ФЕРМЕ́НТЫ

ФЕРМЕ́НТЫ (от лат. fermentum – бро­же­ние, за­ква­ска), эн­зи­мы (от сред­не­гре­че­ско­го ἔνζυμος – за­ква­шен­ный), био­ло­гич. ка­та­ли­за­то­ры бел­ко­вой при­ро­ды, из­би­ра­тель­но ка­та­ли­зи­рую­щие хи­мич. ре­ак­ции в клет­ках всех жи­вых ор­га­низ­мов. Как и не­ор­га­нич. ка­та­ли­за­то­ры, Ф. не рас­хо­ду­ют­ся и ос­та­ют­ся не­из­мен­ны­ми в хо­де ре­ак­ции (за ред­ким ис­клю­че­ни­ем), мо­гут не­од­но­крат­но реа­ги­ро­вать с но­вы­ми мо­ле­ку­ла­ми суб­стра­та, дей­ст­ву­ют в ни­чтож­но ма­лых кон­цен­тра­ци­ях, ка­та­ли­зи­ру­ют толь­ко энер­ге­ти­че­ски воз­мож­ные ре­ак­ции (час­то эти ре­ак­ции об­ра­ти­мы); они не сдви­га­ют рав­но­ве­сие ре­ак­ции, но ус­ко­ря­ют его до­сти­же­ние. От­ли­чит. осо­бен­но­стя­ми Ф. яв­ля­ют­ся вы­со­кая эф­фек­тив­ность и спе­ци­фич­ность по от­но­ше­нию к суб­стра­там, их функ­цио­ни­ро­ва­ние при фи­зио­ло­гич. зна­че­ни­ях темп-ры, рН и нор­маль­ном ат­мо­сфер­ном дав­ле­нии; важ­ней­шим свой­ст­вом фер­мен­та­тив­но­го ка­та­ли­за яв­ля­ет­ся мно­го­уров­не­вая ре­гу­ля­ция.

Мо­ле­ку­ляр­ная мас­са боль­шин­ст­ва Ф. варь­и­ру­ет от 10000 до 3500000. Они мо­гут быть про­сты­ми или слож­ны­ми бел­ка­ми. Для про­яв­ле­ния ак­тив­но­сти слож­ных бел­ков тре­бу­ют­ся до­пол­нит. груп­пы не­бел­ко­вой при­ро­ды – ко­фак­то­ры, в ка­че­ст­ве ко­то­рых вы­сту­па­ют ио­ны ме­тал­лов или ор­га­нич. низ­ко­мо­ле­ку­ляр­ные со­еди­не­ния (час­то про­из­вод­ные во­до­рас­тво­ри­мых ви­та­ми­нов), не­по­сред­ст­вен­но уча­ст­вую­щие в ак­те ка­та­ли­за. По­ли­пеп­тид­ную часть Ф. при­ня­то на­зы­вать апо­фер­мен­том, а Ф, свя­зан­ный с ко­фак­то­ром, – хо­ло­фер­мен­том. С не­ко­то­ры­ми Ф. ко­фак­то­ры свя­зы­ва­ют­ся вре­мен­но и не­проч­но, лишь для осу­ще­ст­в­ле­ния фер­мен­та­тив­ной ре­ак­ции, с дру­ги­ми – по­сто­ян­но (как пра­ви­ло, ко­ва­лент­но). В по­след­нем слу­чае не­бел­ко­вая часть на­зы­ва­ет­ся про­сте­ти­че­ской груп­пой.

По ти­пу струк­тур­ной ор­га­ни­за­ции Ф. де­лят­ся: на об­ра­зо­ван­ные од­ной по­ли­пеп­тид­ной це­пью (напр., ли­зо­цим, ри­бо­нук­леа­за); со­стоя­щие из не­сколь­ких оди­на­ко­вых (напр., гли­це­раль­де­гид­фос­фат­де­гид­ро­ге­на­за) или раз­ных (напр., цАМФ-за­ви­си­мая про­те­ин­ки­на­за) по­ли­пеп­тид­ных це­пей (субъ­е­ди­ниц), удер­жи­вае­мых не­ко­ва­лент­ны­ми свя­зя­ми; об­ра­зо­ван­ные не­сколь­ки­ми по­ли­пеп­тид­ны­ми це­пя­ми, со­еди­нён­ны­ми ко­ва­лент­ны­ми (ди­суль­фид­ны­ми) свя­зя­ми (напр., хи­мот­рип­син); по­ли­функ­цио­наль­ные фер­мен­ты (напр., син­та­за жир­ных ки­слот); по­ли­фер­мент­ные над­мо­ле­ку­ляр­ные ком­п­лек­сы (напр., ды­ха­тель­ная цепь ми­то­хон­д­рий, см. Окис­ли­тель­ное фос­фо­ри­ли­ро­ва­ние), при об­ра­зо­ва­нии ко­то­рых дос­ти­га­ет­ся оп­ре­де­лён­ная про­стран­ст­вен­ная ор­га­ни­за­ция, обес­пе­чи­ваю­щая со­гла­со­ван­ность по­сле­до­ва­тель­ных ре­ак­ций, ко­гда про­дукт од­ной ре­ак­ции ста­но­вит­ся суб­стра­том дру­гой.

