Ферменты


Ферме́нты (от лат. fermentum «закваска»), или энзи́мы[1] (от греч. ζύμη, ἔνζυμον «закваска»), — обычно сложные белковые соединения, РНК (рибозимы) или их комплексы, ускоряющие химические реакции в живых системах. Каждый фермент, свернутый в определённую структуру, ускоряет соответствующую химическую реакцию: реагенты в такой реакции называются субстратами, а получающиеся вещества — продуктами. Ферменты специфичны к субстратам: АТФ-аза катализирует расщепление только АТФ, а киназа фосфорилазы фосфорилирует только фосфорилазу[2].

Ферментативная активность может регулироваться активаторами (повышаться) и ингибиторами (понижаться).

Термины фермент и энзим давно используют как синонимы: первый в основном в русской и немецкой научной литературе, второй — в англо- и франкоязычной.

Наука о ферментах называется энзимологией, а не ферментологией (чтобы не смешивать корни слов латинского и греческого языков).

В конце XVIII — нач. XIX вв. уже было известно, что мясо переваривается желудочным соком, а крахмал превращается в сахар под действием слюны. Однако механизм этих явлений был неизвестен[3].

В XIX в. Луи Пастер, изучая превращение углеводов в этиловый спирт под действием дрожжей, пришёл к выводу, что этот процесс (брожение) катализируется некой жизненной силой (ферментом), находящейся в дрожжевых клетках, причём он считал, что эти «силы» неотделимы от структуры живой клетки дрожжей. Эта точка зрения господствовала в науке в течение длительного времени[4] и шла вразрез с господствовавшей тогда теорией брожения Ю. Либиха, согласно которой все процессы брожения представлялись чисто химическими явлениями каталитического характера (будто бы спиртовое брожение происходит вследствие того, что молекулярные колебания разлагающихся частиц дрожжей передаются сахару и сахар начинает распадаться на спирт и углекислый газ; таким образом дрожжи вызывают брожение не при жизни, а только после своей смерти)[5].


Модель фермента нуклеозидфосфорилазы
Катализаторы снижают энергию активации химических реакций (энергетический, или активационный, барьер), не влияя при этом на полное изменение свободной энергии в ходе реакции и на конечное состояние равновесия. Пунктирная линия — реакция без катализа, субстрат нуждается в большой активационной энергии, чтобы перейти в переходное состояние, завершающееся образованием низкоэнергетического продукта. В присутствии катализатора (сплошная линия) энзим связывает субстрат (ES), затем стабилизирует переходное состояние (ES), чтобы понизить энергию активации, требуемую для получения продукта реакции (EP). Вершина энергетического барьера соответствует активационному барьеру.
Кривая насыщения химической реакции, иллюстрирующая соотношение между концентрацией субстрата и скоростью реакции
Иллюстрация гипотезы Кошланда об индуцированном соответствии.
a) — Субстрат приближается к активному центру фермента; b) — субстрат и фермент образуют комплекс; c) — комплекс фермента и продуктов реакции; d) — продукты покидают активный центр фермента; 1 — субстрат; 2 — активный центр; 3 — активный центр немного изменяет форму для более точного соприкосновения с субстратом; 4 — продукты реакции, в примере на рисунке — расщепление молекулы субстрата, покидают активный центр.
Более реалистичная ситуация в случае индуцированного соответствия. Неподходящие молекулы субстрата — слишком большие или слишком маленькие — не приближаются к активному центру фермента.
Молекула диизопропилфторфосфата — необратимого и эталонного ингибитора ацетилхолинэстеразы. Помимо холинэстераз ДФФ ингибирует все сериновые протеазы, к которым относится химотрипсин, а также фосфоглюкомутазу, строение активного центра, которого было определено с помощью данного вещества