Обычно фермент связан с субстратом ионными или водородными связями, реже — ковалентными. В конце реакции продукт (или продукты) отделяется от фермента.
ФЕРМЕНТЫ
НУТРИЦИОННЫЕ СУБСТАНЦИИ, органические вещества белкового характера, которые синтезируются в клетках и часто ускоряют реакции внутри клетки без протекания химических реакций. Вещества с подобным эффектом существуют и в неживой природе и называются катализаторами. Ферменты (от лат. fermentum — брожение, закваска) иногда также называют энзимами (от греч. en — в, zyme — закваска). Все живые клетки содержат очень большое количество ферментов, от каталитической активности которых зависит функционирование клетки. Почти каждая из множества различных реакций, происходящих в клетке, требует участия определенного фермента. Изучение химических свойств ферментов и реакций, которые они катализируют, составляет особую и очень важную область биохимии — энзимологию.
Многие ферменты находятся в клетке в свободном состоянии, т.е. просто растворены в цитоплазме; другие связаны со сложными и высокоорганизованными структурами. Существуют также ферменты, которые обычно находятся вне клетки. Например, ферменты, катализирующие расщепление крахмала и белков, выделяются поджелудочной железой в кишечник. Многие микроорганизмы также выделяют ферменты.
Первые данные о ферментах были получены при изучении процессов ферментации и пищеварения. Л. Пастер внес важный вклад в изучение ферментации, но считал, что рассматриваемые реакции могут осуществляться только живыми клетками. В начале 20-го века Э. Бюхнер показал, что ферментация сахарозы до углекислого газа и этилового спирта может быть катализирована бесклеточным дрожжевым экстрактом. Это важное открытие послужило толчком для выделения и изучения клеточных ферментов. В 1926 году Дж. Самнер из Корнельского университета (США) выделил уреазу; это был первый фермент, полученный в практически чистом виде. С тех пор было открыто и выделено более 700 ферментов, но в живых организмах их гораздо больше. Идентификация, выделение и изучение свойств отдельных ферментов занимает центральное место в современной энзимологии.
Ферменты, участвующие в основных процессах преобразования энергии, таких как расщепление сахаров, образование и гидролиз аденозинтрифосфата (АТФ), присутствуют во всех типах клеток — животных, растениях и бактериях. Однако есть ферменты, которые вырабатываются только в тканях определенных организмов. Ферменты, участвующие в синтезе целлюлозы, например, находятся в растительных клетках, но не в животных. Поэтому важно проводить различие между «универсальными» ферментами и ферментами, специфичными для типа клеток. В целом, чем выше ячейка, тем более специализированной она является,
Ферменты как белки.
Структурные особенности ферментов, необходимые для их функционирования, легко утрачиваются. Нагревание, например, перестраивает белковую цепь, что сопровождается потерей каталитической активности. Щелочные или кислотные свойства раствора также важны. Большинство ферментов лучше всего функционируют в растворах с pH, близким к 7, когда концентрация ионов H+ и OH приблизительно равна. Причина этого заключается в том, что структура белковых молекул и, следовательно, активность ферментов в значительной степени зависит от концентрации водородных ионов в среде.
Не все белки, встречающиеся в живых организмах, являются ферментами. Например, структурные белки, многие специфические белки крови, белковые гормоны и т.д. имеют различные функции.
Многие высокомолекулярные ферменты развивают свою каталитическую активность только в присутствии специфических низкомолекулярных веществ, называемых коферментами (или кофакторами). Большинство витаминов и многие минералы выполняют функцию коферментов, поэтому их следует принимать вместе с пищей. Витамин РР (никотиновая кислота или ниацин) и рибофлавин, например, относятся к коферментам, необходимым для функционирования дегидрогеназы. Цинк является коферментом карбогидразы, фермента, катализирующего выделение углекислого газа из крови, который удаляется из организма с выдыхаемым воздухом. Железо и медь являются компонентами дыхательного фермента цитохромоксидазы.
