Ферменты
Практически все многочисленные и сложные биохимические реакции, происходящие в организме животных, растений и микроорганизмов, регулируются ферментами. Эти каталитические белки эффективны и специфичны — то есть они ускоряют скорость одного вида химической реакции одного вида соединений, и делают это гораздо эффективнее, чем катализаторы, созданные человеком. Они управляются активаторами и ингибиторами, которые инициируют или блокируют реакции. Все клетки содержат ферменты, количество и состав которых зависит от типа клетки; например, средняя клетка млекопитающего имеет размер примерно в одну миллиардную часть (10−9) от размера капли воды и обычно содержит около 3 000 ферментов.
Существование ферментов было установлено в середине 19 века учеными, изучавшими процесс ферментации. Открытие роли ферментов как катализаторов последовало быстро. До 1850 года были проведены такие работы, как (в 1833 году) выделение из солода фермента амилазы, который превращает крахмал в сахар, и (в 1836 году) выделение из стенки желудка животных компонента желудочного сока, который мог частично переваривать пищу в пробирке, — фермента пепсина.
.png)
В течение многих лет ферменты были известны как ферменты — термин, происходящий от латинского слова, обозначающего дрожжи. В 1878 году было введено название «фермент» от греческого слова, означающего «в дрожжах»; с конца XIX века оно стало использоваться повсеместно.
Роль ферментов в метаболизме
Некоторые ферменты помогают расщеплять крупные молекулы питательных веществ, такие как белки, жиры и углеводы, на более мелкие молекулы. Этот процесс происходит во время переваривания пищи в желудке и кишечнике животных. Другие ферменты проводят более мелкие расщепленные молекулы через стенки кишечника в кровь. Еще одни ферменты способствуют образованию больших сложных молекул из маленьких простых молекул для получения клеточных компонентов. Ферменты также отвечают за множество других функций, среди которых хранение и высвобождение энергии, процесс размножения, дыхание и зрение. Они незаменимы для жизни.
Каждый фермент способен осуществлять только один тип химической реакции. Соединения, на которые действует фермент, называются субстратами. Ферменты действуют в тесно организованных метаболических системах, называемых путями. Кажущееся простым биологическое явление — например, сокращение мышцы или передача нервного импульса — на самом деле включает большое количество химических этапов, в ходе которых одно или несколько химических соединений (субстратов) превращаются в вещества, называемые продуктами; продукт одного этапа метаболического пути служит субстратом для последующего этапа пути.
Поскольку потребности клеток и организмов различны, необходимо регулировать не только активность, но и синтез ферментов; например, ферменты, ответственные за мышечную активность в мышце ноги, должны активироваться и ингибироваться в соответствующее время. Некоторые клетки не нуждаются в определенных ферментах; например, клетке печени не нужен фермент для мышц. Бактерии не нужны ферменты для метаболизма веществ, которые не присутствуют в ее среде роста. Поэтому некоторые ферменты не образуются в определенных клетках, другие синтезируются только при необходимости, а третьи присутствуют во всех клетках. Образование и активность ферментов регулируются не только генетическими механизмами, но и органическими выделениями (гормонами) эндокринных желез и нервными импульсами. Малые молекулы также играют важную роль.
Другие функции
Ферменты играют все более важную роль в медицине. Фермент тромбин используется для заживления ран. Другие ферменты используются для диагностики некоторых видов заболеваний, для ремиссии некоторых форм лейкемии — заболевания органов, образующих кровь, и для противодействия неблагоприятным реакциям у людей с аллергией на пенициллин. Фермент лизоцим, разрушающий клеточные стенки, используется для уничтожения бактерий. Ферменты также исследуются на предмет возможности предотвращения кариеса и использования в качестве антикоагулянтов при лечении тромбоза — заболевания, характеризующегося образованием тромба, или пробки, в кровеносном сосуде. В конечном итоге ферменты могут быть использованы для борьбы с дефицитом ферментов и аномалиями, возникающими в результате заболеваний.
