Ферменти.

СТРУКТУРА, ВЛАСТИВОСТІ.

Ферменти (ензими) — біологічні каталізатори білкової природи, які синте-зуються в клітинах живих організмів та забезпечують необхідні швидкість і координацію біохімічних реакцій, що становлять обмін речовин (метаболізм).

Розділ біохімії, що вивчає структуру, властивості та механізми дії ферментів, називається ензимологією. Прийняті в ензимології позначення:

Е — фермент, ензим ("enzyme"; англ.) — біологічний каталізатор;

S — субстрат ("substrate"; англ.) — хімічна речовина, сполука, перетворення якої каталізує фермент;

Р — продукт ("product"; англ.) — сполука, що утворилася в результаті фермен-тативної реакції.

ВЛАСТИВОСТІ ФЕРМЕНТІВ ЯК БІОЛОГІЧНИХ КАТАЛІЗАТОРІВ

Ферменти—специфічні білки, в основі каталітичної дії яких лежать загальні фізико-хімічні та термодинамічні за-кономірності хімічної кінетики. Білкову природу ферментів беззаперечно довів Дж.Самнер (1926), який отримав перші кристалічні препарати ферменту уреази.

Властивості ферментів

- ферменти значно підвищують швидкість перебігу біохі-мічних реакцій, але не входять до складу кінцевих продуктів реакції;

- ферменти забезпечують перебіг лише тих біохімічних реакцій, які можливі, виходячи із загонів термодинаміки;

- ферменти прискорюють швидкість як прямої, так і зво-ротної реакції перетворення субстрату, не змінюючи конс-танти рівноваги (К) реакції та зменшуючи термін часу до досягнення стану рівноваги (або стаціонарного стану у від-критій метаболічній системі);

- протягом реакції фермент певним чином взаємодіє із субстратом, що перетворюється, але до складу кінцевих продуктів реакції не входить. Під час перебігу біохімічної реакції, що каталізується, відбувається циклічний процес, в ході якого фермент та субстрат підлягають ступеневому перетворенню з утворенням продукту реакції та регене-рацією ферменту;

- ферменти є високоспецифічними каталізаторами, тобто діють, як правило, на структурно близькі субстра-ти, що мають певний хімічний зв'язок, структурно подібні радикали або функціональні групи. Проявом високої специфічності ферментів є їх стереоспецифічність, тобто здатність перетворювати тільки певні стереоізо-мери, наприклад L- або D-амінокислоти, D- або L-mo-носахариди;

- відповідно до білкової природи, каталітична активність ферментів дуже чутлива до змін фізико-хімічних властивостей середовища (рН, температури), які можуть впливати на структурну організацію молекул ферментів, спричиняючи в певних умовах їх денатурацію;

- активність ферментів може суттєво змінюватися під впливом певних хімічних сполук, що збільшують (активатори) або зменшують (інгібітори) швидкість реакції, яка каталізується.

Одиниці виміру активності ферментів

Оскільки кількість ферменту в біологічному об'єкті в більшості випадків визна-чити неможливо, для характеристики швидкості біохімічної реакції, що каталі-зується певним ферментом, за умов сталості інших показників середовища (фізико-хімічних параметрів, концентрації активаторів та інгібіторів) користуються значен-нями активності ферменту.

Одиниці активності ферментів — умовні величини, що базуються на лінійній залежності швидкості ферментативної реакції від кількості ферменту (або кіль-кості його молекул, що перебувають у каталітично активному стані).

1. У біохімічній практиці загальноприйнятими є одиниці ферменту. Одиницею ферменту (U— unit; англ.) є така його кількість, яка каталізує

перетворення 1 мкмоля субстрату за 1 хв:

1 U = 1 мкмоль/хв.

2. При використанні одиниць системи СІ (SI) активність ферменту виражають в каталах (кат).

1 катал — така кількість ферменту, яка каталізує перетворення 1 моля субстрату за 1 с:

1 кат = 1 моль/с.

