Лекция: ОБЩИЕ СВОЙСТВА ФЕРМЕНТОВ

Ферменты — биологические катализаторы белковой природы. Они значительно повышают скорость химических реакций, которые в отсут­ствие ферментов протекают очень медленно. При этом ферменты не рас­ходуются и не претерпевают необратимых изменений.

Каким образом ферменты повышают скорость реакций? Они уско­ряют химические реакции, находя «обходные пути», позволяющие мо­лекулам преодолевать активационный барьер на более низком энергети­ческом уровне. Это становится возможным потому, что ферментативная реакция состоит из 2-х стадий: на первой стадии происходит образова­ние фермент-субстратного комплекса, переходному состоянию которо­го соответствует значительно более низкая энергия активации; на вто­рой стадии этот комплекс распадается на продукты реакции и свобод­ный фермент, который может взаимодействовать с новой молекулой суб­страта. Это можно выразить следующим уравнением:

E + S↔ES→P + E,

где Е — фермент, S — субстрат, ES — фермент-субстратный комплекс, Р — продукты реакции.

Особенности ферментов.Ферменты, являясь по своей природе белка­ми, обладающими третичной или четвертичной структурой, имеют ряд особенностей, которые отличают их от неорганических катализаторов.

В первую очередь, это огромная сила каталитического дей­ствия. Ферменты в 108—1020 раз повышают скорость катализируемых ими реакций. Во-вторых, это специфичность действия фермен­тов. Они катализируют строго определенные реакции. Только благода-

ря тончайшей специфичности ферментативного катализа возможна стро­гая упорядоченность и теснейшая взаимосвязь отдельных ферментатив­ных реакций, лежащих в основе биологического обмена веществ.

По степени специфичности отдельные ферменты довольно сильно различаются между собой. Выделяют следующие основные типы специ­фичности:

— абсолютная специфичность — фермент катализирует превра­щение только одного субстрата;

— групповая специфичность — фермент действует на группу
родственных субстратов, обладающих определенными структурны­
ми особенностями;

—специфичность по отношению к определенным типам
реакций — такие ферменты обнаруживают наименьшую специфич-­
ность, они действуют независимо от того, какие группы присутствуют
вблизи той связи, на которую направлено действие фермента;

—стереохимическая специфичность — фермент катализирует
превращение только одной стереохимической формы субстрата.

Третьей особенностью ферментов, как биологических катализаторов, является их лабильность. Они подвержены влиянию различных фак­торов и могут изменять свою активность под действием рН, температу­ры, присутствия активаторов и ингибиторов и др. Лабильность (или, ины­ми словами, изменчивость) ферментов обусловлена их белковой приро­дой, сложной пространственной конфигурацией (структурой).

Влияние этих факторов на активность ферментов и скорость катали­зируемых ими реакций будет рассмотрена в разделе кинетики.

Многие ферменты являются двухкомпонентными, то есть состоят из белковой части — апофермента и связанного с ним небелкового компо­нента — кофермента, участвующего в действии фермента в качестве обя­зательного кофактора. В результате ферментативных реакций кофермен-ты, как правило, не подвергаются изменениям, однако при ряде после­довательно протекающих реакций кофермент может представлять собой субстрат для отдельных ферментов, хотя и регенерируется в конечном счете в исходной форме.

Химическая природа коферментов, их функции в ферментативных реакциях и механизм действия чрезвычайно разнообразны. Так, на­пример, в качестве коферментов могут выступать витамины и их про­изводные.

В соответствии с химическим строением коферменты можно подраз­делить на следующие группы: а) коферменты алифатического ряда (глу-татион, липоевая кислота); б) коферменты ароматического ряда (коэн-зим Q — убихинон); в) коферменты — гетероциклические соединения (производные витаминов В6, В1, биотина — витамина Н, производные

фолиевой кислоты); г) коферменты — нуклеотиды и нуклеозиды (коэн-зим А, НАД/НАДФ, ФАД/ФАДФ).

Единицы активности ферментов.Любой ферментный препарат преж­де всего должен быть охарактеризован по его ферментативной активнос­ти. Комиссия по ферментам Международного Биохимического Союза рекомендует использовать следующие понятия и выражения единиц ак­тивности ферментов.

—Стандартная единица фермента — это такое количество
фермента, которое катализирует превращение одного микромоля дан-­
ного субстрата за одну минуту при заданных условиях. Стандартная еди­-
ница фермента обозначается буквой Е (от русского слова «единица»)
или буквой U (от английского слова «unit»).

— Удельная активность —это число единиц (Е или U), отнесенное
к одному миллиграмму белка в ферментном препарате. Количество бел­-
ка в препарате фермента может быть определено любым известным
методом определения белка (метод Кьельдаля, метод Лоури и др.).

— Молекулярная активность — число молекул данного суб-­
страта или эквивалентов затронутых групп, превращаемых за одну ми­-
нуту одной молекулой фермента при оптимальной концентрации суб­-
страта. Это понятие соответствует числу оборотов, введенных Вар-
бургом. Число оборотов по Варбургу — это число молей превращен­
ного субстрата, приходящееся на моль фермента за минуту. Для
определения молекулярной активности фермента нужно знать его мо-­
лекулярную массу.

— Катал —каталитическая активность, способная осуществлять ре­-
акцию со скоростью равной 1 молю в секунду в заданной системе измере­-
ния активности. Каталитическая активность в 1 катал (кат) при прак­-
тическом применении оказывается слишком большой величиной, по­
этому в большинстве случаев каталитические активности выражают в
микрокаталах (мккат), нанокаталах (нкат) или пикокаталах (пкат).
Стандартная единица фермента находится с каталом в следующем со­-
отношении: 1 Е (U) = 16,67 нкат.