Медицина

ПРЕДМЕТ, ЗАДАЧІ, ОСНОВНІ ЕТАПИ ТА СУЧАСНІ НАПРЯМИ РОЗВИТКУ БІОХІМІЇ

БІОХІМІЯ ЯК НАУКА: БІОМОЛЕКУЛИ; МЕТАБОЛІЧНІ ШЛЯХИ. БУДОВА І ВЛАСТИВОСТІ ФЕРМЕНТІВ. МЕХАНІЗМ ДІЇ ФЕРМЕНТІВ. ІЗОФЕРМЕНТИ, КЛАСИФІКАЦІЯ ФЕРМЕНТІВ

Біологічна хімія – це наука про хімію життя. Суть життя не піддається простому визначенню. Протягом багатьох століть учені вкладали в це слово різний зміст. Відомі достовірно тільки характерні риси життя: ріст, рух, обмін речовин, розмноження та пристосування. Але кожну з цих рис, окремо взяту, можна спостерігати і в неживій природі. Наприклад, кристалики солей ростуть, розмножуються, але вони не належать до живих. Біохімія вивчає хімічні та фізико-хімічні прояви життя. А що таке наука? Під цим терміном розуміють діяльність людини, спрямовану на одержанння достовірних знань про зовнішній світ. Першоджерелами будь-яких наукових відомостей є окремо проведені спостереження або експериментальні дослідження.

Щодо біологічної хімії як науки про життя, то результати її досліджень переконують, що всі живі системи підпорядковуються фізичним та хімічним законам. Це означає, що такі риси живого організму, як рух, розмноження, обмін речовин та інші явища життя, значною мірою можна пояснити на основі понять хімії та фізичної хімії. Найбільш загальною рисою живого організму є його зв’язок із навколишнім середовищем, поза цим зв’язком життя не існує. Інакше кажучи, живі організми належать до відкритих термодинамічних систем і підпорядковуються основним їх законам. Організм одержує з навколишнього середовища потрібні йому речовини і, перетворюючи їх, використовує утворені компоненти для побудови тканин власного тіла. З продуктами харчування надходить енергія, що комульована в хімічних зв’язках і використовується для всіх потреб організму. Відпрацьовані (ентроповані) кінцеві продукти обміну виводяться через органи виділення. У процесі еволюції в живих системах виробились спеціальні біологічні каталізатори – ферменти, які здійснюють перетворення всіх хімічних речовин, що забезпечує життєдіяльність організму. Кількість ферментів та їх дія регулюються на генетичному рівні й зумовлюються практичними потребами організму. Кожна біохімічна реакція в процесі життєдіяльності перебуває під контролем певного гена. Зміна гена (мутація) супроводжується зміною або нестачею відповідного ферменту і випаданням певних метаболічних реакцій. Носієм генетичної інформації, як це встановила біохімія, є ДНК, в окремих ділянках якої записана за допомогою чотирьох різних нуклеотидів інформація про структуру ферментів та інших білків.

Важлива роль у функціонуванні ферментів належить і вітамінам, які є коферментами або попередниками коферментів, тобто необхідними для роботи ферментів компонентами. З іншого боку, функція ферментів координується гормональною та нервовою системами.

Метою біохімії, в тому числі й медичної хімії, є вивчення хімічного складу, хімічної структури і властивостей складових компонентів тканин та органів, перетворення речовин і енергії в здоровому та хворому орга­нізмах. Протягом останніх 20-30 років біохімія розкрила механізми дії ферментів, енергозабезпечення, генетичної спадковості та спадкових захворювань, що сприяло віднесенню її в ряд фундаментальних медико-біологічних наук. В.І. Вернадський, перший президент АН України, вважає, що біохімія – це наука про структуру і поведінку живої речовини.

Біохімію можна розглядати як частину біології, але разом із тим вона є самостійною наукою, що відрізняється як від біології, так і від хімії. Виникла біохімія на межі ХІХ-ХХ ст. Термін «біохімія» був введений у науку в 1903 р. К. Нейбергом.

Об’єктом біохімії стало широке коло питань, що стосуються різних проявів життя. Тому розрізняють біохімію людини, тварин, рослин, вірусів, мікроорганізмів, технічну, радіаційну тощо. У сучасній біохімії виділяють три розділи (етапи), які часто слідують не послідовно один за одним, а паралельно:

1. Статична біохімія.

