Ферменты: действие, роль и функции в организме

Содержание
  1. История изучения
  2. Функции ферментов
  3. Структура: цепь из тысяч аминокислот
  4. Ферменты
  5. Однокомпонентные (простые)
  6. Двухкомпонентные (сложные)
  7. Классификация ферментов
  8. Биохимические свойства
  9. Соглашения о наименовании ферментов
  10. Регуляция работы ферментов
  11. Химическая природа и строение ферментов
  12. Распределение ферментов в органах и тканях
  13. Как работают в организме
  14. Кинетика ферментативных реакций
  15. Механизм действия ферментов и их специфичность
  16. Пищеварительные ферменты
  17. Ферменты поджелудочной железы
  18. Ферменты тонкой кишки
  19. Ротовая полость
  20. Желудочные ферменты
  21. Толстый кишечник
  22. Ферменты печени
  23. Современная энзимология
  24. Кинетические исследования
  25. Гипер- и гипоактивность
  26. Ферменты человека и наследственные заболевания
  27. Номенклатура ферментов
  28. Роль ферментов и практическое использование
  29. Фермент-субстратный комплекс
  30. Факторы, определяющие активность энзимов
  31. Процесс синтеза ферментов
  32. Катализаторы в продуктах
  33. Множественные формы ферментов
  34. Экстремофилы и промышленность
  35. Заключение.

История изучения

Термин фермент предложен в XVII веке химиком ван Гельмонтом при обсуждении механизмов пищеварения.

В кон. ХVIII — нач. XIX вв. уже было известно, что мясо переваривается желудочным соком, а крахмал превращается в сахар под действием слюны. Однако механизм этих явлений был неизвестен

В XIX в. Луи Пастер, изучая превращение углеводов в этиловый спирт под действием дрожжей, пришёл к выводу, что этот процесс (брожение) катализируется некой жизненной силой, находящейся в дрожжевых клетках.

Более ста лет назад термины фермент и энзим отражали различные точки зрения в теоретическом споре Л. Пастера с одной стороны, и М. Бертло и Ю. Либиха — с другой, о природе спиртового брожения. Собственно ферментами (от лат. fermentum — закваска) называли «организованные ферменты» (то есть сами живые микроорганизмы), а термин энзим (от греч. ἐν- — в- и ζύμηдрожжи, закваска) предложен в 1876 году В. Кюне для «неорганизованных ферментов», секретируемых клетками, например, в желудок (пепсин) или кишечник (трипсин, амилаза). Через два года после смерти Л. Пастера в 1897 году Э. Бухнер опубликовал работу «Спиртовое брожение без дрожжевых клеток», в которой экспериментально показал, что бесклеточный дрожжевой сок осуществляет спиртовое брожение так же, как и неразрушенные дрожжевые клетки. В 1907 году за эту работу он был удостоен Нобелевской премии. Впервые высокоочищенный кристаллический фермент (уреаза) был выделен в 1926 году Дж. Самнером. В течение последующих 10 лет было выделено ещё несколько ферментов, и белковая природа ферментов была окончательно доказана.

Каталитическая активность РНК впервые была обнаружена в 1980-е годы у пре-рРНК Томасом Чеком, изучавшим сплайсинг РНК у инфузории Tetrahymena thermophila. Рибозимом оказался участок молекулы пре-рРНК Tetrahymena, кодируемый интроном внехромосомного гена рДНК; этот участок осуществлял аутосплайсинг, то есть сам вырезал себя при созревании рРНК.

Функции ферментов

Ферменты присутствуют во всех живых клетках и способствуют превращению одних веществ (субстратов) в другие (продукты). Ферменты выступают в роли катализаторов практически во всех биохимических реакциях, протекающих в живых организмах — ими катализируется более 4000 разных биохимических реакций. Ферменты играют важнейшую роль во всех процессах жизнедеятельности, направляя и регулируя обмен веществ организма.

Подобно всем катализаторам, ферменты ускоряют как прямую, так и обратную реакцию, понижая энергию активации процесса. Химическое равновесие при этом не смещается ни в прямую, ни в обратную сторону. Отличительной особенностью ферментов по сравнению с небелковыми катализаторами является их высокая специфичность — константа связывания некоторых субстратов с белком может достигать 10−10 моль/л и менее. Каждая молекула фермента способна выполнять от нескольких тысяч до нескольких миллионов «операций» в секунду.

Например, одна молекула фермента ренина, содержащегося в слизистой оболочке желудка телёнка, створаживает около 106 молекул казеиногена молока за 10 мин при температуре 37 °C.

Структура: цепь из тысяч аминокислот

Все ферменты являются белками, но не все белки – ферменты. Как и другие протеины, энзимы состоят из аминокислот. И что интересно, на создание каждого фермента уходит от ста до миллиона аминокислот, нанизанных, словно жемчуг на нить. Но эта нить не бывает ровной – обычно изогнута в сотни раз. Таким образом, создается трехмерная уникальная для каждого фермента структура. Меж тем, молекула энзима – сравнительно крупное образование, и лишь небольшая часть его структуры, так называемый активный центр, участвует в биохимических реакциях.

Каждая аминокислота соединена с другой определенным типом химической связи, а каждый фермент имеет свою уникальную последовательность аминокислот. Для создания большинства из них используются примерно по 20 видов. Даже незначительные изменения последовательности аминокислот могут кардинально менять внешний вид и «таланты» фермента.

Ферменты

Важнейшей функцией белков является каталитическая, ее выполняет определенный класс белков – ферменты. В организме выявлено более 2000 ферментов. Ферменты – это биологические катализаторы белковой природы, которые значительно ускоряют биохимические реакции. Так, ферментативная реакция происходит в 100-1000 раз быстрее, чем без ферментов. Многими свойствами они отличаются от катализаторов, использующихся в химии. Ферменты ускоряют реакции при обычных условиях, в отличие от химических катализаторов.

В организме человека и животных за несколько секунд происходит сложная последовательность реакций, для проведения которой с применением обычных химических катализаторов требуется продолжительное время (дни, недели или даже месяцы). В отличие от реакций без ферментов, в ферментативных не образуются побочные продукты (выход конечного продукта – почти 100 %). В процессе преобразований ферменты не разрушаются, поэтому небольшое их количество способно катализировать химические реакции большого количества веществ. Все ферменты – белки и имеют характерные для них свойства (чувствительность к изменениям pH среды, денатурация при высоких температурах и т. п.).

Ферменты по химической природе разделяют на однокомпонентные (простые) и двухкомпонентные (сложные).

Однокомпонентные (простые)

Однокомпонентные ферменты состоят только из белков. К простым принадлежат преимущественно ферменты, которые осуществляют реакции гидролиза (пепсин, трипсин, амилаза, папаин и т. п.).

Двухкомпонентные (сложные)

В отличие от простых, сложные ферменты содержат небелковую часть – низкомолекулярный компонент. Белковая часть называется апоферментом (носителем фермента), небелковая – коферментом (активной или простетичной группой). Небелковая часть ферментов может быть представлена или органическими веществами (например, производными витаминов, НАД, НАДФ, уридиновыми, цитидиловыми нуклеотидами, флавинами), или неорганическими (например, атомами металлов – железа, магния, кобальта, меди, цинка, молибдена и т. п.).

