III. Ферменты
Общая характеристика ферментов
Материальную основу всех жизненных процессов организма составляют тысячи химических реакций, катализируемых ферментами. Значение ферментов очень правильно и образно определил И. П. Павлов, назвав их "возбудителями жизни". Нарушение синтеза какого-либо фермента в стройной системе обменных реакций в организме приводит к развитию заболеваний, которые часто оканчиваются смертью. Например, недостаток у детей фермента, который превращает галактозу в глюкозу, является причиной галактоземии. При этом заболевании дети отравляются избытком галактозы и погибают в первые месяцы жизни. Повышение активности ксантин-оксидазы является причиной подагры. Таких примеров можно привести очень много. Вот почему ферменты представляют собой движущую силу всего того бесконечного разнообразия химических превращений, которые в своей совокупности составляют лежащий в основе жизни обмен веществ. Поэтому изучению ферментов придается такое большое значение. Наука о ферментах составляет важный раздел современной биохимии, а в медицине отчетливо выявляется направление — медицинская ферментология.
Ферментология или, иначе, этимология является учением о ферментах (энзима!;) — биологических катализаторах белковой природы, образуемых любой живой клеткой и обладающих способностью активировать различные химические реакции, происходящие в организме.
Ферменты нашли широкое применение во многих областях науки и промышленности. За последние годы с помощью высокоочищенных препаратов ферментов удалось расшифровать структуру сложных соединений, входящих в состав организма, в том числе некоторых белков и нуклеиновых кислот.
Ферменты имеют и большое практическое значение, так как многие отрасли промышленности — виноделие, хлебопечение, сыроварение, производство спирта, чая, аминокислот, витаминов, антибиотиков — основаны на использовании различных ферментативных процессов. Поэтому изучение свойств и механизма действия ферментов позволяет химикам создать новые, более совершенные катализаторы для химической промышленности. Действие различных физиологически активных соединений, применяемых в медицине и сельском хозяйстве, — лекарственных веществ, стимуляторов роста растений и др., в конечном счете сводится к тому, что эти вещества активируют или подавляют в организме то или иное звено в обмене веществ, тот или иной ферментативный процесс. Несомненно, изучение закономерностей действия ферментов и влияния на них различных стимуляторов или парализаторов (ингибиторов) имеет первостепенное значение для медицины и сельского хозяйства.
Рис. 34. Центральная роль ферментов и энзимологии в биологии
Круг вопросов, изучаемых ферментологией, весьма широк (рис. 34). Разработка методов выделения и очистки ферментов с целью установления их структуры, исследование процессов образования ферментов в живой клетке, регулирование их действия, роль ферментов в осуществлении различных физиологических функций — вот далеко не полный перечень важнейших биологических проблем, интенсивно изучаемых в настоящее время.
Краткая история учения о ферментах
История ферментов уходит в далекое прошлое. Еще на заре развития человеческого общества люди сталкивались с различными ферментативными процессами и использовали их в жизни. Спиртовое и молочнокислое брожение, применение заквасок при приготовлении хлеба, использование сычуга для изготовления сыров и др.- все эти ферментативные процессы хорошо известны с незапамятных времен.
Одними из первых исследователей, занимавшихся изучением ферментативных процессов, были Реомюр и Спалланцани. В своих опытах по перевариванию мяса в желудке птиц они впервые поставили вопрос о необходимости изучения химического состава пищеварительных соков. Русский ученый К. С. Кирхгоф (1814) показал, что в вытяжке из проросшего ячменя содержится вещество, которое вызывает превращение крахмала в сахар. Таким образом, Кирхгофом впервые был получен ферментный препарат амилазы (фермент, расщепляющий крахмал) и эту дату мы с полным правом можем считать датой возникновения ферментологии. Изучая процессы брожения, голландский ученый Ван Гельмонт впервые ввел в науку термин "ферменты" (от лат. fermentum — закваска). Слово "энзим" происходит от древнегреческого слова "эн зюме", что означает "в дрожжах".
Рис. 35. Кристаллический трипсин. Ув. 202 (по Нортропу)
К середине 50-х годов XIX века понятие о ферментах как о биологических катализаторах прочно утвердилось в науке. К этому времени и относится большой спор двух крупнейших ученых мира Луи Пастера и Ю. Либиха о месте локализации ферментов в клетке — спор, который по своему существу явился борьбой двух мировоззрений в науке — идеализма и материализма и затормозил развитие учения о ферментах без малого на 50 лет. Луи Пастер, доказывая, что деятельность ферментов неотделима от структуры клетки и с ее разрушением прекращается, прочно стоял на позициях вирховианства — одной из разновидностей идеализма в биологии. Либих утверждал, что действие ферментов не связано со структурой клетки. Этот спор практически продолжался более 100 лет и снова, в который раз, утвердил необходимость материалистического подхода к изучению биологических закономерностей. Первой подтвердила правильность точки зрения Ю. Либиха русский исследователь М. М. Манассеина в 1871 г. Растирая дрожжевые клетки с кварцевым песком, т. е. полностью разрушая структуру клетки, она доказала, что клеточный сок обладает способностью сбраживать крахмал. Однако, как это очень часто бывало в царской России, исследования М. М. Манассеиной остались без внимания и пальма первенства в этом вопросе была отдана немецким ученым братьям Бухнер, которые через 26 лет проделали аналогичный опыт (они разрушали клетки путем высокого давления) и получили такие же результаты. В последующем работами А. Н. Лебедева, И. П. Павлова, М. Дюкло, Э. Фишера, Л. Михаэлиса и многих других ученых окончательно была опровергнута точка зрения идеалистов. Именно материалистический подход в научных исследованиях дал возможность Дж. Самнеру в 1927 г. впервые получить фермент уреазу, а Дж. Нортропу в 1931 г.- кристаллические трипсин и пепсин (рис. 35, 36).
Рис. 36. Кристаллический пепсин. Ув. 90 (по Нортропу)
В настоящее время работами большой армии ученых как в нашей стране, так и за рубежом учение о ферментах успешно развивается. В настоящее время известно около 1000 ферментов. Работы академика А. Е. Браунштейна, В. А. Энгельгарда, А. И. Опарина, С. Е. Северина, В. Н. Ореховича, А. А. Покровского и многих других отечественных ученых в области изучения ферментов в человеческом организме имеют важное значение в медицине. Постановка диагноза, выбор правильного лечения и профилактики, разработка и применение различных лекарственных препаратов и т. д. основываются на изучении ферментов.
Представление о катализе
Катализ — это процесс изменения скорости химической реакции под влиянием различных веществ — катализаторов, участвующих в этом процессе и к концу реакции остающихся химически неизмененными. Если от добавления катализатора происходит ускорение химического процесса, то такое явление называют положительным катализом, а замедление реакции- отрицательным. Чаще всего приходится встречаться с положительным катализом. В зависимости от химической природы катализаторы разделяются на неорганические и органические. К последним относятся и биологические катализаторы — ферменты.
