Ферменты: строение, свойства и механизм действия

В 1752 году французский естествоиспытатель Рене Реомюр решил выяснить, как переваривается пища в желудке. Одни учёные считали, что желудок перетирает её, как жернова, другие — что пища в нём «гниёт» или «бродит». Реомюр заставлял ручного коршуна глотать маленькие металлические трубочки с дырочками, набитые мясом. Хищные птицы срыгивают непереваренные остатки, и через несколько часов трубочки возвращались: металл был цел, перетереть мясо стенки желудка не могли, но мясо внутри оказалось частично растворённым. Тридцать лет спустя итальянский учёный Ладзаро Спалланцани повторил опыты на себе, глотая полотняные мешочки с пищей, а затем добыл желудочный сок и показал, что он растворяет мясо и в стеклянной пробирке, вне организма. Пищеварение оказалось химическим процессом, который ведёт какое-то растворённое в соке вещество. Сегодня мы знаем, что это был фермент пепсин.

Это третья статья серии об обмене веществ и энергии в клетке (начало серии — «Обмен веществ клетки»). Здесь подробно разобрано, что такое ферменты, как они устроены, почему так сильно ускоряют реакции, чем отличаются от неорганических катализаторов и как люди научились использовать их в медицине и промышленности. О том, от чего зависит скорость ферментативных реакций и как клетка включает и выключает ферменты, — в следующей статье — «Скорость ферментативных реакций».

• 1. Что такое ферменты
• 2. История: от желудочного сока до кристаллов белка
• 3. Как катализатор ускоряет реакцию
• 4. Строение ферментов
• 5. Активный центр
• 6. «Ключ — замок» и индуцированное соответствие
• 7. Механизм действия: как фермент снижает энергию активации
• 8. Свойства ферментов
• 9. Чем ферменты отличаются от неорганических катализаторов
• 10. Кофакторы: металлы и витамины
• 11. Как называют и классифицируют ферменты
• 12. Где в клетке работают ферменты
• 13. Изоферменты
• 14. Проферменты: как клетка защищается от собственных ферментов
• 15. Ферменты пищеварения
• 16. Ферменты-рекордсмены и ферменты-тихоходы
• 17. Рибозимы: когда катализатор — РНК
• 18. Как появляются новые ферменты
• 19. Как изучают ферменты
• 20. Ферменты в медицине
• 21. Ферменты и наследственные болезни
• 22. Ферменты в промышленности и в быту
• 23. Ферменты в природе: от жука-бомбардира до ананаса
• 24. Опыты с ферментами, которые можно поставить самому
• 25. Частые ошибки
• 26. Интересные факты
• 27. Частые вопросы
• 28. ЕГЭ
• 29. Для олимпиад
• 30. Задания с разбором
• Литература

1. Что такое ферменты

Ферменты, или энзимы, — биологические катализаторы, ускоряющие химические реакции в живых организмах. Почти все ферменты — белки; исключение составляют немногочисленные каталитически активные молекулы РНК — рибозимы. Ферменты не расходуются в реакции и не входят в состав её продуктов: после каждого акта катализа молекула фермента возвращается в исходное состояние и может работать снова [1, 2].

Оба названия связаны с брожением. Слово «фермент» происходит от латинского fermentum — закваска. Термин «энзим» (от греческого en zyme — «в закваске», «в дрожжах») предложил в 1877 году немецкий физиолог Вильгельм Кюне, чтобы обозначить вещества вроде пепсина, работающие отдельно от живых клеток, в отличие от «организованных ферментов» — самих дрожжей. Сегодня оба слова означают одно и то же; в русской литературе чаще говорят «ферменты», а наука о них называется энзимологией.

Без ферментов жизнь невозможна. Почти каждая из тысяч реакций обмена веществ идёт с участием своего фермента. Без них большинство этих реакций в условиях клетки — при 37 °C, в водном растворе, при почти нейтральной среде — шли бы так медленно, что за всю жизнь организма почти не продвинулись бы.

2. История: от желудочного сока до кристаллов белка

Первым ферментом, выделенным из живого организма, стала диастаза (сегодня её называют амилазой). В 1833 году французские химики Ансельм Пайен и Жан-Франсуа Персо осадили спиртом из вытяжки проросшего ячменя вещество, которое превращало крахмал в сахар. Важно, что очень малое количество осадка расщепляло огромное количество крахмала, — это главный признак катализатора. В 1836 году Теодор Шванн, один из авторов клеточной теории, выделил из желудочного сока пепсин.

Затем разгорелся спор о природе брожения. Французский микробиолог Луи Пастер доказывал, что брожение — проявление жизнедеятельности живых дрожжевых клеток, немецкий химик Юстус Либих — что это чисто химический процесс. В 1897 году Эдуард Бухнер помирил обе стороны неожиданным образом: бесклеточный сок дрожжей сбраживал сахар. Брожение вызывают ферменты, но образуют их живые клетки.

Оставался вопрос, что такое ферменты химически. Многие исследователи, в том числе нобелевский лауреат Рихард Вильштеттер, считали, что белок лишь «носитель», а настоящий фермент — какое-то маленькое активное вещество. В 1926 году американский биохимик Джеймс Самнер из Корнеллского университета, потративший на эту задачу девять лет, получил из семян канавалии (бобового растения) кристаллы фермента уреазы, расщепляющего мочевину [3]. Кристаллы состояли из чистого белка. Коллеги встретили результат с недоверием, но вскоре Джон Нортроп закристаллизовал пепсин и трипсин, и сомнения рассеялись. В 1946 году Самнер и Нортроп получили Нобелевскую премию по химии.

3. Как катализатор ускоряет реакцию

Чтобы молекулы вступили в реакцию, им мало просто встретиться. Нужно, чтобы старые связи ослабли и начали рваться, а новые — образовываться. В момент этой перестройки молекулы проходят через особое неустойчивое состояние — переходное состояние, энергия которого выше энергии и исходных веществ, и продуктов. Разницу между энергией переходного состояния и энергией исходных веществ называют энергией активации. Чем она больше, тем меньшая доля молекул в каждый момент обладает достаточной энергией, и тем медленнее идёт реакция.

Катализатор предлагает реакции другой путь, с меньшей энергией активации. При этом он не меняет ни энергии исходных веществ, ни энергии продуктов, а значит, не меняет и того, сколько энергии выделится или поглотится в реакции, и того, в какую сторону она может идти. Катализатор одинаково ускоряет прямую и обратную реакции и только быстрее приводит систему к равновесию. Поэтому фермент не может заставить идти энергетически невыгодную реакцию — для этого клетка использует сопряжение с гидролизом АТФ (подробнее — в статье «АТФ и энергетика клетки»).

