Принципи дii ферментiв, iх роль в життедiяльностi органiзмiв

       Введення. 

      До біологічно активних речовин відносяться: ферменти, вітаміни

і гормони. Це життєво  важливі і необхідні з'єднання, кожне з яких

виконує незамінну  і дуже важливу роль у життєдіяльності  організму.

      Переварювання і засвоєння харчових продуктів відбувається за участю

ферментів. Синтез і розпад білків, нуклеїнових кислот, ліпідів, гормонів і

інших речовин  у тканинах організму являє собою  сукупність

ферментативних  реакцій. Втім, і будь-яке функціональне  прояв живого

організму - дихання, м'язове скорочення, нервово-психічна діяльність,

розмноження і  т.д. - Теж безпосередньо пов'язані  з дією

відповідних ферментних систем. Іншими словами, без ферментів  немає життя.

Їх значення для людського організму не обмежується  рамками

нормальної фізіології. В основі багатьох захворювань людини лежать порушення

ферментативних  процесів.

       Вітаміни можуть бути віднесені до групи біологічно активних

з'єднань, що надають  свою дію на обмін речовин у  незначних

концентраціях. Це органічні сполуки різної хімічної структури,

які необхідні  для нормального функціонування практично всіх

процесів в  організмі. Вони підвищують стійкість  організму до різних

екстремальних факторів і інфекційних захворювань, сприяють

знешкодженню  і виведенню токсичних речовин  і т.д.

      Гормони - це продукти внутрішньої секреції, що виробляються

спеціальними  залозами або окремими клітками, виділяються  в кров і

розносяться по всьому організму в нормі викликаючи певний біологічний

ефект.

      Самі гормони безпосередньо не впливають на які-небудь реакції клітини.

Тільки зв'язавшись з певним, властивим тільки йому рецептором

викликається  певна реакція.

       Нерідко гормонами називають і деякі інші продукти обміну

речовин, що утворюються  у всіх [напр. вуглекислота] або лише в деяких

[Напр. ацетилхолін] тканинах, що володіють більшою чи меншою мірою

фізіологічною активністю і беруть участь у регуляції  функцій

організму тварин Однак таке широке тлумачення поняття "гормони"

позбавляє його будь-якої якісної специфічності. Терміном "гормони" слід

позначати тільки ті активні продукти обміну речовин, які утворюються в

спеціальних утвореннях - залозах внутрішньої секреції. Біологічно

активні речовини, які утворюються в інших органах  і тканинах,

прийнято називати "парагормонамі", "гістогормонамі", "біогенними

стимуляторами ".

       Біологічно активні продукти обміну речовин утворяться й у

рослинах, але  відносити ці речовини до гормонів зовсім не правильно.

       А тепер познайомимося з кожною групою речовин, що входить до

склад біологічно активних, окремо. 

                                  Ферменти 

     Історія відкриття. 

        В основі всіх життєвих процесів лежать тисячі хімічних реакцій.

Вони йдуть  в організмі без застосування високої температури і тиску, тобто в

м'яких умовах. Речовини, що окисляються в клітках людини і

тварин, згоряють швидко й ефективно, збагачуючи організм енергією і

будівельним матеріалом. Але ті ж речовини можуть роками зберігатися як у

консервованому [ізольованому від повітря] вигляді, так і на повітрі в

присутності кисню. Можливість швидкого переварювання продуктів у живому

організмі здійснюється завдяки присутності в клітках  особливих

біологічних каталізаторів - ферментів.

       Термін "фермент" (fermentum по-латині означає "бродило", "Закваска") був запропонований голландським ученим Ван-Гельмонтом на початку XYII

століття. Так  він назвав невідомий агент, який бере активну участь у

процесі спиртового бродіння.

      Експериментальне вивчення ферментативних процесів почалося в XYIII

столітті, коли французький натураліст Р. Реомюр поставив досліди,

щоб з'ясувати  механізм перетравлення їжі в  шлунку хижих птахів. Він давав

хижим птахам ковтати  шматочки м'яса, укладені в просвердлену

металеву трубочку, яка була прикріплена до тонкої ланцюжку. Через

кілька годин  трубочку витягали із шлунка птиці і з'ясувалося, що м'ясо

частково розчинилося. Оскільки воно знаходилося в трубочці і не могло

піддаватися механічному  подрібненню, природно було припустити, що

на нього впливав  шлунковий сік. Це припущення підтвердив

італійський натураліст Л. Спаланцані. У металеву трубочку,

яку заковтували  хижі птахи, Л. Спаланцані поміщав шматочок губки.

