Ферментативный катализ. Биохимические реакции протекают с большой скоростью благодаря участию природных

Биохимические реакции протекают с большой скоростью благодаря участию природных катализаторов, называемых ферментами. Высокая степень специфичности и высокая эффективность ферментов обеспечивают строго определенные последовательности превращения метаболитов. Ферменты функционируют во всех живых организмах, и осуществление общих для всех клеток мета­болических превращений является следствием специфичности со­ответствующих ферментов.

Ферментативные процессы использовались человеком еще в глубокой древ­ности. Открытие брожения как способа получения вина греки приписывали богу Бахусу. Энзиматические процессы, лежащие в основе изготовления сыра и хле­ба и получения уксуса, также известны с античных времен. Сложившиеся в результате практической деятельности представления занимают важное место в истории энзимологии. Полученная на пивоваренных заводах и в их лаборатори­ях информация о процессах утилизации сахара имела весьма важное общее значение, поскольку основные реакции, происходящие при брожении в культуре дрожжей и при превращении сахара в тканях млекопитающих, по существу идентичны. Интересно отметить, что слово «энзим», предложенное Кюне, обозна­чает «в дрожжах», однако в настоящее время это слово используется как тер­мин для обозначения биологического катализатора независимо от его происхож­дения (см. гл. 1).

Одним из наиболее важных достижений биохимии девятнадцатого столетия является выяснение того обстоятельства, что протекание "спиртового и других типов брожения вызывается живыми клетками. Берцелиус, один из первых ис­следователей, охарактеризовавших природу каталитических процессов, предпо­ложил в 1837 г., что ферменты — катализаторы, поставляемые живыми клетка­ми. Работы Пастера и ряда других исследователей опровергли существовавшее ранее представление о том, что при брожении и гниении могут спонтанно зарож­даться живые организмы, и установили, что эти процессы вызываются микроорганизмами. Пастер, однако, пришел к заключению, что эти процессы осуществ­ляются только интактными живыми клетками.

Энзимология получила хороший стимул для развития в 1897 г., когда братья Бухнеры показали, что дрожжевой бесклеточный сок способен сбраживать сахар с образованием спирта и СО₂. Тогда стало очевидным, что дрожжевой сок содержит сложную смесь ферментов, требуемых для осуществления броже­ния, и что ферменты могут функционировать как внутри, так и вне клеток. До начала нашего столетия было очень мало сведений относительно химической природы ферментов; затем стало появляться все большее число данных, свиде­тельствующих о том, что ферменты, по-видимому, являются по своей природе белками. Сообщение Самнера в 1926 г. о выделении фермента уреазы в виде кристаллического белка было встречено с некоторым скептицизмом, однако в течение нескольких последующих лет Нортроп и Кунитц выделили в кристал­лическом виде пепсин, трипсин и химотрипсин. С этого времени получены сотни ферментов в выоокоочищенном состоянии, а многие — в кристаллическом виде; для всех выделенных ферментов была доказана белковая природа.

До 1926 г. основное внимание при изучении ферментов уделялось характеру катализируемых ими химических реакций. После того как ферменты стали доступны в высокоочищенном и кристаллическом состоянии, их начали исследовать методами химии белка. По существу основные сведения по химии белков и о процессах метаболизма получены в ходе исследований по структуре и механизму действия ферментов.

В настоящее время значительная часть исследований, связанных с живыми клетками, посвящена ферментам, поскольку различные физиологические функции, например мышечное сокращение, нервная проводимость, почечная секреция и жизнь клетки в целом, неразрывно связаны с активностью ферментов. Такой сложный процесс, как мышечное сокращение, требующий обеспечения энергией, представляет собой, по существу, последовательность катализируемых ферментами реакций. Многие из этих реакций успешно исследуются in vitro (в виде изолированных систем), поскольку соответствующие ферменты выделены в кристаллическом состоянии.

В условиях организма даже относительно простые реакции могут катализироваться ферментами, если некатализируемые реакции являются слишком медленными для обеспечения физиологических потребностей. Примером может служить обратимое взаимодействие СО₂ и Н₂О с образованием Н₂СО₃: в крови эта реакция катализируется ферментом карбоангидразой. В отсутствие катализатора обмен СО₂ между кровью и тканями, а также между кровью и легкими не может осуществляться со скоростями, обеспечивающими физиологические потребности.

Природа ферментов

Данных о каких-либо биокатализаторах, не являющихся белками, не имеется. Химические реакции, очевидно, могут ускоряться и небелковыми катализаторами; при этом некоторые из них увеличивают скорость реакций почти в такой же степени, как и ферменты, однако в живых организмах небелковые катализаторы не обнаружены. Ферменты значительно различаются по размеру молекул; известно, что некоторые из них имеют весьма небольшую молекулярную массу (10⁴). Обычно, однако, они имеют более значительные размеры и их молекулярные массы находятся в пределах от 1,5-10⁴ до 10⁶. Подобно всем белкам, они лабильны и после денатурации оказываются неактивными.

Поиск по сайту: