ферменты

ФЕРМЕНТЫ (энзимы) (от лат. fermentum — закваска)

белки, выполняющие роль катализаторов в живых организмах. Осн. функции Ф. — ускорять превращение веществ, поступающих в организм и образующихся при метаболизме (для обновления клеточных структур, для обеспечения его энергией и др.), а также регулировать биохим. процессы (напр., реализацию ге-нетич. информации), в т. ч. в ответ на изменяющиеся условия.

О механизме реакций с участием Ф. (ферментативных реакциях) см. ферментативный катализ, ферментативных реакций кинетика.

Структуру Ф. изучают методами хим. модификации, рентгеновского структурного анализа, спектроскопии. Ценные результаты получены методом сайт-специфичного мутагенеза, основанного на направленной замене аминокислот в белковой молекуле методами генетической инженерии. К кон. 20 в. известно и охарактеризовано ок. 3000 Ф.

Исторический очерк. Начало совр. науки о Ф. (энзимоло-гии) связывают с открытием в 1814 К. Кирхгофом превращения крахмала в сахар под действием водных вытяжек из проростков ячменя. Действующее начало из этих вытяжек было выделено в 1833 А. Пайеном и Ж. Персо. Им оказался Ф. амилаза. В 1836 T. Шванн обнаружил и описал пепсин, в том же году И. Пуркин и И. Паппенгейм охарактеризовали трипсин. В 1897 братья Г. и Э. Бухнеры выделили из дрожжей растворимый препарат (т. наз. зимазу), вызывавший спиртовое брожение. Этим был положен конец спору Л. Пастера (он полагал, что процесс брожения могут вызывать только целостные живые клетки) и Ю. Либиха (считал, что брожение связано с особыми веществами). В кон. 19 в. Э. Фишер предложил первую теорию специфичности Ф. В 1913 Л. Михаэлис сформулировал общую теорию кинетики ферментативных реакций. В кристаллич. виде первые Ф. были получены Дж. Самнером в 1926 (уреаза) и Дж. Нортропом в 1930 (пепсин). Впервые первичная структура (аминокислотная последовательность) Ф. была установлена У. Стейном и С. Муром в 1960 для рибонуклеазы А, а в 1969 P. Меррифилдом осуществлен хим. синтез этого Ф. Пространственное строение (третичная структура) Ф. впервые установлено Д. Филлипсом в 1965 для лизоцима. Во 2-й пол. 20 в. каталитич. активность была открыта также у некоторых РНК (их наз. рибозимы).

Классификация ферментов. Исторически многим Ф. присваивались тривиальные названия, часто не связанные с типом катализируемой реакции. Для преодоления возникших трудностей в сер. 20 в. были разработаны классификации и номенклатура Ф. По рекомендации Международного биохим. союза, все Ф. в зависимости от типа катализируемой реакции делят на 6 классов: 1-й — оксидоредуктазы, 2-й — трансферазы, 3-й — гидролазы, 4-й — лиазы, 5-й — изомеразы и 6-й — лигазы. Каждый класс делится на подклассы, в соответствии с природой функц. групп субстратов, подвергающихся хим. превращению. Подклассы, в свою очередь, делятся на подпод-классы в зависимости от типа участвующего в превращении Ф. Каждому достаточно охарактеризованному Ф. присваивается классификационный номер из 4 цифр, обозначающих класс, подкласс, подподкласс и номер самого Ф. Например, a-химотрипсин имеет номер 3.4.21.1.

К оксидоредуктазам относятся Ф., катализирующие окислительно-восстановит. реакции. Ф. этого типа переносят атомы H или электроны. Многие оксидоредуктазы являются Ф. дыхания и окислительного фосфорилирования.

Трансферазы катализируют перенос функц. групп (CH₃, COOH, NH₂, CHO и др.) от одной молекулы к другой.

Гидролазы катализируют гидролитич. расщепление связей (пептидной, гликозидной, эфирной, фосфодиэфирной и др∙)∙

Л и а з ы катализируют негидролитич. отщепление групп от субстрата с образованием двойной связи и обратные реакции. Эти Ф. могут отщеплять CO₂, H₂O, NH₃ и др.

Изомеразы катализируют образование изомеров субстрата, в т. ч. цис-, транс-изомеризацию, перемещение кратных связей, а также групп атомов внутри молекулы.

Л и г а з ы — Ф., катализирующие присоединение двух молекул с образованием новых связей (С — С, С — S, С — О, С — N и др.), как правило, сопряженное с расщеплением пирофосфатной связи, напр. у АТФ.

