Ферменты являются критическими белковыми молекулами в живых системах, которые после синтеза обычно не превращаются в молекулы другого типа, как вещества, принимаемые в качестве топлива для пищеварительных и дыхательных процессов (например, сахара, жиры, молекулярный кислород). Это потому, что ферменты являются катализаторами, а это означает, что они могут принимать участие в химических реакциях без изменения самих себя, немного как модератор публичных дебатов, который в идеале движет участников и аудиторию к заключению, диктуя условия аргумента, в то время как не добавляя никакой уникальной информации.

Было идентифицировано более 2000 ферментов, и каждый из них участвует в одной конкретной химической реакции. Следовательно, ферменты являются субстрат-специфичными. Они сгруппированы в полдюжины классов по типам реакций, в которых они принимают участие.

Основы фермента

Ферменты позволяют проводить в организме огромное количество реакций в условиях гомеостаза или общего биохимического баланса. Например, многие ферменты функционируют лучше всего при уровне pH (кислотности), близком к уровню pH, который обычно поддерживается организмом, который находится в диапазоне 7 (то есть ни щелочных, ни кислых). Другие ферменты функционируют лучше всего при низком pH (высокой кислотности) из-за требований окружающей среды; например, внутренняя часть желудка, где действуют некоторые пищеварительные ферменты, очень кислая.

Ферменты участвуют в процессах от свертывания крови до синтеза ДНК и пищеварения. Некоторые из них находятся только в клетках и участвуют в процессах с участием небольших молекул, таких как гликолиз; другие выделяются непосредственно в кишечник и действуют на сыпучие вещества, такие как проглоченная пища.

Поскольку ферменты представляют собой белки с довольно высокой молекулярной массой, каждый из них имеет четкую трехмерную форму. Это определяет конкретные молекулы, на которые они действуют. Помимо того, что зависит от pH, форма большинства ферментов зависит от температуры, что означает, что они функционируют лучше всего в довольно узком температурном диапазоне.

Как работают ферменты

Большинство ферментов работают за счет снижения энергии активации химической реакции. Иногда их форма сближает физически реагирующие реагенты в стиле, например, тренера спортивной команды или менеджера рабочей группы, стремящегося выполнить задачу быстрее. Считается, что когда ферменты связываются с реагентом, их форма изменяется таким образом, что дестабилизирует реагент и делает его более восприимчивым к любым химическим изменениям, которые вызывает реакция.

Реакции, которые могут протекать без ввода энергии, называются экзотермическими реакциями. В этих реакциях продукты или химические вещества, образующиеся в ходе реакции, имеют более низкий уровень энергии, чем химические вещества, которые служат ингредиентами реакции. Таким образом, молекулы, подобно воде, «ищут» свой собственный (энергетический) уровень; атомы «предпочитают» находиться в устройствах с меньшей суммарной энергией, подобно тому, как вода течет вниз до самой низкой доступной физической точки. Собрав все это вместе, становится ясно, что экзотермические реакции всегда протекают естественным путем.

Однако тот факт, что реакция произойдет даже без участия, ничего не говорит о скорости, с которой она произойдет. Если вещество, попавшее в организм, естественным образом превратится в два производных вещества, которые могут служить прямыми источниками клеточной энергии, это мало что даст, если реакция, естественно, занимает несколько часов или дней. Кроме того, даже когда общая энергия продуктов выше, чем у реагентов, энергетический путь не является плавным спуском на графике; вместо этого продукты должны достигать более высокого уровня энергии, чем тот, с которого они начали, чтобы они могли «преодолеть горб», и реакция может продолжаться. Эта первоначальная инвестиция энергии в реагенты, которая окупается в форме продуктов, является вышеупомянутой энергией активации, или Ea.

Типы ферментов

Организм человека включает шесть основных групп или классов ферментов.

Оксидоредуктазы увеличивают скорость реакций окисления и восстановления. В этих реакциях, также называемых окислительно-восстановительными реакциями, один из реагентов отдает пару электронов, которые получает другой реагент. Донор электронной пары, как говорят, окисляется и действует как восстановитель, в то время как получатель электронной пары восстанавливается, называется окислителем. Более простой способ выразить это состоит в том, что в реакциях такого типа атомы кислорода, атомы водорода или оба перемещаются. Примеры включают цитохромоксидазу и лактатдегидрогеназу.

Переносит скорость по переносу групп атомов, таких как метильная (CH3), ацетильная (CH3CO) или амино (NH2) группы, от одной молекулы к другой молекуле. Ацетат киназа и аланин деаминаза являются примерами трансфераз.

Гидролазы ускоряют реакции гидролиза. В реакциях гидролиза используется вода (H2O) для расщепления связи в молекуле с образованием двух дочерних продуктов, обычно путем присоединения -OH (гидроксильная группа) из воды к одному из продуктов и одного -H (атом водорода) к другому , Тем временем новая молекула формируется из атомов, смещенных компонентами -H и -OH. Пищеварительные ферменты липазы и сукразы являются гидролазами.

Лиазы увеличивают скорость присоединения одной молекулярной группы к двойной связи или удаления двух групп из соседних атомов, чтобы создать двойную связь. Они действуют как гидролазы, за исключением того, что удаленный компонент не вытесняется водой или частями воды. Этот класс ферментов включает оксалатдекарбоксилазу и изоцитратлиазу.

Изомеразы ускоряют реакции изомеризации. Это реакции, в которых все исходные атомы в реагенте сохраняются, но перестраиваются с образованием изомера реагента. (Изомеры представляют собой молекулы с одинаковой химической формулой, но с разным расположением.) Примеры включают глюкозо-фосфат-изомеразу и аланиновую рацемазу.

Лигазы (также называемые синтетазами) увеличивают скорость соединения двух молекул. Они обычно достигают этого, используя энергию, полученную в результате распада аденозинтрифосфата (АТФ). Примеры лигаз включают ацетил-КоА-синтетазу и ДНК-лигазу.

Ингибирование ферментов

В дополнение к изменениям температуры и pH, другие факторы могут привести к снижению или прекращению активности фермента. В процессе, называемом аллостерическим взаимодействием, форма фермента временно изменяется, когда молекула связывается с его частью от места, где она присоединяется к реагенту. Это приводит к потере функции. Иногда это полезно, когда сам продукт служит аллостерическим ингибитором, потому что это обычно является признаком того, что реакция протекает до того момента, когда дополнительный продукт больше не требуется.

При конкурентном ингибировании вещество, называемое регуляторным соединением, конкурирует с реагентом за сайт связывания. Это похоже на попытку поставить несколько рабочих ключей в один и тот же замок одновременно. Если достаточное количество этих регуляторных соединений присоединяется к достаточно высокому количеству присутствующего фермента, это замедляет или останавливает путь реакции. Это может быть полезным в фармакологии, потому что микробиологи могут создавать соединения, которые конкурируют с сайтами связывания бактериальных ферментов, что значительно усложняет бактериям возникновение болезней или выживание в организме человека.

При неконкурентном ингибировании ингибирующая молекула связывается с ферментом в месте, отличном от активного сайта, подобно тому, что происходит при аллостерическом взаимодействии. Необратимое торможение происходит, когда ингибитор постоянно связывается с ферментом или значительно ухудшает его, так что его функция не может восстановиться. Нервный газ и пенициллин оба используют этот тип торможения, хотя и с совершенно разными намерениями.