Не все необходимые коферменты могут синтезироваться организмами и потому должны поступать с пищей. Отсутствие витаминов в пище человека и животных служит причиной потери или снижения активности тех ферментов, в состав которых они входят. В отличие от белковой части органические и неорганические коферменты очень стойкие к неблагоприятным условиям (высокой или низкой температурам, излучению и т.п.) и могут отделяться от апофермента.

Характеризуются ферменты высокой специфичностью: могут превращать лишь соответствующие субстраты и катализировать лишь определенные реакции одного типа. Определяет ее белковый компонент, но не вся его молекула, а лишь ее небольшой участок – активный центр. Структура его отвечает химическому строению веществ, которые вступают в реакцию. Для ферментов характерно пространственное соответствие между субстратом и активным центром. Они подходят друг другу, как ключ замку. Активных центров может быть несколько в одной молекуле фермента. Активный центр, то есть место соединения с другими молекулами, есть не только у ферментов, а и у некоторых других белков (гем в активных центрах миоглобина и гемоглобина). Протекают ферментативные реакции в виде последовательных этапов – от нескольких до десятков.

Активность сложных ферментов проявляется лишь тогда, когда белковая часть соединяется с небелковой. Также их активность проявляется лишь при определенных условиях: температуры, давления, pH среды и т. п. Ферменты разных организмов наиболее активны при температуре, к которой приспособлены эти существа.

Классификация ферментов

  • КФ 1: Оксидоредуктазы, катализирующие окисление или восстановление. Пример: каталаза, алкогольдегидрогеназа.
  • КФ 2: Трансферазы, катализирующие перенос химических групп с одной молекулы субстрата на другую. Среди трансфераз особо выделяют киназы, переносящие фосфатную группу, как правило, с молекулы АТФ.
  • КФ 3: Гидролазы, катализирующие гидролиз химических связей. Пример: эстеразы, пепсин, трипсин, амилаза, липопротеинлипаза.
  • КФ 4: Лиазы, катализирующие разрыв химических связей без гидролиза с образованием двойной связи в одном из продуктов.
  • КФ 5: Изомеразы, катализирующие структурные или геометрические изменения в молекуле субстрата.
  • КФ 6: Лигазы, катализирующие образование химических связей между субстратами за счёт гидролиза АТФ. Пример: ДНК-полимераза.

Будучи катализаторами, ферменты ускоряют как прямую, так и обратную реакции, поэтому, например, лиазы способны катализировать и обратную реакцию — присоединение по двойным связям.

Биохимические свойства

Хотя при участии ферментов в природе происходит огромное количество реакций, но все они могут быть разделены на 6 категорий. Соответственно, каждая из этих шести реакций протекает под влиянием определенного типа ферментов.

Реакции при участии энзимов:

  1. Окисление и восстановление.

Ферменты, участвующие в этих реакциях, называются оксидоредуктазами. В качестве примера можно вспомнить как, алкогольдегидрогеназы преобразуют первичные спирты в альдегид.

  1. Реакция переноса группы.

Ферменты, благодаря которым происходят эти реакции, называются трансферазами. Они обладают умением перемещать функциональные группы от одной молекулы к другой. Так происходит, например, когда аланинаминотрансферазы перемещают альфа-аминогруппы между аланином и аспартатом. Также трансферазы перемещают фосфатные группы между АТФ и другими соединениями, а из остатков глюкозы создают дисахариды.

  1. Гидролиз.

Гидролазы, участвующие в реакции, умеют разрывать одинарные связи, добавляя элементы воды.

  1. Создание или удаление двойной связи.

Этот вид реакций негидролитическим путем происходит при участии лиазы.

  1. Изомеризация функциональных групп.

Во многих химических реакциях положение функциональной группы изменяется в пределах молекулы, но сама молекула состоит из того же количества и типов атомов, что были до начала реакции. Иными словами, субстрат и продукт реакции являются изомерами. Такого типа трансформации возможны под влиянием ферментов изомеразы.

  1. Образование одинарной связи с устранением элемента воды.

Гидролазы разрушают связь, добавляя в молекулу элементы воды. Лиазы осуществляют обратную реакцию, удаляя водную часть из функциональных групп. Таким образом, создают простую связь.

Соглашения о наименовании ферментов

Обычно ферменты именуют по типу катализируемой реакции, добавляя суффикс -аза к названию субстрата (например, лактаза — фермент, участвующий в превращении лактозы). Таким образом, у различных ферментов, выполняющих одну функцию, будет одинаковое название. Такие ферменты различают по другим свойствам, например, по оптимальному pH (щелочная фосфатаза) или локализации в клетке (мембранная АТФаза).

Регуляция работы ферментов

Энзимы как биологически активные вещества не всегда необходимы организму. Биохимия ферментов такова, что они могут в случае чрезмерного катализа навредить живой клетке. Для предотвращения пагубного влияния энзимов на организм необходимо каким-то образом регулировать их работу.

Т. к. ферменты имеют белковую природу, они легко разрушаются при высоких температурах. Процесс денатурации обратим, однако он может существенно повлиять на работу веществ.

pH также играет большую роль в регуляции. Наибольшая активность ферментов, как правило, наблюдается при нейтральных значениях pH (7,0-7,2). Также есть энзимы, которые работают только в кислой среде или только в щелочной. Так, в клеточных лизосомах поддерживается низкий pH, при котором активность гидролитических ферментов максимальна. В случае их случайного попадания в цитоплазму, где среда уже ближе к нейтральной, их активность снизится. Такая защита от «самопоедания» основана на особенностях работы гидролаз.

Стоит упомянуть о значении кофермента и кофактора в составе ферментов. Наличие витаминов или ионов металла существенно влияет на функционирование некоторых специфических энзимов.

Химическая природа и строение ферментов

Все ферменты — белки, имеющие, как и другие белки, первичную, вторичную, третичную и часто четвертичную структуру. Ферменты могут быть как простыми, так и сложными белками. Молекулы ферментов, представляющих собой простые белки, целиком построены из полипептидных цепей и при гидролизе распадаются только на аминокислоты. Примером ферментов такого рода являются гидролитические ферменты пепсин, трипсин уреаза, лизоци и др. Большинство природных ферментов относится к сложным белкам, содержащим в составе своей молекулы помимо полииептидных цепей небелковый компонент. Как белковая часть такого сложного фермента (апо-фермент), так и небелковый компонент его молекулы (кофермент) в отдельности лишены ферментативной активности. Только соединившись вместе и образовав так называемый. холо-фермент, они приобретают свойства, характерные для биокатализаторов.

Распределение ферментов в органах и тканях

Практически каждая живая клетка содержит свой набор специфических ферментов, поэтому их распределение в различных органах и тканях значительно варьирует. Некоторые ферменты встречаются только в определенном органе. Примерами могут служить орнитин-карбамоилтрансфераза (КФ 2.1.3.3), которая содержится только в печени, и кислая фосфатаза, самая высокая активность к-рой определяется в предстательной железе. Однако многие ферменты обнаруживаются в различных органах и тканях человека, например лактатдегидрогеназа, аспартат- и аланинаминотрансфе-разы, альдолаза (фруктозобисфосфат-альдолаза; КФ 4.1.2.13) и др., но присутствуют в них в различных концентрациях.

