Ферме́нти, або ензи́ми — органічні каталізатори білкової або РНК природи (рибозими) , що утворюються в живих організмах. Прискорюють біохімічні реакції як in vivo, так і in vitro. Можуть мати від одного до кількох поліпептидних ланцюгів — субодиниць з високою молекулярною масою (від десятка тисяч до кількох мільйонів).
За хімічним складом ферменти можуть належати до простих чи складних білків. В останньому випадку молекула складається з білкової частини (апоферменту) та сполуки небілкової природи (кофактору). У білковій частині ферменту каталітичні функції виконують відносно невеликі ділянки молекули — активні центри, які визначають специфічність хімічної реакції, що каталізується цим ферментом.
Активний центр являє собою поєднання певних амінокислот, які можуть знаходитись у поліпептидному ланцюгу як поруч, так і в різних його частинах. Якщо амінокислоти просторово віддалені одна від одної, формування активного центру відбувається шляхом згортання молекули ферменту в глобулярну структуру. Крім активного центру деякі ферменти мають алостеричний центр, який регулює роботу активного центру.
За характером каталізованих реакцій розрізняють оксидоредуктази, трансферази, гідролази, ліази, ізомерази, лігази.
Біохімічні реакції відбуваються за участю ферментів за нормального тиску, температури, у слабокислому, нейтральному чи слаболужному середовищі. Ферментативна реакція також може регулюватися іншими молекулами, як білкової природи, так й іншими — активаторами та інгібіторами.
Ферменти РНК-природи називають рибозимами і їх вважають первісною формою ферментів, які були замінені білковими ферментами в процесі еволюції.
Терміни «фермент» і «ензим» можна використовувати як синоніми. Але наука про ферменти називається ензимологією, а не ферментологією (ймовірно щоб не змішувати корені слів латинської і грецької мов).
Історія дослідження
Термін «фермент» ввів у XVII столітті хімік Ян ван Гельмонт для опису механізмів травлення. Наприкінці XVIII — на початку XIX століття вже було відомо, що м'ясо перетравлюється шлунковим соком, а крохмаль перетворюється на цукор під дією слини. Проте механізм цих явищ був ще невідомийWilliams, Henry Smith, 1863—1943. A History of Science: in Five Volumes. Volume IV: Modern Development of the Chemical and Biological Sciences. У XIX столітті Луї Пастер, вивчаючи перетворення вуглеводів в етиловий спирт під дією дріжджів, дійшов висновку, що цей процес (бродіння) каталізується якоюсь «життєвою силою», що знаходиться в дріжджових клітинах.
Понад сто років тому терміни «фермент» і «ензим» відображали різні погляди Луї Пастера, з одного боку, та Марселена Бертло і Юстуса фон Лібіха, з іншого, в теоретичній суперечці про природу спиртового бродіння. Власне «ферментами» (від — «закваска») називали «організовані ферменти» (тобто саме живі мікроорганізми), а термін «ензим» (від — «в-» і — «дріжджі», «закваска») ввів 1876 року Віллі Кюне для «неорганізованих ферментів», що секретуються клітинами, наприклад, до шлунка (пепсин) або кишки (трипсин, амілаза).
Через два роки по смерті Пастера (1897) Едуард Бухнер опублікував роботу «Спиртове бродіння без дріжджових клітин», в якій експериментально показав, що екстракт клітин дріжджів здійснює спиртове бродіння так само, як і незруйновані дріжджові клітиниN. H. Barton, D. E. G. Briggs, J. A. Eisen «Evolution», Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2007 -P.38.- ISBN 978-0-87969-684-9. 1907 року за цю роботу він був удостоєний Нобелівської премії.
1926 року американський біохімік Джеймс Самнер вперше виділив фермент у кристалічній формі (уреазу), довівши таким чином білкову природу ферментів. 1946 року «За отримання в чистому вигляді ферментів і вірусних білків» отримав половину Нобелівської премії з хімії. Іншу половину отримали Вендел Стенлі і Джон Нортроп. Останній у 1930 році виділив у кристалічному вигляді протеолітичний фермент пепсин, а у 1932 — трипсин.
