Ферменты, или энзимы (от лат. fermentum — закваска) — обычно белковые молекулы или молекулы РНК (рибозимы) или их комплексы, ускоряющие (катализирующие) химические реакции в живых организмах, не подвергаясь при этом никаким изменениям. Вещества, оказывающие подобное действие, существуют и в неживой природе и называются атализаторами.

Ферментативная активность может регулироваться активаторами и ингибиторами (активаторы — повышают, ингибиторы — понижают химические реакции).

Термины «фермент» и «энзим» давно используют как синонимы. Наука о ферментах называется энзимологией.

Жизнедеятельность любого организма не возможна без участия ферментов. Ферментативный катализ ускоряет прохождение всех биохимических реакций в организме и обеспечивает, таким образом, феномен жизни. Без присутствия ферментов в ходе биохимических реакций не произойдёт расщепления пищи на пять основных соединений: углеводы, жиры, белки, витамины и микроэлементы - пища останется бесполезной для организма. Таким образом, без ферментов жизнь замедляется.

Функции ферментов и их роль в жизнедеятельности организма

1. стимулируют процесс переваривания и всасывания пищи;
2. активизируют метаболизм, способствуют выведению умерших клеток из организма;
3. регулируют осмотическое давление, нормализуют значение рН различных сред;
4. обеспечивают обмен веществ, поддерживают способность организма противостоять воспалительным процессам;
5. повышают иммунитет и способность организма к самовосстановлению и саморегуляции;
6. способствуют детоксикации организма, очищают лимфу и кровь.

Необходимость в ферментах для здорового функционирования организма
Большинство учёных в настоящее время убеждены, что почти все болезни вызваны отсутствием или недостаточным количеством ферментов в организме. Медицинские исследования показывают, что нарушения процесса выработки ферментов в организме обусловлены генетическими факторами.

В частности, такое распространённое сейчас заболевание, как сахарный диабет, связано с тем, что поджелудочная железа недостаточно или вообще не вырабатывает фермент инсулин. Лейкемия и другие виды рака обусловлены отсутствием или слабостью ферментативных барьеров в организме. Эти факты постепенно подтверждаются научными исследованиями. Можно сказать, что если в организме присутствует необходимое количество ферментов - не будет ста болезней.

С возрастом, по мере старения человеческого организма, выработка ферментов снижается. Организм начинает испытывать их недостаток, что отражается на протекании обменных процессов, снижается эффективность переваривания и всасывания питательных веществ, становится сложнее воздействовать на организм лекарственными препаратами, т. к. они усваиваются недостаточно и вызывают большее количество побочных эффектов. Дополнительное поступление большого количества ферментов в организм позволит компенсировать их недостаток и все обусловленные этим последствия.

Таким образом, достаточное количество ферментов в организме является необходимым условием его здорового состояния. Многие заболевания вызываются недостаточной выработкой ферментов, что нарушает баланс обмена веществ в организме. Если обеспечить в дополнение к природной выработке ферментов их поступление извне, то это будет самым быстрым и лучшим способом лечения заболеваний.

Человеческий организм существует за счёт постоянного воздействия ферментов. Например, в процессе пищеварения с помощью ферментов (энзимов) происходят реакции разложения пищи на питательные вещества — белки, жиры, углеводы, витамины и микроэлементы; которые с их же помощью всасываются в кровь и разносятся ко всем органам. За счёт этого наши мышцы и кости, все органы и системы питаются, получают энергию и осуществляют функции, необходимые для поддержания организма в здоровом, активном состоянии.

Не только человеческий организм, но и всё живое, между небом и землёй, существует за счёт биохимических реакций, осуществляемых с помощью ферментов. Фермент является источником жизни и здоровья любого живого организма.

Роль ферментов в организме человека

Роль ферментов в поддержании жизнедеятельности организма удивительна по своей значимости.

Наличие ферментов и существование всего живого — неотделимые понятия. Если количество фермента недостаточно для поддержания жизни — это означает смерть. Появление зелёных листьев на деревьях весной, свет светлячка, любой акт жизнедеятельности человеческого тела (будь то приём пищи, прогулка по улице, пение, смех или плач) - все эти процессы обеспечиваются биохимическими реакциями и не возможны без обязательного участия ферментов.

