Що називають ферментами у хімії.  Біологічні ферменти

Будь-який живий організм — це досконала система, в якій буквально щохвилини відбуваються якісь ці процеси не обходяться без участі ферментів. То що таке ферменти? Яка їхня роль у життєдіяльності організму? З чого вони складаються? Який механізм їхнього впливу? Нижче буде представлено відповіді на всі ці питання.

Що таке ферменти?

Ферменти, або, як їх ще називають, ензими, є білковими комплексами. Це виконують роль каталізаторів хімічних реакцій. Насправді роль ферментів переоцінити важко, адже без них не обходиться жоден процес у живій клітині та всьому організмі.

Сам термін «фермент» було запропоновано у 17 столітті Гельмонтом. І хоча великі вчені того часу розуміли, що м'ясо перетравлюється за наявності, а крохмаль під впливом слини розпадається до простих цукрів, ніхто не знав, чим саме зумовлені подібні процеси. Але вже на початку 19 століття Кірхгоф уперше виділив фермент слини – амілазу. Декількома роками пізніше був описаний шлунковий пепсин. З того часу наука ензимологія почала активно розвиватися.

Що таке ферменти? Властивості та механізм дії

Спочатку варто відзначити, що всі ферменти є або білками в чистому вигляді, або протеїновими комплексами. На сьогоднішній день розшифровано амінокислотну послідовність більшості ферментів людського організму.

Головна властивість ензимів – це висока специфічність. Кожен фермент може каталізувати лише один тип реакції. Наприклад, протеолітичні ферменти можуть лише розщеплювати зв'язки між амінокислотними залишками білкової молекули. Іноді однією субстрат (об'єкт впливу ферменту) може впливати відразу кілька подібних структурою ензимів.

Але фермент може бути специфічним не лише щодо реакції, а й стосовно субстрату. Найчастіше зустрічається групова Це означає, що певний фермент може проводити лише якусь групу субстратів, які мають подібну будову.

Але іноді трапляється так звана абсолютна специфічність. Це означає, що фермент може зв'язуватися з активним центром лише одного субстрату. Звісно ж, у природі така специфічність трапляється рідко. Але для прикладу можна згадати про фермент уреаз, який може каталізувати тільки гідроліз сечовини.

Наразі ми з'ясували, що таке ферменти. Але ці речовини можуть бути зовсім різними. Тому їх заведено класифікувати.

Класифікація ферментів

Сучасній науці відомо понад дві тисячі ферментів, але це аж ніяк не точна їх кількість. Для більшої зручності їх поділяють на шість основних груп залежно від реакції, що каталізується.

• Оксидоредуктази - група ферментів, які беруть участь в окисно-відновних реакціях. Як правило, вони виступають або донорами, або акцепторами електронів та іонів водню. Ці ферменти дуже важливі, оскільки беруть участь у процесах клітинного та мітохондріального дихання.
• Трансферази - ферменти, що займаються перенесенням атомних груп від одного субстрату до іншого. Беруть участь у проміжному обміні речовин.
• Ліази – такі ферменти здатні відщеплювати від субстрату атомні групи без гідролітичної реакції. Як правило, внаслідок такого процесу утворюється молекула води чи вуглекислого газу.
• Гідролази – це ензими, які каталізують гідролітичне розщеплення субстрату з використанням
• Ізомерази - як свідчить назва, дані ферменти каталізують перехід речовини з однієї ізомерної форми в іншу.
• Лігази – ферменти, які каталізують синтетичні реакції.

Як видно, ферменти – це дуже важливі для організму речовини, без яких процеси життєдіяльності просто неможливі.

Ферменти (ензими): значення здоров'я, класифікація, застосування. Рослинні (харчові) ферменти: джерела, користь.

Ферменти (ензими) – це високомолекулярні речовини білкової природи, що виконують в організмі функції каталізаторів (активізують та прискорюють різноманітні біохімічні реакції). Fermentum у перекладі з латинської – бродіння. Слово enzyme має грецьке коріння: «en» – усередині, «zyme» – закваска. Ці два терміни - ферменти та ензими, використовуються як синоніми, а наука про ферменти називається ензимологією.

Значення ферментів здоров'ю. Застосування ензимів

Ключами життя ферменти називають неспроста. Вони мають унікальну властивість діяти специфічно, вибірково, тільки на вузьке коло речовин. Замінювати один одного ензими не можуть.

На сьогодні відомо вже понад 3 тисячі ферментів. Кожна клітина живого організму містить сотні різноманітних ензимів. Без них неможливе не тільки перетравлення їжі та її перетворення на ті речовини, які клітини здатні засвоїти. Ферменти беруть участь у процесах оновлення шкіри, крові, кісток, регуляції обміну речовин, очищенні організму, загоєнні ран, зоровому та слуховому сприйнятті, роботі центральної нервової системи, реалізації генетичної інформації. Дихання, м'язове скорочення, робота серця, ріст і поділ клітин – усі ці процеси підтримуються безперебійною роботою ферментних систем.

Ензими відіграють надзвичайно важливу роль у підтримці нашого імунітету. Спеціалізовані ферменти беруть участь у виробленні антитіл, необхідні боротьби з вірусами і бактеріями, активізують роботу макрофагів – великих хижих клітин, що розпізнають і знешкоджують будь-які сторонні сторони, які у організм. Видалення продуктів життєдіяльності клітин, знешкодження отрут, захист від проникнення інфекції – це функції ферментів.

Спеціальні ензими (бактерії, дріжджі, сичужні ферменти) відіграють важливу роль у виробництві квашених овочів, кисломолочних продуктів, бродінні тіста, виготовленні сирів.

Класифікація ферментів

За принципом дії всі ензими (згідно з міжнародною ієрархічною класифікацією) діляться на 6 класів:

1. Оксидоредуктази – каталаза, алкогольдегідрогеназа, лактатдегідрогеназа, поліфенолоксидаза та ін;
2. Трансферази (ферменти перенесення) - амінотрансферази, ацилтрансферази, фосфортрансферази та ін;
3. Гідролази – амілаза, пепсин, трипсин, пектиназа, лактаза, мальтаза, ліпопротеїнліпаза та ін;
4. Ліази;
5. Ізомерази;
6. Лігази (синтетази) - ДНК-полімераза та ін.

Кожен клас складається із підкласів, а кожен підклас – із груп.

Усі ферменти можна розділити на 3 великі групи:

1. Травні – діють у шлунково-кишковому тракті, відповідають за переробку поживних речовин та їх абсорбцію у системний кровотік. Ензими, що виділяються стінками тонкої кишки та підшлунковою залозою, називаються панкреатичними;
2. Харчові (рослинні) – надходять (мають надходити) з їжею. Продукти, в яких є харчові ферменти, іноді називають живою їжею;
3. Метаболічні – запускають обмінні процеси усередині клітин. Кожна система людського організму має власну мережу ферментів.

Травні ферменти, у свою чергу, поділяються на 3 категорії:

1. Амілази – амілаза слини, лактаза підшлункового соку, мальтаза слини. Ці ензими є і в слині, і в кишечнику. Діють на вуглеводи: останні розпадаються на прості цукри і легко проникають у кров;
2. Протеази – виробляються підшлунковою залозою та слизовою оболонкою шлунка. Допомагають перетравлювати білки, а також нормалізують мікрофлору травного тракту. Присутні в кишечнику та шлунковому соку. До протеаз відносяться пепсин і хімозин шлунка, еропсин кільцевого соку, карбоксипептидаза підшлункової залози, хімотрипсин, трипсин;
3. Ліпаза – виробляється підшлунковою залозою. Є в шлунковому соку. Допомагає розщеплювати та засвоювати жири.

Дія ферментів

Оптимальна температура для життєдіяльності ферментів – близько 37 градусів, тобто температура тіла. Ферменти мають величезну силу: вони змушують насіння проростати, жири – «горіти». А з іншого боку, вони надзвичайно чутливі: при температурі понад 42 градуси ензими починають руйнуватися. І кулінарна обробка їжі, і глибока заморозка призводять до загибелі ферментів та втрати їхньої життєдіяльної сили. У консервованих, стерилізованих, пастеризованих та навіть заморожених продуктах ензими частково чи повністю зруйновані. Але не лише мертва їжа, а й надто холодні та гарячі страви вбивають ферменти. Коли ми їмо надто гарячу їжу, ми вбиваємо травні ензими та обпалюємо стравохід. Шлунок сильно збільшується в розмірах, а потім через спазми м'яза, що його тримає, стає схожим на півнячий гребінець. В результаті їжа надходить у 12-палу кишку в необробленому стані. Якщо так відбувається постійно, можуть виникнути проблеми, як дисбактеріоз, запори, розлад кишечника, виразка шлунка. Від холодних страв (морозива, наприклад), шлунок теж страждає - спочатку скукоживается, а потім збільшується в розмірах, а ферменти заморожуються. Морозиво починає блукати, виділяються гази і людина отримує здуття живота.

Травні ферменти

Ні для кого не секрет, що гарне травлення – це невід'ємна умова повноцінного життя та активного довголіття. Травні ферменти грають у процесі вирішальну роль. Вони відповідають за перетравлення, адсорбцію та засвоєння їжі, вибудовуючи наше тіло подібно до робітників на будівництві. У нас можуть бути всі будівельні матеріали – мінерали, білки, жири, вода, вітаміни, але без ферментів, як без робітників, будівництво не просунеться ні на крок.