Після вилучення  трубки з губки вичавлювали шлунковий  сік. Потім нагрівали

м'ясо в цьому  соку, і воно повністю в ньому "розчинялося".

      Значно пізніше (1836р) Т. Шванн відкрив у шлунковому соку фермент

пепсин (від грецького  слова pepto - "варю") під впливом  якого і

відбувається  перетравлення м'яса в шлунку. Ці роботи послужили початком

вивчення так  званих протеолітичних ферментів.

      Важливою подією в розвитку науки про ферменти з'явилися роботи К.С.

Кіргоффа. У 1814 р. дійсний член Петербурзької Академії наук

К. С. Кіргофф  з'ясував, що пророслий ячмінь здатний  перетворювати полісахарид

крохмаль у  дисахарид мальтозу, а екстракт дріжджів розщеплював буряковий

цукор на моносахариди - глюкозу і фруктозу. Це були перші  дослідження в

ферментології. Хоча на практиці застосування ферментативних процесів було

відомо з незапам'ятних  часів (зброджування винограду, сироваріння  і

ін)

      У різних виданнях застосовуються два поняття: "ферменти" і "ензими".

Ці назви ідентичні. Вони позначають одне і теж - біологічні

каталізатори. Перше  слово перекладається як "закваска", друге - "у

дріжджах ".

      Довгий час не представляли, що відбувається в дріжджах, яка сила,

присутня в  них, змушує речовини руйнуватися і  перетворюватися в

більш прості. Тільки після винаходу мікроскопа було встановлено, що

дріжджі - це скупчення  великої кількості мікроорганізмів, які

використовують  цукор у якості свого основного  живильного речовини. Іншими

словами, кожна  дріжджова клітка "начинена" ферментами здатними розкладати

цукор. Але в  той же час були відомі й інші біологічні каталізатори,

не укладені в живу клітину, а вільно "живуть" поза нею. Наприклад, вони

були знайдені в складі шлункових соків, клітинних екстрактів. У зв'язку з

цим у минулому розрізняли два типи каталізаторів: вважалося, що власне

ферменти невіддільні  від клітки і поза її не можуть функціонувати, тобто вони

"Організовані". А "неорганізовані" каталізатори, які можуть працювати

поза клітини, називали ензимами. Таке протиставлення "живих" ферментів і

"Неживих"  ензимів пояснювалося впливом  віталістів, боротьбою ідеалізму  і

матеріалізму  в природознавстві. Точки зору вчених розділилися.

Основоположник  мікробіології Л. Пастер стверджував, що діяльність

ферментів визначається життям клітини. Якщо клітку зруйнувати, то

припинитися і  дія ферменту. Хіміки на чолі з Ю. Лібіх розвивали

чисто хімічну  теорію шумування, доводячи, що активність ферментів не

залежить від  існування клітки.

            У 1871 р. російський лікар М.М. Манасеїна

зруйнувала дріжджові  клітки, розтираючи їх річковим піском. Клітинний

сік, відділений від залишків кліток, зберігав свою

здатність зброджувати  цукор. Через чверть століття німецький  учений Е.

Бухнер отримав безклітинний сік пресуванням живих дріжджів під

тиском до 5 * 10 Па. Цей сік, подібно живим дріжджів,

зброджують цукор  з утворенням спирту й оксиду вуглецю (IV): 
 

                         фермент

             C6H12O6 ---> 2C2H5OH + 2CO2 

       Роботи О.М. Лебедєва по дослідженню дріжджових

клітин і праці  інших учених поклали кінець віталістично

представлення в теорії біологічного каталізу, а  терміни

"Фермент"  і "ензим" стали застосовувати  як рівнозначні. 

     Свойства  ферментів. 

      Будучи білками, ферменти мають усіма їхніми властивостями. Разом з тим

біокаталізатори характеризуються низкою специфічних  якостей, теж

випливають з  їх білкової природи. Ці якості відрізняють  ферменти від

каталізаторів звичайного типу. Сюди відносяться  термолабільність ферментів,

залежність їх дії від значення рН середовища, специфічність і, нарешті,

схильність впливу активаторів та інгібіторів.

