Ферменты: Биологические катализаторы и их роль в жизни

Введение

Крупная биологическая молекула, действующая как катализатор.

Ферменты (англ. Enzymes) – это белки, которые выступают в роли биологических катализаторов, ускоряя химические реакции. Молекулы, на которые ферменты могут воздействовать, называются субстратами, а фермент преобразует эти субстраты в другие молекулы, известные как продукты. Почти все метаболические процессы в клетке нуждаются в ферментативном катализе для протекания с достаточной скоростью, необходимой для поддержания жизни. Метаболические пути зависят от ферментов для катализа отдельных этапов. Изучение ферментов называется ферментологией, а область анализа псевдоферментов признает, что в ходе эволюции некоторые ферменты утратили способность осуществлять биологический катализ, что часто отражается в их аминокислотных последовательностях и необычных "псевдокаталитических" свойствах. Известно, что ферменты катализируют более 5000 типов биохимических реакций. Другими биокатализаторами являются каталитические молекулы РНК, называемые рибозимами. Специфичность фермента определяется его уникальной трехмерной структурой. Как и все катализаторы, ферменты увеличивают скорость реакции, снижая энергию активации. Некоторые ферменты могут ускорить превращение субстрата в продукт в миллионы раз. Ярким примером является оротидин-5'-фосфат-декарбоксилаза, которая позволяет реакции, требующей миллионы лет, произойти за миллисекунды. С химической точки зрения, ферменты подобны любому катализатору и не расходуются в химических реакциях, а также не изменяют равновесие реакции. Ферменты отличаются от большинства других катализаторов гораздо большей специфичностью. На активность фермента могут влиять другие молекулы: ингибиторы – это молекулы, снижающие активность фермента, а активаторы – молекулы, повышающие активность. Многие терапевтические препараты и яды являются ингибиторами ферментов. Активность фермента значительно снижается вне оптимального температурного и pH диапазона, и многие ферменты (необратимо) денатурируют при воздействии чрезмерного тепла, теряя свою структуру и каталитические свойства. Некоторые ферменты используются в коммерческих целях, например, в синтезе антибиотиков. Некоторые бытовые продукты используют ферменты для ускорения химических реакций: ферменты в биологических стиральных порошках расщепляют белковые, крахмалистые или жировые пятна на одежде, а ферменты в средствах для размягчения мяса расщепляют белки на более мелкие молекулы, облегчая жевание.

Enzymes ('/ɛ//n//z//aɪ//m//z/) are proteins that act as biological catalysts by accelerating chemical reactions. The molecules upon which enzymes may act are called substrates, and the enzyme converts the substrates into different molecules known as products. Almost all metabolic processes in the cell need enzyme catalysis in order to occur at rates fast enough to sustain life. Metabolic pathways depend upon enzymes to catalyze individual steps. The study of enzymes is called enzymology and the field of pseudoenzyme analysis recognizes that during evolution, some enzymes have lost the ability to carry out biological catalysis, which is often reflected in their amino acid sequences and unusual 'pseudocatalytic' properties. Enzymes are known to catalyze more than 5,000 biochemical reaction types. Other biocatalysts are catalytic RNA molecules, called ribozymes. An enzyme's specificity comes from its unique three dimensional structure. Like all catalysts, enzymes increase the reaction rate by lowering its activation energy. Some enzymes can make their conversion of substrate to product occur many millions of times faster. An extreme example is orotidine 5' phosphate decarboxylase, which allows a reaction that would otherwise take millions of years to occur in milliseconds. Chemically, enzymes are like any catalyst and are not consumed in chemical reactions, nor do they alter the equilibrium of a reaction. Enzymes differ from most other catalysts by being much more specific. Enzyme activity can be affected by other molecules: inhibitors are molecules that decrease enzyme activity, and activators are molecules that increase activity. Many therapeutic drugs and poisons are enzyme inhibitors. An enzyme's activity decreases markedly outside its optimal temperature and pH, and many enzymes are (permanently) denatured when exposed to excessive heat, losing their structure and catalytic properties. Some enzymes are used commercially, for example, in the synthesis of antibiotics. Some household products use enzymes to speed up chemical reactions: enzymes in biological washing powders break down protein, starch or fat stains on clothes, and enzymes in meat tenderizer break down proteins into smaller molecules, making the meat easier to chew.

