Ферменты. Специфичность ферментов
Все мы слышали о ферментах, но вряд ли каждый из нас досконально знает, как именно устроены эти вещества и зачем они нужны. Эта статья поможет разобраться в структуре и функциях в целом и их активных центров в частности.
История исследований
В 1833 году французский химик Ансельм Пайен выявил и описал свойства фермента амилазы.
Несколько лет спустя Луи Пастер, изучая превращение сахара в спирт при участии дрожжей, предположил, что этот процесс происходит за счет химических веществ, входящих в состав дрожжей.
В конце XIX века Физиолог Вилли Кюне впервые ввел в употребление термин "энзим".
Немец Эдуард Бухнер в 1897 году выделил и описал зимазу - ферментативный комплекс, который катализирует реакцию превращения сахарозы в этиловый спирт. В природе зимаза в большом количестве содержится в дрожжах.
Точно неизвестно, когда и кто открыл активный центр фермента. Это открытие приписывают лауреату Нобелевской премии химику Эдаурду Бухнеру, американскому биологу Джеймсу Самнеру и другим известным ученым, работавшим над изучением ферментативного катализа.
Общие сведения о ферментах
Напомним, что ферменты - вещества белковой природы, которые выполняют в живых организмах функции катализаторов химических реакций. В ферменте есть участки, которые непосредственно не принимают в этом участия, протекание реакции обеспечивает активный центр фермента.
Приведем некоторые свойства ферментов:
1) Эффективность. Небольшого количества катализатора достаточно, чтобы ускорить химическую реакцию в 10 6 раз.
2) Специфичность. Один фермент не универсальный катализатор любой реакции в клетке. Для ферментов выражена специфичность действия: каждый фермент катализирует только одну или же несколько реакций с похожими субстратами (исходными реагентами), но для реагентов другой химической природы этот же фермент может быть бесполезен. Взаимодействие с подходящими субстратами и дальнейшее ускорение реакции обеспечивает активный центр фермента.
3) Переменная активность. Активность ферментов в клетке постоянно меняется от низкой до высокой.
4) Концентрация некоторых ферментов в клетке не постоянна и может изменяться в зависимости от внешних условий. Такие ферменты в биологии называют индуцибельными.
Классификация ферментов
По своей структуре ферменты принято делить на простые и сложные. Простые состоят исключительно из аминокислотных остатков, сложные имеют в составе вещества небелковую группу. Сложные называют коферментами.
По типу катализируемых реакций ферменты делятся на:
1) Оксидоредуктазы (катализируют окислительно-восстановительные реакции).
2) Трансферазы (переносят отдельные группы атомов).
3) Лиазы (расщепляют химические связи).
4) Липазы (образуют связи в реакциях за счет энергии АТФ).
5) Изомеразы (учувствуют в реакциях взаимного превращения изомеров).
6) Гидролазы (катализируют химические реакции с гидролитическим расщеплением связей).
Структура фермента
Фермент - сложная трехмерная структура, в состав которой входят в основном аминокислотные остатки. Также есть простетическая группа - компонент небелковой природы, связанный с аминокислотными остатками.
Ферменты - в основном глобулярные белки, которые могут объединяться в сложные комплексы. Как и другие вещества белковой природы, ферменты денатурируют при повышении температуры или под воздействием некоторых химических реактивов. Во время денатурации изменяется третичная структура фермента и, соответственно, свойства активного центра ферментов. В результате активность энзима резко уменьшается.
Катализируемый субстрат обычно значительно меньше самого фермента. Самый простой энзим состоит из шестидесяти аминокислотных остатков, а его активный центр - всего из двух.
Существуют ферменты, каталитический участок которых представлен не аминокислотами, а простетической группой органического или (чаще) неорганического происхождения - кофактором.
