Познание мира

Фермент — это белковая биомолекула, которая действует как биокатализатор, регулируя скорость различных метаболических реакций, не изменяя себя в процессе.

1. Ферменты — это биологические катализаторы, которые катализируют более 5000 различных биохимических реакций, происходящих во всех живых организмах.
2. Однако они отличаются от других катализаторов, которые являются химическими и могут работать неограниченно долго. Ферменты — это белки, склонные к повреждению и инактивации.
3. Ферменты также очень специфичны и обычно действуют на определенный субстрат конкретных реакций.

Внутриклеточные ферменты

1. Ферменты, которые действуют внутри клеток, в которых они производятся, называются внутриклеточными ферментами или эндоферментами.
2. Поскольку эти ферменты катализируют большинство метаболических реакций клетки, их также называют метаболическими ферментами.
3. Большинство ферментов растений и животных являются внутриклеточными ферментами или эндоферментами.
4. Внутриклеточные ферменты обычно расщепляют крупные полимеры на более мелкие цепочки мономеров.
5. Все внутриклеточные ферменты подвергаются внутриклеточному перевариванию во время гибели клеток.

Внеклеточные ферменты

1. Ферменты, которые высвобождаются живыми клетками и катализируют полезные реакции вне клетки, но в ее окружающей среде, известны как внеклеточные ферменты или экзоферменты.
2. Экзоферменты действуют в основном как пищеварительные ферменты, катализируя распад сложных макромолекул до более простых полимеров или мономеров, которые затем могут легко поглощаться клеткой.
3. В основном они действуют в конце полимеров, расщепляя их мономеры по одному.
4. Экзоферменты — это ферменты, содержащиеся в бактериях, грибах и некоторых насекомоядных, таких как Drosera и Nepenthes.
5. Внеклеточные ферменты, в отличие от внутриклеточных ферментов, подвергаются внешнему перевариванию во время гибели клеток.

Ферменты и энергия активации

1. Согласно теории переходного состояния, для того, чтобы между двумя молекулами реагентов произошла химическая реакция, их уровень свободной энергии должен быть выше порогового уровня, чтобы перевести их в высокоэнергетическое переходное состояние.
2. Свободная энергия, необходимая для поднятия молекулы из ее стабильного основного состояния с низкой энергией в нестабильное состояние с более высокой энергией, известна как энергия активации.
3. Скорость реакции зависит от количества молекул реагента, у которых достаточно энергии для достижения переходного состояния самой медленной стадии (стадии, определяющей скорость) в реакции.
4. Как правило, очень немногие молекулы обладают достаточной энергией для достижения переходного состояния.
5. Однако ферменты уменьшают значение энергии активации реакции, тем самым феноменально увеличивая скорость реакции.
6. Некоторые ферменты снижают энергию активации после того, как фермент образует комплекс с субстратом, который, изгибая молекулы субстрата, способствует разрыву связи.
7. Другие ферменты ускоряют реакцию, приближая два реагента в правильной ориентации

Структура ферментов

Все ферменты представляют собой белки, состоящие из аминокислотных цепей, связанных друг с другом пептидными связями. Это первичная структура ферментов. Трехмерные структуры многих белков наблюдались с помощью рентгеновской кристаллографии. Эти структуры различаются от одного фермента к другому, и некоторые из ферментов и их структура описаны ниже:

Рибонуклеаза

1. Рибонуклеаза — это небольшой глобулярный белок, секретируемый поджелудочной железой в тонкий кишечник, где он участвует в катализе гидролиза определенных связей в рибонуклеиновых кислотах, присутствующих в съеденной пище.
2. Этот ферментный белок состоит из одной полипептидной цепи из 124 аминокислотных остатков с лизином на N-конце и валином на C-конце.
3. Около 25% сегментов имеют структуру α-спирали, а остальные представляют собой β-листы.
4. Кроме того, имеется восемь остатков цистеина, которые, по-видимому, образуют четыре дисульфидные связи, которые поддерживают третичную структуру белка.

Лизоцим

1. Лизоцим — еще один небольшой глобулярный белок, который присутствует в слезах, носовой слизи, желудочном секрете, молоке и яичном белке.
2. Фермент лизоцим состоит из 129 аминокислот, связанных вместе, чтобы сформировать первичную структуру, и первая аминокислота — лизин.
3. Фермент имеет около 12% β-конформации и 40% спиральных сегментов -α.
4. Лизоцим имеет компактно свернутую конформацию с большей частью его гидрофобных групп R внутри глобулярной структуры, вдали от воды, и его гидрофильными группами R снаружи, обращенными к водной среде.

Химотрипсин

1. Химотрипсин — это пищеварительный фермент млекопитающих, вырабатываемый в тонком кишечнике и катализирующий гидролиз белков.
2. Химотрипсин обладает высокой избирательностью по своему действию, поскольку он катализирует гидролиз только тех пептидных связей, которые присутствуют на карбоксильной стороне аминокислот с ароматическими или объемными гидрофобными R-группами.
3. Молекула химотрипсина состоит из 3 коротких полипептидных цепей из 13, 131 и 97 аминокислотных остатков соответственно, поддерживаемых двумя межцепочечными дисульфидными связями.
4. Вторичная структура химотрипсина состоит из нескольких антипараллельных β складчатых листовых областей и небольшой α спиральной структуры.

Как работают ферменты?

1. Механизм действия ферментов в химической реакции может происходить несколькими способами: связывание субстрата, катализ, представление субстрата и аллостерическая модуляция.
2. Но наиболее распространенный способ действия ферментов — связывание субстрата.
3. Молекула фермента имеет определенный активный центр, с которым связывается ее субстрат и образует комплекс фермент-субстрат.
4. Затем продукт высвобождается, и молекула фермента высвобождается в активном состоянии, чтобы инициировать еще один цикл катализа.

Гипотеза замка и ключа

1. Модель замка и ключа была предложена Эмилем Фишером в 1898 году и также известна как шаблонная модель.
2. Согласно этой модели связывание субстрата и фермента происходит в активном центре аналогично тому, как ключ подходит к замку и приводит к образованию комплекса фермент-субстрат.
3. Фактически, связывание фермента с субстратом зависит от взаимного соответствия между молекулярной структурой фермента и субстрата.
4. Образовавшийся комплекс фермент-субстрат очень нестабилен и почти сразу же разлагается с образованием конечных продуктов реакции и регенерации свободного фермента. 
5. Этот процесс приводит к высвобождению энергии, которая, в свою очередь, повышает уровень энергии молекулы субстрата, тем самым вызывая активированное или переходное состояние.
6. В этом активированном состоянии некоторые связи молекулы субстрата становятся восприимчивыми к расщеплению.
7. Эта модель, однако, имеет несколько недостатков, поскольку она не может объяснить стабильность переходного состояния фермента, а также концепцию жесткости активного центра.

Гипотеза индуцированного соответствия

1. Гипотеза индуцированной подгонки — это модифицированная форма гипотезы замка и ключа, предложенная Кошландом в 1958 году.
2. Согласно этой гипотезе, молекула фермента не сохраняет свою первоначальную форму и структуру. 
3. Вместо этого контакт с субстратом вызывает некоторые конфигурационные или геометрические изменения в активном центре молекулы фермента.
4. В результате молекула фермента полностью соответствует конфигурации и активным центрам субстрата.
5. Между тем, другие аминокислотные остатки остаются похороненными внутри молекулы.
6. Однако последовательность событий, приводящих к конформационному изменению, может быть разной. 
7. Некоторые ферменты могут сначала претерпеть конформационное изменение, а затем связать субстрат. 
8. Процессы могут протекать одновременно с дальнейшей изомеризацией до окончательного подтверждения.

Свойства ферментов

1. Молекулы ферментов имеют большие размеры, и из-за их большого размера молекулы ферментов обладают низкой скоростью диффузии. В результате ферменты образуют в воде коллоидные системы.
2. Ферменты действуют каталитически и ускоряют скорость химических реакций, протекающих в биологических системах с участием биологического субстрата. 
3. Большинство ферментов также не участвуют в катализируемых ими реакциях. Точно так же некоторые ферменты, которые участвуют в реакции, извлекаются без каких-либо качественных или количественных изменений в конце реакции.
4. Большинство ферментов очень специфичны по своему действию.
5. Поскольку эти ферменты имеют белковую природу, они чувствительны к нагреванию. Скорость действия фермента увеличивается с повышением температуры, скорость часто увеличивают в 2–3 раза при повышении температуры на 10 ° C.
6. Ферменты катализируют реверсию катализируемых ими реакций.  
7. Ферменты также чувствительны к pH, поскольку pH среды влияет на эффективность фермента, и их активность максимальна при определенном pH. 