Этимология и история

К концу XVII и началу XVIII веков были известны процессы переваривания мяса желудочными выделениями и превращение крахмала в сахара растительными экстрактами и слюной, но механизмы, посредством которых они происходили, не были установлены. Французский химик Ансельме Пайен первым открыл фермент диастазу в 1833 году. Несколько десятилетий спустя, изучая брожение сахара в спирт дрожжами, Луи Пастер пришел к выводу, что это брожение вызывается жизненной силой, содержащейся в клетках дрожжей, которую он назвал "ферментами", и считалось, что они функционируют только в живых организмах. Он писал, что "алкогольное брожение – это акт, связанный с жизнью и организацией клеток дрожжей, а не со смертью или гниением клеток". В 1877 году немецкий физиолог Вильгельм Кюне (1837–1900) впервые использовал термин "энзим", происходящий от "фермент", для описания этого процесса. Позднее слово "энзим" стало использоваться для обозначения неживых веществ, таких как пепсин, а слово "фермент" – для обозначения химической активности, производимой живыми организмами. Эдуард Бухнер представил свою первую работу по изучению дрожжевых экстрактов в 1897 году. В серии экспериментов в Берлинском университете он обнаружил, что сахар бродит под действием дрожжевых экстрактов, даже когда в смеси нет живых клеток дрожжей. Он назвал фермент, вызывающий брожение сахарозы, "зимазой". В 1907 году он получил Нобелевскую премию по химии "за открытие бесклеточного брожения". Следуя примеру Бухнера, энзимы обычно называют в соответствии с реакцией, которую они катализируют: суффикс "-аза" сочетается с названием субстрата (например, лактаза – это энзим, расщепляющий лактозу) или с типом реакции (например, ДНК-полимераза формирует ДНК-полимеры). Биохимическая природа энзимов оставалась неизвестной в начале 1900-х годов. Многие ученые отмечали, что ферментативная активность связана с белками, но другие (такие как лауреат Нобелевской премии Рихард Вильштеттер) утверждали, что белки являются лишь носителями истинных энзимов и сами по себе не способны к катализу. В 1926 году Джеймс Б. Самнер показал, что энзим уреаза является чистым белком и кристаллизовал его; он повторил это для энзима каталазы в 1937 году. Окончательное доказательство того, что чистые белки могут быть энзимами, было представлено Джоном Говардом Нортропом и Венделлом Мередитом Стэнли, которые работали с пищеварительными энзимами пепсином (1930), трипсином и химотрипсином. Эти три ученых были удостоены Нобелевской премии по химии в 1946 году. Открытие того, что энзимы можно кристаллизовать, в конечном итоге позволило определить их структуру с помощью рентгеновской кристаллографии. Это было впервые сделано для лизоцима, энзима, содержащегося в слезах, слюне и яичном белке, который разрушает оболочку некоторых бактерий; структура была определена группой под руководством Дэвида Чилтона Филлипса и опубликована в 1965 году. Эта структура лизоцима с высоким разрешением ознаменовала начало области структурной биологии и усилий по пониманию того, как энзимы работают на атомном уровне детализации.

