Ферменты

Каталитическая функция белков

Основное и самое поразительное свойство некоторых белков — их способность выступать в роли биологических катализаторов. В биохимии эти белки называются ферментами или энзимами. Без их участия жизнь в том виде, в котором мы её знаем, была бы невозможна, так как скорости химических реакций при температуре тела были бы слишком низкими. Согласно фундаментальным принципам биоорганической химии, абсолютно все биохимические превращения в клетках и тканях организма протекают только при непосредственном участии ферментативного аппарата. Это означает, что метаболизм полностью подчинен каталитическому действию белковых молекул.

Типы катализируемых реакций

Биологические катализаторы управляют колоссальным спектром химических превращений. Весь массив ферментативных процессов можно разделить на несколько ключевых направлений:

• Синтез и распад биополимеров: ферменты контролируют как процессы сборки сложных макромолекул, так и их гидролиз (расщепление с участием воды). То же самое касается обмена сложных эфиров.
• Окислительно-восстановительные процессы: энзимы обеспечивают перенос электронов и протонов, катализируя окисление и восстановление различных органических веществ, что критически важно для клеточного дыхания и энергообмена.
• Изомеризация: молекулярные перестройки внутри одной молекулы без изменения её качественного и количественного состава также управляются специализированными белками.
• Перенос функциональных групп: перемещение химических группировок от одной молекулы-донора к молекуле-акцептору.
• Фотосинтез: сложнейший каскад реакций преобразования световой энергии в энергию химических связей невозможен без участия специфического ферментативного комплекса.

Уникальная специфичность энзимов

В отличие от многих неорганических катализаторов, которые могут ускорять широкий класс реакций, ферменты обладают высочайшей, часто абсолютной специфичностью. Это выражается в том, что для каждой конкретной биохимической реакции в организме существует свой, строго определенный специфический фермент. Одна реакция — один катализатор.

Кроме того, энзимология выделяет понятие видовой специфичности. Ферменты существуют в огромном множестве разновидностей. Структура и свойства этих разновидностей тонко настроены и строго соответствуют физиологическим и эволюционным особенностям каждого конкретного биологического вида. Таким образом, фермент, выполняющий одну и ту же функцию у бактерии, растения и человека, будет иметь существенные структурные различия.

Каталитическая эффективность

Эффективность ферментов поражает воображение химиков-синтетиков. Биологические катализаторы позволяют осуществлять в мягких клеточных условиях такие реакции, которые в рамках традиционной неорганической химии считаются труднореализуемыми и требуют экстремальных температур, давления или агрессивных сред.

Классическим примером такой непревзойденной эффективности является фиксация и восстановление атмосферного азота ($N_2$). Молекула азота обладает чрезвычайно прочной тройной связью, расщепить которую в лаборатории крайне сложно. Однако в клетках определенных видов бактерий этот процесс происходит непрерывно и без затрат огромного количества внешней энергии — исключительно благодаря мощному каталитическому действию специфических ферментативных систем.

Вопросы с занятий и экзамена

Что ещё разобрать по теме

• Механизмы гидролиза биополимеров и сложных эфиров
• Окислительно-восстановительные ферментативные системы
• Роль энзимов в реакциях переноса функциональных групп и изомеризации
• Ферментативный аппарат процессов фотосинтеза
• Биохимические механизмы фиксации атмосферного азота у бактерий

Другие темы раздела «Глава 18. Важнейшие классы биоорганических соединений»

Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.