Рис. 37. Схематическое изображение некатализируемой (1) и катализируемой (2) реакций (объяснение в тексте)
Для понимания действия катализаторов необходимо кратко остановиться на рассмотрении сущности катализа. Скорость любой химической реакции зависит от числа столкновений активных молекул реагирующих веществ. Активированной называется молекула, которая имеет определенный запас потенциальной энергии. Взаимодействие двух таких молекул произойдет только в том случае, если запас энергии этих молекул будет достаточным для преодоления сил отталкивания между ними — так называемого "энергетического барьера" реакции (рис. 37, F, F1, F2). Если реагирующие молекулы будут обладать большей величиной энергии, чем энергетический барьер, то реакция произойдет. Если же запаса энергии реагирующих молекул будет недостаточно для преодоления энергетического барьера, то они не будут взаимодействовать. В этом случае для протекания реакции необходимо активировать молекулы, т. е. сообщить им дополнительное количество энергии, которое в сумме с имеющейся потенциальной энергией в молекулах будет достаточным для преодоления энергетического барьера. Это дополнительное количество энергии называется "энергией активации" (см. рис. 37, а, а1, а2). Активировать молекулы можно путем нагревания, повышения давления, облучения и т. д.
Сущность действия катализаторов заключается в том, что, во-первых, они обладают способностью активировать молекулы реагирующих веществ, и, во-вторых, взаимодействие молекул (или веществ) происходит не в один, а в несколько этапов.
При этом энергетический барьер каждой из промежуточных реакций будет ниже энергетического барьера исходной реакции. Схематично это можно представить следующим образом.
Исходную реакцию некатализируемую (рис. 37,1) между веществами А и В можно записать как
А + В → АВ (1)
Энергетический барьер этой реакции можно обозначить как F, а энергию активации — а. В случае введения в эту систему катализатора (К) (см. рис. 36,2) на первом этапе (21) произойдет взаимодействие одного из веществ с катализатором:
А + К → АК (2)
Энергетический барьер этой реакции, обозначенный как F1, и энергия активации — а1 будет меньше энергетического барьера исходной реакции (1) F11<а и соответственно энергии активации.
На втором этапе (22) произойдет образование конечного продукта исходной реакции и катализатор выделится в неизмененном виде:
АК + В → АВ + К (3)
В этой реакции, энергетический барьер которой обозначим как F2, F22<а.
Суммируя 2-ю и 3-ю реакции, получим:
А + В + К → АВ + К (4)
Таким образом, в ходе реакции с катализатором образовались те же продукты, что и в исходной реакции (1), но с энергетической точки зрения эта реакция более выгодна, так как F1 + F2. Особенно это заметно по энергии активации (а1 + а2<а). Следовательно, катализируемая реакция, хотя и идет в 2 этапа, но при этом требуется меньше энергии и значительно снижается энергия активации по сравнению с некатализируемой реакцией.
Катализаторы являются очень активными соединениями, и химические реакции при их участии идут очень быстро, в основном за счет снижения энергии активации. Так, если, например, скорость разложения Н2О2 без катализатора принять за единицу, то в присутствии катализатора — платиновой черни (неорганический катализатор) скорость реакции увеличивается в 2*104 раза, а энергия активации снижается соответственно с 18 ккал/моль до 12 ккал/моль. Таким образом, оказывается, что катализатор не только снижает энергетические затраты на течение реакций, но и значительно повышает их скорость.
К основным характеристикам катализа относятся следующие:
• катализаторы могут ускорять (положительный катализ) только те химические реакции, которые вообще могут идти по своим термодинамическим законам,
• катализаторы не изменяют направление хода химической реакции, а только ускоряют достижение состояния равновесия.
Отличие ферментов от других видов катализаторов
При изучении свойств ферментов было установлено, что по своему действию они являются катализаторами, в основном обеспечивающими положительный катализ. Поэтому для них характерны все особенности процесса катализа.
Наряду с этим ферменты имеют свои определенные отличия, к которым относятся "космические" скорости катализируемых ими реакций, очень сложная химическая структура, которая в ряде случаев может изменяться в ходе реакции и восстанавливаться в исходную после ее окончания, и, наконец, высокая специфичность действия.
Для подтверждения высокой скорости реакций, катализируемых ферментами, снова обратимся к нашему примеру с перекисью водорода. В организме разложение Н2О2 катализируется ферментом каталазой со скоростью, в 2*1011 раз превышающей скорость некатализируемой реакции и в 107 раз в случае с платиновой чернью. Энергия активации при ферментативной реакции снижается соответственно в 9 и 6 раз. Из других примеров можно указать на следующие. В желудке человека вырабатывается фермент пепсин, который расщепляет белки. Один грамм пепсина за час способен гидролизовать 50 кг яичного белка, а 1,6 г амилазы, синтезируемой в поджелудочной и слюнных железах, за час может расщепить 175 кг крахмала.
Сложность структуры ферментов обусловлена тем, что все они являются белками (см. Структура белков), т. е. высокомолекулярными соединениями с большим молекулярным весом.
Высокая специфичность действия ферментов проявляется в том, что, как правило, каждый фермент катализирует только одну или несколько близких химических реакций.
Действие ферментов как биологических катализаторов можно изобразить следующей формулой:
S + E 
ES → Е + Р,
где Е — фермент; S — субстрат — вещество, на которое действует фермент; ES — фермент-субстратный комплекс, промежуточное соединение, образующееся в ходе реакции типа АК (2); Р — продукты реакции.
Рис. 38. Схема взаимодействия фермента с субстратом (объяснение в тексте)
И в этом случае действие фермента на субстрат приводит к активированию субстрата, в результате чего снижается энергия активации и повышается скорость реакции. Основное значение в этом имеет образование промежуточного продукта — фермент-субстратного комплекса — ES, скорость образования которого определяет скорость всей реакции. Фермент-субстратный комплекс распадается на фермент и продукты реакции. На рис. 38 дано схематичное изображение хода ферментативной реакции.
Материальную основу всех жизненных процессов организма составляют тысячи химических реакций, катализируемых ферментами. Значение ферментов очень правильно и образно определил И. П. Павлов, назвав их "возбудителями жизни". Нарушение синтеза какого-либо фермента в стройной системе обменных реакций в организме приводит к развитию заболеваний, которые часто оканчиваются смертью. Например, недостаток у детей фермента, который превращает галактозу в глюкозу, является причиной галактоземии. При этом заболевании дети отравляются избытком галактозы и погибают в первые месяцы жизни. Повышение активности ксантин-оксидазы является причиной подагры. Таких примеров можно привести очень много. Вот почему ферменты представляют собой движущую силу всего того бесконечного разнообразия химических превращений, которые в своей совокупности составляют лежащий в основе жизни обмен веществ. Поэтому изучению ферментов придается такое большое значение. Наука о ферментах составляет важный раздел современной биохимии, а в медицине отчетливо выявляется направление — медицинская ферментология.
Ферментология или, иначе, этимология является учением о ферментах (энзима!;) — биологических катализаторах белковой природы, образуемых любой живой клеткой и обладающих способностью активировать различные химические реакции, происходящие в организме.
Ферменты нашли широкое применение во многих областях науки и промышленности. За последние годы с помощью высокоочищенных препаратов ферментов удалось расшифровать структуру сложных соединений, входящих в состав организма, в том числе некоторых белков и нуклеиновых кислот.
Ферменты имеют и большое практическое значение, так как многие отрасли промышленности — виноделие, хлебопечение, сыроварение, производство спирта, чая, аминокислот, витаминов, антибиотиков — основаны на использовании различных ферментативных процессов. Поэтому изучение свойств и механизма действия ферментов позволяет химикам создать новые, более совершенные катализаторы для химической промышленности. Действие различных физиологически активных соединений, применяемых в медицине и сельском хозяйстве, — лекарственных веществ, стимуляторов роста растений и др., в конечном счете сводится к тому, что эти вещества активируют или подавляют в организме то или иное звено в обмене веществ, тот или иной ферментативный процесс. Несомненно, изучение закономерностей действия ферментов и влияния на них различных стимуляторов или парализаторов (ингибиторов) имеет первостепенное значение для медицины и сельского хозяйства.