2. Динамічна біохімія.

3. Функціональна біохімія.

Статична біохімія вивчає склад і хімічну структуру тканин та органів. Це найнижчий ступінь пізнання живого на молекулярному рівні. Перетворення в організмі речовин, виявлених методом статичної біохімії, досліджує динамічна біохімія. Функціональна біохімія на підставі даних статичної і динамічної біохімій вивчає зв’язки хімічних перетворень в органах і тканинах з їх фізіологічними функціями.

 

ФЕРМЕНТИ – БІОЛОГІЧНІ КАТАЛІЗАТОРИ

 

Хімічні процеси в організмі каталізуються особливими речовинами (біокаталізаторами), що називаються ферментами, або ензимами. Білкову природу ферментів беззаперечно довів Джеймс Самнер (1926), який отримав перші кристалічні  препарати ферменту уреази.  Вчення про ферменти – одна з найважливіших проблем сучасної біології і біохімії. Саме тому ХХ ст. називають ще століттям ферментів, бо вчення про них – це дітище цього століття.

Зараз встановлено, що немає жодного процесу в організмі, який би відбувався без участі ферментів. Травлення, енергозабезпечення, побудова структурних компонентів клітин і тканин, ріст, розмноження, м’язове скорочення, згортання крові пов’язані з роботою ферментів.

Усі ферменти мають свої особливості функціонування, але можна виділити загальні властивості для всіх них: каталізують лише енергетично можливі реакції; прискорюють як пряму, так і зворотну реакцію, але не зміщують напрямку хімічної  рівноваги; у ході реакції не змінюються та не входять до складу кінцевого продукту; мають високу специфічність дії (здатність каталізувати перетворення однієї або групи подібних молекул); значно більш ефективні, ніж звичайні небіологічні каталізатори – кожна молекула ферменту може виконувати від декількох тисяч до мільйонів «операцій» за секунду та прискорювати реакції у мільйони і мільярди разів; діють у відносно м'яких умовах (фізіологічних значеннях рН, температури, нормальному атмосферному тиску); вони є каталізаторами, активність яких може бути регульована, тобто збільшена або зменшена.

 

Будова ферментів

За хімічною природою ферменти – це білки, що проявляють каталітичні властивості, тобто вони прискорюють перебіг різних хімічних процесів, які відбуваються в живому організмі. Ферментам притаманні всі фізико-хімічні властивості білків: висока молекулярна маса, розщеплення до амінокислот під час гідролізу, утворення колоїдоподібних розчинів; вони не стійкі до впливу високих температур та солей важких металів, проявляють антигенні властивості, піддаються фракціонуванню. Як і білки, ферменти поділяються на прості й складні. Прості, або однокомпонентні, ферменти містять у своєму складі тільки амінокислоти. Наприклад, пепсин, уреаза, РНКаза та інші. Більшість ферментів є двокомпонентними, тобто складаються з білкової і небілкової (простетичної) частин. Їх називають ще голоферментами, а їх складові, відповідно, апоферментами (білкова частина) і простетичною групою, або коферментом (небілкова частина ферменту):

голофермент Þ апофермент + кофермент, або простетична група

Простетична група міцно і постійно зв’язана з апоферментом. Якщо небілкова частина ферменту зв’язана з апоферментом непостійно, тобто знаходиться в дисоційованому стані й приєднується до апоферменту тільки під час каталітичного процесу, то її називають коферментом, іноді – кофактором.

Усе ж термін кофактор більше вживається в тих випадках, коли небілкова частина ферменту представлена якимось мікроелементом (металом), якому притаманна ще й функція активатора. Загалом, небілкова частина складного ферменту – низькомолекулярна і термостабільна, тоді як білкова – високомолекулярна і термолабільна. Важливо, що апофермент і кофермент проявляють ферментативні властивості тільки при їх поєднанні.

Апофермент у складному ферменті вказує на тип перетворень, відповідає за так звану специфічність дії ферменту. Небілкова частина голоферменту сприяє зв’язуванню ферменту з речовиною, на яку він діє (субстратом), здійснює передачу електронів, атомів, іонів з однієї речовини в іншу. Важливо, що одна і та ж небілкова речовина в одних ферментах може бути зв’язана з білковою міцно (як простетична), а в інших – слабо, і то лише під час реакції (кофермент).

