Какими свойствами обладает ферменты биология

Белки в живых организмах выполняют разнообразные функции, молекулы этих соединений определяют структуру и форму клетки, обеспечивают узнавание и связывание различных молекул, катализ и регуляцию химических реакций, протекающих в организме.
Функция белка теснейшим образом связана с его пространственной структурой, а она, в свою очередь, зависит от последовательности аминокислот в белке, которая закодирована в гене (ДНК).

1. Одна из важнейших функций белков — каталитическая. При той температуре и кислотности среды, которая характерна для живой клетки, скорость большинства химических реакций мала. Тем не менее реакции в клетке протекают с очень большой скоростью. Увеличение скорости химических реакций достигается за счет функционирования биологических катализаторов — ферментов.

Ферменты — самый крупный и специализированный класс белков. Именно ферменты обеспечивают протекание в клетке многочисленных химических реакций, совокупность которых составляет обмен веществ или метаболизм. В настоящее время известны десятки тысяч различных ферментов.

2. По сравнению с химическими катализаторами ферменты имеют ряд особенностей:

• Их каталитическая эффективность необычайно высока: ферменты способны ускорять химические реакции в $mathrm{10^6-10^8}$раз, это значительно выше, чем эффективность химических катализаторов.

• Ферменты очень специфичны: обычно фермент катализирует лишь одну реакцию (то есть превращение одного вещества, называемого субстратом) или нескольких реакций одного типа.

• Кроме того, активность ферментов в большинстве случаев регулируется различными химическими соединениями, имеющимися в клетке. 

• Важным свойством некоторых ферментов является способность сопрягать две химические реакции и таким образом осуществлять энергетически невыгодные процессы синтеза сложных веществ за счет энергии, выделяющейся, например, при гидролизе АТФ и других высокоэнергетических соединений.

3. Вторая важная функция белков — это структурная функция. Из структурных белков формируются элементы цитоскелета. К структурным белкам относится, например, фибриллярный белок $beta$-кератин, который образует промежуточные филаменты эпителиальных клеток, входит в состав волос, когтей, рогов и копыт млекопитающих, а также фибриллярный белок коллаген, основной структурный белок соединительной и костной ткани. Химическая структура этих белков, которые выдерживают очень большую нагрузку, идеально приспособлена к выполнению механической функции.  
4. Другие типы белков обеспечивают двигательную функцию. По цитоскелетным нитям — микротрубочкам и микрофиламентам — способны АТФ- или ГТФ-зависимо перемещаться моторные белки. Так, по микротрубочкам «ходят» динеины и кинезины, а по актиновым нитям — миозин. Актин и миозин входят не только в сократимые волокна мышечных клеток — миофибриллы, но и участвуют в изменении формы других типов клеток.

Рис. 1. Кинезин — моторный белок, «шагающий» по микротрубочке

5. Некоторые белки выполняют транспортную функцию.
а) Прежде всего, это белки мембран, осуществляющие активный перенос веществ из окружающей среды в клетку и обратно. К транспортным белкам относятся также некоторые белки, встроенные в биологические мембраны и формирующие в них поры (каналы).

Рис. 2. Структура калиевого канала, встроенного в мембрану

б) Это также белки крови, которые связывают и переносят различные вещества. Наиболее известным из транспортных белков является гемоглобин, который осуществляет перенос кислорода из легких в ткани.

Рис. 3. Структура гемоглобина: 4 субъединицы (тетрамер), каждая их которых содержит гем с ионом $Fe^{2+}$

Помимо кислорода с кровью переносятся и другие вещества: сывороточные липопротеиды переносят с током крови липиды, а сывороточный альбумин — свободные жирные кислоты. Ионы железа переносятся белком трансферрином, а ионы меди — белком церулоплазмином.

6. Белки способны также осуществлять защитную функцию. При попадании в организм животных или человека вирусов, бактерий, чужеродных белков или других полимеров в организме происходит синтез белков, которые называют антителами, или иммуноглобулинами. Антитела связываются с чужеродными полимерами, которые называют антигенами.

Рис. 4. Антитело (гамма-глобулин) обладает четвертичной структурой, состоит из 2 тяжелых и 2 легких цепей и имеет 2 центра связывания антигена

7. Многие живые существа (растения, грибы, бактерии, беспозвоночные, рыбы, амфибии, змеи) для обеспечения защиты и нападения выделяют также белки и пептиды, называемые токсинами. Эти белки подавляют жизненно важные процессы в клетках других организмов, могут разрушать определенные клеточные полимеры, что приводит к гибели организма.

