Ферменты, или энзимы (от лат. fermentum — закваска) — обычно белковые молекулы или молекулы РНК (рибозимы) или их комплексы, ускоряющие (катализирующие) химические реакции в живых организмах, не подвергаясь при этом никаким изменениям. Вещества, оказывающие подобное действие, существуют и в неживой природе и называются атализаторами.

Ферментативная активность может регулироваться активаторами и ингибиторами (активаторы — повышают, ингибиторы — понижают химические реакции).

Термины «фермент» и «энзим» давно используют как синонимы. Наука о ферментах называется энзимологией.

Жизнедеятельность любого организма не возможна без участия ферментов. Ферментативный катализ ускоряет прохождение всех биохимических реакций в организме и обеспечивает, таким образом, феномен жизни. Без присутствия ферментов в ходе биохимических реакций не произойдёт расщепления пищи на пять основных соединений: углеводы, жиры, белки, витамины и микроэлементы - пища останется бесполезной для организма. Таким образом, без ферментов жизнь замедляется.

1. стимулируют процесс переваривания и всасывания пищи;
2. активизируют метаболизм, способствуют выведению умерших клеток из организма;
3. регулируют осмотическое давление, нормализуют значение рН различных сред;
4. обеспечивают обмен веществ, поддерживают способность организма противостоять воспалительным процессам;
5. повышают иммунитет и способность организма к самовосстановлению и саморегуляции;
6. способствуют детоксикации организма, очищают лимфу и кровь.

Необходимость в ферментах для здорового функционирования организма
Большинство учёных в настоящее время убеждены, что почти все болезни вызваны отсутствием или недостаточным количеством ферментов в организме. Медицинские исследования показывают, что нарушения процесса выработки ферментов в организме обусловлены генетическими факторами.

В частности, такое распространённое сейчас заболевание, как сахарный диабет, связано с тем, что поджелудочная железа недостаточно или вообще не вырабатывает фермент инсулин. Лейкемия и другие виды рака обусловлены отсутствием или слабостью ферментативных барьеров в организме. Эти факты постепенно подтверждаются научными исследованиями. Можно сказать, что если в организме присутствует необходимое количество ферментов - не будет ста болезней.

С возрастом, по мере старения человеческого организма, выработка ферментов снижается. Организм начинает испытывать их недостаток, что отражается на протекании обменных процессов, снижается эффективность переваривания и всасывания питательных веществ, становится сложнее воздействовать на организм лекарственными препаратами, т. к. они усваиваются недостаточно и вызывают большее количество побочных эффектов. Дополнительное поступление большого количества ферментов в организм позволит компенсировать их недостаток и все обусловленные этим последствия.

Таким образом, достаточное количество ферментов в организме является необходимым условием его здорового состояния. Многие заболевания вызываются недостаточной выработкой ферментов, что нарушает баланс обмена веществ в организме. Если обеспечить в дополнение к природной выработке ферментов их поступление извне, то это будет самым быстрым и лучшим способом лечения заболеваний.

Человеческий организм существует за счёт постоянного воздействия ферментов. Например, в процессе пищеварения с помощью ферментов (энзимов) происходят реакции разложения пищи на питательные вещества — белки, жиры, углеводы, витамины и микроэлементы; которые с их же помощью всасываются в кровь и разносятся ко всем органам. За счёт этого наши мышцы и кости, все органы и системы питаются, получают энергию и осуществляют функции, необходимые для поддержания организма в здоровом, активном состоянии.

Не только человеческий организм, но и всё живое, между небом и землёй, существует за счёт биохимических реакций, осуществляемых с помощью ферментов. Фермент является источником жизни и здоровья любого живого организма.

Роль ферментов в поддержании жизнедеятельности организма удивительна по своей значимости.

Наличие ферментов и существование всего живого — неотделимые понятия. Если количество фермента недостаточно для поддержания жизни — это означает смерть. Появление зелёных листьев на деревьях весной, свет светлячка, любой акт жизнедеятельности человеческого тела (будь то приём пищи, прогулка по улице, пение, смех или плач) - все эти процессы обеспечиваются биохимическими реакциями и не возможны без обязательного участия ферментов.

С первого дня зачатия ребёнка ферменты начинают выполнять свою роль. Сперматозоид не сможет попасть в яйцеклетку, если ему не хватает особого фермента для растворения клеточной стенки яйцеклетки для осуществления процесса оплодотворения.

Вся потребляемая нами пища проходит сложный процесс расщепления на простые элементы в желудочно-кишечном тракте под воздействием пищеварительных ферментов. Только тогда эти питательные элементы могут попасть в кровь и разнестись ко всем органам и тканям. Попробуйте жевать кусочек хлеба в течение 2-3 минут, вы почувствуете, как он постепенно становится сладким — это потому, что под воздействием ферментов, содержащихся в слюне, крахмал расщепляется и высвобождается сладкая мальтоза.

При помощи ферментов в организме происходит не только процесс расщепления веществ, но и их синтез. Например, синтез аминокислот в молекулы белка — основного строительного материала для клеток мышц, волос и т. д., или превращение глюкозы в гликоген, который откладывается в печени и, в случае нехватки энергии, при помощи тех же ферментов, опять расщепляется на молекулы глюкозы, что обеспечивает в организме быстрый выброс энергии.

Процесс обновления кожи также происходит за счёт ферментов, участвующих в метаболических процессах. Если специфических для этого процесса ферментов достаточно, кожа будет нежной, блестящей и упругой. При дефиците фермента кожа становится сухой, шелушащейся, вялой.

