fermenty 11

ФЕРМЕНТЫ
Ферме́нты, или энзи́мы (от лат. fermentum, греч.ζύμη, ἔνζυμον — закваска) —
обычно белковые молекулы или молекул РНК (рибозимы) 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.В XIX в. Луи Пастер, изучая
превращение углеводов в этиловый спирт под действием дрожжей, пришёл 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 ла. fermentum —
закваска) называли «организованные ферменты» (то есть сами живые
микроорганизмы), а терминэнзим (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. Бухнер 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. Впервые высокоочищенный кристаллический фермент (уреаза)
был выделен в 1926 году Дж. Самнером. В течение последующих 10 лет было выделено
ещё несколько ферментов, и белковая природа ферментов была окончательно
доказана.
Каталитическая активность РНК впервые была обнаружена в 1980-е годы у прерРНК Томасом Чеком, изучавшим сплайсинг РНК у инфузории Tetrahymena
thermophila. Рибозимом оказался участок молекулы пре-рРНК Tetrahymena,
кодируемый интроном внехромосомного гена рДНК; этот участок осуществлял
аутосплайсинг, то есть сам вырезал себя при созревании рРНК.
ФУНКЦИИ ФЕРМЕНТОВ



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. К 2013 году было описано
более 5000 разных ферментов. Они 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. Каждая молекула
фермента способна выполнять от нескольких
тысяч до нескольких миллионов «операций» в
секунду.
КЛАССИФИКАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ
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, липопротеинли
паза.
 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 счёт 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.
МНОЖЕСТВЕННЫЕ ФОРМЫ ФЕРМЕНТОВ
Изоферменты — это ферменты, синтез которых кодируется
разными генами, у них разная первичная структура и разные
свойства, но они катализируют одну и ту же реакцию. Виды
изоферментов:
 Органные — ферменты гликолиза в печени и мышцах.
 Клеточные — малатдегидрогеназа цитоплазматическая и
митохондриальная (ферменты разные, но катализируют одну и ту
же реакцию).
 Гибридные — ферменты с четвертичной структурой, образуются в
результате нековалентного связывания отдельных субъединиц
(лактатдегидрогеназа — 4 субъединицы 2 типов).
 Мутантные — образуются в результате единичной мутации гена.
 Аллоферменты — кодируются разными аллелями одного и того же
гена.
Собственно множественные формы (истинные) — это ферменты,
синтез которых кодируется одним и тем же аллелем одного и того же
гена, у них одинаковая первичная структура и свойства, но после
синтеза на рибосомах они подвергаются модификации и становятся
разными, хотя и катализируют одну и ту же реакцию.
 Изоферменты разные на генетическом уровне и отличаются от
первичной последовательности, а истинные множественные
формы становятся разными на посттрансляционном уровне.
МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ ФЕРМЕНТОВ
В основу теории механизма действия ферментов положено образование фермент-субстратного
комплекса. Механизм действия фермента, исходя из работ Брауна, Михаэлиса и Ментен можно
представить поэтапно:

1. образование фермент-субстратного комплекса (субстрат прикрепляется к активному центру
фермента).

2. на второй стадии ферментативного процесса, которая протекает медленно, происходят
электронные перестройки в фермент-субстратном комплексе. Фермент (Еп) и субстрат (8)
начинают сближаться, чтобы вступить в максимальный контакт и образовать единый ферментсубстратный комплекс. Продолжительность второй стадии зависит от энергии активации
субстрата или энергетического барьера данной химической реакции. Энергия активации энергия, необходимая для перевода всех молекул 1 моля 8 в активированное состояние при
данной температуре. Для каждой химической реакции существует свой энергетический барьер
(см. наглядный материал). Благодаря образованию фермент-субстратного комплекса снижается
энергия активации субстрата, реакция начинает протекать на более низком энергетическом
уровне. Поэтому вторая стадия процесса лимитирует скорость всего катализа.

3. на третьей стадии происходит сама химическая реакция с образованием продуктов
реакции. Третья стадия процесса непродолжительна. В результате реакции субстрат
превращается в продукт реакции; фермент-субстратный комплекс распадается и фермент выходит
неизмененным из ферментативной реакции. Таким образом, фермент дает возможность за счет
образования фермент-субстратного комплекса проходить химической реакции обходным путем на
более низком энергетическом уровне.
МЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ



Связь между ферментами и наследственными болезнями обмена веществ была
впервые установлена А. Гэрродом в 1910-е гг. Гэррод назвал заболевания,
связанные с дефектами ферментов, «врожденными ошибками метаболизма».
Если происходит мутация в гене, кодирующем определенный фермент, может
измениться аминокислотная последовательность фермента. При этом в
результате большинства мутаций его каталитическая активность снижается
или полностью пропадает. Если организм получает два таких мутантных гена
(по одному от каждого из родителей), в организме перестает идти химическая
реакция, которую катализирует данный фермент. Например, появление
альбиносов связано с прекращением выработки фермента тирозиназы,
отвечающего за одну из стадий синтеза темного пигмента
меланина. Фенилкетонурия связана с пониженной или отсутствующей
активностью фермента фенилаланин-4-гидроксилазы в печени.
В настоящее время известны сотни наследственных заболеваний, связанные с
дефектами ферментов. Разработаны методы лечения и профилактики многих
из таких болезней.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ


Ферменты широко используются в народном
хозяйстве — пищевой, текстильной промышленности,
в фармакологии и медицине. Большинство лекарств
влияют на течение ферментативных процессов в
организме, запуская или приостанавливая те или
иные реакции.
Ещё шире область использования ферментов в
научных исследованиях и в медицине.
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ ☻