Номенклатура и классификация ферментов

Раздел 1 Ферменты - их свойства и строение

Ферменты— биологические катализаторы белковой природы. Ферменты обладают высокой специфичностью по отношению к субстрату; каждый фермент катализирует единственную реакцию либо группу реакций одного типа.

Ферменты являются катализаторами с регулируемой активностью, чего нельзя сказать о катализаторах иной природы. Это уникальное свойство ферментов позволяет изменять скорость превращения вешеств в организме в зависимости от условий среды, т. е. приспосабливаться к действию различных факторов.

Строение ферментов

По строению ферменты делятся на простые (однокомпонентные) и сложные (двухкомпонентные). Простой фермент состоит только из белковой части; в состав сложного фермента входит белковая и небелковая составляющие. Иначе сложный фермент называют холоферментом. Белковую часть в его составе называют апоферментом, а небелковую — коферментом. Химическая природа коферментов была выяснена в 30-е гг. Оказалось, что роль некоторых коферментов играют витамины или вещества, построенные с участием витаминов В₁ В₂, В₅, В₆, В₁₂, Н, Q и др. Особенностью сложных ферментов является то, что отдельно апофермент и кофермент не обладают каталитической активностью.

В составе как простого, так и сложного фермента, выделяют субстратный, аллостерический и каталитический центры.

Каталитический центр простого фермента представляет собой уникальное сочетание нескольких аминокислотных остатков, расположенных на разных участках полипептидной цепи. Образование каталитического центра происходит одновременно с формированием третичной структуры белковой молекулы фермента. Чаще всего в состав каталитического центра простого фермента входят остатки серина, цистеина, тирозина, гистидина, аргинина, аспарагиновой и глутаминовой кислот.

Субстратный центрпростого фермента — это участок белковой молекулы фермента, который отвечает за связывание субстрата. Субстратный центр образно называют «якорной площадкой», где субстрат прикрепляется к ферменту за счет различных взаимодействий между определенными боковыми радикалами аминокислотных остатков и соответствующими группами молекулы субстрата. Субстрат с ферментом связывается посредством ионных взаимодействий, водородных связей; иногда субстрат и фермент связываются ковалентно. Гидрофобные взаимодействия также играют определенную роль при связывании субстрата с ферментом. В простых ферментах субстратный центр может совпадать с каталитическим; тогда говорят об активном центрефермента. Так, активный центр амилазы - фермента, гидролизующего a-1,4-гликозидные связи в молекуле крахмала — представлен остатками гистидина, аспарагиновой кислоты и тирозина; ацетилхолинэстеразы, гидролизующей сложноэфирные связи в молекуле ацетилхолина, остатками гистидина, серина, тирозина и глутаминовой кислоты. В активном центре карбоксипептидазы А, гидролизующей определенные пептидные связи в молекуле белка, локализованы остатки аргинина, тирозина и глутаминовой кислоты.

Аллостерический центрпредставляет собой участок молекулы фермента, в результате присоединения к которому какого-то низкомолекулярного вещества изменяется третичная структура белковой молекулы фермента, что влечет за собой изменение его активности. Аллостерический центр является регуляторным центром фермента.

В сложных ферментах роль каталитического центра выполняет кофермент, который связывается с апоферментом в определенном участке — кофермент связывающем домене. Понятия субстратного и аллостерического центров для сложного фермента и для простого аналогичны

При производстве пищевых продуктов питания используются различные виды биологического сырья. Чтобы повысить технологичность переработки данных видов сырья, увеличить сроки их хранения используют ферментные препараты. Любой вид биологического сырья содержит собственные ферменты. Также ферменты в сырье могут появляться за счёт сопутствующей микрофлоры. Ферментные препараты в основном получаются при культивировании различных штаммов микроорганизмов. Все ферментные препараты делятся на:

Ферменты растительного и животного происхождения;

Ферменты микробиологического происхождения.

Существует несколько классов ферментов.

1. К ферментам растительного происхождения относятся ферменты гидролитического и окислительно-восстановительного действия. Как правило, всё растительное сырьё содержит эту группу ферментов. При недостатке активных собственных ферментов данное сырьё обрабатывают ферментными препаратами. При хранении растительного сырья ферментная активность нежелательна, так как происходит снижение качественных и технологических свойств сырья. В связи с этим используют технологические приёмы (обезвоживание, снижение температуры, изменение рН-среды, исключение попадания ультрафиолетовых лучей и т.д.), которые приводят к инактивации ферментативной системы сырья.

2. Ферменты, относящиеся ко второму классу, как правило, микробиологического происхождения, характеризуются гидролитической активностью, могут вызвать быструю порчу сырья, готовой продукции, что снижает качественные показатели.

3. Ферменты животного происхождения. Выводятся они при переработке органического сырья. Как правило, они входят во внутриклеточную систему и синтезируются в процессе метаболизма этих клеток. Пример, дрожжи.

4. Основным признаком четвёртой группы ферментов является то, что к ним относятся уже препараты, активная часть которых может быть растворимой или находиться в связанной форме. Иногда используют индивидуальные ферменты, которые локализуются в определённых клетках.

Основная масса ферментных препаратов используется для трансформации любого биологического сырья и используется при производстве почти всех продуктов питания. Основная масса ферментных препаратов производится на основе культивирования промышленных штаммов микроорганизмов, преимущественно продуцирующих внеклеточные ферменты.

2 Ферментные вещества имеют белковую природу. Молекулярная масса ферментов колеблется в интервале от 9 до 1000 единиц. Все ферменты характеризуются каталитической активностью и специфичностью действия, что определяется их структурой. Ферменты обладают третьей или четвёртой структурой и имеют ряд особенностей, которые отличают их от неорганических катализаторов:

1. Огромная сила каталитического действия. В 10⁸-10²⁰ раз повышают скорость реакции по сравнению с действием неорганических катализаторов.

2. Специфичность действия, т.е. ферменты катализируют строго определённые реакции. Бывает

- абсолютная специфичность;

- групповая специфичность;

- по отношению к определённым типам реакций;

- стереохимическая (оптическая) специфичность.

3. Лабильность. Ферменты подвержены влиянию многих факторов и могут изменять свою активность под действием рН-среды, температуры, времени ферментативного гидролиза, соотношения фермент-субстрат и влажности субстрата, а также наличие ингибиторов и активаторов. Всё это обусловлено их белковой природой.

Ферменты бывают двух и однокомпонентные. Однокомпонентные ферменты состоят только из белка и некоторые включают в свой состав ионы металлов. Получают их методом синтеза, выходят во внешнюю среду и функционируют в ней. Это амилазы, целюлазы, протеиназы. Двухкомпонентные ферменты состоят из белковой части и кофермента. Кофермент как компонент продукта участвует в действии фермента в качестве обязательного кофактора. Двухкомпонентные ферменты в роли кофермента могут выступать следующие группы:

- коферменты алифатического ряда (глютатион и линоевая кислота);

- коферменты ароматического ряда;

- коферменты гетероциклических соединений (фолиевая кислота и производные витаминов В и В).

- коферменты-нуклеотиды и коферменты-нуклеозиды.

Некоторые коферменты соединяются с ионами металлов (каталаза, пероксидаза), которые соединяются с двух и трёхвалентным железом.

Дестабилизирующее действие.

Основным дестабилизирующим воздействием на ферменты является денатурация и протеолиз.

Денатурация ферментов – это существенное изменение вторичной и третичной структуры белка, не затрагивая первичную структуру. При денатурации фермента происходит нарушение системы нековалентных взаимодействий, что приводит к инактивации фермента. Денатурацию вызывают повышение температуры, кислоты (рН-среды), спирты и органические растворители. Процессу денатурации может подвергаться не вся молекула, поэтому денатурация при определённых условиях может быть обратимой (ренатурация). При ренатурации происходит не только восстановление структуры, но и активности фермента.

Протеолизу могут подвергаться только проденатурированные белковые молекулы. О степени денатурации белков очень часто судят по его перевариваемости протеазами. В технологических процессах протеолиз ферментных молекул приводит к потере их активности, что является отрицательным фактором, поэтому при использовании протеолитических ферментов необходимо помнить, что любые протеолитические ферменты имеют примесь протеаз.