В организме человека функционирует около 4000 различных видов ферментов. В нём происходят тысячи биохимических реакций, которые в комплексе могут быть сравнимы с большим химическим заводом. Но все эти химические реакции требуют ферментативного катализа, иначе они или не протекают или протекают очень медленно. Каждый фермент участвует в одной химической реакции. Некоторые из ферментов не могут быть синтезированы организмом. Если в организме не хватает каких-либо ферментов, то существует опасность развития заболевания или возникновения предболезненного состояния, которое рано или поздно проявится в болезни.

Поэтому, если вы хотите сохранить свою молодость, красоту и здоровье на долгие годы, необходимо обеспечивать содержание в организме достаточного количества ферментов. И если их уровень низкий, то основной источник их восполнения — ежедневный приём в виде биоактивных добавок.

Группы людей, особенно нуждающиеся в дополнительных источниках ферментов
Рассмотрим, какие группы людей особенно нуждаются в употреблении дополнительных ферментов.

Те, кто хочет улучшить свою физическую форму, укрепить здоровье или восстановить его после болезни.

Люди с ослабленным иммунитетом, часто подверженные инфекциям.

Те, кто испытывает постоянную утомляемость, жалуется на отсутствие энергии, частую слабость.

Преждевременно стареющие, немощные люди.

Люди, страдающие хроническими заболеваниями.

Онкобольные с различными типами рака, в до- и послеоперационный период.

Люди, страдающие заболеваниями печени.

Люди, предпочитающие мясную пищу.

Люди, склонные к неврастении и другим нервно-психическим заболеваниям.

Люди, страдающие половой дисфункцией.

Женщины в дородовой и послеродовой период.

Люди с нарушениями функций пищеварения.

Вегетарианцы (пищевые добавки будут способствовать стабильности клетки).

Люди с недостаточным телосложением, для улучшения физической формы (избыточный вес и ожирение, недостаточный вес).

Люди с нарушениями и ограничениями в движении.

Дети в период интенсивного роста (поскольку современные дети в большинстве своём почти не употребляют продукты, содержащие пищеварительные ферменты — липазу, амилазу и протеазу; и это является одной из главных причин детского ожирения, частых аллергий, запоров, повышенной утомляемости).

Пожилые люди (с возрастом способность организма производить собственные ферменты уменьшается, снижается количество фермента, стимулирующего процесс «инвентаризации» в организме, именно поэтому потребление дополнительных ферментов является для них путём к долголетию).

Пациенты с установленной ферментной дисфункцией (поскольку собственные ферментные запасы у них истощены, они особенно нуждаются в дополнительном приёме ферментов).

Спортсмены особенно нуждаются в большом количестве дополнительных ферментов, поскольку из-за интенсивных физических нагрузок в их организме происходит ускоренный обмен веществ, а значит, и расход ферментных запасов также происходит усиленно (образно их можно сравнить со свечой, горящей с двух концов).

Глава IV .3.

Ферменты

Обменвеществ в организме можно определить как совокупность всех химических превращений, которым подвергаются соединения, поступающие извне. Эти превращения включают все известные виды химических реакций: межмолекулярный перенос функциональных групп, гидролитическое и негидролитическое расщепления химических связей, внутримолекулярная перестройка, новообразование химических связей и окислительно - восстановительные реакции. Такие реакции протекают в организме с чрезвычайно большой скоростью только в присутствии катализаторов. Все биологические катализаторы представляют собой вещества белковой природы и носят названия ферменты (далее Ф) или энзимы (Е).

Ферменты не являются компонентами реакций, а лишь ускоряют достижение равновесия увеличивая скорость как прямого, так и обратного превращения. Ускорение реакции происходит за счет снижении энергии активации – того энергетического барьера, который отделяет одно состояние системы (исходное химическое соединение) от другого (продукт реакции).

Ферменты ускоряют самые различные реакции в организме. Так достаточно простая с точки зрения традиционной химии реакция отщепления воды от угольной кислоты с образованием СО 2 требует участия фермента, т.к. без него она протекает слишком медленно для регулирования рН крови. Благодаря каталитическому действию ферментов в организме становится возможным протекание таких реакций, которые без катализатора шли бы в сотни и тысячи раз медленнее.

Свойства ферментов

1. Влияние на скорость химической реакции: ферменты увеличивают скорость химической реакции, но сами при этом не расходуются.

Скорость реакции – это изменение концентрации компонентов реакции в единицу времени. Если она идет в прямом направлении, то пропорциональна концентрации реагирующих веществ, если в обратном – то пропорциональна концентрации продуктов реакции. Отношение скоростей прямой и обратной реакций называется константой равновесия. Ферменты не могут изменять величины константы равновесия, но состояние равновесия в присутствии ферментов наступает быстрее.

2. Специфичность действия ферментов. В клетках организма протекает 2-3 тыс. реакций, каждая из которые катализирутся определенным ферментом. Специфичность действия фермента – это способность ускорять протекание одной определенной реакции, не влияя на скорость остальных, даже очень похожих.

Различают:

Абсолютную – когда Ф катализирует только одну определенную реакцию (аргиназа – расщепление аргинина)

Относительную (групповую спец) – Ф катализирует определенный класс реакций (напр. гидролитическое расщепление) или реакции при участии определенного класса веществ.

Специфичность ферментов обусловлена их уникальной аминокислотной последовательностью, от которойзависит конформация активного центра, взаимодействующего с компонентами реакции.

Вещество, химическое превращение которого катализируется ферментом носит название субстрат ( S ) .

