Главная > Биология > Ферменты органические вещества. Биохимия ферментов


Ферменты органические вещества. Биохимия ферментов




Ферменты – это особый вид протеинов, которым природой отведена роль катализаторов разных химических процессов.

Этот термин постоянно на слуху, правда, далеко не все понимают, что такое фермент или энзим, какие функции выполняет это вещество, а также чем отличаются ферменты от энзимов и отличаются ли вообще. Все это сейчас и узнаем.

Без этих веществ ни люди, ни животные не смогли бы переваривать пищу. А впервые к применению ферментов в быту человечество прибегло более 5 тысяч лет тому назад, когда наши предки научились хранить молоко в «посуде» из желудков животных. В таких условиях под воздействием сычужного фермента превращалось в сыр. И это только один из примеров работы энзима в качестве катализатора, ускоряющего биологические процессы. Сегодня ферменты незаменимы в промышленности, они важны для производства , кожи, текстиля, спирта и даже бетона. В моющих средствах и стиральных порошках также присутствуют эти полезные вещества – помогают выводить пятна при низких температурах.

История открытия

Энзим в переводе с греческого означает «закваска». А открытию этого вещества человечество обязано голландцу Яну Баптисту Ван-Гельмонту, жившему в XVI веке. В свое время он весьма заинтересовался спиртовым брожением и в ходе исследования нашел неизвестное вещество, ускоряющее этот процесс. Голландец назвал его fermentum, что в переводе означает «брожение». Затем, почти тремя веками позже, француз Луи Пастер, также наблюдая за процессами брожения, пришел к выводу, что ферменты – не что иное, как вещества живой клетки. А через некоторое время немец Эдуард Бухнер добыл фермент из дрожжей и определил, что это вещество не является живым организмом. Он также дал ему свое название – «зимаза». Еще несколькими годами позже другой немец Вилли Кюне предложил все белковые катализаторы разделить на две группы: ферменты и энзимы. Причем вторым термином он предложил называть «закваску», действия которой распространяются вне живых организмов. И лишь 1897 год положил конец всем научным спорам: оба термины (энзим и фермент) решено использовать как абсолютные синонимы.

Структура: цепь из тысяч аминокислот

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

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

Биохимические свойства

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

Реакции при участии энзимов:

  1. Окисление и восстановление.

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

  1. Реакция переноса группы.

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

  1. Гидролиз.

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

  1. Создание или удаление двойной связи.

Этот вид реакций негидролитическим путем происходит при участии лиазы.

  1. Изомеризация функциональных групп.

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

  1. Образование одинарной связи с устранением элемента воды.

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

Как работают в организме

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

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

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

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

Гипер- и гипоактивность

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

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

Катализатор и не только

Сегодня можно часто услышать о пользе ферментов. Но что такое эти вещества, от которых зависит работоспособность нашего организма?

Энзимы – это биологические молекулы, жизненный цикл которых не определяется рамками от рождения и смерти. Они просто работают в организме до тех пор, пока не растворятся. Как правило, это происходит под воздействием других ферментов.

В процессе биохимической реакции они не становятся частью конечного продукта. Когда реакция завершена, фермент покидает субстрат. После этого вещество готово снова приступить к работе, но уже на другой молекуле. И так продолжается столько, сколько необходимо организму.

Уникальность ферментов в том, что каждый из них выполняет только одну, ему отведенную функцию. Биологическая реакция происходит только тогда, когда фермент находит правильный для него субстрат. Это взаимодействие можно сравнить с принципом работы ключа и замка – только правильно подобранные элементы смогут «сработаться». Еще одна особенность: они могут работать при низких температурах и умеренном рН, а в роли катализаторов являются более стабильными, чем любые другие химические вещества.

Ферменты в качестве катализаторов ускоряют процессы метаболизма и другие реакции.

Как правило, эти процессы состоят из определенных этапов, каждый из которых требует работы определенного энзима. Без этого цикл преобразования или ускорения не сможет завершиться.