Понятие об активном центре
Лишь небольшой участок фермента принимает непосредственное участие в химических реакциях. Эта часть фермента и называется активным центром. Активный центр фермента - это липид, несколько аминокислотных остатков или простетическая группа, которая связывается с субстратом и катализирует реакцию. Аминокислотные остатки активного центра могут принадлежать любым аминокислотам - полярным, неполярным, заряженным, ароматическим, незаряженным.
Активный центр фермента (это липид, аминокислоты или другие вещества, способные взаимодействовать с реагентами) - самая важная часть фермента, без него эти вещества были бы бесполезны.
Обычно молекула фермента имеет только один активный центр, связывающийся с одним или несколькими схожими реагентами. Аминокислотные остатки активного центра формируют водородные, гидрофобные или ковалентные связи, образуя энзим-субстратный комплекс.
Структура активного центра
Активный центр простых и сложных ферментов представляет собой карман или щель. Эта структура активного центра фермента должна электростатически и геометрически соответствовать субстрату, так как изменение третичной структуры фермента может изменить активный центр.
Связывающий и каталитический центр - участки активного центра фермента. Очевидно, что связывающий центр "проверяет" субстрат на совместимость и связывается с ним, а каталитический центр принимает непосредственное участие в реакции.
Связывание активного центра с субстратом
Для того чтобы пояснить, как же активный центр фермента связывается с тем или иным реагентом, было предложено несколько теорий. Самая популярная из них - теория Фишера, она же теория "замка и ключа". Фишер предположил, что существует фермент, идеально подходящий каждому субстрату по своим физико-химическим свойствам. После образования энзим-субстратного комплекса никаких модификаций не происходит.
Другой американский ученый - Дэниел Кошланд - дополнил теорию Фишера предположением о том, что активный центр фермента может менять свою конформацию до тех пор, пока не подойдет определенному субстрату.
Кинетика ферментативных реакций
Особенности протекания ферментативных реакций изучает отдельная отрасль биохимии - ферментативная кинетика. Эта наука изучает особенности протекания реакций при различных концентрациях ферментов и субстратов, внутри клетки, а также свойства активного центра ферментов в зависимости от изменения физических и химических параметров среды.
Ферментативная кинетика оперирует такими понятиями, как скорость реакции, энергия активации, активационный барьер, молекулярная активность, удельная активность и др. Рассмотрим некоторые из этих понятий.
Чтобы произошла биологическая реакция, реагентам необходимо передать некоторую энергию. Эта энергия называется энергией активации.
Добавление фермента к реагентам позволяет снизить Некоторые вещества на реагируют без участия энзимов, так как энергия активации слишком высока. Равновесие реакции при добавлении фермента не сдвигается.
Скорость реакции - количество продукта реакции, появившееся или исчезнувшее в единицу времени.
Зависимость скорости реакции от концентрации субстрата характеризует безразмерная физическая величина - константа Михаэлиса.
Молекулярная активность - количество молекул субстрата, преобразованных одной молекулой фермента в единицу времени.
Ферментами называются белки, обладающие каталитическими свойствами. В природе существуют как простые, так и сложные ферменты. Первые целиком представлены полипептидными цепями и при гидролизе распадаются исключительно на аминокислоты. Такими ферментами (простые белки) являются гидролитические ферменты, в частности пепсин, трипсин, папаин, уреаза, лизоцим, рибонуклеаза, фосфатаза и др. Большинство природных ферментов относится к классу сложных белков, содержащих, помимо полипептидных цепей, какой-либо небелковый компонент (кофактор), присутствие которого является абсолютно необходимым для каталитической активности. Кофакторы могут иметь различную химическую природу и различаться по прочности связи с полипептидной цепью. К основным свойствам ферментов как биокатализаторов относят: 1.Высокая активность. 2. Специфичность – способность катализировать превращение субстрата или одного типа связи. Высокая специфичность обусловлена конформационной и электростатической комплементарностью между молекулами субстрата и фермента и уникальной структурной организацией активного центра, который состоит из субстратсвязывающего участка(отвечает зв связывание субстрата) и каталитического участка(отвечает за выбор пути хим. превращения субстрата).Различают такие виды специфичности: 1)абсолютная субстратная -ферменты действуют только на 1-н определенный субстрат. Пример, уреаза, сукцинатДГ. 2)групповая специфичность - фермент действует на 1 тип связей(напр., пептидную, эфирную, гликозидную). Пример, липазы, фосфатазы, гексокиназы. 3) стереоспецифичность – фермент действует на 1-н вид оптического изомера и не действует на другой. Она обеспечена цис- и трансизомерией. Например, дрожжи сбраживают D- глюкозу, и не действуют на L- глюкозу.4) каталитическая специфичность – фермент катализирует превращение присоединенного субстрата по одному из возможных путей. 3. Термолабильность . Чем выше Т°, тем медленнее протекает реакция.(З-н Ван Гоффа). Для показателя возрастания скорости химической реакции используют температурный коэффициент ВанзГоффа Q 10 , который указывает на возрастание скорости реакции при повышении Т° на 10°С. Оптимум температуры для ферментов 37-40°, высокая активность 50-60°, выше этого показателя происходит денатурация, ниже 20°-ингибирование. При ингибировании и денатурации сильно снижается ферментативная активность. 4. Зависимость активности ферментов от pH. Каждый фермент проявляет максимальную активность при определенном значенииpH. Это значение называется оптимальным pH (для ферментов от 6 до 8). При pH оптимуме между ферментом и субстратом существует наилучшая пространственная и электростатическая комплементарность, которая обеспечивает их связывание, образование фермент – субстратного комплекса и дальнейшего его превращения.
Активный центр ф – область молекулы фермента, в которой происходит связывание и превращение субстрата. В простых ферментах активный центр формируется за счет аминокислотных остатков. В формировании актив центра сложных ферментов принимают участие не только аминокислотные остатки, но и небелковая часть (кофермент, простет группа). В активном центре различают каталитический центр, непосредственно вступающий в хим взаимодействие с субстратом, и субстрат-связывающий центр, который обеспечивает специфическое сродство к субстрату и формирование его комплекса с ферментом. Актив центр преимущественно располагается в углублении белковой молекулы. Строение актив центра обуславливает специфичность ферментов – способность катализировать превращение одного субстрата (или группы близкородственных суб-тов) или одного типа связи. Субстратсвязывающий участок активного центра определяет абсолютную и групповую субстратную специфичность, стереоспецифичность, каталитический участок определяет специфичность пути превращения.
Любые воздействия, приводящие к нарушению третичной структуры, приводят к искажению или разрушению структуры актив центра и соответственно потере ферментов каталитических свойств. Если удается восстановить нативную трехмерную структуру белка-фермента, то восстанавливается и его каталитическая активность.
Давно выяснено, что все ферменты являются белками и обладают всеми свойствами белков. Поэтому подобно белкам ферменты делятся на простые и сложные.
Простые ферменты состоят только из аминокислот – например, пепсин , трипсин , лизоцим .
Сложные ферменты (холоферменты ) имеют в своем составе белковую часть, состоящую из аминокислот – апофермент , и небелковую часть – кофактор . Примером сложных ферментов являются сукцинатдегидрогеназа (содержит ФАД), аминотрансферазы (содержат пиридоксальфосфат), пероксидаза (содержит гем), лактатдегидрогеназа (содержит Zn 2+), амилаза (содержит Ca2+ ).
Кофактор , в свою очередь, может называться коферментом (НАД+ , НАДФ+ , ФМН, ФАД, биотин) или простетической группой (гем, олигосахариды, ионы металлов Fe2+ , Mg2+ , Ca2+ , Zn2+ ).
Деление на коферменты и простетические группы не всегда однозначно:
если связь кофактора с белком прочная, то в этом случае говорят о наличии простетической группы
,
но если в качестве кофактора выступает производное витамина - то его называют коферментом
, независимо от прочности связи.