Также следует отметить, что ферменты используются в промышленных процессах, связанных с получением определенных химических соединений и дублением кожи. Они также ценны в аналитических процедурах, связанных с обнаружением очень малых количеств определенных веществ. Ферменты необходимы в различных отраслях пищевой промышленности, включая производство сыра, варку пива, выдержку вина и выпечку хлеба. Ферменты также могут использоваться для очистки одежды.
Общие свойства
Классификация и номенклатура
Первое название фермента, предложенное в 1833 году, было диастаза. Шестьдесят пять лет спустя французский микробиолог и химик Эмиль Дюкло предложил называть все ферменты, добавляя -аза к корню, указывающему на природу субстрата фермента. Хотя ферменты больше не называют таким простым способом, за исключением некоторых — например, пепсин, трипсин, химотрипсин, папаин — большинство названий ферментов заканчиваются на -аза.
Любая систематическая классификация ферментов должна основываться на общем свойстве или качестве, которое варьируется в достаточной степени, чтобы быть полезным в качестве отличительного признака. В этом отношении три свойства ферментов могут служить основой для классификации ферментов — точная химическая природа фермента, химическая природа субстрата и природа катализируемой реакции. Кроме того, хотя, как указывалось выше, ранние попытки классификации ферментов основывались на природе широких групп субстратов (например, ферменты, называемые карбогидразами, действуют на углеводы), тесное функциональное сходство между ферментами разных групп часто оставалось незамеченным.
По общему мнению, в настоящее время ферменты классифицируются в соответствии с их субстратами и характером реакции, которую они катализируют.
В попытке разработать рациональную систему номенклатуры ферментов, ферменту дают два названия. Одно, известное как систематическое название, основано на логических принципах, но часто бывает длинным и неудобным; другое, «тривиальное» название — короткое и общеупотребительное, но обычно не точное и не систематическое. В схеме систематической номенклатуры выделяют шесть основных групп ферментативных реакций; каждая катализирует один тип реакции и подразделяется на основе подробных определений катализируемой реакции и субстрата, участвующего в реакции.
Ферменты, катализирующие реакции, в которых происходит перенос водорода, относятся к группе, называемой оксидоредуктазами; ферменты, катализирующие внедрение элементов воды в определенный участок молекулы, называются гидролазами. Другие четыре группы реакций — это трансферазы, которые катализируют реакции, в которых переносятся вещества, отличные от водорода, лиазы, изомеразы и лигазы. Оксидоредуктазы и трансферазы составляют около 50% от примерно 1 000 ферментов, признанных на сегодняшний день. В таблице перечислены некоторые ферменты, их тривиальные названия, систематические названия и их биологические роли.
Химическая природа
До начала 20-го века о химической природе ферментов было мало что известно, хотя ученые были почти уверены, что это белки. В 1926 году фермент уреаза был впервые кристаллизован и четко идентифицирован как белок. В течение следующих нескольких лет было доказано, что пищеварительные ферменты пепсин, трипсин и химотрипсин являются белками. С тех пор сотни ферментов, все из которых являются белками, были получены и охарактеризованы химическими методами. Большая часть знаний в области химии белков, по сути, была получена в результате исследований ферментов и попыток понять их природу и принцип действия.
Хотя некоторые ферменты состоят из одной цепи аминокислот (т.е. простых органических молекул, содержащих азот), большинство ферментов состоит из нескольких цепей. Каждая цепь называется субъединицей. Многие ферменты имеют две, четыре или шесть субъединиц, а некоторые состоят из 12−60 субъединиц. Во многих случаях субъединицы имеют идентичную структуру; в других, однако, задействовано несколько различных типов цепей субъединиц.
За исключением белков, которые действуют как структурные элементы, большинство белков в физиологически активных тканях, таких как почки и печень, являются ферментами. Независимо от точного количества ферментных белков в организме, очевидно, что в каждой ткани должны присутствовать сотни различных ферментов, чтобы учесть огромное количество реакций, составляющих метаболизм.
