Просто о ферментах. Почему они так полезны?

Глава 3 Ферменты пищеварения

В прошлых главах мы познакомились с основными биомолекулами, которые встречаются нам в пище, – белками, жирами, углеводами, и выяснили, что некоторые белки способы ускорять многие химические реакции. Одними из самых первых исследуемых ферментов стали ферменты пищеварения – и немудрено, ведь, как сказал академик Иван Павлов в своей нобелевской речи 1904 года: «Над всеми явлениями человеческой жизни господствует забота о насущном хлебе». Уже к этому времени было известно, что в составе пищеварительного сока помимо хорошо известных химических веществ, таких как соляная кислота, содержатся соединения-ферменты.

Павлов установил, что в желудочном соке содержится фермент, способный расщеплять белок, – пепсин, работающий в кислой среде. Выработка пепсина зависит от того, какую пищу предложат подопытному животному. В панкреатическом соке, то есть соке поджелудочной железы, который активируется уже в кишечнике, были обнаружены как минимум три фермента. Они были названы следующим образом: «белковый», «крахмальный» и «жировой» ферменты, и работа их происходит в слабощелочной среде. Итого 4 фермента были идентифицированы: протеазы (пепсин и некоторая кишечная протеаза), «крахмальный» фермент – амилаза и «жировой» фермент – липаза.

Если вы откусили крахмалистую пищу, будь то хлеб или богатые крахмалом овощи, их переваривание начнется незамедлительно, уже во рту. Слюна содержит фермент амилазу.

Фундаментальная задача амилазы – способствовать перевариванию углеводов. Образно говоря, амилаза – это ножницы, с помощью которых рассекаются длинные цепочки полисахаридов. Есть три варианта таких ножниц: альфа, бета и гамма-амилазы, которые отличаются получаемыми продуктами – «обрезками» полисахаридов.

Самая известная, альфа-амилаза рассекает (то есть ускоряет реакцию гидролиза на самом деле) полисахарид где-то посередине, способствуя гидролизу внутренних альфа‑1,4‑связей, поэтому ее иногда называют эндоамилазой. Для полноценной работы ей необходим ион кальция, который выступает кофактором. Именно альфа-амилаза начинает работать в слюне, расщепляя крахмал в пище. Ее работу подхватывает мальтаза слюны, расщепляющая дисахарид мальтозы на два остатка глюкозы. Вы наверняка замечали, что если долго-долго жевать кусочек черного хлеба, непременно появится сладкий вкус. Думали, что это неуказанный в составе хлеба добавленный сахар? Нет, это слюнная альфа-амилаза уже начала свою работу по снабжению организма базовым топливом – глюкозой!

Бета-амилаза обнаружена у высших растений, и ее задача – «отрезать» с конца по две глюкозы в виде дисахарида мальтозы от большого «рулона» крахмала. Как в магазине тканей продавец может отрезать небольшой кусочек материала по запросу покупателя, так и у растения при необходимости мобилизации резервного крахмала в дело вступит бета-амилаза.

Гамма-амилаза действует как конвейер, методично отщепляя один за другим остаток глюкозы от основной молекулы крахмала. У человека она действует в специальных органеллах клетки – лизосомах, микросомах и гиалоплазме и играет важную роль в расщеплении гликогена – запасного вещества у человека.

Но наивно было бы предполагать, что в слюне будет находиться лишь один фермент, ведь не зря ротовая полость – первые врата пищеварения. В слюне функционирует фермент липаза, которая, судя по названию, расщепляет липиды. Ее еще называют языковой (или лингвальной) липазой, потому что она выделяется специальными серозными железами языка в бороздки, расположенные рядом с рецепторами масляного вкуса. В отличие от своих коллег по цеху – панкреатических липаз языковая липаза прекрасно функционирует в слабокислой среде слюны, отщепляя от триацилглицеридов по одному остатку жирных кислот.

Языковая липаза особенно важна для новорожденных, чья поджелудочная железа, основной завод по производству панкреатических липаз, еще не полностью включена в работу. Переваривание жиров грудного молока у малышей действительно происходит буквально во рту!