Для осуществления катализа необходим полноценный комплекс апобелка и кофактора, по отдельности катализ они осуществить не могут. Кофактор входит в состав активного центра, участвует в связывании субстрата или в его превращении.
Как многие белки, ферменты могут быть мономерами , т.е. состоять из одной субъединицы, и полимерами , состоящими из нескольких субъединиц.
Структурно-функциональная организация ферментов
В составе фермента выделяют области, выполняющие различную функцию:
1. Активный центр – комбинация аминокислотных остатков (обычно 12-16), обеспечивающая непосредственное связывание с молекулой субстрата и осуществляющая катализ. Аминокислотные радикалы в активном центре могут находиться в любом сочетании, при этом рядом располагаются аминокислоты, значительно удаленные друг от друга в линейной цепи. В активном центре выделяют два участка:
- якорный (контактный, связывающий) – отвечает за связывание и ориентацию субстрата в активном центре,
- каталитический – непосредственно отвечает за осуществление реакции.
Схема строения ферментов
У ферментов, имеющих в своем составе несколько мономеров, может быть несколько активных центров по числу субъединиц. Также две и более субъединицы могут формировать один активный центр.
У сложных ферментов в активном центре обязательно расположены функциональные группы кофактора.
Схема формирования сложного фермента
2. Аллостерический центр (allos – чужой) – центр регуляции активности фермента, который пространственно отделен от активного центра и имеется не у всех ферментов. Связывание с аллостерическим центром какой-либо молекулы (называемой активатором или ингибитором, а также эффектором, модулятором, регулятором) вызывает изменение конфигурации белка-фермента и, как следствие, скорости ферментативной реакции.
Аллостерические ферменты являются полимерными белками, активный и регуляторный центры находятся в разных субъединицах.
Схема строения аллостерического фермента
В качестве такого регулятора может выступать продукт данной или одной из последующих реакций, субстрат реакции или иное вещество (см "Регуляция активности ферментов ").
Изоферменты
Изоферменты – это молекулярные формы одного и того же фермента, возникшие в результате небольших генетических различий в первичной структуре фермента, но катализирующие одну и ту же реакцию . Изоферменты отличаются сродством к субстрату, максимальной скоростью катализируемой реакции, чувствительностью к ингибиторам и активаторам, условиями работы (оптимум pH и температуры).
Как правило, изоферменты имеют четвертичную структуру, т.е. состоят из двух или более субъединиц. Например, димерный фермент креатинкиназа (КК) представлен тремя изоферментными формами, составленными из двух типов субъединиц: M (англ. muscle – мышца) и B (англ. brain – мозг). Креатинкиназа-1 (КК-1) состоит из субъединиц типа B и локализуется в головном мозге, креатинкиназа-2 (КК-2) – по одной М- и В-субъединице, активна в миокарде, креатинкиназа-3 (КК-3) содержит две М-субъединицы, специфична для скелетной мышцы.
Также существует пять изоферментов лактатдегидрогеназы (роль ЛДГ) – фермента, участвующего в обмене глюкозы. Отличия между ними заключаются в разном соотношении субъединиц Н (англ. heart – сердце) и М (англ. muscle – мышца). Лактатдегидрогеназы типов 1 (Н 4) и 2 (H 3 M 1) присутствуют в тканях с аэробным обменом (миокард, мозг, корковый слой почек), обладают высоким сродством к молочной кислоте (лактату) и превращают его в пируват. ЛДГ-4 (H 1 M 3) и ЛДГ-5 (М 4) находятся в тканях, склонных к анаэробному обмену (печень, скелетные мышцы, кожа, мозговой слой почек), обладают низким сродством к лактату и катализируют превращение пирувата в лактат. В тканях с промежуточным типом обмена (селезенка, поджелудочная железа, надпочечники, лимфатические узлы) преобладает ЛДГ-3 (H 2 M 2).
Еще одним примером изоферментов является группа гексокиназ , которые присоединяют фосфатную группу к моносахаридам гексозам и вовлекают их в реакции клеточного метаболизма. Из четырех изоферментов выделяется гексокиназа IV (глюкокиназа ), которая отличается от остальных изоферментов высокой специфичностью к глюкозе, низким сродством к ней и нечувствительностью к ингибированию продуктом реакции.
Мультиферментные комплексы
В мультиферментном комплексе несколько ферментов прочно связаны между собой в единый комплекс и осуществляют ряд последовательных реакций, в которых продукт реакции непосредственно передается на следующий фермент и является только его субстратом. Возникает туннельный эффект , т.е. субстрат попадает в созданный ферментами "туннель". В результате промежуточные метаболиты избегают контакта с окружающей средой, снижается время их перехода к следующему активному центру и значительно ускоряется скорость реакции.
) и катализирующие конкретные реакции. Такая способность возникает в результате формирования промежуточного продукта при связывании антитела с антигеном (имитация переходного комплекса E-X ферментативной реакции).
АКТИВНЫЙ ЦЕНТР АКТИВНЫЙ ЦЕНТР
В энзимологии, часть молекулы фермента, ответственная за присоединение и превращение субстрата. Образуется функциональными группами аминокислотных остатков, расположенными строго определённым образом в пространстве за счёт сближения отд. участков полипептидной цепи. Структура А. ц. соответствует (комплементарна) химич. строению субстрата, благодаря чему достигается специфичность действия ферментов. Часто в построении А. ц. участвуют коферменты или атомы металлов. В одной молекуле фермента может быть неск. А. ц. В иммунологии А. ц.- участки молекул антитела, связывающиеся с бактериями, вирусами или др. антигенами.
.(Источник: «Биологический энциклопедический словарь.» Гл. ред. М. С. Гиляров; Редкол.: А. А. Бабаев, Г. Г. Винберг, Г. А. Заварзин и др. - 2-е изд., исправл. - М.: Сов. Энциклопедия, 1986.)
Смотреть что такое "АКТИВНЫЙ ЦЕНТР" в других словарях:
См. центр активный. (Источник: «Микробиология: словарь терминов», Фирсов Н.Н., М: Дрофа, 2006 г.) Активный центр 1) хим группа молекул, определяющая специфичность их действия, 2) см. Паратопы (Источник: «Словарь терминов микробиологии») … Словарь микробиологии
Большой Энциклопедический словарь
активный центр - — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN active nucleus … Справочник технического переводчика
В энзимологии участок в молекулах ферментов, непосредственно взаимодействующий с субстратом. В состав активного центра входят функциональные группы аминокислот (гистидина, цистеина, серина и др.), а также во многих случаях атомы металлов и… … Энциклопедический словарь
активный центр - aktyvusis centras statusas T sritis chemija apibrėžtis Labai veiklus molekulės arba katalizatoriaus fragmentas. atitikmenys: angl. active center; active site rus. активный центр … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas
В энзимологии участок в молекулах ферментов, непосредственно взаимодействующий с субстратом. В состав А. ц. входят функциональные группы аминокислот (гистидина, цистеина, серина и др.), а также во мн. случаях атомы металлов и коферменты. В,им… … Естествознание. Энциклопедический словарь
- … Википедия
Активный центр особая часть молекулы фермента, определяющая её специфичность и каталитическую активность. Активный центр непосредственно осуществляет взаимодействие с молекулой субстрата или с теми её частями, которые непосредственно… … Википедия
Активный центр согласно ИЮПАК это особая часть молекулы фермента, определяющая её специфичность и каталитическую активность. Активный центр непосредственно осуществляет взаимодействие с молекулой субстрата или с теми её частями, которые… … Википедия
Активный центр фермента - * актыўны цэнтр фермента * enzyme active centre специфический участок на поверхности фермента, благодаря которому он проявляет специфичность в отношении субстрата. Ферменты, состоящие из одной полипептидной цепи, обладают одним активным центром … Генетика. Энциклопедический словарь
Активный центр фермента - это участок, который связывает субстраты (и простетическую группу, если она есть) и в котором содержатся аминокислотные остатки, непосредственно участвующие в образовании или разрыве химических связей. Такие остатки называют каталитическими группами. Несмотря на огромное разнообразие структуры ферментов, их специфичности и механизма каталитического действия, все же можно сделать ряд обобщений в отношении свойств активных центров.
1. На активный центр приходится относительно малая часть общего объема фермента. Большая часть аминокислотных остатков в молекуле фермента не контактирует с субстратом. Остается загадкой,
Рис. 6.9. Скорость ферментативной реакции как функция концентрации субстрата.
Рис. 6.10. Взаимодействие субстратов с ферментами согласно модели ключ-замок. Активный центр фермента сам по себе комплементарен по форме субстрату.
почему размер ферментов так велик. Почти все ферменты содержат более 100 аминокислотных остатков и имеют массу свыше 10 к Да, а диаметр - свыше 25 А.
2. Активный центр - трехмерное образование. Другими словами, это не точка, не линия и даже не плоскость, а сложная трехмерная структура, в формировании которой участвуют группы, принадлежащие разным частям линейной последовательности аминокислот. Действительно, как мы уже видели на примере гемоглобина и миоглобина, взаимодействие между аминокислотными остатками, расположенными далеко друг от друга в линейной последовательности, нередко сильнее, чем взаимодействие между соседними (в последовательности) остатками аминокислот. В лизоциме - ферменте, который мы рассмотрим подробно в следующей главе, основные группы активного центра представлены аминокислотными остатками, занимающими 35, 52, 62, 63 и 101-е положения в линейной последовательности из 129 аминокислот.
3. Субстраты относительно слабо связываются с ферментами. Константы равновесия -комплексов обычно лежат в пределах от до что соответствует свободным энергиям взаимодействия от - 3 до - 12 ккал/моль. Сравним эти величины с силой ковалентных связей, составляющей от - 50 до - 110 ккал/моль.
4. Активный центр имеет форму узкого углубления или щели. Во всех ферментах с изученной структурой связывание субстратов происходит в таком углублении или щели, куда нет доступа воде, за исключением тех случаев, когда вода является одним из реагирующих веществ. В этом углублении присутствует несколько полярных аминокислотных остатков, необходимых для связывания и катализа. Неполярный характер всей области в целом способствует связыванию субстрата. Кроме того, щелевидная форма активного центра создает микроокружение, в котором отдельные полярные остатки приобретают особые свойства, существенно важные для катализа.
5. Специфичность связывания зависит от строго определенного расположения атомов в активном центре. Субстрат входит в активный центр, только если он соответствует ему по форме. В 1890 г. Эмиль Фишер (Е. Fischer) использовал сравнение с ключом и замком (рис. 6.10), которое оказалось по существу правильным и исключительно плодотворным представлением о стереоспецифичности катализа. Однако, как показывают работы последних лет, активные центры некоторых ферментов не являются жесткой структурой, их форма модифицируется при связывании субстратов. В этих ферментах форма активного центра становится комплементарной форме субстрата
Рис. 6.11. Взаимодействие субстратов с ферментами согласно модели индуцированного соответстия. При связывании субстрата происходит изменение формы фермента. Активный центр фермента только после присоединения субстрата становится комплементарным ему по форме.
Рис. 6.12. График зависимости скорости реакции V от концентрации субстрата для фермента, подчиняющегося кинетике Михаэлиса - Ментен (Ктах-максимальная скорость, - константа Михаэлиса).
только после связывания субстрата. Такой процесс динамического узнавания называют индукцией соответствия (рис. 6.11). Кроме того, некоторые ферменты предпочтительно связывают субстрат в напряженной («искаженной») форме, соответствующей переходному состоянию.