Пожалуй, из всех функций ферментов наиболее известна – роль катализатора. Это значит, что энзимы комбинируют химические реагенты таким образом, чтобы снизить энергетические затраты, необходимые для более быстрого формирования продукта. Без этих веществ химические реакции протекали бы в сотни раз медленнее. Но на этом способности энзимов не исчерпываются. Все живые организмы содержат энергию, необходимую им для продолжения жизни. Аденозинтрифосфат, или АТФ, это своего рода заряженная батарейка, которая снабжает клетки энергией. Но функционирование АТФ невозможно без ферментов. И главный энзим, производящий АТФ, – синтаза. Для каждой молекулы глюкозы, которая трансформируется в энергию, синтаза производит около 32-34 молекул АТФ.

Помимо этого, энзимы (липаза, амилаза, протеаза) активно применяются в медицине. В частности, служат компонентом ферментативных препаратов, таких как «Фестал», «Мезим», «Панзинорм», «Панкреатин», применяемых для лечения несварения желудка. Но некоторые энзимы способны также влиять на кровеносную систему (растворяют тромбы), ускорять заживление гнойных ран. И даже в противораковой терапии также прибегают к помощи ферментов.

Факторы, определяющие активность энзимов

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

  1. Концентрация субстрата.

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

  1. Температура.

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

  1. Кислотность.

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

Ферменты, присутствующие в человеческом организме, можно разделить на 2 группы:

  • метаболические;
  • пищеварительные.

Метаболические «работают» над нейтрализацией токсических веществ, а также способствуют выработке энергии и белков. Ну и, конечно, ускоряют биохимические процессы в организме.

За что отвечают пищеварительные – понятно из названия. Но и здесь срабатывает принцип селективности: определенный тип ферментов влияет только на один вид пищи. Поэтому для улучшения пищеварения можно прибегнуть к маленькой хитрости. Если организм плохо переваривает что-то из еды, значит надо дополнить рацион продуктом, содержащим фермент, который способен расщепить трудно перевариваемую пищу.

Пищевые ферменты – катализаторы, которые расщепляют продукты питания до состояния, в котором организм способен поглощать из них полезные вещества. Пищеварительные энзимы бывают нескольких типов. В человеческом организме разные виды ферментов содержатся на разных участках пищеварительного тракта.

Ротовая полость

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

Желудок

Здесь пепсин расщепляет белки до состояния пептидов, а желатиназа – желатин и коллаген, содержащиеся в мясе.

Поджелудочная железа

На этом этапе «работают»:

  • трипсин – отвечает за расщепление белков;
  • альфа-химотрипсин – помогает усвоению протеинов;
  • эластазы – расщепляют некоторые виды белков;
  • нуклеазы – помогают расщеплять нуклеиновые кислоты;
  • стеапсин – способствует усвоению жирной пищи;
  • амилаза – отвечает за усвоение крахмалов;
  • липаза – расщепляет жиры (липиды), содержащиеся в молочных продуктах, орехах, маслах и мясе.

Тонкая кишка

Над пищевыми частицами «колдуют»:

  • пептидазы – расщепляют пептидные соединения к уровню аминокислот;
  • сахараза – помогает усваивать сложные сахара и крахмалы;
  • мальтаза – расщепляет дисахариды к состоянию моносахаридов (солодовый сахар);
  • лактаза – расщепляет лактозу (глюкозу, содержащуюся в молочных продуктах);
  • липаза – способствует усвоению триглицеридов, жирных кислот;
  • эрепсин – воздействует на протеины;
  • изомальтаза – «работает» с мальтозой и изомальтозой.

Толстый кишечник

Здесь функции ферментов выполняют:

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

Кроме названных энзимов, существуют еще:

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

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

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

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

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

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

    Экстремофилы и промышленность

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

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

    Извозчикова Нина Владиславовна

    Специальность: инфекционист, гастроэнтеролог, пульмонолог .

    Общий стаж: 35 лет .

    Образование: 1975-1982, 1ММИ, сан-гиг, высшая квалификация, врач-инфекционист .

    Научная степень: врач высшей категории, кандидат медицинских наук.

8.7.1. В клеточном содержимом ферменты распределены не хаотически, а строго упорядоченно. При помощи внутриклеточных мембран клетка разделена на отсеки или компартменты (рисунок 8.18). В каждом из них осуществляются строго определенные биохимические процессы и сосредоточены соответствующие ферменты или полиферментные комплексы. Вот несколько характерных примеров.