3. Активность ферментов – способность в разной степени ускорять скорость реакции. Активность выражают в:

1) Международных единицах активности – (МЕ) количество фермента, катализирующего превращение 1 мкМ субстрата за 1 мин.

2)Каталах (кат) – количество катализатора (фермента), способное превращать 1 моль субстрата за 1 с.

3) Удельной активности – число единиц активности (любых из вышеперечисленных) в исследуемом образце к общей массе белка в этом образце.

4) Реже используют молярную активность – количество молекул субстрата превращенных одной молекулой фермента за минуту.

Активность зависит в первую очередь от температуры . Наибольшую активность тот или иной фермент проявляет при оптимальной температуре. Для Ф живого организма это значение находится в пределах +37,0 - +39,0 ° С, в зависимости от вида животного. При понижении температуры, замедляется броуновское движение, уменьшается скорость диффузии и, следовательно, замедляется процесс образования комплекса между ферментом и компонентами реакции (субстратами). В случае повышения температуры выше +40 - +50 ° С молекула фермента, которая является белком, подвергается процессу денатурации. При этом скорость химической реакции заметно падает (рис. 4.3.1.).

Активность ферментовзависит также от рН среды . Для большинства из них существует определенное оптимальное значение рН, при котором их активность максимальна. Поскольку в клетке содержатся сотни ферментов и для каждого из них существуют свои пределы опт рН, то изменение рН это один из важных факторов регуляции ферментативной активности. Так, в результате одной химреакции при участии определенного фермента рН опт которого лежит в перделах 7.0 – 7.2 образуется продукт, который является кислотой. При этом значение рН смещается в область 5,5 – 6.0. Активность фермента резко снижается, скорость образования продуктазамедляется, но при этом активизируется другой фермент, для которого эти значения рН оптимальны и продукт первой реакции подвергается дальнейшему химическому превращению. (Еще пример про пепсин и трипсин).

Химическая природа ферментов. Строение фермента. Активный и аллостерический центры

Все ферменты это белки с молекулярной массой от 15 000 до нескольких млн Да. По химическому строению различают простые ферменты (состоят только из АК) и сложные ферменты (имеют небелковую часть или простетическую группу). Белковая часть носит название – апофермент, а небелковая, если она связана ковалентно с апоферментом, то называется кофермент, а если связь нековалентная (ионная, водородная) – кофактор . Функции простетической группы следующие: участие в акте катализа, осуществление контакта между ферментом и субстратом, стабилизация молекулы фермента в пространстве.

В роли кофактора обычно выступают неорганические вещества- ионы цинка, меди, калия, магния, кальция, железа, молибдена.

Коферменты можно рассматривать как составную часть молекулы фермента. Это органические вещества, среди которых различают: нуклеотиды (АТФ , УМФ , и пр), витамины или их производные (ТДФ – из тиамина (В 1 ), ФМН – из рибофлавина (В 2 ), коэнзим А – из пантотеновой кислоты (В 3 ), НАД и пр) и тетрапиррольные коферменты – гемы.

В процессе катализа реакции в контакт с субстратом вступает не вся молекула фермента, а определенный ее участок, который называется активным центром . Эта зона молекулы не состоит из последовательности аминокислот, а формируется при скручивании белковой молекулы в третичную структуру. Отдельные участки аминокислот сближаются между собой, образуя определенную конфигурацию активного центра. Важная особенность строения активного центра - его поверхность комплементарна поверхности субстрата, т.е. остатки АК этой зоны фермента способны вступать в химическое взаимодействие с определенными группами субстрата. Можно представить, что активный центр фермента совпадает со структурой субстрата как ключ и замок.

В активном центре различают две зоны: центр связывания , ответственный за присоединение субстрата, и каталитический центр , отвечающий за химическое превращение субстрата. В состав каталитического центра большинства ферментов входят такие АК, как Сер, Цис, Гис, Тир, Лиз. Сложные ферменты в каталитическом центре имеют кофактор или кофермент.

Помимо активного центра ряд ферментов снабжен регуляторным (аллостерическим) центром. С этой зоной фермента взаимодействуют вещества, влияющие на его каталитическую активность.

Механизм действия ферментов

Акт катализа складывается из трех последовательных этапов.

1. Образование фермент-субстратного комплекса при взаимодействии через активный центр.

2. Связывание субстрата происходит в нескольких точках активного центра, что приводит к изменению структуры субстрата, его деформации за счет изменения энергии связей в молекуле. Это вторая стадия и называется она активацией субстрата. При этом происходит определенная химическая модификация субстрата и превращение его в новый продукт или продукты.

3. В результате такого превращения новое вещество (продукт) утрачивает способность удерживаться в активном центре фермента и фермент-субстратный, вернее уже фермент-продуктный комплекс диссоциирует (распадается).

Виды каталитических реакций:

А+Е = АЕ = БЕ = Е + Б

А+Б +Е = АЕ+Б = АБЕ = АБ + Е

АБ+Е = АБЕ = А+Б+Е,где Е - энзим, А и Б - субстраты, либо продукты реакции.

Ферментативные эффекторы - вещества, изменяющие скорость ферментативного катализа и регулирующие за счет этого метаболизм. Среди них различают ингибиторы - замедляющие скорость реакции и активаторы - ускоряющие ферментативную реакцию.

В зависимости от механизма торможения реакции различают конкурентные и неконкурентные ингибиторы. Строение молекулы конкурентного ингибитора сходно со структурой субстрата и совпадает с поверхностью активного центра как ключ с замком (или почти совпадает). Степень этого сходства может даже быть выше чем с субстратом.