Особенности строения ферментов. Мол. масса Ф. составляет от 10⁴ до 10¹⁰ и более. Чаще всего встречаются Ф. с мол. м. 20–60 тыс., более крупные обычно состоят из неск. одинаковых (гомомеры) или разных (гетеромеры) субьединиц, связанных между собой нековалентными связями. Субъединица может состоять из двух и более цепей, соединенных дисульфидными связями.

В первичной структуре однотипных Ф., выделенных даже из эволюционно отдаленных организмов, часто наблюдается определенная гомология, а некоторые участки практически остаются неизменными. Вторичная структура отличается большим разнообразием по содержанию -спиралей и — структур (см. белки). -Структуры составляют ядро многих Ф., образуя "опорную" структуру. Совокупность стандартных элементов вторичных структур и специфически уложенных участков полипептидной цепи, определенным образом расположенных в пространстве, образует третичную структуру, определяющую биол. свойства Ф.

Третичная структура уникальна для каждого Ф., однако у однотипных Ф., даже сильно отличающихся по первичной структуре, пространственное расположение цепей м. б. сходным (напр., химотрипсины и субтилизины). Часто в третичной структуре можно выделить отдельные компактные части (домены), соединенные участками полипептидной цепи. Организация в пространстве неск. субъединиц определяет четвертичную структуру Ф.

На поверхности белковой глобулы Ф. или, чаще, в спец. щели, углублении и т. п. выделяют относительно небольшой участок, наз. активным центром. Он представляет собой совокупность функц. групп аминокислотных остатков, непосредственно взаимодействующих с субстратом. В активный центр Ф., кроме функц. групп, могут входить небелковые составляющие — коферменты. Такой комплекс наз. х о л о — ферментом, а его белковую часть — апоферментом. Аминокислотные остатки, входящие в активный центр, относятся к наиб. консервативным в данной группе Ф. В активном центре можно выделить субстрат-связывающий участок и собственно каталитически активные группы Ф. К последним, напр., в подподклассе сериновых протеаз относятся функц. группы остатков серина-195, гистидина-57 и аспарагиновой кислоты-102. Кроме того, в качестве каталитически активных групп Ф. выступают группа SH цистеина, группа COOH глугаминовой кислоты, фенольный гидроксил тирозина и др., а также функц. группы коферментов — никотинамидное кольцо никотинамидных коферментов (см. ниацин), альдегидная группа (в виде альдимина) пиридоксальфосфата, тиазолино-вое кольцо тиаминпирофосфата, ионы металлов (напр., Zn²⁺, Co²⁺, Mn²⁺) и др.

Получение ферментов. Обычно Ф. вьщеляют из тканей животных, растений, клеток и культуральных жидкостей микроорганизмов, биол. жидкостей (кровь, лимфа и др.). Для получения некоторых труднодоступных Ф. используются методы генетической инженерии. Из исходных материалов Ф. экстрагируют солевыми растворами. Затем их разделяют на фракции, осаждая солями [обычно (NH₄)₂SO₄] или, реже, орг. растворителями, и очищают методами гель-проникающей и ионо-обменной хроматографии. На заключит. этапах очистки часто используют методы аффинной хроматографии. Контроль за ходом очистки Ф. и характеристику чистых препаратов осуществляют, измеряя каталитич. активность Ф. с применением специфических (обычно дающих цветные реакции) субстратов. За единицу количества Ф. принимают такое его количество, которое катализирует превращение 1 мкмоля субстрата в 1 мин в стандартных условиях. Число единиц Ф., отнесенное к 1 мг белка, наз. удельной активностью.

Применение ферментов. В неочищенном состоянии Ф. с древнейших времен используют для получения продуктов питания и выделки изделий в хлебопечении, сыроделии, виноделии, обработке кож и т. д. Достаточно очищенные Ф. применяют в производстве аминокислот и их смесей для искусственного питания, в производстве сахарных сиропов из углеводсодержащего сырья, для удаления лактозы из молока и в производстве ряда лекарственных средств (некоторые очищенные Ф. сами используются как лек. средства). Особенно перспективно применение в промышленности иммобилизованных ферментов на полимерных носителях (напр., для получения полусинтетич. пеницилли-нов применяют иммобилизованную пенициллинамидазу, см. также ферментсодержащие волокна). Об использовании Ф. в хим. анализе см. ферментативные методы анализа.

^{Лит.: Номенклатура ферментов (Рекомендации 1972), пер. с англ., М., 1979; Фершт Э., Структура и механизм действия ферментов, пер. с англ., М., 1980; Диксон M., Уэбб Э., Ферменты, пер. с англ., т. 1–3, М., 1982; Methods in enzymology, eds. S. P. Colowick, N. O. Kaplan, N. Y. — S. F. — L., 1955.}

_{В. К. Антонов}