Рисунок 8.18. Внутриклеточное распределение ферментов различных метаболических путей.

В лизосомах сосредоточены преимущественно разнообразные гидролитические ферменты. Здесь протекают процессы расщепления сложных органических соединений на их структурные компоненты.

В митохондриях находятся сложные системы окислительно-восстановительных ферментов.

Ферменты активирования аминокислот распределены в гиалоплазме, но они же есть и в ядре. В гиалоплазме присутствуют многочисленные метаболоны гликолиза, структурно объединенные с таковыми пентозофосфатного цикла, что обеспечивает взаимосвязь дихотомического и апотомического путей распада углеводов.

В то же время ферменты, ускоряющие перенос аминокислотных остатков на растущий конец полипептидной цепи и катализирующие некоторые другие реакции в процессе биосинтеза белка, сосредоточены в рибосомальном аппарате клетки.

В клеточном ядре локализованы в основном нуклеотидилтрансферазы, ускоряющие реакцию переноса нуклеотидных остатков при новообразовании нуклеиновых кислот.

8.7.2. Распределение ферментов по субклеточным органеллам изучают после предварительного фракционирования клеточных гомогенатов путем высокоскоростного центрифугирования, определяя содержание ферментов в каждой фракции.

Локализацию данного фермента в ткани или клетке часто удается установить in situ гистохимическими методами («гистоэнзимология»). Для этого тонкие (от 2 до 10 мкм) срезы замороженной ткани обрабатывают раствором субстрата, к которому специфичен данный фермент. В тех местах, где находится фермент, образуется продукт катализируемой этим ферментом реакции. Если продукт окрашен и нерастворим, он остается на месте образования и позволяет локализовать фермент. Гистоэнзимология дает наглядную и в известной мере физиологичную картину распределения ферментов.

Ферментные системы ферментов, сосредоточенные во внутриклеточных структурах, тонко координированы друг с другом. Взаимосвязь катализируемых ими реакций обеспечивает жизнедеятельность клеток, органов, тканей и организма в целом.

При исследовании активности различных ферментов в тканях здорового организма можно получить картину их распространения. Оказывается, что некоторые ферменты широко распространены во многих тканях, но в разных концентрациях, а другие очень активны в экстрактах, полученных из одной или нескольких тканей, и практически отсутствуют в остальных тканях организма.

Рисунок 8.19. Относительная активность некоторых ферментов в тканях человека, выраженная в процентах от активности в ткани с максимальной концентрацией данного фермента (Мосс, Баттерворт, 1978).

8.7.3. Понятие об энзимопатиях. В 1908 году английский врач Арчибальд Гаррод высказал предположение, что причиной ряда заболеваний может являться отсутствие какого-либо из ключевых ферментов, участвующих в обмене веществ. Он ввёл понятие "inborn errors of metabolism" (врождённый дефект обмена веществ). В дальнейшем эта теория была подтверждена новыми данными, полученными в области молекулярной биологии и патологической биохимии.

Информация о последовательности аминокислот в полипептидной цепи белка записана в соответствующем участке молекулы ДНК в виде последовательности тринуклеотидных фрагментов - триплетов или кодонов. Каждый триплет кодирует определённую аминокислоту. Такое соответствие называется генетическим кодом. Причём некоторые аминокислоты могут быть закодированы при помощи нескольких кодонов. Существуют также специальные кодоны, являющиеся сигналами для начала синтеза полипептидной цепи и его прекращения. К настоящему времени генетический код полностью расшифрован. Он является универсальным для всех видов живых организмов.

Реализация информации, заложенной в молекуле ДНК, включает несколько этапов. Сначала в клеточном ядре в процессе транскрипции синтезируется матричная РНК (мРНК), поступающая в цитоплазму. В свою очередь, мРНК служит матрицей для трансляции - синтеза полипептидных цепей на рибосомах. Таким образом, природа молекулярных болезней определяется нарушением структуры и функции нуклеиновых кислот и контролируемых ими белков.

