Ферменты – биологические катализаторы. Значение ферментов

 1. Определение ферментов

Фер­мен­ты – это бел­ко­вые мо­ле­ку­лы, ко­то­рые син­те­зи­ру­ют­ся жи­вы­ми клет­ка­ми. В каж­дой клет­ке на­счи­ты­ва­ет­ся более сотни раз­лич­ных фер­мен­тов. Роль фер­мен­тов в клет­ке ко­лос­саль­на. С их по­мо­щью хи­ми­че­ские ре­ак­ции идут с вы­со­кой ско­ро­стью, при тем­пе­ра­ту­ре, под­хо­дя­щей для дан­но­го ор­га­низ­ма.

То есть фер­мен­ты – это био­ло­ги­че­ские ка­та­ли­за­то­ры, ко­то­рые об­лег­ча­ют про­те­ка­ние хи­ми­че­ской ре­ак­ции и за счет этого уве­ли­чи­ва­ют её ско­рость. Как ка­та­ли­за­то­ры они не из­ме­ня­ют на­прав­ле­ние ре­ак­ции и не рас­хо­ду­ют­ся в про­цес­се ре­ак­ции.

Фер­мен­ты-био­ка­та­ли­за­то­ры – ве­ще­ства, уве­ли­чи­ва­ю­щие ско­рость хи­ми­че­ских ре­ак­ций.

Без фер­мен­тов все ре­ак­ции в живых ор­га­низ­мах про­те­ка­ли бы очень мед­лен­но и не могли бы под­дер­жи­вать его жиз­не­спо­соб­ность.

На­гляд­ный при­мер ра­бо­ты фер­мен­тов – слад­ко­ва­тый вкус во рту, ко­то­рый по­яв­ля­ет­ся при пе­ре­же­вы­ва­нии про­дук­тов, со­дер­жа­щих крах­мал (на­при­мер, риса или кар­то­фе­ля). По­яв­ле­ние слад­ко­го вкуса свя­за­но с ра­бо­той фер­мен­та ами­ла­зы, ко­то­рая при­сут­ству­ет в слюне и рас­щеп­ля­ет крах­мал (рис. 1). Крах­мал яв­ля­ет­ся по­ли­са­ха­ри­дом, и сам по себе без­вкус­ный, но про­дук­ты рас­щеп­ле­ния крах­ма­ла (мо­но­са­ха­ри­ды) с мень­шей мо­ле­ку­ляр­ной мас­сой (декс­три­ны, маль­то­за, глю­ко­за) слад­кие на вкус.

Рис. 1. Ме­ха­низм дей­ствия ами­ла­зы

Все фер­мен­ты – гло­бу­ляр­ные белки с тре­тич­ной или чет­вер­тич­ной струк­ту­рой. Фер­мен­ты могут быть про­сты­ми, со­сто­я­щи­ми толь­ко из белка, и слож­ны­ми.

Слож­ные фер­мен­ты со­сто­ят из бел­ко­вой и небел­ко­вой части (бел­ко­вая часть – апо­фер­мент, а до­ба­воч­ная небел­ко­вая – ко­фер­мент). В ка­че­стве ко­фер­мен­та могут вы­сту­пать ви­та­ми­ны – E, K, B групп (рис. 2).

Рис. 2. Клас­си­фи­ка­ция фер­мен­тов по их со­ста­ву

Фер­мент вза­и­мо­дей­ству­ет с суб­стра­том, не всей мо­ле­ку­лой, а от­дель­ной её ча­стью – т. н. ак­тив­ным цен­тром.

 2. Механизм действия ферментов

Фер­мент вза­и­мо­дей­ству­ет с суб­стра­том и об­ра­зу­ет ко­рот­ко­жи­ву­щий фер­мент-суб­страт­ный ком­плекс. По за­вер­ше­нии ре­ак­ции, фер­мент-суб­страт­ный ком­плекс рас­па­да­ет­ся на про­дук­ты и фер­мент. Фер­мент в итоге не из­ме­ня­ет­ся: по окон­ча­нии ре­ак­ции он оста­ет­ся таким же, каким был до неё, и может те­перь вза­и­мо­дей­ство­вать с новой мо­ле­ку­лой суб­стра­та (рис. 3).