By the late 17th and early 18th centuries, the digestion of meat by stomach secretions and the conversion of starch to sugars by plant extracts and saliva were known but the mechanisms by which these occurred had not been identified. French chemist Anselme Payen was the first to discover an enzyme, diastase, in 1833. A few decades later, when studying the fermentation of sugar to alcohol by yeast, Louis Pasteur concluded that this fermentation was caused by a vital force contained within the yeast cells called "ferments", which were thought to function only within living organisms. He wrote that "alcoholic fermentation is an act correlated with the life and organization of the yeast cells, not with the death or putrefaction of the cells." In 1877, German physiologist Wilhelm Kühne (1837–1900) first used the term enzyme, which comes , to describe this process. The word enzyme was used later to refer to nonliving substances such as pepsin, and the word ferment was used to refer to chemical activity produced by living organisms. Eduard Buchner submitted his first paper on the study of yeast extracts in 1897. In a series of experiments at the University of Berlin, he found that sugar was fermented by yeast extracts even when there were no living yeast cells in the mixture. He named the enzyme that brought about the fermentation of sucrose "zymase". In 1907, he received the Nobel Prize in Chemistry for "his discovery of cell free fermentation". Following Buchner's example, enzymes are usually named according to the reaction they carry out: the suffix ase is combined with the name of the substrate (e. g., lactase is the enzyme that cleaves lactose) or to the type of reaction (e. g., DNA polymerase forms DNA polymers). The biochemical identity of enzymes was still unknown in the early 1900s. Many scientists observed that enzymatic activity was associated with proteins, but others (such as Nobel laureate Richard Willstätter) argued that proteins were merely carriers for the true enzymes and that proteins per se were incapable of catalysis. In 1926, James B. Sumner showed that the enzyme urease was a pure protein and crystallized it; he did likewise for the enzyme catalase in 1937. The conclusion that pure proteins can be enzymes was definitively demonstrated by John Howard Northrop and Wendell Meredith Stanley, who worked on the digestive enzymes pepsin (1930), trypsin and chymotrypsin. These three scientists were awarded the 1946 Nobel Prize in Chemistry. The discovery that enzymes could be crystallized eventually allowed their structures to be solved by x ray crystallography. This was first done for lysozyme, an enzyme found in tears, saliva and egg whites that digests the coating of some bacteria; the structure was solved by a group led by David Chilton Phillips and published in 1965. This high resolution structure of lysozyme marked the beginning of the field of structural biology and the effort to understand how enzymes work at an atomic level of detail.

Структура

Ферменты, как правило, представляют собой шаровидные белки, действующие в одиночку или в более крупных комплексах. Последовательность аминокислот определяет структуру, которая, в свою очередь, определяет каталитическую активность фермента. Хотя структура определяет функцию, новую ферментативную активность пока нельзя предсказать только по структуре. Структуры ферментов разворачиваются (денатурируются) при нагревании или воздействии химических денатурирующих веществ, и это нарушение структуры обычно приводит к потере активности. Денатурация ферментов обычно связана с температурами выше нормального уровня для данного вида; в результате ферменты из бактерий, живущих в вулканических средах, таких как горячие источники, ценятся промышленными пользователями за их способность функционировать при высоких температурах, что позволяет проводить реакции, катализируемые ферментами, с очень высокой скоростью. Ферменты обычно намного больше, чем их субстраты. Размеры варьируются от всего лишь 62 аминокислотных остатков для мономера 4-оксалокротоната таутомеразы до более 2500 остатков в синтетазе жирных кислот животных. Только небольшая часть их структуры (около 2–4 аминокислот) непосредственно участвует в катализе: каталитический центр. Этот каталитический центр расположен рядом с одним или несколькими связывающими участками, где остатки ориентируют субстраты. Каталитический центр и связывающий участок вместе составляют активный центр фермента. Остальная часть структуры фермента служит для поддержания точной ориентации и динамики активного центра. В некоторых ферментах аминокислоты не участвуют непосредственно в катализе; вместо этого фермент содержит участки для связывания и ориентации каталитических кофакторов. Существует небольшое количество биологических катализаторов на основе РНК, называемых рибозимами, которые могут действовать в одиночку или в комплексе с белками. Наиболее распространенным из них является рибосома, представляющая собой комплекс белков и каталитических компонентов РНК. Некоторые из ферментов, демонстрирующих наибольшую специфичность и точность, участвуют в копировании и экспрессии генома. Некоторые из этих ферментов имеют механизмы "вычитки". Здесь фермент, такой как ДНК-полимераза, катализирует реакцию на первом этапе, а затем проверяет правильность продукта на втором этапе. Этот двухэтапный процесс приводит к средним показателям ошибок менее 1 ошибки на 100 миллионов реакций в высокоточных полимеразах млекопитающих, таких как аминоацил-тРНК-синтетазы и рибосомы. Напротив, некоторые ферменты демонстрируют ферментативную полиспецифичность, обладая широкой специфичностью и действуя на ряд различных физиологически значимых субстратов. Многие ферменты обладают небольшой побочной активностью, которая возникла случайно (то есть нейтрально), что может быть отправной точкой для эволюционного отбора новой функции.

