ФЕРМЕНТЫ - БИОКАТАЛИЗАТОРЫ

Ферменты - это белки, синтезируемые живыми клетками. Они являются катализаторами биологического происхождения, ускоряющими биохимические реакции. Термин «фермент» (от лат. fermentum - закваска) был предложен в начале XVII в. голландским ученым Ван Гельмонтом для веществ, влияющих на спиртовое брожение. Второе название ферментов - энзимы, что в переводе с греческого означает «в закваске», также связано с дрожжевыми клетками.

КАТАЛИТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ФЕРМЕНТОВ

В 1897 г. Эдварду Бухнеру впервые удалось выделить (в виде водного экстракта) из клетки набор ферментов, катализирующих расщепление сахара в процессе брожения. Тем самым было доказано, что выделенные из клетки ферменты сохраняют способность функционировать. Белковая природа ферментов была окончательно признана лишь в 1930-е годы после работ Джона Нортропа с сотрудниками, выделившими в чистом виде пепсин и трипсин и установившими их белковую природу. Однако даже в настоящее время многие вопросы, касающиеся ферментов, еще не получили полного ответа. Например, почему молекулы ферментов намного крупнее субстратов, на которые они действуют? Молекулярные массы ферментов лежат в пределах от 12 000 до 1 000 000, что намного превышает размеры их субстратов. Или каким образом аминокислоты, сами по себе не способные ускорять химические реакции, после соединения в специфические последовательности создают мощные каталитические системы?

Каталитическая активность ферментов зависит от степени сохранности нативной структуры белка и исчезает при нагревании белка или после воздействия на него денатурирующими агентами или растворами с экстремальными значениями pH. Таким образом, для сохранения каталитической активности ферментов важно сохранение их первичной, вторичной и третичной структур.

Для каталитической активности многих ферментов еще необходим дополнительный химический (небелковый) компонент - кофактор, представляющий собой молекулу, соединенную с ферментом и активизирующую его работу. Роль кофакторов играют неорганические вещества, например ионы Fe³⁺, Mn²⁺, Zn²⁺ или сложные органические вещества, которые в этом случае носят названия коферментов. Кофермент и ионы металлов связываются с белком фермента в ряде случаев временно и непрочно, в других - прочно и постоянно. В последнем случае небелковую часть фермента называют простетической группой. Комплекс фермента с кофактором носит название голофермент, а ферментная часть этого комплекса без кофактора называется апоферментом.

Коферменты можно разделить на три группы:

• 1) соединения с высоким потенциалом переноса химических групп, такие как ATP, GTP, которые участвуют в трансформации энергии в клетках. Поскольку освобождение АТР из комплекса с ферментом происходит только после расщепления, АТР чаще считают субстратом, а не коферментом. Однако АТР можно рассматривать и как фосфорилированную форму АМР или ADP, являющуюся переносчиком «высокоэнергетических» фосфатных групп;
• 2) соединения, часто являющиеся производными витаминов, которые, находясь в активном центре фермента, взаимодействуют с субстратом и так изменяют его структуру, что его реакционная способность повышается. Большинство коферментов, в том числе и кофермент А (СоА), пиридоксальфосфат, тиамин- дифосфат и коферментные формы витамина В12, относится к этой группе;
• 3) окислительные коферменты, в состав которых входят особые структуры со строго определенным окислительно-восстановительным потенциалом; коферменты этой группы выступают в роли переносчиков водорода или электронов, как например NAD⁺, NADP, FAD и липосвая кислота.

В табл. 4.1 приведен список некоторых ферментов, для которых необходимы ионы или атомы металлов в качестве кофакторов.

Таблица 4.1

Металлы, содержащиеся в ферментах