Абсолютно четкие и воспроизводимые измерения активности того или иного фермента во всех тканях провести нелегко, поскольку методы получения тканевого экстракта и перевода фермента в растворимое состояние, пригодные для одной ткани, могут быть недостаточно эффективными для другой; аналогичные трудности существуют и при выборе условий измерения активности фермента.

Как работают в организме

Ферменты ускоряют практически все химические реакции, происходящие в клетках. Они имеют жизненно важное значение для человека, облегчают пищеварение и ускоряют метаболизм.

Некоторые из этих веществ помогают разрушать слишком большие молекулы на более мелкие «куски», которые организм сможет переварить. Другие наоборот связывают мелкие молекулы. Но ферменты, говоря научным языком, обладают высокой селективностью. Это значит, что каждое из этих веществ способно ускорять только определенную реакцию. Молекулы, с которыми «работают» ферменты, называются субстратами. Субстраты в свою очередь создают связь с частью фермента, именуемой активным центром.

Существуют два принципа, объясняющие специфику взаимодействия ферментов и субстратов. В так называемой модели «ключ-замок» активный центр фермента занимает в субстрате место строго определенной конфигурации. Согласно другой модели, оба участника реакции, активный центр и субстрат, меняют свои формы, чтобы соединиться.

По какому бы принципу ни происходило взаимодействие результат всегда одинаковый – реакция под воздействием энзима протекает во много раз быстрее. Вследствие такого взаимодействия «рождаются» новые молекулы, которые потом отделяются от фермента. А вещество-катализатор продолжает выполнять свою работу, но уже при участии других частиц.

Кинетика ферментативных реакций

Скорость ферментативной реакции зависит прежде всего от природы фермента, который может обладать низкой или высокой ферментативной активностью, а также от концентрации субстрата, величины pH среды, температуры, присутствия ингибиторов или активаторов и др. Установлено, что при прочих равных условиях и при наличии избытка субстрата начальная скорость ферментативной реакции пропорциональна концентрации фермента.

График, выражающий зависимость между скоростью ферментативной реакции (v) и концентрацией субстрата (S) при постоянной концентрации фермента: от резок абсциссы Км соответствует константе Михаэлиса (концентрации субстрата, при которой скорость данной ферментативной реакции составляет половину от максимальной — Vмакс).

Зависимость между концентрацией субстрата и скоростью ферментативной реакции графически можно выразить кривой, показанной на рисунке. Скорость реакции, соответствующая восходящей части кривой, пропорциональна концентрации субстрата (S); в верхней части кривой скорость реакции приближается к максимальному значению (vМакс) и почти не зависит от концентрации субстрата. Исходя из представлений об образовании фермент-субстратных комплексов в ходе ферментативной реакции, Михаэлис и Ментен рассчитали весьма важную константу, позже названную константой Михаэлиса (Км), которая в числовом выражении равна той концентрации субстрата (моль/л), при которой скорость реакции составляет половину максимальной (то есть когда в любой момент в комплексе с субстратом находится половина молекул фермента). Таким образом, Км является мерой сродства между ферментом и субстратом, причем низкие величины Км свидетельствуют о высокой степени такого сродства.

Существует еще одна величина, характеризующая ферментативную реакцию, которая получила название «число оборотов фермента». Величина эта показывает, сколько молекул субстрата превращается в продукты реакции за единицу времени в расчете на одну молекулу фермента.

Ферментативные реакции, подобно обычным химическим реакциям, ускоряются при повышении температуры. Установлено, что повышение температуры на каждые 10° увеличивает скорость ферментативной реакции в 1,5 — 2 раза (такая закономерность для большинства ферментов проявляется в интервале от 10 до 30°). Показано также, что возрастание температуры на 1° повышает активность фермента на 4—10%. Однако при температуре 50° и выше происходит постепенное снижение активности фермента. Дальнейшее нагревание (до 60—70°) приводит к постепенной денатурации и инактивации фермента. Степень инактивации зависит также от длительности температурного воздействия.

Ферменты весьма чувствительны к изменениям величины рН среды. Каждый фермент имеет оптимум pH, при к-ром он наиболее активен. Для большинства ферментов оптимальная величина pH близка к нейтральной (pH 7,0). Таким образом, максимальная активность фермента проявляется при физиологических значениях pH, а в кислой и щелочной среде их активность снижается. Из этого правила, впрочем, имеются исключения. Например, пепсин, содержащийся в желудочном соке, активен лишь в очень кислой среде (pH около 2,0), а трипсин при этих значениях pH полностью ингибиутся. Оптимум действия трипсина лежит при pH около 8,0, то есть в щелочной среде.

Кроме температуры, величины pH среды, концентрации субстрата большое влияние на активность фермента оказывает присутствие ряда хим. соединений. Одни из них повышают активность фермента, другие, напротив, подавляют ее. Иногда, впрочем, соединения, являющиеся ингибиторами для одних ферментов, могут быть активаторами для других (чаще всего это относится к ионам металлов). Процесс ингибирования фермента может быть обратимым и необратимым. Различают также конкурентное и неконкурентное ингибирование ферментативных реакций. Конкурентное ингибирование возникает тогда, когда в среде одновременно присутствуют субстрат и сходный с ним по структуре ингибитор (структурный аналог субстрата). В этом случае субстрат и ингибитор конкурируют за активный центр фермента. Тормозящее действие конкурентного ингибитора на фермент зависит от концентрации субстрата. Если в окружении фермента находится много молекул субстрата и мало молекул ингибитора, то во взаимодействие с активным центром фермента значительно чаще вступает субстрат. В этом случае ферментативная реакция не прекращается, а лишь замедляется. Если в инкубационной среде создать избыток субстрата, то конкурентное ингибирование прекращается. В случае неконкурентного торможения ингибитор не имеет структурного сходства с субстратом. Поэтому повышение концентрации субстрата не может привести к вытеснению ингибитора из комплекса фермент—ингибитор, как это происходит при конкурентном торможении. Примером неконкурентного торможения может служить действие цианистых соединений на цитохромоксидазу.

Наряду с ингибиторами фермента существуют также их активаторы. Весьма часто роль активаторов выполняют ионы металлов. Нередко действие иона металла в качестве активатора заключается в связывании субстрата с ферментом. В ряде случаев действие ионов металлов абсолютно специфично, то есть для активации данного фермента требуется наличие определенного иона. Однако имеются ферменты, способные в одинаковой степени активироваться одними и теми же ионами металлов. Ион металла может являться постоянным компонентом активного центра фермента. Такие ферменты получили название истинных металлоферментов. В других случаях ион металла не связан постоянно с ферментом и может функционировать только как мостик между ферментом и субстратом. В этом случае образование фермент-субстратного комплекса идет ступенеобразно. Чаще сначала ион металла соединяется с ферментом, а затем уже возникает комплекс фермент— металл—субстрат.

В качестве активаторов ферменты могут выступать также цистеин , восстановленный глутатион мер-каптоэтанол и другие вещества, содержащие свободные SH-группы . Активирующий эффект подобных соединений заключается в том, что они восстанавливают дисульфидные связи (—S—S-связи) неактивного фермента с образованием свободных SH-групп, которые необходимы ферментам для проявления его каталитической активности.