Если А+Е = АЕ = БЕ = Е + Б, тоИ+Е = ИЕ ¹

Концентрация способного к катализу фермента при этом снижается и скорость образование продуктов реакции резко падает (рис. 4.3.2.).

В качестве конкурентных ингибиторов выступает большое число химических веществ эндогенного и экзогенного происхождения (т.е. образующихся в организме и поступающих извне – ксенобиотики, соответственно). Эндогенные вещества являются регуляторами метаболизма и называются антиметаболитами. Многие из них используют при лечении онкологических и микробных заболеваний, тк. они ингибируют ключевые метаболичекие реакции микроорганизмов (сульфаниламиды) и опухолевых клеток. Но при избытке субстрата и малой концентрации конкурентного ингибитора его действие отменяется.

Второй вид ингибиторов - неконкурентные. Они взаимодействую с ферментом вне активного центра и избыток субстрата не влияет на их ингибирующую способность, как в случае с конкурентными ингибиторами. Эти ингибиторы взаимодействуют или с определенными группами фермента (тяжелые металлы связываются с тиоловыми группами Цис) или чаще всего регуляторным центром, что снижает связывающую способность активного центра. Собственно процесс ингибирования - это полное или частичное подавление активности фермента при сохранении его первичной и пространственной структуры.

Различают также обратимое и необратимое ингибирование. Необратимые ингибиторы инактивируют фермент, образуя с его АК или другими компонентами структуры химическую связь. Обычно это ковалентная связь с одним из участков активного центра. Такой комплекс практически недиссоциирует в физиологических условиях. В другом случае ингибитор нарушает конформационную структуру молекулы фермента - вызывает его денатурацию.

Действие обратимых ингибиторов может быть снято при переизбытке субстрата или под действием веществ, изменяющих химическую структуру ингибитора. Конкурентные и неконкурентные ингибиторы относятся в большинстве случаев к обратимым.

Помимо ингибиторов известны еще активаторы ферментативного катализа. Они:

1) защищают молекулу фермента от инактивирующих воздействий,

2) образуют с субстратом комплекс, который более активно связывается с активным центром Ф,

3) взаимодействуя с ферментом, имеющим четвертичную структуру, разъединяют его субъединицы и тем самым открывают доступ субстрату к активному центру.

Распределение ферментов в организме

Ферменты, участвующие в синтезе белков, нуклеиновых кислот и ферменты энергетического обмена присутствуют во всех клетках организма. Но клетки, которые выполняют специальные функции содержат и специальные ферменты. Так клетки островков Лангерганса в поджелудочной железе содержат ферменты, катализирующие синтез гормонов инсулина и глюкагона. Ферменты, свойственные только клеткам определенных органов называют органоспецифическими: аргиназа и урокиназа - печень, кислая фосфатаза - простата. По изменению концентрации таких ферментов в крови судят о наличии патологий в данных органах.

В клетке отдельные ферменты распределены по всей цитоплазме, другие встроены в мембраны митохондрий и эндоплазматического ретикулума, такие ферменты образуют компартменты, в которых происходят определенные, тесно связанные между собой этапы метаболизма.

Многие ферменты образуются в клетках и секретируются в анатомические полости в неактивном состоянии - это проферменты. Часто в виде проферментов образуются протеолитические ферменты (расщепляющие белки). Затем под воздействием рН или других ферментов и субстратов происходит их химическая модификация и активный центр становится доступным для субстратов.

Существуют также изоферменты - ферменты, отличающиеся по молекулярной структуре, но выполняющие одинаковую функцию.

Номенклатура и классификация ферментов

Название фермента формируется из следующих частей:

1. название субстрата с которым он взаимодействует

2. характер катализируемой реакции

3. наименование класса ферментов (но это необязательно)

4. суффикс -аза-

пируват - декарбоксил - аза,сукцинат - дегидроген - аза

Посколькууже известно порядка 3 тыс. ферментов их необходимо классифицировать. В настоящее время принята международная классификация ферментов, в основу которой положен тип катализируемой реакции. Выделяют 6 классов, которые в свою очередь делятся на ряд подклассов (в данной книге представлены только выборочно):

1. Оксидоредуктазы. Катализируют окислительно-восстановительные реакции. Делятся на 17 подклассов. Все ферменты содержат небелковую часть в виде гема или производных витаминов В 2 , В 5 . Субстрат, подвергающийся окислению выступает как донор водорода.

1.1. Дегидрогеназы отщепляют от одного субстрата водород и переносят на другие субстраты. Коферменты НАД, НАДФ, ФАД, ФМН. Они акцептируют на себе отщепленный ферментом водород превращаясь при этом в восстановленную форму (НАДН, НАДФН, ФАДН) и переносят к другому фермент-субстратному комплексу, где его и отдают.

1.2. Оксидазы - катализирует перенос водорода на кислород с образованием воды или Н 2 О 2 . Ф. Цитохромокисдаза дыхательной цепи.

RH + NAD H + O 2 = ROH + NAD + H 2 O

1.3. Монооксидазы - цитохром Р450 . По своему строению одновременно гемо- и флавопротеид. Он гидроксилирует липофильные ксенобиотики (по вышеописанному механизму).

1.4. Пероксидазы и каталазы - катализируют разложение перекисиводорода, которая образуется в ходе метаболических реакций.

1.5. Оксигеназы - катализируют реакции присоединения кислорода к субстрату.

2. Трансферазы - катализируют перенос различных радикалов от молекулы донора к молекуле акцептору.

Аа + Е + В = Еа + А + В = Е + Ва + А

2.1. Метилтрансферазы (СН 3 -).