Даже небольшое снижение энергии активации даёт огромный выигрыш в скорости, потому что зависимость скорости от энергии активации экспоненциальная. При температуре тела снижение энергии активации всего на 5,7 кДж/моль ускоряет реакцию примерно в 10 раз, на 36 кДж/моль — примерно в миллион раз. Ферменты снижают энергию активации на десятки килоджоулей на моль и ускоряют реакции в миллионы, миллиарды и даже в 10¹⁷ раз по сравнению с той же реакцией без катализатора [4].

4. Строение ферментов

Ферменты — глобулярные белки. Их полипептидные цепи свёрнуты в компактные клубки определённой формы, и именно эта трёхмерная форма определяет работу фермента. У белка четыре уровня организации:

• первичная структура — последовательность аминокислот в цепи, записанная в гене;
• вторичная структура — участки, свёрнутые в α-спирали и β-слои, удерживаемые водородными связями;
• третичная структура — укладка всей цепи в трёхмерную глобулу, которую поддерживают водородные, ионные, гидрофобные взаимодействия и дисульфидные мостики;
• четвертичная структура — объединение нескольких цепей (субъединиц) в один комплекс; есть не у всех ферментов.

Размеры ферментов очень разные: от небольших белков из ста с небольшим аминокислот (лизоцим, рибонуклеаза) до огромных комплексов из десятков субъединиц массой в миллионы дальтон. Обычно молекула фермента во много раз больше молекулы субстрата: глобула диаметром 4–10 нанометров обрабатывает молекулу размером в доли нанометра.

По составу ферменты делят на две группы.

• Простые ферменты состоят только из белка: пепсин, трипсин, амилаза, рибонуклеаза, лизоцим.
• Сложные ферменты (холоферменты) состоят из белковой части — апофермента — и небелковой — кофактора. Кофактором может быть ион металла или органическая молекула — кофермент. По отдельности ни апофермент, ни кофактор не активны; работает только их соединение.

Если кофермент прочно, ковалентно связан с белком, его называют простетической группой (так связан гем в каталазе и цитохромах). Если связь непрочная и кофермент, приняв или отдав группу атомов, отходит от фермента и переходит к другому ферменту, его рассматривают как второй субстрат — так работают НАД и кофермент А.

5. Активный центр

Субстрат связывается не со всей молекулой фермента, а с небольшим её участком — активным центром. Обычно это углубление или щель на поверхности глобулы, в которую входит молекула субстрата. В активном центре различают два участка:

• связывающий (контактный) — аминокислоты, которые узнают субстрат и удерживают его в нужном положении водородными, ионными и гидрофобными взаимодействиями;
• каталитический — аминокислоты (а у сложных ферментов и кофактор), которые непосредственно участвуют в химическом превращении.

Активный центр составляет лишь малую часть молекулы — обычно в нём участвуют несколько аминокислот из сотен. Но эти аминокислоты часто стоят в цепи далеко друг от друга и сближаются только благодаря укладке цепи в третичную структуру. Например, в активном центре пищеварительного фермента химотрипсина работают три аминокислоты — гистидин в 57-м положении цепи, аспарагиновая кислота в 102-м и серин в 195-м, — сведённые вместе в одной точке глобулы. Поэтому любое нарушение третичной структуры — денатурация при нагревании, действии кислот, щелочей, солей тяжёлых металлов — разрушает активный центр, и фермент теряет активность.

Остальная часть белковой глобулы тоже нужна: она служит «каркасом», который удерживает аминокислоты активного центра в точном взаимном расположении, создаёт внутри щели особые условия (например, отсутствие воды), обеспечивает подвижность нужных участков и часто содержит регуляторные центры, через которые фермент включается и выключается.

6. «Ключ — замок» и индуцированное соответствие

В 1894 году немецкий химик Эмиль Фишер, изучая ферменты, расщепляющие сахара, заметил, что они различают даже очень близкие по строению изомеры: фермент, расщепляющий α-глюкозиды, не действует на β-глюкозиды, отличающиеся лишь положением одной группы атомов, и наоборот. Фишер предположил, что субстрат подходит к ферменту, «как ключ к замку»: форма активного центра точно соответствует форме молекулы субстрата, и только «свой» субстрат может в него войти. Эта модель хорошо объясняла специфичность ферментов, и её до сих пор приводят в учебниках.

Однако со временем выяснилось, что белки не жёсткие. В 1958 году американский биохимик Дэниел Кошланд предложил модель индуцированного соответствия [6]: активный центр фермента до связывания субстрата лишь приблизительно соответствует ему, а при связывании фермент меняет форму, «обхватывая» субстрат. Лучше подходит сравнение не с ключом и замком, а с перчаткой, которая принимает форму руки. Так, фермент гексокиназа, присоединяющий фосфат к глюкозе, при связывании глюкозы смыкает две свои доли, как створки, на 8 ангстрем. Это важно: внутри сомкнутого фермента нет воды, и концевой фосфат АТФ переносится на глюкозу, а не на воду — иначе фермент бесполезно расщеплял бы АТФ.

Модель индуцированного соответствия объясняет и то, почему некоторые вещества, похожие на субстрат, связываются с ферментом, но не превращаются: они не вызывают нужного изменения формы, и каталитические группы не встают на свои места.

7. Механизм действия: как фермент снижает энергию активации

Любая ферментативная реакция проходит несколько стадий. Фермент (Ф) связывается с субстратом (С), образуя фермент-субстратный комплекс; в комплексе субстрат превращается в продукт (П); продукт освобождается, и фермент готов к новому циклу:

Ф + С ⇄ ФС → ФП → Ф + П

Существование фермент-субстратного комплекса предположили ещё в начале XX века, а в 1913 году немецкий биохимик Леонор Михаэлис и канадка Мод Ментен построили на этой основе математическую теорию скорости ферментативных реакций, которой пользуются до сих пор (о ней — в следующей статье серии).

Как фермент ускоряет превращение в комплексе? Химики выделяют несколько механизмов, обычно действующих одновременно.

1. Сближение и ориентация. В растворе молекулы двух реагентов встречаются редко и, как правило, «не той стороной». Фермент связывает их в активном центре рядом друг с другом и в точно нужной ориентации, так что реагирующие атомы оказываются на расстоянии химической связи.
2. Стабилизация переходного состояния. Активный центр устроен так, что прочнее всего он связывает не сам субстрат, а его переходное состояние. Тем самым энергия переходного состояния снижается. Эту идею высказал в 1946 году американский химик Лайнус Полинг; на ней основано создание многих лекарств — молекул, похожих на переходное состояние, которые прочно занимают активный центр.
3. Кислотно-основной катализ. Боковые группы аминокислот активного центра (например, гистидина, аспарагиновой и глутаминовой кислот) отдают или принимают протоны, облегчая разрыв и образование связей.
4. Ковалентный катализ. Фермент временно образует с субстратом ковалентную связь, разбивая реакцию на несколько более лёгких стадий. Так, в химотрипсине серин активного центра присоединяет часть расщепляемого белка, а затем отдаёт её воде.
5. Катализ ионами металлов. Ионы цинка, магния, железа, меди в активном центре стягивают электроны с атакуемой связи, удерживают субстрат, участвуют в переносе электронов.
6. Напряжение и деформация. Связывание может изгибать субстрат, ослабляя те связи, которые должны разорваться.