По от­но­ше­нию к сво­им суб­стра­там Ф. де­лят­ся на аб­со­лют­но спе­ци­фич­ные, взаи­мо­дей­ст­вую­щие да­же с очень близ­ки­ми к суб­стра­ту по хи­мич. струк­ту­ре со­еди­не­ния­ми (напр., Ф., уча­ст­вую­щие в пре­вра­ще­нии раз­ных сте­рео­изо­ме­ров) и от­но­си­тель­но спе­ци­фич­ные, взаи­мо­дей­ст­вую­щие с ря­дом сход­ных по струк­ту­ре суб­стра­тов, ха­рак­те­ри­зую­щих­ся к.-л. ти­пом хи­мич. свя­зей или на­ли­чи­ем оп­ре­де­лён­ной хи­мич. груп­пи­ров­ки (напр., пеп­ти­да­зы, ами­нок­си­да­зы).

Мо­ле­ку­лы суб­стра­та и ко­фак­то­ра свя­зы­ва­ют­ся с Ф. в ак­тив­ном цен­тре – осо­бом уча­ст­ке, пред­став­ляю­щем со­бой уни­каль­ную ком­би­на­цию сбли­жен­ных в про­стран­ст­ве ами­но­кис­лот­ных ос­тат­ков, ко­то­рые в по­ли­пеп­тид­ной це­пи мо­гут от­сто­ять друг от дру­га на зна­чит. рас­стоя­нии. В ак­тив­ном цен­тре вы­де­ля­ют суб­страт­свя­зы­ваю­щий (удер­жи­ваю­щий суб­страт) и ка­та­ли­ти­че­ский (не­по­сред­ст­вен­но уча­ст­вую­щий в ак­те ка­та­ли­за) уча­ст­ки. Боль­шие раз­ме­ры мо­ле­ку­лы Ф. обес­пе­чи­ва­ют под­дер­жа­ние не­об­хо­ди­мой кон­фор­ма­ции его ак­тив­но­го цен­тра. Кро­ме то­го, в мо­ле­ку­лах Ф. мо­жет при­сут­ст­во­вать ал­ло­сте­ри­че­ский центр (от греч. ἄλλος – дру­гой, στερεός – про­стран­ст­вен­ный) – уча­сток, с ко­то­рым свя­зы­ва­ют­ся разл. спе­ци­фи­че­ские, обыч­но низ­ко­мо­ле­ку­ляр­ные ве­ще­ст­ва – мо­ду­ля­то­ры. При­сое­ди­не­ние мо­ду­ля­то­ра к ал­ло­сте­ри­че­ско­му цен­тру со­про­во­ж­да­ет­ся из­ме­не­ни­ем про­стран­ст­вен­ной струк­ту­ры Ф. и, со­от­вет­ст­вен­но, кон­фи­гу­ра­ции его ак­тив­но­го цен­тра, вы­зы­вая сни­же­ние или по­вы­ше­ние ак­тив­но­сти фер­мен­та­тив­ной ак­тив­но­сти (т. н. ал­ло­сте­ри­че­ская ре­гу­ля­ция). Ал­ло­сте­рич. Ф. обыч­но уча­ст­ву­ют в пер­вом эта­пе мно­го­сту­пен­ча­то­го ме­та­бо­лич. про­цес­са (при этом их ак­ти­ва­ция или ин­ги­би­ро­ва­ние оп­ре­де­ля­ют ско­рость про­те­ка­ния все­го про­цес­са в це­лом) или на раз­вил­ке ме­та­бо­лич. пу­тей. Кро­ме то­го, ко­неч­ный про­дукт в це­пи ме­та­бо­лич. пре­вра­ще­ний мо­жет слу­жить ал­ло­сте­рич. ин­ги­би­то­ром пер­во­го Ф., осу­ще­ст­в­ляя ре­гу­ля­цию по ти­пу об­рат­ной свя­зи.