Enzymes are generally globular proteins, acting alone or in larger complexes. The sequence of the amino acids specifies the structure which in turn determines the catalytic activity of the enzyme. Although structure determines function, a novel enzymatic activity cannot yet be predicted from structure alone. Enzyme structures unfold (denature) when heated or exposed to chemical denaturants and this disruption to the structure typically causes a loss of activity. Enzyme denaturation is normally linked to temperatures above a species' normal level; as a result, enzymes from bacteria living in volcanic environments such as hot springs are prized by industrial users for their ability to function at high temperatures, allowing enzyme catalysed reactions to be operated at a very high rate. Enzymes are usually much larger than their substrates. Sizes range from just 62 amino acid residues, for the monomer of 4 oxalocrotonate tautomerase, to over 2,500 residues in the animal fatty acid synthase. Only a small portion of their structure (around 2–4 amino acids) is directly involved in catalysis: the catalytic site. This catalytic site is located next to one or more binding sites where residues orient the substrates. The catalytic site and binding site together compose the enzyme's active site. The remaining majority of the enzyme structure serves to maintain the precise orientation and dynamics of the active site. In some enzymes, no amino acids are directly involved in catalysis; instead, the enzyme contains sites to bind and orient catalytic cofactors. A small number of RNA based biological catalysts called ribozymes exist, which again can act alone or in complex with proteins. The most common of these is the ribosome which is a complex of protein and catalytic RNA components. Some of the enzymes showing the highest specificity and accuracy are involved in the copying and expression of the genome. Some of these enzymes have "proof reading" mechanisms. Here, an enzyme such as DNA polymerase catalyzes a reaction in a first step and then checks that the product is correct in a second step. This two step process results in average error rates of less than 1 error in 100 million reactions in high fidelity mammalian polymerases. aminoacyl tRNA synthetases and ribosomes. Conversely, some enzymes display enzyme promiscuity, having broad specificity and acting on a range of different physiologically relevant substrates. Many enzymes possess small side activities which arose fortuitously (i. e. neutrally), which may be the starting point for the evolutionary selection of a new function.

Модель "замок и ключ"

Чтобы объяснить наблюдаемую специфичность ферментов, в 1894 году Эмиль Фишер предположил, что и фермент, и субстрат имеют специфические, взаимно дополняющие геометрические формы, которые идеально соответствуют друг другу. Это часто называют моделью "ключ-замок".

Модель индукционного приспособления

В 1958 году Даниэль Кошланд предложил модификацию модели «замок и ключ»: поскольку ферменты обладают достаточно гибкой структурой, активный центр непрерывно перестраивается в результате взаимодействия с субстратом по мере его связывания с ферментом. В результате субстрат не просто присоединяется к жесткому активному центру; аминокислотные боковые цепи, формирующие активный центр, принимают точное положение, необходимое для осуществления ферментом своей каталитической функции. В некоторых случаях, например, с гликозидазами, молекула субстрата также незначительно изменяет свою форму при входе в активный центр. Активный центр продолжает изменяться до тех пор, пока субстрат полностью не свяжется, после чего определяется окончательная форма и распределение зарядов. Индуцированное соответствие может повысить точность молекулярного распознавания в условиях конкуренции и помех благодаря механизму конформационного отбора.

Динамика

Ферменты не являются жесткими, статичными структурами; напротив, они обладают сложными внутренними динамическими движениями – то есть перемещениями частей структуры фермента, таких как отдельные аминокислотные остатки, группы остатков, формирующие белковый фрагмент или элемент вторичной структуры, или даже целый белковый домен. Эти движения приводят к образованию конформационного ансамбля, состоящего из слегка различающихся структур, которые находятся в равновесии и переходят друг в друга. Различные состояния в этом ансамбле могут быть связаны с различными аспектами функции фермента. Например, различные конформации фермента дигидрофолатредуктазы соответствуют стадиям связывания субстрата, катализа, высвобождения кофактора и высвобождения продукта каталитического цикла, что согласуется с теорией каталитического резонанса.

