Амилолитические ферменты (стр. 2 из 12)
Первая работа по очистке ферментов была встречена резкой критикой. Указывалось, что «нефизиологично» выделять ферменты из клетки и что ценность представляют только те методы, которые позволяют изучать ферменты в неповрежденных клетках. Позднее, когда были получены первые
белковые кристаллы, обладающие высокой ферментативной активностью, возникли сомнения относительно возможности кристаллизации самих ферментов. Предполагалось, что ферменты лишь адсорбированы на кристаллах инертного белка. Нортроп, однако, привел убедительные доказательства того, что полученные им белковые кристаллы сами являются ферментами. С тех пор были выделены в чистом виде многие ферменты, причем все они также оказались белками. Таким образом, представление о ферменте с течением времени менялось. Сначала этим словом обозначали неопределенные влияния или свойства, присущие некоторым препаратам, потом — определенные химические вещества и, наконец, специфические белки.
Главный интерес в ранний период развития энзимологии сосредоточивался на изучении ферментов пищеварения и брожения; только значительно позднее была установлена важность внутриклеточных ферментов. Фактически серьезных работ по очистке внутриклеточных ферментов до 1937 г. не было, и это несмотря на то, что сравнительно мало ферментов встречается в естественных выделениях живых клеток. Однако с 1937 г. положение полностью изменилось, и то громадное увеличение числа известных ферментов, которое мы имеем теперь, обусловлено главным образом открытием новых внутриклеточных ферментов. Это расширение наших знаний о ферментах живого вещества привело в свою очередь к значительно более глубокому пониманию механизма многих основных
жизненных процессов, особенно лежащих в основе жизни обменных процессов, связанных с запасанием и использованием энергии. Наши знания о таких процессах, как фотосинтез, дыхание, биологическое окисление, брожение, синтез многих необходимых для роста органических веществ, выполнение механической или осмотической работы, значительно пополнились благодаря выделению и изучению соответствующих ферментов.
Возможность получать ферменты в чистом виде позволила в последние годы предпринять их количественное изучение с помощью физико-химических методов. Учение о кинетике ферментов, в основе которого лежат классические работы Михаэлиса, начатые в 1913 г., достигло к настоящему времени значительного развития и продолжает развиваться дальше преимущественно в направлении изучения механизма ферментативного катализа. Использование других методов, в том числе изотопных и оптических, а также химическое изучение активных групп ферментов тоже проливает свет на способ их действия.
Очистка ферментов способствовала также более глубокому пониманию их высокой специфичности, являющейся одним из наиболее характерных и важных свойств ферментов. Это свойство резко отличает ферменты от других катализаторов. Благодаря специфичности возможно существование полиферментных систем, осуществляющих цепи реакций, из которых состоят
различные обменные процессы.
Значительные успехи были достигнуты в области изучения свойств и функций ферментов. Однако в этой области предстоит еще очень большая работа: много важных ферментов еще только предстоит открыть; другие, на существование которых мы уже имеем указания, в настоящее время ожидают изучения.
Мы считаем, что в настоящее время энзимология достигла той стадии, когда в ближайшем будущем можно надеяться пожать обильные плоды всего громадного числа исследований, которые были проведены в последние годы. Особенно большие успехи достигнуты при изучении одной из самых увлекательных проблем энзимологии — механизма действия ферментов.
Наконец, никогда не следует забывать, что ферменты имеют столь большое значение вследствие того, что сама жизнь тесно связана с ферментным катализом. По необходимости развитие энзимологии происходило главным образом в направлении изучения изолированных ферментов. Только в последние годы появились возможности для развития биологической стороны предмета, а именно для изучения ферментов и ферментных систем непосредственно в живой клетке.
2. ОБЩАЯ ЧАСТЬ
2.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ЭНЗИМОЛОГИИ
2.1.1. Понятие о ферментах как о биологических катализаторах.
Ферменты (лат. Fermentum – брожение, бродильное начало) – это специфические белки, способные во много раз ускорять биохимические реакции, протекающие в живых организмах, не входя при этом в состав конечных продуктов реакции. Т.е. ферменты (или другое их название – энзимы) являются биологическими катализаторами биохимических реакций.
Все биохимические реакции, протекающие в клетках микроорганизмов, в растительных и животных организмах, катализируются соответствующими ферментами. Переваривание, всасывание и усвоение пищевых веществ, синтез и распад белков, нуклеиновых кислот, жиров, углеводов и других соединений в тканях и клетках любого организма представляет собой совокупность ферментативных реакций. Любое функциональное проявление живого организма (дыхание, размножение и др.) обеспечивается действием соответствующих ферментных систем.