Кофакторы
Хотя некоторые ферменты состоят только из белка, многие из них являются сложными белками,
Кофермент служит в качестве субстрата в некоторых ферментативных реакциях и поэтому вступает в реакцию в точных пропорциях (т.е. стехиометрически), необходимых для реакции, а не в каталитических количествах. Кофермент может, например, играть роль акцептора водорода, как никотинамид аденин динуклеотид (NAD), который принимает водород от субстрата, или донора химических групп, как аденозинтрифосфат (АТФ), который отдает фосфорную кислоту субстрату. После того как АТФ отдал молекулу фосфорной кислоты субстрату, фосфорная кислота может быть вновь получена в ходе второй стехиометрической реакции, катализируемой вторым ферментом. Каталитическая природа кофермента проявляется только тогда, когда он таким образом объединяет деятельность двух ферментов. Таким образом, коферменты — это звенья, или «челноки», в метаболических путях, которые позволяют обмениваться веществами — например, водородом, фосфорной кислотой.
Природа реакций, катализируемых ферментами
Природа катализа
В химической реакции — например, в реакции превращения вещества, А в продукт В — в конце концов достигается точка равновесия, в которой не происходит дальнейших химических изменений,
Молекулы в водной среде клетки находятся в постоянном тепловом движении, но, поскольку они являются более или менее стабильными соединениями, в отсутствие ферментов они лишь изредка вступали бы в реакцию с образованием продуктов. Существует энергетический барьер для реакции молекулы. Энергия, необходимая для преодоления барьера реакции, называется энергией активации.
Реакция протекает до равновесия только в том случае, если молекулы обладают достаточной энергией активации для образования активированного комплекса, из которого могут быть получены продукты. Ферменты значительно повышают вероятность протекания реакции благодаря своей способности делать большое количество определенных молекул более реакционноспособными (т.е. нестабильными), образуя с ними промежуточные соединения. Нестабильные промежуточные соединения быстро распадаются с образованием стабильных продуктов, а ферменты, не изменившиеся в результате реакции, способны катализировать образование дополнительных продуктов.
Роль активного участка
То, что соединение, на которое действует фермент (субстрат), должно каким-то образом соединиться с ним, прежде чем начнется катализ, — это старая идея, которая теперь подтверждается многочисленными экспериментальными данными. Сочетание молекул субстрата с ферментами включает в себя столкновения между ними. Ферменты — это крупные молекулы, молекулярный вес которых (исходя из веса атома водорода, равного 1) составляет от нескольких тысяч до нескольких миллионов. Субстраты, на которые действуют ферменты, обычно имеют молекулярную массу несколько сотен. Из-за разницы в размерах между ними только часть фермента находится в контакте с субстратом; область контакта называется активным участком. Обычно каждая субъединица фермента имеет один активный сайт, способный связывать субстрат.
Характеристики фермента определяются последовательностью аминокислот, которые определяют форму фермента (т.е. структуру активного участка) и, следовательно, специфичность фермента. Силы, притягивающие субстрат к поверхности фермента, могут иметь физическую или химическую природу. Электростатические связи могут возникать между противоположно заряженными группами — круги со знаками плюс и минус на ферменте притягиваются к своим противоположностям в молекуле субстрата. Такие электростатические связи могут возникать с группами, которые полностью заряжены положительно или отрицательно (т.е. ионные группы) или с группами, которые заряжены частично (т.е. диполи). Притягательные силы между субстратом и ферментом могут также включать так называемые гидрофобные связи, при которых маслянистые, или углеводородные, части фермента (представленные кружками с Н-меткой) и субстрата притягиваются друг к другу подобно тому, как капли масла стремятся к коалесценции в воде.
Изменения в структуре аминокислот в активном сайте или вблизи него обычно влияют на активность фермента, поскольку эти аминокислоты принимают непосредственное участие в прилегании и притяжении субстрата к поверхности фермента. Характеристики аминокислот вблизи активного сайта определяют, поместится ли молекула субстрата в этот сайт или нет. Молекула, которая слишком громоздкая в неправильных местах, не может вписаться в активный сайт и, следовательно, не может реагировать с ферментом.