Сучасна людина споживає дуже багато їжі, для перетравлення якої в організмі практично немає ферментів, наприклад, крохмалистих продуктів - макаронних, хлібобулочних виробів, картоплі.

Якщо ви з'їсте свіже яблуко, воно перетравиться за рахунок власних ензимів, причому дія останніх видно неозброєним оком: потемніння надкусаного яблука – це робота ферментів, які намагаються залікувати ранку, захистити організм від загрози в особі цвілі та бактерій. Але якщо ви запечете яблуко, щоб його переварити, організму доведеться задіяти власні ферменти для травлення, так як термічно оброблена їжа позбавлена ​​природних ензимів. Крім того, ті ферменти, які "мертві" продукти забирають у нашого організму, ми втрачаємо назавжди, тому що їх запаси в нашому тілі не безмежні.

Рослинні (харчові) ферменти

Вживання продуктів, багатих ферментами, як полегшує травлення, а й вивільняє енергію, яку організм може спрямувати очищення печінки, латання дірок в імунітеті, омолодження клітин, захист від пухлин тощо. При цьому людина відчуває легкість у животі, почувається бадьорою, та й виглядає добре. А сира рослинна клітковина, що надходить в організм із живою їжею, потрібна для харчування мікроорганізмів, що виробляють метаболічні ферменти.

Рослинні ензими дають нам життя та енергію. Якщо ви посадите в землю два горіхи - один смажений, а інший сирий, вимочений у воді, то смажений просто згниє в землі, а в сирому зернятку навесні прокинуться життєві сили, тому що в ньому є ферменти. І цілком можливо, що з нього виросте велике пишне дерево. Так і людина, споживаючи їжу, в якій є ферменти, разом із нею отримує життя. Продукти, позбавлені ензимів, змушують наші клітини працювати без відпочинку, перевантажуватися, старіти та вмирати. Якщо ферментів не вистачає, в організмі починають накопичуватися відходи: отрути, шлаки, загиблі клітини. Це веде до збільшення ваги, хвороб та раннього старіння. Цікавий і в той же час сумний факт: у крові людей похилого віку вміст ферментів приблизно в 100 разів нижче, ніж у молодих.

Ензими у продуктах. Джерела рослинних ферментів

Джерелами харчових ензимів є рослинні продукти із городу, саду, океану. Це переважно овочі, фрукти, ягоди, зелень, зернові культури. Власні ферменти містять банани, манго, папайя, ананаси, авокадо, аспергілову рослину, пророщені зерна. Рослинні ферменти присутні лише у сирій, живій їжі.

Проростки пшениці є джерелом амілази (що розщеплює вуглеводи), у плодах папайї містяться протеази, у плодах папайї та ананасу – пептидази. Джерела ліпази (що розщеплює жири) – це плоди, насіння, кореневища, бульби злакових культур, гірчичне та соняшникове насіння, насіння бобових. Папаїном (що розщеплює білки) багаті банани, ананаси, ківі, папайя, манго. Джерелом лактази (ферменту, що розщеплює молочний цукор) є ячмінний солод.

Переваги рослинних (харчових) ензимів над тваринами (панкреатичними)

Рослинні ферменти починають обробляти їжу вже у шлунку, а панкреатичні ензими у кислому шлунковому середовищі працювати не можуть. Коли їжа потрапить у тонку кишку, завдяки рослинним ферментам вона буде попередньо перетравлена, це зменшить навантаження на кишечник і дозволить поживним речовинам краще засвоїтися. До того ж рослинні ензими продовжують свою роботу і в кишечнику.

Як харчуватись, щоб організму вистачало ферментів?

Все дуже просто. Сніданок повинен складатися зі свіжих ягід та фруктів (плюс білкові страви – сир, горіхи, сметана). Кожен прийом їжі потрібно починати з овочевих салатів із зеленню. Бажано, щоб щодня один прийом їжі включав лише сирі фрукти, ягоди та овочі. Вечеря має бути легкою – складатися з овочів (зі шматочком курячої грудки, відвареної риби або порцією морепродуктів). Кілька разів на місяць корисно влаштовувати розвантажувальні дні на фруктах або свіжих соках.

Для якісного засвоєння їжі та повноцінного здоров'я ензими просто незамінні. Зайва вага, алергії, різні захворювання ШКТ – усі ці та багато інших проблем можна перемогти за допомогою здорового раціону. А роль ферментів у харчуванні величезна. Наше завдання – просто подбати про те, щоб щодня та в достатній кількості вони були присутні у наших стравах. Міцного вам здоров'я!

0

Історія розвитку науки про ферменти

В основі всіх життєвих процесів лежить тисячі хімічних реакцій. Вони йдуть в організмі без застосування високої температури та тиску, тобто в м'яких умовах. Речовини, які окислюються в клітинах людини і тварин, згоряють швидко і ефективно, збагачуючи організм енергією та будівельним матеріалом. Але ті ж речовини можуть роками зберігатися як у консервованому (ізольованому від повітря) вигляді, і на повітрі у присутності кисню. Наприклад, м'ясні та рибні консерви, пастеризоване молоко, цукор, крупи не розкладаються при досить тривалому зберіганні. Можливість швидкого перетравлення продуктів живому організмі здійснюється завдяки присутності у клітинах особливих біологічних каталізаторів - ферментів.

Ферменти - це специфічні білки, що входять до складу всіх клітин та тканин живих організмів, що відіграють роль біологічних каталізаторів. Про ферменти люди дізналися давно. Ще на початку минулого століття в Петербурзі К. С. Кірхгоф з'ясував, що пророслий ячмінь здатний перетворювати полісахарид крохмаль на дисахарид мальтозу, а екстракт дріжджів розщеплював буряковий цукор на моносахариди - глюкозу та фруктозу. Це були перші дослідження у ферментології. А практичне застосування ферментативних процесів було відоме з незапам'ятних часів. Це і зброджування винограду, і закваска при приготуванні хліба, і сироваріння, і багато іншого.

Зараз у різних підручниках, посібниках та у науковій літературі застосовуються два поняття: «ферменти» та «ензими». Ці назви ідентичні. Вони позначають те саме - біологічні каталізатори. Перше слово перекладається як «закваска», друге – «у дріжджах».

Довгий час не уявляли, що ж відбувається в дріжджах, яка сила, яка присутня в них, змушує речовини руйнуватися і перетворюватися на простіші. І тільки після винаходу мікроскопа було встановлено, що дріжджі - це скупчення великої кількості мікроорганізмів, які використовують цукор як свою основну поживну речовину. Інакше кажучи, кожна дріжджова клітина «начинена» ферментами, здатними розкладати цукор. Але в той же час були відомі й інші біологічні каталізатори, не ув'язнені в живу клітину, а вільно «мешкають» поза нею. Наприклад, їх було знайдено у складі шлункових соків, клітинних екстрактів. У зв'язку з цим у минулому розрізняли два типи каталізаторів: вважалося, що власне ферменти невіддільні від клітини і поза нею не можуть функціонувати, тобто вони «організовані». А «неорганізовані» каталізатори, які можуть працювати поза клітиною, називали ензимами. Таке протиставлення «живих» ферментів та «неживих» ензимів пояснювалося впливом віталістів, боротьбою матеріалізму та ідеалізму у природознавстві. Погляди вчених розділилися. Засновник мікробіології Л. Пастер стверджував, що діяльність ферментів визначається життям клітини. Якщо клітину зруйнувати, припиниться і дія ферменту. Хіміки на чолі з Ю. Лібіхом розвивали суто хімічну теорію бродіння, доводячи, що активність ферментів залежить від існування клітини.

У 1871 р. російський лікар М. М. Манасеїна зруйнувала дріжджові клітини, розтираючи їх із річковим піском. Клітинний сік, відокремлений від залишків клітин, зберігав свою здатність зброджувати цукор. Цей простий і переконливий досвід російського лікаря залишився без уваги у царській Росії. Через чверть століття німецький вчений Е. Бухнер отримав безклітинний сік пресуванням живих дріжджів під тиском до 5 10 6 Па. Цей сік, подібно до живих дріжджів, зброджував цукор з утворенням спирту та оксиду вуглецю (IV):

Роботи А. Н. Лебедєва з дослідження дріжджових клітин та праці інших вчених поклали край віталістичним уявленням у теорії біологічного каталізу, а терміни «фермент» та «ензим» стали застосовувати як рівнозначні.

У наші дні ферментологія – це самостійна наука. Виділено та вивчено близько 2000 ферментів. Внесок у цю науку внесли радянські вчені – наші сучасники А. Є. Браунштейн, В. Н. Орєхович, В. А. Енгельгард, А. А. Покровський та ін.

Хімічна природа ферментів

Наприкінці минулого століття було висловлено припущення, що ферменти – це білки або якісь речовини, дуже схожі на білки. Втрата активності ферменту під час нагрівання дуже нагадує теплову денатурацію білка. Діапазон температур при денатурації та інактивації однаковий. Як відомо, денатурація білка може бути викликана не тільки нагріванням, а й дією кислот, солей важких металів, лугів, тривалим опроміненням ультрафіолетовими променями. Ці ж хімічні та фізичні фактори призводять до втрати активності ферменту.