Другим примером активации является превращение неактивных предшественников ферментов (проферментов, или зимогенов) в активные ферменты. В этом случае в основе активации лежит гидролиз одной или нескольких пептидных связей в молекуле профермента под действием протеолитических ферментов. Так, в состав полипептидной цепи профермента трипсина — трипсиногена входят 229 аминокислотных остатков. В результате гидролиза пептидной связи между 6-м и 7-м аминокислотными остатками от полипептидной цепи трипсиногена отщепляется N-концевой гексапептид, после чего создаются условия для формирования активного центра трипсина.

Механизм действия ферментов и их специфичность

Для объяснения механизма действия ферментов было предложено много теорий. Все они исходят из экспериментально установленного факта, что биокатализаторы, так же как и неорганические катализаторы, не могут сделать возможным протекание процессов или реакций, которые с точки зрения законов термодинамики невозможны. Все теории катализа  допускают, что катализаторы тем или иным путем снижают энергию активации катализируемой реакции и таким образом резко увеличивают скорость химического превращения. Катализаторы лишь сокращают время, необходимое для достижения химических реакций состояния подвижного равновесия. Состояние подвижного равновесия обратимой хим. реакции в присутствии катализатора становится стационарным. Следовательно, при наличии катализатора в равной мере возрастает скорость как прямой, так и обратной реакции.

Начало современным представлениям о механизме действия ферментов было положено работой Михаэлиса (L. Michaelis) и Ментен (М. L. Menten), опубликованной в 1913 году. В этой работе впервые высказывалась идея, что основой действия ферментов является образование фермент-субетратного комплекса, который затем распадается с образованием продуктов ферментативной реакции и освобождением ферментов в исходном состоянии.

В процессе образования и превращениях фермент-субстратных комплексов принято различать несколько стадий: 1) присоединение молекулы субстрата к ферменту; 2) последовательное превращение первичного фермент-субстратного комплекса в один или несколько активированных комплексов; 3) отделение конечных продуктов реакции от фермента.

Специфичность, которую проявляют ферменты в отношении субстрата как при образовании фермент-субстратного комплекса, так и при каталитическом химическом превращении, обусловлена существованием в молекуле фермента специфического участка, называемого активным центром. Та часть активного центра, к-рая принимает непосредственное участие в каталитическом действии, получила название каталитического участка, а место, где осуществляется связывание фермента с субстратом — контактного участка, или контактной площадки. К 80-м годам 20 века был идентифицирован аминокислотный состав активных центров многих ферментов. В активный центр фермента могут входить аминокислотные остатки, сравнительно далеко отстоящие друг от друга в полипептидной цепи и сблизившиеся в результате ее «перекручивания» при образовании вторичной и третичной структур ферментного белка. Так, в молекуле химотрипсина  в состав активного центра входят остаток гистидина, находящийся в полипептидной цепи в положении 57, остаток серина в положении 195 и остаток аспарагиновой к-ты в положении 102.

Расположение аминокислотных остатков, формирующих контактный участок в молекуле фермента, способствует такому пространственному размещению субстрата, которое наиболее благоприятно для его атаки каталитическими (функциональными) группами активного центра. Напр., реакция А + В —> АВ, катализируемая соединениями, имеющими активные группы С, D и Е, в обычных условиях должна была бы происходить только в том случае, если бы одновременно столкнулись все пять реагентов. Вероятность такого столкновения ничтожно мала, поэтому скорость образования продукта реакции АВ в этом случае практически равна нулю. В том случае, если эту реакцию катализирует фермент, требуется только его взаимодействие с веществами А и В, поскольку группы С, D и Е уже «вмонтированы» в молекулу фермента. В результате эффекта близости реакционных групп в молекуле скорость катализируемой ферментом реакции увеличивается на несколько порядков. Кроме того, когда субстрат присоединяется к активному центру фермента пространственная конфигурация молекулы субстрата изменяется и определенные хим. связи в ней ослабевают.

Каталитическая активность фермента определяется структурой его молекулы в целом. Другие аминокислотные остатки, помимо входящих в активный центр, необходимы для формирования и стабилизации определенной конформации активного центраони также образуют участки, с которыми специфически взаимодействуют различные вещества, регулирующие активность фермента. В молекуле фермента имеются такие участки, за счет которых он может взаимодействовать с другими ферментами (при образовании мультиферментных комплексов) или белками мембран (мембранные ферменты).

Важнейшим свойством ферментов является их субстратная специфичность, то есть способность не только ускорять реакции, но и избирательно катализировать лишь определенный путь превращения конкретного вещества — субстрата. По признаку специфичности действия все ферменты можно разделить на две группы: ферменты, обладающие абсолютной специфичностью, и ферменты, обладающие относительной специфичностью. Абсолютная специфичность проявляется тогда, когда ферменты действует лишь на одно единственное вещество и катализирует только определенное превращение этого вещества. Например., уреаза катализирует только одну реакцию — гидролиз мочевины то есть ее расщепление на аммиак NH3 и диоксид углерода CO2. К абсолютной специфичности относят также стереохимическую (оптическую) специфичность. В живой природе встречаются лишь определенные пространственные формы соединений: аминокислоты — в белках только L-ряда, сахара — преимущественно D-ряда. Ферменты всегда действуют только на один из двух оптических изомеров вещества (L- или D-изомер). Например, ЛДГ катализирует окисление только L-лактата. Специфичность фермента может быть направлена и на другие типы стереоизомеров. Так, ферменты, действующие на транс-изомер, обычно неактивны в отношении цис-изомера этого же вещества.

Наряду с ферментами, которым свойственна абсолютная специфичность, имеется большая группа ферментов, обладающих относительной или групповой специфичностью. Например, пепсин катализирует расщепление белковых молекул, которые могут существенно отличаться друг от друга как по аминокислотному составу, так и по физико-химическим свойствам. Объясняется это тем, что местом действия пепсина является пептидная связь —СО—NH —. Относительной специфичностью обладают также эстеразы. Для их действия важно наличие в молекуле субстрата сложноэфирной связи. Однако существуют эстеразы, действующие более избирательно. Так, для фосфатаз важно, чтобы в образовании сложного эфира участвовала ортофосфорная кислота.

Пищеварительные ферменты

Процесс переработки пищи в организме человека происходит с участием различных пищеварительных ферментов. В процессе переваривания пищи все вещества расщепляются до небольших молекул, ведь исключительно низкомолекулярные соединения способны проникать сквозь стенку кишечника и всасываться в кровоток. Особая роль в данном процессе отводится ферментам, расщепляющим белки до аминокислот, жиров до глицерина и жирных кислот, а крахмала до сахаров. Расщепление белков обеспечивается действием фермента пепсина, содержащегося в основном органе пищеварительной системы – желудке. Часть пищеварительных ферментов вырабатывается в кишечник поджелудочной железой. В частности к ним относится:

  • трипсин и химотрипсин, основным предназначением которых выступает гидролиз белков;
  • амилаза – ферменты, расщепляющие жиры;
  • липаза – пищеварительные ферменты, расщепляющие крахмал.

