туру фермента таким образом, что изменяется скорость реакции. Механизмы регулирования активности ферментов рассмотрены ниже (разд. 8.7).

8.2. Номенклатура и классификация ферментов

Обычно названия ферментов отражают характер катализируемых ими реакций. Принято также добавлять суффикс «аза» к основной части названия атакуемого субстрата; например, уреаза действует на мочевину (urea), аргиназа — на аргинин, а тирози-наза — на тирозин. Продолжают использоваться также некоторые

Таблица 8.1 Классификация ферментов

Номер ;класса

Название класса

Характер действия

1 Оксидоредуктазы

2 Трансферазы

3 Гидролазы

4 Лиазы

5 Изомеразы

6 Лигазы

Ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции

Ферменты, катализирующие реакцию типа ?—?+.?4±?+?—?

Ферменты, катализирующие гидролитическое расщепление = С—О—, —и некоторых других связей

Ферменты, катализирующие реакции отщепления с образованием двойных связей или реакции присоединения по двойным связям

Ферменты, катализирующие изменение геометрической или пространственной конфигурации молекул

Ферменты, катализирующие соединение двух молекул, сопровождающееся гидролизом богатой энергией связи

246

II. КАТАЛИЗ

уже давно предложенные тривиальные названия (например, трипсин и пепсин). Международная комиссия по ферментам разработала полную, однако весьма сложную номенклатуру и классификацию ферментов. В табл. 8.1 приведены главные классы ферментов. Все ферменты сгруппированы в шесть классов, каждый из которых делится на подклассы и подподклассы. Так, оксидоре-дуктазы включают все ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции, трансфер азы — реакции переноса и т. д.

В классификации имеются некоторые неопределенности; например, некоторые трансферазы, по существу, катализируют окислительно-восстановительные реакции. В то же время использование классификации гарантирует необходимую однозначность в научной литературе. Некоторые из рекомендуемых комиссией названий не получили широкого распространения и не используются в данной книге. Следует поэтому запомнить название фермента и катализируемую им реакцию, когда они впервые встречаются в тексте. В общем случае названия ферментов связаны с общим типом реакции (дегидразы катализируют реакции дегидрирования, гидрата-зы — реакции гидратации, декарбоксилазы — реакции декарбоксилирования и т. д.).

8.3. Кофакторы и коферменты

Многие ферменты являются конъюгированными белками, содержащими простетнческие группы, не имеющие в своем составе аминокислот. Конъюгированный белок принято называть холофер-ментом, он может диссоциировать на белковый компонент—апо-фермент и небелковую простетическую группу — кофактор. Например, красновато-коричневая каталаза (гл. 13) диссоциирует в кислой среде с образованием бесцветного апофермента и феррипрото-порфирина (гл. 13). Некоторые ферменты содержат металлы, нередко весьма прочно связанные с белком и отделяющиеся только при денатурации фермента. Супероксиддисмутаза (гл. 13) содержит два металла: по одному иону Си2+ и ??2+ в каждой из ее двух субъединиц; металлы трудно удаляются без нарушения конформации фермента. Следует отметить, что апофермент может снова взаимодействовать с обоими металлами, при этом регенерируется холофермент. Некоторые металлы, например Си2+ в супероксид-дисмутазе, непосредственно участвуют в каталитическом процессе. Металлы могут участвовать в поддержании нативной конформации фермента, и в этом случае их часто называют активаторами.

Некоторые органические кофакторы ферментов действуют как акцепторы или доноры атомов или функциональных групп, которые удаляются от субстрата или присоединяются к нему. Такие кофакторы часто легко диссоциируют из комплекса с ферментом, и в этом случае их. принято называть коферментами. Более строго

8. ФЕРМЕНТЫ. I

247

их следовало бы рассматривать как косубстраты, поскольку они вместе с субстратами стехиометрически участвуют в каталитической реакции. Например, фермент ? содержит кофермент С и реагирует с субстратом АН2:

Е.С + АН2 <—>¦ А + Е.СН2

Одна молекула Е-С реагирует с одной молекулой АН2, образуя молекулы А и Е-СН2, при этом атомы водорода ковалентно связываются с С. Прежде чем сможет осуществиться превращение следующей молекулы АН2, молекула Е-СН2 должна возвратиться в состояние ?-С. Это может быть осуществлено другим ферментом, катализирующим реакцию

Е-СН2+В Е.С + ВН2

или путем диссоциации СН2 из комплекса с ферментом и превращения в С в результате еще одной ферментативной реакции.

Известны сотни ферментов, для функционирования которых необходимы металлы или органические кофакторы, однако количество металлов и кофакторов в организме ограничено. Многие органические кофакторы рассмотрены далее; некоторые из них не могут синтезироваться в организме млекопитающих и являются необходимыми компонентами пищи, или витаминами. Примерами кофакторов являются никотинамидадениндинуклеотид NAD, содержащий витамин никотинамид (гл. 13), и флавинадениндинук-леотид FAD, содержащий витамин рибофлавин (гл. 50). Действие этих и многих других кофакторов станет понятным при рассмотрении соответствующих реакций метаболизма.