У розчинах ферменти, як і білки, ведуть себе під впливом електричного струму подібним чином: молекули рухаються до катода чи анода. Зміна концентрації водневих іонів у розчинах білків чи ферментів призводить до накопичення ними позитивного чи негативного заряду. Це доводить амфотерний характер ферментів і також підтверджує їхню білкову природу. Ще одне свідчення білкової природи ферментів - вони не проходять через напівпропицювані мембрани. Це також доводить їхню велику молекулярну масу. Але якщо ферменти - це білки, то при дегідратації їхня активність не повинна зменшуватися. Досліди підтверджують правильність такого припущення.

Цікавий досвід було проведено у лабораторії І. П. Павлова. Отримуючи шлунковий сік через фістулу у собак, співробітники виявили, що чим більше білка в соку, тим більша його активність, тобто зумовлений білок і фермент шлункового соку.

Таким чином, явища денатурації та рухливості в електричному полі, амфотерність молекул, високомолекулярна природа, здатність осідати з розчину при дії водовіднімних засобів (ацетон або спирт) доводять білкову природу ферментів.

На цей час цей факт встановлений багатьма, ще більш тонкими фізичними, хімічними чи біологічними методами.

Ми вже знаємо, що білки бувають дуже різні за складом і насамперед можуть бути простими або складними. До яких білків відносяться відомі нині ферменти?

Вчені різних країн встановили, що багато ферментів – це прості білки. Це означає, що з гідролізі молекули цих ферментів розпадаються лише до амінокислот. Нічого, крім амінокислот, у гідролізаті таких білків-ферментів виявити не вдається. До простих ферментів відносяться пепсин - фермент, що перетравлює білки в шлунку і міститься в шлунковому соку, трипсин - фермент підшлункового соку, папаїн - рослинний фермент, уреаза та ін.

До складних ферментів входять, крім амінокислот, речовини, що мають небілкову природу. Наприклад, окислювально-відновні ферменти, вбудовані в мітохондрію, містять, крім білкової частини, атоми заліза, міді та інші термостабільні групи. Небілковою частиною ферменту можуть бути і складніші речовини: вітаміни, нуклеотиди (мономери нуклеїнових кислот), нуклеотиди з трьома фосфорними залишками і т. д. Умовилися називати в таких складних білках небілкову частину - кофермент, а білкову-апофермент.

Відмінність ферментів від небіологічних каталізаторів

У шкільних підручниках та посібниках з хімії докладно розуміється дія каталізаторів, дається уявлення про енергетичний бар'єр, енергію активації. Нагадаємо лише, що роль каталізаторів полягає в їх здатності активувати молекули речовин, що вступають у реакцію. Це призводить до зниження енергії активації. Реакція йде над один, а кілька етапів із заснуванням проміжних сполук. Каталізатори не змінюють напрямок реакції, а лише впливають на швидкість досягнення стану хімічної рівноваги. У реакції, що каталізується, завжди витрачається менше енергії в порівнянні з некаталізованої. У ході реакції фермент змінює свою упаковку, «напружується» і після закінчення реакції приймає вихідну структуру, повертається до первісної форми.

Ферменти самі каталізатори. Їм властиві всі закони каталізу. Але ферменти – білки, і це повідомляє їм особливі властивості. Що ж спільного у ферментів зі звичними для нас каталізаторами, наприклад, платиною, оксидом ванадію (V) та іншими неорганічними прискорювачами реакцій, а що їх відрізняє?

Один і той же неорганічний каталізатор може застосовуватись у різних виробництвах. А фермент каталізує лише одну реакцію чи один вид реакції, тобто він специфічніший, ніж неорганічний каталізатор.

Температура завжди впливає швидкості хімічних реакцій. Більшість реакцій з неорганічними каталізаторами йде за дуже високих температур. При підвищенні температури швидкість реакції зазвичай збільшується (рис. 1). Для ферментативних реакцій збільшення обмежено певної температурою (температурний оптимум). Подальше підвищення температури викликає зміни у молекулі ферменту, що призводять до зменшення швидкості реакції (рис. 1). Але деякі ферменти, наприклад ферменти мікроорганізмів, виявлених у воді гарячих природних джерел, не тільки витримують температури, близькі до точки кипіння води, а й навіть виявляють свою максимальну активність. Для більшості ферментів температурний оптимум близький до 35-45 °С. За більш високих температур їх активність зменшується, а потім відбувається повна теплова денатурація.

Мал. 1. Вплив температури на активність ферментів: 1 – збільшення швидкості реакції, 2 – зменшення швидкості реакції.

Багато неорганічних каталізаторів виявляють свою максимальну ефективність у сильнокислому або сильно-лужному середовищі. На відміну від них ферменти активні тільки при фізіологічних значеннях кислотності розчину, лише за такої концентрації іонів водню, яка сумісна з життям та нормальним функціонуванням клітини, органу чи системи.

Реакції за участю неорганічних каталізаторів протікають, як правило, при високих тисках, а ферменти працюють за нормального (атмосферного) тиску.

І найдивовижнішою відмінністю ферменту від інших каталізаторів є те, що швидкість реакцій, що каталізуються ферментами, в десятки тисяч, а іноді й у мільйони разів вища за ту, яка може бути досягнута за участю неорганічних каталізаторів.

Відомий всім пероксид водню, що використовується в побуті як відбілююча та дезінфікуюча речовина, без каталізаторів розкладається повільно:

У присутності неорганічного каталізатора (солей заліза) ця реакція йде трохи швидше. А каталаза (фермент, присутній практично у всіх клітинах) руйнує пероксид водню з неймовірною швидкістю: одна молекула каталази розщеплює за одну хвилину понад 5 млн. молекул Н 2 Про 2 .

Універсальне поширення каталази в клітинах всіх органів аеробних організмів і висока активність цього ферменту пояснюються тим, що пероксид водню - це потужна клітинна отрута. Він виходить у клітинах як побічний продукт багатьох реакцій, але на варті стоїть фермент каталаза, який зараз руйнує пероксид водню на нешкідливі кисень і воду.

Активний центр ферменту

Обов'язковим етапом каталізованої реакції є взаємодія ферменту з тією речовиною, перетворення якого він каталізує, - з субстратом: утворюється фермент-субстратний комплекс. У наведеному вище прикладі пероксид водню - субстрат для дії каталази.

Цікавим виявляється те, що в ферментативних реакціях молекула субстрату набагато менше, ніж молекула білка-ферменту. Отже, субстрат не може контактувати з усією величезною молекулою ферменту, а лише з якоюсь її невеликою ділянкою чи навіть окремою групою, атомом. Для підтвердження цього припущення вчені відщеплювали від ферменту одну або кілька амінокислот, і це не впливало або майже не впливало на швидкість реакції, що каталізується. Але відщеплення окремих певних амінокислот чи групи призводило до повної втрати каталітичних властивостей ферменту. Так сформувалося уявлення про активний центр ферменту.

Активний центр - це така ділянка білкової молекули, яка забезпечує з'єднання ферменту з субстратом і дає можливість подальших перетворень субстрату. Було вивчено деякі активні центри різних ферментів. Це або функціональна група (наприклад, ОН-група серину), або окрема амінокислота. Іноді задля забезпечення каталітичного дії потрібно кілька амінокислот у порядку.

У складі активного центру виділяють різні за своїми функціями ділянки. Одні ділянки активного центру забезпечують зчеплення із субстратом, міцний контакт із ним. Тому їх називають якірними чи контактними ділянками. Інші виконують власне каталітичну функцію, активують субстрат – каталітичні ділянки. Такий умовний поділ активного центру допомагає більш точно уявити механізм каталітичної реакції.

Тип хімічного зв'язку у фермент-субстратних комплексах теж вивчався. Речовина (субстрат) утримується на ферменті за участю різних типів зв'язків: водневих містків, іонних, ковалентних, донорно-акцепторних зв'язків, ван-дер-ваальсових сил зчеплення.

Деформація молекул ферменту в розчині призводить до появи його ізомерів, що відрізняються третинною структурою. Іншими словами, фермент орієнтує свої функціональні групи, що входять до активного центру, так, щоб виявилася найбільша каталітична активність. Але молекули субстрату також можуть деформуватися, «напружуватися» при взаємодії з ферментом. Ці сучасні уявлення про фермент-субстратному взаємодії відрізняються від панував раніше теорії Е. Фішера, який вважав, що молекула субстрату точно відповідає активному центру ферменту і підходить до нього як ключ до замку.

Властивості ферментів

Найважливішим властивістю ферментів є переважне прискорення однієї з кількох теоретично можливих реакцій. Це дозволяє субстратам вибрати найбільш вигідні для організму ланцюжки перетворень із цілого ряду можливих шляхів.

Залежно та умовами ферменти здатні каталізувати як пряму, і зворотну реакції. Наприклад, піровиноградна кислота під впливом ферменту лактатдегідрогенази перетворюється на кінцевий продукт бродіння - молочну кислоту. Цей же фермент каталізує і зворотну реакцію, і саму назву він отримав не за прямою, а за зворотною реакцією. Обидві реакції відбуваються в організмі за різних умов:

Ця властивість ферментів має велике практичне значення.