2.2.Карбоксил- и карбамоилтрансферазы.

2.2. Ацилтрансферазы – Кофермент А (перенос ацильной группы - R -С=О).

Пример: синтез нейромедиатора ацетилхолина (см.главу "Обмен белков").

2.3. Гексозилтрансферазы- катализируют перенос гликозильных остатков.

Пример: отщепление молекулы глюкозы от гликогена под действием фосфорилазы .

2.4. Аминотрансферазы - перенос аминогрупп

R 1- CO - R 2 + R 1 - CH - NH 3 - R 2 = R 1 - CH - NH 3 - R 2 + R 1- CO - R 2

Играют важную роль в превращении АК. Общим коферментом являнтся пиридоксальфосфат.

Пример: аланинаминотрансфераза (АлАТ): пируват + глутамат = аланин + альфа-кетоглутарат (см.главу "Обмен белков").

2.5. Фосфотрансфереза (киназа) - катализируют перенос остатка фосфорной кислоты. В большинстве случает донором фосфата является АТФ. В процессе расщепления глюкозы в основном принимают участие ферменты этого класса.

Пример: Гексо (глюко)киназа .

3. Гидролазы - катализируют реакции гидролиза, т.е. расщепление веществ с присоединением по месту разрыва связи воды. К этому классу относятся преимущественно пищеварительные ферменты, они однокомпонентные (не содержат небелковой части)

R1-R2 +H 2 O = R1H + R2OH

3.1. Эстеразы - расщепляют эфирные связи. Это большой подкласс ферментов, катализирующих гидролиз тиоловых эфиров, фосфоэфиров.
Пример: NH 2 ).

Пример: аргиназа (цикл мочевины).

4.Лиазы - катализируют реакции расщепления молекул без присоединения воды. Эти ферменты имеют небелковую часть в виде тиаминпирофосфата (В 1) и пиридоксальфосфата (В 6).

4.1. Лиазы связи С-С. Их обычно называют декарбоксилазами.

Пример: пируватдекарбоксилаза .

5.Изомеразы - катализируют реакции изомеризации.

Пример: фосфопентозоизомераза, пентозофосфатизомераза (ферменты неокислительной ветви пентозофосфатного пути).

6.Лигазы катализируют реакции синтеза более сложных веществ из простых. Такие реакции идут с затратой энергии АТФ. К названию таких ферментов прибавляют "синтетаза".

ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ IV .3.

1. Бышевский А. Ш., Терсенов О. А. Биохимия для врача // Екатеринбург: Уральский рабочий, 1994, 384 с.;

2. Кнорре Д. Г., Мызина С. Д. Биологическая химия. – М.: Высш. шк. 1998, 479 с.;

3. Филиппович Ю. Б., Егорова Т. А., Севастьянова Г. А. Практикум по общей биохимии // М.: Просвящение, 1982, 311с.;

4. Ленинджер А. Биохимия. Молекулярные основы структуры и функций клетки // М.: Мир, 1974, 956 с.;

5. Пустовалова Л.М. Практикум по биохимии // Ростов-на Дону: Феникс, 1999, 540 с.

Жизнь любого организма возможна благодаря протекающим в нем процессам обмена веществ. Этими реакциями управляют природные катализаторы, или ферменты. Другое название этих веществ - энзимы. Термин «ферменты» происходит от латинского fermentum, что означает «закваска». Понятие появилось исторически при изучении процессов брожения.

Рис. 1 — Брожение с использованием дрожжей - типичный пример ферментативной реакции

Человечество давно пользуется полезными свойствами этих ферментов. Например, уже много веков из молока с помощью сычужного фермента делают сыр.

Ферменты отличаются от катализаторов тем, что действуют в живом организме, тогда как катализаторы - в неживой природе. Отрасль биохимии, которая изучает эти важнейшие для жизни вещества, называется энзимологией.

Общие свойства ферментов

Ферменты представляют собой молекулы белковой природы, которые взаимодействуют с различными веществами, ускоряя их химическое превращение по определенному пути. При этом они не расходуются. В каждом ферменте есть активный центр, присоединяющийся к субстрату, и каталитический участок, запускающий ту или иную химическую реакцию. Эти вещества ускоряют протекающие в организме биохимические реакции без повышения температуры.

Основные свойства ферментов:

• специфичность: способность фермента действовать только на специфический субстрат, например, липазы - на жиры;
• каталитическая эффективность: способность ферментативных белков ускорять биологические реакции в сотни и тысячи раз;
• способность к регуляции: в каждой клетке выработка и активность ферментов определяется своеобразной цепью превращений, влияющей на способность этих белков вновь синтезироваться.

Роль ферментов в организме человека невозможно переоценить. В то время, когда еще только открыли структуру ДНК, говорили, что один ген отвечает за синтез одного белка, который уже определяет какой-то определенный признак. Сейчас это утверждение звучит так: «Один ген - один фермент - один признак». То есть без активности ферментов в клетке жизнь не может существовать.

Классификация

В зависимости от роли в химических реакциях, различаются такие классы ферментов:

В живом организме все ферменты делятся на внутри- и внеклеточные. К внутриклеточным относятся, например, ферменты печени, участвующие в реакциях обезвреживания различных веществ, поступающих с кровью. Они обнаруживаются в крови при повреждении органа, что помогает в диагностике его заболеваний.