Аналогичным образом, молекула, не обладающая существенными притягательными силами или соответствующим образом заряженными участками, не может быть связана с ферментом. С другой стороны, молекула с громоздкой группой в таком положении, что она не мешает связыванию молекулы с ферментом или функционированию активного сайта, может служить субстратом для фермента. Идея соответствия между субстратом и ферментом, называемая гипотезой «ключ-замок», была предложена немецким химиком Эмилем Фишером в 1899 году и объясняет одну из важнейших особенностей ферментов — их специфичность. В большинстве ферментов, изученных до сих пор, в активном сайте находится расщелина, или углубление, в которое помещается субстрат.
Специфичность ферментов
Поскольку субстрат должен поместиться в активный сайт фермента, прежде чем произойдет катализ, только правильно сконструированные молекулы могут служить субстратами для конкретного фермента; во многих случаях фермент будет реагировать только с одной молекулой природного происхождения. Два фермента оксидоредуктазы послужат иллюстрацией принципа специфичности ферментов. Один из них (алкогольдегидрогеназа) действует на спирт, другой (молочная дегидрогеназа) — на молочную кислоту; деятельность этих двух ферментов, несмотря на то, что они оба являются оксидоредуктазными ферментами, не взаимозаменяема —
Не все ферменты обладают высокой специфичностью. Например, пищеварительные ферменты, такие как пепсин и химотрипсин, способны действовать практически на любой белок, так как они должны действовать на разнообразные типы белков, потребляемых с пищей. С другой стороны, тромбин, который реагирует только с белком фибриногеном, является частью очень тонкого механизма свертывания крови и поэтому должен действовать только на одно соединение, чтобы поддерживать правильное функционирование системы.
Когда ферменты только изучались, считалось, что большинство из них «абсолютно специфичны» — что они будут реагировать только с одним соединением. Однако в большинстве случаев в лаборатории можно синтезировать молекулу, отличную от природного субстрата; она достаточно похожа на природный субстрат, чтобы вступить в реакцию с ферментом. Использование этих синтетических субстратов было ценным для понимания ферментативного действия. Однако следует помнить, что в живой клетке многие ферменты абсолютно специфичны для найденных там соединений.
Механизм ферментативного действия
Фермент притягивает субстраты к своему активному участку, катализирует химическую реакцию, в результате которой образуются продукты, а затем позволяет продуктам диссоциировать (отделиться от поверхности фермента). Сочетание, образованное ферментом и его субстратами, называется фермент-субстратным комплексом. Если в комплексе участвуют два субстрата и один фермент, он называется троичным комплексом; один субстрат и один фермент называются бинарным комплексом. Субстраты притягиваются к активному сайту электростатическими и гидрофобными силами, которые называются нековалентными связями, поскольку они являются физическими притяжениями, а не химическими связями.
В качестве примера предположим, что два субстрата (S1 и S2) связываются с активным сайтом фермента на этапе 1 и реагируют с образованием продуктов (P1 и P2) на этапе 2. Продукты диссоциируют с поверхности фермента на этапе 3, высвобождая фермент. Фермент, не изменившийся в результате реакции, способен реагировать с дополнительными молекулами субстрата таким образом много раз в секунду с образованием продуктов. Этап, на котором происходит фактическое химическое превращение, представляет большой интерес, и, хотя о нем многое известно, он еще не до конца изучен. В целом существует два типа ферментативных механизмов: один, в котором образуется так называемый ковалентный промежуточный продукт, и другой, в котором он не образуется.
В механизме, при котором образуется ковалентный промежуточный продукт —
Многие ферменты катализируют реакции по такому типу механизма. Ацетилхолинэстераза используется в качестве конкретного примера в последовательности, описанной ниже. Двумя субстратами (S1 и S2) для ацетилхолинэстеразы являются ацетилхолин (т.е. B-X) и вода (Y). После того как ацетилхолин (B-X) связывается с поверхностью фермента, образуется химическая связь между ацетильным мотивом (B) ацетилхолина и группой N (часть аминокислоты серин) на поверхности фермента. В результате образования этой связи, называемой ацил-сериновой связью, образуется один продукт, холин (X), и промежуточное соединение фермента-B (ацетил-ферментный комплекс). Молекула воды (Y) затем реагирует с ацил-сериновой связью с образованием второго продукта, уксусной кислоты (B-Y), которая диссоциирует от фермента. Ацетилхолинэстераза регенерируется и снова способна реагировать с другой молекулой ацетилхолина. Такая реакция, включающая образование промежуточного соединения на поверхности фермента, обычно называется реакцией двойного замещения.
Фосфорилаза сахарозы действует аналогичным образом. Субстратом для сахарозофосфорилазы является сахароза, или глюкозил-фруктоза (B-X), а группа N на поверхности фермента — это химическая группа, называемая карбоксильной группой (COOH). Промежуточный продукт фермента B, глюкозил-карбоксильное соединение, реагирует с фосфатом (Y) с образованием глюкозил-фосфата (B-Y). Другим продуктом (X) является фруктоза.
В реакциях двойного замещения ковалентный промежуточный продукт между ферментом и субстратом, очевидно, влияет на ускорение реакции. Поскольку фермент не изменяется в конце реакции, он функционирует как настоящий катализатор, даже если он временно изменяется во время ферментативного процесса.
Хотя многие ферменты образуют ковалентный промежуточный продукт, этот механизм не является необходимым для катализа. Один субстрат (Y) реагирует непосредственно со вторым субстратом (X-B) в так называемой реакции однократного замещения. Моетив В, который преобразуется в химической реакции, участвует только в одной реакции и не образует связи с группой на поверхности фермента. Фермент мальтозофосфорилаза, например, непосредственно воздействует на связи субстратов (B-X и X), которыми в данном случае являются мальтоза (глюкозилглюкоза) и фосфат, с образованием продуктов — глюкозы (X) и глюкозилфосфата (B-Y).
Ковалентные промежуточные соединения между частью субстрата и ферментом происходят во многих ферментативных реакциях, и в них участвуют различные аминокислоты — серин, цистеин, лизин и глутаминовая кислота
.png)
Ингибирование ферментов
Некоторые молекулы, очень похожие на субстрат для фермента, могут быть связаны с активным сайтом, но не вступать в реакцию. Такие молекулы закрывают активный сайт и тем самым препятствуют связыванию реального субстрата с этим сайтом. Такое ингибирование действия фермента носит конкурентный характер, поскольку молекула ингибитора фактически конкурирует с субстратом за активный сайт. Например, ингибитор сульфаниламид настолько похож на субстрат (п-аминобензойную кислоту) фермента, участвующего в метаболизме фолиевой кислоты, что он связывается с ферментом, но не вступает с ним в реакцию. Он закрывает активный участок и предотвращает связывание п-аминобензойной кислоты. Этот фермент необходим некоторым бактериям, вызывающим заболевания, но не необходим человеку; поэтому большие количества сульфаниламида убивают микроорганизм, но не вредят человеку. Ингибиторы, такие как сульфаниламид, называются антиметаболитами. Сульфаниламид и подобные соединения, которые убивают патоген, не причиняя вреда его хозяину, широко используются в химиотерапии.
Некоторые ингибиторы предотвращают или блокируют действие ферментов, вступая в реакцию с группами на активном участке. Например, нервно-паралитический газ диизопропилфторфосфат вступает в реакцию с серином на активном участке ацетилхолинэстеразы, образуя ковалентную связь. Молекула нервно-паралитического газа, участвующая в образовании связи, препятствует связыванию активного участка с субстратом — ацетилхолином, тем самым блокируя катализ и нервное действие. Йодоуксусная кислота аналогичным образом блокирует ключевой фермент мышечного действия, образуя громоздкую группу на аминокислоте цистеин, которая находится в активном сайте фермента. Этот процесс называется необратимым ингибированием.
