиаминпирофосфат в пируватдегидрогеназе.

Литература

Волькенштейн М. В., Догонадзе Р. Р., Мадумаров А. К., Урушадзе З. Д., Харкац Ю. И. Теория ферментного катализа / Молекулярная биология. 1972. 431—439.
Koshland D. The Enzymes, V. I, Ch. 7. New York, Acad. Press, 1959.
Диксон, М. Ферменты / М. Диксон, Э. Уэбб. — В 3-х т. — Пер. с англ. — Т.1-2. — М.: Мир, 1982. — 808 с.

Сноски

↑Williams, Henry Smith, 1863—1943. A History of Science: in Five Volumes. Volume IV: Modern Development of the Chemical and Biological Sciences
↑Bairoch A. The ENZYME database in 2000 Nucleic Acids Res 28:304-305(2000).
↑ Anfinsen C.B. Principles that Govern the Folding of Protein Chains Science 20 July 1973: 223—230
↑ Fischer E, «Einfluss der Configuration auf die Wirkung der Enzyme» Ber. Dt. Chem. Ges. 1894 v27, 2985—2993.
↑ Koshland DE, Application of a Theory of Enzyme Specificity to Protein Synthesis. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1958 Feb;44(2):98-104.

Wikimedia Foundation . 2010 .

ЭНЗИМОЛОГИЯ

ЭНЗИМОЛОГИЯ (энзим[ы] + греческий logos учение) — раздел биохимии, посвященный изучению строения, механизма каталитического действия и молекулярной структуры ферментов. Энзимология занимается решением проблемы очистки и препаративного выделения ферментов (см.), их классификацией, изучением кинетики ферментативного катализа (см. Кинетика биологических процессов), специфичности, ингибирования и активации ферментов, исследованием их кофакторов (см. Коферменты), а также процесса биосинтеза ферментов, их биологии, практического применения, в том числе для энзимодиагностики (см. Ферменты) и энзимотерапии (см.). Энзимология тесно связана с химией (см.), физической химией (см.), биоорганической химией, биофизической химией (см.), молекулярной биологией (см.), микробиологией (см.), генетикой (см.), фармакологией (см.), токсикологией (см.), физиологией (см.), биофизикой (см.), биотехнологией (см.) и хим. технологией.

Этапы развития энзимологии. Началом научной энзимологии можно считать исследования Э. Бухнера и М. М. Манассеиной, которые экспериментально доказали химическую природу ферментов. Важной вехой становления энзимологии явилась разработка в начале 20 века основ ферментативной кинетики. Анри (V. Henri), Михаэлисом (L. Michaelis) и Ментен (М. L. Menten) было высказано предположение, что на начальной стадии ферментативной реакции между ферментом и субстратом образуется промежуточный фермент-субстратный комплекс и создана математическая модель этого процесса. Следующий этап развития энзимологии связан с выдвижением Э. Фишером гипотезы о структурном соответствии фермента молекуле субстрата, лежащем в основе субстратной специфичности ферментов. По мнению Э. Фишера, фермент подходит к своему субстрату, как ключ к замку. Эти представления были дополнены в 60-е годы 20 века гипотезой Кошленда (D. E. Kosh-land) о влиянии субстрата, сорбирующегося в активном центре фермента, на структуру самого фермента (так называемое индуцированное соответствие).

Переломный момент в истории энзимологии наступил в конце 20-х годов 20 века, когда впервые удалось получить в кристаллическом состоянии ферменты уреазу (см.) и пепсин (см.) и доказать, что ферменты являются белками (см.). В дальнейшем было установлено, что молекулы многих ферментов состоят из двух компонентов — белка и небелковой простетической труппы, роль которой в ряде случаев играют производные тех или иных витаминов (см.). Начиная с 50— -60-х годов 20 века была расшифрована пространственная структура молекул большого числа ферментов, а в 1969 году впервые осуществлен химический синтез фермента рибонуклеазы (см.).