С первого дня зачатия ребёнка ферменты начинают выполнять свою роль. Сперматозоид не сможет попасть в яйцеклетку, если ему не хватает особого фермента для растворения клеточной стенки яйцеклетки для осуществления процесса оплодотворения.

Вся потребляемая нами пища проходит сложный процесс расщепления на простые элементы в желудочно-кишечном тракте под воздействием пищеварительных ферментов. Только тогда эти питательные элементы могут попасть в кровь и разнестись ко всем органам и тканям. Попробуйте жевать кусочек хлеба в течение 2-3 минут, вы почувствуете, как он постепенно становится сладким — это потому, что под воздействием ферментов, содержащихся в слюне, крахмал расщепляется и высвобождается сладкая мальтоза.

При помощи ферментов в организме происходит не только процесс расщепления веществ, но и их синтез. Например, синтез аминокислот в молекулы белка — основного строительного материала для клеток мышц, волос и т. д., или превращение глюкозы в гликоген, который откладывается в печени и, в случае нехватки энергии, при помощи тех же ферментов, опять расщепляется на молекулы глюкозы, что обеспечивает в организме быстрый выброс энергии.

Процесс обновления кожи также происходит за счёт ферментов, участвующих в метаболических процессах. Если специфических для этого процесса ферментов достаточно, кожа будет нежной, блестящей и упругой. При дефиците фермента кожа становится сухой, шелушащейся, вялой.

В организме человека функционирует около 4000 различных видов ферментов. В нём происходят тысячи биохимических реакций, которые в комплексе могут быть сравнимы с большим химическим заводом. Но все эти химические реакции требуют ферментативного катализа, иначе они или не протекают или протекают очень медленно. Каждый фермент участвует в одной химической реакции. Некоторые из ферментов не могут быть синтезированы организмом. Если в организме не хватает каких-либо ферментов, то существует опасность развития заболевания или возникновения предболезненного состояния, которое рано или поздно проявится в болезни.

Поэтому, если вы хотите сохранить свою молодость, красоту и здоровье на долгие годы, необходимо обеспечивать содержание в организме достаточного количества ферментов. И если их уровень низкий, то основной источник их восполнения — ежедневный приём в виде биоактивных добавок.

Группы людей, особенно нуждающиеся в дополнительных источниках ферментов
Рассмотрим, какие группы людей особенно нуждаются в употреблении дополнительных ферментов.

Те, кто хочет улучшить свою физическую форму, укрепить здоровье или восстановить его после болезни.

Люди с ослабленным иммунитетом, часто подверженные инфекциям.

Те, кто испытывает постоянную утомляемость, жалуется на отсутствие энергии, частую слабость.

Преждевременно стареющие, немощные люди.

Люди, страдающие хроническими заболеваниями.

Онкобольные с различными типами рака, в до- и послеоперационный период.

Люди, страдающие заболеваниями печени.

Люди, предпочитающие мясную пищу.

Люди, склонные к неврастении и другим нервно-психическим заболеваниям.

Люди, страдающие половой дисфункцией.

Женщины в дородовой и послеродовой период.

Люди с нарушениями функций пищеварения.

Вегетарианцы (пищевые добавки будут способствовать стабильности клетки).

Люди с недостаточным телосложением, для улучшения физической формы (избыточный вес и ожирение, недостаточный вес).

Люди с нарушениями и ограничениями в движении.

Дети в период интенсивного роста (поскольку современные дети в большинстве своём почти не употребляют продукты, содержащие пищеварительные ферменты — липазу, амилазу и протеазу; и это является одной из главных причин детского ожирения, частых аллергий, запоров, повышенной утомляемости).

Пожилые люди (с возрастом способность организма производить собственные ферменты уменьшается, снижается количество фермента, стимулирующего процесс «инвентаризации» в организме, именно поэтому потребление дополнительных ферментов является для них путём к долголетию).

Пациенты с установленной ферментной дисфункцией (поскольку собственные ферментные запасы у них истощены, они особенно нуждаются в дополнительном приёме ферментов).

Спортсмены особенно нуждаются в большом количестве дополнительных ферментов, поскольку из-за интенсивных физических нагрузок в их организме происходит ускоренный обмен веществ, а значит, и расход ферментных запасов также происходит усиленно (образно их можно сравнить со свечой, горящей с двух концов).