Некоторые ингибиторы изменяют другие аминокислоты, кроме тех, что находятся в активном сайте, что приводит к потере ферментативной активности. Ингибитор вызывает изменение формы активного сайта. Однако некоторые аминокислоты, не входящие в активный сайт, могут быть модифицированы без изменения структуры активного сайта; в этих случаях ферментативное действие не нарушается.
Такие химические изменения параллельны естественным мутациям. Наследственные заболевания часто возникают в результате изменения аминокислоты в активном сайте фермента, что делает фермент дефектным. В некоторых случаях изменение аминокислоты изменяет форму активного участка до такой степени, что он больше не может реагировать; такие заболевания обычно приводят к летальному исходу. В других случаях, однако, образуется частично дефектный фермент, и человек может быть очень болен, но способен жить.
Влияние температуры
Ферменты наиболее эффективно функционируют в физиологическом диапазоне температур. Поскольку ферменты представляют собой белковые молекулы, они могут разрушаться под воздействием высоких температур. Примером такого разрушения, называемого денатурацией белка, является свертывание молока при кипячении. Повышение температуры оказывает на фермент два эффекта: во-первых, скорость реакции несколько увеличивается, поскольку скорость химических реакций имеет тенденцию увеличиваться с ростом температуры; и, во-вторых, фермент все больше денатурируется. Таким образом, повышение температуры увеличивает скорость метаболизма только в ограниченном диапазоне. Если температура становится слишком высокой, денатурация фермента уничтожает жизнь. Низкие температуры также изменяют форму ферментов. У ферментов, чувствительных к холоду, это изменение приводит к потере активности. Поэтому как чрезмерный холод, так и тепло наносят вред ферментам.
Степень кислотности или основности раствора, которая выражается как pH, также влияет на ферменты. При изменении кислотности раствора —
Гибкость ферментов и аллостерический контроль
Теория индуцированного соответствия
Гипотеза «ключ-замок» не полностью объясняет действие ферментов,
Как правило, субстрат приближается к поверхности фермента и вызывает изменение его формы, что приводит к правильному выравниванию каталитических групп. Например, в случае пищеварительного фермента карбоксипептидазы связывание субстрата вызывает перемещение молекулы тирозина на активном участке на целых 15 ангстрем. Каталитические группы на активном участке реагируют с субстратом с образованием продуктов. Продукты отделяются от поверхности фермента, и фермент способен повторить последовательность действий. Слишком объемные или слишком маленькие молекулы субстрата изменяют форму фермента так, что происходит смещение каталитических групп; такие молекулы не могут реагировать, даже если они притягиваются к активному сайту.
Теория индуцированного соответствия объясняет ряд аномальных свойств ферментов. Примером является «неконкурентное ингибирование», при котором соединение ингибирует реакцию фермента, но не препятствует связыванию субстрата. В этом случае соединение-ингибитор притягивает группу связывания таким образом, что каталитическая группа оказывается слишком далеко от субстрата, чтобы вступить в реакцию. Участок, на котором ингибитор связывается с ферментом, не является активным участком и называется аллостерическим участком. Ингибитор изменяет форму активного участка, чтобы предотвратить катализ, не препятствуя связыванию субстрата.
Ингибитор также может исказить активный сайт, воздействуя на основную связывающую группу; в результате фермент больше не может притягивать субстрат. Так называемая молекула активатора воздействует на активный сайт таким образом, что молекула, не являющаяся субстратом, выравнивается должным образом и, следовательно, может реагировать с ферментом. Такие активаторы могут воздействовать как на связывающие, так и на каталитические группы в активном сайте.
Гибкость фермента чрезвычайно важна, поскольку она обеспечивает механизм регуляции ферментативной активности. Ориентация в активном сайте может быть нарушена в результате связывания ингибитора в месте, отличном от активного сайта. Более того, фермент может быть активирован молекулами, которые вызывают правильное выравнивание активного сайта для субстрата, который сам по себе не может вызвать такое выравнивание.