      Термолабільність ферментів пояснюється тим, що температура, з одного

боку, впливає  на білкову частину ферменту, наводячи при занадто

високих значеннях  до денатурації білка і зниження каталітичної функції, а

з іншого боку, впливає  на швидкість реакції утворення  фермент-

субстратного  комплексу і на всі наступні етапи  перетворення субстрату,

що веде до посилення  каталізу.

      Залежність каталітичної активності ферменту від температури

виражається типовою  кривої. До деякого значення температури (в середньому

до 5О ° С) каталітична  активність зростає, причому на кожні 10 ° С приблизно в

2 рази підвищується  швидкість перетворення субстрату. У той же час

поступово зростає  кількість інактивованого ферменту за рахунок

денатурації його білкової частини. При температурі  вище 50 ° С денатурація

ферментного білка  різко посилюється і, хоча швидкість  реакцій перетворення

субстрату продовжує  зростати, активність ферменту, що виражається кількістю

перетвореного субстрату, падає.

      Детальні дослідження зростання активності ферментів з підвищенням

температури, проведені  останнім часом, показали більш складний характер

цієї залежності, ніж вказано вище: у багатьох випадках вона не відповідає

правилом подвоєння  активності на кожні 10 ° С в основному  через поступово

наростаючих конформаційних змін в молекулі ферменту.

      Температура, при якій каталітична активність ферменту

максимальна, називається його температурним оптимумом. Температурний оптимум

для різних ферментів  неоднаковий. Загалом для ферментів  тваринного

походження він  лежить між 40 і 50 ° С, а рослинного - між 50 і 60 ° С.

Проте є ферменти з більш високим температурним  оптимумом, наприклад, у

папаїну (фермент  рослинного походження, прискорює гідроліз білка)

оптимум знаходиться  при 8О ° С. У той же час у  каталази (фермент, що прискорює

розпад Н2О2 до Н2О і О2) оптимальна температура  дії знаходиться між 0

і -10 ° С, а  при більш високих температурах відбувається енергійне окислення

ферменту і  його інактивація.

      Залежність активності ферменту від значення рН середовища була встановлена

понад 50 років  тому. Для кожного ферменту існує  оптимальне значення рН

середовища, при  якому він проявляє максимальну активність. Більшість

ферментів має  максимальну активність в зоні рН поблизу від нейтральної

точки. У різко  кислій або різко лужному середовищі добре працюють лише

деякі ферменти.

      Перехід до більшої чи меншою (у порівнянні з оптимальною)

концентрації  водневих іонів супроводжується  більш-менш рівномірним

падінням активності ферменту.

Вплив концентрації водневих іонів на каталітичну активність

ферментів полягає  у впливі її на активний центр. При  різних значеннях

рН в реакційному  середовищі активний центр може бути слабкіше або сильніше

іонізований, більше або менше екранований сусідніми  з ним фрагментами

поліпептидного  ланцюга білкової частини ферменту і т.п. Крім того, рН середовища

впливає на ступінь  іонізації субстрату, фермент-субстратного комплексу і

продуктів реакції, має великий вплив на стан ферменту,

визначаючи співвідношення в ньому катіонних і аніонних центрів, що позначається

на третинної  структурі білкової молекули. Остання  обставина

заслуговує особливої  уваги, так як певна третинна структура

білка-ферменту необхідна для утворення фермент-субстратного комплексу.

      Специфічність - одне з найбільш видатних якостей ферментів. Его

властивість їх було відкрито ще в минулому сторіччі, коли було зроблено

спостереження, що дуже близькі за структурою речовини - просторові

ізомери (? - і?-метілглюкозіди) розщеплюються по ефірного зв'язку двома

абсолютно різними  ферментами.

      Таким чином, ферменти можуть розрізняти хімічні сполуки,

відрізняються один від одного дуже незначними деталями будови, такими,

наприклад, як просторове розташування метоксільного радикала і атома

водню при 1-му вуглецевому  атомі молекули метілглюкозіда.

      За образним висловом, нерідко употребляемому в біохімічній

літературі, фермент  підходить до субстрату, як ключ до замка. Це знамените

правило було сформульовано  Е. Фішером в 1894 р., виходячи з того, що

специфічність дії ферменту зумовлюється строгою  відповідністю

геометричної  структури субстрату і активного  центру ферменту.

