Ферменти, або ензими - речовини білкової природи, що володіють каталітичною активністю. Явища бродіння і перетравлення відомі давно. Термін «ензим» (від грец. En zyme- в дріжджах), так само як і «фермент» (від лат. Fermentatio - бродіння). Вчення про ферменти виділено в самостійну науку ензімологию.
Хоча вже здійснено лабораторний синтез ряду ферментів - рибонуклеази, лізоциму, єдиний спосіб отримання ферментів - це виділення їх з біологічних об'єктів. Для виділення ферментів з клітинного вмісту необхідно тонке подрібнення, аж до руйнування субклітинних структур. Всі операції проводять в умовах, що виключають денатурацію білка (використання захисних добавок, низька температура). Використовують спеціальні прийоми - екстракція гліцерином, метод ацетонових порошків, метод іонообмінної хроматографії, метод молекулярних сит, електрофорез, афинная хроматографія, де адсорбентом служить речовина, з яким фермент взаємодіє вибірково.
Докази білкової природи ферментів:
1. Ферменти при гідролізі розпадаються на амінокислоти.
2. Під дією кип'ятіння і ін. Чинників ферменти піддаються денатурації і втрачають каталітичну активність.
3. Здійснено виділення ферментів в формі кристалів білка.
4. Ферменти надають високоспецифічні дію.
Прямим доказом білкової природи ферментів є лабораторний синтез першого ферменту - рибонуклеази, здійснений в 1969 р в лабораторії Б. Мерріфілд в Нью-Йорку. В н. 80-х років XX ст. була відкрита здатність низькомолекулярних рибонуклеїнових кислот виконувати каталітичну функцію. Ці сполуки назвали рибозимами.
Виділяють прості ферменти, що складаються тільки з поліпептидного ланцюга: пепсин, трипсин, уреаза, рибонуклеаза, фосфатаза та ін. Більшість природних ферментів - складні білки. Їх небілкові компоненти називаються кофакторами і необхідні для виконання ферментом його каталітичної ролі. Кофакторами ферментів є вітаміни або сполуки, побудовані з їх участю (коензим А, НАД +. ФАД); фосфорні ефіри деяких моносахаридів, іони металів (Zn 2+. Mg 2+. Mn 2+. Fe 2+).
Кофермент - небілковий фактор, який легко відділяється від білкової частини - апофермента при дисоціації. Простетическая група-ковалентно пов'язаний з білкової ланцюгом небілковий компонент, який не відділяється при виділенні і очищенні ферменту. У апофермент є ділянка, вибірково зв'язує кофермент. Це кофермент зв'язуючий домен. Його структура у різних апофермент, що з'єднуються з одним і тим же коферментом, подібна. Весь фермент разом з простетичної групою назиивают холоферменту. Тільки об'єднання апофермента і коферменту забезпечує активність холоферменту.
Субстрат - речовина, що піддається перетворенням під впливом ферменту.
Активний центр - специфічний ділянку на поверхні ферменту, що зв'язується з молекулою субстрату і безпосередньо бере участь в каталізі (слайд 5). Амінокислотні залишки, що утворюють каталітичний центр однокомпонентного ферменту, розташовані в різних ділянках поліпептидного ланцюга. Тому активні центри ферментів утворюються на рівні третинної структури. У складних ферментів до складу активного центру входять також простетичноїгрупи. Кофактори ферментів виконують роль проміжних переносників атомів або груп.
Активний центр у ферментів розташовується на дні щілини при двоядерний структурі, наприклад у лізоциму, або на дні глибокої западини, як у химотрипсиногена і трипсину. В активному центрі розрізняють дві ділянки.
Субстратний (зв'язує) центр - ділянка, що відповідає за приєднання субстрату. Його називають контактної. або «якірної» майданчиком ферменту. Каталітичний центр відповідає за хімічне перетворення субстрату. До складу каталітичного центру більшості ферментів входять такі амінокислоти, як серин, цистеїн, гістидин, тирозин, лізин. Субстратний центр може збігатися (або перекриватися) з каталітичним центром.
Молекула субстрату також містить функціонально різні ділянки: специфічний зв'язок або групу атомів, що піддаються атаці з боку ферменту, і один або кілька ділянок, вибірково зв'язуються ферментом. У зв'язуванні ферменту і субстрату велику роль відіграють сили гідрофобних взаємодій і водневі зв'язки, що виникають між радикалами амінокислотних залишків субстратного центру ферменту і відповідними угрупованнями в молекулі субстрату.
Аллостерічеський центр - ділянка молекули ферменту поза ним активного центру, який здатний зв'язуватися слабкими типами зв'язків з тим чи іншим речовиною (лігандом). В результаті змінюється третинна, а часто і четвертинна структура білкової молекули. Як наслідок змінюється конфігурація активного центру і змінюється каталітична активність ферменту. Це т. Зв. аллостерічеськая регуляція каталітичної активності ферментів. Ферменти, активність каталітичного центру яких піддається зміні під впливом аллостеріческіх ефекторів, називають аллостеріческого. Відмінною особливістю ряду аллостеріческіх ферментів є наявність в молекулі олігомерного ферменту декількох активних центрів і декількох аллостеріческіх регуляторних центрів.
Деякі з ферментів є поліфункціональними, т. Е. Мають декілька ензиматичними активностями, але всього лише однієї поліпептидного ланцюгом. Єдина ланцюг утворює кілька доменів, кожен з яких характеризується своєю каталітичної активністю. Наприклад, алкогольдегидрогеназа не тільки каталізує реакцію окислення спиртів, але також реакції знешкодження ряду ксенобіотиків, бере участь у метаболізмі ряду нейромедіаторів, гормонів.
Ферменти - це множинні форми ферменту, що каталізують одну і ту ж реакцію, але відрізняються один від одного за фізичними і хімічними властивостями - спорідненості до субстрату, активності, електрофоретичної рухливості.
Існують ферменти, молекули яких складаються з двох і більше субодиниць, тобто є мультимера. Якщо молекули мультимера складені з субодиниць двох типів, то в залежності від співвідношення протомеров різних типів фермент може існувати у вигляді кількох ізомерів - ізозімов. Класичний приклад - фермент лактатдегидрогеназа. прискорює в м'язах перетворення лактату в піруват і назад. Його молекула складається з чотирьох субодиниць двох типів - Н (від англ. Heart - серце) і М (muscle - м'язи):