Размещено на http://www.allbest.ru/

ПОНЯТИЕ О ФЕРМЕНТАХ

Ферменты, или энзимы, представляют собой высокоспециализированный класс веществ белковой природы, используемый живыми организмами для осуществления с высокой скоростью многих тыс. яч взаимосвязанных химических реакций, включая синтез, распад и взаимопревращение огромного множества разнообразных химических соединений. Жизнь и многообразие ее проявлений - сложная совокупность химических реакций, катализируемых специфическими ферментами. И.П. Павлов считал ферменты "возбудителями всех химических превращений" у живых существ. Как известно, важнейшим свойством живого организма является обмен веществ, ускоряющим аппаратом, основой молекулярных механизмов интенсивности которого являются ферменты. "Вся тайна животной жизни, - писал Д.И. Менделеев, - заключается в непрерывных химических превращениях веществ, входящих в состав животных тканей". В настоящее время теоретические и практические достижения энзимологии используются в решении многих проблем биохимии и молекулярной биологии, включая их сравнительное и эволюционное рассмотрение. "Под знаком молекулярной энзимологии, - говорил на III Всесоюзном биохимическом съезде (1974) А.Е. Браунштейн, - развивается и встречное течение - реконструкция или интеграция, восходящая от молекулярного яруса к высшим уровням структурно-функциональной организации живого и пронизывающая весь комплекс актуальных проблем биологии и медицины". Ферменты обеспечивают осуществление таких важнейших процессов жизнедеятельности, как экспрессия (реализация) наследственной информации, биоэнергетика, синтез и распад биомолекул (обмен веществ). Изучение их способствует проникновению в суть и сокровенные тайны того загадочного явления, которое мы называем жизнью. Этими обстоятельствами может быть объяснено пристальное внимание исследователей к проблемам структуры, функций и молекулярных механизмов действия ферментов. От неорганических катализаторов ферменты отличаются рядом характерных особенностей. Прежде всего ферменты чрезвычайно эффективны и проявляют в миллионы и миллиарды раз более высокую каталитическую активность в условиях умеренной температуры (температура тела), нормального давления и в области близких к нейтральным значениям рН среды. Ферменты отличаются высокой специфичностью действия в отношении как химической природы субстрата, так и типа реакции, т.е. каждый фермент катализирует в основном только определенную химическую реакцию. Для каждого фермента характерны специфическая последовательность расположения аминокислотных остатков и пространственная кон-формация. Существенной особенностью ферментов является также то, что их активность в клетках строго контролируется как на генетическом уровне. Области применения ферментов в биологии и медицине (по Грину). так и посредством определенных низкомолекулярных соединений, в частности субстратов и продуктов реакций, катализируемых этими же ферментами, ингибиторов и др. Таким образом, молекула фермента характеризуется уникальностью структуры, которая и определяет уникальность ее функции. Учение о ферментах выделено в самостоятельную науку - энзимологию. Термин "энзим" (от греч. en zyme - в дрожжах), также как и "фермент" (от лат. fermentatio - брожение), означает процесс, связанный с выделением газов, брожением. В настоящее время учреждены научно-исследовательские институты по изучению ферментов, издаются специальные журналы, созываются национальные и международные симпозиумы и конференции, посвященные проблемам энзимологии. Наука о ферментах интенсивно развивается в тесной связи со многими науками, в частности с органической, неорганической и физической химией, физиологией, токсикологией, микробиологией, генетикой, фармакологией и др. Таким образом, эта область знаний находится на стыке химических, биологических и медицинских наук. Энзимология в ее современном физико-химическом и молекулярном понимании решает две главные, неразрывно связанные между собой проблемы: определение структурной макромолекулярной организации ферментов и изучение природы химических взаимодействий, лежащих в основе ферментативного катализа. Накопление экспериментальных данных и развитие теоретических представлений происходят настолько быстро, что любой учебник к моменту выхода в свет уже не отражает достаточно полно современное состояние вопроса о структуре и функциях ферментов. Важно подчеркнуть, что изучение ферментов имеет огромное значение для любой фундаментальной и прикладной области биологии, а также для многих практических отраслей химической, пищевой и фармацевтической индустрии, занятых приготовлением катализаторов, антибиотиков, витаминов и многих других биологически активных веществ, используемых в народном хозяйстве и медицине. В фармакологии действие многих лекарственных препаратов основано на определенном, хотя часто еще не выявленном, механизме взаимодействия их с ферментами. Успехи общей и молекулярной энзимологии способствуют развитию новой ее ветви - медицинской энзимологии, цели и задачи, методологические подходы которой связаны с решением проблем энзимопатологии, энзимо-диагностики и энзимотерапии (см. далее). Наука о питании базируется на точных знаниях поэтапного расщепления питательных веществ под влиянием ферментов пищеварительного аппарата, на количественный и качественный состав которых существенное влияние оказывает характер поступающих с пищей веществ. Многие проблемы наследственной патологии человека, развитие врожденных пороков обмена тесно связаны с дефектами или полным отсутствием синтеза специфических ферментов. Проблемы клеточного роста и развития, дифференцировки клеток высших организмов, физиологических функций (движение, перемещение в пространстве, транспорт веществ и ионов, процессы возбуждения и торможения и др.) определяются в большой степени работой биокатализаторов, включая их биосинтез и инактивацию. Таким образом, есть все основания для подтверждения положения, что не только современная биология, как отмечает акад. А.Е. Браунштейн, но и медицина "говорит на языке энзимологии".

ОСОБЕННОСТИ ФЕРМЕНТОВ

Пастер неслучайно упорствовал, не желая сводить брожение к обычному катализу. Дело в том, что ферменты сильно отличаются от небиологических катализаторов.

Во-первых, они чувствительны к температуре, как живые существа. Наиболее распространённый температурный режим промышленных катализаторов - от 200 до 500 °С, а молекулы некоторых ферментов повреждаются уже при 40 °С. При 70 °С большинство ферментов полностью теряют каталитические свойства.

Во-вторых, ферменты чрезвычайно чувствительны к кислотности среды. Каждый фермент работает только в узком интервале рН. Пепсин желудочного сока действует при рН 2-3. Кислая среда обеспечивается соляной кислотой - основным компонентом желудочного сока. Оптимальное значение рН большинства внутриклеточных ферментов - около 7. Это - нейтральная среда, которая обеспечивается кровью. В крови здорового человека рН не отличается от среднего значения 7,4 более чем на 0,2. При рН крови ниже 7,0 или выше 7,8 наступает смерть из-за нарушения деятельности ферментов. фермент энзим функция реакция

В-третьих, ферменты обладают огромной каталитической активностью: они способны ускорять реакции в 10¹⁴-10¹⁵ (миллион миллиардов) раз (а многие ферментативные реакции в отсутствие ферментов просто не идут). Возможности обычных катализаторов гораздо скромнее. Например, 1 моль фермента алкогольдегидрогеназы за секунду при комнатной температуре способен превратить в уксусный альдегид 720 моль этилового спирта, в то время как 1 моль медного катализатора при 200 °С справляется лишь с 0,1-1 моль спирта. Правда, 1 моль меди весит 64 г, а 1 моль алкогольдегидрогеназы - примерно 84 кг. Но ведь реакция идёт между частицами, а не между килограммами.

И наконец, невероятная активность ферментов сочетается со столь же невероятной специфичностью их действия. О том, что это такое, хорошо написал немецкий физикохимик Густав Тамман (1861-1938): "...Ферменты ускоряют гидролитические реакции так же, как и кислоты, но действие первых отличается от действия вторых... Кислоты ускоряют все гидролитические реакции; ферменты только некоторые. Если одна кислота ускоряет какой-нибудь гидролиз, то и другие кислоты так же действуют. Действие, производимое некоторыми ферментами, в большинстве случаев не может быть вызвано другим ферментом".

Часто один фермент влияет только на строго определённое вещество или связь, причём различает даже оптические изомеры! Природные ферменты, например, действуют лишь на L-аминокислоты, которые составляют природные белки, и не обращают внимания на их "сестёр-близнецов" - изомерные L-аминокислоты.