Інша важлива властивість ферментів – термолабільність, тобто висока чутливість до змін температури. Ми вже казали, що ферменти є білками. Більшість їх температура понад 70 °З призводить до денатурації і втрати активності. З курсу хімії відомо, підвищення температури на 10 °З призводить до збільшення швидкості реакції в 2-3 рази, що характерно і для ферментативних реакцій, але до певної межі. При температурах, близьких до 0 С, швидкість ферментативних реакцій сповільнюється до мінімуму. Ця властивість широко використовується у різних галузях народного господарства, особливо у сільському господарстві та медицині. Наприклад, всі існуючі зараз способи консервації нирки перед її пересадкою хворому включають охолодження цього органу, щоб знизити інтенсивність біохімічних реакцій і продовжити життя нирки до її пересадки людині. Такий прийом зберіг здоров'я та врятував життя десяткам тисяч людей у ​​світі.

Мал. 2. Вплив рН на активність ферментів.

Однією з найважливіших властивостей білків-ферментів є їхня чутливість до реакції середовища, концентрації водневих іонів або гідроксид-іонів. Ферменти активні лише у вузькому інтервалі кислотності чи лужності середовища (pH). Наприклад, активність пепсину у порожнині шлунка максимальна при pH близько 1 -1,5. Зниження кислотності призводить до глибокого порушення травного акту, недоперетравлення їжі та важких ускладнень. З курсу біології вам відомо, що травлення починається вже в ротовій порожнині, де є амілаза слини. Оптимальне значення рн для неї 6,8-7,4. p align="justify"> Для різних ферментів травного тракту характерні великі відмінності в оптимумі pH (рис. 2). Зміна реакції середовища призводить до зміни зарядів на молекулі ферменту або навіть у його активному центрі, викликаючи зниження чи повну втрату активності.

Наступною важливою властивістю є специфічність дії ферменту. Каталаза розщеплює лише пероксид водню, уреаза - тільки сечовину H 2 N-СО-NH 2 , тобто фермент каталізує перетворення лише одного субстрату, тільки його молекулу він «пізнає». Така специфічність вважається абсолютною. Якщо фермент каталізує перетворення кількох субстратів, мають однакову функціональну групу, така специфічність називається груповий. Наприклад, фосфатаза каталізує відщеплення залишку фосфорної кислоти:

Різновидом специфічності є чутливість ферменту лише до одного ізомеру – стерео-хімічна специфічність.

Ферменти впливають швидкість перетворення різних речовин. Але і ферменти впливають деякі речовини, різко змінюючи їх активність. Речовини, які підвищують активність ферментів, активізують їх, називаються активаторами, а гнітючі їх – інгібіторами. Інгібітори можуть вплинути на фермент безповоротно. Після їхньої дії фермент вже ніколи не може каталізувати свою реакцію, тому що його структура буде сильно змінена. Так діють фермент солі важких металів, кислоти, луги. Оборотний інгібітор може бути видалений з розчину, і фермент знову набуває активності. Таке оборотне пригнічення часто протікає за конкурентним типом, тобто за активний центр борються субстрат і схожий на нього інгібітор. Зняти таке пригнічення можна, якщо збільшити концентрацію субстрату і витіснити інгібітор з активного центру субстратом.

Важливою властивістю багатьох ферментів є те, що вони знаходяться у тканинах та клітинах у неактивній формі (рис. 3). Неактивна форма ферментів називається проферментом. Класичними прикладами є неактивні форми пепсину або трипсину. Існування неактивних форм ферментів має велике біологічне значення. Якби пепсин або трипсин вироблялися відразу в активній формі, то це призводило б до того, що, наприклад, пепсин перетравлював стінку шлунка, тобто шлунок перетравлював сам себе. Такого не відбувається тому, що пепсин або трипсин стають активними тільки після попадання в порожнину шлунка або тонкий кишечник: від пепсину під дією соляної кислоти, що міститься в шлунковому соку, відщеплюється кілька амінокислот, і він набуває здатності розщеплювати білки. А сам шлунок захищений тепер від дії травних ферментів слизовою оболонкою, що вистилає його порожнину.

Мал. 3 Схема перетворення трипсиногену на активний трипсин: А - трипсиноген; Б – трипсин; 1 – місце відриву пептиду; 2 – водневі зв'язки; 3 - дисульфідний місток; 4 – пептид, відщеплений при активації.

Процес активації ферменту йде, зазвичай, однією з чотирьох шляхів, представлених малюнку 4. У разі відщеплення пептиду від неактивного ферменту «відкриває» активний центр і робить фермент активним.

Мал. 4 Шляхи активації ферментів (штрихуванням відзначено молекулу субстрату):

1 - відщеплення від проферменту невеликої ділянки (пептиду) та перетворення неактивного проферменту на активний фермент; 2 - утворення дисульфідних зв'язків із SH-груп, що звільняє активний центр; 3 - утворення комплексу білка з металами, що активує фермент: 4 утворення комплексу ферменту з якоюсь речовиною (при цьому звільняється доступ до активного центру).

Другий шлях є утворення дисульфідних S-S-містків, що роблять доступним активний центр. У третьому випадку присутність металу активує фермент, який може працювати лише у комплексі із цим металом. Четвертий шлях ілюструє активацію якоюсь речовиною, яка зв'язується з периферичною ділянкою білкової молекули та деформує фермент таким чином, щоб полегшити доступ субстрату до активного центру.

В останні роки виявлено ще один спосіб регуляції активності ферментів З'ясувалося, що один фермент, наприклад лактатде-гідрогеназу, може перебувати в декількох молекулярних формах, що відрізняються між собою, хоча всі вони каталізують одну реакцію. Такі різні за складом молекули ферменту, які каталізують ту саму реакцію, зустрічаються навіть усередині однієї й тієї ж клітини. Їх називають ізоферментами, т. е. ізомерами ферменту. У названої вже лактатдегідрогенази знайдено п'ять різних ізоферментів. Яка роль кількох форм одного ферменту? Мабуть, організм «підстраховує» деякі особливо важливі реакції, коли при зміні умов у клітині працює то одна, то інша форма ізоферменту, та забезпечує необхідну швидкість та напрямок перебігу процесу.

І ще одна важлива властивість ферментів. Часто вони функціонують у клітині не окремо друг від друга, а організовані як комплексів - ферментних систем (рис. 5): продукт попередньої реакції - субстрат для наступної. Ці системи вбудовані в клітинні мембрани і забезпечують швидке спрямоване окиснення речовини, перекидаючи його від ферменту до ферменту. Синтетичні процеси в клітині йдуть у подібних ферментних системах.

Класифікація ферментів

Коло питань, що вивчаються ферментологією, широке. Кількість ферментів, що застосовуються у охороні здоров'я, сільському господарстві, мікробіології та інших галузях науки та практики, велика. Це створювало труднощі при характеристиці ферментативних реакцій, тому що один і той же фермент можна назвати або за субстратом, або за типом реакцій, що каталізуються, або старим терміном, міцно увійшли в літературу: наприклад пепсин, трипсин, каталаза.

Мал. 5. Ймовірна структура мультиферментного комплексу, що синтезує жирні кислоти (сім ферментних субодиниць відповідають за сім хімічних реакцій).

Тому 1961 р. Міжнародний біохімічний з'їзд у Москві затвердив класифікацію ферментів, основою якої покладено тип реакції, катализируемой даним ферментом. У назві ферменту обов'язково є назва субстрату, тобто тієї сполуки, на яку впливає даний фермент, і закінчення -аза. Наприклад, аргіназа каталізує гідроліз аргініну.

За цим принципом усі ферменти були поділені на шість класів.

1. Оксидоредуктази-ферменти, що каталізують окисно-відновні реакції, наприклад каталаза:

2. Трансферази - ферменти, що каталізують перенесення атомів або радикалів, наприклад метилтрансферази, що переносять СНз-групу:

3. Гідролази – ферменти, що розривають внутрішньомолекулярні зв'язки шляхом приєднання молекул води, наприклад фосфатазу:

4. Ліази - ферменти, що відщеплюють від субстрату ту чи іншу групу без приєднання води, негідролітичним шляхом, наприклад, відщеплення карбоксильної групи декарбоксилазою:

5. Ізомерази - ферменти, що каталізують перетворення одного ізомеру в інший:

Глюкозо-6-фосфат-›глюкозо-1-фосфат

6. Ферменти, що каталізують реакції синтезу, наприклад, синтез пептидів з амінокислот. Цей клас ферментів зветься синтетаз.

Кожен фермент запропонували закодувати шифром із чотирьох цифр, де перша їх позначає номер класу, інші три характеризують докладніше властивості ферменту, його підклас і індивідуальний номер у каталозі.

Як приклад класифікації ферментів наведемо чотиризначний код, наданий пепсину, - 3.4.4Л. Цифра 3 означає клас ферменту - гідролази. Наступна цифра 4 кодує підклас пептидгідролаз, тобто тих ферментів, які гідролізують саме пептидні зв'язки. Ще одна цифра 4 позначає підпідклас, званий пептидилпептидгидролазами. У цей підпідклас входять вже індивідуальні ферменти, і першим у ньому значиться пепсин, якому присвоєно порядковий номер 1.