8. Свойства ферментов

Специфичность. Каждый фермент действует на определённый субстрат или группу сходных субстратов и катализирует определённый тип реакции. Различают несколько видов специфичности:

• абсолютная — фермент действует только на одно вещество: уреаза расщепляет только мочевину, каталаза — только пероксид водорода;
• групповая — фермент действует на группу веществ с одинаковым типом связи: пепсин и трипсин расщепляют пептидные связи во многих белках (но каждый предпочитает связи рядом с определёнными аминокислотами), липаза — сложноэфирные связи в разных жирах;
• стереоспецифичность — фермент различает зеркальные изомеры: ферменты человека работают с L-аминокислотами и D-глюкозой. Амилаза расщепляет α-глюкозидные связи крахмала, но не β-связи целлюлозы, — поэтому мы не можем переваривать целлюлозу, хотя она построена из той же глюкозы.

Высокая эффективность. Одна молекула фермента может превращать за секунду от нескольких до десятков миллионов молекул субстрата. Число молекул субстрата, превращаемых одной молекулой фермента за секунду, называют числом оборотов. Для «среднего» фермента оно около 10 в секунду [7], для карбоангидразы, превращающей углекислый газ в гидрокарбонат в эритроцитах, — около миллиона, для каталазы — до 40 миллионов.

Работа в мягких условиях. Ферменты действуют при температуре тела, нормальном давлении, почти нейтральной среде. Промышленный синтез аммиака из азота и водорода на железном катализаторе требует температуры около 450 °C и давления в сотни атмосфер, а фермент нитрогеназа клубеньковых бактерий восстанавливает азот до аммиака в почве при обычной температуре.

Зависимость от условий. Белковая природа делает ферменты чувствительными к температуре, кислотности среды, присутствию солей. У каждого фермента есть оптимальная температура и оптимальный pH, при которых он работает быстрее всего, а при сильном нагревании и в крайних значениях pH он денатурирует.

Регулируемость. Активность ферментов можно включать и выключать: присоединением регуляторных веществ, фосфорилированием, изменением количества фермента. Так клетка управляет обменом веществ.

Подробно о зависимости скорости реакции от условий и о регуляции — в следующей статье серии, «Скорость ферментативных реакций».

9. Чем ферменты отличаются от неорганических катализаторов

Неорганические катализаторы — металлы (платина, никель, железо), оксиды (оксид марганца(IV), оксид ванадия(V)), кислоты — широко применяются в химической промышленности. С ферментами их объединяет главное: и те, и другие ускоряют реакции, снижая энергию активации, не расходуются в реакции и не смещают химическое равновесие. Но различий гораздо больше [8].

Хорошо видна разница на примере разложения пероксида водорода. Его ускоряют и неорганические катализаторы — оксид марганца(IV), ионы железа, — и фермент каталаза. Но одна молекула каталазы ускоряет реакцию примерно в миллиард раз сильнее, чем ион железа, и работает при комнатной температуре. Если же каталазу прокипятить, она теряет активность навсегда, а оксид марганца после кипячения работает как прежде.

10. Кофакторы: металлы и витамины

Около трети всех ферментов нуждаются в ионах металлов. Ион цинка в активном центре карбоангидразы активирует молекулу воды, которая присоединяется к углекислому газу; железо в геме каталазы и цитохромов принимает и отдаёт электроны; медь работает в цитохромоксидазе; молибден и железо — в нитрогеназе; ион магния нужен всем ферментам, использующим АТФ. Поэтому многие микроэлементы жизненно необходимы, хотя требуются в ничтожных количествах: их атомы входят в активные центры ферментов.

Иногда нехватка одного микроэлемента в почве целой местности оборачивается болезнью людей. В уезде Кешань на северо-востоке Китая в середине XX века тысячи детей и молодых женщин страдали тяжёлым поражением сердечной мышцы. Причиной оказалась крайняя бедность местных почв селеном. Селен входит в состав особой аминокислоты — селеноцистеина — в активном центре глутатионпероксидазы, фермента, обезвреживающего пероксиды в клетках. Добавление селена в пищу резко снизило заболеваемость, а болезнь получила название по месту, где её открыли, — болезнь Кешана.

Органические коферменты чаще всего образуются из витаминов. Сам организм человека синтезировать их не может, и при нехватке витамина в пище перестают работать ферменты, для которых нужен соответствующий кофермент. Отсюда тяжёлые болезни — авитаминозы.

Витамин C в этом списке стоит особняком: он не входит в состав кофермента, а поддерживает в восстановленном состоянии ион железа в ферменте, который «сшивает» молекулы коллагена. Без витамина C коллаген получается непрочным, кровоточат дёсны, плохо заживают раны — так развивается цинга, от которой в эпоху великих географических открытий гибли целые экипажи кораблей.

11. Как называют и классифицируют ферменты

Первые ферменты получали случайные названия: пепсин (от греческого pepsis — пищеварение), трипсин, птиалин. Позже установилось правило: название фермента образуют от названия субстрата или типа реакции с суффиксом -аза: амилаза расщепляет амилозу (крахмал), липаза — липиды, лактаза — лактозу, ДНК-полимераза строит полимер ДНК, дегидрогеназа отнимает водород.

Международный союз биохимиков разделил все ферменты на классы по типу катализируемой реакции. Каждый фермент получает четырёхзначный шифр (EC — от Enzyme Commission), где первая цифра обозначает класс. До 2018 года классов было шесть, затем добавили седьмой.

Для школьного курса важнее всего гидролазы — ферменты пищеварения и лизосом, оксидоредуктазы — ферменты дыхания и фотосинтеза, и лигазы с трансферазами, работающие в синтезе.

12. Где в клетке работают ферменты

Ферменты распределены по клетке не беспорядочно: в каждом отсеке собран свой набор. Ферменты гликолиза растворены в цитозоле, ферменты цикла Кребса — в матриксе митохондрий, ферменты дыхательной цепи встроены во внутреннюю мембрану митохондрий, гидролазы заключены в лизосомы, ферменты синтеза липидов — в мембраны ЭПС, ферменты разложения пероксида водорода — в пероксисомы. Такое разделение ускоряет процессы (продукт одного фермента сразу попадает к следующему) и не даёт несовместимым процессам мешать друг другу.

Ферменты одного пути часто объединены в мультиферментные комплексы. Например, пируватдегидрогеназный комплекс митохондрий, превращающий пировиноградную кислоту в ацетил-КоА, состоит из трёх разных ферментов и пяти коферментов, собранных в частицу из десятков субъединиц размером больше рибосомы. Промежуточные продукты передаются в нём от фермента к ферменту, не выходя в раствор, — как по конвейеру.