 

СТРУКТУРНО-ФУНКЦІОНАЛЬНІ ОСОБЛИВОСТІ ФЕРМЕНТІВ

Більшість ферментів має чотири рівні структурної організації (первинну, вторинну, третинну і четвертинну), тобто є олігомерними білками, що складаються із протомерів. Кожна із субодиниць або окремі їх частини відіграють певну роль у процесі функціонування ферменту. Прості (однокомпонентні) ферменти здійснюють ферментативне перетворення субстрату з участю власне білкової молекули. Безпосередню участь у реакції бере не весь поліпептидний ланцюг ферменту, а тільки незначна його частина, що близько прилягає до субстрату. У ферментативну реакцію включається тільки декілька залишків амінокислот. Ці залишки можуть розташовуватися в поліпептидному ланцюзі як поруч, так і далеко один від одного, але просторово вони повинні бути досить зближені.

Наприклад, фермент рибонуклеаза, що розщеплює РНК, має структуру, яка скріплюється чотирма дисульфідними зв’язками (на рисунку заштриховано). В каталітичному центрі ферменту у 12 і 119 положенні поліпептидного ланцюга знаходяться два залишки гістидину, але вони просторово зближені й можуть викликати розрив молекули РНК. На близькій відстані від залишків гістидину знаходиться ще 5 залишків основних амінокислот, які, очевидно, можуть фіксувати РНК під час реакції.

Та частина молекули ферменту, яка з’єднується із субстратом, називається активним центром ферменту. Активний центр відповідає за специфічну спорідненість ферменту із субстратом, утворення ферментосубстратного комплексу і каталітичне перетворення субстрату. В активному центрі ферменту умовно розрізняють так звану каталітичну ділянку, де відбувається каталітичне перетворення субстрату, і контактну, або якірну ділянку, що зв’язує фермент із субстратом. За утворення активного центру ферменту, як і за його каталітичну дію, відповідає третинна структура білко­вої молекули. Отже, при порушенні третинної структури (денатурація) роз’єднуються просторово поєднані амінокислотні залишки і, як наслідок, фермент втрачає активність. У складі активного центру простого ферменту знаходиться приблизно 15 залишків амінокислот. Активний центр утворюють залишки таких амінокислот, як серин, цистеїн, гістидин, тирозин, лізин та деякі інші, що надають ферменту як просторової, так і електричної спорідненості із субстратом. В утворенні тимчасового комплексу між ферментом і субстратом важлива роль належить дисульфідним, іонним, а також слабким зв’язкам (водневі зв’язки, гідрофобна взаємодія).

Активний центр складних (двокомпонентних) ферментів містить у своєму складі як кофермент, так і ту частину апоферменту, що просторово прилягає до нього. Кофермент при цьому може відповідати за утворення зв’язку із субстратом, формування третинної або четвертинної структури апоферменту і каталітичне перетворення субстрату. Ферменти можуть мати 1, 2, 3 і більше активних центрів, що залежить від кількості протомерів (субодиниць), які входять у його структуру.

Крім активних центрів, у ферментах можуть бути ще так звані алостеричні центри (від грец. алос – інший, другий; стереос – просторовий, структурний). Алостеричні центри служать місцем впливу на фермент різних регуляторних чинників, тому їх ще називають регуляторними центрами, а речовини, що взаємодіють з алостеричним центром, отримали назву ефекторів.

Приєднання до алостеричного центру ефектора призводить до певних структурних змін в активному центрі та, як наслідок, пригнічення або підвищення активності ферменту. Ефекторами можуть служити продукти ферментативних реакцій, гормони, медіатори нервової системи, метали. Алостеричних центрів (як і активних) фермент може мати декілька, відповідно до кількості протомерів. Важливо зазначити, що алостеричні й активні центри у ферментах просторово відокремлені, тобто знаходяться один від одного на певній відстані.