Пищевой комок, смоченной слюной, из ротовой полости по пищеводу попадает в желудок. Здесь среда сильнокислая, буквально раствор соляной кислоты с рН 1,5–2,5 (для голодного желудка). Амилазы не приспособлены работать в такой агрессивной среде, следовательно, они инактивируются на поверхности пищевого комка. Правда, те удачливые молекулы, которые остались в самом центре комка, еще некоторые время успевают работать, но и им в скором времени наступает конец – необратимая инактивация. В желудке также еще успевают немного поработать молекулы языковой липазы, которые некоторое время сохраняют активность в агрессивной среде желудка.

Благодаря трудам клеток слизистой оболочки фундального отдела желудка секретируется специальная желудочная липаза, также способная работать в кислых средах. Вместе с языковой липазой их объединяют в группу кислых липаз в противовес панкреатическим, работающим лишь в нейтральных и слабощелочных средах. Языковые отличаются от панкератических и аминокислотной последовательностью: анализ показал, что это буквально разные ферменты, даже не родственники.

Так, желудочная липаза – это небольшой белок с массой около 50 000 дальтон[7], обладающий красивой «шубкой» из углеводных остатков на поверхности, говоря научным языком, белок существенно гликозилирован. Вес этой «шубки» составляет около 15 % от массы всего белка. И это стало одной из причин, почему так долго не удавалось получить качественный кристалл фермента и окончательно разобраться в его пространственной структуре.

С химической точки зрения желудочная липаза выполняет ту же задачу, что и языковая. Она ускоряет реакцию отщепления одного остатка жирной кислоты от триацилглицеридов.

Там, где амилазы инактивируются, расцветает в полной своей красе и еще один фермент – пепсин. Даже его название происходит от греческого слова pépsis – пищеварение. Пепсин относится к классу протеаз, то есть ферментов, расщепляющих пептидные связи в белках. Пепсин был открыт еще в 1836 году Теодором Шванном и одним из первых в 1930 году был кристаллизован в чистом виде.

Структурно пепсин представляет собой небольшой глобулярной белок из 327 аминокислотных остатков. Одна полипептидная цепь сворачивается так, что образуются два домена (фрагмента), разделенных глубокой щелью (до 30 ангстрем), в которых и происходит катализ.

Это очень активный белок, который преимущественно расщепляет пептидные связи, расположенные посередине полипептидной цепи (можно провести отдаленную аналогию с альфа-амилазой), но в отличие от многих ферментов пепсин не обладает узкой субстратной специфичностью. С наибольшей скоростью пепсин расщепляет пептидные связи, образованные ароматическими аминокислотами – тирозином и фенилаланином, однако «не привередничает» и расщепляет и другие пептидные связи.

Внимательный читатель может задуматься, а не опасно ли содержать такой агрессивный фермент в желудке? Не расщепит ли он белки, которые выполняют в нем структурные функции?

Природа предусмотрела защитный механизм: в клетках желудка пепсин вырабатывается в неактивной форме пепсиногена. Это в некотором смысле «намордник», который сдерживает гидролитическую активность фермента. Под действием гормона гастрина и блуждающего нерва пепсиноген попадает в кислую среду желудка. «Намордник» отщепляется. Ведь это всего лишь фрагмент полипептидной цепочки в 44 аминокислотных остатка. Соляная кислота желудка способствует процессу отщепления, а затем уже «высвободившиеся» молекулы пепсина помогают своим «товарищам». Это явление, когда продукт ускоряет реакцию, называется автокатализ – «сам себя ускоряю».

В желудке интенсивный процесс пищеварения длится до трех часов, а затем пищевой комок попадает в кишечник. Там его встречает сок поджелудочной железы – панкреатический сок. Через главный проток поджелудочной железы в двенадцатиперстную кишку попадает настоящий коктейль ферментов: в первую очередь амилазы (и других ферментов, нацеленных на расщепление углеводов), протеазы и липазы. Помимо ферментов панкреатический сок содержит гидрокарбонат-ионы, который нейтрализуют соляную кислоту желудка.