8. Еще одной важной функцией белков является регуляторная.

а) Прежде всего, эту функцию выполняют белки — активаторы и репрессоры генов. 
б) Кроме того, специализированные белки регулируют активность ферментов. 
в) В специализированных клетках животных осуществляется синтез биологически активных веществ, поступающих непосредственно в кровь, — гормонов. Гормоны способны в очень малых концентрациях обеспечивать регуляцию метаболизма. Часть гормонов (но не все) являются пептидами или белками. Наиболее известным из белковых гормонов является инсулин — гормон, вырабатываемый в поджелудочной железе и регулирующий уровень глюкозы в клетках организма. При недостатке инсулина в организме возникает заболевание, известное как сахарный диабет. 

Рис. 5. Гексамер (6 молекул) инсулина, скоординированные ионом цинка, — основная биологически активная форма этого гормона. Желтым показаны дисульфидные мостики, которые стабилизируют структуру инсулина. Фиолетовые — остатки гистидина, связывающиеся с цинком

К белковым гормонам относятся и гормоны, продуцируемые передней долей гипофиза: гормон роста соматотропин, пролактин. Задняя доля гипофиза выделяет пептидные гормоны окситоцин и вазопрессин, каждый из которых состоит из восьми аминокислот и регулирует сокращение мускулатуры матки и сосудов соответственно.
г) Многие клетки в организме выделяют белки и пептиды, являющиеся биологически активными соединениями, которые влияют на функции соседних клеток. К ним, в частности, относятся многочисленные факторы роста, которые регулируют рост и развитие клеток определенных тканей, например фактор роста нервной ткани, фактор роста фибробластов.
д) Большая часть биологически активных соединений, оказывающих биологических эффект в очень низких концентрациях, в том числе гормоны и факторы роста, связываются со специфическими рецепторами, которые являются белками, часто гликопротеинами.
У каждого рецептора есть свой лиганд — вещество, с которым он связывается с крайне высокой специфичностью. Связывание биологически активного вещества (например, гормона или фактора роста) с соответствующим рецептором приводит к изменению конформации (пространственной структуры) рецептора, что является сигналом, инициирующим внутриклеточный каскад передачи сигнала. Результат работы каскада — изменение активности ферментов или генов.

Рис. 6. Рецептор глутамата — медиатора в нервной системе. Видна внеклеточная часть, связывающая лиганд — глутамат, трансмембранная часть и внутриклеточная часть, передающая сигнал в клетку

Рис. 7. Мембрана и встроенный в нее рецептор

Таким образом, биологически активные вещества белковой природы и их рецепторы обеспечивают регуляторную функцию белков.

9. Кроме того, белки пищи для животных выполняют энергетическую функцию и функцию источника незаменимых аминокислот. При голодании собственные белки используются в качестве энергетического субстрата в последнюю очередь — когда израсходованы запасы гликогена и жира. Это может приводить к падению мышечной массы, заболеваниям кожи, возникновению язв и др.
10. В ряде случаев белки выполняют запасающую функцию. Чаще всего это происходит в структурах, связанных с размножением. Такие белки откладываются в семенах многих растений (алейроновые зерна), в яйцах животных (овальбумин).

Таким образом, белки выполняют все основные функции в живом организме, кроме функций хранения и передачи наследственной информации.

основы ферментативного катализа

Катализаторы — это вещества, которые ускоряют реакции, но сами при этом не расходуются. В живых клетках основным и катализаторами являются ферменты. Очень немногие реакции катализируются молекулами РНК, такие РНК называются рибозимы.
Принцип работы катализатора связан со снижением энергии активации — энергии, которой должны обладать молекулы, чтобы вступить в реакцию. Без катализатора очень малая часть молекул при физиологических условиях имеет достаточно энергии, чтобы вступить в реакцию. Катализатор понижает активационный барьер, и благодаря этому больше молекул могут его преодолеть.

Рис. 8

Принцип действия ферментов основан на очень специфичном узнавании ферментом своего субстрата (исходного вещества в реакции) или нескольких субстратов и эффективном связывании. Молекулы фермента, как правило, очень велики по сравнению с молекулами низкомолекулярных субстратов (или отдельных участков высокомолекулярных субстратов, с которыми они работают). В связывании участвует только небольшой участок фермента — активный центр, который обычно имеет вид «кармана», куда «прячется» субстрат.