 

Ізоферменти (ізоензими)

Ферменти, як і всі інші білки, характеризуються молекулярною гетерогенністю. Зокрема, ті з них, що побудовані з декількох субодиниць, можуть існувати в різних молекулярних формах, утворюючи цілі сімейства ферментів. Такі форми зустрічаються в різних тканинах організму і навіть усередині однієї клітини. Уперше це було встановлено на екстрактах із різних тканин, які піддавались електрофорезу в крохмальному гелі з наступним фарбуванням барвниками, специфічними для якогось певного ферменту. Так було виявлено, що на електрофореграмі ферменти дають по декілька забарвлених смуг, кількість яких залежить від виду тканини. Наприклад, лактатдегідрогеназа (ЛДГ) утворювала від однієї до п’яти забарвлених смуг, залежно від виду тканини. Отже, в різних тканинах є по декілька молекулярних форм ЛДГ, які діють на один і той самий субстрат, але відрізняються між собою електрофоретичною рухомістю. Такі ферменти, що каталізують однакову реакцію і знаходяться в різних тканинах, але відрізняються між собою деякими фізико-хімічними властивостями, наприклад електрофоретичною рухомістю, молекулярною активністю, стабільністю, називаються ізоферментами, або ізоензимами. В основі цих відмінностей знаходиться генетично зумовлена різниця їх первинної структури.

Але форми ферментів, що утворилися внаслідок модифікації первинної структури після завершення синтезу білка, не відносять до ізоферментів. Ізоферменти є характерними для більшості ферментів, які складаються з декількох субодиниць. Відносно добре вивчені ізоферменти лактатдегідрогенази, малатдегідрогенази, креатинкінази, лужної фосфатази, амінотрансфераз та ін. Розглянемо множинні ізоформи лактатдегідрогенази (ЛДГ), яка каталізує зворотну реакцію перетворення піровиноградної кислоти в молочну з участю коферменту НАД. На електрофореграмі ЛДГ виявляється 5 ізоформ, кожна з яких містить по 4 субодиниці, але двох різних типів, які умовно позначають «Н»-тип (від heart – серце) і «М»-тип (від muscle – м’яз).

На рис. 6 показано розділення і відносну кількість ізоферментів ЛДГ в різних органах. Екстракти нанесені на лінію, відмічену надписом «Старт».

Оскільки Н-субодиниці несуть більш виражений від’ємний заряд за умов електрофорезу (рН=8,4), ніж субодиниці М, вони з більшою швидкістю рухаються до анода і на фореграмі розташовуються найдалі від лінії старту. З аналогічної причини ізоферменти, що містять переважно М-протомери, рухаються з малою швидкістю в електричному полі й знаходяться біля катода. Усі інші ізоферменти, що складаються з М- і Н‑субодиниць, займають проміжні місця. Таким чином, ЛДГ має 5 ізо­форм, кожна з яких складається з таких протомерів:

ЛДГ14, ЛДГ2=МН3, ЛДГ32Н2, ЛДГ43Н, ЛДГ54.

Характерно, що кожна тканина в нормі має своє співвідношення форм, свій ізоферментний спектр ЛДГ. За типом ізоферментного спектра ЛДГ біологічні об’єкти діляться на 3 групи:

1. Із переважним вмістом у спектрі анодних, «швидких» форм (ЛДГ1 і ЛДГ2). Сюди відносять: серце, мозок, нирки, підшлункову залозу, еритроцити.

2. Тканини з переважанням ЛДГ3 (легені, селезінка, лімфовузли).

3. Тканини, в яких переважають катодні, «повільні» ізоформи (печінка, скелетні м’язи).

Отже, міокард характеризується високим вмістом ЛДГ1 і ЛДГ2 і дуже малим вмістом «повільних» компонентів. Печінка і м’язи, навпаки, містять більше «повільних» ізоформ і зовсім мало «швидких». Вивчення ізоферментного спектра широко використовується в клініці для диференціальної діагностики органічних і функціональних уражень органів і тканин, а також встановлення топографії патологічного процесу. Ізоферменти відіграють важливу роль у регуляції ферментативної активності, а також у процесі розвитку і диференціації клітин.

Припускають, що не тільки ферменти, але і багато інших білків можуть існувати в клітинах у вигляді численних форм, які являють собою суміш різних субодиниць, закодованих різними генами. Величина сумарної активності ферменту в тканинах завжди визначається співвідношенням і сумою окремих ізоформ і залежить від стану організму, вікових особливостей і сторонніх чинників, що діють на організм.