Стабильность фермента – важнейшая характеристика, определяющая стратегию их применения. О стабильности судят по величине ферментативной активности после определения периода инкубации ферментного раствора, при различных рН-среды, температуры и концентрации каких-либо добавок. Стабильность ферментов повышают различные микродобавки (например, солей). При сочетании субстрата с микродобавкой достигается высокая эффективность стабильности. В качестве стабилизирующих добавок кроме солей используют ПАВ, хелаты, сахара, аминокислоты и т.д. выбор стабилизатора определяется особенностями фермента.

Активаторы ускоряют ферментативную реакцию за счёт благоприятного воздействия на конформацию молекулы фермента или состояние субстрата. В качестве активаторов ферментов могут выступать одновалентные или двухвалентные металлы.

Ингибиторы вызывают полное или частичное подавление активности фермента при сохранении пространственной структуры. Ингибирование может быть обратным, если созданы условия, при которых ингибирующее действие (рН-среды, температура, добавки) компенсируется.

Современная классификация делит ферменты на 6 классов по типу катализируемых реакций:

1. Гидролазы – расщепление полимеров с участием воды.

2. Оксидоредуктазы – катализируют окислительно-восстановительные реакции.

3. Лиазы – катализируют разрыв связей С-С, С-О, С-N.

4. Лигазы – катализируют соединение двух молекул, сопряжённых с гидролизом пирофосфатных связей АТФ или аналогичного трифосфата.

5. Трансферазы – катализируют реакции переноса.

6. Изомеразы – катализируют геометрические.

Механизм действия

Механизм действия простого и сложного ферментов одинаков, так как активные центры в их молекулах выполняют сходные функции.

В основе действия ферментов лежит их способность ускорять реакции за счет уменьшения энергии активации субстрата. Ферменты деформируют электоронные оболочки субстратов, облегчая таким образом взаимодействие между ними. Энергитя, необходимая для того, чтобы привести молекулы в активное состояние, называется энергией активации. Роль обычного катализатора (и еще в большей мере биологического) состоит в том, что он снижает энергию активации субстрата.

Основы механизма действия ферментов были изучены в начале XX в. В 1902 г. английский химик А.Браун высказал предположение о том, что фермент, воздействуя на субстрат, должен образовать с ним промежуточный фермент — субстратный комплекс. Одновременно и независимо от А. Брауна это же предположение высказал французский ученый В. Анри. В 1913 г. Л. Михэлис и М. Ментэн подтвердили и развили представления о механизме действия ферментов.

На первой стадии ферментативного катализа происходит образование фермент-субстратного комплекса, где фермент и субстрат могут быть связаны ионной, ковалентной или иной связью. Образование комплекса E-S происходит практически мгновенно.

На второй стадии субстрат под воздействием связанного с ним фермента видоизменяется и становится более доступным для соответствующей химической реакции. Эта стадия определяет скорость всего процесса. На этих стадиях ферментативного катализа происходят неоднократные изменения третичной структуры белка фермента, приводящие к последовательному сближению с субстратом и ориентации в пространстве тех активных групп, которые взаимодействуют друг с другом на различных этапах преобразования субстратов

На третьей стадии происходит химическая реакция, в результате которой образуется комплекс продукта реакции с ферментом.

Заключительным процессом является высвобождение продукта реакции из комплекса.

В организме превращение веществ до конечных продуктов происходит в несколько этапов, каждый из которых катализируется отдельным ферментом. Сумма энергии активации промежуточных реакций ниже энергии активации, необходимой для одновременного расщепления субстрата.

Свойства ферментов

Ферменты обладают всеми свойствами белков. Однако по сравнению с белками, выполняющими другие функции в клетке, ферменты имеют ряд специфических, присущих только им свойств.

Зависимость активности ферментов от температуры. Температура может влиять по-разному на активность фермента. При высоких значениях температуры может происходить денатурация белковой части фермента, что негативно сказывается на его активности. При определенных (оптимальных) значениях температура может влиять на скорость образования фермент-субстратного комплекса, вызывая увеличение скорости реакции. Температура, при которой каталитическая активность фермента максимальна, называется температурным оптимумом фермента. Различные клеточные ферменты имеют собственные температурные оптимумы, которые определяются экспериментально. Для ферментов животного происхождения температурный оптимум находится в интервале 40-50°С.