Такие пищеварительные энзимы, как трипсин, пепсин, химотрипсин вырабатываются в форме проферментов, и только после их попадания в желудок и кишечник они становятся активными. Подобная особенность защищает ткани желудка и поджелудочной железы от агрессивного их воздействия. Кроме того, внутренняя оболочка этих органов дополнительно покрыта слоем слизи, что обеспечивает еще большую их безопасность.

Часть пищеварительных ферментов вырабатывается также в тонком кишечнике. За переработку целлюлозы, поступающей в организм вместе с растительной пищей, отвечает фермент с созвучным названием целлюлаза. Другими словами, практически в каждом отделе желудочно-кишечного тракта вырабатываются пищеварительные ферменты, начиная со слюнных желез и заканчивая толстой кишкой. Каждый вид энзимов выполняет свои функции, в совокупности обеспечивая качественное переваривание пищи и полноценное всасывание всех полезных веществ в организме.

Ферменты поджелудочной железы

Поджелудочная железа является органом смешанной секреции, то есть выполняет и эндо- и экзогенные функции. Поджелудочная железа, как упоминалось выше, вырабатывает ряд ферментов, которые активируются под воздействием желчи, поступающей вместе с энзимами в органы пищеварения. Ферменты поджелудочной железы отвечают за расщепление жиров, белков и углеводов на простые молекулы, способные проникать сквозь клеточную мембрану в кровоток. Таким образом, благодаря ферментам поджелудочной железы происходит полное усвоение полезных веществ, поступающих в организм вместе с пищей. Рассмотрим подробнее действие энзимов, синтезируемых клетками данного органа ЖКТ:

  • амилаза вместе с такими энзимами тонкого кишечника, как мальтаза, инвертаза и лактаза обеспечивают процесс расщепления сложных углеводов;
  • протеазы, иначе именуемые протеолитическими ферментами в организме человека, представлены трипсином, карбоксипептидазой и эластазой и отвечают за расщепление белков;
  • нуклеазы – ферменты поджелудочной железы, представленные дезоксирибонуклеазой и рибонуклеазой, воздействующими на аминокислоты РНК, ДНК;
  • липаза – фермент поджелудочной железы, отвечающий за преобразование жиров в жирные кислоты.

Также поджелудочной железой синтезируется фосфолипаза, эстераза и щелочная фасфтаза.

Наиболее опасными в активном виде являются протеолитические ферменты, вырабатываемые органом. Если процесс их выработки и выделения в другие органы пищеварительной системы нарушается, энзимы активируются непосредственно в поджелудочной железе, что приводит к развитию острого панкреатита и сопутствующих тому осложнений. Ингибиторами протеолитических энзимов, позволяющими затормозить их действие, являются панкреатический полипептид и глюкагон, соматостатин, пептид YY, энкефалин и панкреастатин. Перечисленные ингибиторы способны затормозить выработку панкреатических энзимов путем воздействия на активные элементы пищеварительной системы.

Ферменты тонкой кишки

В тонкой кишке происходят основные процессы переваривания поступающей в организм пищи. В данном отделе ЖКТ также синтезируются ферменты, процесс активации которых происходит совместно с энзимами поджелудочной железы и желчного пузыря. Тонкая кишка – отдел пищеварительного тракта, в котором происходят завершающие этапы гидролиза питательных веществ, поступающих в организм вместе с продуктами питания. В нем синтезируются различные ферменты, расщепляющие олиго- и полимеры на мономеры, которые без проблем могут всасываться слизистой тонкой кишки и поступать в лимфо- и кровоток.

Под воздействием энзимов тонкой кишки происходит процесс расщепления белков, прошедших предварительное преобразование в желудке, на аминокислоты, сложных углеводов на моносахариды, жиров – на жирные кислоты и глицерин. В составе кишечного сока насчитывается свыше 20 видов ферментов, участвующих в процессе переваривания пищи. С участием панкреатических и кишечных ферментов обеспечивается полная отработка химуса (частично переваренной пищи). Все процессы в тонком кишечнике происходят в течение 4 часов после поступления химуса в данный отдел пищеварительного тракта.

Важную роль в переваривании пищи в тонкой кишке играет желчь, поступающая в двенадцатиперстную кишку в процессе пищеварения. В составе самой желчи ферменты отсутствуют, но при этом данная биологическая жидкость усиливает действие энзимов. Наиболее значимой желчь оказывается для расщепления жиров, превращая их в эмульсию. Такой эмульгированный жир намного быстрее расщепляется под воздействием ферментов. Жирные кислоты, взаимодействуя с желчными кислотами, преобразуются в легкорастворимые соединения. Кроме того, выделение желчи стимулирует перистальтику кишечника и выработку пищеварительного сока поджелудочной железой.

Кишечный сок синтезируется железами, расположенными в слизистой тонкой кишки. В составе такой жидкости и присутствуют пищеварительные ферменты, а также энтерокиназа, предназначенная для активации действия трипсина. Кроме того, в кишечном соке имеется фермент под названием эрепсин, необходимый для завершающего этапа расщепления белков, энзимы, действующие на различные виды углеводов (например, амилаза и лактаза), а также липаза, предназначенная для преобразования жиров.

Ротовая полость

На этом этапе на пищу воздействует альфа-амилаза. Она расщепляет углеводы, крахмалы и глюкозу, которые содержатся в картофеле, фруктах, овощах и других продуктах питания.

Желудочные ферменты

Процесс переваривания пищи поэтапно происходит в каждом отделе желудочно-кишечного тракта. Так, начинается он еще в ротовой полости, где пища измельчается зубами и смешивается со слюной. Именно в слюне содержатся ферменты, расщепляющие сахар и крахмал. После ротовой полости измельченная пища поступает по пищеводу в желудок, где и начинается следующий этап ее переваривания. Основным желудочным ферментом является пепсин, предназначенный для преобразования белков в пептиды. Также в желудке присутствует желатиназа – фермент, процесс расщепления коллагена и желатина для которого выступает основной задачей. Плюс ко всему пища в полости данного органа подвергается действию амилазы и липазы, соответственно, расщепляющие крахмал и жиры.

От качества пищеварительного процесса зависит возможность получения организмом всех необходимых питательных элементов. Расщепление сложных молекул на множество простых обеспечивает их дальнейшее всасывание в крово- и лимфоток на последующих этапах пищеварения в других отделах ЖКТ. Недостаточная выработка желудочных ферментов может стать причиной развития различных заболеваний.

Толстый кишечник

Здесь функции ферментов выполняют:

  • кишечная палочка – отвечает за переваривание лактозы
  • лактобактерии – влияют на лактозу и некоторые другие углеводы.

Кроме названных энзимов, существуют еще:

  • диастаза – переваривает растительный крахмал;
  • инвертаза – расщепляет сахарозу (столовый сахар);
  • глюкоамилаза – превращает крахмал в глюкозу;
  • альфа-галактозидаза – способствует перевариванию бобов, семян, соевых продуктов, корневых овощей и листовых;
  • бромелайн – фермент, полученный из ананасов, способствует расщеплению разных видов белков, эффективен при разных уровнях кислотности среды, обладает противовоспалительными свойствами;
  • папаин – фермент, выделенный из сырой папайи, способствует расщеплению мелких и крупных протеинов, эффективен в широком диапазоне субстратов и кислотности.
  • целлюлаза – расщепляет целлюлозу, растительные волокна (в человеческом организме не обнаружена);
  • эндопротеаза – расщепляет пептидные связи;
  • экстракт бычьей желчи – энзим животного происхождения, стимулирует моторику кишечника;
  • панкреатин – фермент животного происхождения, ускоряет переваривание жиров и белков;
  • панкрелипаза – животный фермент, способствует усвоению белков, углеводов и липидов;
  • пектиназа – расщепляет полисахариды, содержащиеся во фруктах;
  • фитаза – способствует усвоению фитиновой кислоты, кальция, цинка, меди, марганца и других минералов;
  • ксиланаза – расщепляет глюкозу из зерновых.