Впервые термин "фермент" предложил голландский естествоиспытатель Ван-Гельмонт, обозначивший им неизвестный агент, способствующий спиртовому брожению. В переводе с латинского языка фермент означает «закваска», синоним этого слова в греческом языке - энзим, что означает «в дрожжах». Оба слова связаны с дрожжевым брожением, которое невозможно без участия ферментов, играющих ключевую роль в бродильных процессах - химических реакциях, связанных с перевариванием и расщеплением сахаров. По своей природе ферменты являются биологическими катализаторами химических и биохимических реакций, которые протекают внутри клеток. Химические реакции могут протекать и без участия ферментов, но часто для этого требуются определенные условия: высокая температура, давление, присутствие металлов (железа, цинка, меди и платины и т.д.), которые также могут выступать в качестве катализаторов - ускорителей химических реакций, но скорость их без ферментов будет очень небольшой.

Ферменты в нашем организме выступают в роли биологических катализаторов, ускоряя биохимические реакции в сотни и тысячи раз, они способствуют полноценному пищеварению, усвоению питательных веществ и очищению организма. Ферменты принимают участие в осуществлении практически всех процессов жизнедеятельности организма: способствуют восстановлению эндоэкологического баланса, поддерживают систему кроветворения, снижают тромбообразование, нормализуют вязкость крови, улучшают микроциркуляцию, а также снабжение тканей кислородом и питательными веществами, нормализуют липидный обмен, снижают синтез холестерина низкой плотности. Во всех жизненно важных биохимических реакциях участвуют более трех тысяч известных к настоящему времени ферментов. Ферментная недостаточность, вызванная генетическими нарушениями или иными физиологическими причинами, приводит к нарушению здоровья и серьезным заболеваниям.

Многие ферменты могут работать как разрушители и восстановители, в зависимости от обстоятельств, расщепляя биомолекулы на фрагменты или вновь соединяя вместе продукты распада. В человеческом организме непрерывно работают тысячи различных ферментов. Только с их помощью возможно обновление клеток, трансформация питательных веществ в энергию и строительные материалы, обезвреживание отходов метаболизма и чужеродных веществ, защита организма от болезнетворных микроорганизмов и заживление ран. В зависимости от того, какие виды реакций организма катализируют энзимы, они выполняют различные функции, чаще всего их подразделяют на пищеварительные и метаболические .

Пищеварительные выделяются в желудочно-кишечном тракте, разрушают питательные вещества, способствуя их попаданию в системный кровоток. Только при наличии ферментов происходит метаболизм жиров, белков и углеводов. Ферменты никогда не заменяют друг друга, каждый из них имеет свою функцию, основными пищеварительными ферментами являются амилаза , протеаза илипаза .

*Амилаза - гидролитический фермент, образуется преимущественно в слюнных железах и поджелудочной железе, поступает затем соответственно в полость рта или просвет двенадцатиперстной кишки и способствует утилизации глюкозы из крови. Амилаза участвует в переваривании углеводов пищи, разлагает сложные углеводы - крахмал и гликоген, обеспечивает сохранение нормальных показателей сахара крови. В настоящее время доказано, что 86% больных сахарным диабетом имеют недостаточное содержание амилазы в кишечнике. Различные типы амилаз действуют на определенные сахара: лактаза расщепляет молочный сахар - лактозу, мальтаза - мальтозу, сукраза расщепляет свекловичный сахар сахарозу.

*Липаза присутствует в желудочном соке, в секрете поджелудочной железы, а также в пищевых жирах и является важнейшим ферментом в процессе переваривания жиров, она синтезируется в поджелудочной железе и выделяется в кишечник, где расщепляет жиры, поступающие с пищей и гидролизирует молекулы жиров. Активность липазы значительно изменяется при заболеваниях поджелудочной железы, при онкологических заболеваниях и при неправильном питании.

Метаболические ферменты (энзимы) катализируют биохимические процессы внутри клеток, при которых происходит как выработка энергии, так и детоксикация организма и вывод отработанных продуктов распада. Каждая система, орган и ткань организма имеет свою сеть ферментов.

Ферменты и обмен веществ

Обмен веществ в организме человека складывается из двух процессов. Первый процесс - «анаболизм», что означает усвоение необходимых веществ и энергии. Второй процесс - «катаболизм» - распад отработанных продуктов жизнедеятельности организма. Эти важнейшие процессы находятся в постоянном взаимодействии, поддерживая жизнедеятельность организма.