Представление субстрата

Презентация субстрата — это процесс, при котором фермент отделён от своего субстрата. Ферменты могут быть секвестрированы в плазменную мембрану вдали от субстрата, находящегося в ядре или цитозоле. Или, внутри мембраны, фермент может быть секвестрирован в липидные плоты вдали от своего субстрата в неупорядоченной области. При высвобождении фермент смешивается со своим субстратом. В качестве альтернативы, фермент может быть секвестрирован рядом со своим субстратом для активации. Например, фермент может быть растворимым и, при активации, связываться с липидом в плазменной мембране, а затем действовать на молекулы в плазменной мембране.

Аллостерическая модуляция

Аллостерические участки – это углубления на ферменте, отличные от активного центра, которые связываются с молекулами в клеточной среде. Эти молекулы затем вызывают изменение конформации или динамики фермента, которое передается активному центру и, таким образом, влияет на скорость реакции фермента. Таким образом, аллостерические взаимодействия могут как ингибировать, так и активировать ферменты. Аллостерические взаимодействия с метаболитами, находящимися выше или ниже по метаболическому пути фермента, приводят к обратной связи, изменяя активность фермента в соответствии с потоком веществ по остальной части пути.

Термодинамика

Как и все катализаторы, ферменты не изменяют положение химического равновесия реакции. В присутствии фермента реакция протекает в том же направлении, что и без фермента, но быстрее. Скорость реакции зависит от энергии активации, необходимой для образования переходного состояния, которое затем превращается в продукты. Ферменты увеличивают скорость реакции, снижая энергию переходного состояния. Сначала, связывание образует низкоэнергетический фермент-субстратный комплекс (ЭС). Затем фермент стабилизирует переходное состояние, требующее меньшей энергии для достижения по сравнению с некатализируемой реакцией (ES‡). И, наконец, фермент-продуктовый комплекс (EP) диссоциирует, высвобождая продукты.

Кинетическая

Энзимная кинетика – это изучение того, как ферменты связывают субстраты и превращают их в продукты. Данные о скорости, используемые в кинетических анализах, обычно получают в ходе ферментных анализов. В 1913 году Леонор Михаэлис и Мод Леонора Ментен предложили количественную теорию кинетики ферментов, известную как кинетика Михаэлиса–Ментена. Главным вкладом Михаэлиса и Ментена стало рассмотрение ферментных реакций в две стадии. На первой стадии субстрат обратимо связывается с ферментом, образуя комплекс фермент-субстрат. Этот комплекс иногда называют комплексом Михаэлиса–Ментена в их честь. Затем фермент катализирует химическую стадию реакции и высвобождает продукт. Эта работа была далее развита Г. Э. Бриггсом и Дж. Б. С. Холдейном, которые вывели кинетические уравнения, которые до сих пор широко используются. Скорость ферментативной реакции зависит от условий среды и концентрации субстрата. Чтобы определить максимальную скорость ферментативной реакции, концентрацию субстрата увеличивают до тех пор, пока не будет достигнута постоянная скорость образования продукта. Это показано на кривой насыщения справа. Насыщение происходит потому, что с увеличением концентрации субстрата все большая часть свободного фермента превращается в комплекс фермент-субстрат (ES). При максимальной скорости реакции (Vmax) все активные центры фермента связаны с субстратом, а количество комплекса ES равно общему количеству фермента. Кинетика Михаэлиса–Ментена опирается на закон действующих масс, который вытекает из предположений о свободной диффузии и термодинамически обусловленных случайных столкновениях. Многие биохимические или клеточные процессы значительно отклоняются от этих условий из-за макромолекулярной скученности и ограниченной подвижности молекул. Более поздние, сложные расширения модели направлены на коррекцию этих эффектов.

Ингибирование

Скорость ферментативных реакций может быть уменьшена различными типами ингибиторов ферментов.

Конкурентоспособный

Конкурентный ингибитор и субстрат не могут связываться с ферментом одновременно. Часто конкурентные ингибиторы сильно похожи на настоящий субстрат фермента. Например, препарат метотрексат является конкурентным ингибитором фермента дигидрофолатредуктазы, который катализирует восстановление дигидрофолата до тетрагидрофолата. Сходство между структурами дигидрофолата и этого препарата показано на прилагаемой иллюстрации. Этот тип ингибирования можно преодолеть при высокой концентрации субстрата. В некоторых случаях ингибитор может связываться с участком, отличным от участка связывания обычного субстрата, и оказывать аллостерическое воздействие, изменяя форму обычного места связывания.