Ферменты печени

Огромным значением для протекания различных биохимических процессов в организме обладают ферменты печени. Функции белковых молекул, вырабатываемых данным органом, настолько многочисленны и многообразны, что все ферменты печени принято делить на три основные группы:

  • Секреторные энзимы, предназначенные для регуляции процесса свертывания крови. К ним относятся холинэстераза и протромбиназа.
  • Индикаторные ферменты печени, включающие аспартатаминотрансферазу, обозначаемую аббревиатурой АСТ, аланинаминотрасферазу с соответственным обозначением АЛТ и лактатдегидрогеназу – ЛДГ. Перечисленные энзимы сигнализируют о поражениях тканей органа, при которых разрушаются гепатоциты, «выходят» из клеток печени и поступают в кровоток;
  • Экскреторные энзимы вырабатываются печенью и покидают пределы органа с потом желчи. К таким энзимам относится щелочная фосфатаза. При нарушениях оттока желчи из органа уровень щелочной фосфатазы растет.

Нарушение работы тех или иных ферментов печени в будущем может привести к развитию различных заболеваний или сигнализировать об их наличии в настоящее время.

Одним из самых информативных анализов при болезнях печени является биохимия крови, позволяющая определить уровень индикаторных ферментов АСТ, АТЛ. Так, нормальными показателями аспартатаминотрансферазы для женщины является 20-40 Ед/л, а для представителей сильного пола – 15-31 Ед/л. Повышение активности данного фермента может указывать на повреждение гепатоцитов механической или некротической природы. Содержание аланинаминотрасферазы в норме не должно превышать у женщин отметки в 12-32 Ед/л, а для мужчин нормальным считается показатель активности АЛТ в пределах 10-40 Ед/л. Увеличение активности АЛТ, достигаемое десятикратных показателей, может свидетельствовать о развитии инфекционных заболеваний органа, причем еще задолго до появления их первых симптомов.

Дополнительные исследования активности ферментов печени используются, как правило, для дифференциальной диагностики. Для этого может проводиться анализ на ЛДГ, ГГТ и ГлДГ:

  • Нормой активности лактатдегидрогеназы является показатель, колеблющийся в пределах 140-350 Ед/л.
  • Повышенные показатели ГлДГ могут являться признаком дистрофических поражений органа, тяжелых интоксикаций, заболеваний инфекционной природы или онкологии. Максимально допустимым показателем такого фермента для представительниц женского пола является 3,0 Ед/л, а для мужчин – 4, 0 Ед/л.
  • Нормой активности фермента ГГТ для мужчин является показатель до 55 Ед/л, для женщин – до 38 Ед/л. Отклонения от указанной нормы могут свидетельствовать о развитии диабета, а также болезней желчевыводящих путей. В таком случае показатель активности фермента может увеличиваться в десятки раз. Кроме того, ГГТ в современной медицине применяется для определения алкогольных гепатозов.

Ферменты, синтезируемые печенью, обладают различными функциями. Так, часть из них вместе с желчью выводится из органа через желчные протоки и принимает активное участие в процессе переваривания пищи. Ярким примером того выступает щелочная фосфатаза. Нормальный показатель активности данного фермента в крови должен находиться в пределах 30-90 Ед/л. Стоит отметить, что у представителей мужского пола такой показатель может достигать 120 Ед/л (при интенсивных обменных процессах цифра может возрастать).

Современная энзимология

Для изучения ферментов и процессов, происходящих с их участием, предназначена отдельная область биохимической науки – энзимология. Впервые информация об особых белковых молекулах, действующих по принципу катализаторов, появилась в результате изучения пищеварительных процессов и реакций брожения, происходящих в организме человека. Существенный вклад в развитие современной энзимологии приписывается Л. Пастеру, который считал, что все биохимические реакции в организме происходят при участии исключительно живых клеток. О неживых «участниках» таких реакций впервые было заявлено Э. Бухнером в начале ХХ ст. В то время исследователю удалось определить, что катализатором в процессе сбраживания сахарозы с последующим выделением этилового спирта и диоксида углерода выступает бесклеточный дрожжевой экстракт. Данное открытие стало решительным толчком для подробного изучения так называемых катализаторов различных биохимических процессов в организме.

Уже в 1926 году был выделен первый фермент – уреаза. Автором открытия стал Дж. Самнер, сотрудник Корнеллского университета. После этого в течение одного десятилетия учеными был выделен ряд других энзимов, а белковая природа всех органических катализаторов – доказана окончательно. На сегодняшний день миру известно свыше 700 различных ферментов. Но при этом современная энзимология продолжает активное изучение, выделение и изучение свойств отдельных видов белковых молекул.

Кинетические исследования

Кривая насыщения химической реакции, иллюстрирующая соотношение между концентрацией субстрата [S] и скоростью реакции v

Простейшим описанием кинетики односубстратных ферментативных реакций является уравнение Михаэлиса — Ментен. На сегодняшний момент описано несколько механизмов действия ферментов. Например, действие многих ферментов описывается схемой механизма «пинг-понг».

Гипер- и гипоактивность

Бывают случаи, когда энзимы выполняют свои функции с неправильной интенсивностью. Чрезмерная активность вызывает чрезмерное формирование продукта реакции и дефицит субстрата. В результате – ухудшение самочувствия и серьезные болезни. Причиной гиперактивности энзима может быть как генетическое нарушение, так и избыток витаминов или микроэлементов, используемых в реакции.

Гипоактивность ферментов может даже стать причиной смерти, когда, например, энзимы не выводят из организма токсины либо возникает дефицит АТФ. Причиной такого состояния также могут быть мутированные гены или, наоборот, гиповитаминоз и дефицит других питательных веществ. Кроме того, пониженная температура тела аналогично замедляет функционирование энзимов.

Ферменты человека и наследственные заболевания

Многие заболевания развиваются на фоне энзимопатий – нарушений функций ферментов. Выделяют первичные и вторичные энзимопатии. Первичные нарушения являются наследственными, вторичные – приобретенными. Наследственные энзимопатии относят, как правило, к метаболическим заболеваниям. Наследование генетических дефектов или снижения активности ферментов происходит преимущественно по аутосомно-рецессивному типу. К примеру, такое заболевание как фенилкетонурия является следствием дефекта такого фермента как фенилаланин-4-монооксигеназа. Данный фермент в норме отвечает за преобразование фенилаланина в тирозин. В результате нарушений функций фермента происходит накопление аномальных метаболитов фенилаланина, являющихся токсичными для организма.