*Нервная система - первая регулирующая система поддержания равновесия обменных процессов, она обрабатывает информацию, поступающую от всех систем, органов и тканей организма. Учитывая характер информации обменных процессов, нервная система принимает то или иное решение, задает ту или иную программу действия.

*Эндокринная система - вторая регулирующая система, благодаря вырабатываемым ею гормонам, активизируются или замедляются все процессы, протекающие в органах и тканях организма.

*Кровеносная система - третья система, регулирующая обмен веществ, поскольку посредством крови производится перенос гормонов и питательных веществ - витаминов, макроэлементов и минеральных солей.

Все эти системы реализуют свою программу через цепочку различных ферментов, благодаря которым человек может адекватно адаптироваться к изменяющимся условиям внешней и внутренней среды. Все ферменты являются белками, состоящими из аминокислот, небелковая часть молекулы фермента называется «коферментом», в неё могут входить микроэлементы и витамины. Все биохимические реакции с участием ферментов происходят в водной среде, в которой, как в коконе, находится наш организм. Часть ферментов входит в состав плазматической мембраны клеток, другие находятся и работают внутри клеток, третьи секретируются клетками и выходят в межклеточное пространство органов и тканей, попадают в кровеносную и лимфатическую систему или в просвет желудка, тонкой и толстой кишки.

Благодаря действию ферментов организм запасается железом, кровь свертывается при кровотечениях, мочевая кислота превращается в мочу, окись углерода удаляется из легких. Ферменты помогают печени, почкам, легким и желудочно-кишечному тракту выводить из организма продукты жизнедеятельности и токсины, способствуют использованию питательных веществ, построению новых мышечных тканей, нервных клеток, костей, кожи, восстановлению тканей желез внутренней секреции.

Ферменты принимают участие в осуществлении практически всех процессов жизнедеятельности организма: способствуют восстановлению экологического баланса организма, улучшают работу иммунной системы, регулируют выработку интерферонов, проявляют противовирусное и противомикробное действие, снижают вероятность развития аллергических и аутоиммунных реакций. Они также оказывают поддержку системе кроветворения, снижают агрегацию тромбоцитов, нормализуют вязкость крови, улучшают микроциркуляцию, а также снабжение тканей кислородом и питательными веществами. Комплексное воздействие ферментов улучшает процесс переваривания и усвоения пищи, нормализует липидный обмен, снижает синтез холестерина, повышает содержание холестерина высокой плотности, а также уменьшает побочные эффекты, связанные с приемом антибиотиков и гормональных препаратов.

Ферменты, коэнзимы и микроэлементы

В организме человека насчитывают около 3000 различных ферментов, структура которых закодирована в генетике каждого индивидуума. Основной функциональной характеристикой каждого фермента является скорость, с которой он работает, разрушая, трансформируя или синтезируя те или иные вещества. Функции ферментов строго индивидуальны и каждый из них принимает участие в активизации конкретного биохимического процесса. Со временем ферменты теряют свою эффективность и поэтому должны постоянно обновляться. Активность ферментов зависит от очень многих внешних факторов: при понижении температуры скорость химических реакций уменьшается, при повышении температуры скорость химических реакций сначала увеличивается, но затем начинает уменьшаться, поскольку при высоких температурах, близких к кипению, происходит денатурация - разрушение белковых молекул фермента. В состав ферментов входят некоторые микроэлементы - медь, железо, цинк, никель, селен, кобальт, марганец и др. Без молекул минеральных веществ ферменты не активны и не могут катализировать биохимические реакции. Активация ферментов происходит посредством присоединения к их молекулам атомов минеральных веществ, при этом присоединенный атом неорганического вещества становится активным центром всего ферментативного комплекса, например:

*Железо входит в состав важных окислительных ферментов - каталазы, пероксидазы, цитохромов углерода и азота, оно соединяет между собой атомы, благодаря чему из аминокислот образуются белковые молекулы, кроме того, железо из молекулы гемоглобина способно связывать кислород, чтобы переносить его к тканям;

*Цинк способен соединять между собой атомы кислорода и азота, а также атомы серы, поэтому пищеварительные ферменты пепсин и трипсин для активации требуют присоединения атома цинка;

*Медь обладает способностью разрывать или восстанавливать связи между атомами углерода и серы;

*Кобальт способен и разрушать, и восстанавливать химическую связь между атомами углерода;

*Молибден входит в состав азотфиксирующих ферментов и способен переводить в связанное состояние атмосферный азот, который является достаточно инертным веществом и с большим трудом вступает в биохимические реакции.