Первой попыткой систематизации названий ферментов явилось предложение Дюкло (E. Duclaux, 1898) добавлять окончание «-аза» к слову или части слова, обозначающего субстрат, на который данный фермент действует, за исключением традиционно сложившихся названий пищеварительных ферментов, оканчивающихся на «-ин» — трипсин (см.), пепсин (см.) и ряд других. В 60— 70-х годы 20 века была разработана новая номенклатура и классификация ферментов (более 2 тысяч наименований). Все ферменты в соответствии с этой классификацией были разделены на 6 основных классов в следующей последовательности: оксидоредуктазы (см.), трансферази (см.), гидролазы (см.), лиазы, изомеразы (см.) и лигазы (синтетазы).

Энзимология и медицина. Недостаточность тех или иных ферментов вызывает в организме отклонения от физиологической нормы, получившие название энзимопатии (см.). Энзимопатии по предложению А. А. Покровского делят на: 1) наследственные, при которых синтез какого-либо фермента не происходит вообще или протекает с недостаточной интенсивностью или фермент синтезируется неактивным, потому что нарушено образование активного фермента из его профермента либо холофермента из ферментного белка (апофермента) и простетической группы (кофермента) и т. д.; 2) токсические, возникающие при избирательном ингибировании отдельных ферментов, при специфическом экзогенном избирательном торможении биосинтеза отдельных ферментов или общем угнетении биосинтеза белков; 3) алиментарные, развивающиеся при витаминной недостаточности (см.), нехватке белка, микроэлементов или при несбалансированном питании (см. Питание); 4) энзимопатии, вызванные нарушением нейрогуморальной регуляции; 5) энзимопатии, связанные с нарушением внутриклеточной организации ферментативных процессов.

Величина активности ряда ферментов (около 40) в крови, моче, фибробластах, эритроцитах и др. является важным диагностическим тестом. Изменение активности ферментов при патологических состояниях может быть либо причиной заболевания (энзимопатия), либо его следствием. Кроме того, многие ферменты используются как химические реактивы для определения составных частей тканей и жидкостей организма, например, уреазу применяют при количественном определении мочевины (см.), глюкозооксидазу — для определения глюкозы в моче и крови (см. Городецкого методы), холинэстеразу (см.) используют для определения остаточных количеств фосфорорганических соединений (см.), в том числе и в биологических субстратах.

Ферменты все шире применяют в качестве лекарственных средств. Энзимология изучает их фармакологические свойства, разрабатывает методы иммобилизации ферментов на нейтральных носителях и др. В фармакотерапии (см.) возрастает роль ферментных препаратов на основе иммобилизованных ферментов (стрептокиназы, стрептодеказы и др.), а также ферментов, вводимых в организм с помощью липосом. Ферментные препараты (см.) используют для возмещения дефицита ферментов при заместительной терапии; например, при некоторых формах гастрита (см.) назначают пищеварительные ферменты желудка и поджелудочной железы. Протеолитические ферменты (см. Пептид-гидролазы) применяют при лечении гнойно-воспалительных заболеваний или тромбозов. Однако при лечении наследственных энзимопатий (см. Наследственные болезни) ферментные препараты пока неэффективны.

В нашей стране и за рубежом курсы по энзимологии читают в университетах и медицинских институтах на кафедрах биохимии, физиологической химии и физиологии. Работы по проблемам энзимологии публикуют во всех периодических изданиях по биохимии, молекулярной биологии, физике, физической химии, биофизике и др.

Библиогр.: Введение в прикладную энзимологию, под ред. И. В. Березина и К. Мартинека, М.,1982; Вилкинсон Д. Принципы и методы диагностической энзимологии, пер. с англ., М., 1981; Диксон М. и Уэбб Э. Ферменты, пер. с англ., М., 1982; Кретович В.Л. Введение в энзимологию, М., 1974; Мосс Д. У. и Баттерворт П. Дж. Энзимология и медицина, пер. с англ., М., 1978; Номенклатура ферментов, пер. с англ., под ред. А. Е. Браунштейна, М., 1979; Розенгарт В. И. Ферменты — двигатели жизни, Л., 1983.

Е. В. Розенгарт.