Питання біосинтезу ізоферментів з’ясовано недостатньо. Наявні дані дозволяють припустити, що він змінюється залежно від рівня метаболізму при різних станах організму. Внутрішньоклітинний синтез ізоферментів порушується при недостачі білків, що потрапляють в організм, а також вітамінів, коферментів, наявності інгібіторів тощо.

За рахунок ізоферментів обмін речовин у тканинах і органах може пристосуватися до дії мінливих внутрішніх і зовнішніх чинників. Кожна тканина має індивідуальний набір ізоферментів, який характеризує специфічність метаболізму в ній і забезпечує функціонування всіх її складових компонентів.

 

Властивості ферментів як каталізаторів

Ферменти мають ряд властивостей, подібних до небіологічних каталізаторів, але одночасно і відрізняються від них. Спільними для всіх видів каталізаторів є:

1. Вони пришвидшують тільки ті реакції, які можливі з точки зору термодинаміки, тобто ті процеси, що йдуть у напрямку термодинамічної рівноваги, але з малою швидкістю.

2. Вони не змінюють напрямку реакції.

3. Каталізатори збільшують швидкість наближення системи до термодинамічної рівноваги, не змінюючи при цьому точки рівноваги.

4. Відносно не змінюються після реакції, тобто вивільняються і знову можуть реагувати з наступними молекулами субстрату.

5. Усі каталізатори діють у відносно малих концентраціях.

 

Специфічність дії ферментів

Специфічність є характерною рисою, що відрізняє ферменти від усіх інших небіологічних каталізаторів. Так, дрібно розпушені платина, залізо чи нікель можуть виступати каталізаторами розкладу перекису водню на воду і кисень. Серед ферментів таку дію проявляє в основному каталаза. Таким чином, ферментам притаманна виражена специфічність дії. Кожен фермент діє на певний субстрат або на певну групу близьких за структурою субстратів чи на певний тип зв’язку в молекулі.

Ферменти можуть проявляти відносну (групову), абсолютну та просторову, або стереоспецифічність.

Ферментами з відносною специфічністю можуть служити фосфатази, ліпази, протеази та ін. Так, фосфатази здатні гідролізувати різні фосфороорганічні сполуки, наприклад бета-гліцерофосфат, глюкозо-6-фосфат, холінфосфат; ліпаза розщеплює різні жири тваринного і рослинного походження; протеази (пепсин, трипсин та ін.) також гідролітично розщеплюють пептидні зв’язки в білкових молекулах.

Відносна специфічність властива переважно ферментам травної системи, що має важливе біологічне значення, бо економить засоби впливу на субстрати. Спільним для розглянутих вище ферментів є їх дія на однакові зв’язки певної групи субстратів.

Велика кількість ферментів характеризується абсолютною специфічністю, тобто здатністю перетворювати тільки якийсь один субстрат. Прикладом таких ферментів може служити фермент уреаза, що каталізує перетворення сечовини, але не впливає на метилсечовину; фермент аргіназа перетворює аргінін, але не діє на метиларгінін; сукцинатдегідрогеназа окиснює сукцинат, але не діє на малеат.

Усій групі ферментів притаманна стереоспецифічність, тобто здатність впливати на один якийсь із стереоізомерів, наприклад на D- або L-ізомер. Так, ферменти, що каталізують перетворення вуглеводів, діють тільки на D-ізомери, але не впливають на L-ізомери; фермент фумараза каталізує перетворення фумарової кислоти, яка є транс-ізомером, але не діє на цис-ізомер – малеїнову кислоту.

 

 

Залежність швидкості ферментативної реакції від температури

Підвищення температури завжди збільшує швидкість хімічних реакцій, зокрема ферментативних. Як показник зростання швидкості реакції використовують температурний коефіцієнт Ван-Гофа Q10, що вказує на зростання швидкості реакції при підвищенні температури на 10 °С. Для хімічних процесів, каталізованих небіологічними каталізаторами, величина цього коефіцієнта дорівнює 2, що означає збільшення швидкості реакції вдвічі при зростанні температури на 10 °С. Однак для ферментативних процесів така закономірність існує тільки в діапазоні низьких температур – до 50-60 °С. Вище цих температур відбувається денатурація ферменту та, як наслідок, зниження активності. Оптимальні значення температури для більшості ферментів знаходяться в межах 20-40 °С.