8.7.4. Поскольку информация о структуре всех белков клетки содержится в последовательности нуклеотидов ДНК, а каждая аминокислота определяется триплетом нуклеотидов, изменение первичной структуры ДНК может в конечном счёте оказать глубокое влияние на синтезируемый белок. Подобные изменения происходят за счёт ошибок репликации ДНК, когда одно азотистое основание заменяется другим, либо в результате действия радиации или при химической модификации. Все возникшие таким образом наследуемые дефекты называются мутациями . Они могут приводить к неправильному считыванию кода и делеции (выпадению) ключевой аминокислоты, замене одной аминокислоты другой, преждевременной остановке белкового синтеза или добавлению аминокислотных последовательностей. Учитывая зависимость пространственной упаковки белка от линейной последовательности в нём аминокислот, можно полагать, что подобные дефекты способны изменить структуру белка, а значит, и его функцию. Тем не менее, многие мутации обнаруживаются только в лабораторных условиях и не оказывают вредного воздействия на функции белка. Таким образом, ключевым моментом является локализация изменений в первичной структуре. Если положение замененной аминокислоты окажется критическим для формирования третичной структуры и образования каталитического центра фермента, то мутация является серьёзной и может проявиться как заболевание.

Последствия недостаточности одного фермента в цепи реакций обмена веществ могут проявляться по-разному. Предположим, что превращение соединения A в соединение B катализирует фермент Е и что соединение C встречается на альтернативном пути превращений (рисунок 8.20):

Рисунок 8.20. Схема альтернативных путей биохимических превращений.

Последствиями недостаточности фермента могут быть следующие явления:

  1. недостаточность продукта ферментативной реакции (B ). В качестве примера можно указать на снижение содержания глюкозы в крови при некоторых формах гликогенозов;
  2. накопление вещества (A ), превращение которого катализирует фермент (например, гомогентизиновая кислота при алкаптонурии). При многих лизосомных болезнях накопления, вещества, в норме подвергающиеся гидролизу в лизосомах, накапливаются в них в связи с недостаточностью одного из ферментов;
  3. отклонение на альтернативный путь с образованием некоторых биологически активных соединений (C ). К этой группе явлений относится экскреция с мочой фенилпировиноградной и фенилмолочной кислот, образующихся в организме больных фенилкетонурией в результате активации вспомогательных путей распада фенилаланина.

Если метаболическое превращение в целом регулируется по принципу обратной связи конечным продуктом, то эффекты двух последних типов аномалий будут более значительными. Так, например, при порфириях (врождённых нарушениях синтеза гема) устраняется подавляющего эффекта гема на начальные реакции синтеза, что приводит к образованию избыточных количеств промежуточных продуктов метаболического пути, которые обладают токсическим действием на клетки кожи и нервной системы.

Факторы внешней среды могут усиливать или даже полностью определять клинические проявления некоторых врождённых нарушений обмена веществ. Например, у многих пациентов с недостаточностью глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы заболевание начинается только после приёма таких лекарственных средств, как примахин. В отсутствие контактов с лекарственными средствами такие люди производят впечатление здоровых.

8.7.5. О недостаточности фермента обычно судят косвенно по повышению концентрации исходного вещества, которое в норме подвергается превращениям под действием данного фермента (например, фенилаланин при фенилкетонурии). Прямое определение активности таких ферментов проводят только в специализированных центрах, но по возможности диагноз следует подтверждать этим методом. Пренатальная (дородовая) диагностика некоторых врождённых нарушений метаболизма возможна путём иследования клеток амниотической жидкости, полученных на ранних стадиях беременности и культивируемых in vitro.

Некоторые врождённые нарушения метаболизма поддаются лечению путём доставки в организм недостающего метаболита или путём ограничения поступления в желудочно-кишечный тракт предшественников нарушенных процессов обмена веществ. Иногда могут быть удалены накапливающиеся продукты (например, железо при гемохроматозе).

Пищеварительные ферменты – это вещества белковой природы, которые вырабатываются в желудочно-кишечном тракте. Они обеспечивают процесс переваривания пищи и стимулируют ее усвоение.

Основной функцией пищеварительных ферментов является разложение сложных веществ на более простые, которые легко усваиваются в кишечнике человека.

Действие белковых молекул направлено на следующие группы веществ:

  • белки и пептиды;
  • олиго- и полисахариды;
  • жиры, липиды;
  • нуклеотиды.