Рис. 9

Связывание фермент-субстрат описывали моделью «ключ-замок», однако согласно современным данным, конформация (пространственная структура) и субстрата, и фермента меняется в результате этого связывания, поэтому предложена новая модель — модель индуцированного соответствия, или модель «рука-перчатка». Именно благодаря изменению структуры субстрата при связывании с ферментом снижается энергия активации — измененный субстрат в активном центре фермента находится в напряженном, высокоэнергетическом переходном состоянии и легче переходит в продукт. Таким образом, роль фермента состоит в стабилизации переходного состояния субстрата.

Ферментативный катализ можно описать уравнением:

$E + A -> [EA] -> [EP] -> E + P,$

где E — фермент (enzyme); A — субстрат; P — продукт; [EA] — временный комплекс фермента с субстратом, [EP] — временный комплекс фермента с продуктом.

Таким образом, видно, что фермент и вступает в реакцию, и образуется в результате, т. е. в итоге не расходуется.

Специфическое связывание субстрата возможно благодаря расположению определенных аминокислотных радикалов на внутренней поверхности активного центра фермента. Остатки, несущие положительный или отрицательный заряд, взаимодействуют с разноименно заряженными группами субстрата, гидрофобные остатки — с его гидрофобными частями. За счет точного пространственного соответствия создается высокоспецифичная поверхность взаимодействия. Благодаря этому ферменты способны «отличать» свой субстрат от очень близких по строению веществ, а также «различать» оптические изомеры, взаимодействуя только с одним из них (этим объясняется поддержание хиральной чистоты, см. тему «Хиральность и оптическая изомерия биомолекул»).

регуляция активности ферментов

В зависимости от конкретных условий внешней и внутренней среды активности ферментов должны меняться в рамках поддержания гомеостаза — постоянства физико-химических параметров внутренней среды клетки и организма. Так, при поступлении глюкозы в кровь должны активироваться ферменты синтеза гликогена, в виде которого глюкоза запасается, а также ферменты гликолиза — начального этапа окисления глюкозы при клеточном дыхании. 
Регуляция бывает двух типов:

• положительная регуляция — активация (повышение активности фермента);

• отрицательная регуляция — ингибирование (понижение активности фермента).

Различают два типа регуляции активности ферментов: конкурентное ингибирование и аллостерическая регуляция.

конкурентные ингибиторы

Конкурентные ингибиторы «имитируют» субстрат, но не вступают в химическую реакцию. «Мимикрируя» под субстрат, они занимают активный центр фермента и вытесняют субстрат из него, вследствие чего ингибируют реакцию. Иногда они связываются с ферментом очень прочно — тогда наступает необратимое ингибирование. Такие ингибиторы часто являются опасными ядами. Например, фосфорорганические соединения зарин, зоман, V-газы — боевые отравляющие вещества — ингибируют фермент ацетилхолинэстеразу (АХЭ), расщепляющую медиатор ацетилхолин в синаптической щели, что приводит к блокировке передачи нервного импульса. Другие фосфорорганические соединения, слабо токсичные для позвоночных, используются в качестве инсектицидов.

аллостерическая регуляция

Слово «аллостерический» означает «в другом месте» (греч. «аллос» — другой, «стерос» — место). Аллостерические регуляторы могут быть как активаторами, так и ингибиторами, и действуют, связываясь с ферментом не в активном центре, а в другом участке его структуры, который в этом случае называют аллостерическим центром. 

Очень распространенными аллостерическими регуляторами ферментов метаболизма являются АТФ и АДФ. Соотношение концентраций АТФ и АДФ характеризует энергетический статус клетки. Так, АТФ ингибирует некоторые ферменты гликолиза (окисления глюкозы), т. к. энергии в клетке уже много. АДФ, напротив, активирует ферменты гликолиза (энергии мало, ее нужно быстрее получать окислением глюкозы). Определенные ферменты практически всех метаболических путей ингибируются конечным продуктом, получающимся в результате протекания реакций этого пути (можно сказать, чтобы этого продукта не синтезировалось слишком много).

В данном случае работает универсальный принцип отрицательной обратной связи, за счет которого поддерживается гомеостаз в биологических системах. Смысл его в том, что при любом отклонении параметров система саморегулируется так, чтобы свести отклонение к минимуму. Если есть избыток какого-то вещества — ингибируется (замедляется) его синтез и активируется расход. При недостатке определенного вещества активируется его синтез и ингибируется расход.