Многие ферменты с большой молекулярной массой проявляют каталитическую активность только в присутствии специфических низкомолекулярных веществ, называемых коферментами (коэнзимами), роль коэнзимов играют многие витамины и минеральные вещества, которые входят в состав активного центра фермента и обеспечивают его работу. Особую роль в организме человека играет коэнзим Q10 - непосредственный участник процессов, направленных на выработку энергии в организме человека. Коэнзим Q10 представляет собой клеточный компонент, участвующий в производстве энергии в митохондриях - внутриклеточных электростанциях, и играет важную роль в образовании организмом аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), являющейся первоисточником энергии в мышечных тканях. Коэнзим Q10 повышает устойчивость мышечной ткани к пиковым нагрузкам, снижает токсический и болевой эффект гипоксии, ускоряет обменные процессы и выведение конечных продуктов обмена веществ. По результатам экспериментальных и клинических исследований сделаны выводы о том, что Коэнзим Q10 также обладает свойствами эффективного антиоксиданта и защитника от преждевременного старения, он способен не только продлить жизнь, но и насытить ее энергией.

Учитывая сказанное выше, можно сделать выводы, что для полноценной функции ферментов необходимо постоянное и непрерывное поступление в организм витаминов, макро- и микроэлементов в составе пищи. Только в этом случае ферменты и ферментные системы организма будут успешно функционировать.

КЛИНИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ ФЕРМЕНТОВ

Исследования последних десятилетий доказали, что ферменты необходимы для нормального функционирования иммунной системы организма: они регулируют выработку интерферонов, проявляют противовирусное и противомикробное действие, а также снижают вероятность развития аллергических и аутоиммунных реакций. Защитные механизмы способны сохранить организм человека здоровым только в том случае, если в организме имеется достаточное количество функционирующих ферментов. Каждый фермент в организме выполняет свою задачу: одни ферменты позволяют организму защищаться путем активизации макрофагов - лейкоцитов, способных распознавать и уничтожать в организме врагов. Другие ферменты помогают лимфоцитам создавать специфические антитела, которые связывают «чужеродных агентов» - бактериальных, вирусных и прочих, давая организму возможность своевременно их обезвредить. Важнейшую роль в здоровье иммунной системы играют протеолитические ферменты, в частности, протеаза , которая активно участвует в процессах метаболизма и пищеварения, она способна разрушать практически любые белки, которые не являются компонентами живых клеток организма - белковые структуры вирусов, бактерий и прочих патогенов. Протеазные ферменты оказались великолепной противовирусной терапией, работающей на нескольких уровнях. Многие вирусы окружены защитной протеиновой оболочкой, которую протеаза способна переварить, в результате вирусы становятся более уязвимыми к действию антивирусных препаратов. Кроме того, протеаза расщепляет непереваренный белок, клеточные обломки и токсины крови, в результате иммунная система активизируется к борьбе с бактериальными и вирусными инфекциями.

Самая распространенная хроническая вирусная инфекция человека - герпес, в переводе с греческого языка - «ползучий», еще Геродот использовал это название при описании пузырьковых высыпаний на коже, сопровождающихся зудом и лихорадкой. Статистика утверждает, что 90% населения Земли являются носителями герпетической инфекции. Герпетическая инфекция длительно существует в организме преимущественно в латентной форме и проявляется на фоне иммунодефицитных состояний поражениями кожи, слизистых оболочек, глаз, печени и центральной нервной системы.

В 1995 европейскими учеными впервые были опубликованы результаты исследования ферментной терапии в качестве альтернативного лечения герпеса Зостер - вируса ветрянки и опоясывающего лишая. Исследования проводились с группой из 192 пациентов, половина которой получала стандартный противовирусный препарат Ацикловир, а вторая половина - ферментную терапию. В результате исследований был сделан вывод о том, что в целом ферментные препараты показали эффективность, идентичную действию ацикловира. С 1968 года в западных странах вирус герпеса Зостер успешно лечится с помощью ферментов.