Виды ферментов

  1. Пепсин. Фермент представляет собой вещество, которое вырабатывается в желудке. Он воздействует на белковые молекулы в составе пищи, разлагая их на элементарные составляющие – аминокислоты.
  2. Трипсин и химотрипсин. Эти вещества входят в группу панкреатических ферментов, которые вырабатываются поджелудочной железой и доставляются в двенадцатиперстный кишечник. Здесь они также воздействуют на белковые молекулы.
  3. Амилаза. Фермент относится к веществам, разлагающим сахара (углеводы). Амилаза вырабатывается в ротовой полости и в тонком кишечнике. Она разлагает один из главных полисахаридов – крахмал. В результате получается небольшой углевод – мальтоза.
  4. Мальтаза. Фермент также воздействует на углеводы. Его специфическим субстратом является мальтоза. Она разлагается на 2 молекулы глюкозы, которые всасываются стенкой кишечника.
  5. Сахараза. Белок воздействует на другой распространенный дисахарид – сахарозу, которая содержится в любой высокоуглеводной пище. Углевод распадается на фруктозу и глюкозу, легко усваивающиеся организмом.
  6. Лактаза. Специфический фермент, который воздействует на углевод из молока – лактозу. При ее разложении получаются другие продукты – глюкоза и галактоза.
  7. Нуклеазы. Ферменты из данной группы воздействуют на нуклеиновые кислоты – ДНК и РНК, которые содержатся в пище. После их воздействия вещества распадаются на отдельные составляющие – нуклеотиды.
  8. Нуклеотидазы. Вторая группа ферментов, которая воздействует на нуклеиновые кислоты, называется нуклеотидазами. Они разлагают нуклеотиды с получением более мелких составляющих – нуклеозидов.
  9. Карбоксипептидаза. Фермент воздействует на небольшие белковые молекулы – пептиды. В результате такого процесса получаются отдельные аминокислоты.
  10. Липаза. Вещество разлагает жиры и липиды, поступающие в пищеварительную систему. При этом образуются их составные части – спирт, глицерин и жирные кислоты.

Недостаток пищеварительных ферментов

Недостаточная выработка пищеварительных ферментов – это серьезная проблема, которая требует врачебного вмешательства. При небольшом количестве эндогенных энзимов пища не сможет нормально перевариваться в кишечнике человека.

Если вещества не перевариваются, то они не могут всасываться в кишечнике. Пищеварительная система способна усвоить только небольшие фрагменты органических молекул. Большие компоненты, которые входят в состав еды, не смогут принести пользу человеку. Вследствие этого в организме может развиться недостаточность тех или иных веществ.

Нехватка углеводов или жиров приведет к тому, что организм лишится «топлива» для активной деятельности. Недостаточность белков лишает тело человека строительного материала, которым являются аминокислоты. Кроме того, нарушение пищеварения приводит к изменению характера кала, которое может неблагоприятно влиять на характер .

Причины

  • воспалительные процессы в кишечнике и желудке;
  • нарушения характера питания (переедание, недостаточная термическая обработка);
  • болезни обмена веществ;
  • панкреатит и другие болезни поджелудочной железы;
  • поражение печени и желчных путей;
  • врожденные патологии ферментной системы;
  • послеоперационные последствия (недостаточность энзимов из-за удаления части пищеварительной системы);
  • лекарственные воздействия на желудок и кишечник;
  • беременность;

Симптомы

Длительное сохранение недостаточности пищеварения сопровождается появлением общих симптомов, связанных с пониженным поступлением питательных веществ в организм. В данную группу входят следующие клинические проявления:

  • общая слабость;
  • снижение работоспособности;
  • головные боли;
  • нарушения сна;
  • повышенная раздражительность;
  • в тяжелых случаях – симптомы анемии из-за недостаточного усвоения железа.

Избыток пищеварительных ферментов

Избыток пищеварительных ферментов наиболее часто наблюдается при таком заболевании, как панкреатит. Состояние связано с гиперпродукцией этих веществ клетками поджелудочной железы и нарушением их выведения в кишечник. В связи с этим развивается активное воспаление в ткани органа, вызванное воздействием ферментов.

Признаками панкреатита могут быть:

  • сильные боли в области живота;
  • тошнота;
  • вздутие;
  • нарушение характера стула.