Рис. 3. Ме­ха­низм вза­и­мо­дей­ствия фер­мен­та и суб­стра­та

На ри­сун­ке 3 пред­став­лен ме­ха­низм ра­бо­ты фер­мен­та, в част­но­сти, об­ра­зо­ва­ния пеп­тид­ной связи между мо­ле­ку­ла­ми ами­но­кис­лот. Две ами­но­кис­ло­ты вза­и­мо­дей­ству­ют между собой в ак­тив­ном цен­тре фер­мен­та, между ними об­ра­зу­ет­ся пеп­тид­ная связь. Новое ве­ще­ство (ди­пеп­тид) по­ки­да­ет ак­тив­ный центр фер­мен­та, по­сколь­ку оно по своей струк­ту­ре не со­от­вет­ству­ет этому цен­тру.

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 (рис. 4).

Рис. 4. Ги­по­те­за вза­и­мо­дей­ствия фер­мен­та и суб­стра­та по прин­ци­пу ключ-за­мок Э. Г. Фи­ше­ра

 3. 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 (см. видео).

В наше время для дли­тель­но­го хра­не­ния про­дук­тов ши­ро­ко ис­поль­зу­ют спо­соб быст­ро­го за­мо­ра­жи­ва­ния. Оно оста­нав­ли­ва­ет рост и раз­ви­тие мик­ро­ор­га­низ­мов, а также инак­ти­ви­ру­ет фер­мен­ты, на­хо­дя­щи­е­ся внут­ри мик­ро­ор­га­низ­мов, и предот­вра­ща­ет раз­ло­же­ние про­дук­тов пи­та­ния.

Кроме этого, ак­тив­ность фер­мен­тов за­ви­сит ещё от pH среды (кис­лот­но­сти – то есть по­ка­за­те­ля кон­цен­тра­ции ионов во­до­ро­да).

В боль­шин­стве слу­ча­ев, фер­мен­ты ра­бо­та­ют при ней­траль­ном pH, т. е. при pH около 7. Но су­ще­ству­ют фер­мен­ты, ко­то­рые ра­бо­та­ют либо в кис­лой и силь­но­кис­лой, либо в ще­лоч­ной и силь­но­ще­лоч­ной среде. На­при­мер, один из таких фер­мен­тов – пеп­син, он на­хо­дит­ся у нас с вами в же­луд­ке, ра­бо­та­ет в силь­но­кис­лой среде и рас­щеп­ля­ет белки. По­сколь­ку в же­луд­ке среда до­ста­точ­но кис­лая, 1,5 – 2 pH, то этот фер­мент ра­бо­та­ет при силь­но­кис­лой среде.

Фер­мен­ты под­вер­же­ны дей­ствию ак­ти­ва­то­ров и ин­ги­би­то­ров. Неко­то­рые ионы, на­при­мер, ионы ме­тал­лов Mg, Mn, Zn ак­ти­ви­ру­ют фер­мен­ты. Дру­гие же ионы (к ним от­но­сят­ся ионы тя­же­лых ме­тал­лов, а имен­но Hg, Pb, Cd), на­о­бо­рот, по­дав­ля­ют ак­тив­ность фер­мен­тов, де­на­ту­ри­ру­ют их белки.

 4. 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» (рис. 5). 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.

 5. Значение ферментов

Фер­мен­ты при­ме­ня­ют­ся прак­ти­че­ски во всех об­ла­стях че­ло­ве­че­ской де­я­тель­но­сти, и такое ши­ро­кое при­ме­не­ние, в первую оче­редь, свя­за­но с тем, что они со­хра­ня­ют свои уни­каль­ные свой­ства вне живых кле­ток.