Ф. мо­гут уве­ли­чи­вать ско­рость хи­мич. ре­ак­ции в 10¹⁰–10¹⁵ раз. Это до­сти­га­ет­ся пу­тём сни­же­ния энер­гии ак­ти­ва­ции ка­та­ли­зи­руе­мых ими ре­ак­ций че­рез об­ра­зо­ва­ние про­ме­жу­точ­ных фер­мент-суб­страт­ных ком­плек­сов в ре­ак­ции Е+S⇄ES⇄E+P, где E – фер­мент, S – суб­страт, ES – фер­мент-суб­страт­ный ком­плекс, P – про­дукт ре­ак­ции (по­боч­ные про­дук­ты не об­ра­зу­ют­ся); боль­шое зна­че­ние име­ют пра­виль­ная ори­ен­та­ция и свя­зы­ва­ние суб­стра­та в ак­тив­ном цен­тре Ф. Ве­ли­чи­на, ха­рак­те­ри­зую­щая ско­рость фер­мен­та­тив­ной ре­ак­ции и за­ви­ся­щая от ко­ли­че­ст­ва Ф., на­зы­ва­ет­ся ак­тив­но­стью фер­мен­та. Со­глас­но ре­ко­мен­да­ци­ям Ко­мис­сии по фер­мен­там Ме­ж­ду­нар. био­хи­мич. сою­за, за еди­ни­цу фер­мен­та (МЕ – ме­ж­ду­нар. еди­ни­ца фер­мен­та) при­ни­ма­ют та­кое его ко­ли­че­ст­во, ко­то­рое ка­та­ли­зи­ру­ет пре­вра­ще­ние 1 мкмо­ля суб­стра­та за 1 мин при темп-ре 30 °C и др. оп­ти­маль­ных ус­ло­ви­ях (рН, дав­ле­ние и др.).

Ско­рость фер­мен­та­тив­ной ре­ак­ции за­ви­сит от кон­цен­тра­ции суб­стра­та, с рос­том ко­то­рой она воз­рас­та­ет до оп­ре­де­лён­но­го пре­де­ла – макс. ско­ро­сти, свы­ше ко­то­рой уве­ли­чи­вать­ся не мо­жет. Ста­ди­ей, ли­ми­ти­рую­щей ско­рость, яв­ля­ет­ся рас­пад ком­плек­са ES на фер­мент и про­дукт. Ино­гда при вы­со­ких кон­цен­тра­ци­ях суб­страт мо­жет ин­ги­би­ро­вать Ф., взаи­мо­дей­ст­вуя с ним по ал­ло­сте­рич. цен­тру (суб­страт­ное ин­ги­би­ро­ва­ние). На ско­рость фер­мен­та­тив­ных ре­ак­ций ока­зы­ва­ют влия­ние так­же темп-ра и рН сре­ды. Влия­ние темп-ры опи­сы­ва­ет­ся ко­ло­ко­ло­об­раз­ной кри­вой с мак­си­му­мом, вос­хо­дя­щая ветвь ко­то­рой от­ра­жа­ет обыч­ную для хи­мич. ре­ак­ций экс­по­нен­ци­аль­ную за­ви­си­мость, а нис­хо­дя­щая обу­слов­ле­на те­п­ло­вой де­на­ту­ра­ци­ей бел­ка. Тем­пе­ра­тур­ный оп­ти­мум для разл. Ф. мо­жет су­ще­ст­вен­но варь­и­ро­вать в за­ви­си­мо­сти от их тер­мо­ста­биль­но­сти и тер­мо­ла­биль­но­сти. Для боль­шин­ст­ва Ф. он ле­жит в пре­де­лах 40–50 °С, для тер­мо­филь­ных ор­га­низ­мов – в пре­де­лах 80–90 °С. Ка­ж­дый фер­мент име­ет оп­ре­де­лён­ный оп­ти­мум рН, при ко­то­ром дос­ти­га­ет­ся макс. ско­рость фер­мен­та­тив­ной ре­ак­ции. Для боль­шин­ст­ва Ф. это ней­траль­ные зна­че­ния в об­лас­ти 6,0–8,0, но су­ще­ст­ву­ют и ис­клю­че­ния (напр., оп­ти­мум рН пеп­си­на же­луд­ка 1,5–2,0).