Многие ферменты работают вне клеток. Пищеварительные ферменты выделяются в полость желудка и кишечника, грибы и бактерии выделяют ферменты в окружающую среду и переваривают пищу снаружи, а ферменты свёртывания крови работают в плазме. Такие ферменты синтезируются на шероховатой ЭПС и выводятся из клетки через аппарат Гольджи.

13. Изоферменты

Одну и ту же реакцию в разных тканях могут катализировать несколько форм фермента, различающихся строением, — изоферменты. Например, лактатдегидрогеназа, превращающая пировиноградную кислоту в молочную и обратно, состоит из четырёх субъединиц двух типов: «сердечного» (H) и «мышечного» (M). Из них складываются пять изоферментов — от H₄ до M₄. Мышечная форма хорошо работает при больших концентрациях пировиноградной кислоты и превращает её в молочную при интенсивной нагрузке; сердечная лучше окисляет молочную кислоту обратно в пировиноградную, и сердце использует молочную кислоту, поступающую из мышц, как топливо.

Изоферменты важны в медицине. При повреждении органа его ферменты выходят в кровь, и по набору изоферментов можно определить, какой орган повреждён. Повышение в крови сердечной формы креатинкиназы или аминотрансфераз давно используют для диагностики инфаркта миокарда и болезней печени.

14. Проферменты: как клетка защищается от собственных ферментов

Ферменты, расщепляющие белки, опасны для самих клеток, которые их синтезируют. Поэтому пищеварительные протеазы синтезируются в неактивной форме — в виде проферментов (зимогенов), — и активируются только там, где должны работать.

• Пепсиноген выделяется главными клетками желудочных желёз. В кислой среде желудка от него отщепляется участок, закрывающий активный центр, и образуется активный пепсин. Пепсин затем активирует новые молекулы пепсиногена.
• Трипсиноген выделяется поджелудочной железой и активируется в двенадцатиперстной кишке ферментом энтеропептидазой (энтерокиназой), который выделяет слизистая кишки. Активный трипсин запускает каскад активации других проферментов поджелудочного сока.

Энтерокиназу открыл в 1899 году в лаборатории Ивана Павлова его ученик Николай Шеповальников. Он заметил, что сок поджелудочной железы, собранный через фистулу, почти не расщепляет белки, но становится очень активным, если добавить к нему немного кишечного сока. Павлов назвал вещество, содержащееся в кишечном соке, «ферментом ферментов». Это было первое описание активации одного фермента другим — механизма, который сегодня известен для свёртывания крови, иммунного комплемента, гибели клеток и многих других процессов.

Если проферменты активируются раньше времени — внутри самой поджелудочной железы, например при закупорке протока или злоупотреблении алкоголем, — трипсин начинает переваривать ткань железы. Так развивается острый панкреатит, опасное воспаление поджелудочной железы.

15. Ферменты пищеварения

Пищеварение — самый наглядный пример работы гидролаз. Каждый отдел пищеварительного тракта выделяет свой набор ферментов, приспособленных к его условиям.

Желчь ферментов не содержит. Она эмульгирует жиры — дробит их на мельчайшие капли, — и тем самым увеличивает поверхность, на которой работает липаза.

Самый интересный пример связи ферментов с эволюцией человека — лактаза, расщепляющая молочный сахар. У детёнышей всех млекопитающих она работает, пока они питаются молоком, а после отлучения синтез лактазы в кишечнике резко снижается. У большинства людей на Земле так и происходит: взрослые плохо переносят цельное молоко — непереваренная лактоза сбраживается бактериями толстой кишки с образованием газов. Но у многих народов Северной Европы, Восточной Африки, Ближнего Востока лактаза продолжает работать всю жизнь. Это связано с мутациями в регуляторном участке рядом с геном лактазы, которые распространились за последние несколько тысяч лет у народов, разводивших молочный скот. Удивительно, что в Европе и Африке эти мутации разные: одна и та же полезная особенность возникла независимо — пример конвергентной эволюции у человека [9].

16. Ферменты-рекордсмены и ферменты-тихоходы

Скорость работы ферментов различается в миллионы раз. Некоторые из них достигли физического предела: они превращают субстрат так быстро, что скорость реакции ограничена лишь тем, как часто молекулы субстрата сталкиваются с ферментом при диффузии. Такими «совершенными ферментами» считают каталазу, карбоангидразу, супероксиддисмутазу, ацетилхолинэстеразу — фермент, разрушающий медиатор ацетилхолин в синапсах за доли миллисекунды.

Ещё нагляднее мощь ферментов видна, если сравнить скорость реакции с ферментом и без него. Американский биохимик Ричард Вулфенден много лет измерял, как медленно идут реакции без катализатора. Отщепление углекислого газа от оротидинмонофосфата — предшественника нуклеотидов — без фермента шло бы так, что половина молекул превратилась бы лишь за 78 миллионов лет; фермент проводит его за доли секунды. Гидролиз некоторых фосфатных эфиров без фермента потребовал бы времени, превышающего возраст Вселенной [4].

Есть и ферменты-тихоходы. Самый известный — рубиско, фермент, связывающий углекислый газ в цикле Кальвина при фотосинтезе. Одна его молекула превращает лишь около трёх молекул CO₂ в секунду и к тому же нередко «ошибается», присоединяя вместо углекислого газа кислород. Растения компенсируют медлительность количеством: рубиско составляет до половины всех растворимых белков листа и считается самым распространённым белком на Земле (подробнее — в статье «Рубиско»).

17. Рибозимы: когда катализатор — РНК

До начала 1980-х годов считалось, что все ферменты — белки. В 1982 году американский биохимик Томас Чек, изучая инфузорию тетрахимену, обнаружил, что фрагмент её рибосомной РНК сам вырезает себя из молекулы-предшественника и сшивает концы без участия белков [10]. В 1983 году группа Сидни Олтмана показала, что каталитическая часть фермента рибонуклеазы P — тоже РНК [11]. Такие каталитически активные РНК назвали рибозимами, а Чек и Олтман получили Нобелевскую премию 1989 года.

Самым важным рибозимом оказалась сама рибосома. Когда в 2000 году удалось расшифровать строение большой субъединицы рибосомы, выяснилось, что в месте образования пептидной связи нет ни одного белка — только рибосомная РНК [12]. Значит, все белки всех организмов синтезирует молекула РНК. Это сильный довод в пользу гипотезы «мира РНК», согласно которой на заре жизни РНК была и носителем наследственной информации, и катализатором, а белковые ферменты появились позже, как более эффективные помощники (подробнее — в статье «Рибозимы»).