Так виходить його код – 3.4.4.1. Точки застосування дії ферментів класу гідролаз показані на малюнку 6.

Мал. 6. Розщеплення пептидних зв'язків різними протеолітнськими ферментами.

Дія ферментів

Зазвичай ферменти виділяють з різних об'єктів тваринного, рослинного чи мікробного походження та вивчають їхню дію поза клітиною та організмом. Ці дослідження дуже важливі для розуміння механізму дії ферментів, вивчення їх складу, особливостей реакцій, що каталізуються. Але отримані в такий спосіб відомості не можна механічно безпосередньо переносити діяльність ферментів у живої клітині. Поза клітинами важко відтворити ті умови, в яких працює фермент, наприклад, у мітохондрії або лізосомі. До того ж не завжди відомо, скільки з наявних молекул ферменту бере участь у реакції - все чи тільки якась їхня частина.

Майже завжди виявляється, що клітина містить той чи інший фермент, за вмістом, що перевищує в кілька десятків разів необхідну кількість для здійснення нормального обміну речовин. Обмін речовин різний за інтенсивністю у різні періоди життя клітини, проте ферментів у ній значно більше, ніж того вимагав би максимальний рівень обміну речовин. Наприклад, до складу клітин серцевого м'яза входить стільки цитохрому, яке могло б здійснити окислення, в 20 разів більше, ніж максимальне споживання кисню серцевим м'язом. Пізніше було виявлено речовини, які можуть «виключати» частину молекул ферментів. Це так звані фактори, що гальмують. Для розуміння механізму дії ферментів важливим є й те, що в клітині вони знаходяться не просто в розчині, а вбудовані в структуру клітини. Зараз вже відомо, які ферменти вмонтовані у зовнішню мембрану мітохондрії, які вбудовані у внутрішню, які пов'язані з ядром, лізосомами та іншими субклітинними структурами.

Близьке «територіальне» розташування ферменту, що каталізує першу реакцію, до ферментів, що каталізують другу, третю та наступні реакції, сильно впливає на сумарний результат їхньої дії. Наприклад, в мітохондрії вмонтовано ланцюг ферментів, що передають електрони на кисень, - цитохромна система. Вона каталізує окиснення субстратів з утворенням енергії, що акумулюється в АТФ.

При вилученні ферментів із клітини злагодженість їхньої спільної роботи порушується. Тому вивчати роботу ферментів намагаються без руйнування тих структур, у яких вбудовані їх молекули. Наприклад, якщо зріз тканини потримати в розчині субстрату, а потім обробити реактивом, який з продуктами реакції дасть пофарбований комплекс, то в мікроскопі будуть чітко видно пофарбовані ділянки клітини: у цих ділянках був локалізований (розташований) фермент, який розщеплював субстрат. Так було встановлено, в яких клітинах шлунка міститься пепсиноген, з якого виходить фермент пепсин.

Зараз широко поширений інший метод, який дозволяє встановити локалізацію ферментів, - розподільне центрифугування. Для цього тканину, що досліджується (наприклад, шматочки печінки лабораторних тварин) подрібнюють, а потім готують з неї кашку в розчині сахарози. Суміш переносять у пробірки та обертають їх з великими швидкостями у центрифугах. Різні клітинні елементи залежно від їхньої маси та розмірів розподіляються в щільному розчині сахарози при обертанні приблизно таким чином:

Для отримання важких ядер потрібно відносно невелике прискорення (менше оборотів). Після відділення ядер, збільшивши кількість обертів, послідовно беруть в облогу мітохондрії, мікросоми, отримують цитоплазму. Тепер активність ферментів можна вивчати у кожній із виділених фракцій. Виявляється, що більшість відомих ферментів локалізовані переважно в тій чи іншій фракції. Наприклад, фермент альдолаза локалізований в цитоплазмі, а фермент, що окислює капронову кислоту, переважно в мітохондріях.

При ушкодженні мембрани, у якому вбудовані ферменти, комплексні взаємопов'язані процеси не протікають, т. е. кожен фермент може лише сам собою.

Клітини рослин та мікроорганізмів, як і клітини тварин, містять дуже схожі клітинні фракції. Наприклад, пластиди рослин за ферментним набором нагадують мітохондрії. У мікроорганізмах виявлені зерна, що нагадують рибосоми і теж містять велику кількість рибонуклеїнової кислоти. Ферменти, що входять до складу тварин, рослинних і мікробних клітин, мають схожу дію. Наприклад, гіалуронідаза полегшує мікробам проникнення в організм, сприяючи руйнуванню клітинної стінки. Цей же фермент виявлений у різних тканинах тваринних організмів.

Отримання та застосування ферментів

Ферменти знаходяться у всіх тканинах тварин та рослин. Однак кількість одного і того ж ферменту в різних тканинах та міцність зв'язку ферменту з тканиною неоднакові. Тому практично його здобуття не завжди виправдане.

Джерелом отримання ферментів можуть бути травні соки людини та тварин. У соках відносно мало сторонніх домішок, клітинних елементів та інших компонентів, яких треба позбавлятися при отриманні чистого препарату. Це майже чисті розчини ферментів.

З тканин одержати фермент важче. Для цього тканину подрібнюють, клітинні структури руйнують, розтираючи подрібнену тканину з піском або обробляють ультразвуком. При цьому ферменти «вивалюються» із клітин та мембранних структур. Їх тепер очищають та відокремлюють один від одного. Для очищення використовують різну здатність ферментів поділятися на хроматографічних колонках, неоднакову рухливість їх в електричному полі, осадження їх спиртом, солями, ацетоном та інші методи. Оскільки більшість ферментів пов'язані з ядром, мітохондріями, рибосомами чи іншими субклітинними структурами, спочатку виділяють центрифугуванням цю фракцію, та був з неї витягують фермент

Розробка нових методів очищення дозволила одержати низку кристалічних ферментів у дуже чистому вигляді, які можуть зберігатися роками.

Зараз вже неможливо встановити, коли люди вперше застосували фермент, але можна з великою впевненістю стверджувати, що це фермент рослинного походження. Люди давно звернули увагу на корисність тієї чи іншої рослини не лише як харчового продукту. Наприклад, аборигени Антильських островів здавна використовували сік динного дерева для лікування виразок та інших захворювань шкіри.

Розглянемо докладніше особливості отримання та галузі застосування ферментів на прикладі одного з добре відомих нині рослинних біокаталізаторів – папаїну. Цей фермент міститься в чумацькому соку у всіх частинах тропічного плодового дерева папайї - гігантської деревоподібної трави, що досягає 10 м. Її плоди схожі за формою та смаком на диню та містять велику кількість ферменту папаїну. Ще на початку XVI ст. іспанські мореплавці виявили цю рослину у природних умовах у Центральній Америці. Потім його завезли до Індії, а звідти до всіх тропічних країн. Васко да Гама, який побачив папайю в Індії, назвав її золотим деревом життя, а Марко Поло сказав, що папайя - це «диня, що видерлася на дерево». Мореплавці знали, що плоди дерева рятують від цинги та дизентерії.

У нашій країні папайя росте на Чорноморському узбережжі Кавказу, у ботанічному саду Академії наук Росії у спеціальних теплицях. Сировину для ферменту - чумацький сік - одержують із надрізів на шкірці плода. Потім сік сушать у лабораторії у вакуумних сушильних шафах за невисоких температур (не більше 80 °С). Висушений продукт розтирають і зберігають у стерильній упаковці, залитій парафіном. Це вже досить активний препарат. Ферментативну активність можна оцінити за кількістю розщепленого за одиницю часу білка казеїну. За одну біологічну одиницю активності папаїну приймають таку кількість ферменту, якого при введенні в кров достатньо для появи симптому звисання вух у кролика масою 1 кг. Цей феномен відбувається тому, що папаїн починає діяти на колагенові нитки білка у вухах кролика.

Папаїн має цілий спектр властивостей: протеолітичний, протизапальний, антикоагуляційний (що перешкоджає згортанню крові), дегідратаційний, болезаспокійливий і бактерицидний. Він руйнує білки до поліпептидів та амінокислот. Причому це розщеплення йде глибше, ніж за дії інших ферментів тваринного та бактеріального походження. Особливістю папаїну є його здатність бути активним у широкому інтервалі pH та при великих коливаннях температури, що особливо важливо та зручно для широкого застосування цього ферменту. А якщо до того ж врахувати, що для отримання ферментів, подібних до дії з папаїном (пепсин, трипсин, лідаза), потрібні кров, печінка, м'язи або інші тканини тварин, то перевага та економічна ефективність рослинного ферменту папаїну безперечні.

Області застосування папаїну дуже різноманітні. У медицині він використовується для обробки ран, де сприяє розщепленню пошкоджених білків тканин і очищає ранову поверхню. Незамінний папаїн під час лікування різних захворювань очей. Він викликає розсмоктування помутнілих структур органу зору, роблячи їх прозорими. Відомо позитивну дію ферменту при захворюваннях органів травлення. Хороші результати отримані при застосуванні папаїну для лікування шкірних хвороб, опіків, а також у невропатології, урології та інших галузях медицини.