Заключение: Ферменты имеют широкий спектр применения и могут быть рекомендованы не только для улучшения пищеварения, при острых и хронических воспалительных процессах в желудочно-кишечном тракте и печени, но и при инфекционных заболеваниях, сосудистой патологии, состояниях до и после оперативных вмешательств. На сегодняшний день проводятся многочисленные исследования, подтверждающие эффективность ферментов в профилактике и оздоровлении при онкозаболеваниях.

компании Nutricare рекомендуется:

Для полноценного усвоения белковой пищи: Папаин, Бромелайн, Протеаза улучшают самочувствие при различных заболеваниях пищеварительного тракта, расщепляют сложные белки до аминокислот, Протеаза также способна разрушать практически любые белки, которые не являются компонентами живых клеток организма - белковые структуры вирусов, бактерий и прочих патогенов;

Для полноценного усвоения жиров: Бромелайн и Липаза выделяются в кишечник, где расщепляют жиры, поступающие с пищей, кроме того, Бромелайн воздействует на молекулы жировой ткани, не позволяя им связываться между собой и откладываться в жировое депо и участвует в расщеплении жиров, что делает его незаменимым при лечении ожирения;

Для полноценного усвоения углеводов: Амилаза участвует в переваривании углеводов пищи, разлагает сложные углеводы - крахмал и гликоген, обеспечивает сохранение нормальных показателей сахара крови. В настоящее время доказано, что 86% больных сахарным диабетом имеют недостаточное содержание амилазы в кишечнике;

При заболеваниях желудочно-кишечного тракта(запоры, гастрит, колит, язвенная болезнь желудка, глистные инвазии): Ферментный комплекс необходим для восстановления пищеварения при ферментной недостаточности, дисбактериозе, диспепсии и практически при всех заболеваниях органов пищеварения.

Ферменты - это глобулярные белки, которые помогают протекать всем клеточным процессам. Как и все катализаторы, они не могут повернуть реакцию вспять, а служат для ее ускорения.

Локализации ферментов в клетке

Внутри клетки индивидуальные ферменты, как правило, содержатся и действуют в строго определенных органеллах. Локализация ферментов непосредственно связана с той функцией, которую обычно выполняет данный участок клетки.

Почти все ферменты гликолиза располагаются в цитоплазме. Ферменты цикла трикарбоновых кислот - в матриксе митохондрий. Активные вещества гидролиза содержатся в лизосомах.

Отдельные ткани и органы животных и растений отличаются не только по набору ферментов, но и по их активности. Такую особенность тканей используют в клинике при диагностике некоторых заболеваний.

Существуют также возрастные особенности в активности и наборе ферментов в тканях. Они наиболее четко заметны в период эмбрионального развития при дифференцировке тканей.

Номенклатура ферментов

Существует несколько систем названий, каждая из которых учитывает свойства ферментов в разной степени.

• Тривиальная. Названия веществ даются по случайным признакам. Например, пепсин (pepsis - "пищеварение", греч.) и трипсин (tripsis - "разжижаю", греч.)
• Рациональная. Название фермента складывается из субстрата и окончания «-аза». Например, амилаза ускоряет (amylo - "крахмал", греч.).
• Московская. Она была принята в 1961 году международной комиссией по номенклатуре ферментов на V Международном биохимическом конгрессе. Название вещества составляют из субстрата и реакции, которая катализируется (ускоряется) ферментом. Если функция ферментов заключается в переносе группы атомов от одной молекулы (субстрата) к другой (акцептору), название катализатора включает в себя и химическое название акцептора. Например, в реакции переноса аминогруппы с аланина на 2-оксиглутаровую кислоту участвует фермент аланин: 2-оксоглутаратаминотрансфераза. Название отражает:
• субстрат - аланин;
• акцептор - 2-оксоглутаровая кислота;
• в реакции переносится аминогруппа.

Международной комиссией был составлен список всех известных ферментов, который постоянно дополняется. Это связано с открытием новых веществ.

Классификация ферментов

Делить ферменты на группы можно двумя способами. Первый предлагает два класса этих веществ:

• простые - состоят только из белка;
• сложные - содержат белковую часть (апофермент) и небелковую, называемую коферментом.

