ОСОБЕННОСТИ ФЕРМЕНТОВ КАК БИОЛОГИЧЕСКИХ КАТАЛИЗАТОРОВ

Одной из особенностей ферментов как биологических катализаторов является мощная сила их каталитического действия, в десятки и сотни тысяч раз превосходящая силу действия небиологических катализаторов.

Сравним эффективность действия ферментов и небиологических катализаторов на примере реакции разложения пероксида водорода на воду и кислород:

Эта реакция может катализироваться ионами железа Fe³⁺, а также содержащим железо ферментом каталазой. В табл. 8 приведены данные, которые ясно показывают, насколько выше эффективность ферментативного катализа по сравнению с неферментативным.

Таблица 8

Снижение катализаторами энергии активации, необходимой для разложения Н₂0₂ на воду и кислород

Как видно, 1 моль железа в составе неорганического катализатора — гидрата окиси железа (III) FeO(OH) обладает низкой эффективностью: в течение 1 с при О °С он катализирует разложение всего лишь 0,00001 моля пероксида водорода. Каталаза же в пересчете на 1 моль железа, за 1 с при тех же самых условиях катализирует расщепление 100 000 молей пероксида водорода. Следовательно, 1 моль железа в составе фермента каталазы в 10 млрд раз более эффективен как катализатор разложения пероксида водорода, чем 1 моль железа в составе неорганического катализатора.

Вследствие огромной силы каталитического действия содержание ферментов в клетках и тканях живых организмов очень мало. Поэтому о количестве фермента судят по скорости химической реакции, которую он катализирует, т.е. по его активности. Чаще всего активность фермента определяют по количеству образовавшихся продуктов реакции в единицу времени.

Другой важнейшей особенностью, отличающей ферменты от небиологических катализаторов, является высокая специфичность их действия. Если действие небиологических катализаторов (Pt, Fe, Ni и т.д.) универсально и они способны ускорять сотни всевозможных превращений химических веществ различной структуры, ферменты среди огромного числа органических соединений «узнают» свой субстрат и взаимодействуют только с ним. Более того, каждый фермент в отличие от неорганических катализаторов ускоряет строго определенную реакцию.

Таким образом, ферменты проявляют специфичность действия одновременно по отношению и к химической природе субстратов, и к типам катализируемых реакций. В связи с этим различают, соответственно, субстратную и реакционную специфичность действия ферментов.

Некоторые ферменты обладают абсолютной субстратной специфичностью, т.е. воздействуют лишь на один-единственный субстрат. В живых организмах, однако, такие ферменты встречаются редко; к их числу принадлежат, например, каталаза и уреаза:

Подавляющее большинство ферментов проявляет относительную, или групповую, субстратную специфичность: они воздействуют на группу субстратов, имеющих однотипное химическое строение. Для таких ферментов важны лишь тип разрушаемой или создаваемой химической связи в молекуле субстрата, а также химическая структура присутствующих в нем определенных молекулярных группировок. Ферментами, проявляющими групповую специфичность, являются, например, пепсин и трипсин, катализирующие расщепление пептидных связей в белках, или липаза, катализирующая разрушение сложноэфирных связей в жирах.

Особым случаем субстратной специфичности является стереохи- мическая специфичность: при наличии у субстрата нескольких сте- реоизомерных форм фермент катализирует превращение лишь одной из них. Например, фермент аспарагиназа катализирует гидролитическое отщепление амидной группы только от L-аспарагина и не действует на D-аспарагин:

Стереохимическая специфичность действия ферментов теснейшим образом связана с одной из основных особенностей живых организмов — способностью синтезировать аминокислоты, моносахариды и другие асимметричные молекулы в форме пространственных изомеров, принадлежащих либо только к L-, либо только к D-ряду.

Существуют и другие типы стереоспецифического действия ферментов. Так, в процессах углеводного обмена большую роль играет стереоспецифическое расщепление ферментами гликозидных связей в различных субстратах: а-гликозидных связей — только а-глико- зидазами, а (3-гликозидных связей — только (3-гликозидазами.

Стереохимическая специфичность действия ферментов может быть как абсолютной, так и относительной.

Как правило, одно и то же химическое соединение является субстратом для нескольких ферментов. Однако вследствие высокой реакционной специфичности ферментативного катализа, выражающейся в способности каждого фермента катализировать только определенную химическую реакцию, превращение субстрата под воздействием одного фермента всякий раз происходит по одному и тому же «своему» пути. Следовательно, под влиянием различных ферментов один и тот же субстрат подвергается различным превращениям, приводящим к образованию совершенно разных продуктов.