Внутриклеточные ферменты, которые являются маркерами повреждения внутренних органов:

• печень - аланинаминотрансефраза, аспартатаминотрансфераза, гамма-глютамилтранспептидаза, сорбитдегидрогеназа;
• почки - щелочная фосфатаза;
• предстательная железа - кислая фосфатаза;
• сердечная мышца - лактатдегидрогеназа

Внеклеточные ферменты выделяются железами во внешнюю среду. Основные из них секретируются клетками слюнных желез, желудочной стенки, поджелудочной железы, кишечника и активно участвуют в пищеварении.

Пищеварительные ферменты

Пищеварительные ферменты - это белки, которые ускоряют расщепление крупных молекул, входящих в состав пищи. Они разделяют такие молекулы на более мелкие фрагменты, которые легче усваиваются клетками. Основные типы пищеварительных ферментов - протеазы, липазы, амилазы.

Основная пищеварительная железа - поджелудочная. Она вырабатывает большинство этих ферментов, а также нуклеаз, расщепляющих ДНК и РНК, и пептидаз, участвующих в образовании свободных аминокислот. Причем незначительное количество образующихся ферментов способно «обработать» большой объем пищи.

При ферментативном расщеплении питательных веществ выделяется энергия, которая расходуется для процессов обмена веществ и жизнедеятельности. Без участия ферментов, подобные процессы происходили бы слишком медленно, не обеспечивая организм достаточным энергетическим запасом.

Кроме того, участие ферментов в процессе пищеварения обеспечивает распад питательных веществ до молекул, способных проходить через клетки кишечной стенки и поступать в кровь.

Амилаза

Амилаза вырабатывается слюнными железами. Она действует на крахмал пищи, состоящий из длинной цепи молекул глюкозы. В результате действия этого фермента образуются участки, состоящие из двух соединенных молекул глюкозы, то есть фруктоза, и другие короткоцепочечные углеводы. В дальнейшем они метаболизируются до глюкозы в кишечнике и оттуда всасываются в кровь.

Слюнные железы расщепляют только часть крахмала. Амилаза слюны активна в течение короткого времени, пока пища прожевывается. После попадания в желудок фермент инактивируется его кислым содержимым. Большая часть крахмала расщепляется уже в 12-перстной кишке под действием панкреатической амилазы, вырабатываемой поджелудочной железой.

Рис. 2 — Амилаза начинает расщепление крахмала

Короткие углеводы, образовавшиеся под действием панкреатической амилазы, попадают в тонкий кишечник. Здесь с помощью мальтазы, лактазы, сахаразы, декстриназы они расщепляются до молекул глюкозы. Нерасщепляющаяся ферментами клетчатка выводится из кишечника с каловыми массами.

Протеазы

Белки или протеины - существенная часть человеческого рациона. Для их расщепления необходимы ферменты - протеазы. Они различаются по месту синтеза, субстратам и другим характеристикам. Некоторые из них активны в желудке, например, пепсин. Другие вырабатываются поджелудочной железой и активны в просвете кишечника. В самой железе выделяется неактивный предшественник фермента - химотрипсиноген, который начинает действовать только после смешивания с кислым пищевым содержимым, превращаясь в химотрипсин. Такой механизм помогает избежать самоповреждения протеазами клеток поджелудочной железы.

Рис. 3 — Ферментативное расщепление белков

Протеазы расщепляют пищевые белки на более мелкие фрагменты - полипептиды. Ферменты - пептидазы разрушают их до аминокислот, которые усваиваются в кишечнике.

Липазы

Пищевые жиры разрушаются ферментами-липазами, которые также вырабатываются поджелудочной железой. Они расщепляют молекулы жира на жирные кислоты и глицерин. Такая реакция требует наличия в просвете 12-перстной кишки желчи, образующейся в печени.

Рис. 4 — Ферментативный гидролиз жиров

Роль заместительной терапии препаратом «Микразим»

Для многих людей с нарушением пищеварения, прежде всего с заболеваниями поджелудочной железы, назначение ферментов обеспечивает функциональную поддержку органа и ускоряет процессы выздоровления. После купирования приступа панкреатита или другой острой ситуации прием ферментов можно прекратить, так как организм самостоятельно восстанавливает их секрецию.

Длительный прием ферментативных препаратов необходим лишь при тяжелой внешнесекреторной недостаточности поджелудочной железы.

Одним из наиболее физиологичных по своему составу является препарат «Микразим». В его состав входят амилаза, протеазы и липаза, содержащиеся в панкреатическом соке. Поэтому нет необходимости отдельно подбирать, какой фермент нужно использовать при разнообразных болезнях этого органа.

Показания для использования этого лекарства:

• хронический панкреатит, муковисцидоз и другие причины недостаточной секреции ферментов поджелудочной железы;
• воспалительные заболевания печени, желудка, кишечника, особенно после операций на них, для более быстрого восстановления пищеварительной системы;
• погрешности в питании;
• нарушение функции жевания, например, при стоматологических заболеваниях или малоподвижности пациента.

Прием пищеварительных ферментов с заместительной целью помогает избежать вздутия живота, жидкого стула, болей в животе. Кроме того, при тяжелых хронических заболеваниях поджелудочной железы Микразим полностью принимает на себя функцию по расщеплению питательных веществ. Поэтому они могут беспрепятственно усваиваться в кишечнике. Это особенно важно для детей, страдающих муковисцидозом.

Важно: перед применением ознакомьтесь с инструкцией или проконсультируйтесь с лечащим врачом.

Ферменты - это глобулярные белки, которые помогают протекать всем клеточным процессам. Как и все катализаторы, они не могут повернуть реакцию вспять, а служат для ее ускорения.