Ферменты обладают определенными свойствами, отличающих их от неорганических катализаторов: высокой субстратной специфичностью, высокой скоростью проведения ферментативной реакции, способностью ускорять реакции в физиологических условиях, т.е в условиях, характерных для жизнедеятельности клеток (соответствующая температура, реакция среды и др.)
2.1.2. Классификация и номенклатура ферментов.
В настоящее время число различных известных реакций, катализируемых ферментами, составляет более 2 тыс. и число их непрерывно возрастает. Для того, чтобы ориентироваться в этом множестве биохимических превращений, нужна некоторая систематика. Она создана Международным союзом по биохимии (InternationalUnionofBiochemistry, IUB) и рекомендована к повсеместному использованию. Согласно этой классификации все ферменты подразделяют на 6 классов в зависимости от типа катализируемых превращений:
1.Оксидоредуктазы. К этому классу ферментов относятся практически все ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции.
2.Трансферазы. К этому классу относятся ферменты, катализирующие различные превращения, представляющие собой перенос радикала от молекулы-донора к молекуле-акцептору и не являющиеся процессом гидролиза. В общем виде эти превращения можно записать так:
XY + Z
X + YZ (X, Z 
H2O или OH-)3. Гидролазы – ферменты, катализирующие разнообразные реакции гидролиза. Подклассы в этом классе выделяют в соответствии с типом гидролизуемых связей.
4. Лиазы. Ферменты этого класса катализируют в одном направлении гидролитическое расщепление субстрата с образованием кратной связи или, реже, цикла, а в другом направлении – присоединение по кратной связи.
5. Изомеразы – это ферменты, катализирующие различные процессы изомеризации.
6.Лигазы (синтетазы). Этот класс составляют ферменты, катализирующие реакции конденсации или присоединения, сопряженные с гидролизом одной из пирофосфатных связей в молекуле АТФ или ГТФ.
2.1.3. Химическая природа и строение ферментов.
Все ферменты – белки, имеющие, как и другие белки, первичную, вторичную, третичную и часто четвертичную структуру.
Ферменты могут быть как простыми, так и сложными белками. Молекулы ферментов, представляющие собой простые белки, целиком построены из полипептидных цепей и при гидролизе распадаются только на аминокислоты. Примером ферментов такого рода являются гидролитические ферменты пепсин, трипсин, уреаза, лизоцим и др. Большинство природных ферментов относится к сложным белкам, содержащих в составе своей молекулы помимо полипептидных цепей небелковый компонент. Как белковая часть такого сложного фермента (апофермента), так и небелковый компонент его молекулы (кофермент) в отдельности лишены ферментативной активности. Только соединившись вместе и образовав так называемый холофермент (полный фермент), они приобретают свойства, характерные для биокатализаторов. В роли коферментов могут выступать различные соединения. Так, ряд коферментов является производными витаминов. По химическому строению многие коферменты представляют собой нуклеотиды, некоторые – органические производные фосфорной кислоты или пептиды и их производные (например, фолиевая кислота, глутатион, КоА). Таким образом, между ферментами, нуклеотидами и витаминами существует определенная функциональная связь.
2.1.4. Механизм действия ферментов и их специфичность.
Для объяснения механизма действия ферментов было предложено много теорий. Все они исходят из экспериментально установленного факта, что биокатализаторы, так же как и неорганические катализаторы, не могут сделать возможным протекание процессов или реакций, которые с точки зрения термодинамики невозможны. Все теории катализа допускают, что катализаторы тем или иным путем снижают энергию активации катализируемой реакции и таким образом резко увеличивают скорость химического превращения. Катализаторы лишь сокращают время, необходимое для достижения химической реакцией состояния подвижного
равновесия. Состояние подвижного равновесия обратимой химической реакции в присутствии катализатора становится стационарным. Следовательно, при наличии катализатора в равной мере возрастает скорость как прямой, так и обратной реакции.
Начало современным представлениям о механизме действия ферментов было положено работой Михаэлиса и Ментен, опубликованной в 1913 г. В этой работе впервые высказывалась идея о том, что основой действия ферментов является образование фермент-субстратного комплекса, который затем распадается с образованием продуктов ферментативной реакции и освобождением фермента в исходном состоянии.