Материал: Биомолекулы. свойства, роль в биохимии человека, технологии получения. Хорохордина Е.А., Рудаков О.Б

Функции ферментов

Ферменты присутствуют во всех живых клетках и способствуют превращению одних веществ в другие. 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 теленка, створаживает около 10⁶ молекул казеиногена молока за 10 мин при температуре 37 °C. При этом эффективность ферментов значительно выше эффективности небелковых катализаторов - ферменты ускоряют реакцию в миллионы и миллиарды раз, небелковые катализаторы - в сотни и тысячи раз.

Ферменты и пищеварение. Ферменты − необходимые участники процесса пищеварения. Только низкомолекулярные соединения могут проходить через стенку кишечника и попадать в кровоток, поэтому компоненты пищи должны быть предварительно расщеплены до небольших молекул. Это происходит в ходе ферментативного гидролиза (расщепления) белков до аминокислот, крахмала до сахаров, жиров до жирных кислот и глицерина. Гидролиз белков катализирует фермент пепсин, содержащийся в желудке. Ряд высокоэффективных пищеварительных ферментов секретирует в кишечник поджелудочная железа. Ферменты находят применение в пищевой, фармацевтической, химической и текстильной промышленности. В качестве примера можно привести растительный фермент, получаемый из папайи и используемый для размягчения мяса. Ферменты добавляют также в стиральные порошки.

Дополнительная информация

Ферменты – биологические катализаторы белковой природы

Вещества, на которое действует фермент, называют субстратами.

Все многообразие биохимических реакций, протекающих в микроорганизмах, растениях и животных, катализируется соответствующими ферментами. Велика роль ферментов в технологии пищевых продуктов. В основе производства любого пищевого продукта лежат либо биохимические (ферментативные), либо физико-химические процессы, либо эти процессы взаимосвязаны.

С точки зрения локализации ферментов в клетке их подразделяют на внеклеточные и внутриклеточные.

Внеклеточные ферменты выделяются живой клеткой во внешнюю среду, внутриклеточные – находятся либо в клеточных органеллах, либо в комплексе с надмолекулярными структурами.

Особую группу ферментов составляют полиферментные комплексы, в состав которых входит ряд ферментов, катализирующих последовательные реакции превращения какого-либо субстрата. Эти комплексы локализованы во внутримолекулярных структурах таким образом, что каждый фермент располагается в непосредственной близости от фермента, катализирующего реакцию в цепи данной последовательности реакций. Благодаря такому расположению ферментов процесс диффузии субстрата и продуктов реакции сводится к минимуму.

Ферменты – высокомолекулярные полипептиды или белковые соединения. Как и другие белки, ферменты имеют 4 уровня структуры, им присущи все физико-химические свойства белков, и лишь одна отличительная особенность – способность ускорять химические реакции. Ферменты могут быть простыми однокомпонентными и сложными двухкомпонентными.

Однокомпонентные ферменты построены из полипептидных цепей и при гидролизе распадаются только до аминокислот.

Двухкомпонентные ферменты состоят из белковой части – апоформента и небелковой части – кофактора. Оба компонента в отдельности лишены ферментативной активности. Только соединившись вместе (холофермент), они приобретают свойства, характерные для биокатализаторов.

Активный центр ферментов – это локальный участок молекулы фермента, который необходим в акте катализа.

Скорость любой ферментативной реакции определяется энергетическим барьером, который необходимо преодолеть реагирующим молекулам.

Энергия активации – дополнительное количество энергии, необходимое для того, чтобы все молекулы преодолели энергетический барьер реакции и вступили в неё. Эта энергия представляет собой разность общей энергии реагирующих молекул и энергии возбужденного переходного состояния. Чем больше энергия активации в реагирующей системе, тем выше энергетический барьер и тем ниже скорость реакции.

Важнейшая функция фермента – снижение энергии активации катализируемого процесса.

Механизм ферментативного катализа во многом остается пока еще не выясненным. Однако большую роль в создании ферментативной кинетики сыграли работы М. Михаэлиса и М. Ментен, в которых было развито представление о фермент-субстратном комплексе. Образование этого комплекса и ведет к снижению энергии активации реакции.

Кинетика ферментативных реакций [6-8]

Кинетика – наука, изучающая закономерности изменения скорости химических реакций во времени. Кинетической закономерности подчиняются и ферментативные реакции. Особенностью их является образование фермент-субстратного комплекса, насыщение фермента субстратом.

Любую ферментативную реакцию можно описать уравнением

[E] + [S] ↔ [ES] + P,

где [S] – концентрация субстрата; [ES] – концентрация фермент-субстратного комплекса; Р – продукты реакции.

Это основное уравнение кинетики ферментативной реакции - Михаэлиса-Ментен.

Данное уравнение имеет несколько решений:

1. [S] >> K_S; тогда величиной K_S можно пренебречь и v = V_max, пока концентрация субстрата велика, скорость реакции близка к максимальной и практически мало изменяется до тех пор, пока уменьшение концентрации субстрата не будет значительным. Реакция будет иметь нулевой порядок (n = 0).

2. [S] << K_S; тогда практически скорость реакции будет описываться уравнением

,

где V_max и K_S – кинетические константы и данное уравнение – уравнение прямой линии; скорость ферментативной реакции пропорциональна концентрации субстрата. Это реакция первого порядка (n = 1).

3. Величина [S] – промежуточная; пусть [S] = K_S, v = 1/2V_max. В данном случае порядок реакции будет дробный (0 < n <1).