*рН - водородный показатель среды. Он связан с концентрацией ионов Н⁺ соотношением.

рН=-lg [H⁺].

В нейтральной среде при 25 °С концентрация водородных ионов составляет 10^-7 моль/л, при этом рН=7. Если концентрация ионов Н⁺ превышает 10^-7 моль/л, рН<7, среда кислая, в щелочной среде - наоборот.

В обычных химических реакциях оптические изомеры ведут себя практически одинаково, поэтому их почти невозможно отличить друг от друга химическим путём и получить в чистом виде, а не в виде смеси. Один из способов разделить таких "близнецов" - доверить эту работу ферментам.

Классификация ферментов. Все ферменты разделены на шесть главных классов:

Оксидоредуктазы - катализируют окислительно-восстановительные реакции.

Трансферазы - катализируют реакции межмолекулярного переноса химических групп и остатков.

Гидролазы - катализируют реакции гидролитического расщепления внутримолекулярных связей.

Лиазы - катализируют реакции присоединения групп по двойным связям и обратные реакции отрыва таких групп.

Изомеразы - катализируют реакции изомеризации.

Лигазы (синтетазы) - катализируют реакции соединения двух Молекул, сопряженные с расщеплением пирофосфатной связи в молекуле аденозинтрифосфата (АТФ) или аналогичного нуклеотидтрифосфата.

Каждый класс ферментов подразделяется на подклассы, которые в свою очередь в зависимости от природы ферментативной реакции делятся еще на подподклассы, в пределах которых нумеруются. Важнейшие представители некоторых классов ферментов приведены в таблице (ст. 274). Ранее многие ферменты, осуществляющие процессы глубокого расщепления органических соединений (десмолаза), объединялись под общим названием десмолаз (например, комплекс ферментов брожения, каталаза, карбоангидраза и др.).

Наряду с единой номенклатурой существуют стандартные единицы выражения активности ферментов: одна единица (Е) любого фермента - это количество фермента, которое при заданных условиях катализирует превращение 1 мкмоля субстрата в 1 мин.; концентрации раствора ферментов приводятся в единицах активности на 1 мл раствора; молекулярную активность фермента - выражает число молекул субстрата (или эквивалентов затронутой группы), превращаемых за 1 минуту одной молекулой фермента.

Ферментативные реакции, как и обычные химические реакции, ускоряются при повышении температуры. Температурный оптимум действия ферментов лежит в пределах 40-60°. При более высокой температуре, как правило, происходит инактивация ферментов. Некоторые ферменты довольно устойчивы к высоким температурам, например, рибонуклеаза выдерживает нагревание до 100°. Ферментыпроявляют максимальную активность только при определенном значении рН среды. Активность ферментов подавляется веществами, называемыми ингибиторами (см.). Действие ингибиторов может быть обратимым, когда активность ферментов восстанавливается при удалении ингибитора, и необратимым, когда при удалении ингибитора активность ферментов практически не восстанавливается.

Ферменты локализованы в определенных клеточных структурах. Структурная организация ферментных систем обеспечивает определенную последовательность ферментативных реакций и определенную скорость протекания процесса в целом. Для нормального функционирования ферментной системы необходимо, чтобы активность всех входящих в нее ферментов была оптимальной. Если один из ферментов по той или иной причине снизит свою активность или выпадет из системы, то нарушается деятельность всей ферментной системы в целом, что может вызвать заболевание всего организма. Отсюда следует важность для диагностики заболевания определения активности и количества ферментов. В клинической практике изучению ферментов придается большое значение. Наиболее широкому изучению подвергаются ферменты сыворотки (плазмы) и цельной крови.

Изменение "ферментного спектра" крови бывает вследствие увеличения (гиперферментемия), уменьшения (гипоферментемия) или появления в крови ферментов, отсутствующих в крови здорового человека (дисферментемия). Появление в крови неспецифических ферментов может быть следствием нарушенияпроницаемости биологических мембран, разрушения клеток или результатом защитной реакции организма.

Размещено на Allbest.ru