Неконкурентоспособный

Неконкурентный ингибитор связывается с участком, отличным от участка связывания субстрата. Субстрат по-прежнему связывается с обычной аффинностью, поэтому Km не изменяется. Однако ингибитор снижает каталитическую активность фермента, что приводит к уменьшению Vmax. В отличие от конкурентного ингибирования, неконкурентное ингибирование нельзя преодолеть увеличением концентрации субстрата.

Смешанные

Смешанный ингибитор связывается с аллостерическим центром, и связывание субстрата и ингибитора взаимно влияют друг на друга. Активность фермента снижается, но не полностью блокируется при связывании с ингибитором. Этот тип ингибитора не подчиняется уравнению Михаэлиса-Ментен. Пенициллин и аспирин – известные лекарственные препараты, действующие подобным образом.

Функции ингибиторов

Во многих организмах ингибиторы могут выступать в роли элемента механизма обратной связи. Если фермент производит избыточное количество какого-либо вещества в организме, это вещество может действовать как ингибитор этого же фермента на начальном этапе пути его синтеза, что приводит к замедлению или прекращению производства вещества при достижении достаточного уровня. Это является формой отрицательной обратной связи. Ключевые метаболические пути, такие как цикл Кребса, используют этот механизм, а также ингибиторы протеазы, применяемые для лечения ретровирусных инфекций, например ВИЧ. Широко известным примером необратимого ингибитора, используемого в качестве лекарственного средства, является аспирин, который ингибирует ферменты ЦОГ-1 и ЦОГ-2, ответственные за выработку простагландина – медиатора воспаления.

Факторы, влияющие на активность ферментов

Поскольку ферменты состоят из белков, их активность чувствительна к изменениям многих физико-химических факторов, таких как pH, температура, концентрация субстрата и т.д. В следующей таблице показаны оптимальные значения pH для различных ферментов.

+Enzyme | Optimum pH | pH description
------- | -------- | --------
Pepsin | 1.5–1.6 | Сильно кислый
Invertase | 4.5 | Кислый
Lipase (stomach) | 4.0–5.0 | Кислый
Lipase (castor oil) | 4.7 | Кислый
Lipase (pancreas) | 8.0 | Щелочной
Amylase (malt) | 4.6–5.2 | Кислый
Amylase (pancreas) | 6.7–7.0 | Слабокислый/Нейтральный
Cellobiase | 5.0 | Кислый
Maltase | 6.1–6.8 | Кислый
Sucrase | 6.2 | Кислый
Catalase | 7.0 | Нейтральный
Urease | 7.0 | Нейтральный
Cholinesterase | 7.0 | Нейтральный
Ribonuclease | 7.0–7.5 | Нейтральный
Fumarase | 7.8 | Щелочной
Trypsin | 7.8–8.7 | Щелочной
Adenosine triphosphate | 9.0 | Щелочной
Arginase | 10.0 | Сильно щелочной

Биологическая функция

Ферменты выполняют широкий спектр функций внутри живых организмов. Они незаменимы для передачи сигналов и регуляции клеток, часто посредством киназ и фосфатаз. Они также обеспечивают движение, при этом миозин гидролизует аденозинтрифосфат (АТФ) для генерации мышечного сокращения, а также транспортируют вещества внутри клетки как часть цитоскелета. Другие АТФазы в клеточной мембране являются ионными насосами, участвующими в активном транспорте. Ферменты также участвуют в более необычных функциях, таких как генерация света люциферазой у светлячков. Вирусы также могут содержать ферменты, необходимые для заражения клеток, например, ВИЧ-интегразу и обратную транскриптазу, или для высвобождения вируса из клеток, как, например, нейраминидаза вируса гриппа. Важной функцией ферментов является их участие в пищеварительных системах животных. Ферменты, такие как амилазы и протеазы, расщепляют крупные молекулы (крахмал или белки, соответственно) на более мелкие, чтобы они могли всасываться в кишечнике. Например, молекулы крахмала слишком велики для всасывания в кишечнике, но ферменты гидролизуют цепи крахмала до более мелких молекул, таких как мальтоза и, в конечном итоге, глюкоза, которые затем могут быть всаны. Различные ферменты переваривают различные пищевые вещества. У жвачных животных, питающихся растительной пищей, микроорганизмы в кишечнике производят другой фермент – целлюлазу – для расщепления целлюлозных клеточных стенок растительных волокон.