Также к энзимопатиям относят подагру , развитие которой вызвано нарушением обмена пуриновых оснований и как следствие стабильным увеличением уровня мочевой кислоты в крови. Галактоземия – еще одно заболевание, вызванное наследственным нарушением функциональности ферментов. Развивается данная патология из-за нарушения углеводного обмена, при котором организм не может преобразовывать галактозу в глюкозу. Следствием такого нарушения является накопление галактозы и ее метаболических продуктов в клетках, что приводит к поражениям печени, ЦНС и других жизненно важных систем организма. Основными проявлениями галактоземии выступают диарея, рвота, появляющиеся сразу после рождения ребенка, механическая желтуха, катаракта, задержка физического и интеллектуального развития.

Разные гликогенозы и липидозы также относятся к наследственным энзимопатиям, иначе именуемым энзимопатологиями. Развитие таких нарушений обусловлено низкой ферментной активностью в организме человека или полным ее отсутствием. Наследственные метаболические дефекты, как правило, сопровождаются развитием заболеваний с различной степенью тяжести. При этом некоторые энзимопатии могут протекать бессимптомно и определяются лишь при проведении соответствующих диагностических процедур. Но в основном первые симптомы наследственных метаболических нарушений проявляются уже в раннем детстве. Реже это происходит у старших детей и тем более у взрослых.

При диагностике наследственных энзимопатий немаловажную роль играет генеалогический метод исследования. При этом реакции ферментов специалисты проверяют лабораторным путем. Наследственные ферментопатии могут приводить к нарушениям выработки гормонов, характеризующихся особым значением для полноценной жизнедеятельности организма. Например, корой надпочечников вырабатываются глюкокортикоиды, отвечающие за регуляцию обмена углеводов, минералокортикоиды, участвующие в водно-солевом обмене, а также андрогенные гормоны, оказывающие непосредственное влияние на развитие вторичных половых признаков у подростков. Таким образом, нарушение выработки перечисленных гормонов может привести к развитию многочисленных патологий со стороны различных систем органов.

Номенклатура ферментов

Все ферменты организма принято называть в зависимости от их принадлежности к какому-либо из классов, а также по субстрату, с которым они вступают в реакцию. Иногда по используют в названии не один, а два субстрата.

Примеры названия некоторых энзимов:

  1. Ферменты печени: лактат-дегидроген-аза, глутамат-дегидроген-аза.
  2. Полное систематическое название фермента: лактат-НАД+-оксидоредукт-аза.

Сохранились и тривиальные названия, которые не придерживаются правил номенклатуры. Примерами являются пищеварительные ферменты: трипсин, химотрипсин, пепсин.

Роль ферментов и практическое использование

Различные ферменты, реакции, происходящие с их участием, а также их результат нашли свое широкое применения в многообразных сферах. На протяжении многих лет действие ферментов активно используется в пищевой, кожевенной, текстильной, фармацевтической и многих других промышленных отраслях. Например, с помощью природных энзимов исследователи пытаются повысить эффективность спиртового брожения при изготовлении алкогольных напитков, улучшить качество продуктов питания, разработать новые методы похудения и др. Но стоит отметить, что использование ферментов в различных отраслях промышленности по сравнению с применением химических катализаторов значительно проигрывает. Ведь основная сложность воплощения такой задачи на практике является термическая неустойчивость энзимов и их повышенная чувствительность к воздействию различных факторов. Также невозможно многократное использование ферментов в производстве из-за сложности их отделения от готовых продуктов выполненных реакций.

Кроме того, свое активное применение действие ферментов обрело в медицине, сельскохозяйственной и химической отрасли. Рассмотрим подробнее, как и где может использоваться действие ферментов:

  • Пищевая промышленность. Всем известно, что хорошее тесто при выпекании должно подняться и разбухнуть. Но далеко не все понимают, как именно это происходит. В муке, из которой и готовится тесто, имеется множество различных ферментов. Так, амилаза в составе муки участвует в процессе разложения крахмала, при котором активно выделяется углекислый газ, способствующий так называемому «разбуханию» теста. Клейкость теста и удерживание в нем СО2 обеспечивается за счет действия фермента под названием протеаза, который также содержится в муке. Получается, что такие, казалось бы. простые вещи, как приготовление теста для выпечки, подразумевают под собой сложнейшие химические процессы. Также особую востребованность некоторые ферменты, реакции, происходящие с их участием, обрели в области производства алкоголя. Различные энзимы используются в составе дрожжей, обеспечивающих качество процесса брожения спирта. Кроме того, некоторые ферменты (например, папаин или пепсин) помогают растворять осадок в спиртосодержащих напитках. Также активно применяются ферменты в производстве кисломолочных продуктов и сыра в том числе.
  • В кожевенной отрасли ферменты используются для эффективного расщепления белков, что наиболее актуально при выведении стойких пятен от различных продуктов питания, крови и др.
  • В производстве стиральных порошков может использоваться целлюлаза. Но при использовании таких порошков для получения заявленного результата необходимо соблюдать допустимый температурный режим стирки.

Кроме того, в производстве кормовых добавок ферменты используются с целью увеличения их питательной ценности, гидролиза белков и некрахмальных полисахаридов. В текстильной промышленности ферменты позволяют изменять свойства поверхности текстильных изделий, а в целлюлозно-бумажной промышленности – удалять чернила и тонеры в процессе вторичной переработки бумаги.

Огромная роль ферментов в жизни современного человека неоспорима. Уже сегодня их свойства активно используются различными сферами, но также непрерывно ведутся поиски новых вариантов применения уникальных свойств и функций ферментов.

Фермент-субстратный комплекс

Связи субстрата с ферментом образуют фермент-субстратный комплекс.

При этом он изменяет не только собственную конформацию, а и конформацию субстрата. Ферментативные реакции могут тормозиться собственными продуктами реакции – при накоплении продуктов скорость реакции снижается. Если продуктов реакции мало, то фермент активируется.

Вещества, проникающие в область активного центра и блокирующие каталитические группы ферментов, называются ингибиторами (от лат. inhibere – сдерживать, останавливаться). Активность ферментов снижают ионы тяжелых металлов (свинец, ртуть и т.п.).

Ферменты уменьшают энергию активации, то есть уровень энергии, необходимый для придания реакционной способности молекулам.

Факторы, определяющие активность энзимов

Поскольку энзим способен ускорять реакции во много раз, его активность определяется так называемым числом оборотов. Этот термин обозначает количество молекул субстрата (реагирующего вещества), которую способна трансформировать 1 молекула фермента за 1 минуту. Однако существует ряд факторов, определяющих скорость реакции:

  1. Концентрация субстрата.

Увеличение концентрации субстрата ведет к ускорению реакции. Чем больше молекул действующего вещества, тем быстрее протекает реакция, поскольку задействовано больше активных центров. Однако ускорения возможно только до тех пор, пока не задействуются все молекулы фермента. После этого, даже повышение концентрации субстрата не приведет к ускорению реакции.

  1. Температура.

Обычно повышение температуры ведет к ускорению реакций. Это правило работает для большинства ферментативных реакций, но только до тех пор, пока температура не поднимется выше 40 градусов по Цельсию. После этой отметки скорость реакции, наоборот, начинает резко снижаться. Если температура опустится ниже критической отметки, скорость ферментативных реакций повысится снова. Если температура продолжает расти, ковалентные связи рушатся, а каталитическая активность фермента теряется навсегда.

  1. Кислотность.