Почему же сегодня почти все ферменты — белки? У РНК всего четыре разных мономера, и все они похожи друг на друга, а у белков — двадцать аминокислот с очень разными боковыми группами: кислыми, основными, гидрофобными, содержащими серу. Белок может создать активный центр гораздо более разнообразной химии. Поэтому в ходе эволюции белки взяли на себя большинство каталитических функций.

18. Как появляются новые ферменты

Ферменты, как и все белки, возникают в ходе эволюции. Главный путь появления нового фермента — удвоение гена. Если ген случайно скопировался, одна копия продолжает выполнять старую работу, а вторая может накапливать мутации без вреда для организма. Иногда эти мутации меняют активный центр так, что белок начинает катализировать новую реакцию или работать с новым субстратом.

Помогает этому и то, что ферменты не абсолютно специфичны. Многие из них с небольшой скоростью ускоряют и «побочные» реакции с похожими веществами. Такая «неразборчивость» — запас возможностей: если побочная реакция становится полезной, отбор усиливает её, и со временем возникает новый специализированный фермент.

Яркий пример — α-лактальбумин, белок молока млекопитающих. Он произошёл от лизоцима, удвоение гена которого случилось у предков млекопитающих. Лизоцим расщепляет полисахариды бактериальных стенок, а α-лактальбумин утратил эту способность и стал регуляторной частью фермента, синтезирующего молочный сахар лактозу. Так из антибактериального фермента получился белок, без которого нет молока. Другой пример — ферменты, расщепляющие искусственные вещества, которых не было в природе до XX века: пестициды, нейлон, пластик ПЭТ. Бактерии, питающиеся ими, приобрели нужные ферменты за несколько десятилетий, перестроив уже имевшиеся.

19. Как изучают ферменты

Чтобы изучить фермент, его сначала выделяют в чистом виде: разрушают клетки, отделяют фракции центрифугированием, а затем очищают белок методами хроматографии, разделяя молекулы по размеру, заряду, сродству к определённым веществам. На каждом этапе измеряют активность — сколько субстрата превращает препарат за минуту, — чтобы не потерять фермент среди тысяч других белков.

Затем изучают кинетику — как скорость реакции зависит от концентрации субстрата, температуры, pH, ингибиторов (об этом — в следующей статье). Строение фермента определяют рентгеноструктурным анализом кристаллов, а с 2010-х годов всё чаще — криоэлектронной микроскопией, позволяющей увидеть замороженные молекулы почти с атомным разрешением.

В 2020 году программа искусственного интеллекта AlphaFold компании DeepMind научилась с высокой точностью предсказывать трёхмерную структуру белка по последовательности аминокислот. Это позволило получить модели почти всех известных белков, в том числе ферментов, строение которых не удавалось определить экспериментально. В 2024 году создатели AlphaFold Демис Хассабис и Джон Джампер, а также американский биохимик Дэвид Бейкер, научившийся конструировать белки с заданными свойствами — в том числе ферменты для реакций, которых нет в природе, — получили Нобелевскую премию по химии.

20. Ферменты в медицине

Знания о ферментах лежат в основе огромной части современной медицины.

• Диагностика. По активности ферментов в крови судят о повреждении органов: аминотрансферазы — о болезнях печени, креатинкиназа — о повреждении мышц и сердца, амилаза — о воспалении поджелудочной железы. Ферменты используют и как реактивы: глюкометр, которым больные диабетом измеряют сахар в крови, содержит фермент глюкозооксидазу.
• Ферменты как лекарства. При нехватке пищеварительных ферментов назначают препараты ферментов поджелудочной железы; при непереносимости молока — таблетки лактазы; для растворения тромбов при инфаркте и инсульте — ферменты, активирующие разрушение фибрина; при некоторых наследственных болезнях накопления — недостающий фермент, полученный генно-инженерным путём (заместительная ферментная терапия).
• Лекарства, подавляющие ферменты. Большинство лекарств действует, блокируя определённые ферменты: аспирин и ибупрофен подавляют фермент синтеза веществ, вызывающих воспаление и боль; статины — фермент синтеза холестерина; многие антибиотики — ферменты бактерий; противовирусные препараты против ВИЧ — вирусную протеазу и обратную транскриптазу. Об ингибиторах подробнее — в следующей статье серии.
• Генетическая диагностика и генная инженерия невозможны без ферментов: рестриктазы разрезают ДНК в определённых местах, лигазы сшивают фрагменты, полимеразы копируют ДНК в полимеразной цепной реакции.

21. Ферменты и наследственные болезни

Каждый фермент закодирован в гене, и мутация в этом гене может сделать фермент неактивным. Если фермент важен, возникает наследственная болезнь обмена веществ. Таких болезней известно больше тысячи, и большинство из них наследуется рецессивно: болезнь проявляется только у человека, получившего испорченный ген и от отца, и от матери, — ведь даже половины нормального количества фермента обычно хватает.

• Фенилкетонурия — не работает фермент, превращающий фенилаланин в тирозин; без лечебной диеты повреждается мозг.
• Альбинизм — не работает тирозиназа, фермент синтеза пигмента меланина; кожа, волосы и радужка лишены пигмента.
• Галактоземия — не работает фермент превращения галактозы; молочный сахар становится ядом для новорождённого.
• Недостаточность глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы — снижена активность фермента, защищающего эритроциты от окислительного повреждения; после приёма некоторых лекарств или бобов эритроциты разрушаются. Этот дефект чаще всего встречается там, где издавна свирепствовала малярия: он частично защищает от малярийного плазмодия.

Понимание роли ферментов позволило не только диагностировать, но и лечить многие из этих болезней: диетой, исключающей субстрат неработающего фермента, введением недостающего фермента или вещества, которое он должен был синтезировать.

22. Ферменты в промышленности и в быту

Ферменты — идеальные катализаторы для промышленности: они работают в мягких условиях, не дают побочных продуктов и разлагаются в природе. Их получают из микроорганизмов, выращенных в огромных ферментёрах, а часто — из генно-инженерных штаммов.

• Стиральные порошки содержат протеазы, липазы и амилазы бактерий, расщепляющие пятна крови, жира, крахмала. Ферменты подбирают так, чтобы они работали в щелочной среде и при невысокой температуре, — это экономит энергию на нагревание воды.
• Сыроделие. Молоко свёртывают ферментом химозином (реннином), который раньше получали из желудков телят. Сегодня большую часть химозина в мире производят генно-инженерные микроорганизмы.
• Хлебопечение и пивоварение используют амилазы, расщепляющие крахмал до сахаров, которые затем сбраживают дрожжи.
• Производство соков: пектиназы разрушают межклеточное вещество плодов, повышая выход сока и делая его прозрачным.
• Сахарная промышленность: из крахмала ферментами получают глюкозу, а фермент глюкозоизомераза превращает часть глюкозы в более сладкую фруктозу — так делают глюкозо-фруктозный сироп.
• Кожевенное и текстильное производство: ферменты удаляют волос со шкур, обрабатывают ткани.