Метаболизм

Несколько ферментов могут работать вместе в определенном порядке, формируя метаболические пути. Ферменты определяют, какие этапы происходят в этих путях. Без ферментов метаболизм не протекал бы по тем же самым этапам и не мог бы регулироваться для удовлетворения потребностей клетки. Большинство центральных метаболических путей регулируются на нескольких ключевых этапах, обычно посредством ферментов, чья активность связана с гидролизом АТФ. Поскольку эта реакция высвобождает значительное количество энергии, другие термодинамически неблагоприятные реакции могут быть сопряжены с гидролизом АТФ, обеспечивая протекание всей последовательности связанных метаболических реакций. Например, в ответ на инсулин, фосфорилирование множества ферментов, включая гликогенсинтазу, помогает контролировать синтез или распад гликогена и позволяет клетке реагировать на изменения уровня глюкозы в крови. Другим примером посттрансляционной модификации является расщепление полипептидной цепи. Химотрипсин, пищеварительный протеаз, синтезируется в неактивной форме – химотрипсиногене – в поджелудочной железе и транспортируется в этой форме в желудок, где он активируется. Это предотвращает переваривание поджелудочной железы или других тканей ферментом до того, как он попадет в кишечник. Такой неактивный предшественник фермента известен как зимоген. Другой пример – ферменты печени, называемые цитохромами P450 оксидазами, которые играют важную роль в метаболизме лекарственных средств. Индукция или ингибирование этих ферментов может приводить к лекарственным взаимодействиям. Уровень ферментов также может регулироваться за счет изменения скорости их деградации. Кроме того, перемещение фермента в различные компартменты может изменять степень протонирования (например, нейтральной цитоплазмы и кислой лизосомы) или окислительно-восстановительное состояние (например, окисляющей периплазмы или восстановительной цитоплазмы), что, в свою очередь, влияет на активность фермента. В отличие от распределения в мембранно-связанные органеллы, субклеточная локализация ферментов может также изменяться посредством полимеризации ферментов в макромолекулярные цитоплазматические филаменты.

Специализация органов

У многоклеточных эукариотов клетки в разных органах и тканях демонстрируют различные паттерны экспрессии генов и, следовательно, обладают различными наборами ферментов (известных как изоферменты), доступными для метаболических реакций. Это обеспечивает механизм регулирования общего метаболизма организма. Например, гексокиназа, первый фермент пути гликолиза, имеет специализированную форму, называемую глюкокиназой, которая экспрессируется в печени и поджелудочной железе и обладает более низким сродством к глюкозе, но большей чувствительностью к её концентрации. Этот фермент участвует в определении уровня глюкозы в крови и регулировании продукции инсулина.

Вовлечение в болезни

Поскольку строгий контроль активности ферментов необходим для гомеостаза, любая неисправность (мутация, избыточное производство, недостаточное производство или делеция) одного критического фермента может привести к генетическому заболеванию. Неисправность всего лишь одного типа фермента из тысяч, присутствующих в человеческом организме, может быть смертельной. Примером фатального генетического заболевания, вызванного недостаточностью ферментов, является болезнь Тея-Сакса, при которой у пациентов отсутствует фермент гексозаминидаза. Одним из примеров дефицита ферментов является наиболее распространенный тип фенилкетонурии. Многие различные мутации в одной аминокислоте фермента фенилаланингидроксилазы, который катализирует первый этап деградации фенилаланина, приводят к накоплению фенилаланина и связанных с ним продуктов. Некоторые мутации находятся в активном центре, непосредственно нарушая связывание и катализ, но многие находятся далеко от активного центра и снижают активность, дестабилизируя структуру белка или влияя на правильную олигомеризацию. Это может привести к интеллектуальной недостаточности, если заболевание не лечить. Другой пример – дефицит псевдохолинэстеразы, при котором нарушается способность организма расщеплять препараты, содержащие холинэфир. Пероральное введение ферментов может использоваться для лечения некоторых функциональных дефицитов ферментов, таких как панкреатическая недостаточность и непереносимость лактозы. Другой механизм, посредством которого нарушения ферментов могут вызывать заболевания, – это мутации в зародышевой линии генов, кодирующих ферменты репарации ДНК. Дефекты в этих ферментах вызывают рак, поскольку клетки менее способны восстанавливать мутации в своих геномах. Это приводит к медленному накоплению мутаций и развитию раковых заболеваний. Примером такого наследственного ракового синдрома является ксеродерма пигментная, которая вызывает развитие рака кожи даже при минимальном воздействии ультрафиолетового света.