Локализации ферментов в клетке

Внутри клетки индивидуальные ферменты, как правило, содержатся и действуют в строго определенных органеллах. Локализация ферментов непосредственно связана с той функцией, которую обычно выполняет данный участок клетки.

Почти все ферменты гликолиза располагаются в цитоплазме. Ферменты цикла трикарбоновых кислот - в матриксе митохондрий. Активные вещества гидролиза содержатся в лизосомах.

Отдельные ткани и органы животных и растений отличаются не только по набору ферментов, но и по их активности. Такую особенность тканей используют в клинике при диагностике некоторых заболеваний.

Существуют также возрастные особенности в активности и наборе ферментов в тканях. Они наиболее четко заметны в период эмбрионального развития при дифференцировке тканей.

Номенклатура ферментов

Существует несколько систем названий, каждая из которых учитывает свойства ферментов в разной степени.

• Тривиальная. Названия веществ даются по случайным признакам. Например, пепсин (pepsis - "пищеварение", греч.) и трипсин (tripsis - "разжижаю", греч.)
• Рациональная. Название фермента складывается из субстрата и окончания «-аза». Например, амилаза ускоряет (amylo - "крахмал", греч.).
• Московская. Она была принята в 1961 году международной комиссией по номенклатуре ферментов на V Международном биохимическом конгрессе. Название вещества составляют из субстрата и реакции, которая катализируется (ускоряется) ферментом. Если функция ферментов заключается в переносе группы атомов от одной молекулы (субстрата) к другой (акцептору), название катализатора включает в себя и химическое название акцептора. Например, в реакции переноса аминогруппы с аланина на 2-оксиглутаровую кислоту участвует фермент аланин: 2-оксоглутаратаминотрансфераза. Название отражает:
• субстрат - аланин;
• акцептор - 2-оксоглутаровая кислота;
• в реакции переносится аминогруппа.

Международной комиссией был составлен список всех известных ферментов, который постоянно дополняется. Это связано с открытием новых веществ.

Классификация ферментов

Делить ферменты на группы можно двумя способами. Первый предлагает два класса этих веществ:

• простые - состоят только из белка;
• сложные - содержат белковую часть (апофермент) и небелковую, называемую коферментом.

В небелковую часть сложного фермента могут входить витамины. Взаимодействие с другими веществами происходит посредством активного центра. Целиком молекула фермента не принимает участия в процессе.

Свойства ферментов, как и других белков, определяются их строением. В зависимости от него катализаторы ускоряют только свои реакции.

Второй способ классификации делит вещества по тому, какую функцию выполняют ферменты. В результате получается шесть классов:

• оксидоредуктазы;
• трансферазы;
• гидролазы;
• изомеразы;
• лиазы;
• лигазы.

Это общепринятые группы, отличаются они не только по видам реакций, которые регулируют состоящие в них ферменты. У веществ различных групп отличается строение. И функции ферментов в клетке, следовательно, не могут быть одинаковыми.

Оксидоредуктазы - окислительно-восстановительные

Основная функция ферментов первой группы - ускорение окислительно-восстановительных реакций. Характерная особенность: способность образовывать цепи окислительных ферментов, в которых осуществляется перенос электронов или атомов водорода от самого первого субстрата к конечному акцептору. Эти вещества разделяют по принципу работы или по месту работы в реакции.

1. Аэробные дегидрогеназы (оксидазы) ускоряют перенос электронов или протонов непосредственно на кислородные атомы. Анаэробные же совершают те же действия, но в реакциях, которые протекают без передачи электронов или атомов водорода на кислородные атомы.
2. Первичные дегидрогеназы катализируют процесс отнятия атомов водорода от окисляемого вещества (первичного субстрата). Вторичные - ускоряют снятие атомов водорода со вторичного субстрата, получены они были при помощи первичной дегидрогеназы.

Другая особенность: будучи двукомпонентными катализаторами с очень ограниченным набором коферментов (активных групп), они могут ускорять множество самых разнообразных реакций окисления-восстановления. Это достигается большим числом вариантов: один и тот же кофермент может присоединиться к разным апоферментам. В каждом случае получается особенная оксидоредуктаза со своими свойствами.

Существует еще одна функция ферментов этой группы, о которой нельзя не упомянуть — они ускоряют протекание химических процессов, связанных с выделением энергии. Такие реакции называются экзотермическими.

Трансферазы - переносчики

Эти ферменты выполняют функцию ускорения реакций переноса молекулярных остатков и функциональных групп. Например, фосфофруктокиназа.

Выделяют восемь групп катализаторов, исходя из переносимой группы. Рассмотрим только некоторые из них.

1. Фосфотрансферазы - помогают переносить остатки Они делятся на подклассы в соответствии с пунктом назначения (спиртовые, карбоксильные и прочие).
2. Аминотрансферазы - ускоряют реакции
3. Гликозилтрансферазы - переносят гликозильные остатки из молекул фосфорных эфиров к молекулам моно- и полисахаридов. Обеспечивают реакции распада и синтеза олиго- или полисахаридов в организмах растений и животных. Например, они участвуют в реакции распада сахарозы.
4. Ацилтрансферазы переносят остатки карбоновых кислот на амины, спирты и аминокислоты. Ацил-коэнзим-А является универсальным источником ацильных групп. Его можно рассматривать как активную группу ацилтрансфераз. Чаще всего переносится ацил уксусной кислоты.

Гидролазы - расщепляют с участием воды

В этой группе ферменты выполняют функцию катализаторов для реакций расщепления (реже синтеза) органических соединений, в которых участвует вода. Вещества этой группы содержатся в клетках и в пищеварительном соке. Молекулы катализаторов в ЖКТ состоят из одного компонента.