Вещество, которое преобразуется в присутствии фермента, называется субстратом. Субстрат связывается с ферментом, что ускоряет расщепление одних химических связей в молекуле фермента и образование других; полученный продукт выделяется ферментом. Этот процесс иллюстрируется следующим образом:
Коферменты и субстраты.
Продукт также можно считать субстратом, поскольку все ферментные реакции в той или иной степени обратимы. Однако равновесие обычно смещается в сторону образования продукта, и обратную реакцию бывает трудно обнаружить.
Ферменты могут использоваться в различных областях: Ферменты для исследований, ферменты для диагностики, промышленные ферменты и ферменты для ежедневного использования. Благодаря действию фермента химические реакции в организме могут эффективно протекать в более «мягких» условиях, позволяя организму переваривать пищу, усваивать питательные вещества и поддерживать внутренние функции: противовоспалительную детоксикацию, метаболизм, иммунитет, образование и продвижение крови, кровообращение и др.
В организме содержится множество ферментов, которые контролируют многочисленные метаболические процессы: обмен веществ, питание и преобразование биоэнергии. Большинство реакций, тесно связанных с жизненными процессами, катализируются ферментами.
Роль ферментов в организме
Наиболее важной задачей фермента является катализ. Он обеспечивает бесперебойную работу сложного метаболизма в клетках и адаптирует обмен веществ к физиологическим функциям. Если дефицит или активность фермента снижена из-за генетических дефектов или по другим причинам, каталитическая реакция фермента не может протекать нормально, что приводит к нарушению метаболизма или даже к заболеванию.
Каталитический механизм фермента в основном включает кислотно-основной катализ и ковалентный катализ. Кислотно-основной катализ относится к каталитическому действию переноса протона для ускорения реакции. Ковалентный катализ означает, что субстрат или часть субстрата образует ковалентную связь с катализатором и затем переносится на второй субстрат. Многие реакции переноса групп, катализируемые ферментами, осуществляются путем ковалентного катализа.
Роль ферментов в катализе
В организме человека существует большое количество ферментов, которые имеют сложную структуру и разнообразны. Например, когда жуют рис и булочки с паром, чем больше жуют, тем слаще вкус. Это объясняется следующим образом: крахмал в рисе гидролизуется до мальтозы слюнной амилазой, которая выделяется из ротовой полости.
Поэтому если вы будете больше жевать во время еды, вы сможете хорошо перемешать пищу со слюной, что полезно для пищеварения. Кроме того, белок, поступающий в организм человека с пищей, должен быть расщеплен на аминокислоты с помощью различных протеолитических ферментов пищевой промышленности, таких как пепсин, а затем определенные аминокислоты выбираются другими ферментами для восстановления необходимых белков в определенном порядке. Здесь происходит множество сложных химических реакций.
Каталитический механизм фермента заключается в снижении энергии активации реакции. Химическая реакция может происходить потому, что некоторые молекулы субстрата были активированы и стали активированными молекулами, и чем больше активированных молекул, тем выше скорость реакции. Фермент-субстратный комплекс реагирует с образованием продукта и высвобождает фермент, который связывается с другой молекулой субстрата и увеличивает скорость химической реакции, снижая активацию реакции.
Ферменты могут ускорить химическую реакцию, но они не могут изменить точку равновесия химической реакции. Это означает, что фермент способствует прямой и обратной реакциям в равных пропорциях, поэтому роль фермента заключается в сокращении времени, необходимого для достижения равновесия.
Как ферменты снижают энергию активации реакции?
Ферменты присутствуют во всех живых клетках и обеспечивают превращение одного вещества (субстрата) в другое (продукт). Ферменты выступают в качестве катализаторов почти всех биохимических реакций в живых организмах, катализируя более 4 000 различных биохимических реакций.2 Ферменты играют важнейшую роль во всех жизненных процессах, контролируя и регулируя метаболизм организма.
Как и все катализаторы, ферменты ускоряют прямые и обратные реакции за счет снижения энергии, необходимой для активации процесса. Химический баланс не смещается ни назад, ни вперед. Особый хаос
Функции ферментов
Ферменты делятся на 6 категорий в соответствии с иерархической классификацией ферментов (EC — Enzyme Commission Code). Классификация была предложена Международным союзом биохимии и молекулярной биологии. Каждый класс содержит подклассы, так что фермент описывается серией из четырех чисел, разделенных точками. Например, пепсин называется EC 3.4.23.1. Первая цифра указывает на механизм реакции, катализируемой ферментом:
Будучи катализаторами, ферменты ускоряют как прямые, так и обратные реакции. Например, лиазы могут катализировать и обратную реакцию — присоединение двойной связи.
Ферменты обычно называются по типу реакции, которую они катализируют, с добавлением суффикс а-ase к названию субстрата (например, лактаза — фермент, участвующий в превращении лактозы). Таким образом, разные ферменты, выполняющие одну и ту же функцию, имеют одно и то же название. Эти ферменты отличаются по другим свойствам, например, по оптимальному значению рН (щелочная фосфатаза) или локализации в клетке (мембранная АТФаза).
Кривая насыщения химической реакции, иллюстрирующая зависимость между концентрацией субстрата S и скоростью реакции v.
Классификация ферментов
Простейшим описанием кинетики ферментных реакций на субстрат является уравнение Михаэлиса-Ментен (см. рисунок). На сегодняшний день описано несколько механизмов действия фермента. Например, действие многих ферментов описывается механизмом «пинг-понга».
- КФ 1: Оксидоредуктазы, катализирующие окисление или восстановление. Пример: каталаза, алкогольдегидрогеназа.
- КФ 2: Трансферазы, катализирующие перенос химических групп с одной молекулы субстрата на другую. Среди трансфераз особо выделяют киназы, переносящие фосфатную группу, как правило, с молекулы АТФ.
- КФ 3: Гидролазы, катализирующие гидролиз химических связей. Пример: эстеразы, пепсин, трипсин, амилаза, липопротеинлипаза.
- КФ 4: Лиазы, катализирующие разрыв химических связей без гидролиза с образованием двойной связи в одном из продуктов.
- КФ 5: Изомеразы, катализирующие структурные или геометрические изменения в молекуле субстрата.
- КФ 6: Лигазы, катализирующие образование химических связей между субстратами за счёт гидролиза АТФ. Пример: ДНК-полимераза.
В 1972-1973 годах была разработана первая квантовомеханическая модель ферментного катализа (авторы: М.В. Волькенштейн, Р.Р. Догонадзе, З.Д. Урушадзе и др.) 3 4 5 6 .
Соглашения о наименовании ферментов
Пищеварительные ферменты — это белки, которые ускоряют расщепление крупных молекул, входящих в состав пищи. Они расщепляют такие молекулы на более мелкие фрагменты, которые легче усваиваются клетками. Основными типами пищеварительных ферментов являются протеазы, липазы и амилазы.
Самой важной пищеварительной железой является поджелудочная железа. Он производит большинство этих ферментов, а также нуклеазы, которые расщепляют ДНК и РНК, и пептидазы, которые участвуют в образовании свободных аминокислот. Небольшое количество этих ферментов способно перерабатывать большое количество пищи.
При ферментативном расщеплении питательных веществ высвобождается энергия, которая используется для метаболических процессов и жизненных функций. Без участия ферментов эти процессы протекали бы очень медленно, без достаточных запасов энергии в организме.
Кроме того, участие ферментов в процессе пищеварения обеспечивает расщепление питательных веществ на молекулы, которые могут пройти через клетки кишечной стенки и попасть в кровоток.
Пищеварительные ферменты
Амилаза вырабатывается слюнными железами. Он действует на пищевой крахмал, который состоит из длинной цепочки молекул глюкозы. С помощью этого фермента из двух связанных между собой молекул глюкозы образуются патчи — фруктоза и другие короткоцепочечные углеводы. Затем они преобразуются в глюкозу в кишечнике.
Короткие углеводы, образованные панкреатической амилазой, поступают в тонкий кишечник. Здесь они расщепляются на молекулы глюкозы мальтазой, лактазой, сахарозой и декстриназой. Пищевые волокна, которые не расщепляются ферментами, выводятся из кишечника с фекалиями.