Эволюция

Как и любой другой белок, ферменты изменяются со временем в результате мутаций и дивергенции последовательностей. Учитывая их центральную роль в метаболизме, эволюция ферментов играет критическую роль в адаптации. Поэтому ключевой вопрос заключается в том, могут ли ферменты изменять свою ферментативную активность одновременно с этим, и каким образом. Общепринято считать, что многие новые ферментативные активности эволюционировали посредством дупликации генов и мутаций в дублированных копиях, хотя эволюция может происходить и без дупликации. Примером фермента, изменившего свою активность, является предок метионил-аминопептидазы (MAP) и креатин-амидиногидролазы (креатиназы), которые явно гомологичны, но катализируют совершенно разные реакции (MAP удаляет аминотерминальный метионин в новосинтезированных белках, а креатиназа гидролизует креатин до саркозина и мочевины). Кроме того, MAP зависит от ионов металлов, а креатиназа – нет, следовательно, это свойство также было утрачено в процессе эволюции. Небольшие изменения ферментативной активности чрезвычайно распространены среди ферментов. В частности, специфичность связывания субстрата (см. выше) может легко и быстро изменяться при заменах отдельных аминокислот в субстрат-связывающих карманах. Это часто наблюдается в основных классах ферментов, таких как киназы. Искусственная (in vitro) эволюция широко используется для модификации активности или специфичности ферментов в промышленных целях (см. ниже).

Промышленные применения

Ферменты используются в химической промышленности и других промышленных применениях, когда требуются чрезвычайно специфические катализаторы. В целом, ферменты ограничены в количестве реакций, для катализа которых они эволюционировали, а также их нестабильностью в органических растворителях и при высоких температурах. Как следствие, инженерия белков является активной областью исследований, направленной на создание новых ферментов с новыми свойствами либо путем рационального дизайна, либо с помощью in vitro эволюции. Эти усилия уже приносят успех, и некоторые ферменты были разработаны "с нуля" для катализа реакций, не происходящих в природе.

Применение
Используемые ферменты
Области применения
Индустрия биотоплива
Целлюлазы Разлагают целлюлозу на сахара, которые могут быть ферментированы для получения целлюлозного этанола.
Лигниназы Предварительная обработка биомассы для производства биотоплива.
Маннаназы Удаляют пищевые пятна из гуаровой камеди, распространенной пищевой добавки.
Бетаглюканазы Улучшают фильтруемость сусла и пива.
Кулинария
Папаин Размягчает мясо для приготовления пищи.
Молочная промышленность
Реннин Гидролизует белки при производстве сыра.
Липазы Используются в производстве сыров камамбер и голубых сыров, таких как рокфор.
Переработка пищевых продуктов
Амилазы Производят сахара из крахмала, например, при производстве кукурузного сиропа с высоким содержанием фруктозы.
Протеазы Снижают содержание белка в муке, например, при изготовлении печенья.
Целлюлазы, пектиназы Осветляют фруктовые соки.
Молекулярная биология
Нуклеазы, ДНК-лигазы и полимеразы Используются для рестрикционного анализа и полимеразной цепной реакции при создании рекомбинантной ДНК.
Средства личной гигиены
Протеазы Удаляют белки с контактных линз для предотвращения инфекций.
Крахмалообрабатывающая промышленность
Амилазы Преобразуют крахмал в глюкозу и различные сиропы.