Рис. 34. Центральная роль ферментов и энзимологии в биологии
Круг вопросов, изучаемых ферментологией, весьма широк (рис. 34). Разработка методов выделения и очистки ферментов с целью установления их структуры, исследование процессов образования ферментов в живой клетке, регулирование их действия, роль ферментов в осуществлении различных физиологических функций — вот далеко не полный перечень важнейших биологических проблем, интенсивно изучаемых в настоящее время.
Краткая история учения о ферментах
История ферментов уходит в далекое прошлое. Еще на заре развития человеческого общества люди сталкивались с различными ферментативными процессами и использовали их в жизни. Спиртовое и молочнокислое брожение, применение заквасок при приготовлении хлеба, использование сычуга для изготовления сыров и др.- все эти ферментативные процессы хорошо известны с незапамятных времен.
Одними из первых исследователей, занимавшихся изучением ферментативных процессов, были Реомюр и Спалланцани. В своих опытах по перевариванию мяса в желудке птиц они впервые поставили вопрос о необходимости изучения химического состава пищеварительных соков. Русский ученый К. С. Кирхгоф (1814) показал, что в вытяжке из проросшего ячменя содержится вещество, которое вызывает превращение крахмала в сахар. Таким образом, Кирхгофом впервые был получен ферментный препарат амилазы (фермент, расщепляющий крахмал) и эту дату мы с полным правом можем считать датой возникновения ферментологии. Изучая процессы брожения, голландский ученый Ван Гельмонт впервые ввел в науку термин "ферменты" (от лат. fermentum — закваска). Слово "энзим" происходит от древнегреческого слова "эн зюме", что означает "в дрожжах".
Рис. 35. Кристаллический трипсин. Ув. 202 (по Нортропу)
К середине 50-х годов XIX века понятие о ферментах как о биологических катализаторах прочно утвердилось в науке. К этому времени и относится большой спор двух крупнейших ученых мира Луи Пастера и Ю. Либиха о месте локализации ферментов в клетке — спор, который по своему существу явился борьбой двух мировоззрений в науке — идеализма и материализма и затормозил развитие учения о ферментах без малого на 50 лет. Луи Пастер, доказывая, что деятельность ферментов неотделима от структуры клетки и с ее разрушением прекращается, прочно стоял на позициях вирховианства — одной из разновидностей идеализма в биологии. Либих утверждал, что действие ферментов не связано со структурой клетки. Этот спор практически продолжался более 100 лет и снова, в который раз, утвердил необходимость материалистического подхода к изучению биологических закономерностей. Первой подтвердила правильность точки зрения Ю. Либиха русский исследователь М. М. Манассеина в 1871 г. Растирая дрожжевые клетки с кварцевым песком, т. е. полностью разрушая структуру клетки, она доказала, что клеточный сок обладает способностью сбраживать крахмал. Однако, как это очень часто бывало в царской России, исследования М. М. Манассеиной остались без внимания и пальма первенства в этом вопросе была отдана немецким ученым братьям Бухнер, которые через 26 лет проделали аналогичный опыт (они разрушали клетки путем высокого давления) и получили такие же результаты. В последующем работами А. Н. Лебедева, И. П. Павлова, М. Дюкло, Э. Фишера, Л. Михаэлиса и многих других ученых окончательно была опровергнута точка зрения идеалистов. Именно материалистический подход в научных исследованиях дал возможность Дж. Самнеру в 1927 г. впервые получить фермент уреазу, а Дж. Нортропу в 1931 г.- кристаллические трипсин и пепсин (рис. 35, 36).
Рис. 36. Кристаллический пепсин. Ув. 90 (по Нортропу)
В настоящее время работами большой армии ученых как в нашей стране, так и за рубежом учение о ферментах успешно развивается. В настоящее время известно около 1000 ферментов. Работы академика А. Е. Браунштейна, В. А. Энгельгарда, А. И. Опарина, С. Е. Северина, В. Н. Ореховича, А. А. Покровского и многих других отечественных ученых в области изучения ферментов в человеческом организме имеют важное значение в медицине. Постановка диагноза, выбор правильного лечения и профилактики, разработка и применение различных лекарственных препаратов и т. д. основываются на изучении ферментов.
Представление о катализе
Катализ — это процесс изменения скорости химической реакции под влиянием различных веществ — катализаторов, участвующих в этом процессе и к концу реакции остающихся химически неизмененными. Если от добавления катализатора происходит ускорение химического процесса, то такое явление называют положительным катализом, а замедление реакции- отрицательным. Чаще всего приходится встречаться с положительным катализом. В зависимости от химической природы катализаторы разделяются на неорганические и органические. К последним относятся и биологические катализаторы — ферменты.
Рис. 37. Схематическое изображение некатализируемой (1) и катализируемой (2) реакций (объяснение в тексте)
Для понимания действия катализаторов необходимо кратко остановиться на рассмотрении сущности катализа. Скорость любой химической реакции зависит от числа столкновений активных молекул реагирующих веществ. Активированной называется молекула, которая имеет определенный запас потенциальной энергии. Взаимодействие двух таких молекул произойдет только в том случае, если запас энергии этих молекул будет достаточным для преодоления сил отталкивания между ними — так называемого "энергетического барьера" реакции (рис. 37, F, F1, F2). Если реагирующие молекулы будут обладать большей величиной энергии, чем энергетический барьер, то реакция произойдет. Если же запаса энергии реагирующих молекул будет недостаточно для преодоления энергетического барьера, то они не будут взаимодействовать. В этом случае для протекания реакции необходимо активировать молекулы, т. е. сообщить им дополнительное количество энергии, которое в сумме с имеющейся потенциальной энергией в молекулах будет достаточным для преодоления энергетического барьера. Это дополнительное количество энергии называется "энергией активации" (см. рис. 37, а, а1, а2). Активировать молекулы можно путем нагревания, повышения давления, облучения и т. д.
Сущность действия катализаторов заключается в том, что, во-первых, они обладают способностью активировать молекулы реагирующих веществ, и, во-вторых, взаимодействие молекул (или веществ) происходит не в один, а в несколько этапов.
При этом энергетический барьер каждой из промежуточных реакций будет ниже энергетического барьера исходной реакции. Схематично это можно представить следующим образом.
Исходную реакцию некатализируемую (рис. 37,1) между веществами А и В можно записать как
А + В → АВ (1)
Энергетический барьер этой реакции можно обозначить как F, а энергию активации — а. В случае введения в эту систему катализатора (К) (см. рис. 36,2) на первом этапе (21) произойдет взаимодействие одного из веществ с катализатором:
А + К → АК (2)
Энергетический барьер этой реакции, обозначенный как F1, и энергия активации — а1 будет меньше энергетического барьера исходной реакции (1) F1
На втором этапе (22) произойдет образование конечного продукта исходной реакции и катализатор выделится в неизмененном виде:
АК + В → АВ + К (3)
В этой реакции, энергетический барьер которой обозначим как F2, F2
Суммируя 2-ю и 3-ю реакции, получим:
А + В + К → АВ + К (4)
Таким образом, в ходе реакции с катализатором образовались те же продукты, что и в исходной реакции (1), но с энергетической точки зрения эта реакция более выгодна, так как F1 + F2
Катализаторы являются очень активными соединениями, и химические реакции при их участии идут очень быстро, в основном за счет снижения энергии активации. Так, если, например, скорость разложения Н2О2 без катализатора принять за единицу, то в присутствии катализатора — платиновой черни (неорганический катализатор) скорость реакции увеличивается в 2*104 раза, а энергия активации снижается соответственно с 18 ккал/моль до 12 ккал/моль. Таким образом, оказывается, что катализатор не только снижает энергетические затраты на течение реакций, но и значительно повышает их скорость.
К основным характеристикам катализа относятся следующие:
• катализаторы могут ускорять (положительный катализ) только те химические реакции, которые вообще могут идти по своим термодинамическим законам,
• катализаторы не изменяют направление хода химической реакции, а только ускоряют достижение состояния равновесия.
Отличие ферментов от других видов катализаторов
При изучении свойств ферментов было установлено, что по своему действию они являются катализаторами, в основном обеспечивающими положительный катализ. Поэтому для них характерны все особенности процесса катализа.
Наряду с этим ферменты имеют свои определенные отличия, к которым относятся "космические" скорости катализируемых ими реакций, очень сложная химическая структура, которая в ряде случаев может изменяться в ходе реакции и восстанавливаться в исходную после ее окончания, и, наконец, высокая специфичность действия.
Для подтверждения высокой скорости реакций, катализируемых ферментами, снова обратимся к нашему примеру с перекисью водорода. В организме разложение Н2О2 катализируется ферментом каталазой со скоростью, в 2*1011 раз превышающей скорость некатализируемой реакции и в 107 раз в случае с платиновой чернью. Энергия активации при ферментативной реакции снижается соответственно в 9 и 6 раз. Из других примеров можно указать на следующие. В желудке человека вырабатывается фермент пепсин, который расщепляет белки. Один грамм пепсина за час способен гидролизовать 50 кг яичного белка, а 1,6 г амилазы, синтезируемой в поджелудочной и слюнных железах, за час может расщепить 175 кг крахмала.
Сложность структуры ферментов обусловлена тем, что все они являются белками (см. Структура белков), т. е. высокомолекулярными соединениями с большим молекулярным весом.
Высокая специфичность действия ферментов проявляется в том, что, как правило, каждый фермент катализирует только одну или несколько близких химических реакций.
Действие ферментов как биологических катализаторов можно изобразить следующей формулой:
S + E ES → Е + Р,
где Е — фермент; S — субстрат — вещество, на которое действует фермент; ES — фермент-субстратный комплекс, промежуточное соединение, образующееся в ходе реакции типа АК (2); Р — продукты реакции.
Рис. 38. Схема взаимодействия фермента с субстратом (объяснение в тексте)
И в этом случае действие фермента на субстрат приводит к активированию субстрата, в результате чего снижается энергия активации и повышается скорость реакции. Основное значение в этом имеет образование промежуточного продукта — фермент-субстратного комплекса — ES, скорость образования которого определяет скорость всей реакции. Фермент-субстратный комплекс распадается на фермент и продукты реакции. На рис. 38 дано схематичное изображение хода ферментативной реакции.
Химическая природа ферментов
При изучении ферментов было установлено, что все они являются белками и поэтому обладают всеми свойствами белков. Ферменты имеют аналогичную белкам сложную структуру (рис. 39), подвергаются расщеплению под действием протеолитических ферментов, при растворении в воде образуют коллоидные растворы, при кипячении денатурируются и т. д. Молекулярный вес ферментов колеблется в пределах сотен тысяч и миллионов единиц молекулярного веса.
Рис. 39. Гипотетическая модель третичной структуры молекулы химотрипсиногена (по Нейрату). Черное кольцо (обозначено стрелкой) показывает пептидную связь между 15 и 16 аминокислотными остатками. Видны 5 дисульфидных связей (изображены желтым цветом), стягивающим отдельные участки полипептидной цепи% функциональные группы активного центра показаны красным цветом
Молекулярный вес рибонуклеазы составляет 12 700, пепсина — 35 500, каталазы крови — 248 000, глютаматдегидро-геназы — 1 000 000.
По структуре все ферменты делятся на простые и сложные.
Простые ферменты — ферменты-протеины — состоят только из аминокислот, а сложные ферменты — ферменты-протеиды — в своем составе имеют белковую часть — апофермент, состоящую из одних аминокислот, и небелковую часть — кофермент, или простетическую группу. Небелковая часть может быть представлена минеральными веществами, витаминами и т. д.
К ферментам-протеинам относятся, например, гидролитические ферменты желудочно-кишечного тракта, которые расщепляют пищевые продукты с участием воды, к ферментам-протеидам принадлежит большая часть окислительно-восстановительных ферментов.
Методы выделения и количественного определения активности ферментов
Для изучения свойств и клинического применения ферментов необходимы высокоочищенные препараты ферментов. Поэтому были разработаны различные методы выделения ферментов. К ним относятся разрушение клеток и получение клеточного сока, в котором содержатся ферменты; экстрагирование ферментов из высушенных тканей слабыми растворами солей, кислот и оснований. Из растворов ферменты можно осаждать добавлением солей [(NH4)2SО4, NaCl] и различных органических растворителей типа ацетона, смеси спирта и эфира и др.
Выделение ферментов также осуществляется методом адсорбции. Адсорбенты типа окиси кремния, активированного угля, гидрата окиси железа, различных синтетических смол и др. обладают способностью обратимо связывать определенные ферменты. Извлечение ферментов при этом достигается промыванием адсорбентов различными специфическими растворителями, которые переводят ферменты в раствор. В настоящее время для выделения ферментов используют хроматографическое фракционирование на колонках с синтетическими смолами, разделение ферментов при помощи электрофореза и др. Получение ферментов в кристаллическом виде достигают путем высушивания очищенных ферментов при низких температурах и вакууме (лиофилизация).
О присутствии ферментов в растворе судят по производимому ими действию. Так, наличие пепсина, который катализирует расщепление белка, определяют по появлению свободных аминокислот, входящих в состав этого белка, о действии каталазы узнают по выделению кислорода при разложении перекиси водорода. Активность фермента выражают количеством распавшегося под действием фермента субстрата или образовавшихся продуктов реакции за единицу времени, в расчете на г ткани или мг белка.
Свойства ферментов
Обратимость действия ферментов
Ферменты в зависимости от концентрации исходных и конечных продуктов реакции могут катализировать как процессы распада, так и процессы синтеза, т. е. каталитические реакции являются обратимыми. Впервые такую способность ферментов отметил А. Я. Данилевский в 1888 г. Он показал, что ферменты желудочного сока, которые расщепляют белки на альбумозы и пептоны, в определенных условиях способны синтезировать из этих промежуточных продуктов более сложные соединения. В работах И. П. Павлова, А. И. Опарина и других авторов было также отмечено, что в организме в зависимости от условий одни и те же ферменты могут катализировать или распад, или синтез необходимых веществ. Однако на основании имеющихся в настоящее время сведений надо признать, что обратимость действия характерна не для всех ферментов. Многие процессы распада и синтеза происходят не только под влиянием различных ферментов, но и разных механизмов.
Температурный оптимум действия ферментов
Ферменты являются термолабильными веществами, т. е. весьма чувствительными к изменению температуры. Установлено, что наивысшую активность ферменты проявляют в очень узком пределе температуры — 40-50°. До этого предела с повышением температуры на каждые 10° скорость катализируемой ими реакции повышается в 2 раза. Выше температурного оптимума активность ферментов снижается, а при температуре 70-80° совершенно прекращается — фермент инактивируется. Это положение относится к большинству ферментов, в том числе ко всем ферментам человеческого организма. Однако некоторые ферменты, например, рибонуклеаза, могут выдерживать кратковременное нагревание. Наряду с этим имеются ферменты некоторых микроорганизмов, которые существуют в воде горячих источников. При понижении температуры (гипотермия) активность ферментов снижается, но не исчезает. Если же создать этим ферментам оптимальные условия для их деятельности, то они снова проявят наивысшую активность. Примером может служить зимняя спячка животных. Эта особенность ферментов нашла широкое применение в хирургической практике, когда для проведения операций на грудной полости организм больного подвергают охлаждению примерно до 22°.
Влияние рН среды
На активность ферментов влияет и определенная концентрация водородных ионов (рН среды).
Для каждого фермента существует определенный узкий предел рН среды, который является оптимальным для проявления его наивысшей активности. Отклонение рН от оптимального вызывает понижение активности фермента и даже его инактивацию.
Оптимальные значения рН среды для некоторых ферментов будут следующими: для пепсина — 1,5-2,5; трипсина — 8,0-8,5, амилазы слюны -6,8-7,4, аргиназы — 9,8, кислой фосфатазы крови — 4,5-5,0, сукцинатдегидрогеназы — 9,0.
Специфичность ферментов
Одним из основных свойств ферментов, отличающих их от других катализаторов, является высокая специфичность, которая заключается в том, что каждый фермент может катализировать одну или несколько близких по своей природе химических реакций. Специфичность основана на строгом соответствии структуры субстрата и того участка фермента, с которым он. соединяется. По образному выражению Э. Фишера, фермент должен подходить к субстрату, как ключ подходит к замку. В последние годы вскрыты более тонкие механизмы взаимодействия субстрата и фермента (Кошленд и др.).
Специфичность ферментов условно подразделяется на несколько видов:
1. Относительной специфичностью обладают ферменты, которые действуют на соединения, имеющие определенный тип связи. Например, протеиназы гидролизуют все соединения, имеющие в своем составе пептидную связь -СО-NH-, эстеразы расщепляют эфирную связь -О- и т. д. Ферменты, обладающие относительной специфичностью, являются ферментами широкого спектра действия.
2. Групповая специфичность характерна для ферментов, которые действуют на субстраты, имеющие одинаковый тип связи и одну из функциональных группировок. К их числу относятся:
фосфомоноэстеразы, гидролизующие субстраты следующей структуры:
Для их действия обязательным условием является наличие эфирной связи (-О-) и остатка фосфорной кислоты
холинэстеразы, в субстратах которых имеются определенные группировки (эфирная связь и остаток холина):
3. Абсолютная специфичность характеризует ферменты, действующие только на один субстрат с вполне определенной структурой. Например: аргиназа расщепляет аргинин на орнитин и мочевину по следующей схеме:
К ферментам, обладающим абсолютной специфичностью, относятся также уреаза, анетилхолинкгераза и др.
Следует выделить в отдельный вид специфичности и стереохимическую, при которой фермент будет действовать только на определенный сгереоиюмер субстрата.
Каталитическая активность
Ферменты обладают высокой каталитической активностью, которая зависит от ряда факторов. К ним относятся температура, рН среды, концентрации фермента и субстрата, наличие веществ, активирующих и тормозящих их действие, и т. д.
Зависимость активности фермента и, следовательно, скорости реакции от температуры и рН среды отмечена ранее (см. Свойства ферментов).
Между концентрацией фермента и скоростью катализируемой реакции при прочих равных условиях имеется прямая пропорциональность. Так, например, при увеличении в 2 раза концентрации фермента скорость реакции также возрастет вдвое.
Влияние концентрации субстрата на скорость действия фермента определяется концентрацией образующегося фермент-субстратного комплекса. Максимальная скорость реакции достигается тогда, когда концентрация субстрата будет достаточна, чтобы связать все количество фермента в фермент-субстратный комплекс.
Активаторы и ингибиторы ферментов
Каталитическая функция ферментов зависит от влияния различных веществ, одни из которых повышают скорость реакций, и активность ферментов возрастает, а другие — ее затормаживают, т. е. ингибируют.
Первые из них нЖываются активаторами ферментов. Например, ионы хлора активируют амилазу слюны, ионы водорода — пепсин, ионы цинка — карбангидразу. Желчные кислоты являются активаторами для кишечной липазы и т. д. Наряду с процессом активации ферментов существует и процесс самоактивации (аутоактивации). Так, в желудке вырабатывается неактивный фермент пепсиноген. Он является предшественником (проферментом) пепсина. Активация пепсиногена заключается в том, что уже имеющийся в желудке активный фермент — пепсин действует на пепсиноген и отщепляет от его молекулы полипептид с молекулярным весом 7000. Оставшаяся часть молекулы пепсиногена приобретает определенную форму, характерную для активного фермента — пепсина. Аналогичным путем происходит активирование и некоторых других ферментов (например, трипсина).
Вещества, способные угнетать действие ферментов, называются парализаторами, или ингибиторами (I). Механизм действия ингибиторов в общем виде заключается в том, что ингибитор вступает в соединение с ферментом, образуя неактивный фермент-ингибиторный комплекс (EI) вместо активного фермент-субстратного (ES), что приводит к блокированию фермента. Торможение активности ферментов ингибиторами может быть обратимым и необратимым. В последнем случае ингибитор, являясь денатурирующим агентом, приводит к полному изменению структуры фермента, его инактивации. К таким ингибиторам относятся сильные кислоты и щелочи, спирт, цианистые соли и т. д.
Рис. 40. Схема действия конкурентного ингибитора (объяснение в тексте)
Различают также конкурентное и неконкурентное ингибирование. Конкурентное торможение возможно в том случае, когда ингибитор имеет структуру, близкую структуре субстрата, т. е. является его структурным аналогом. В основе этого вида торможения лежит конкуренция между субстратом и ингибитором за обладание ферментом. В результате этого ингибитор обратимо взаимодействует с тем участком в молекуле фермента, с которым. обычно соединяется субстрат (рис. 40). Из рисунка видно, что между молекулами фермента и субстрата имеется структурное соответствие, которое обеспечивает образование активного фермент-субстратного комплекса. Последний затем расщепляется с образованием продуктов реакции, а фермент выделяется в неизмененном виде. В случае конкурентного торможения ингибитор (структурный аналог субстрата) присоединяется к ферменту в том же участке, что и субстрат, в результате чего субстрат уже не может соединиться с ферментом. Конкурентное ингибирование обратимо и зависит от концентрации ингибитора и субстрата. Если концентрация ингибитора (I) выше, чем субстрата (S), т. е. [I]>[S], образуется фермент-ингибиторный комплекс Е + S + I → EI + S и расщепления субстрата не произойдет. Но в случае избытка субстрата — [S]>[I], последний вытеснит ингибитор из фермент-ингибиторного комплекса и образуется фермент-субстратный комплекс с последующим распадом субстрата на продукты реакции:
Е + S + I → ES + I → Е + Р + I.
Таким образом, конкурентное торможение — это такое торможение, когда ингибитор обратимо соединяется с ферментом в том участке его молекулы, в котором присоединяется и субстрат (активный центр), причем между субстратом и ингибитором существует количественное взаимоотношение. Классическим примером конкурентного торможения служит конкуренция между янтарной кислотой — субстрат и малоновой- ингибитор за фермент сукцинатдегидрогеназу, которая катализирует образование фумаровой кислоты из янтарной:
При неконкурентном торможении ингибитор соединяется с ферментом не по месту присоединения с субстратом (не с активным центром), а где-то в другом участке молекулы фермента, что приводит, к значительному снижению активности фермента и даже к его ингибированию. Таким примером является действие синильной кислоты на железосодержащие ферменты, осуществляющие перенос электронов при окислительно-восстановительных реакциях.
Обратимость действия ферментов
Ферменты в зависимости от концентрации исходных и конечных продуктов реакции могут катализировать как процессы распада, так и процессы синтеза, т. е. каталитические реакции являются обратимыми. Впервые такую способность ферментов отметил А. Я. Данилевский в 1888 г. Он показал, что ферменты желудочного сока, которые расщепляют белки на альбумозы и пептоны, в определенных условиях способны синтезировать из этих промежуточных продуктов более сложные соединения. В работах И. П. Павлова, А. И. Опарина и других авторов было также отмечено, что в организме в зависимости от условий одни и те же ферменты могут катализировать или распад, или синтез необходимых веществ. Однако на основании имеющихся в настоящее время сведений надо признать, что обратимость действия характерна не для всех ферментов. Многие процессы распада и синтеза происходят не только под влиянием различных ферментов, но и разных механизмов.
Температурный оптимум действия ферментов
Ферменты являются термолабильными веществами, т. е. весьма чувствительными к изменению температуры. Установлено, что наивысшую активность ферменты проявляют в очень узком пределе температуры — 40-50°. До этого предела с повышением температуры на каждые 10° скорость катализируемой ими реакции повышается в 2 раза. Выше температурного оптимума активность ферментов снижается, а при температуре 70-80° совершенно прекращается — фермент инактивируется. Это положение относится к большинству ферментов, в том числе ко всем ферментам человеческого организма. Однако некоторые ферменты, например, рибонуклеаза, могут выдерживать кратковременное нагревание. Наряду с этим имеются ферменты некоторых микроорганизмов, которые существуют в воде горячих источников. При понижении температуры (гипотермия) активность ферментов снижается, но не исчезает. Если же создать этим ферментам оптимальные условия для их деятельности, то они снова проявят наивысшую активность. Примером может служить зимняя спячка животных. Эта особенность ферментов нашла широкое применение в хирургической практике, когда для проведения операций на грудной полости организм больного подвергают охлаждению примерно до 22°.
Влияние рН среды
На активность ферментов влияет и определенная концентрация водородных ионов (рН среды).
Для каждого фермента существует определенный узкий предел рН среды, который является оптимальным для проявления его наивысшей активности. Отклонение рН от оптимального вызывает понижение активности фермента и даже его инактивацию.
Оптимальные значения рН среды для некоторых ферментов будут следующими: для пепсина — 1,5-2,5; трипсина — 8,0-8,5, амилазы слюны -6,8-7,4, аргиназы — 9,8, кислой фосфатазы крови — 4,5-5,0, сукцинатдегидрогеназы — 9,0.
Специфичность ферментов
Одним из основных свойств ферментов, отличающих их от других катализаторов, является высокая специфичность, которая заключается в том, что каждый фермент может катализировать одну или несколько близких по своей природе химических реакций. Специфичность основана на строгом соответствии структуры субстрата и того участка фермента, с которым он. соединяется. По образному выражению Э. Фишера, фермент должен подходить к субстрату, как ключ подходит к замку. В последние годы вскрыты более тонкие механизмы взаимодействия субстрата и фермента (Кошленд и др.).
Специфичность ферментов условно подразделяется на несколько видов:
1. Относительной специфичностью обладают ферменты, которые действуют на соединения, имеющие определенный тип связи. Например, протеиназы гидролизуют все соединения, имеющие в своем составе пептидную связь -СО-NH-, эстеразы расщепляют эфирную связь -О- и т. д. Ферменты, обладающие относительной специфичностью, являются ферментами широкого спектра действия.
2. Групповая специфичность характерна для ферментов, которые действуют на субстраты, имеющие одинаковый тип связи и одну из функциональных группировок. К их числу относятся:
фосфомоноэстеразы, гидролизующие субстраты следующей структуры:
Для их действия обязательным условием является наличие эфирной связи (-О-) и остатка фосфорной кислоты
холинэстеразы, в субстратах которых имеются определенные группировки (эфирная связь и остаток холина):
3. Абсолютная специфичность характеризует ферменты, действующие только на один субстрат с вполне определенной структурой. Например: аргиназа расщепляет аргинин на орнитин и мочевину по следующей схеме:
К ферментам, обладающим абсолютной специфичностью, относятся также уреаза, анетилхолинкгераза и др.
Следует выделить в отдельный вид специфичности и стереохимическую, при которой фермент будет действовать только на определенный сгереоиюмер субстрата.
Каталитическая активность
Ферменты обладают высокой каталитической активностью, которая зависит от ряда факторов. К ним относятся температура, рН среды, концентрации фермента и субстрата, наличие веществ, активирующих и тормозящих их действие, и т. д.
Зависимость активности фермента и, следовательно, скорости реакции от температуры и рН среды отмечена ранее (см. Свойства ферментов).
Между концентрацией фермента и скоростью катализируемой реакции при прочих равных условиях имеется прямая пропорциональность. Так, например, при увеличении в 2 раза концентрации фермента скорость реакции также возрастет вдвое.
Влияние концентрации субстрата на скорость действия фермента определяется концентрацией образующегося фермент-субстратного комплекса. Максимальная скорость реакции достигается тогда, когда концентрация субстрата будет достаточна, чтобы связать все количество фермента в фермент-субстратный комплекс.
Активаторы и ингибиторы ферментов
Каталитическая функция ферментов зависит от влияния различных веществ, одни из которых повышают скорость реакций, и активность ферментов возрастает, а другие — ее затормаживают, т. е. ингибируют.
Первые из них нЖываются активаторами ферментов. Например, ионы хлора активируют амилазу слюны, ионы водорода — пепсин, ионы цинка — карбангидразу. Желчные кислоты являются активаторами для кишечной липазы и т. д. Наряду с процессом активации ферментов существует и процесс самоактивации (аутоактивации). Так, в желудке вырабатывается неактивный фермент пепсиноген. Он является предшественником (проферментом) пепсина. Активация пепсиногена заключается в том, что уже имеющийся в желудке активный фермент — пепсин действует на пепсиноген и отщепляет от его молекулы полипептид с молекулярным весом 7000. Оставшаяся часть молекулы пепсиногена приобретает определенную форму, характерную для активного фермента — пепсина. Аналогичным путем происходит активирование и некоторых других ферментов (например, трипсина).
Вещества, способные угнетать действие ферментов, называются парализаторами, или ингибиторами (I). Механизм действия ингибиторов в общем виде заключается в том, что ингибитор вступает в соединение с ферментом, образуя неактивный фермент-ингибиторный комплекс (EI) вместо активного фермент-субстратного (ES), что приводит к блокированию фермента. Торможение активности ферментов ингибиторами может быть обратимым и необратимым. В последнем случае ингибитор, являясь денатурирующим агентом, приводит к полному изменению структуры фермента, его инактивации. К таким ингибиторам относятся сильные кислоты и щелочи, спирт, цианистые соли и т. д.