Сумарна швидкість ферментативної реакції при зміні температури середовища являє собою результуючу від складання двох швидкостей – зростання швидкості у відповідь на підвищення температури і зниження швидкості як функції денатурації білка-ферменту. Сумація цих двох швидкостей для більшості ферментів теплокровних істот дає найбільше значення швидкості при температурі 37-40 С.

Температура, при якій швидкість ферментативної реакції максимальна, називається температурним оптимумом. Треба мати на увазі, що його величина буде залежати і від тривалості дії температури на фермент. Так, фермент може переносити високу температуру протягом короткого часу і в цей період активність його значно підвищиться. Але тривале перебування ферменту при високій температурі призводить до його денатурації і зниження активності.

Низькі температури також впливають на активність ферментів, але на противагу високим температурам, вони інгібують їх дію, не руйнуючи структури. Перенесення ферментів із низьких температур в оптимальні повністю (в більшості випадків) відновлює їх активність. Цю властивість застосовують у біології і медицині. Охолодження біологічних рідин, тканин, органів використовують для пригнічення в них метаболічних процесів і попередження автокаталітичного розщеплення.

Температурний оптимум 37-40 °С для більшості ферментів теплокровних тварин і людини, очевидно, створює найкращі умови для існування структурної й електростатичної спорідненості між активним центром ферменту та субстратом, необхідним для їх взаємодії. Однак зустрічаються ферменти, що не руйнуються при значно вищих температурах і зберігають ферментативну активність. Так, лужна фосфатаза печінки стабільна при температурі 50 °С, а фермент м’язів міокіназа витримує навіть +100 °С. На активність ферментів впливають ще такі чинники, як концентрація субстрату, рН середовища тощо.

 

Залежність активності ферментів від рН середовища

Якщо активність ферментів визначати при різних значення рН, то графік залежності матиме вигляд куполоподібної кривої, крива може бути симетрична, з однаковим підйомом і спуском у кислому і лужному середовищах, або йти на зниження в якійсь одній ділянці.

Значення рН, при якому активність ферменту найвища, називається рН-оптимумом ферменту. Звичайно ферменти найактивніші в межах вузької зони рН, яка для більшості з них знаходиться в межах рН 6‑8. Ряд внутрішньоклітинних ферментів найкраще функціонує у нейтральному середовищі. Разом із тим, для ферментів шлунково-кишкового тракту рН-оптимум може знаходитись у зоні від нейтрального до сильно кислого і лужного сере­довищ. Так, пепсин має оптимум рН 1,5‑2,5, трипсин – рН 8,0-9,0. Для виявлення залежності активності ферменту від концентрації водневих іонів експерименти проводять при оптимальній температурі, достатньо високих концентраціях субстрату, але при різних значеннях рН.

Механізм ферментативних реакцій

За всю історію вчення про ферменти було запропоновано багато гіпотез, що пояснювали механізм їх дії. Більшість із них має суто історичний характер і не витримала випробувань у світлі нових даних про структуру ферментів та їх активного й алостеричного центрів. Заслуговує уваги гіпотеза, запропонована на початку ХХ ст. Варбургом і Бейлісом. Її значення полягає в тому, що вона пов’язувала механізм дії ферментів із дією неорганічних каталізаторів. Ця гіпотеза пояснювала, що поверхня ферменту служить місцем для адсорбції реагентів. За цих умов різко зростає кількість молекул субстрату, що припадає на одиницю площі ферменту, а отже, за законом діючих мас зростає і швидкість реакції. Також припускалось, що в результаті зв’язування субстрату з активним центром ферменту відбуваються механічні зміни молекул субстрату, що призводить до більшої реакційної здатності. Але адсорбційна гіпотеза не могла пояснити специфічності дії ферментів, тому вона не використовується.

Для пояснення специфічності дії ферментів у 1894 р. Е. Фішер запропонував гіпотезу, яку ще й досі називають гіпотезою «ключа і замка» або гіпотезою «шаблону».

