Основы биохимии - Филиппович Ю. Б. 1999

Ферменты
Общее понятие о ферментах

Важнейшим свойством ряда белков, как уже отмечено, является их катали­тическая активность, теснейшим образом связанная с общими особенностями их структуры.

Каталитически активные белки называют ферментами (от лат. fermentum — закваска) или энзимами (от греч. ен — внутри, зим — закваска). Как вытекает из происхождения названий этих веществ, первые сведения об их существова­нии были получены при изучении процессов брожения.

Роль ферментов в жизнедеятельности животных, растений и микроорганиз­мов колоссальна. Благодаря каталитической функции разнообразные фермен­ты обеспечивают быстрое протекание в организме или вне его огромного числа химических реакций. Складываясь в единый ансамбль саморегулиру­емых биохимических процессов, эти реакции преобразования веществ состав­ляют материальную и энергетическую основу непрерывного самообновления белковых тел, т. е. самой сущности жизненных явлений. Поэтому ферменты «есть возбудители всех химических превращений» (И.П. Павлов), трансдукторы (т. е. датчики) в регуляции обмена веществ.

В настоящее время в биологических объектах обнаружено несколько тысяч индивидуальных ферментов, а несколько сотен из них выделено и изучено. Подсчитано, что живая клетка может содержать до 1000 различных фермен­тов, каждый из которых ускоряет ту или иную химическую реакцию.

Биологические катализаторы (ферменты) по ряду признаков резко отличаются от неорганических катализаторов, хотя те и другие лишь ускоряют достижение равновесия в химических процессах, которые протекают сами по себе, но с очень малыми скоростями. Как и катализаторы неорганической природы, биокатализа­торы не вызывают каких-либо химических реакций, а лишь ускоряют существую­щие. Первое различие состоит в том, что по сравнению с катализаторами неорганической природы ферменты «работают» в очень мягких условиях (низкая температура, нормальное давление, невысокие значения pH среды и т. п.) и очень интенсивно. Так, например, гидролитический распад белка до аминокислот в присутствии неорганических катализаторов (крепких кислот или щелочей) осуществляется при температуре 100° С и выше за несколько десятков часов. Этот же процесс при каталитическом участии специфических ферментов протекает за десятки минут при температуре 30—40° С. Для гидролиза крахмала, как указывал еще Й. Берцелиус (1836), при нагревании в растворе кислоты нужно несколько часов, а при участии соответствующего фермента этот процесс идет при комнатной температуре всего несколько минут. Ионы Fe каталитически ускоряют разложение Н₂О₂ на Н₂О и О₂. Однако атомы того же Fe, но в составе фермента каталазы действуют в 10 млрд. раз энергичнее, и всего 1 мг Fe в ферменте способен заменить в этой реакции 10 т неорганического Fe. Таким образом, исключительно высокая каталитическая активность, проявляемая в условиях нормальной температуры и давления, отличает биокатализаторы от неор­ганических катализаторов.

Второе различие заключается в том, что ферменты обладают необыкновен­но высокой специфичностью действия, чего не наблюдается у катализаторов неорганической природы. Каждый фермент каталитически ускоряет, как пра­вило, одну-единственную химическую реакцию или в крайнем случае группу реакций одного типа.

Наконец, ряд различий между биокатализаторами и неорганическими ка­тализаторами связан с белковой природой ферментов. Сюда относятся термо­лабильность, зависимость активности от pH среды и наличия активаторов или ингибиторов и др.

Самая существенная разница между ферментами и обычными катализатора­ми вскрыта лишь в последние годы. Она состоит в том, что благодаря уникальной структуре каждого фермента процесс ферментативного катализа предстает перед нами как серия элементарных превращений вещества, строжай­шим образом организованных в пространстве и времени. Кооперативность и жесткая запрограммированность этапов действия — вот что отличает меха­низм биокатализа от действия катализаторов иной природы, хотя это не исключает некоторой степени вариабельности как структуры самого фермента, так и строения промежуточных продуктов в процессе ферментативного катализа.

В природе под каталитическим воздействием ферментов осуществляются процессы гидролиза, фосфоролиза, переноса различных групп (метильные радикалы, остатки фосфорной кислоты и т. д.), окисления и восстановления, расщепления и синтеза, изомеризации и т. п. Практически все химические преобразования в живом веществе протекают с помощью ферментов. Естествен­но поэтому, что каталитическая функция ферментов лежит в основе жизнедея­тельности любого организма. При посредстве ферментов реализуется влияние как внутренних, генетических, так и внешних, природных факторов на развитие организма. Благодаря контакту ферментов с лекарственными веществами и антибиотиками достигается такое изменение ферментативных процессов, которое способствует излечению от болезней, в то же время изменение фермента­тивной активности под влиянием микробных токсинов и иных ядов ведет к гибели организма. Стимуляция роста животных и растений разнообразными препарата­ми, применяемыми в сельском хозяйстве, в большинстве случаев основана на их воздействии на процесс биосинтеза или активность тех или иных ферментов. Тончайшие различия строения ряда ферментов определяют видовые особенности организмов, а в нарушении биосинтеза некоторых из них заложена причина возникновения наследственных и других заболеваний. Все это свидетельствует об огромном значении ферментов для биологии, сельского хозяйства и медицины.

Будучи выделены из организма, ферменты не утрачивают способности осуществлять каталитическую функцию. На этом основано их практическое применение в химической, пищевой, легкой и фармацевтической промыш­ленности. Особое значение для химического производства имеет специфич­ность ферментов: ведь до 80% затрат в производстве многих химических веществ приходится на отделение примесей, возникших в результате побочных реакций. Проведение синтеза при посредстве высокоспецифичного фермента, ускоряющего только ту реакцию, которая ведет к образованию нужного продукта, упрощает технологический процесс. Кроме того, ферменты позволя­ют осуществлять ряд процессов, выполнение которых обычными методами органического синтеза остается пока нерешенной проблемой. Так обстоит дело, например, при получении лекарственных препаратов путем фермента­тивной трансформации стероидов.