Рис. 40. Схема действия конкурентного ингибитора (объяснение в тексте)
Различают также конкурентное и неконкурентное ингибирование. Конкурентное торможение возможно в том случае, когда ингибитор имеет структуру, близкую структуре субстрата, т. е. является его структурным аналогом. В основе этого вида торможения лежит конкуренция между субстратом и ингибитором за обладание ферментом. В результате этого ингибитор обратимо взаимодействует с тем участком в молекуле фермента, с которым. обычно соединяется субстрат (рис. 40). Из рисунка видно, что между молекулами фермента и субстрата имеется структурное соответствие, которое обеспечивает образование активного фермент-субстратного комплекса. Последний затем расщепляется с образованием продуктов реакции, а фермент выделяется в неизмененном виде. В случае конкурентного торможения ингибитор (структурный аналог субстрата) присоединяется к ферменту в том же участке, что и субстрат, в результате чего субстрат уже не может соединиться с ферментом. Конкурентное ингибирование обратимо и зависит от концентрации ингибитора и субстрата. Если концентрация ингибитора (I) выше, чем субстрата (S), т. е. [I]>[S], образуется фермент-ингибиторный комплекс Е + S + I → EI + S и расщепления субстрата не произойдет. Но в случае избытка субстрата — [S]>[I], последний вытеснит ингибитор из фермент-ингибиторного комплекса и образуется фермент-субстратный комплекс с последующим распадом субстрата на продукты реакции:
Е + S + I → ES + I → Е + Р + I.
Таким образом, конкурентное торможение — это такое торможение, когда ингибитор обратимо соединяется с ферментом в том участке его молекулы, в котором присоединяется и субстрат (активный центр), причем между субстратом и ингибитором существует количественное взаимоотношение. Классическим примером конкурентного торможения служит конкуренция между янтарной кислотой — субстрат и малоновой- ингибитор за фермент сукцинатдегидрогеназу, которая катализирует образование фумаровой кислоты из янтарной:
При неконкурентном торможении ингибитор соединяется с ферментом не по месту присоединения с субстратом (не с активным центром), а где-то в другом участке молекулы фермента, что приводит, к значительному снижению активности фермента и даже к его ингибированию. Таким примером является действие синильной кислоты на железосодержащие ферменты, осуществляющие перенос электронов при окислительно-восстановительных реакциях.
Общие представления о механизме действия ферментов
Механизм действия ферментов пока изучен недостаточно, однако имеющиеся данные позволяют высказать о нем общее представление.
В основе действия ферментов как биологических катализаторов лежит их способность повышать скорость реакции за счет снижения энергии активации субстрата, т. е. каким-то образом его активировать. Это достигается при взаимодействии субстрата с ферментом, который вызывает какие-либо изменения в молекуле субстрата, в результате чего он становится активным (реакционноспособным). Следовательно, необходимым условием для активации субстратов и понимания механизма действия ферментов является образование фермент-субстратного комплекса. Пути и механизмы, приводящие к активированию субстрата, могут быть самыми различными и зависят от структуры ферментов. В качестве примера можно привести предполагаемый механизм действия фумаразы — фермента-протеина, который вызывает активирование фумаровой кислоты, вследствие чего к ней присоединяется молекула воды и образуется яблочная кислота.
В фумаровой кислоте имеется двойная связь, которая представлена парами электронов. Под действием фумаразы происходит их перераспределение, что приводит к появлению зарядов на молекуле субстрата (субстрат активируется). Последний становится способным присоединять ионы (Н+ и ОН-) по типу электростатической связи:
При изучении механизма действия сложных ферментов оказалось, что в процессе активации субстрата принимает участие и небелковая часть — кофермент. Кроме того, было обращено внимание на следующие обстоятельства. Одно из них заключается в том, что молекула фермента во много раз больше молекулы субстрата, и поэтому субстрат не может быть связан со всей молекулой фермента. Второе обстоятельство характеризуется тем, что при отщеплении от молекулы фермента определенного количества аминокислот фермент продолжает катализировать те же самые реакции с высокой скоростью, что и нерасщепленный фермент. Например, при удалении из молекулы папаина (фермента, катализирующего распад белков в растениях) 120 из 180 аминокислот, входящих в состав его молекулы, фермент сохранял свои каталитические способности.
Рис. 41. Модель молекулы фермента. а — схема ее гретичной структуры; б — силуэт молекулы с активным центром (обведен пунктиром) и его 'каталитически активным' центром (х)
Эти факты привели к выводу о том, что фермент взаимодействует с субстратом не всей своей молекулой, а каким-то вполне определенным участком, расположенным на поверхности фермента (на третичной структуре). Этот участок был назван активным центром (рис. 41). В составе активного центра условно выделяют несколько участков, одни из которых обеспечивают присоединение субстрата к молекуле фермента (их называют контактными, или якорными, участками), другие — каталитические — ответственны за процесс активации субстрата. В этих участках имеются различные функциональные группировки, которые находятся в строго зафиксированном положении по отношению друг к другу. Эта особенность строения активного центра объясняет специфичность действия ферментов, так как образование фермент-субстратного комплекса возможно только в случае структурного подобия субстрата и активного центра фермента.
Под действием различных факторов (высокая температура, изменение рН среды, химические вещества) нарушается структура активного центра и фермент теряет способность взаимодействовать с субстратом, т. е. фермент инактивируется.
Классификация ферментов
В 1961 г. в Москве на V Международном биохимическом съезде была принята новая классификация ферментов. В основу деления всех ферментов на различные группы был положен тип катализируемой данным ферментом реакции. По этому принципу все ферменты были разделены на 6 классов:
• I класс — оксидоредуктазы. К этому классу относятся все ферменты, которые катализируют окислительно-восстановительные реакции. Примером могут служить дегидрогеназы — ферменты, переносящие атомы водорода.
• II класс — трансферазы. Ферменты этого класса осуществляют межмолекулярный перенос отдельных функциональных групп. Например: метальные группы -СН3 — переносят метилтрансферазы, аминные — NH2 — аминотрансферазы и т. д.
• III класс — гидролазы. Ферменты этого класса гидролизуют внутримолекулярные связи с участием воды. Сюда относится большая группа ферментов, в том числе почти все ферменты желудочно-кишечного тракта: эстеразы, фосфатазы, пептидазы и др.
• IV класс — лиазы. В основу выделения ферментов в этот класс положена их способность расщеплять не гидролитическим путем соединения с двойными связями. К ним относятся декарбоксилазы, ферменты, отщепляющие от субстратов СО, и др.
• V класс — изомеразы. Эти ферменты катализируют взаимопревращение субстратов. Например: L-изомеры превращаются в D-формы, глюкоза — во фруктозу и т. д.
• VI класс — лигазы, или синтетазы. Ферменты этого класса участвуют во всех реакциях синтеза различных соединений.
Каждый класс в свою очередь подразделяется на подклассы, а последние на подподклассы, в которых расположены индивидуальные ферменты. Поэтому каждый фермент зашифрован четырьмя цифрами, каждая из которых обозначает номера класса, подкласса, подподкласса и индивидуальный номер фермента.
Новая классификация ферментов позволяет быстро найти нужный фермент и определить его действие.
На этом же съезде была предложена новая номенклатура ферментов. Каждый фермент имеет название, в котором отражены тип катализируемой ферментом реакции, название субстрата, на который действует фермент и окончание — аза. Например, в клетках печени имеется фермент, который расщепляет глюкозо-6-фосфат на глюкозу и фосфорную кислоту по схеме: глюкозо-6-фосфат + Н2О — глюкоза + Н3РО4.
Фермент, катализирующий эту реакцию, называется глюкозо-6-фосфат-фосфо-гидролаза. В названии указан тип катализируемой реакции — гидролиз, субстрат, на который действует фермент — глюкозо-6-фосфат, и, наконец, окончание аза. Наряду с новой номенклатурой ферментов ряд ферментов сохранил свои старые названия, которые прочно вошли в практику: пепсин, трипсин и др.