Природные ферменты не всегда подходят для промышленности: они могут быть недостаточно устойчивы или медленны. Американская исследовательница Фрэнсис Арнольд предложила улучшать их методом направленной эволюции: в гене фермента создают множество случайных мутаций, отбирают лучшие варианты и повторяют цикл много раз [14]. Так получены ферменты, работающие в органических растворителях, при высокой температуре и даже катализирующие реакции, которых нет в живой природе. В 2018 году Арнольд получила за эту работу Нобелевскую премию по химии (подробнее — в статье «Направленная эволюция»).

23. Ферменты в природе: от жука-бомбардира до ананаса

Живые организмы используют ферменты и для защиты, и для нападения. Жук-бомбардир хранит в одной железе смесь гидрохинона и пероксида водорода, а в соседней камере — ферменты каталазу и пероксидазы. При опасности жук смешивает их: каталаза мгновенно разлагает пероксид водорода с выделением кислорода, пероксидазы окисляют гидрохинон до едких хинонов, и смесь, нагретая реакцией почти до 100 °C, выбрасывается с хлопком в сторону врага.

Яды змей, пауков, скорпионов — во многом смеси ферментов: фосфолипазы разрушают мембраны клеток, протеазы — ткани и белки свёртывания крови, гиалуронидаза разрушает межклеточное вещество, помогая яду распространяться.

Растения тоже богаты ферментами. Плоды папайи содержат протеазу папаин, ананаса — бромелайн. Именно поэтому из свежего ананаса нельзя сделать желе на желатине: желатин — это белок, и бромелайн расщепляет его, не давая застыть. Из консервированного ананаса желе получается, потому что при консервировании фермент разрушается нагреванием. Папаин используют для размягчения мяса, а бромелайн входит в состав некоторых лекарств.

Ферменты есть и в повседневной жизни. Разрезанное яблоко и картофель темнеют на воздухе потому, что фермент полифенолоксидаза окисляет фенольные вещества кислородом, и образуются бурые пигменты. Лимонный сок замедляет потемнение: в кислой среде фермент работает хуже, а витамин C восстанавливает продукты окисления.

24. Опыты с ферментами, которые можно поставить самому

Каталаза. Положите в одну пробирку кусочек сырого картофеля или сырой печени, в другую — такой же кусочек, предварительно прокипячённый, и налейте в обе немного раствора пероксида водорода (аптечной перекиси). В первой пробирке смесь бурно вспенится — каталаза разлагает пероксид водорода на воду и кислород; тлеющая лучинка, внесённая в пробирку, вспыхнет. Во второй пробирке пены не будет: при кипячении фермент денатурировал. Если в третью пробирку насыпать немного оксида марганца(IV), пероксид водорода тоже разложится — неорганический катализатор не боится нагревания.

Амилаза слюны. Приготовьте жидкий крахмальный клейстер и разлейте его по двум пробиркам. В одну добавьте немного слюны, в другую — столько же воды. Через 10–15 минут при комнатной температуре (а лучше при 37 °C) добавьте в обе по капле раствора йода. Клейстер с водой посинеет, а клейстер со слюной — нет или почти нет: амилаза расщепила крахмал до мальтозы, которая с йодом синего окрашивания не даёт. Если слюну предварительно прокипятить или добавить к клейстеру немного уксуса, расщепления не будет.

Эти опыты, известные по школьным учебникам, хорошо показывают главные свойства ферментов: специфичность, высокую активность при комнатной температуре и чувствительность к нагреванию и pH.

25. Частые ошибки

• «Все ферменты — белки». Почти все, но есть рибозимы — каталитические РНК, в том числе рибосомная РНК, образующая пептидные связи.
• «Фермент расходуется в реакции». Фермент остаётся неизменным и работает многократно.
• «Фермент смещает равновесие» или «заставляет идти невыгодную реакцию». Фермент лишь ускоряет достижение равновесия; невыгодные реакции идут за счёт сопряжения с гидролизом АТФ.
• «Активный центр — это вся молекула фермента». Активный центр — небольшой участок; остальная глобула удерживает его форму и участвует в регуляции.
• «Кофермент — это белок». Кофермент — небелковая органическая молекула, часто производное витамина.
• «Ферменты работают тем быстрее, чем выше температура». Только до оптимума; выше него фермент денатурирует.
• «Желчь — фермент». Желчь не содержит ферментов, она эмульгирует жиры.
• «Пепсин активен в кишечнике». Пепсин работает в кислой среде желудка; в слабощелочной среде кишечника белки расщепляют трипсин и химотрипсин.

26. Интересные факты

• Первый фермент — диастаза (амилаза) — был выделен в 1833 году, почти за сто лет до того, как доказали, что ферменты — белки.
• Джеймс Самнер, первым закристаллизовавший фермент, работал одной рукой: левую он потерял в юности.
• Одна молекула каталазы может разложить до 40 миллионов молекул пероксида водорода в секунду.
• Без фермента некоторые реакции обмена веществ шли бы миллионы и даже миллиарды лет; ферменты проводят их за доли секунды.
• Свежий ананас не даёт застыть желе на желатине: его фермент бромелайн расщепляет белок желатин.
• Фермент из бактерии горячих источников Йеллоустона сделал возможной полимеразную цепную реакцию.
• Способность взрослых людей переваривать молоко возникла независимо в Европе и Африке благодаря разным мутациям рядом с геном лактазы.
• Все белки всех организмов синтезируются при участии рибозима: пептидную связь в рибосоме образует РНК, а не белок.

27. Частые вопросы

Чем фермент отличается от гормона?

Фермент — катализатор: он ускоряет определённую химическую реакцию и не расходуется. Гормон — сигнальное вещество: он передаёт клеткам сигнал, изменяющий их работу (в том числе активность ферментов). Многие гормоны — белки, но они не катализируют реакций.

Почему ферментов так много, если они не расходуются?

Во-первых, каждый фермент специфичен, а реакций в клетке тысячи. Во-вторых, ферменты всё-таки изнашиваются: белки постепенно повреждаются и разрушаются протеасомами, и клетка непрерывно синтезирует их заново. В-третьих, количество фермента определяет скорость реакции, и клетка регулирует обмен, изменяя количество ферментов.

Почему мы не перевариваем целлюлозу, хотя она состоит из глюкозы, как крахмал?

Из-за специфичности ферментов. Амилаза расщепляет α-гликозидные связи крахмала, а в целлюлозе остатки глюкозы соединены β-связями, к которым амилаза не подходит. Фермента целлюлазы у человека нет; у жвачных её синтезируют бактерии и простейшие, живущие в рубце.

Можно ли «убить» фермент?