Зависимость активности фермента от рН-среды. Большинство ферментов проявляет максимальную активность при значениях рН, близких к нейтральным. Лишь отдельные ферменты работают в сильно кислой или сильно щелочной среде. Например, активность пепсина — фермента, гидролизующего белки в желудке, — максимальна при рН 1,5—2,5. В щелочной среде «работают» ферменты, локализованные в кишечнике. Изменение оптимального для данного фермента значения рН-среды может привести к изменению третичной структуры фермента, что скажется на его активности. С другой стороны, при изменении рН может измениться ионизация субстрата, что повлияет на образование фермент-субстратного комплекса.

Специфичность действия ферментов--одно из главных их свойств. Специфичность— это избирательность фермента по отношению к субстрату (или субстратам). Специфичность действия ферментов объясняется тем, что субстрат должен подходить к активному центру как «ключ к замку». Это образное сравнение сделано Э.Фишером в 1894 г.

Различают несколько видов специфичности.

Стереохамическая субстратная специфичность - фермент катализирует превращение только одного стереоизомера субстрата. Например, фумаратгидратаза катализирует присоединение молекулы воды к кратной связи фумаровой кислоты, но не к ее стереоизомеру - малеиновой кислоте.

Абсолютная субстратная специфичность – фермент катализирует превращение только одного субстрата. Например, уреаза катализирует гидролиз только мочевины.

Групповая субстратная специфичность – фермент катализирует превращение группы субстратов сходной химической структуры. Например, алкогольдегидрогеназа катализирует превращение этанола и других алифатических спиртов, но с разной скоростью.

Влияние на активность ферментов активаторов и ингибиторов. К числу факторов, повышающих активность ферментов, относятся катионы металлов и некоторые анионы. Чаще всего активаторами ферментов являются катионы Mg²⁺, Mn²⁺, Zn²⁺, К⁺ и Со²⁺, а из анионов — Сl^-. Катионы действуют на ферменты по-разному. В одних случаях они облегчают образование фермент-субстратного комплекса, в других — способствуют присоединению кофермента к апоферменту, либо присоединяются к аллостерическому центру фермента и изменяют его третичную структуру, в результате чего субстратный и каталитический центры приобретают наиболее выгодную для осуществления катализа конфигурацию.

Ингибиторы тормозят действие ферментов. Ингибиторами могут быть как эндогенные, так и экзогенные вещества. Механизмы ингибирующего действия различных химических соединений разнообразны.

Номенклатура и классификация ферментов

В настоящее время известно более 2000 ферментов. Все ферменты разделены на шесть классов, каждый из которых имеет строго определенный номер.

Оксидоредуктазы катализируют окислительно-восстановитель ные процессы.

Трансферазы катализируют реакции переноса функциональных групп и молекулярных остатков с одной молекулы на другую.

Гидролазыкатализируют реакции гидролиза.

Лиазыкатализируют реакции отщепления (кроме атомов водорода) с образованием двойной связи либо присоединения по двойной связи, а также негидролитический распад органических соединений либо синтез без участия макроэргических веществ.

Изомеразы катализируют процессы изменения геометрической или пространственной конфигурации молекул.

Лигазы катализируют реакции синтеза, сопровождающиеся гидролизом богатой энергией связи (как правило, АТФ).

Классы ферментов делятся на подклассы, а подклассы, в свою очередь, на подподхлассы. Подклассуточняет действие фермента, так как указывает в общих чертах на природу химической группы субстрата. Подподклассеще более конкретизирует действие фермента, уточняя природу атакуемой связи субстрата или природу акцептора, который участвует в реакции.

Система классификации предусматривает для каждого фермента специальный шифр, состоящий из четырех кодовых чисел, разделенных точками. Первая цифра в шифре обозначает номер класса, вторая — номер подкласса, третья — подподкласса и четвертая — порядковый номер в данном подподклассе. Так, лактатдегидрогеназа имеет шифр КФ 1.1.1.27, т. е. относится к первому классу, первому подклассу, первому подподклассу и занимает 27-е место в перечне ферментов упомянутого подподкласса.