Часто развивается общее ухудшение состояния больного. Появляется общая слабость, раздражительность, снижается масса тела, нарушается нормальный сон.

Как выявить нарушения в синтезе пищеварительных ферментов?

Основные принципы терапии ферментных нарушений

Изменение выработки пищеварительных ферментов является поводом для обращения к врачу. После проведения комплексного обследования доктор определит причину возникновения нарушений и назначит соответствующее лечение. Самостоятельно бороться с патологией не рекомендуется.

Важным компонентом лечения является правильное питание. Больному назначается соответствующая диета, которая направлена на облегчение переваривания пищи. Необходимо избегать переедания, так как это провоцирует кишечные расстройства. Пациентам назначается лекарственная терапия, в том числе и заместительное лечение .

Конкретные средства и их дозировки подбираются 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, органические вещества белковой природы, которые синтезируются в клетках и во много раз ускоряют протекающие в них реакции, не подвергаясь при этом химическим превращениям. Вещества, оказывающие подобное действие, существуют и в неживой природе и называются катализаторами.

Ферменты (от лат. fermentum – брожение, закваска) иногда называют энзимами (от греч. en – внутри, zyme – закваска). Все живые клетки содержат очень большой набор ферментов, от каталитической активности которых зависит функционирование клеток. Практически каждая из множества разнообразных реакций, протекающих в клетке, требует участия специфического фермента. Изучением химических свойств ферментов и катализируемых ими реакций занимается особая, очень важная область биохимии – энзимология.

Многие ферменты находятся в клетке в свободном состоянии, будучи просто растворены в цитоплазме; другие связаны со сложными высокоорганизованными структурами. Есть и ферменты, в норме находящиеся вне клетки; так, ферменты, катализирующие расщепление крахмала и белков, секретируются поджелудочной железой в кишечник. Секретируют ферменты и многие микроорганизмы.

Действие ферментов

Ферменты, участвующие в фундаментальных процессах превращения энергии, таких, как расщепление сахаров, образование и гидролиз высокоэнергетического соединения аденозинтрифосфата (АТФ), присутствуют в клетках всех типов – животных, растительных, бактериальных. Однако есть ферменты, которые образуются только в тканях определенных организмов.

Так, ферменты, участвующие в синтезе целлюлозы, обнаруживаются в растительных, но не в животных клетках. Таким образом, важно различать «универсальные» ферменты и ферменты, специфичные для тех или иных типов клеток. Вообще говоря, чем более клетка специализирована, тем больше вероятность, что она будет синтезировать набор ферментов, необходимый для выполнения конкретной клеточной функции.

Особенностью ферментов является то, что они обладают высокой специфичностью, т. е. могут ускорять только одну реакцию или реакции одного типа.

В 1890 году Э. Г. Фишер предположил, что эта специфичность обусловлена особой формой молекулы фермента, которая точно соответствует форме молекулы субстрата. Эта гипотеза получила название «ключа и замка», где ключ сравнивается с субстратом, а замок – с ферментом. Гипотеза гласит: субстрат подходит к ферменту, как ключ подходит к замку. Избирательность действия фермента связана со строением его активного центра.

Активность ферментов

В первую очередь, на активность фермента влияет температура. С повышением температуры скорость химической реакции возрастает. Увеличивается скорость молекул, у них появляется больше шансов столкнуться друг с другом. Следовательно, увеличивается вероятность того, что реакция между ними произойдет. Температура, обеспечивающая наибольшую активность фермента – оптимальная.

За пределами оптимальной температуры скорость реакции снижается вследствие денатурации белков. Когда температура снижается, скорость химической реакции тоже падает. В тот момент, когда температура достигает точки замерзания, фермент инактивируется, но при этом не денатурирует.

Классификация ферментов

В 1961 году была предложена систематическая классификация ферментов на 6 групп. Но названия ферментов оказались очень длинными и трудными в произношении, поэтому ферменты принято сейчас именовать с помощью рабочих названий. Рабочее название состоит из названия субстрата, на который действует фермент, и окончания «аза». Например, если вещество - лактоза, то есть молочный сахар, то лактаза – это фермент который его преобразует. Если сахароза (обыкновенный сахар), то фермент, который его расщепляет, – сахараза. Соответственно, ферменты, которые расщепляют протеины, носят название протеиназы.