В кишечнике, в отличие от желудка, поддерживается практически нейтральный или слабощелочной уровень кислотности. В этих условиях очень высока активность панкреатической альфа-амилазы. Она завершает работу, начатую своей коллегой – слюнной амилазой. Кроме того, за расщепление углеводов отвечают ферменты амило‑1,6‑глюкозидаза и олиго‑1,6‑глюкозидаза, которые расщепляют связи в участках ветвления крахмала. Для расщепления дисахаридов – продуктов распада крахмала – в кишечнике также присутствует фермент мальтаза, расщепляющий мальтозу. Для расщепления сахарозы (белого сахара) в кишечнике также присутствует сахараза, способствующая образованию глюкозы и фруктозы.

Если в желудке ключевой протеазой был пепсин, то в кишечнике трудно выделить одну «приму», здесь выступает целый «ансамбль» различных ферментов, которые фундаментально можно разделить на две группы. Эндопротеазы расщепляют пептидную связь внутри цепи, и это может напомнить вам эффект от альфа-амилазы. Экзопротеазы отщепляют по одному аминокислотному остатку с конца полипептидной цепи. Поджелудочная железа выделят экзопротеазы, отщепляющие остатки с С-конца, которые называются карбоксипептидазы, а клетки тонкого кишечника высвобождают ферменты, отщепляющие с N-конца, называемые аминопептидазы.

К самым известным кишечным эндопротеазам относят такие ферменты, как трипсин, хипотрипсин и эластазу. Эти ферменты – сестры, поскольку относятся к семейству сериновых протеаз. Активный центр устроен у них одинаково: в нем расположена так называемая каталитическая триада, остатки серина, гистидина и аспарагиновой кислоты. Важной особенностью является образование промежуточного ковалентного соединения – ацилфермента, в котором появляется полноценная химическая связь между гидроксильной группой серина, фермента и расщепляемого белка.

Главные отличия между ферментами кроятся в строении сорбционного центра. Трипсин преимущественно расщепляет пептидные связи, образованные остатками аргинина или лизина. В то время как химотрипсин специфичен по отношению к связям, образованным крупными гидрофобными остатками аминокислоты, например триптофана и фенилаланина. Эластаза же имеет сродство со связями, образованными остатками аминокислот с незаряженными заместителями, например глицина, аланина и валина.

Осталось разобраться с группой ферментов, которые в кишечнике расщепляют липиды. Несмотря на наличие языковой и желудочной липазы, основную роль в переваривании жиров играет именно панкреатическая липаза. Жиры из пищи в кишечнике собираются в небольшие капли (примерно 500 нм), стабилизированные желчными кислотами – этот процесс называется эмульгированием.

Для активации панкреатической липазе требуется помощник – пролипаза, которая выступает как «крепеж» для фермента на поверхности капельки жира. Примечательно, что пролипаза сама активируется под действием трипсина, о котором мы говорили выше. Все-таки многие процессы в организме взаимосвязаны.

Панкреатическая липаза отщепляет от молекул триацилглицеридов «верхний» и «нижний» остатки жирных кислот. Остается 2‑моноацилглицерид, у которого остаток жирной кислоты расположен по центральному (второму по счету) атому углерода. Он может уже всосаться в кровоток, а может превратиться в 1‑моноацилглицерид под действием специального фермента класса изомераз. 1‑моноацилглицерид уже удается расщепить до глицерина и свободной жирной кислоты.

Кроме липаз, рассчитанных на переваривание триацилглицеридов, в панкреатическом соке также есть ферменты фосфолипазы, которые отщепляют остаток жирной кислоты от фосфолипидов, и ряд прочих ферментов, в том числе расщепляющих чужеродную ДНК из пищи.

Таким образом, пищевой комок проходит свой длинный путь по кишечнику, и организм с помощью ферментов успевает разобрать на составные кубики все сколь бы то ни было интересное и полезное для него. Ненужное и неперевариваемое (та же клетчатка, например) покидают организм. Суммарно нашему телу требуется от суток до трех суток для того, чтобы разобраться с попавшей пищей – процесс длительный, но тщательно отлаженный эволюцией.

Но что, если пищеварительные (и не только!) ферменты использовать для производства новых продуктов питания? Эта идея лежит в основе производства ферментированных продуктов, о которых мы поговорим в следующих главах.