8.4. Кинетика ферментативных реакций

Вопрос о скоростях ферментативных реакций имеет для биохимика первостепенное значение. При этом следует выделить две задачи: исследование нормального или нарушенного метаболизма организма в целом и выяснение природы собственно ферментативного процесса. Для оценки важности какой-либо синтетической реакции еще недостаточно знать, что она протекает в живых тканях; рассматриваемая реакция должна протекать достаточно быстро для обеспечения потребностей организма в продуктах реакции. Если своевременно не поставляется необходимый субстрат или же продукт реакции не удаляется достаточно быстро, могут возникать нарушения обмена веществ, проявляющиеся в виде заболевания. Естественно, метаболические нарушения возникают и в тех случаях, когда скорость физиологических процессов (реакций) значительно больше, чем в норме.

248

II. КАТАЛИЗ

Как отмечено выше (разд. 8.1.5), скорость химической реакции сильно зависит от температуры и концентрации реагирующих веществ. Целесообразно рассмотреть вначале влияние концентрации на скорость некатализируемых реакций. В общем случае скорость химической реакции определяется как изменение концентрации с субстрата или продукта за единицу времени t. (Обычно концентрацию выражают в молях на литр, а время — в секундах.) Так, если с — начальная концентрация, которая уменьшается во времени, то скорость реакции —dc/dt. Скорость реакции может различным образом зависеть от «текущей» концентрации с. Она может не зависеть от с:

dc . „

— —?- — k0~ Д0с° реакция нулевого порядка

быть пропорциональной с: dc

— = kjC - - kjC1 реакция первого порядка

или быть пропорциональной второй степени (или реже более высокой степени) с:

dc , „

—¦ = й2 (с-с) = я2с2 реакция второго порядка

Во всех случаях k — константа скорости реакции. Размерность k зависит от порядка реакции

k — с1-"/1, где ? — порядок реакции

Следовательно, k0 имеет размерность ct~lt k\ — t~l, kz — с~Ч~\ Из этого следует, что константы скорости для реакций различных порядков нельзя складывать или вычитать. Следовательно, только в реакциях первого порядка константа скорости не содержит размерность концентрации и только для реакций первого порядка период полупревращения, т. е. время, требуемое для уменьшения в 2 раза исходной концентрации, является постоянным для любых концентраций.

В случае ферментативных реакций, если известна молекулярная масса фермента, в размерность константы скорости входит концентрация фермента. Если молекулярная масса фермента не известна или препарат фермента не является чистым, скорость реакции часто относят к концентрации белка (миллиграмм белка на миллилитр или миллиграмм белкового азота на миллилитр). Согласно международному соглашению, одна единица любого фермента есть такое количество фермента, которое в определенных условиях катализирует превращение субстрата со скоростью 1 моль/с. Одна единица соответствует очень большому количеству фермента; для характеристики активности обычно используют на-но- и пикоединицы.

8. ФЕРМЕНТЫ. I

249

8.4.1. Уравнения скорости реакции

Скорость всех ферментативных реакций зависит (при прочих постоянных условиях) от концентрации фермента и его субстрата. Рис. 8.3 иллюстрирует эту зависимость. В то время как при увеличении концентрации фермента скорость реакции увеличивается линейно, по мере возрастания концентрации субстрата (при постоянной концентрации фермента) она увеличивается гиперболически, достигая предельной максимальной скорости. Это указывает на то, что фермент должен иметь конечное число участков, взаимодействующих с субстратом; после заполнения всех участков дальнейшего увеличения скорости не происходит, и фермент оказывается насыщенным субстратом. Михаэлис и Ментен в 1913 г. одними из первых проанализировали кинетику ферментативного процесса и вывели общее уравнение скорости (известное в настоящее время как уравнение Михаэлиса — Ментен) для реакции, в которой происходит обратимое взаимопревращение одного субстрата и одного продукта. Они предположили, что фермент ? взаимодействует с субстратом S, образуя фермент-субстратный комплекс ES, из которого затем освобождаются фермент и продукт Р:

? + S -<—»- ES <—%- ? + ? (1)

где k\, k2, k-2 — константы скорости соответствующих стадий реакции. Это важное уравнение выведено здесь с учетом допущения Михаэлиса и Ментен о том, что происходит образование комп-

1,0

?

-О

К л

с Е

*? О

о с.

о о

? ° с

а б

? "^^^— так

I 1 Кт

Концентрация субстрата ?>] Концентрация фермента [Ej

Рис. 8.3. Относительная начальная скорость как функция концентрации субстрата (о) и как функция концентрации фермента (б). Принято, что Vmax=l,0; концентрация субстрата, при которой скорость равна '/2 VWx, численно равна Кт. В отличие от гиперболической зависимости V от [S] зави