На скорость ферментативных реакций также влияет показатель рН. Для каждого фермента существует свой оптимальный уровень кислотности, при котором реакция проходит наиболее адекватно. Изменение уровня рН сказывается на активности фермента, а значит, и скорости реакции. Если изменения слишком велики, субстрат теряет способность связываться с активным ядром, а энзим больше не может катализировать реакцию. С восстановлением необходимого уровня рН, активность фермента также восстанавливается.

Процесс синтеза ферментов

Функции ферментов определяются еще на генетическом уровне. Т. к. молекула по большому счету – белок, то и ее синтез в точности повторяет процессы транскрипции и трансляции.

Синтез ферментов происходит по следующей схеме. Вначале с ДНК считывается информация о нужном энзиме, в результате чего образуется мРНК. Матричная РНК кодирует все аминокислоты, которые входят в состав энзима. Регуляция ферментов может происходить и на уровне ДНК: если продукта катализируемой реакции достаточно, транскрипция гена прекращается и наоборот, если возникла потребность в продукте, активизируется процесс транскрипции.

После того как мРНК вышла в цитоплазму клетки, начинается следующий этап – трансляция. На рибосомах эндоплазматической сети синтезируется первичная цепочка, состоящая из аминокислот, соединенных пептидными связями. Однако молекула белка в первичной структуре еще не может выполнять свои ферментативные функции.

Активность ферментов зависит от структуры белка. На той же ЭПС происходит скручивание протеина, в результате чего образуются сначала вторичная, а потом третичная структуры. Синтез некоторых ферментов останавливается уже на этом этапе, однако для активизации каталитической активности зачастую необходимо присоединение кофермента и кофактора.

В определенных областях эндоплазматической сети происходит присоединение органических составляющих энзима: моносахаридов, нуклеиновых кислот, жиров, витаминов. Некоторые ферменты не могут работать без наличия кофермента.

Кофактор играет решающую роль в образовании Некоторые функции ферментов доступны только при достижении белком доменной организации. Поэтому для них очень важно наличие четвертичной структуры, в которой соединяющим звеном между несколькими глобулами белка является ион металла.

Катализаторы в продуктах

Ферменты имеют решающее значение для здоровья, поскольку помогают организму расщеплять пищевые компоненты до состояния, пригодного для использования питательных веществ. Кишечник и поджелудочная железа производят широкий спектр ферментов. Но кроме этого, многие из полезных веществ, способствующих пищеварению, содержатся также и в некоторых продуктах.

Ферментированные продукты являются практически идеальным источником полезных бактерий, необходимых для правильного пищеварения. И в то время, когда аптечные пробиотики «работают» только в верхнем отделе пищеварительной системы и часто не добираются до кишечника, эффект от ферментативных продуктов ощущается во всем желудочно-кишечном тракте.

Например, абрикосы содержат в себе смесь полезных энзимов, в том числе инвертазу, которая отвечает за расщепление глюкозы и способствует быстрому высвобождению энергии.

Натуральным источником липазы (способствует более быстрому перевариванию липидов) может послужить авокадо. В организме это вещество производит поджелудочная железа. Но дабы облегчить жизнь этому органу, можно побаловать себя, например, салатом с авокадо – вкусно и полезно.

Кроме того, что банан, пожалуй, самый известный источник калия, он также поставляет в организм амилазу и мальтазу. Амилаза содержится также в хлебе, картофеле, крупах. Мальтаза способствует расщеплению мальтозы, так называемого солодового сахара, который в обилии представлен в пиве и кукурузном сиропе.

Другой экзотический фрукт – ананас содержит в себе целый набор энзимов, в том числе и бромелайн. А он, согласно некоторым исследованиям, еще и обладает противораковыми и противовоспалительными свойствами.

Множественные формы ферментов

Встречаются ситуации, когда необходимо наличие нескольких энзимов, катализирующих одну и ту же реакцию, но отличающихся друг от друга по каким-либо параметрам. Например, фермент может работать при 20 градусах, однако при 0 градусов он уже не сможет выполнять свои функции. Что делать в подобной ситуации живому организму при низких температурах среды?

Эта проблема легко решается наличием сразу нескольких ферментов, катализирующих одну и ту же реакцию, но работающих в разных условиях. Существуют два типа множественных форм энзимов:

  1. Изоферменты. Такие белки кодируются разными генами, состоят из разных аминокислот, однако катализируют одну и ту же реакцию.
  2. Истинные множественные формы. Эти белки транскрибируются с одного и того же гена, однако на рибосомах происходит модификация пептидов. На выходе получают несколько форм одного и того же фермента.

В результате первый тип множественных форм сформирован на генетическом уровне, когда второй – на посттрансляционном.

Экстремофилы и промышленность

Экстремофилы – это вещества, способны сохранять жизнедеятельность в экстремальных условиях.

Живые организмы, а также ферменты, позволяющие им функционировать, были найдены в гейзерах, где температура близка к точке кипения, и глубоко во льдах, а также в условиях крайней солености (Долина Смерти в США). Кроме того, ученые находили энзимы, для которых уровень рН, как оказалось, также не принципиальное требование для эффективной работы. Исследователи с особым интересом изучают ферменты-экстремофилы, как вещества, которые могут быть широко использованы в промышленности. Хотя и сегодня энзимы уже нашли свое применение в индустрии как биологически и экологически чистые вещества. К применению энзимов прибегают в пищевой промышленности, косметологии, производстве бытовой химии.

Более того, «услуги» ферментов в таких случаях обходятся дешевле, чем синтетических аналогов. Кроме того, натуральные вещества являются биоразлагаемыми, что делает их использование безопасным для экологии. В природе существуют микроорганизмы, способные расщепить ферменты на отдельные аминокислоты, которые затем становятся компонентами новой биологической цепочки.


Заключение.

Приведенные данные, свидетельствуют о важной роли, которую играют бактериолитические ферменты в жизнедеятельности бактерий и бактериальных сообществ, находящихся в одной и той же экологической нише.

На примере препарата лизоамидаза и лизоцими продемонстрированы перспективы использования бактериолитических ферментов в качестве эффективного лечебного средства для борьбы с патогенными бактериями, в том числе и множественно устойчивыми к антибиотикам.

Несмотря на большой интерес, проявляемый к проблеме ферментативного лизиса микроорганизмов, промышленное производство препаратов литических ферментов в России отсутствует . Поэтому изучение условий биосинтеза литических ферментов и разработка технологии получения ферментного препарата литического действия для использования в различных отраслях народного хозяйства и медицине, является актуальной и перспективной.

Источники

  • https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/10734
  • https://FoodandHealth.ru/komponenty-pitaniya/fermenty/
  • https://xn—-9sbecybtxb6o.xn--p1ai/obshchaya-biologiya/fermenty-ferment-substratnyj-kompleks-i-energiya-aktivatsii/
  • https://mo-yagul.ru/logopediya/liziruyushchie-fermenty-chto-takoe-fermenty-ih-rol-fermenty-cheloveka-i.html
  • https://xn--90aw5c.xn--c1avg/index.php/%D0%A4%D0%95%D0%A0%D0%9C%D0%95%D0%9D%D0%A2%D0%AB
  • https://yandex.ru/health/turbo/articles?id=4522

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: