Ферменты (определение, классификация, механизм действия, значение)

    Ферментами называются белковые вещества, ускоряющие жизненно важные химические реакции в клетках организма. Являясь катализаторами, они образуют с исходными веществами неустойчивые промежуточные соединения, которые распадаясь, дают конечный продукт данной реакции и освобождают ферменты.

    Действие некоторых ферментов легко наблюдать в опыте. Так, фермент каталаза значительно ускоряет разложение пероксида водорода на воду и кислород. Это жизненно важная реакция, так как пероксид водорода образуется в результате обмена веществ в клетке и сам по себе оказывает на клетку вредное действие. Каталаза содержится почти во всех клетках животных и растительных организмов.

    Известно очень много ферментов, и каждый из них ускоряет только одну какую-либо реакцию или группы однотипных реакций - специфичностью или селективностью (избирательностью) действия. Направленность их действия позволяет организму быстро и точно выполнять сложную химическую работу по перестройке молекул пищевых веществ в нужные ему соединения.

    Уже во рту во время пережёвывания пищи под влиянием фермента амилазы сложные сахара, в частности крахмал, начинают разлагаться на менее сложные. Эта работа в дальнейшем будет продолжена в кишечнике ферментами карбогидразами. В желудке и кишечнике разложению с участием пепсина, трипсина, хемотрипсина подвергаются белки пищи. Жиры разлагаются на глицерин и карбоновые кислоты (или их соли) под влиянием ферментов, называемых липазами.

Механизм: Все эти реакции разложения протекают по одному принципу: разрывается определённая химическая связь в молекуле белка, углевода или жира, и освободившиеся валентности используются для присоединения группы ОН^- и иона Н⁺ из молекул воды. Происходит процесс гидролиза.

Располагая богатым набором ферментов-катализаторов, клетка разлагает молекулы пищевых белков, жиров и углеводов на небольшие фрагменты и из них заново строит белковые и иные молекулы, которые будут точно соответствовать потребностям данного организма. Вот почему великий русский физиолог И.П.Павлов назвал ферменты носителями жизни.

    Пепсин, химотрипсин, принимающие участие в пищеварении, могут служить примером ферментов, в которых активная группа является частью молекулы белка.

    Другие ферменты для проявления активности нуждаются в веществах небелковой природы - так называемых кофакторах. Кофактором может быть ион металла или молекула органического соединения; в последнем случае её часто называют коферментом. Иногда для действия фермента бывает необходимо присутствие ионов металлов, так и коферментов. В некоторых ферментах коферменты – это вещества, близкие по строению молекулы к витаминам. Витамины, таким образом, являются предшественниками коферментов. Так, из витамина в клетках образуется тиамин- пирофосфат- кофермент важного фермента (его называют декарбоксилаза), превращающего пировиноградную кислоту в оксид углерода и ацетальдегид; из витамина В2 получаются коферменты флавиновых ферментов, осуществляющих в клетке перенос электронов – одну из стадий окисления пищевых веществ; из витамина В12 образуется коферменты, необходимые в процессе кроветворения.

    Среди множества ферментов есть и такие, которые способны отнимать атом водорода у тех или иных веществ. Их называют дегидрогеназами. Такие ферменты имеются, например, в свежем коровьем молоке.

Немецкий химик-органик и биохимик Э.Фишер изучал действие ферментов на разнообразные, близкие по своему строению вещества. Он открыл, что ферменты обладают исключительной избирательностью своего действия, и сформулировал важное положение: «Каждый фермент должен соответствовать субстрату (т.е. разлагаемому ферментом соединению), как ключ замку». Это явление, получившее название специфичности ферментативного действия, стало одним из фундаментальных понятий энзимологии (науки о ферментах) и всей биологической химии в целом.