Ф. уча­ст­ву­ют в осу­ще­ст­в­ле­нии всех про­цес­сов об­ме­на ве­ществ и пре­вра­ще­ния энер­гии, в реа­ли­за­ции ге­не­тич. ин­фор­ма­ции. Они мо­гут быть ло­ка­ли­зо­ва­ны в раз­ных ком­пар­тмен­тах и ор­га­нел­лах клет­ки: в ци­то­плаз­ме, плаз­ма­тич. мем­бра­не, в мат­рик­се или мем­бра­нах ми­то­хон­д­рий и т. д., что обес­пе­чи­ва­ет про­стран­ст­вен­ное раз­де­ле­ние (ком­пар­т­мен­та­ли­за­цию) разл. ме­та­бо­лич. пу­тей. Бла­го­да­ря это­му в раз­ных час­тях клет­ки од­но­вре­мен­но мо­гут про­ис­хо­дить как ана­бо­ли­че­ские (син­тез), так и ка­та­бо­ли­че­ские (рас­пад) про­цес­сы.

Со­дер­жа­ние Ф. в клет­ке мо­жет ре­гу­ли­ро­вать­ся на ге­не­тич. уров­не пу­тём ин­дук­ции или ре­прес­сии их ге­нов, т. е. пу­тём из­ме­не­ния ско­ро­сти их био­син­те­за и/или де­гра­да­ции. Ф., ко­то­рые син­те­зи­ру­ют­ся в клет­ке по­сто­ян­но, на­зы­ва­ют кон­сти­ту­тив­ны­ми, а те, син­тез ко­то­рых на­чи­на­ет­ся лишь при на­ли­чии в сре­де со­от­вет­ст­вую­щих суб­стра­тов (ин­дук­то­ров), – ин­ду­ци­бель­ны­ми. При ре­гу­ля­ции на гор­мо­наль­ном уров­не за­пус­ка­ют­ся кас­ка­ды хи­мич. пре­вра­ще­ний, мно­го­крат­но уси­ли­ваю­щих гор­мо­наль­ный сиг­нал (см. Про­те­ин­ки­на­зы). Ряд Ф. ха­рак­те­ри­зу­ет­ся тка­не­вой спе­ци­фич­но­стью. Ф., ко­то­рые ка­та­ли­зи­ру­ют од­ну и ту же ре­ак­цию, но ко­ди­ру­ют­ся раз­ны­ми ге­на­ми и от­ли­ча­ют­ся по фи­зи­ко-хи­мич. и им­му­но­ло­гич. свой­ст­вам, а так­же по ло­ка­ли­за­ции, на­зы­ва­ют­ся изо­фер­мен­та­ми. Не­ко­то­рые Ф. син­те­зи­ру­ют­ся в фор­ме не­ак­тив­ных пред­ше­ст­вен­ни­ков (про­фер­мен­тов, или зи­мо­ге­нов) и ак­ти­ви­ру­ют­ся по­сле со­от­вет­ст­вую­щей мо­ди­фи­ка­ции мо­ле­ку­лы (напр., в ре­зуль­та­те спе­ци­фич. ог­ра­ни­чен­но­го про­те­о­ли­тич. рас­ще­п­ле­ния или при­сое­ди­не­ния разл. хи­мич. групп – фос­фат­ной, ме­тиль­ной, ациль­ной и т. п.).

В ос­но­ву ме­ж­ду­нар. клас­си­фи­ка­ции Ф. (КФ) по­ло­жен тип ка­та­ли­зи­руе­мых ими хи­мич. ре­ак­ций. Ф. де­лят на 6 клас­сов: ок­си­до­ре­дук­та­зы (ка­та­ли­зи­ру­ют окис­ли­тель­но-вос­ста­но­ви­тель­ные ре­ак­ции), транс­фе­ра­зы (обес­пе­чи­ва­ют ре­ак­ции меж­мо­ле­ку­ляр­но­го пе­ре­но­са функ­цио­наль­ных групп), гид­ро­ла­зы (от­вет­ст­вен­ны за ре­ак­ции гид­ро­ли­тич. рас­ще­п­ле­ния свя­зей), лиа­зы (ка­та­ли­зи­ру­ют ре­ак­ции не­гид­ро­ли­тич. от­ще­п­ле­ния от суб­стра­тов разл. хи­мич. групп или об­рат­ные ре­ак­ции – при­сое­ди­не­ния), изо­ме­ра­зы (обес­пе­чи­ва­ют об­ра­зо­ва­ние изо­ме­ров суб­стра­та) и ли­га­зы (ка­та­ли­зи­ру­ют ре­ак­ции син­те­за с ис­поль­зо­ва­ни­ем энер­гии АТФ или др. нук­лео­тид­три­фос­фа­тов). В пре­де­лах клас­сов Ф. груп­пи­ру­ют­ся в под­клас­сы и под­под­клас­сы. В КФ ка­ж­до­му фер­мен­ту при­сво­ен свой шифр, со­стоя­щий из 4 цифр (напр., КФ 1.1.1.1 – ал­ко­голь­де­гид­ро­ге­на­за; пер­вое чис­ло ука­зы­ва­ет на класс Ф., вто­рое – на под­класс, третье – на под­под­класс, а чет­вёр­тое – по­ряд­ко­вый но­мер фер­мен­та в его под­под­клас­се) и сис­те­ма­тич. на­зва­ние. Ф., ка­та­ли­зи­рую­щие од­ну и ту же ре­ак­цию у ор­га­низ­мов раз­ных ви­дов, мо­гут су­ще­ст­вен­но раз­ли­чать­ся ме­ж­ду со­бой по струк­ту­ре, но в но­менк­ла­ту­ре име­ют об­щее назв. и один ко­до­вый но­мер.