Крім медицини, велика кількість цього ферменту витрачається у виноробстві та пивоварінні. Папаїн збільшує термін зберігання напоїв. При обробці папаїном м'ясо стає м'яким і швидкозасвоюваним, термін зберігання продуктів різко збільшується. Шерсть, що йде в текстильну промисловість, після обробки папаїном не скручується і не супроводжується усадкою. Нещодавно папаїн почали застосовувати у шкіряному виробництві. Шкіряні вироби після обробки ферментом стають м'якими, еластичними, міцнішими та довговічнішими.

Ретельне вивчення деяких невиліковних раніше хвороб призвело до необхідності вводити в організм ферменти, що бракують, для заміни тих, активність яких знижена. Можна було б ввести в організм необхідну кількість ферментів, що відсутні, або «додати» молекули тих ферментів, які в органі або тканині знизили свою каталітичну активність. Але ці ферменти організм реагує як у чужорідні білки, відкидає їх, виробляє ними антитіла, що зрештою призводить до швидкого розпаду введених білків. Очікуваного терапевтичного ефекту нічого очікувати. Вводити ферменти з їжею теж не можна, тому що травні соки їх «переварять» і вони втратить свою активність, розпадуться до амінокислот, не дійшовши клітин і тканин. Введення ферментів у кровотік призводить їх до руйнації тканинними протеазами. Усунути ці проблеми вдається, застосовуючи іммобілізовані ферменти. В основі принципу іммобілізації лежить здатність ферментів «прив'язуватися» до стабільного носія органічної чи неорганічної природи. Прикладом хімічного зв'язування ферменту з матрицею (носієм) є утворення міцних ковалентних зв'язків між функціональними групами. Матрицею може бути, наприклад, пористе скло, що містить функціональні аміногрупи, до яких хімічно "прив'язують" фермент.

При застосуванні ферментів часто виникає необхідність порівнювати їхню активність. Як дізнатися активніший фермент? Як розрахувати активність різних очищених препаратів? Умовилися за активність ферменту приймати кількість субстрату, яке може за одну хвилину перетворити 1 г тканини, що містить цей фермент, при 25 °С. Чим більше субстрату переробив фермент, тим активніший. Активність одного і того ж ферменту змінюється у зв'язку з віком, статтю, часом доби, станом організму, а також залежить від залоз внутрішньої секреції, які виробляють гормони.

Природа майже не помиляється, виробляючи однакові білки протягом усього життя організму і передаючи цю строгу інформацію про виробництво тих же білків із покоління до покоління. Однак іноді в організмі з'являється змінений білок, у складі якого зустрічається одна або кілька зайвих амінокислот або, навпаки, вони втрачені. Нині відомо багато таких молекулярних помилок. Вони пояснюються різними причинами і можуть спричинити хворобливі зміни в організмі. Такі хвороби, у яких винні ненормальні молекули білка, отримали у медицині назву молекулярних. Наприклад, гемоглобін здорової людини, що складається з двох поліпептидних ланцюгів (а і в), і гемоглобін хворого на серповидно-клітинну анемію (еритроцит має форму серпа) відрізняються тільки тим, що у хворих на в-ланцюзі глутамінова кислота замінена валіном. Серповидно-клітинна анемія – це спадкова хвороба. Зміни гемоглобіну передаються від батьків потомству.

Хвороби, що виникають за зміни активності ферментів, називаються ферментопатиями. Вони зазвичай успадковуються, передаються від батьків дітям. Наприклад, при вродженій фенілкетонурії порушується наступне перетворення:

При нестачі ферменту фенілаланінгідроксилази фенілаланін не перетворюється на тирозин, а накопичується, що викликає розлад нормальної функції ряду органів, насамперед розлад функції центральної нервової системи. Хвороба розвивається з перших днів життя дитини, і до шести-сім місяців життя з'являються її перші симптоми. У крові та сечі таких хворих можна виявити величезні порівняно з нормою кількості фенілаланіну. Своєчасне виявлення такої патології та зменшення прийому тієї їжі, яка містить багато фенілаланіну, має позитивну лікувальну дію.

Інший приклад: відсутність у дітей ферменту, що перетворює галактозу на глюкозу, призводить до накопичення в організмі галактози, яка у великих кількостях накопичується в тканинах і вражає печінку, нирки, очі. Якщо відсутність ферменту виявлено своєчасно, то дитину переводять на дієту, яка не містить галактозу. Це призводить до зникнення ознак захворювання.

Завдяки існуванню ферментних препаратів розшифровують структуру білків та нуклеїнових кислот. Без них неможливе виробництво антибіотиків, виноробство, хлібопечення, синтез вітамінів. У сільському господарстві застосовуються стимулятори зростання, які впливають на активування ферментативних процесів. Такою ж властивістю мають багато лікарських препаратів, які пригнічують або активують в організмі діяльність ферментів.

Без ферментів неможливо уявити розвиток таких перспективних напрямів, як відтворення хімічних процесів, які у клітині, і створення цій основі сучасної промислової біотехнології. Поки що жоден сучасний хімічний завод неспроможний змагатися зі звичайним листком рослини, у клітинах якого з участю ферментів і сонячних променів із води та вуглекислого газу синтезується безліч різноманітних складних органічних речовин. При цьому в атмосферу виділяється у великій кількості такий необхідний для життя кисень.

Ферментологія - молода та перспективна наука, що відокремилася від біології та хімії і обіцяє багато дивовижних відкриттів усім, хто вирішить зайнятися нею всерйоз.

Завантажити реферат: У вас немає доступу до завантаження файлів з нашого сервера.

Часто поряд із вітамінами, мінералами та іншими корисними для організму людини елементами згадують речовини під назвою ферменти. Що таке ферменти і яку функцію в організмі вони виконують, яка їхня природа і де вони знаходяться?

Це речовини білкової природи, біокаталізатори. Без них не було б дитячого харчування, готових каш, квасу, бринзи, сиру, йогурту, кефіру. Вони впливають працювати всіх систем людського організму. Недостатня чи надмірна активність цих речовин негативно позначається на здоров'ї, тому потрібно знати, що таке ферменти, щоб уникнути проблем, спричинених їх нестачею.

Що це таке?

Ферменти - це білкові молекули, що синтезуються живими клітинами. Їх понад сотню налічується у кожній клітині. Роль цих речовин є колосальною. Вони впливають протягом швидкості хімічних реакцій при температурі, яка підходить для даного організму. Інша назва ферментів – біологічні каталізатори. Збільшення швидкості хімічної реакції відбувається з допомогою полегшення її протікання. Як каталізатори, вони не витрачаються в процесі реакції та не змінюють її напрями. Головні функції ферментів полягають у тому, що без них дуже повільно в живих організмах протікали б усі реакції, а це помітно позначалося б на життєздатності.

Наприклад, при пережовуванні продуктів, що містять крохмаль (картопля, рис), у роті з'являється солодкуватий присмак, що пов'язано з роботою амілази – ферменту для розщеплення крохмалю, який є присутнім у слині. Сам по собі крохмаль несмачний, оскільки є полісахаридом. Солодкий смак мають продукти його розщеплення (моносахариди): глюкоза, мальтоза, декстрини.

Усі діляться на прості та складні. Перші складаються лише з білка, а другі - з білкової (апофермент) та небілкової (кофермент) частини. Коферментами можуть бути вітаміни груп, Е, До.

Класи ферментів

Зазвичай ці речовини поділені на шість груп. Назва їм спочатку давали залежно від субстрату, який діє певний фермент, шляхом додавання до його кореню закінчення -аза. Так, ті ферменти, що гідролізують білки (протеїни) стали називати протеїназами, жири (ліпос) – ліпазами, крохмаль (амілон) – амілазами. Потім ферменти, що каталізують подібні реакції, одержали назви, які вказують на тип відповідної реакції - ацилази, декарбоксилази, оксидази, дегідрогенази та інші. Більшість цих назв і сьогодні використовують.

Пізніше Міжнародна біохімічна спілка запровадила номенклатуру, згідно з якою назва та класифікація ферментів повинні відповідати типу та механізму каталізованої хімічної реакції. Цей крок приніс полегшення систематизації даних, що відносяться до різних аспектів метаболізму. Реакції і ферменти, що їх каталізують, діляться на шість класів. Кожен клас складається з кількох підкласів (4-13). Перша частина назви ферменту відповідає назві субстрату, друга - типу реакції, що каталізується із закінченням -аза. Кожен фермент класифікації (КФ) має свій кодовий номер. Першій цифрі відповідає клас реакції, наступній – підклас та третій – підпідклас. Четвертою цифрою є номер ферменту по порядку в його підпідкласі. Наприклад, якщо КФ 2.7.1.1, то фермент належить до 2-го класу, 7-го підкласу, 1-го підпідкласу. Останньою цифрою позначається фермент гексокіназу.

