Структура та властивості ферментів. Ізоферменти. Механізм дії ферментів.

Ферменти - клас високоспеціалізованих речовин білкової природи, що каталізують велику кількість хімічних реакцій. Ферменти забезпечують реалізацію генетичної інформації, обмін речовин і енергії. Ферменти відрізняються від неорг. каталізаторів більшою активністю і високою специфічністю дії.

Ф.- білки (крім-рибозимів), що підтверджується втратою їх біологічної активності під дією різних денатуруючих факторів, утворенням АМК при гідролізі, а також їх виділенням у вигляді кристалів білка.

Ферменти амфотерні (можуть існувати в розчині у вигляді аніонів, катіонів і амфіонів), мають електрофоретичну рухливість завдяки наявності в них позитивних і негативних зарядів, нездатні до діалізу через напівпроникні мембрани, легко осаджуються з водних розчинів методами висолювання. Мr коливається від десятків тисяч до декількох мільйонів. Оптимальна температура для більшості ферментів дорівнює температурі людського тіла, оптимальне значення pH - 6, 0-8, 0.

Розрізняють прості і складні ферменти. Прості ферменти представлені амінокислотними ланцюгами і при гідролізі розпадаються тільки на АМК (гідролітичні ф. - пепсин, трипсин, папаїн, уреаза, лізоцим, рибонуклеаза) 2-частина - складними білками і, крім поліпептидних ланцюгів, містить небілковий компонент (кофактор), що є абсолютно необхідним для білкової активності. Кофактори мають різну хімічну природу і розрізняються за міцністю зв'язку з поліпептидним ланцюгом. Якщо при виділенні і очищенні кофактор не відділяється від поліпептидного ланцюга, то такий фермент називається холоферментом (холоензимом), а кофактор - простетичною групою. Поліпептидна частина ферменту називається апоферментом. Простетическая група може бути пов'язана з апоферментом ковалентними і нековалентними зв'язками. Кофермент - додаткова група, що легко відділяється від апофермента при дисоціації. Простетичні групи та коферменти беруть активну участь у хім р-ціях, граючи роль переносників протонів, е-в або різних функц. груп.
Кофактором називається будь-який чинник, абсолютно необхідний для виконання білком його біологічної ролі. Їм можуть бути будь-які небілкові органічні молекули або іони металів. Кофактором може бути простетическая група ферменту, якщо вона не залучена в акт каталізу, але є суттєвою для ферменту.

Ізоферменти - множинні форми ферменту, що каталізують одну і ту ж реакцію, але відрізняються властивостями (спорідненістю до субстрату, макс V каталізу реакції, електрофоретичною рухливістю або регуляторними власт.). Існують ферменти, що складаються з 2 і більше субодиниць, що володіють власною перв., втор. і трет.стр. Субодиниці таких ферментів наз. протомером, а олігомерних молек - мультимером. Процес олігомеризації сприяє підвищенню стабільності ферменту до дії денатуруючих агентів.

Протомери з'єднані між собою нековалентними зв'язками і легко дисоціюють. Активність всього комплексу залежить від способу упаковки між собою окремих субодиниць. Якщо субодиниці можуть існувати більш ніж в одній формі, то і фермент, отриманий при об'єднанні цих субодиниць, може існувати в кількох подібних, але не однакових формах. Форми ферменту називаються ізоферментами.

Фермент лактатдегідрогеназа складається з чотирьох субодиниць двох типів: H (heart - «серце») і M (muscle - «м'яз»). Існує п'ять його ізоферментів - HHHH (ЛДГ1), HHHM (ЛДГ2), HHMM (ЛДГ3), HMMM (ЛДГ4) і MMMM (ЛДГ5). Синтез H-і M-субодиниць запрограмований різними генами і в різних органах йде по-різному. Ізоферменти ЛДГ мають майже однакову катал. активність, але з різними фізико-хімічними властивостями (Mr, електрофоретичної рухливості, ставленням до активаторів і інгібіторів та ін.)

Субодиниці можуть мати майже ідентичну структуру і містити по одномій каталітично активній дільниці (β -галактозидаза, що складається з чотирьох субодиниць), а можуть бути неідентичні і проявляти ферментативну активність тільки в об'єднаному стані (триптофансинтаза).

У процесі хімічної реакції, що каталізується ферментом, виділяють кілька стадій:

1) приєднання молекули субстрату до ферменту;

2) перетворення проміжної сполуки;

3) відділення кінцевих продуктів реакції від ферменту.

Реакції катаболізму також протікають з утворенням пром. ферм.-субстратного комплексу. В утворенні ферм-субстратних комплексів задіяні нековалентні (водневі, координаційні зв'язки, гідрофільно-гідрофобні взаємодії) і ковалентні зв'язки. Велике значення в теорії ферментативного каталізу надається динамічним змінам 3-ної структури ферменту при його взаємодії з субстратом.

При утворенні ферм.-субст. к-су субстрат індукує зміну конформації молекули ф. так, щоб АЦ прийняв певну просторову орієнтацію, необхідну для взаємодії із субстратом. Тільки в момент приєднання субстрату фермент буде знаходитися в активній T-формі, весь інший час він перебуває в неактивній R-формі. Істотне значення мають точну відповідність між ферментом і субстратом, а також каталітичні та термодинамічні переваги такої відповідності. Передбачається наявність не тільки просторової або геометричної комплементарності між ферментом і субстратом, але і електростатичної відповідності, обумовленої спарюванням полярних груп субстрату і АЦ ф-ту.

З термодинамічної точки зору ферменти прискорюють хімічні реакції за рахунок зниження енергії активації. Енергія активації - енергія, необхідна для переводу всіх молекул моля речовини в активований стан при даній температурі, або енергія, необхідна для запуску хімічної реакції. Фермент знижує енергію активації шляхом збільшення активованих молекул, які на більш низькому енергетичному рівні вже стають здатними вступати в реакцію.