      У 50-і роки нашого століття це зріз було

замінено гіпотезою  Д. Кошланд про індукований відповідно субстрату і

ферменту. Суть її зводиться до того, що просторове відповідність

структури субстрату  і активного центру ферменту створюється  в момент їх

взаємодії один з одним, що може бути виряджаючи формулою "рукавичка -

рука ". При  цьому в субстраті вже деформуються деякі валентні зв'язки і

він, таким чином, готується до подальшого каталитическому

видозміні, а  в молекулі ферменту відбуваються конформаційні

перебудови. Гіпотеза Кошланд, заснована на допущенні гнучкості активного

центру ферменту, задовільно пояснювала активацію та інгібування

дії ферментів  і регуляцію їхньої активності при  дії різних

чинників. Зокрема, конформаційні перебудови в ферменті в процесі

зміни його активності Кошланд порівнював з коливаннями павутини, коли в

неї потрапила  видобуток (субстрат), підкреслюючи цим  крайню лабільність

структури ферменту в процесі каталітичного акта.

      В даний час гіпотеза Кошланд поступово витісняється гіпотезою

топохімічної  відповідності. Зберігаючи основні положення гіпотези

взаімоіндуцірованной  налаштування субстрату і ферменту, вона фіксує увагу

на тому, що специфічність  дії ферментів пояснюється в  першу чергу

впізнаванням  тієї частини субстрату, яка не змінюється при каталізі. Між

цією частиною субстрату і субстратною центром  ферменту виникають

численні точкові  гідрофобні взаємодії і водневі  зв'язки. 

     Класифікація  ферментів і характеристика деяких груп. 

      За першою в історії вивчення ферментів класифікації їх ділили на дві

групи: гідролази, що прискорюють гідролітичні реакції, і десмолази,

прискорюють реакції  не гідролітичного розпаду. Потім була зроблена спроба

розбити ферменти на класи за кількістю субстратів, які беруть участь в реакції. У

Відповідно до цього ферменти класифікували на три групи. 1.

Каталізують перетворення двох субстратів одночасно в обох

напрямках: А + В) С + D. 2. Прискорюють перетворення двох субстратів у прямій

реакції і одного в зворотною: А + В) С. 3. Забезпечуючі каталітичне

видозміна одного субстрату як у прямій, так і в зворотній реакції: А) В.

      Одночасно розвивався напрямок, де в основу класифікації

ферментів був  покладений тип реакції, яка піддається каталитическому

впливу. Поряд  з ферментами, які прискорюють  реакції гідролізу

(Гідролази), були вивчені ферменти, які беруть участь в реакціях переносу атомів

і атомних груп (феразим), в ізомеризації (ізомерази), розщепленні (ліази),

різних синтезах (синтетази) і т. д. Цей напрямок в  класифікації

ферментів виявилося  найбільш плідним, оскільки об'єднувало ферменти в

групи не за надуманими, формальними ознаками, а за типом  найважливіших

біохімічних процесів, що лежать в основі життєдіяльності  будь-якого

організму. За цим  принципом всі ферменти ділять на 6 класів.

1. Оксидоредуктази  - прискорюють реакції окислення - відновлення. 2.

Трансферази - прискорюють  реакції перенесення функціональних груп і молекулярних

залишків. 3. Гідролази - прискорюють реакції гідролітичного розпаду. 4.

Ліази - прискорює  не гидролитическое відщеплення  від субстратів певних

груп атомів з утворенням подвійного зв'язку (або  приєднують групи атомів

по подвійному зв'язку). 5. Ізомерази - прискорюють  просторові чи структурні

перебудови в  межах однієї молекули. 6. Лігази - прискорюють  реакції

синтезу, пов'язані  з розпадом багатих енергією зв'язків. Ці класи і

покладені в  основу нової наукової класифікації ферментів.

      До класу оксидоредуктаз відносять ферменти, що каталізують реакції

окислення - відновлення. Окислення протікає як процес відняття атомів

Н (електронів) від  субстрату, а відновлення - як приєднання атомів Н

(Електронів) до  акцептору.

      В клас трансфераз входять ферменти, що прискорюють реакції переносу

функціональних  груп і молекулярних залишків від  одного з'єднання до

іншому. Це один з найбільш великих класів: він налічує близько 500

індивідуальних  ферментів. Залежно від характеру  переносимих

угруповань розрізняють  фосфотрансферази, амінотрансферази,

глікозилтрансферази, ацілтрансферази, трансферази, що переносять

одноуглеродние  залишки (метилтрансферази, форміл-трансферази), та ін

Наприклад, амидазами  прискорюють гідроліз амідів кислот. З них важливу роль в реагуючих  речовин.