Значення

Якщо говорити про те, що таке ферменти, не можна оминути питання про їх значення в сучасному світі. Вони знайшли широке застосування майже у всіх галузях діяльності. Така їх поширеність пов'язана з тим, що вони здатні поза живими клітинами зберігати свої унікальні властивості. У медицині, наприклад, використовуються ферменти груп ліпаз, протеаз, амілаз. Вони розщеплюють жири, білки, крохмаль. Як правило, цей тип входить до складу таких лікарських препаратів, як Панзинорм, Фестал. Ці засоби в першу чергу використовуються з метою лікування захворювань шлунково-кишкового тракту. Деякі ферменти здатні розчиняти в кровоносних судинах тромби, допомагають при лікуванні гнійних ран. У лікуванні онкологічних захворювань ензимотерапія посідає особливе місце.

Завдяки здатності розщеплювати крохмаль у харчовій промисловості широко використовується фермент амілаза. У цій же області застосовують ліпази, які розщеплюють жири та протеази, що розщеплюють білки. У пивоварстві, виноробстві та хлібопеченні використовують ферменти амілази. У приготуванні готових каш для пом'якшення м'яса застосовують протеази. У виробництві сиру використовують ліпази та сичужний фермент. У косметичній промисловості також не обійтися без них. Вони входять до складу пральних порошків, кремів. У пральні порошки, наприклад, додають амілазу, що розщеплює крохмаль. Білкові забруднення та білки розщеплюються протеазами, а ліпази очищають тканину від олії та жиру.

Роль ферментів в організмі

Два процеси відповідають в організмі людини за обмін речовин: анаболізм та катаболізм. Перший забезпечує засвоєння енергії та необхідних речовин, другий – розпад продуктів життєдіяльності. Постійна взаємодія цих процесів впливає на засвоєння вуглеводів, білків та жирів та підтримку життєдіяльності організму. Обмінні процеси регулюються трьома системами: нервовою, ендокринною та кровоносною. Вони можуть нормально функціонувати за допомогою ланцюга ферментів, які забезпечують адаптацію людини до змін умов зовнішнього і внутрішнього середовища. До складу ферментів входить як білкова, і небілкова продукція.

У процесі біохімічних реакцій в організмі, у перебігу яких беруть участь ферменти, вони не витрачаються. У кожного з них своя хімічна структура та своя унікальна роль, тому кожен ініціює лише певну реакцію. Біохімічні каталізатори допомагають прямій кишці, легені, ниркам, печінці виводити токсини та продукти життєдіяльності з організму. Також вони сприяють побудові шкіри, кісток, нервових клітин, м'язових тканин. Специфічні ферменти застосовуються для окислення глюкози.

Усі ферменти в організмі поділяються на метаболічні та травні. Метаболічні беруть участь у нейтралізації токсинів, виробництві білків та енергії, прискорюють у клітинах біохімічні процеси. Так, наприклад, супероксидисмутаза є найсильнішим антиоксидантом, який міститься в природному вигляді у більшості зелених рослин, білокачанної, брюссельської капусті та броколі, у проростках пшениці, зелені, ячмені.

Активність ферментів

Щоб дані речовини повністю виконували свої функції, необхідні певні умови. На їхню активність впливає насамперед температура. За підвищеної зростає швидкість хімічних реакцій. В результаті збільшення швидкості молекул у них з'являється більше шансів на зіткнення один з одним, і можливість перебігу реакції, отже, збільшується. Оптимальна температура забезпечує найбільшу активність. Внаслідок денатурації білків, що відбувається за відхилення оптимальної температури від норми, знижується швидкість хімічної реакції. При досягненні температури точки замерзання фермент не денатурує, але інактивується. Спосіб швидкого заморожування, який широко використовують для тривалого зберігання продуктів, зупиняє зростання та розвиток мікроорганізмів з подальшою інактивацією ферментів, що знаходяться усередині. Як наслідок, продукти харчування не розкладаються.

На активність ферментів також впливає кислотність довкілля. Працюють вони за нейтрального рН. Тільки деякі з ферментів працюють у лужному, сильнолужному, кислому або сильнокислому середовищі. Наприклад, сичужний фермент розщеплює білки в сильнокислому середовищі у шлунку людини. На фермент можуть діяти інгібітори та активатори. Активують їх деякі іони, наприклад металів. Інші іони надають переважну дію на активність ферментів.

Гіперактивність

Надмірна активність ферментів несе свої наслідки для функціонування всього організму. По-перше, вона провокує підвищення швидкості дії ферменту, що у свою чергу викликає дефіцит субстрату реакції та утворення надлишку продукту хімічної реакції. Дефіцит субстратів та накопичення названих продуктів помітно погіршує самопочуття, порушує життєдіяльність організму, спричиняє розвиток захворювань та може закінчитися смертю людини. Накопичення сечової кислоти, наприклад, призводить до виникнення подагри та ниркової недостатності. Через відсутність субстрату не виникне надлишку продукту. Це працює лише в тих випадках, коли без одного та іншого можна обійтися.

Причин надлишку активності ферментів кілька. Перша – це мутація гена, вона може бути вродженою чи набутою під впливом мутагенів. Другий чинник - надлишок у воді чи їжі вітаміну чи мікроелемента, необхідний роботи ферменту. Надлишок вітаміну С, наприклад, через підвищену активність ферментів синтезу колагену порушує механізми загоєння ран.

Гіпоактивність

Як підвищена, і знижена активність ферментів негативно б'є по діяльності організму. У другому випадку можливе повне припинення активності. Цей стан різко знижує швидкість хімічної реакції ферменту. Як наслідок, накопичення субстрату доповнюється дефіцитом продукту, що призводить до серйозних ускладнень. На тлі порушень життєдіяльності організму погіршується самопочуття, розвиваються захворювання, і може бути смерть. Накопичення аміаку чи дефіцит АТФ призводить до смерті. Через накопичення фенілаланіну розвивається олігофренія. Тут також діє принцип, що за відсутності субстрату ферменту не виникне накопичення субстрату реакції. Поганий вплив на організм має стан, при якому не виконують своїх функцій ферменти крові.

Розглядають кілька причин гіпоактивності. Мутація генів уроджена чи набута - це перше. Стан можна відкоригувати за допомогою генотерапії. Можна спробувати виключити з їжі субстрати відсутнього ферменту. У деяких випадках це може допомогти. Другий чинник - відсутність у їжі вітаміну чи мікроелемента, необхідні роботи ферменту. Наступні причини – порушена активація вітаміну, дефіцит амінокислот, ацидоз, поява інгібіторів у клітині, денатурація білків. Активність ферментів знижується також із зниженням температури тіла. Деякі чинники впливають функції ферментів всіх типів, інші - лише працювати певних.

Травні ферменти

Від процесу їжі людина отримує задоволення і іноді ігнорує те, що головне завдання травлення - це перетворення продуктів харчування на речовини, здатні стати джерелом енергії і будівельним матеріалом для тіла, всмоктуючи в кишечник. Ферменти білків сприяють цьому процесу. Травні речовини виробляються органами травлення, що у процесі розщеплення їжі. Дія ферментів потрібна для того, щоб отримувати необхідні вуглеводи, жири, амінокислоти з їжі, що становить необхідні поживні речовини та енергію для нормальної життєдіяльності організму.

З метою нормалізації порушеного травлення рекомендується з їдою одночасно застосовувати і необхідні білкові речовини. При переїданні можна прийняти 1-2 таблетки після або під час їди. В аптеках продається велика кількість різних ферментних препаратів, що сприяють покращенню процесів травлення. Запастись ними слід прийому одного виду поживних речовин. При проблемах із пережовуванням чи ковтанням їжі необхідно під час їжі приймати ферменти. Вагомими причинами для їх використання можуть бути такі захворювання, як набуті та вроджені ферментопатії, синдром подразненої товстої кишки, гепатит, холангіт, холецистит, панкреатит, коліт, хронічний гастрит. Ферментні препарати слід приймати разом із ліками, які впливають на процес травлення.

Ензимопатологія

У медицині є цілий розділ, який займається пошуком зв'язку між захворюванням та відсутністю синтезу певного ферменту. Це область ензимології – ензимопатологія. Недостатній синтез ферментів також розглядається. Наприклад, спадкове захворювання фенілкетонурія розвивається на тлі втрати здатності клітин печінки здійснювати синтез цієї речовини, що каталізує перетворення на тирозин фенілаланіну. Симптомами захворювання є розлади психічної діяльності. Через поступове накопичення токсичних речовин в організмі хворого турбують такі ознаки, як блювання, неспокій, підвищена дратівливість, відсутність інтересу до чогось, виражена втома.

При народженні дитини патологія не виявляється. Первинну симптоматику можна помітити віком від двох до шести місяців. Друге півріччя життя малюка характеризується вираженим відставанням у психічному розвитку. У 60% хворих розвивається ідіотія, менш ніж 10% обмежуються слабким ступенем олігофренії. Ферменти клітини не справляються зі своїми функціями, але це можна виправити. Своєчасна діагностика патологічних змін здатна призупинити розвиток захворювання до періоду статевого дозрівання. Лікування полягає в обмеженні надходження з їжею фенілаланіну.