Такая высокая степень специфичности действия ферментов является одной из важнейших особенностей живой материи. Только благодаря этой тончайшей специфичности ферментативного катализа обеспечиваются строгая упорядоченность и направленность протекания биохимических процессов в клетке, а также теснейшая взаимосвязь отдельных ферментативных реакций, которые в своем сочетании создают уникальный биологический обмен веществ.

Причина высокой избирательности ферментативного катализа кроется в белковой природе и уникальной структурной организации молекулы фермента. Как и все белки, ферменты являются высокомолекулярными веществами (молекулярная масса белков колеблется от 6 тыс. до 1 млн Да и более), поэтому их размеры намного превышают размеры субстратов или тех функциональных групп, на которые они воздействуют. Следовательно, во взаимодействии с субстратом принимает участие лишь небольшая часть химических группировок молекулы фермента, которая получила название активного центра фермента.

Активный центр фермента формируется на уровне третичной структуры ферментного белка, когда в результате специфического свертывания полипептидной цепочки в глобулу сближаются химические группы, ответственные за образование активного центра (рис. 36). В случае ферментных белков, обладающих четвертичной структурой, при создании активного центра дополнительно используются возможности, заложенные в этой структуре. Как правило, активный центр располагается в углублении поверхности фермента, по форме напоминающем нишу или щель.

Таким образом, активный центр фермента представляет собой комбинацию нескольких функциональных групп белка, строго определенным образом расположенных в пространстве относительно друг друга и обеспечивающих взаимодействие фермента с субстратом, благодаря чему осуществляется его каталитическое действие.

Конфигурация активного центра фермента определяет возможность присоединения к нему конкретного субстрата и образования промежуточного фермент-субстратного комплекса. Следовательно, специфичность действия ферментов обусловливается наличием геометрического соответствия структуры активного центра фермента структуре молекулы субстрата.

Представление о необходимости строгого структурного соответствия друг другу участников образования промежуточного комплекса ES нашло отражение в образном выражении Э.Г. Фишера о том, что

Рис. 36. Образование активного центра фермента (R_x и R_y — химические группировки, образующие активный центр) активный центр фермента соответствует своему субстрату, как ключ — замку (рис. 37). Взаимодействие фермента с субстратом в соответствии с этим знаменитым правилом является одним из многочисленных примеров реализации принципа комплементарности (от лат. complementum — дополнение) в живой природе.

Рис. 37. Схема взаимодействия субстрата с ферментом согласно теории строгого соответствия активного центра фермента субстрату

С помощью гипотезы «ключа и замка» Э.Г. Фишера хорошо объяснимо явление абсолютной субстратной специфичности действия ферментов, однако явление групповой специфичности с ее помощью объяснить трудно.

В развитие идей Э.Г. Фишера американским биохимиком Д.Э. Кош- ландом было высказано предположение, что строгое структурное соответствие активного центра фермента субстрату возникает лишь в момент их взаимодействия. Пока фермент находится в изоляции от субстрата, его активный центр лишь приблизительно комплементарен субстрату, полная же комплементарность возникает лишь при образовании промежуточного комплекса ES. Это положение было подтверждено экспериментально и получило название теории индуцированного (от лат. inductio — возбуждение) соответствия, согласно которой активный центр фермента соответствует субстрату так же, как резиновая перчатка — кисти руки (рис. 38).

Гипотеза Д.Э. Кошланда не только объясняет явление групповой субстратной специфичности действия ферментов, но и хорошо со-

Рис. 38. Схема взаимодействия субстрата с ферментом согласно теории индуцированного соответствия активного центра фермента субстрату гласуется с еще одной их важной особенностью — неустойчивостью, или лабильностью (от лат. labilis — скользящий). В этом отличительном свойстве наиболее ярко проявляется белковая природа ферментов, молекулы которых под влиянием разнообразных факторов способны существенно изменять свою нативную конформацию. При этом происходит изменение конформации активного центра фермента, которое влечет за собой изменение его способности присоединять субстрат, а следовательно, и каталитической активности фермента. Таким образом, ферменты являются катализаторами с регулируемой активностью.

Пространственная структурная организация ферментов может значительно меняться под влиянием изменения температуры, pH среды, присутствия в клетке или растворе каких-либо химических веществ. Рассмотрение вопросов влияния этих и других факторов на каталитическую активность ферментов составляет предмет ферментативной кинетики.