Таким образом, в ферментативных реакциях порядок реакции меняется в ходе самой реакции.

Влияние физико-химических факторов на активность ферментов

Все ферментативные реакции имеют 4 особенности:

1. высокая активность ферментов;

2) обратимость действия ферментов;

3) специфичность действия ферментов;

4) лабильность (чувствительность).

Важнейшим фактором, от которого зависит активность ферментов, является температура. Изменение скорости реакции при повышении температуры на каждые 10 С выражают температурным коэффициентом. Температурный коэффициент представляет собой отношение скорости реакции при данной температуре к скорости реакции при температуре на 10 С ниже данной.

Каждый фермент проявляет своё действие в пределах довольно узкой зоны рН. Оптимальное значение рН связано с аминокислотным составом ферментов.

В

0

Активаторы – химические соединения, повышающие действие ферментов (например, глютатион активизирует действие протеаз, NaCl увеличивает активность амилаз); ингибиторы – соединения, подавляющие их активность (например, группа –CN подавляет активность дыхательных ферментов, находящихся в цитохромной системе) и нейтральные соединения – не оказывают никакого влияния на ферменты.

Процесс ингибирования может быть обратимым и необратимым.

Нарушение каталитической активности ферментов

Нарушение каталитической активности ферментов может быть обусловлено мутациями [6]. Известно много генетических болезней человека, при которых тот или иной фермент либо совсем неактивен, либо имеет какой-то дефект, затрагивающий его каталитическую или регуляторную функцию. При таких заболеваниях в полипептидных цепях «дефектного» фермента содержится одна или большее число «неправильных» аминокислот, появившихся в результате мутации участков ДНК, кодирующей этот фермент. Каталитическая активность фермента зависит не только от наличия определенных аминокислотных остатков в каталитическом и регуляторном центрах, но и от общей трехмерной структуры фермента. Поэтому замена одного аминокислотного остатка в каком-либо важном месте цепи может привести к изменению или даже к полной утрате каталитической активности фермента, подобно тому как замена всего лишь одного аминокислотного остатка в молекуле гемоглобина вызывает появление серповидноклеточного гемоглобина с нарушенной функцией. Если генетически измененный фермент входит в состав ферментной системы, катализирующей какой-нибудь центральный метаболический путь, то последствия такого изменения могут быть очень тяжелыми, вплоть до летальных нарушений метаболизма.

Одно из наиболее серьезных генетических заболеваний человека, вы­званных нарушениями структуры того или иного фермента – это альбинизм. В настоящее время считается, что причиной альбинизма является отсутствие (или блокада) фермента тирозиназы, необходимой для нормального синтеза меланина - особого вещества, от которого зависит окраска тканей.

Прилагается много усилий, чтобы предотвратить нежелательные последствия подобных генетических дефектов в ферментах. Один из испробованных подходов - это введение в организм нормальной, активной формы дефектного фермента, иммобилизованного в фильтрующей капсуле, вставленной в кровеносный сосуд. Использование такого метода позволяет надеяться, что метаболиты, накапливающиеся в организме вследствие какого-либо генетического дефекта, будут превращаться в нормальные продукты при прохождении крови через капсулу, содержащую активный фермент.

Генетические изменения в ферментах не всегда приводят к вредным последствиям. Часто они проявляются в изменении второстепенных признаков организма, таких как цвет глаз или волос. Например, характерная окраска сиамских кошек - это результат генетических изменений фермента, ответственного за синтез темного пигмента шерсти, вследствие этого дефекта фермент активен только в более холодных частях тела. Иногда в результате какого-либо генетического нарушения фермент начинает функционировать более эффек­тивно, что дает организму некоторое преимущество в борьбе за существование.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение ферментам.

2. На какие 6 классов делят все ферменты?

3. Охарактеризуйте функции ферментов.

4. Какова роль ферментов в пищеварении?

5. К чему приводит нарушение каталитической активности ферментов?

1.7. Углеводы: строение, биологические функции

Углеводы – полигидроксиальдегиды и полигидроксикетоны с общей формулой (СН₂О)_n, наиболее распространенный на земле класс органических соединений. Они составляют 85-90 % всей массы растительного организма.

Углеводы являются первичными продуктами фотосинтеза, в круговороте веществ в природе они играют роль своеобразного моста между органическими и неорганическими соединениями.

Классификация углеводов основана на их структуре и физико-химических свойствах. Структурную классификацию этих веществ можно представить в виде схемы, представленной на рис. 4.

УГЛЕВОДЫ

(сахариды)

Рис. 5. Схема классификации углеводов

Таким образом, условно углеводы делят на три подкласса: моносахариды, олигосахариды, полисахариды.

По физико-химическим свойствам углеводы делятся на нейтральные, содержащие только гидроксильные и карбонильные группы; основные, включающие кроме названных аминогруппу (аминосахара); кислотные, содержащие кроме гидроксильных и карбонильных групп карбоксильные группы.

Значение углеводов

Самый распространенный в природе углевод – глюкоза является первичным продуктом фотосинтеза из СО₂ и Н₂О. Она один из основных поставщиков энергии для живой клетки. Превращая глюкозу в полисахариды – крахмал и гликоген, организмы запасают ее впрок. Другие полисахариды, например клетчатка, являются конструкционным материалом клетки. Углеводы участвуют в большинстве биохимических процессов. Из них в живых организмах осуществляются многочисленные синтезы различных биологически активных веществ. Полисахариды ответственны за иммунитет организма.