Ферментні препарати

Відповідаючи питанням у тому, що таке ферменти, можна назвати два визначення. Перше – це біохімічні каталізатори, а друге – це препарати, які їх містять. Вони здатні нормалізувати стан середовища у шлунку та кишечнику, забезпечити розщеплення до мікрочастинок кінцевих продуктів, покращити процес всмоктування. Вони також перешкоджають виникненню та розвитку гастроентерологічних захворювань. Найбільш відомим із ферментів є лікарський препарат «Мезим Форте». У своєму складі він має ліпазу, амілазу, протеазу, які сприяють зменшенню болю при хронічному панкреатиті. Капсули приймають як замісне лікування при недостатньому виробленні підшлунковою залозою необхідних ферментів.

Ці препарати використовуються переважно під час їжі. Кількість капсул або таблеток призначає лікар виходячи з виявлених порушень механізму всмоктування. Зберігати їх краще у холодильнику. При тривалому прийомі травних ферментів звикання немає, і роботі підшлункової залози це позначається. При виборі препарату варто звернути увагу на дату, співвідношення якості та ціни. Препарати ферментів рекомендують приймати при хронічних захворюваннях органів травлення, при переїданні, при періодичних проблемах із шлунком, а також при отруєнні продуктами харчування. Найчастіше лікарі призначають таблетований препарат «Мезим», який добре зарекомендував себе на вітчизняному ринку та впевнено тримає позиції. Є й інші аналоги цього препарату, не менш відомі та більш ніж доступні за ціною. Зокрема, багато хто віддає перевагу таблеткам "Пакреатину" або "Фесталу", що володіють тими ж властивостями, що і дорожчі аналоги.

Життя будь-якого організму можливе завдяки процесам обміну речовин, що протікають в ньому. Цими реакціями керують природні каталізатори, чи ферменти. Інша назва цих речовин – ензими. Термін "ферменти" походить від латинського fermentum, що означає "закваска". Поняття виникло історично щодо процесів бродіння.

Мал. 1 - Бродіння з використанням дріжджів - типовий приклад ферментативної реакції

Людство давно має корисні властивості цих ферментів. Наприклад, вже багато століть із молока за допомогою сичужного ферменту роблять сир.

Ферменти відрізняються від каталізаторів тим, що діють у живому організмі, тоді як каталізатори – у неживій природі. Галузь біохімії, яка вивчає ці найважливіші для життя речовини, називається ензимологією.

Загальні властивості ферментів

Ферменти є молекулами білкової природи, які взаємодіють з різними речовинами, прискорюючи їх хімічне перетворення по певному шляху. При цьому вони не витрачаються. У кожному ферменті є активний центр, що приєднується до субстрату, та каталітична ділянка, яка запускає ту чи іншу хімічну реакцію. Ці речовини прискорюють біохімічні реакції, що протікають в організмі без підвищення температури.

Основні властивості ферментів:

• специфічність: здатність ферменту діяти лише на специфічний субстрат, наприклад, ліпази – на жири;
• каталітична ефективність: здатність ферментативних білків прискорювати біологічні реакції у сотні та тисячі разів;
• здатність до регуляції: у кожній клітині вироблення та активність ферментів визначається своєрідним ланцюгом перетворень, що впливає на здатність цих білків знову синтезуватися.

Роль ферментів у людини неможливо переоцінити. У той час, коли ще тільки відкрили структуру ДНК, говорили, що один ген відповідає за синтез одного білка, який визначає якусь певну ознаку. Зараз це твердження звучить так: «Один ген – один фермент – одна ознака». Тобто без активності ферментів у клітині життя не може існувати.

Класифікація

Залежно від участі у хімічних реакціях, розрізняються такі класи ферментів:

У живому організмі всі ферменти поділяються на внутрішньо-і позаклітинні. До внутрішньоклітинних відносяться, наприклад, ферменти печінки, що беруть участь у реакціях знешкодження різних речовин, що надходять із кров'ю. Вони виявляються у крові при пошкодженні органу, що допомагає у діагностиці його захворювань.

Внутрішньоклітинні ферменти, які є маркерами ушкодження внутрішніх органів:

• печінка - аланінамінотрансефраза, аспартатамінотрансфераза, гамма-глютамілтранспептидаза, сорбітдегідрогеназа;
• нирки – лужна фосфатаза;
• передміхурова залоза – кисла фосфатаза;
• серцевий м'яз - лактатдегідрогеназа

Позаклітинні ферменти виділяються залозами у зовнішнє середовище. Основні з них секретуються клітинами слинних залоз, шлункової стінки, підшлункової залози, кишечника і беруть активну участь у травленні.

Травні ферменти

Травні ферменти – це білки, які прискорюють розщеплення великих молекул, що входять до складу їжі. Вони поділяють такі молекули на дрібніші фрагменти, які легше засвоюються клітинами. Основні типи травних ферментів – протеази, ліпази, амілази.

Основна травна залоза – підшлункова. Вона виробляє більшість цих ферментів, і навіть нуклеаз, що розщеплюють ДНК і РНК, і пептидаз, що у освіті вільних амінокислот. Причому незначна кількість ферментів, що утворюються, здатна «обробити» великий обсяг їжі.

При ферментативному розщепленні поживних речовин виділяється енергія, яка витрачається на процеси обміну речовин та життєдіяльності. Без участі ферментів, подібні процеси відбувалися надто повільно, не забезпечуючи організм достатнім енергетичним запасом.

Крім того, участь ферментів у процесі травлення забезпечує розпад поживних речовин до молекул, здатних проходити через клітини кишкової стінки та надходити в кров.

Амілаза

Амілаза виробляється слинними залозами. Вона діє на крохмаль їжі, що складається з довгого ланцюга молекул глюкози. Внаслідок дії цього ферменту утворюються ділянки, що складаються з двох з'єднаних молекул глюкози, тобто фруктоза, та інші коротколанцюгові вуглеводи. Надалі вони метаболізуються до глюкози у кишечнику і звідти всмоктуються у кров.

Слинні залози розщеплюють лише частину крохмалю. Амілаза слини активна протягом короткого часу, доки їжа прожовується. Після потрапляння до шлунка фермент інактивується його кислим вмістом. Більшість крохмалю розщеплюється вже в 12-палої кишці під впливом панкреатичної амілази, що виробляється підшлунковою залозою.

Мал. 2 - Амілаза починає розщеплення крохмалю

Короткі вуглеводи, що утворилися під дією панкреатичної амілази, потрапляють до тонкого кишечника. Тут з допомогою мальтази, лактази, сахарази, декстринази вони розщеплюються молекул глюкози. Клітковина, що не розщеплюється ферментами, виводиться з кишечника з каловими масами.

Протеази

Білки чи протеїни - істотна частина людського раціону. Для їхнього розщеплення необхідні ферменти - протеази. Вони різняться за місцем синтезу, субстратів та інших характеристик. Деякі їх активні у шлунку, наприклад, пепсин. Інші виробляються підшлунковою залозою та активні у просвіті кишечника. У самій залозі виділяється неактивний попередник ферменту – хімотрипсиноген, який починає діяти лише після змішування з кислим харчовим вмістом, перетворюючись на хімотрипсин. Такий механізм допомагає уникнути самоушкодження протеазами клітин підшлункової залози.

Мал. 3 - Ферментативне розщеплення білків

Протеази розщеплюють харчові білки більш дрібні фрагменти - поліпептиди. Ферменти – пептидази руйнують їх до амінокислот, які засвоюються у кишечнику.

Ліпази

Харчові жири руйнуються ферментами-ліпазами, які також виробляються підшлунковою залозою. Вони розщеплюють молекули жиру на жирні кислоти та гліцерин. Така реакція вимагає наявності у просвіті 12-палої кишки жовчі, що утворюється у печінці.

Мал. 4 - Ферментативний гідроліз жирів

Роль замісної терапії препаратом "Мікразім"

Для багатьох людей з порушенням травлення, насамперед із захворюваннями підшлункової залози, призначення ферментів забезпечує функціональну підтримку органу та прискорює процеси одужання. Після усунення нападу панкреатиту або іншої гострої ситуації прийом ферментів можна припинити, оскільки організм самостійно відновлює їх секрецію.

Тривалий прийом ферментативних препаратів необхідний лише при тяжкій зовнішньосекреторній недостатності підшлункової залози.

Одним із найбільш фізіологічних за своїм складом є препарат «Мікразім». До його складу входять амілаза, протеази та ліпаза, що містяться в панкреатичному соку. Тому немає необхідності окремо підбирати, який фермент потрібно використовувати за різноманітних хвороб цього органу.

Показання для використання цих ліків:

• хронічний панкреатит, муковісцидоз та інші причини недостатньої секреції ферментів підшлункової залози;
• запальні захворювання печінки, шлунка, кишечника, особливо після операцій на них, для швидшого відновлення травної системи;
• похибки у харчуванні;
• порушення функції жування, наприклад при стоматологічних захворюваннях або малорухливості пацієнта.

Прийом травних ферментів із замісною метою допомагає уникнути здуття живота, рідкого випорожнення, болю в животі. Крім того, при тяжких хронічних захворюваннях підшлункової залози Мікразим повністю бере на себе функцію розщеплення поживних речовин. Тому вони можуть безперешкодно засвоюватись у кишечнику. Це особливо важливо для дітей, які страждають на муковісцидоз.

Важливо: перед застосуванням ознайомтеся з інструкцією або проконсультуйтеся з лікарем.