Фермент — не живое существо, поэтому правильнее говорить «инактивировать» или «денатурировать». Нагревание, сильные кислоты и щёлочи, соли тяжёлых металлов разрушают пространственную структуру белка и, следовательно, активный центр.

Зачем в стиральном порошке ферменты, если они белки и сами «грязь»?

Ферментов в порошке очень мало, и они действуют каталитически: одна молекула расщепляет огромное количество белков, жиров и крахмала из пятен. Расщеплённые до небольших растворимых молекул загрязнения легко смываются водой, а сами ферменты затем разлагаются в сточных водах.

Почему ферменты называют «биологическими катализаторами», если ими пользуется промышленность?

Потому что их синтезируют живые организмы — даже те ферменты, которые используют на заводах, получают из микроорганизмов или с помощью генно-инженерных клеток. Само же действие фермента — химический катализ, подчиняющийся тем же законам, что и работа неорганических катализаторов.

Как фермент «узнаёт» свой субстрат?

По соответствию формы и расположения химических групп. Аминокислоты связывающего участка активного центра образуют с субстратом водородные связи, ионные и гидрофобные взаимодействия; только у «своего» субстрата эти группы расположены так, что все взаимодействия возникают одновременно и связывание прочное.

Что такое фермент-субстратный комплекс и можно ли его увидеть?

Это временное соединение фермента с субстратом, в котором и происходит превращение. Обычно оно существует тысячные доли секунды, но с помощью быстрой спектроскопии и кристаллографии при низкой температуре или с медленными аналогами субстратов удаётся «заморозить» и изучить его строение.

Сколько ферментов в клетке человека?

Геном человека кодирует несколько тысяч ферментов. В каждой клетке работает лишь часть из них — набор зависит от типа клетки: в клетках печени особенно много ферментов обмена веществ и обезвреживания ядов, в клетках поджелудочной железы — пищеварительных ферментов. Количество молекул одного фермента в клетке может составлять от единиц до миллионов.

Почему говорят, что фермент «узнаёт» переходное состояние, а не субстрат?

Если бы фермент связывал субстрат очень прочно, субстрат «застревал» бы в активном центре, и для превращения пришлось бы преодолевать ещё больший барьер. Выгоднее, чтобы активный центр наилучшим образом соответствовал переходному состоянию: тогда энергия именно этого состояния снижается больше всего, и барьер становится ниже.

Почему лекарства часто действуют именно на ферменты?

Фермент — удобная мишень: у него есть активный центр строго определённой формы, и вещество, похожее на субстрат или переходное состояние, может прочно его занять. Подавив один фермент, можно остановить целый метаболический путь — синтез стенки бактерии, размножение вируса, образование веществ, вызывающих воспаление. А специфичность ферментов позволяет подобрать вещество, которое действует на фермент бактерии или вируса и почти не затрагивает ферменты человека.

28. ЕГЭ

Типичные задания первой части — на выбор признаков ферментов, соответствие «фермент — субстрат — место действия», последовательность событий в ферментативной реакции. Во второй части часто встречаются вопросы о том, почему ферменты теряют активность при нагревании, почему пепсин не работает в кишечнике, в чём отличие ферментов от неорганических катализаторов, а также задания по описанию опытов с каталазой и амилазой.

Разбор типичного задания второй части

Задание: «В две пробирки с раствором пероксида водорода поместили кусочки сырого и варёного картофеля. В какой пробирке выделялся газ? Какой это газ? Объясните результаты опыта». Полный ответ: 1) газ выделялся в пробирке с сырым картофелем; 2) это кислород, образующийся при разложении пероксида водорода; 3) разложение ускоряет фермент каталаза, содержащийся в клетках картофеля; 4) при варке каталаза денатурировала (разрушилась её пространственная структура и активный центр), поэтому в пробирке с варёным картофелем реакция не шла.

29. Для олимпиад

Энергия активации и скорость. По уравнению Аррениуса k = A·e^−E_a/RT. Если фермент снижает E_a с 86 до 50 кДж/моль, отношение констант скорости при 310 К равно e^{36000/(8,314 · 310)} = e^13,97 ≈ 1,2 · 10⁶ — реакция ускоряется примерно в миллион раз.

Специфичность и переходное состояние. Если фермент связывает переходное состояние на 10ⁿ прочнее, чем субстрат, реакция ускоряется примерно в 10ⁿ раз. Поэтому аналоги переходного состояния — сильнейшие ингибиторы: их сродство к ферменту может в миллионы раз превышать сродство субстрата. На этом принципе созданы, например, препараты против вируса гриппа, блокирующие вирусный фермент нейраминидазу.

Каталитическое совершенство. Мера эффективности фермента — отношение k_cat/K_M (число оборотов к константе Михаэлиса). Его верхний предел задаёт скорость диффузии молекул в воде — около 10⁸–10⁹ М⁻¹·с⁻¹. Ферменты, достигшие этого предела (каталаза, карбоангидраза, ацетилхолинэстераза, триозофосфатизомераза), работают настолько быстро, насколько молекулы субстрата успевают до них долетать.

Ферменты экстремофилов. У бактерий горячих источников белки устойчивы благодаря большему числу ионных пар и гидрофобных контактов, плотной упаковке и коротким петлям; у обитателей холодных вод ферменты, наоборот, более гибкие, что позволяет им работать при 0 °C, но делает их неустойчивыми уже при 20–30 °C. Эти особенности используют в биотехнологии: ферменты холодолюбивых организмов добавляют в порошки для стирки в холодной воде.

30. Задания с разбором

Задание 1

Выберите три верных ответа. Ферменты: 1) являются биологическими катализаторами; 2) расходуются в ходе реакции; 3) обладают специфичностью; 4) в большинстве своём являются белками; 5) смещают химическое равновесие; 6) всегда содержат ионы металлов.

Задание 2

Установите соответствие между ферментами и местами их действия. Ферменты: А) пепсин; Б) амилаза слюны; В) трипсин; Г) лактаза; Д) каталаза; Е) гидролазы лизосом. Места: 1) ротовая полость; 2) желудок; 3) тонкая кишка; 4) внутри клетки.

Задание 3

Найдите ошибки в тексте. (1) Ферменты — биологические катализаторы белковой природы. (2) Субстрат связывается со всей поверхностью молекулы фермента. (3) В ходе реакции образуется фермент-субстратный комплекс. (4) Ферменты увеличивают энергию активации реакций. (5) После реакции фермент освобождается в неизменном виде.

Задание 4

Выберите три верных ответа. Отличия ферментов от неорганических катализаторов: 1) высокая специфичность; 2) способность ускорять реакции; 3) работа в мягких условиях; 4) регулируемость активности; 5) неизменность после реакции; 6) снижение энергии активации.

Задание 5

Установите последовательность событий в ферментативной реакции: А) освобождение продукта; Б) связывание субстрата в активном центре; В) превращение субстрата в продукт; Г) изменение формы фермента, «обхватывающего» субстрат; Д) готовность фермента к следующему циклу.