Местом локализации этих ферментов являются лизосомы. Они выполняют защитные функции ферментов в клетке: расщепляют чужеродные вещества, прошедшие через мембрану. Они также уничтожают те вещества, которые больше не нужны клетке, за что лизосомы были прозваны санитарами.

Другое их "прозвище" - клеточные самоубийцы, так как они являются главным инструментом для аутолиза клетки. Если появилась инфекция, начались воспалительные процессы, мембрана лизосом становится проницаемой и гидролазы выходят в цитоплазму, разрушая все на своем пути и уничтожая клетку.

Разделяют несколько видов катализаторов из этой группы:

• эстеразы - отвечают за гидролиз сложных эфиров спиртов;
• гликозидазы - ускоряют гидролиз гликозидов, в зависимости от того, на какой изомер они действуют, выделяют α- или β-гликозидазы;
• пептид-гидролазы - ответственны за гидролиз пептидных связей в белках, а при определенных условиях и за их синтез, но этот способ синтеза белка не используется в живой клетке;
• амидазы - отвечают за гидролиз амидов кислот, например, уреаза катализирует распад мочевины на аммиак и воду.

Изомеразы - преобразование молекулы

Эти вещества ускоряют изменения в пределах одной молекулы. Они могут быть геометрические или структурные. Это может происходить разными способами:

• перенос атомов водорода;
• перемещение фосфатной группы;
• изменение расположения атомных группировок в пространстве;
• перемещение двойной связи.

Изомеризации могут быть подвержены органические кислоты, углеводы или аминокислоты. Изомеразы могут превращать альдегиды в кетоны и, наоборот, цис-форму перестроить в транс-форму и обратно. Чтобы лучше понять, какую функцию выполняют ферменты этой группы, необходимо знать различия изомеров.

Лиазы рвут связи

Эти ферменты ускоряют негидролитический распад органических соединений по связям:

• углерод-углерод;
• фосфор-кислород;
• углерод-сера;
• углерод-азот;
• углерод-кислород.

При этом выделяются такие простейшие продукты, как вода, аммиак, и замыкаются двойные связи. Немногие из этих реакций могут пойти в обратную сторону, соответствующие ферменты в подходящих для этого условиях катализируют процессы не только распада, но и синтеза.

Классификация лиаз происходит по типу связи, которую они разрывают. Они являются сложными ферментами.

Лигазы сшивают

Главная функция ферментов этой группы - ускорение реакций синтеза. Их особенность - сопряженность создания с распадом веществ, которые способны дать энергию для осуществления биосинтетического процесса. Существует шесть подклассов по типу образуемой связи. Пять из них идентичны подгруппам лиаз, а шестая отвечает за создание связи "азот-металл".

Некоторые лигазы принимают участие в особенно важных процессах клетки. Например, ДНК-лигаза участвует в репликации дезоксирибонуклеиновой кислоты. Она сшивает одноцепочечные разрывы, создавая новые фосфодиэфирные связи. Именно она соединяет фрагменты Оказаки.

Этот же фермент активно используется в генной инженерии. Он позволяет ученым сшивать из необходимых им кусочков, создавая уникальные цепочки дезоксирибонуклеиновой кислоты. В них можно заложить любую информацию, создав таким образом фабрику по изготовлению необходимых белков. Например, можно вшить в ДНК бактерии кусочек, отвечающий за синтез инсулина. И когда клетка будет транслировать собственные белки, она заодно наделает и полезное вещество, необходимое в медицинских целях. Его остается только лишь очистить, и оно поможет множеству больных людей.

Огромная роль ферментов в организме

Они могут увеличить более чем в десять раз. Это просто необходимо для нормальной жизнедеятельности клетки. А ферменты участвуют в каждой реакции. Поэтому функции ферментов в организме разнообразны, как и все протекающие процессы. А нарушение работы этих катализаторов приводит к тяжелым последствиям.

Широко применяются ферменты в пищевой, легкой промышленности, медицине: используются для изготовления сыров, колбас, консервов, входят в состав Также их используют в изготовлении фотоматериалов.

Ферменты, Фермент-субстратный комплекс и Энергия активации

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.

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.

Энергия активации

Энергия активации – это энергия, которая расходуется на разрыв определенной связи для химического взаимодействия двух соединений. Ферменты имеют определенное расположение в клетке и организме в целом. В клетке ферменты содержатся в определенных ее частях. Многие из них связаны с мембранами клеток или отдельных органелл: митохондрий, пластид и т. п.

Биосинтез ферментов организмы способны регулировать. Это позволяет поддерживать относительно постоянный их состав при значительных изменениях условий окружающей среды и частично видоизменять ферменты в ответ на такие изменения. Действие разных биологически активных веществ–гормонов, лекарственных препаратов, стимуляторов роста растений, ядов и т. п. – заключается в том, что они могут стимулировать или подавлять тот или иной ферментативный процесс.

Некоторые ферменты принимают участие в активном транспорте веществ через мембраны.

Для названий большинства ферментов характерен суффикс -аз- . Его прибавляют к названию субстрата, с которым взаимодействует фермент. Например, гидролазы – катализируют реакции расщепления сложных соединений на мономеры за счет присоединения молекулы воды в месте разрыва химической связи молекулах белков, полисахаридов, жиров; оксидредуктазы – ускоряют окислительно-восстановительные реакции (перенесение электронов или протонов); изомеразы – способствуют внутренней молекулярной перестройке (изомеризации), преобразованию изомеров и т. п.