Немного о ферментах
 

Немного о ферментах

Представление о том, что обмен веществ у всех живых организмов осуществляется при помощи ферментов — специфических органических катализаторов, синтезируемых живыми клетками, складывалось постепенно, начиная с 1815 г., когда Кирхгоф получил из пшеницы экстракт, способный превращать крахмал в сахар. Длительный спор Либиха и Пастера о том, являются ли ферменты живыми, решился в пользу Либиха в 1897 г. Было доказано, что ферменты — макромолекулярные белковые вещества и что каждый фермент специфически регулирует определенную химическую реакцию. Вещество, с которым происходит химическая реакция (субстрат ), соединяется с ферментом, образуя с ним специфический комплекс. Таким образом, ферменты регулируют скорость и специфичность химических реакций, протекающих в организме.

Чтобы действовать в качестве катализатора, фермент не обязательно должен находиться в клетке, многие ферменты были экстрагированы из клеток без потери активности. Ферменты могут быть очищены и получены в кристаллической форме, после чего их можно изучать. Контролируемые ферментами реакции лежат в основе всех явлений жизни: дыхания, роста, мышечного сокращения, фотосинтеза, пищеварения.

Под действием различных ферментов составные компоненты пищи — белки, жиры и углеводы — расщепляются до более простых соединений, из которых затем в организме синтезируются новые макромолекулы, свойственные данному виду. Так, уже в ротовой полости под влиянием фермента амилазы крахмал расщепляется до простых сахаров, из которых в печени синтезируется полисахарид гликоген. Без амилазы расщепления крахмала вообще не происходит.

По строению ферменты могут быть как простыми, так и сложными белками. Во втором случае в составе фермента кроме белковой части имеется добавочная группа небелковой природы — кофермент. Белковая часть и небелковый компонент в отдельности лишены ферментативной активности, но, соединившись вместе, они приобретают характерные свойства фермента.

Ферментативную активность всегда определяет небольшая часть молекулы белка — активный центр; представляющий собой сочетание аминокислотных остатков, строго ориентированных по отношению друг к другу. Высокая специфичность действия ферментов связана с особенностями структуры их активных центров — она идеально соответствует строению субстрата. Например, активный центр молекулы фермента лизоцима, который содержится в яичном белке, в слезах и в слизи полости носа, имеет вид щели. По своим размерам и форме эта щель точно соответствует фрагменту молекулы сложного углевода бактериальной оболочки, которая расщепляется под действием этого фермента.

Каталитический процесс происходит благодаря согласованному действию всех функциональных групп активного центра. В ходе ферментативной реакции происходит образование промежуточного фермента субстратного комплекса (рис. 20).


Под влиянием фермента субстрат ориентируется в пространстве и изменяет свою конфигурацию таким образом, что преобразуемая ферментом химическая связь ослабляется и катализируемая реакция происходит с меньшей начальной затратой энергии, а следовательно, с более высокой скоростью. После химической реакции комплекс распадается с образованием продуктов реакции и свободного фермента. Важно знать, что фермент только ускоряет реакции, которые в обшем-то могли бы происходить и без него, то есть он не требует необратимых затрат энергии (собственной энергии в реакцию фермент не вносит). В тех случаях, когда катализируется реакция, требующая энергетических затрат, в процесс вовлекается источник энергии, например в виде АТФ.

Скорость ферментативной реакции зависит от многих факторов — природы и концентрации фермента и субстрата, температуры, pH среды.

Каталитическая способность некоторых ферментов поистине феноменальна. Например, одна молекула каталазы, экстрагированная из печени быка, может осуществлять разложение 5 ООО ООО молекул перекиси водорода в 1 минуту при 0°С.

Ферменты различаются между собой своей специфичностью, числом различных субстратов, на которые они могут действовать. Некоторые ферменты абсолютно специфичны. Уреаза разлагает только мочевину на аммиак и углекислоту. Другие ферменты обладают относительной специфичностью и действуют лишь на немногие, близкородственные между собой вещества. Пероксидаза расщепляет несколько различных перекисей, в том числе и перекись водорода.

Наконец, есть ферменты, специфичность которых сводится к тому, что субстрат должен иметь химические связи определенного типа. Липаза, выделяемая поджелудочной железой, расщепляет эфирные связи между глицерином и жирными кислотами в разнообразных жирах.