Функції ферментів Розрізняють екзо і ендо ферменти. Ендоферменти (внутрішньоклітинні ферменти) — це біологічні каталізатори, які функціонують виключно всередині клітини, де вони синтезуються. Екзоферменти (або позаклітинні ферменти) — це фементи, які клітини (бактерії, гриби або інші організми) виділяють у зовнішнє середовище або на поверхню своєї мембрани для розщеплення складних поживних речовин. Ферменти є біологічними каталізаторами, вони наявні в усіх живих клітинах і сприяють перетворенню одних речовин (субстратів) на інші (продукти). Ферменти виступають каталізаторами практично в усіх біохімічних реакціях, що відбуваються в живих організмах — ними прискорюється близько 4000 окремих біореакцій. Ферменти відіграють надзвичайно важливу роль у всіх процесах життєдіяльності, скеровуючи та регулюючи обмін речовин організму.
Для ферментів характерним є те, що їхній синтез та каталітична активність контролюється на генетичному рівні, а також за участю низькомолекулярних сполук-субстратів або продуктів реакціїСирохман І. В. Товарознавство харчових продуктів функціонального призначення: навч. С 40 пос. [для студ. вищ. навч. закл.] / І. В. Сирохман, В. М. Завгородня. — К.: Центр учбової літератури, 2009. — 544 с. — ІБВК 978-966-364-803-3. Інша особливість ферментів — надзвичайно висока активність в порівнянні з неорганічними каталізаторами: деякі ферменти пришвидшують біохімічні реакції у мільйони разів.
Подібно до всіх каталізаторів, ферменти прискорюють як пряму, так і зворотну реакцію, знижуючи енергію активації процесу. Хімічна рівновага при цьому не зсувається ні в прямий, ні в зворотний бік. Відмінність ферментів від небілкових каталізаторів полягає у їхній високій специфічності — константа дисоціації деяких субстратів з білком-ферментом може досягати менш ніж 10−10 моль/л.
Ферменти широко використовуються і в народному господарстві — у харчовій, текстильній, фармацевтичній промисловості.
Класифікація ферментів
За типом реакцій, що каталізують, ферменти поділяються на 6 класів згідно з ієрархічною класифікацією ферментів (КФ або EC — Enzyme Commission code). Класифікацію запропонував Міжнародний союз біохімії і молекулярної біології (International Union of Biochemistry and Molecular Biology ). Кожен клас містить підкласи, так що фермент описується сукупністю чотирьох чисел, розділених крапками. Наприклад, пепсин має код КФ 3.4.23.1. Перше число описує клас реакцій, що каталізує фермент: КФ 1: Оксидоредуктази — ферменти, що каталізують окиснення або відновлення. Приклад: каталаза, алкогольдегідрогеназа КФ 2: Трансферази — ферменти, що каталізують перенесення хімічних груп з однієї молекули субстрата на іншу. Серед трансфераз особливо виділяють кінази, що переносять фосфатну групу, як правило, з молекули АТФ. КФ 3: Гідролази — ферменти, що каталізують гідроліз хімічних зв'язків. Приклад: естерази, пепсин, трипсин, амілаза, ліпопротеїнліпаза. КФ 4: Ліази — ферменти, що каталізують розрив хімічних зв'язків без гідролізу з утворенням подвійного зв'язку в одному з продуктів. КФ 5: Ізомерази — ферменти, що каталізують структурні або геометричні зміни в молекулі субстрату. КФ 6: Лігази — ферменти, що каталізують утворення хімічних зв'язків між субстратами за рахунок гідролізу АТФ. Приклад: ДНК-полімераза. Апофермент — білкова частина ферменту без простетичних груп чи кофакторів, необхідних для каталізу. Кф7: Транслокази ферменти, що переносять молекули.
Ферменти є каталізаторами, тому вони прискорюють як пряму, так і зворотну реакції, тому, наприклад, ліази здатні каталізувати і зворотну реакцію — приєднання по подвійних зв'язках. Тим не менш напрямок реакції може залучати кілька субстратів і бути таким, що зворотна реакція практично не відбувається.