Как упоминалось выше, сайты, связывающие ингибиторы и активаторы, называются аллостерическими сайтами, чтобы отличить их от активных сайтов. Аллостерические сайты на самом деле являются регуляторными сайтами, способными активировать или ингибировать ферментативную активность путем влияния на форму фермента. Когда активатор или ингибитор диссоциирует от фермента, он возвращается к своей нормальной форме. Таким образом, гибкость структуры белка позволяет работать простой, обратимой системе управления, похожей на термостат.
Типы аллостерического контроля
Аллостерический контроль может действовать по-разному; два примера служат для иллюстрации некоторых общих эффектов. Путь, состоящий из десяти ферментов, участвует в синтезе аминокислоты гистидина. Когда в клетке содержится достаточное количество гистидина, синтез прекращается — соответствующий экономический ход клетки. Синтез останавливается в результате ингибирования первого фермента в этом пути продуктом — гистидином. Ингибирование фермента продуктом называется ингибированием по обратной связи,
Аллостерический контроль также может осуществляться с помощью активаторов. Гормон адреналин (эпинефрин) действует именно таким образом. Когда требуется энергия, адреналин высвобождается и активирует, путем аллостерической активации, фермент аденилциклазу. Этот фермент катализирует реакцию, в ходе которой из АТФ образуется соединение циклический аденозинмонофосфат (циклический АМФ). Циклический АМФ, в свою очередь, действует как аллостерический активатор ферментов, ускоряющих метаболизм углеводов для получения энергии. Этот тип аллостерической регуляции также широко распространен в биологических системах. Таким образом, комбинация аллостерической активации и ингибирования позволяет производить энергию или материалы, когда они необходимы, и отключает производство, когда запасы достаточны.
Аллостерический контроль — это быстрый метод регулирования продукции, постоянно необходимой живым существам. Однако некоторые клетки не нуждаются в определенных ферментах, и синтезировать их было бы расточительно для клетки. В этом случае определенные молекулы, называемые репрессорами, предотвращают синтез ненужных ферментов. Репрессоры — это белки, которые связываются с ДНК и предотвращают первый шаг в процессе, приводящем к синтезу белка. Если в клетки, нуждающиеся в ферменте, добавляются определенные метаболиты, синтез фермента происходит —
Различные типы клеток в сложных организмах имеют разные ферменты, даже если они имеют одинаковое содержание ДНК. Ферменты, которые фактически синтезируются, необходимы конкретной клетке и различаются не только для разных типов клеток — например, нервных, мышечных, глазных и кожных — но и для разных видов.
В ферменте, состоящем из нескольких субъединиц, или цепей, изменение формы одной цепи в результате воздействия либо молекулы субстрата, либо аллостерических ингибиторов или активаторов может изменить форму соседней цепи. В результате связывание второй молекулы субстрата происходит иначе, чем связывание первой, а третьей — иначе, чем второй. Это явление, называемое кооперативностью, характерно для аллостерических ферментов.
Первый пример кооперативности наблюдался в гемоглобине, который не является ферментом, но во многом ведет себя как фермент. Поглощение кислорода в легких и его отложение в тканях происходит гораздо эффективнее, потому что субъединицы гемоглобина проявляют положительную кооперативность, названную так потому, что первая молекула субстрата облегчает связывание следующей.
Отрицательная кооперативность, при которой связывание одной молекулы облегчает связывание следующей, также имеет место в живых организмах. Отрицательная кооперативность делает фермент менее чувствительным к колебаниям концентраций метаболитов и может быть важна для ферментов, которые должны присутствовать в клетке на относительно постоянном уровне активности.
Некоторые ферменты представляют собой тесно связанные агрегаты из нескольких ферментных единиц; например, система пируватдегидрогеназы содержит пять различных ферментов, имеет общую молекулярную массу 4 000 000 и состоит из четырех различных типов цепей. По-видимому, ферменты в клетках могут быть организованы путем формирования сложных агрегатов, встраиваться в клеточную стенку или изолироваться мембранами в специальные отсеки. Поскольку путь включает в себя поэтапную модификацию химических соединений, агрегации ферментов в данном пути облегчают их функционирование подобно промышленному сборочному конвейеру.