Фер­мен­ты групп ами­лаз, про­те­аз и липаз при­ме­ня­ют­ся в ме­ди­цине. Они рас­щеп­ля­ют крах­мал, белки и жиры. Все эти фер­мен­ты, как пра­ви­ло, вхо­дят в со­став ком­би­ни­ро­ван­ных пре­па­ра­тов, таких как фе­стал и пан­зи­норм, и ис­поль­зу­ют­ся, в первую оче­редь, для ле­че­ния за­бо­ле­ва­ний же­лу­доч­но-ки­шеч­но­го трак­та (рис. 6).

Фер­мен­ты при­ме­ня­ют для рас­тво­ре­ния тром­бов в кро­ве­нос­ных со­су­дах, при ле­че­нии гной­ных ран.

Осо­бое место за­ни­ма­ет эн­зи­мо­те­ра­пия при ле­че­нии он­ко­ло­ги­че­ских за­бо­ле­ва­ний.

Такие фер­мен­ты как ами­ла­за рас­щеп­ля­ют крах­мал и по­это­му ши­ро­ко ис­поль­зу­ют­ся в пи­ще­вой про­мыш­лен­но­сти. В пи­ще­вой про­мыш­лен­но­сти ис­поль­зу­ет­ся про­те­и­на­за, рас­щеп­ля­ю­щая белки, и ли­па­зы, рас­щеп­ля­ю­щие жиры. Фер­мен­ты ами­ла­зы ис­поль­зу­ют­ся в хле­бо­пе­че­нии, ви­но­де­лии и пи­во­ва­ре­нии (см. видео).

Про­те­азы ис­поль­зу­ют­ся для смяг­че­ния мяса и при из­го­тов­ле­нии го­то­вых каш.

Ли­па­зы ис­поль­зу­ют­ся в про­из­вод­стве сыра.

Фер­мен­ты ши­ро­ко ис­поль­зу­ют­ся в кос­ме­ти­че­ской про­мыш­лен­но­сти, вхо­дят в со­став кре­мов, неко­то­рые фер­мен­ты вхо­дят в со­став сти­раль­ных по­рош­ков.

6. Из истории открытия ферментов

Фер­мен­ты были от­кры­ты при изу­че­нии про­цес­сов бро­же­ния. Пред­став­ле­ния о том, что хи­ми­че­ские про­цес­сы внут­ри живых ор­га­низ­мов про­те­ка­ют под дей­стви­ем ка­ких-то осо­бен­ных ве­ществ, воз­ник­ло более 200 лет назад. В XIX века Луи Па­стер (рис. 7) до­ка­зал, что сбра­жи­ва­ние дрож­жа­ми са­ха­ра в спирт ка­та­ли­зи­ру­ет­ся ве­ще­ства­ми бел­ко­вой при­ро­ды. Па­стер оши­боч­но счи­тал, что фер­мен­ты неот­де­ли­мы от живых кле­ток. Дру­гой уче­ный, Эду­ард Бух­нер, до­ка­зал, что в вод­ных экс­трак­тах живых кле­ток на­хо­дит­ся набор фер­мен­тов, ка­та­ли­зи­ру­ю­щих пре­вра­ще­ние са­ха­ра в спирт. Имен­но его от­кры­тие дало на­ча­ло новой науке – эн­зи­мо­ло­гии.

Успе­хи эн­зи­мо­ло­гии во вто­рой по­ло­вине XX века при­ве­ли к тому, что в на­сто­я­щее время вы­де­ле­но и очи­ще­но более 2000 фер­мен­тов, ко­то­рые ис­поль­зу­ют­ся в раз­лич­ных от­рас­лях че­ло­ве­че­ской де­я­тель­но­сти.

 7. Энзимопатология

Эн­зи­мо­па­то­ло­гия – об­ласть эн­зи­мо­ло­гии, ко­то­рая изу­ча­ет связь между бо­лез­нью и недо­ста­точ­ным син­те­зом, или от­сут­стви­ем син­те­за ка­ко­го-ли­бо фер­мен­та.

На­при­мер, при­чи­ной на­след­ствен­но­го за­бо­ле­ва­ния – фе­нил­ке­то­ну­рии, ко­то­рое со­про­вож­да­ет­ся рас­строй­ством пси­хи­че­ской де­я­тель­но­сти, яв­ля­ет­ся по­те­ря клет­ка­ми пе­че­ни спо­соб­но­сти син­те­зи­ро­вать фер­мент, ка­та­ли­зи­ру­ю­щий пре­вра­ще­ние фе­нил­ала­ни­на в ти­ро­зин.

В ре­зуль­та­те в ор­га­низ­ме на­кап­ли­ва­ют­ся ток­си­че­ские ве­ще­ства. Но­во­рож­ден­ный ре­бе­нок вы­гля­дит здо­ро­вым, а пер­вые симп­то­мы фе­нил­ке­то­ну­рии про­яв­ля­ют­ся в воз­расте от двух до шести ме­ся­цев. Это вы­ра­жен­ная вя­лость, от­сут­ствие ин­те­ре­са к окру­жа­ю­ще­му миру, по­вы­шен­ная раз­дра­жи­тель­ность, а также бес­по­кой­ство и рвота.

Во вто­ром по­лу­го­дии жизни у ре­бен­ка вы­ра­же­но от­ста­ва­ние в пси­хи­че­ском раз­ви­тии. Менее чем в 10% слу­ча­ев – это сла­бая сте­пень оли­го­фре­нии, а у 60% раз­ви­ва­ет­ся иди­о­тия.

При свое­вре­мен­ной ди­а­гно­сти­ке па­то­ло­ги­че­ских из­ме­не­ний можно из­бе­жать, если с мо­мен­та рож­де­ния до на­ступ­ле­ния по­ло­во­го со­зре­ва­ния огра­ни­чить по­ступ­ле­ние фе­нил­ала­ни­на с пищей.

 8. Стиральные порошки с ферментами

На этом уроке мы с вами вы­яс­ни­ли, что фер­мен­ты ис­поль­зу­ют­ся в раз­лич­ных об­ла­стях че­ло­ве­че­ской де­я­тель­но­сти.

Они ши­ро­ко ис­поль­зу­ют­ся в пи­ще­вой про­мыш­лен­но­сти, в ме­ди­цине, в кос­ме­ти­ке и бы­то­вой химии. На­при­мер, в сти­раль­ные по­рош­ки до­бав­ля­ют ами­ла­зу, ко­то­рая рас­щеп­ля­ет крах­мал, про­те­азы, рас­щеп­ля­ю­щие белки или бел­ко­вые за­гряз­не­ния, и ли­па­зы, очи­ща­ю­щие ткани от жира и масла. Как пра­ви­ло, в со­став сти­раль­но­го по­рош­ка вхо­дит ком­би­на­ция этих фер­мен­тов, то есть фер­мент­ные пре­па­ра­ты уси­ли­ва­ют дей­ствие друг друга.

Се­год­ня наи­бо­лее изу­чен­ны­ми фер­мен­та­ми яв­ля­ют­ся про­те­азы и ами­ла­зы. Ли­па­зы не все­гда ста­биль­ны по ка­че­ству. Их раз­ра­бот­кой за­ни­ма­ют­ся толь­ко 10 лет, а ами­ла­за и про­те­аза су­ще­ству­ют на рынке уже более по­лу­ве­ка. Се­год­ня эти две ка­те­го­рии фер­мен­тов очень хо­ро­шо изу­че­ны и дают пре­крас­ные ре­зуль­та­ты, чего пока что нель­зя ска­зать о ли­па­зах. Ли­па­зы пол­но­стью справ­ля­ют­ся с за­гряз­не­ни­я­ми толь­ко после двух-трех сти­рок, а про­те­азы и ами­ла­зы – за одну.

Уче­ные под­счи­та­ли, что до­бав­ле­ние фер­мен­тов в сти­раль­ные по­рош­ки на 30-35% уве­ли­чи­ва­ет мо­ю­щую спо­соб­ность дан­но­го по­рош­ка.