    В организме человека под влиянием ферментов протеиназ и пептидаз белки пищи в основном расщепляются до свободных аминокислот. Это происходит в кишечнике. Однако предварительно организм проводит большую подготовительную работу. В ротовой полости измельчённая пища обрабатывается ферментом амилазой, содержащейся в слюне. Амилаза расщепляет углеводы, в том числе углеводы растительной пищи, связанные с белками, что высвобождает белки для последующей обработки. В желудке, где выделяются соляная кислота и пепсин, под влиянием повышенной кислотности и фермента происходят частичная денатурация (изменение третичной структуры) белка и его расщепление на крупные фрагменты. В кишечнике частично гидролизованные белки расщепляются протеазами и пептидазами в основном до аминокислот, которые всасываются в кровь и далее разносятся по всему организму.

    На протяжении жизни любого из организмов, населяющих нашу планету, в его органах и тканях осуществляется бесконечно сложная цепь разнообразных химических превращений. Большое значение для жизнедеятельности организма имеют разнообразные промежуточные продукты, которые образуются в процессе дыхания. Многие из них при помощи соответствующих ферментов становятся участниками различных биохимических реакций, в ходе которых клетка строит свою цитоплазму, заменяет отработанные части, создаёт материалы для построения новых клеток и органов.

    Жизнь организма изменяется коренным образом, если деятельность ферментов, находящихся в его клетке, затруднена по той или иной причине. Например, процесс дыхания в сухих семенах идёт очень слабо, так как для активной деятельности ферментов здесь не хватает воды. В тех же семенах уже через несколько часов после их увлажнения активность ферментов и, следовательно, дыхание усиливаются в сотни и тысячи раз.

    В процессе дыхания растений сахар или другие сложные органические вещества распадаются на воду и углекислый газ. Эти процессы очень сложные, и состоят они из большого числа отдельных реакций, происходящих при участии многих различных ферментов.

    В сухом семени цитоплазма уплотнена, и жизнь в нём как бы замирает. По виду не отличишь мёртвое семя от живого. Но если дать семенам воду, поместить их в тепло и открыть доступ кислороду, живое семя прорастёт, а мёртвое только набухнет. Что же происходит в семенах при прорастании? Проникшая в клетки вода вызывает набухание цитоплазмы, ядра, оболочки и других частей клетки. Цитоплазма зародыша в семени образует фермент амилазу. Этот фермент проникает в клетки эндосперма и превращает отложенный там крахмал в растворимый сахар. Таким же образом с помощью других ферментов белки, отложенные в запас в семени, переводятся в растворимые аминокислоты, жиры распадаются на глицерин и жирные кислоты. Начинается деление клеток и увеличение их размеров. Семя прорастает. Пройдёт несколько дней, зазеленеют листья, и растение начнёт питаться уже не за счёт запасов, отложенных в семени, а самостоятельно, усваивая нужные ему вещества из почвы и воздуха.

Растения и животные, даже каждая отдельная клетка – это маленький, но очень сложные лаборатории, в которых возникают, превращаются и разлагаются тысячи органических веществ. Многочисленные и разнообразные химические реакции протекают в этих лабораториях в строго определённой последовательности. Создаются, растут и затем распадаются сложнейшие структуры… Мир органических веществ окружает нас, мы сами состоим из них, и вся живая природа, среди которой мы живём и которую мы постоянно используем, состоит из органических веществ.

Ферменты - биокатализаторы, специфические белки, присутствующие во всех живых клетках и играющие роль биокатализаторов. Без их участия не проходит ни одна биохимическая реакция, белки, которые обладают каталитической активностью и характеризуются очень высокой специфичностью и эффективностью действия.

В настоящее время известно около 2 тысяч ферментов.

Ферментативные реакции

     Анаболитические                      Катаболитические

     (реакция синтеза)                      (реакции распада)

    Совокупность всех реакций в живой клетке составляет обмен или метаболизм.

    Классификация ферментов по способу и направленности действия.

1. Амилазы (расщепляющие крахмал).

2. Протеазы (расщепляющие белки).

3. Глюкозооксидазы.

4. Каталазы.

5. Целлюлазы, пектиназы.