Задание 6

Почему пепсин, активный в желудке, перестаёт действовать, попадая с пищей в двенадцатиперстную кишку?

Задание 7

Установите соответствие между витаминами и коферментами (или болезнями). Витамины: А) PP; Б) B₁; В) B₂; Г) B₅; Д) C. Характеристики: 1) входит в НАД; 2) входит в ФАД; 3) входит в кофермент А; 4) недостаток вызывает бери-бери; 5) недостаток вызывает цингу.

Задание 8

Выберите три верных ответа. Сложный фермент (холофермент) состоит из: 1) апофермента; 2) кофактора; 3) только из РНК; 4) белковой части; 5) гормона; 6) субстрата.

Задание 9

Почему при длительном нагревании до 70–80 °C большинство ферментов необратимо теряет активность, а неорганический катализатор — нет?

Задание 10

Установите соответствие между ферментами и классами. Ферменты: А) липаза; Б) дегидрогеназа; В) ДНК-лигаза; Г) киназа; Д) амилаза; Е) каталаза. Классы: 1) оксидоредуктазы; 2) трансферазы; 3) гидролазы; 4) лигазы.

Задание 11

Почему пищеварительные ферменты поджелудочной железы синтезируются в неактивной форме? Где и как они активируются?

Задание 12

Выберите три верных ответа. Активный центр фермента: 1) составляет небольшую часть молекулы; 2) образован аминокислотами, которые могут быть удалены друг от друга в цепи; 3) обязательно содержит ион железа; 4) связывает субстрат; 5) не зависит от третичной структуры белка; 6) образуется только при четвертичной структуре.

Задание 13

В одну пробирку с крахмальным клейстером добавили слюну, в другую — слюну, прокипячённую 5 минут. Через 15 минут в обе пробирки капнули раствор йода. Что наблюдали? Объясните результаты.

Задание 14

Почему человек не может переваривать целлюлозу, хотя переваривает крахмал? Как получают энергию из целлюлозы жвачные животные?

Задание 15

Выберите три верных ответа. К рибозимам относятся или их свойства: 1) рибосомная РНК, образующая пептидную связь; 2) являются белками; 3) самовырезающиеся участки РНК; 4) каталитическая РНК рибонуклеазы P; 5) содержат дезоксирибозу; 6) являются гормонами.

Задание 16

Почему из свежего ананаса нельзя приготовить желе на желатине, а из консервированного — можно?

Задание 17

Установите соответствие между характеристиками и моделями взаимодействия фермента с субстратом. Характеристики: А) предложена Э. Фишером; Б) предложена Д. Кошландом; В) активный центр жёсткий и точно соответствует субстрату; Г) фермент меняет форму при связывании субстрата; Д) объясняет, почему похожие на субстрат вещества могут связываться, но не превращаться. Модели: 1) «ключ — замок»; 2) индуцированное соответствие.

Задание 18

Почему при нехватке витамина B₁ в первую очередь страдает нервная система?

Задание 19 (олимпиадное)

Без катализатора энергия активации реакции равна 75 кДж/моль. Фермент снижает её до 40 кДж/моль. Во сколько раз фермент ускоряет реакцию при 37 °C (R = 8,314 Дж/(моль·К)), если предэкспоненциальный множитель не меняется? Оцените, при какой температуре реакция без фермента шла бы так же быстро, как с ферментом при 37 °C.

Задание 20 (олимпиадное)

Число оборотов каталазы — 4 · 10⁷ с⁻¹. В клетке печени объёмом 5 · 10⁻¹² л содержится 10⁵ молекул каталазы. Какое максимальное количество пероксида водорода (в молях) может разложить эта клетка за 1 секунду? Какой концентрации пероксида в клетке это соответствует (постоянная Авогадро 6 · 10²³ моль⁻¹)?

Литература

1. Nelson D. L., Cox M. M. Lehninger Principles of Biochemistry. 8th ed. New York: W. H. Freeman, 2021.
2. Urry L. A., Cain M. L., Wasserman S. A., Minorsky P. V., Orr R. B. Campbell Biology. 12th ed. Pearson, 2020.
3. Sumner J. B. The isolation and crystallization of the enzyme urease // Journal of Biological Chemistry. 1926. Vol. 69. P. 435–441.
4. Wolfenden R., Snider M. J. The depth of chemical time and the power of enzymes as catalysts // Accounts of Chemical Research. 2001. Vol. 34. P. 938–945.
5. Blake C. C. F., Koenig D. F., Mair G. A., North A. C. T., Phillips D. C., Sarma V. R. Structure of hen egg-white lysozyme: a three-dimensional Fourier synthesis at 2 Å resolution // Nature. 1965. Vol. 206. P. 757–761.
6. Koshland D. E. Application of a theory of enzyme specificity to protein synthesis // PNAS. 1958. Vol. 44. P. 98–104.
7. Bar-Even A., Noor E., Savir Y., Liebermeister W., Davidi D., Tawfik D. S., Milo R. The moderately efficient enzyme: evolutionary and physicochemical trends shaping enzyme parameters // Biochemistry. 2011. Vol. 50. P. 4402–4410.
8. Berg J. M., Tymoczko J. L., Gatto G. J., Stryer L. Biochemistry. 9th ed. New York: W. H. Freeman, 2019.
9. Tishkoff S. A., Reed F. A., Ranciaro A. et al. Convergent adaptation of human lactase persistence in Africa and Europe // Nature Genetics. 2007. Vol. 39. P. 31–40.
10. Kruger K., Grabowski P. J., Zaug A. J., Sands J., Gottschling D. E., Cech T. R. Self-splicing RNA: autoexcision and autocyclization of the ribosomal RNA intervening sequence of Tetrahymena // Cell. 1982. Vol. 31. P. 147–157.
11. Guerrier-Takada C., Gardiner K., Marsh T., Pace N., Altman S. The RNA moiety of ribonuclease P is the catalytic subunit of the enzyme // Cell. 1983. Vol. 35. P. 849–857.
12. Nissen P., Hansen J., Ban N., Moore P. B., Steitz T. A. The structural basis of ribosome activity in peptide bond synthesis // Science. 2000. Vol. 289. P. 920–930.
13. Brock T. D., Freeze H. Thermus aquaticus gen. n. and sp. n., a nonsporulating extreme thermophile // Journal of Bacteriology. 1969. Vol. 98. P. 289–297.
14. Arnold F. H. Directed evolution: bringing new chemistry to life // Angewandte Chemie International Edition. 2018. Vol. 57. P. 4143–4148.
15. ФИПИ. Кодификатор проверяемых требований к результатам освоения основной образовательной программы и элементов содержания для проведения ЕГЭ по биологии, 2027 г. М.: ФИПИ, 2026.