Протеин или белок является неотъемлемой частью рациона человека. Протеазы, или ферменты, необходимы для его расщепления. Они различаются по месту синтеза, субстрату и другим характеристикам. Некоторые из них активны в желудке, например, пепсин. Другие вырабатываются поджелудочной железой и действуют в просвете кишечника. Сама железа производит неактивный фермент-предшественник, химотрипсиноген, который активируется и превращается в химотрипсин только при соединении с кислыми компонентами пищи. Этот механизм помогает предотвратить саморазрушение клеток поджелудочной железы под действием протеаз.
Рисунок 3 — Ферментативная деградация белков
Амилаза
Протеазы расщепляют пищевые белки на более мелкие фрагменты, называемые полипептидами. Ферменты пептидазы расщепляют их до аминокислот, которые могут быть переварены в кишечнике.
Диетические жиры расщепляются ферментами липазы, которые также вырабатываются поджелудочной железой. Они расщепляют молекулы жира на жирные кислоты и глицерин. Для этой реакции необходимо присутствие желчи, которая вырабатывается печенью в двенадцатиперстной кишке.
У многих людей с нарушениями пищеварения, особенно с заболеваниями поджелудочной железы, прием ферментов поддерживает функцию органа и ускоряет процессы выздоровления. После того как приступ панкреатита или другого острого заболевания прошел, прием ферментов можно прекратить, поскольку организм возобновляет их выделение самостоятельно.
Длительное применение ферментных препаратов необходимо только при тяжелом нарушении внешней секреции поджелудочной железы.
Протеазы
Одним из наиболее физиологичных препаратов является Micrazyme. Он состоит из амилазы, протеазы и липазы, которые содержатся в панкреатическом соке. Поэтому нет необходимости подбирать фермент индивидуально для различных заболеваний этого органа.
Показания к применению данного препарата:
Прием пищеварительных ферментов в качестве заменителя помогает предотвратить метеоризм, жидкий стул и боли в животе. Кроме того, микразимы полностью берут на себя функцию расщепления питательных веществ при тяжелых хронических заболеваниях поджелудочной железы. Поэтому они легко всасываются в кишечнике. Это особенно важно для детей, страдающих муковисцидозом.
Липазы
Важно: Перед использованием прочитайте инструкцию по применению или обратитесь к своему врачу.
Роль заместительной терапии препаратом «Микразим»
Ферменты, присутствующие в организме человека, можно разделить на 2 группы:
Метаболиты «работают» на нейтрализацию токсичных веществ, а также помогают вырабатывать энергию и белки. И, конечно, они ускоряют биохимические процессы в организме.
Органы пищеварения отвечают за процессы пищеварения. Здесь также действует принцип избирательности: определенный тип фермента действует только на определенный тип пищи. Поэтому для улучшения пищеварения можно прибегнуть к маленькой хитрости. Если ваш организм не может хорошо переварить что-то, вам необходимо дополнить свой рацион продуктом, содержащим фермент, который может расщеплять трудноперевариваемые продукты.
Пищеварительные ферменты — это катализаторы, которые расщепляют пищу до состояния, когда организм может усваивать из нее полезные вещества. Пищеварительные ферменты бывают разных типов. В человеческом организме различные типы ферментов находятся в разных частях пищеварительной системы.
- 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.
На этом этапе альфа-амилаза воздействует на пищу. Он расщепляет углеводы, крахмал и глюкозу, содержащиеся в картофеле, фруктах, овощах и других продуктах.
В процессе пепсин расщепляет белки до пептидов, а желатиназа расщепляет желатин и коллаген, содержащиеся в мясе.
Ферменты для пищеварения
Это фаза, в которой они «работают»:
Частицы пищи подвергаются «обработке»:
Именно здесь выполняются функции ферментов:
Помимо упомянутых выше ферментов, существуют и другие:
Ротовая полость
Ферменты жизненно важны для здоровья, поскольку они помогают организму расщеплять частицы пищи до состояния, пригодного для использования питательных веществ. Кишечник и поджелудочная железа вырабатывают широкий спектр ферментов. Кроме того, многие вещества, способствующие пищеварению, содержатся в определенных продуктах питания.
Желудок
Ферментированные продукты являются почти идеальным источником полезных бактерий, необходимых для хорошего пищеварения. И если медицинские пробиотики «работают» только в верхних отделах пищеварительного тракта и часто не достигают кишечника, то действие ферментированных продуктов ощущается во всей желудочно-кишечной системе.
Поджелудочная железа
Абрикосы, например, содержат смесь полезных ферментов, включая инвертазу, которая отвечает за расщепление глюкозы и обеспечивает быстрое высвобождение энергии.
- 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
Авокадо является естественным источником липазы (которая помогает быстрее переваривать жиры). Поджелудочная железа вырабатывает это вещество в организме. Но чтобы облегчить жизнь поджелудочной железе, можно полакомиться, например, салатом из авокадо — вкусным и полезным.
- 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
Бананы являются не только, возможно, самым известным источником калия, но и обеспечивают организм амилазой и мальтазой. Амилаза также содержится в хлебе, картофеле и злаках. Мальтаза помогает расщеплять мальтозу, так называемый мальтозный сахар, который в изобилии содержится в пиве и кукурузном сиропе.
- кишечная палочка – отвечает за переваривание лактозы;
- лактобактерии – влияют на лактозу и некоторые другие углеводы.
Ананас, еще один экзотический фрукт, содержит множество ферментов, в том числе бромелайн. Согласно некоторым исследованиям, он также обладает противораковыми и противовоспалительными свойствами.
- диастаза – переваривает растительный крахмал;
- инвертаза – расщепляет сахарозу (столовый сахар);
- глюкоамилаза – превращает крахмал в глюкозу;
- альфа-галактозидаза – способствует перевариванию бобов, семян, соевых продуктов, корневых овощей и листовых;
- бромелайн – фермент, полученный из ананасов, 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 жиров и белков;
- панкрелипаза – животный фермент, способствует усвоению белков, углеводов и липидов;
- пектиназа – расщепляет полисахариды, содержащиеся во фруктах;
- фитаза – способствует усвоению фитиновой кислоты, кальция, цинка, меди, марганца и других минералов;
- ксиланаза – расщепляет глюкозу из зерновых.
Катализаторы в продуктах
Акаэофилы — это вещества, способные сохранять жизнеспособность в экстремальных условиях.
Живые организмы и ферменты, обеспечивающие их функционирование, были обнаружены в гейзерах с температурой, близкой к температуре кипения, глубоко во льду, а также в условиях экстремальной солености (Долина Смерти в США). Кроме того, ученые обнаружили ферменты, для которых pH, как было показано, не является основным требованием для эффективной работы. Исследователи особенно заинтересованы в экстремофильных ферментах как веществах, которые можно широко использовать в промышленности. Но уже сегодня энзимы нашли свое применение в промышленности как биологические и экологически чистые вещества. Ферменты используются в пищевой, косметической промышленности и бытовой химии.
Более того, «услуги», предоставляемые ферментами в таких случаях, дешевле, чем их синтетическими аналогами. Кроме того, натуральные вещества являются биоразлагаемыми, что делает их использование экологически безопасным. В природе существуют микроорганизмы, способные расщеплять ферменты на отдельные аминокислоты, которые затем становятся компонентами новой биологической цепи. Но это, как говорится, уже другая история.
Больше актуальной и значимой информации о здоровье на нашем канале Telegram. Подпишитесь: https://t.me/foodandhealthru
Специализация: инфекционист, гастроэнтеролог, пульмонолог.
Общий стаж работы: 35 лет.
Экстремофилы и промышленность
Образование: 1975-1982, 1 ММИ, медицинский гигиенист, высшая квалификация, врач-инфекционист.
- Коровкин Б. Ф. – Ферменты в жизни человека / Б. Ф. Коровкин. – М.: Медицина, 2016 г. – 770 c.