Оха­рак­те­ри­зо­ва­но бо­лее 2000 разл. Ф., мно­гие из ко­то­рых вы­де­ле­ны в го­мо­ген­ном ви­де. Для боль­шин­ст­ва Ф. оп­ре­де­ле­на ами­но­кис­лот­ная по­сле­до­ва­тель­ность, а для мно­гих ус­та­нов­ле­на про­стран­ст­вен­ная струк­ту­ра. В струк­ту­ре функ­цио­наль­но близ­ких Ф. вы­яв­ле­ны сход­ные до­ме­ны, что сви­де­тель­ст­ву­ет об их эво­лю­ци­он­ном род­ст­ве. Ме­то­ды бел­ко­вой ин­же­не­рии по­зво­ля­ют из­би­ра­тель­но за­ме­нять в мо­ле­ку­ле Ф. от­дель­ные ами­но­кис­ло­ты или це­лые фраг­мен­ты разл. дли­ны. Бла­го­да­ря это­му по­яв­ля­ет­ся воз­мож­ность из­ме­нять свой­ст­ва Ф. в нуж­ном на­прав­ле­нии, об­лег­ча­ет­ся изу­че­ние ме­ха­низ­ма фер­мен­та­тив­но­го ка­та­ли­за. Раз­дел био­хи­мии, изу­чаю­щий струк­ту­ру, свой­ст­ва Ф. и ка­та­ли­зи­руе­мые ими ре­ак­ции, на­зы­ва­ет­ся эн­зи­мо­ло­ги­ей.

Ф. на­хо­дят ши­ро­кое при­ме­не­ние. Они ис­поль­зу­ют­ся в ге­не­ти­че­ской ин­же­не­рии (напр., ре­ст­рик­та­зы, ДНК-ли­га­зы, об­рат­ные транс­крип­та­зы), для ко­ли­че­ст­вен­но­го оп­ре­де­ле­ния ря­да ве­ществ (фер­мент­ные элек­тро­ды, фер­мент­ные сен­со­ры) и по­лу­че­ния разл. ве­ществ (фер­мент­ные ре­ак­то­ры), для ди­аг­но­сти­ки (эн­зи­мо­ди­аг­но­сти­ка) и ле­че­ния (эн­зи­мо­те­ра­пия) ря­да за­бо­ле­ва­ний, а так­же в не­ко­то­рых тех­но­ло­гич. про­цес­сах, при­ме­няе­мых в лёг­кой, пи­ще­вой и фар­ма­цев­тич. пром-сти. С ни­ми свя­за­ны перс­пек­ти­вы раз­ви­тия им­му­но­фер­мент­но­го и био­лю­ми­нес­цент­но­го ана­ли­за, при­ме­не­ние в пром-сти им­мо­би­ли­зо­ван­ных фер­мен­тов. Оп­ре­де­ле­ние об­щей и тка­не­спе­ци­фич. ак­тив­но­сти Ф. по­мо­га­ет при ре­ше­нии не­ко­то­рых во­про­сов иден­ти­фи­ка­ции лич­но­сти. От­сут­ст­вие или на­ру­ше­ние ак­тив­но­сти к.-л. Ф. при­во­дит к раз­ви­тию ря­да за­бо­ле­ва­ний (фер­мен­то­па­тий), мно­гие из ко­то­рых обу­слов­ле­ны де­фек­та­ми в ге­нах, ко­ди­рую­щих эти фер­мен­ты. См. также Фер­мен­та­тив­ный катализ.

Об­ла­даю­щие фер­мен­та­тив­ной ак­тив­но­стью РНК на­зы­ва­ют­ся ри­бо­зи­ма­ми.