Значение ферментов для медицины
Жизнедеятельность любого организма обусловлена постоянным и строго последовательным течением тысяч химических реакций, катализируемых ферментами.. Поэтому любые нарушения нормальных функции организма в основе своей имеют расстройство обменных процессом, нарушение деятельности ферментов (ферментопатии). С этих позиций большинство заболеваний можно характеризовать с точки зрения изменений деятельности ферментов. Механизм возникновения подобных отклонений, роль ферментов в патологии и этиологии заболеваний, в диагностике и лечении нее эти вопросы входят в самостоятельный раздел биохимии — медицинскую ферментологию.
Рис. 42. Фенилпировиноградная олигофрения у мальчика в возрасте 15 месяцев (по Майстер)
При изучении заболеваний было установлено, что первопричиной ряда из них являются нарушения синтеза ферментов. К ним относятся наследственные заболевания, такие, как фенилпировиноградная олигофрения, галактоземия, различные виды гемолитических анемий, гликогенозы, разнообразные формы нарушения свертывания крови и т. д. Например, механизм развития фенилпировиноградной олигофрении (слабоумие) заключается в том, что у больных детей нарушен синтез фенилаланин-гидроксилазы — фермента, который обеспечивает синтез тирозина из фенилаланина. Следствием является накопление в организме высоких концентраций фенилаланина и продуктов его нарушенного обмена, оказывающее губительное действие на развитие организма, в том числе мозга. У такого ребенка наряду с отставанием роста развивается психическая неполноценность (рис. 42).
Гликогенозы характеризуются снижением активности ферментов, катализирующих распад и превращения в организме гликогена. В результате печень, мышцы и другие органы переполнены гликогеном, а организм испытывает недостаток в одном из основных энергетических продуктов.
Ферментопатии могут быть токсического или алиментарного происхождения. В первом случае развитие заболеваний связано с избирательным угнетением отдельных ферментных систем различными ядами или токсинами. Алиментарные ферментопатии вызываются недостаточным снабжением организма веществами, поступающими с пищей и необходимыми для синтеза ферментов. К ним относятся недостаток белка в суточном рационе, гипо- и авитаминозы, снижение уровня минеральных веществ и т. д. Изучение данных вопросов способствует пониманию механизма развития многих заболеваний.
Большое место принадлежит ферментам в диагностике заболеваний. Исследования последних лет обнаружили избирательные нарушения ферментной активности при многих болезнях. Особое значение при этом имеет изучение ферментного состава крови, который весьма постоянен в здоровом организме. Поэтому повышение или снижение активности ферментов крови, а также появление в крови ферментов, в норме в ней отсутствующих, служит убедительным диагностическим показателем определенных изменений в организме. Особенностями ферментной диагностики являются высокая специфичность и возможность определения отклонений на ранних стадиях заболеваний. Так, определенная форма щелочной фосфатазы считается органоспецифичной для костной ткани, трипсин и химотрипсин — для поджелудочной железы и т. д. Острые гепатиты характеризуются резким повышением в крови глютаматаминотрансферазы, а инфаркт миокарда — лактатдегидрогеназы.
Диагностическая роль ферментов приобретает еще большее значение в связи с применением микро- и улырамикро-методов определения активности ферментов. Эти методы позволяют в одной капле крови определить до 10-15 ферментов. Эти методы находят широкое применение в клинике и особенно в педиатрии.
Существенное значение имеет использование ферментов в качестве лечебных препаратов. Так, трипсин применяется наружно для очистки гнойных ран, при ожогах для ускорения их заживления. Внутримышечное введение трипсина дает положительный результат при тромбофлебитах, остеомиелитах, гайморитах как противовоспалительное средство. Лизоцим нашел применение при лечении послеродовых воспалений, конъюнктивитов (воспалений конъюнктивы глаза), болезней носоглотки. Пепсин, липаза, амилаза, панкреатин многие десятилетия назначаются при недостаточности секреторной функции соответствующих отделов пищеварительного тракта. Фибринолизин рекомендуется для рассасывания тромбов сосудов. Ряд коферментов: тиаминпирофосфат, коэнзим А, АТФ и другие — также нашли применение в клинике.
Развитие фармакологии на современном этапе основано также на изучении ферментов. Это связано с тем, что разработка и получение высококачественных лекарственных препаратов против определенных заболеваний имеет в своей основе создание структурных аналогов субстратов, необходимых для жизнедеятельности микроорганизмов. Введение в организм человека структурных аналогов субстратов, безвредных для него, приводит к конкурентному торможению деятельности ферментов микроорганизмов, вызывающих заболевание. Так, для жизнедеятельности кокковых форм микробов необходима парааминобензойная кислота. Ее структурный аналог — сульфаниламидные препараты — включается в обменные процессы этих микробов и способствует их гибели. Никотиновая кислота необходима для развития туберкулезных бацилл, а ее структурный аналог — гидразид изоникотиновой кислоты — фтивазид — является эффективным средством лечения туберкулеза.
При изыскании новых лекарственных препаратов для данного заболевания ученые выясняют, какие из ферментных систем микробов являются для них жизненно важными и определяют субстраты, специфичные для этих ферментов. Затем создают синтетические структурные аналоги этих субстратов, которые были бы безвредными для человека. Именно такие препараты являются наиболее эффективными.
Все изложенное выше подтверждает важность изучения ферментов и их использования для медицинской практики.
Вопросы для повторения
1. Что такое ферменты?
2. Какова химическая природа ферментов?
3. Дайте определение катализа.
4. Что такое энергетический барьер, энергия активации?
5. В чем отличия действия ферментов от других типов катализаторов?
6. Какое сходство и какие различия между витаминами и ферментами?
7. Назовите важнейшие свойства ферментов.
8. При какой температуре ферменты проявляют максимальную активность (20°, 40 или 80°)?
9. При каком значении рН проявляют оптимум активности пенсий, амилаза (рН 2,0; 5,0; 7,0; 9,0).
10. Почему при рН 3,5 трипсин неактивен?
11. Укажите виды специфичности активности ферментов.
12. Какие факторы влияют на каталитическую активность ферментов?
13. Что такое активаторы ферментов? Приведите примеры.
14. Дайте определение понятию "ингибиторы ферментов".
15. Назовите виды торможения активности ферментов.
16. Что лежит в основе механизма действия ферментов?
17. Что такое "активный" центр фермента?
18. Какие ферменты называются простыми, сложными? Приведите примеры.
19. Какие известны коферменты?
20. Что лежит в основе классификации ферментов?
21. Какое значение имеют ферменты в диагностике, патогенезе и лечении заболеваний? Приведите примеры.
22. Дайте определение наследственным заболеваниям. Какова причина их возникновения?
23. Какова сущность ферментного действия лекарственных веществ?
ТЕЛЕГРАМКанал с обзорами, анонсами новинок и книжными подборками
Книжный Вестник
Бот для удобного поиска книг (если не нашлось на сайте)
Поиск книг
Свежие любовные романы в удобных форматах
Любовные романы
О психологии, саморазвитии и личностном росте
Саморазвитие
Детективы и триллеры, все новинки
Детективы
Фантастика и фэнтези, все новинки
Фантастика
Отборные классические книги
Классика
ВКОНТАКТЕБиблиотека с любовными романами, которая наверняка придётся по вкусу женской части аудитории
Любовные романы
Библиотека с фантастикой и фэнтези, а также смежных жанров
Фантастика
Самые популярные книги в формате фб2
Топ фб2
книги