Активный центр ферментов

Ферменты намного больше, чем субстрат, на который они действуют, и поэтому на ферменте есть некоторые специфические области или участки для связывания с субстратом. Даже у ферментов, которые сильно различаются по своим свойствам, активный центр, присутствующий в их молекуле, обладает некоторыми общими чертами:

1. Активный центр фермента — это относительно небольшая часть молекулы фермента.
2. Активный центр представляет собой трехмерный объект, состоящий из групп, происходящих из разных частей линейной аминокислотной последовательности.
3. Расположение и ориентация атомов в активном центре четко определены и высокоспецифичны, что является причиной выраженной специфичности ферментов. Однако в некоторых случаях активный центр меняет свою конфигурацию, чтобы связать вещество.
4. Взаимодействия или силы между активным центром и молекулой субстрата относительно слабые.
5. Активные центры в молекулах ферментов в основном присутствуют в бороздках или щелях, из которых исключено попадание большого количества воды.

Ферментная специфичность

Большинство ферментов очень специфично по отношению к субстрату, на который они действуют. Ферментная специфичность существует таким образом, что они могут действовать на один конкретный тип молекулы субстрата или на группу структурно родственных соединений, или только на один из двух оптических изомеров соединения, или только на один из двух геометрических изомеров. На основании этого были распознаны четыре модели специфичности ферментов.

Абсолютная специфичность

Некоторые ферменты способны действовать только на один субстрат, и примером этого является фермент уреаза, который действует только на мочевину с образованием аммиака и диоксида углерода.

Групповая специфика

1. Другие ферменты катализируют все реакции структурно родственной группы соединений.
2. Это наблюдается в молочной дегидрогеназе, которая катализирует взаимное превращение пировиноградной кислоты и молочной кислоты вместе с рядом других структурно родственных соединений.

Оптическая специфичность

1. Другая важная форма специфичности наблюдается в некоторых ферментах, где определенный фермент будет реагировать только с одним из двух оптических изомеров соединения.
2. Окисление D-аминокислот в соответствующих кетокислоты с аминокислотной оксидазой является примером оптической специфичности.
3. Среди ферментов, которые проявляют оптическую специфичность, некоторые могут взаимно превращать два оптических изомера соединения. Примером этого является рацемаза аланина, катализирующая взаимное превращение L- и D-аланина.

Геометрическая специфика

1. Геометрическая специфичность наблюдается у некоторых ферментов, проявляющих специфичность в отношении цис- и трансформ.
2. Примером этого является фермент фумараза, который катализирует взаимное превращение фумаровой и яблочной кислот.

Функции / Биологическая роль ферментов

Ферменты жизненно важны для всех биологических процессов, помогая пищеварению и метаболизму. Кроме того, они также вовлечены в несколько другие процессы.

1. Такие ферменты, как киназы и фосфатазы, важны для клеточной регуляции и передачи сигналов.
2. В организме вырабатываются различные ферменты, регулирующие реакции, участвующие в различных метаболических путях. 
3. Активация и ингибирование ферментов, приводящие к механизму отрицательной обратной связи, регулируют скорость синтеза промежуточных метаболитов в соответствии с потребностями клеток.
4. Они также катализируют посттрансляционные модификации, включающие фосфорилирование, гликозилирование и расщепление полипептидной цепи.
5. Некоторые ферменты также участвуют в регуляции уровней ферментов, изменяя скорость разложения ферментов.
6. Поскольку для гомеостаза необходима строгая регуляция ферментов, любые изменения в структуре и производстве ферментов могут привести к заболеваниям.
7. Ферменты, синтезированные в различных организмах, также используются в различных отраслях промышленности для производства вина, сыра и создания тканей.

Кофакторы и коферменты

Что такое кофакторы?

1. Кофакторы — это небелковые молекулы, которые необходимы некоторым ферментам для полной активности.
2. Кофакторы могут быть неорганическими соединениями, такими как ионы металлов, или органическими соединениями, такими как флавин и гем.
3. Некоторые кофакторы, такие как атом цинка в углеродной ангидразе, прочно связаны с активным центром фермента и помогают в катализе.
4. Ферменты, которым требуются кофакторы, называются апоферментами, если с ними не связан кофактор.
5. Однако после связывания кофакторов фермент называют холоферментом.

Что такое коферменты?

1. Коферменты — это более мелкие органические молекулы, которые слабо связаны с некоторыми ферментами.
2. Основная функция коферментов — переносить химические группы от одного фермента к другому.
3. Общие коферменты включают НАДН, НАДФН и АТФ, а некоторые являются соединениями, полученными из витаминов.
4. Коферменты обычно приобретают заряд в результате действия ферментов, поэтому они также считаются вторичными субстратами.
5. В некоторых ферментах коферменты высвобождаются из фермента во время химической реакции.
6. Уровень коферментов постоянно восстанавливается и поддерживается в организме на постоянном уровне.