В основі специфічності, за цією гіпотезою, лежить жорстка просторова відповідність субстрату і активного центру ферменту. За Е. Фішером, реакція можлива тільки в тому випадку, якщо просторово субстрат підходить до ферменту, як ключ до замка. Якщо субстрат (ключ) просторово відрізняється від структури активного центру ферменту (замок), то реакція не відбувається.

Але і ця гіпотеза (її ще називають гіпотезою відповідності) не може пояснити різні види специфічності, бо важко уявити собі ситуацію, коли декілька ключів (субстратів) підходить до одного замка (ферменту). Тому ця гіпотеза була замінена і доповнена гіпотезою вимушеної співвідповідності (гіпотеза індукованої адаптації ферменту до субстрату). Згідно з цією гіпотезою, конфігурація ферменту і його активного центру є гнучкою й еластичною, що змінюється під впливом субстрату, тобто субстрат індукує у ферменті зміни конфігурації молекул відповідно до власної структури. Іншими словами, «замкова щілина», за Кошландом, виготовлена з еластичного матеріалу і тому набуває форми «ключа» при контакті з ними. Але приєднання субстрату до ферменту може викликати зміни активного центру, при яких він утворює із субстратом неактивний комплекс, і тоді реакція не відбувається. На рис. представлені зміни структури активного центру ферменту, що можуть викликатись субстратом (за Кошландом):

Значну роль у вивченні механізму взаємодії ферменту і субстрату відіграли класичні праці Міхаеліса і Ментен, опубліковані в 1913 р., про так звані ферментосубстратні комплекси. Згідно з гіпотезою Міхаеліса-Ментен, ферментативна реакція завжди супроводжується утворенням проміжної короткоіснуючої сполуки – ферментосубстратного комплексу. Процес утворення комплексу описується рівнянням і перебігає у декілька стадій, кожна з яких має свої особливості:

1 стадія – зв’язування субстрату з активним центром ферменту, тобто утворення ферментосубстратного комплексу (ES);

2 стадія – перетворення первинного ферментосубстратного комплексу в один або декілька активних ферментосубстратних комплексів (ЕSx i ESxx);

3 стадія – відокремлення продуктів реакції від активного центру ферменту і вивільнення ферменту та продукту (Е і Р).

 

Класифікація і номенклатура ферментів

Існує два типи назв ферментів: тривіальна (робоча) і систематична.

Робоча назва ферменту складається з назви субстрату, назви типу каталітичної реакції і закінчення аза. Наприклад:

лактат + дегідрогенізація – лактатдегідрогеназа. Це фермент окиснення (дегідрогенізації) лактату.

За систематичною номенклатурою назва ферменту складається з назви субстрату, на який діє фермент, назви типу хімічної реакції і закінчення – аза. Поряд із цим, зберігаються також назви давно відомих ферментів (історична назва), наприклад пепсин, хімотрипсин, каталаза тощо. За офіційною міжнародною класифікацією, ферменти діляться на 6 класів, залежно від типу каталізованих реакцій:

1. Оксидоредуктази – ферменти, які каталізують окисно-відновні реакції.

2. Трансферази – ферменти, які каталізують міжмолекулярне перенесення різних хімічних груп.

3. Гідролази, які каталізують реакції гідролітичного розщеплення внутрішньомолекулярних зв'язків.

4. Ліази, які каталізують реакції негідролітичного розщеплення з утворенням подвійних зв'язків, і навпаки – приєднання груп у місцях подвійних зв'язків.

5. Ізомерази, які каталізують реакції ізомеризації.

6. Лігази (синтетази) – ферменти, які каталізують з'єднання двох молекул із використанням енергії фосфатного зв'язку. Джерелом енергії для таких реакцій служить АТФ або інші нуклеозидтрифосфати.

Класи ферментів діляться на підкласи, а вони – на підпідкласи.

Підклас уточнює дію ферменту, вказуючи на природу субстрату. Ще більше конкретизує дію ферменту підпідклас, що вказує на природу субстрату чи акцептора, який бере участь у реакції. Згідно з класифікацією, для кожного ферменту існує шифр, що містить 4 кодові числа, які розділяють крапками. 1 цифра шифру означає клас, 2 – підклас, 3 – підпідклас, 4 – порядковий номер ферменту у підкласі.