Найменування ферментів Зазвичай фермент іменують за типом реакції, яку він каталізує, додаючи суфікс -аза до назви субстрату (наприклад лактаза — фермент, що бере участь в перетворенні лактози). Таким чином, у різних ферментів, що виконують одну функцію, буде однакова назва. Такі ферменти розрізняють по інших властивостях, наприклад, по оптимальному pH (лужна фосфатаза) або локалізації в клітині (мембранна аденозинтрифосфатаза).
Кінетика ферментативної реакції
Найпростішим і найпоширенішим описом кінетики односубстратних ферментативних реакцій є рівняння Міхаеліса — Ментен.
На сьогоднішній момент описано і кілька складніших типів кінетики ферментів. Наприклад, якщо реакція вимагає кількох молекул субстрату або різних субстратів, часто реакція протікає через утворення третинного комплексу. Для дії багатьох ферментів також типове утворення перехідних комплексів (станів), що описується «механізмом пінг-понг».
Для оцінки діяльності ферментів використовують поняття молекулярної активності, питомої активності ферменту та умовної одиниці. Молекулярна активність — це число молекул субстрату, що зазнали хімічних змін за одну хвилину в стандартних умовах проведення реакції (тобто за оптимальної температури і pH), в перерахунку на одиницю маси ферменту. Питома активність ферменту — це число одиниць ферменту в перерахунку на один міліграм маси каталізованого білка чи субстрату. Умовна одиниця — це така кількість ферменту, яка каталізує хімічне перетворення одного мікромоля субстрату за одну хвилину в стандартних умовах проведення реакції.
За правилом Вант-Гоффа при кожному підвищенні температури на 10 °C швидкість ферментативних реакцій зростає у 1,5—3 рази, однак ця закономірність працює лише до досягнення температурного оптимуму, притаманного тому чи іншому ферменту (у більшості ензимів він досить низький). Після того, як температура перевищить температурний оптимум, швидкість ферментативної реакції зростає непропорційно або взагалі зменшується внаслідок зміни природної структури білка.
Структура і механізм дії ферментів Активність ферментів визначається їхньою тривимірною структуроюAnfinsen C.B. Principles that Govern the Folding of Protein Chains Science 20 July 1973: 223—230.
Як і всі білки, ферменти синтезуються у вигляді лінійного ланцюга амінокислот, який згортається певним чином. Кожна послідовність амінокислот згортається особливим чином, і молекула (білкова глобула), що утворюється, набуває унікальних властивостей. Декілька білкових ланцюжків можуть об'єднуватися у білковий комплекс. Найбільші рівні структури білків — третинна та четвертинна структури — руйнуються при нагріванні або під дією деяких хімічних речовин.
Щоб каталізувати реакцію, фермент повинен зв'язатися з одним або кількома субстратами. Білковий ланцюжок ферменту згортається таким чином, що на поверхні глобули утворюється щілина або западина, до якої приєднуються молекули субстрату. Ця область називається ділянкою (сайтом) зв'язування субстрату. Зазвичай вона збігається з активним центром ферменту або знаходиться поблизу від нього. Деякі ферменти містять також ділянки зв'язування кофакторів або іонів металів.
У деяких ферментів присутні також ділянки зв'язування малих молекул, що не беруть безпосередньої участі в реакції і часто, але не обов'язково, є субстратами або продуктами метаболічного шляху, в який входить фермент. Вони зменшують або збільшують активність ферменту, що створює можливість для зворотного зв'язку або регуляції роботи ферменту.
Для активних центрів деяких ферментів характерне явище кооперативності.
Специфічність Ферменти зазвичай проявляють високу специфічність по відношенню до своїх субстратів. Це досягається частковою комплементарністю форми, розподілу зарядів і гідрофобних областей на молекулі субстрату і в ділянці зв'язування субстрату на ферменті. Ферменти демонструють високий рівень стереоспецифічності (просторової специфічності), регіоселективності (специфічності орієнтації) і хемоселективності (специфічності до хімічних груп).
Модель «ключ-замок»
У 1890 році Герман Еміль Фішер припустив, що специфічність ферментів визначається точною відповідністю форми ферменту і субстратуFischer E, «Einfluss der Configuration auf die Wirkung der Enzyme» Ber. Dt.