3. Розповсюдженою одиницею є питома активність ферменту, яка визнача-ється кількістю одиниць ферментної активності, що припадають на 1 мг білка в біологічному об'єкті (U/мг білка).

У медичній ензимології активність ферменту часто виражають в одиницях (U) на 1 л біологічної рідини, що досліджується, — сироватки крові, слини, сечі тощо (U/л).

НОМЕНКЛАТУРА ТА КЛАСИФІКАЦІЯ ФЕРМЕНТІВ

Номенклатура та класифікація ферментів, що є прийнятими в біохімії, були затверджені Комісією з ферментів Міжнародного біохімічного союзу (1961).

А. Номенклатура ферментів.

1. Систематична номенклатура.

Згідно із систематичною номенклатурою, назва (найменування) ферменту включає в себе: хімічну назву субстрату або субстратів; тип реакції, що каталі-зується; суфікс -аза.

2. Тривіальна номенклатура.

Тривіальні назви ферментів утворюються на основі хімічної назви субстрату з додаванням суфікса -аза. У біохімії існують також загальноприйняті, історично усталені назви ферментів, що не відображають хімічної природи реакції, зокрема, пепсин, трипсин, тромбін, плазмін тощо. Тривіальна назва (або назви) ферменту звичайно вказується в дужках.

Наприклад:

Систематична назва ферменту (Е): карбамідамідогідролаза.

Тривіальна назва ферменту: уреаза {urea — сечовина; лат.).

Б. Класифікація ферментів.

Ферменти поділяють накласи згідно з типом реакції, яку вони каталізують; класи ферментів поділяють шпідкласи, а останні—на підпідкласи, в складі яких кожному ферменту відповідає певний номер.

1-й клас. Оксидоредуктази — ферменти, що каталізують окислювально-відновлювальні реакції різних типів.

До оксидоредуктаз належать дегідрогенази — ферменти, що каталізують реакції дегідрування, оксидази, що окислюють субстрати шляхом приєднання кисню, цитохроми — переносники електронів тощо.

2-й клас. Трансферази — ферменти, що каталізують реакції міжмолекулярного переносу хімічних груп.

Трансферази поділяють на амінотрансферази, метилтрансферази, ацил-трансферази, фосфотрансферази, глікозилтрансферази — ферменти, що переносять амінні, метальні, ацильні, фосфатні, глікозильні групи, відповідно.

До трансфераз належать також кінази, зокрема протеїнкінази — ферменти, що каталізують фосфорилювання субстратів та інших білків за рахунок фосфатного залишку АТФ.

3-й клас. Гідролази — ферменти, що каталізують реакції гідролізу, тобто розщеплення субстратів за участю молекули води.

Гідролази здатні розщеплювати складноефірні, пептидні, глікозидні та інші зв'язки — естерази, пептидази та протеази, глікозидази.

МЕХАНІЗМИ КАТАЛІЗУ. КІНЕТИКА. РЕГУЛЯЦІЯ

МЕХАНІЗМИ ДІЇ ФЕРМЕНТІВ

Ферменти збільшують швидкості біохімічних реакцій, які вони каталізують, у 108-1020 разів; при відсутності ферменту будь-яка метаболічна реакція практично не відбувається. Відомо, що константа швидкості хімічної реакції залежить від її енергії активації та температури, що виражається рівнянням Арреніуса в експонен-ційній формі:

Під енергією активації (ДЕ в рівнянні Арреніуса) в хімічній термодинаміці ро-зуміють додаткову енергію, необхідну для переходу молекул (субстратів S) у перехідний (активований) стан (S*), який передує їх перетворенню в продукти реакції. Згідно з цим, експоненційний член рівняння е–ДЕ/RT (фактор Больцмана) — доля молекул у системі, які мають енергію, достатню для хімічного перетворення.

Оскільки всі метаболічні