Для подтверждения высокой скорости реакций, катализируемых ферментами, снова обратимся к нашему примеру с перекисью водорода. В организме разложение Н2О2 катализируется ферментом каталазой со скоростью, в 2*1011 раз превышающей скорость некатализируемой реакции и в 107 раз в случае с платиновой чернью. Энергия активации при ферментативной реакции снижается соответственно в 9 и 6 раз. Из других примеров можно указать на следующие. В желудке человека вырабатывается фермент пепсин, который расщепляет белки. Один грамм пепсина за час способен гидролизовать 50 кг яичного белка, а 1,6 г амилазы, синтезируемой в поджелудочной и слюнных железах, за час может расщепить 175 кг крахмала.
Сложность структуры ферментов обусловлена тем, что все они являются белками (см. Структура белков), т. е. высокомолекулярными соединениями с большим молекулярным весом.
Высокая специфичность действия ферментов проявляется в том, что, как правило, каждый фермент катализирует только одну или несколько близких химических реакций.
Действие ферментов как биологических катализаторов можно изобразить следующей формулой:
S + E 
ES → Е + Р,
где Е — фермент; S — субстрат — вещество, на которое действует фермент; ES — фермент-субстратный комплекс, промежуточное соединение, образующееся в ходе реакции типа АК (2); Р — продукты реакции.
Рис. 38. Схема взаимодействия фермента с субстратом (объяснение в тексте)
И в этом случае действие фермента на субстрат приводит к активированию субстрата, в результате чего снижается энергия активации и повышается скорость реакции. Основное значение в этом имеет образование промежуточного продукта — фермент-субстратного комплекса — ES, скорость образования которого определяет скорость всей реакции. Фермент-субстратный комплекс распадается на фермент и продукты реакции. На рис. 38 дано схематичное изображение хода ферментативной реакции.
Химическая природа ферментов
При изучении ферментов было установлено, что все они являются белками и поэтому обладают всеми свойствами белков. Ферменты имеют аналогичную белкам сложную структуру (рис. 39), подвергаются расщеплению под действием протеолитических ферментов, при растворении в воде образуют коллоидные растворы, при кипячении денатурируются и т. д. Молекулярный вес ферментов колеблется в пределах сотен тысяч и миллионов единиц молекулярного веса.
Рис. 39. Гипотетическая модель третичной структуры молекулы химотрипсиногена (по Нейрату). Черное кольцо (обозначено стрелкой) показывает пептидную связь между 15 и 16 аминокислотными остатками. Видны 5 дисульфидных связей (изображены желтым цветом), стягивающим отдельные участки полипептидной цепи% функциональные группы активного центра показаны красным цветом
Молекулярный вес рибонуклеазы составляет 12 700, пепсина — 35 500, каталазы крови — 248 000, глютаматдегидро-геназы — 1 000 000.
По структуре все ферменты делятся на простые и сложные.
Простые ферменты — ферменты-протеины — состоят только из аминокислот, а сложные ферменты — ферменты-протеиды — в своем составе имеют белковую часть — апофермент, состоящую из одних аминокислот, и небелковую часть — кофермент, или простетическую группу. Небелковая часть может быть представлена минеральными веществами, витаминами и т. д.
К ферментам-протеинам относятся, например, гидролитические ферменты желудочно-кишечного тракта, которые расщепляют пищевые продукты с участием воды, к ферментам-протеидам принадлежит большая часть окислительно-восстановительных ферментов.
Методы выделения и количественного определения активности ферментов
Для изучения свойств и клинического применения ферментов необходимы высокоочищенные препараты ферментов. Поэтому были разработаны различные методы выделения ферментов. К ним относятся разрушение клеток и получение клеточного сока, в котором содержатся ферменты; экстрагирование ферментов из высушенных тканей слабыми растворами солей, кислот и оснований. Из растворов ферменты можно осаждать добавлением солей [(NH4)2SО4, NaCl] и различных органических растворителей типа ацетона, смеси спирта и эфира и др.
Выделение ферментов также осуществляется методом адсорбции. Адсорбенты типа окиси кремния, активированного угля, гидрата окиси железа, различных синтетических смол и др. обладают способностью обратимо связывать определенные ферменты. Извлечение ферментов при этом достигается промыванием адсорбентов различными специфическими растворителями, которые переводят ферменты в раствор. В настоящее время для выделения ферментов используют хроматографическое фракционирование на колонках с синтетическими смолами, разделение ферментов при помощи электрофореза и др. Получение ферментов в кристаллическом виде достигают путем высушивания очищенных ферментов при низких температурах и вакууме (лиофилизация).