- •Глава 5. Липиды
- •5.1. Общая характеристика и классификация липидов
- •5.2. Липидные мономеры
- •2. Высшие алифатические спирты, альдегиды, кетоны.
- •5.3. Многокомпонентные липиды
- •5.4. Биологические функции липидов
- •Глава 6. Ферменты
- •6.2. Химическая природа и структура ферментов
- •6.3. Кофакторы ферментов Ионы металлов как кофакторы ферментов
- •Коферменты
- •6.4. Механизм действия ферментов
- •6.5. Свойства ферментов
- •6.6. Специфичность действия ферментов
- •6.7. Факторы, влияющие на скорость ферментативного катализа
- •Влияние температуры на активность ферментов
- •Влияние рН на активность ферментов
- •Влияние концентраций субстрата и фермента на скорость ферментативной реакции
- •Зависимость скорости реакции от времени
- •6.8. Регуляция активности ферментов
- •Активация ферментов
- •Ингибирование ферментов
- •Аллостерическая регуляций действия ферментов
- •6.9. Определение активности ферментов
- •6.10. Номенклатура и классификация ферментов
- •6.11. Локализация ферментов в организме и клетке
- •6.12. Применение ферментов
6.2. Химическая природа и структура ферментов
Подобно другим белкам ферменты имеют большую молекулярную массу - от десятков тысяч до нескольких миллионов дальтон и четыре уровня структурной организации: первичный, вторичный, третичный и четвертичный. Большинство ферментов обладают четвертичной структурой.
По своему строению ферменты, как и все белки, делят на простые (ферменты-протеины) и сложные (ферменты-протеиды, или холоферменты). Холоферменты состоят из белковой части - апофермента и небелковой - кофактора. Различают две группы кофакторов: ионы; металлов и коферменты, представляющие собой низкомолекулярные органические вещества. Небелковый компонент - кофактор в сложных ферментах, как правило, составляет незначительную часть от всего фермента. Следует отметить, что апофермент и кофактор порознь мало активны или вообще неактивны, только их комплекс - холофермент проявляет каталитические свойства.
Примерами простых ферментов являются пепсин, трипсин, папаин, уреаза, лизоцим, рибонуклеаза, фосфатаза и другие. Большинство природных ферментов - сложные белки.
В трехмерной структуре и простых, и сложных ферментов с функциональной точки зрения различают ряд участков, среди которых главными являются активный центр и аллостерический (регуляторный) центр.
Активный центр - участок, с которым связывается субстрат (вещество, превращающееся под действием фермента). Обычно активный центр фермента образуют 12-16 остатков аминокислот, в состав активного центра холофермента входит также кофактор. В активном центре различают контактный участок, связывающий субстрат, и каталитический участок, где происходит превращение субстрата после его связывания. Однако это деление условно, так как связывание субстрата в контактном участке влияет на специфичность и скорость превращения его в каталитическом участке. У простых ферментов роль функциональных групп контактного и каталитического центра выполняют только боковые радикалы аминокислот. У сложных ферментов главную роль в этих процессах выполняют кофакторы. Они могут быть или прочно связаны с активным центром фермента, или могут легко отделяться от него при диализе. В первом случае кофакторы часто называют простетической группой, подобно тому, как это принято для небелковой части неферментных белков. Но абсолютной разницы между простетической группой и кофактором нет, так как одни и те же соединения или ионы металлов могут быть и кофактором, и простетической группой в различных ферментах.
Кроме активного центра у ферментов имеется регуляторный, или аллостерический центр, который пространственно разделен с активным центром. Аллостерическим (от греческого alios - иной, чужой) он называется потому, что молекулы, связывающиеся с этим центром, по строению (стерически) не похожи на субстрат, но оказывают влияние на связывание и превращение субстрата в активном центре, изменяя его конфигурацию. Молекула фермента может иметь несколько аллостерических центров.
6.3. Кофакторы ферментов Ионы металлов как кофакторы ферментов
Примерно треть всех известных ферментов является металлозависимыми. Роль металлов в этих ферментах различна. Металлоферменты делятся на следующие группы и подгруппы:
1. Ферменты, где ионы металлов выполняют роль активаторов (эти ферменты катализируют и без металла, но их активность снижается).
2. Ферменты, где ионы металлов выполняют роль кофактора (без ионов металлов эти ферменты неактивны):
2.1) диссоциирующие металлоферменты - (ион металла легко диссоциирует от апофермента);
2.2) недиссоциирующие металлоферменты - металлопротеиды:
В роли кофактора могут выступать ионы различных металлов, чаще всего это ионы Mg2+, Мп2+ ,Zn2+, Fe2+, Сu2+, Са2+, Со2+, Мо6+ , K+.
Существует несколько вариантов участия ионов металла в работе фермента. В большинстве случаев ноны металлов вступают в непрочную связь с апоферментом, способствуя формированию каталитически активной третичной и четвертичной структуры апофермента. Стабилизация возможна за счет образования солевых мостиков между ионом металла и карбококсильными группами кислых аминокислот при формировании третичной структуры или между субъединицами при образовании четвертичной структуры. К числу таких ионов относятся Mg2+, Мn2+ , Zn2+, Са2+ и другие. Например, ионы кальция стабилизируют третичную и четвертичнyю структуры α-амилазы, а ионы цинка - алкогольдегидрогеназы; макромолекулы этих ферментов в результате становятся устойчивыми по отношению к пептигидролазам желудочно-кишечного тракта.
В составе металлопротеидов содержатся, как правило, металлы с переменной валентностью (железо, медь, кобальт, молибден). Наиболее многочисленны металлопродеиды класса оксидоредуктаз (катализ реакций окисления - восстановления). Ионы металлов в этих ферментах сами участвуют в транспорте электронов, то есть выполняют функцию каталитического участка. Классическим примером ферментов этого типа служат цитохромы (см. главу 9).
Наконец, многие ионы металлов (Mg2+, Мn2+ , Zn2+ и другие) активно участвуют в ферментативном катализе, связывая либо субстрат и фермент, либо кофермент с апоферментом. Примером первого случая может служить образование тройного фермент - металл - субстратного комплекса при действии аргиназы, петигидролаз, карбоксилаз и других ферментов. Примером второго рода является присоединение флавинового кофермента к апоферменту с помощью ионов железа, молибдена, меди и цинка.