Реакции, контролируемые ферментами, обратимы, и фермент не определяет, в каком направлении пойдет реакция, он только увеличивает скорость, с которой реакция достигает равновесия. Поскольку многие реакции при протекании их в одном направлении сопровождаются выделением энергии, ясно, что для того чтобы заставить процесс идти в обратную сторону, необходимо подводить извне соответствующее количество энергии в подходящей форме.

В зависимости от типа катализируемой реакции все ферменты подразделяются на 6 классов: 1) ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции,— оксидоредуктазы, 2) ферменты переноса различных группировок (метильных, амино- и фосфогрупп) — трансферазы; 3) ферменты, осуществляющие гидролиз химических связей,— гидролазы; 4) ферменты негидролитического отщепления — лиазы; 5) ферменты, ускоряющие синтез связей в биологических молекулах, при участии АТФ ,— лиеазы; 6) ферменты, катализирующие превращение изомеров друг в друга,— изомеразы.

Ферменты обычно работают в «содружестве» друг с другом, при этом продукт одной ферментативной реакции служит субстратом для последующих. Каждый фермент находится под контролем гена.

Многие ферменты просто растворены в цитоплазме. Из растертой печени можно приготовить водный экстракт, содержащий все ферменты, необходимые для превращения глюкозы в молочную кислоту. Другие ферменты прочно связаны с определенными внутриклеточными тельцами. Дыхательные ферменты, катализирующие расщепление молочной кислоты до углекислого газа и воды, связаны с митохондриями.

Ферменты теряют активность в результате умеренного нагревания. Это необратимый процесс. Поэтому непродолжительное воздействие высокой температуры убивает большинство организмов: их ферменты инактивируются, и обмен веществ прекращается.

Есть несколько замечательных исключений из этого правила. Существуют виды примитивных растений — синезеленые водоросли, оживающие в горячих источниках Йеллоустонского национального парка, в которых температура воды достигает почти 100° С. Приведем несколько примеров, когда нарушения различных ферментных систем приводят к развитию тяжелых заболеваний.

Одной из таких болезней является фенилкетонурия, при которой в моче больного появляется большое количество аминокислот — фенилаланина и фенилпировиноградной кислоты. Это связано с нарушением превращения фенилаланина в тирозин. В результате в организме накапливаются продукты обмена, вызывающие тяжелые расстройства функций разных органов, в первую очередь центральной нервной системы. У ребенка, страдающего таким заболеванием, к 6—7 месяцам появляются симптомы умственной отсталости.

Еще одно тяжелое наследственное заболевание — гликогенез — связано с полным выпадением в организме функции фермента углеводного обмена — кислой гамма-амилазы.

Так, наследственная аномалия умственного развития детей (галактоземия) связана с отсутствием в их организме одного из ферментов обмена углеводов, вследствие чего больные дети не могут усваивать молочный сахар.

Ферменты нашли широкое применение в легкой, пищевой и химической промышленности. Препараты амилазы из грибков-аспергиллов (плесеней) на 30% ускоряют созревание- теста и позволяют вдвое уменьшить расход сахара на выпечку хлебных изделий высших сортов.

Амилазу плесени используют в пивоваренной промышленности; фермент лектиназу — при изготовлении плодово-ягодных соков и в виноделии. В кожевенном производстве для ускорения процесса освобождения шкур от волосяного покрова и размягчения кож применяют препараты протеолитических ферментов из плесневых грибков, бактерий и растений, а в сельском хозяйстве при силосовании кормов для повышения их биологической ценности — препараты амилазы.

В последние годы благодаря получению так называемых иммобилизованных (то есть связанных с твердым носителем) ферментов сфера практического применения их значительно расширилась. В качестве твердых носителей используют пористое стекло, целлюлозу, глину, всевозможные полимерные материалы. Продукт, возникающий в результате каталитического действия нерастворимого фермента, отделяют простым фильтрованием. Иммобилизованные ферменты устойчивы и пригодны для многократного использования в промышленных установках. С их помощью получают дорогостоящие лекарственные препараты и сложные химические соединения.

Решением всех вопросов, связанных с изучением структуры, механизмов действия и практического применения ферментов, занимается наука энзимология.