В небелковую часть сложного фермента могут входить витамины. Взаимодействие с другими веществами происходит посредством активного центра. Целиком молекула фермента не принимает участия в процессе.

Свойства ферментов, как и других белков, определяются их строением. В зависимости от него катализаторы ускоряют только свои реакции.

Второй способ классификации делит вещества по тому, какую функцию выполняют ферменты. В результате получается шесть классов:

• оксидоредуктазы;
• трансферазы;
• гидролазы;
• изомеразы;
• лиазы;
• лигазы.

Это общепринятые группы, отличаются они не только по видам реакций, которые регулируют состоящие в них ферменты. У веществ различных групп отличается строение. И функции ферментов в клетке, следовательно, не могут быть одинаковыми.

Оксидоредуктазы - окислительно-восстановительные

Основная функция ферментов первой группы - ускорение окислительно-восстановительных реакций. Характерная особенность: способность образовывать цепи окислительных ферментов, в которых осуществляется перенос электронов или атомов водорода от самого первого субстрата к конечному акцептору. Эти вещества разделяют по принципу работы или по месту работы в реакции.

1. Аэробные дегидрогеназы (оксидазы) ускоряют перенос электронов или протонов непосредственно на кислородные атомы. Анаэробные же совершают те же действия, но в реакциях, которые протекают без передачи электронов или атомов водорода на кислородные атомы.
2. Первичные дегидрогеназы катализируют процесс отнятия атомов водорода от окисляемого вещества (первичного субстрата). Вторичные - ускоряют снятие атомов водорода со вторичного субстрата, получены они были при помощи первичной дегидрогеназы.

Другая особенность: будучи двукомпонентными катализаторами с очень ограниченным набором коферментов (активных групп), они могут ускорять множество самых разнообразных реакций окисления-восстановления. Это достигается большим числом вариантов: один и тот же кофермент может присоединиться к разным апоферментам. В каждом случае получается особенная оксидоредуктаза со своими свойствами.

Существует еще одна функция ферментов этой группы, о которой нельзя не упомянуть — они ускоряют протекание химических процессов, связанных с выделением энергии. Такие реакции называются экзотермическими.

Трансферазы - переносчики

Эти ферменты выполняют функцию ускорения реакций переноса молекулярных остатков и функциональных групп. Например, фосфофруктокиназа.

Выделяют восемь групп катализаторов, исходя из переносимой группы. Рассмотрим только некоторые из них.

1. Фосфотрансферазы - помогают переносить остатки Они делятся на подклассы в соответствии с пунктом назначения (спиртовые, карбоксильные и прочие).
2. Аминотрансферазы - ускоряют реакции
3. Гликозилтрансферазы - переносят гликозильные остатки из молекул фосфорных эфиров к молекулам моно- и полисахаридов. Обеспечивают реакции распада и синтеза олиго- или полисахаридов в организмах растений и животных. Например, они участвуют в реакции распада сахарозы.
4. Ацилтрансферазы переносят остатки карбоновых кислот на амины, спирты и аминокислоты. Ацил-коэнзим-А является универсальным источником ацильных групп. Его можно рассматривать как активную группу ацилтрансфераз. Чаще всего переносится ацил уксусной кислоты.

Гидролазы - расщепляют с участием воды

В этой группе ферменты выполняют функцию катализаторов для реакций расщепления (реже синтеза) органических соединений, в которых участвует вода. Вещества этой группы содержатся в клетках и в пищеварительном соке. Молекулы катализаторов в ЖКТ состоят из одного компонента.

Местом локализации этих ферментов являются лизосомы. Они выполняют защитные функции ферментов в клетке: расщепляют чужеродные вещества, прошедшие через мембрану. Они также уничтожают те вещества, которые больше не нужны клетке, за что лизосомы были прозваны санитарами.

Другое их "прозвище" - клеточные самоубийцы, так как они являются главным инструментом для аутолиза клетки. Если появилась инфекция, начались воспалительные процессы, мембрана лизосом становится проницаемой и гидролазы выходят в цитоплазму, разрушая все на своем пути и уничтожая клетку.

Разделяют несколько видов катализаторов из этой группы:

• эстеразы - отвечают за гидролиз сложных эфиров спиртов;
• гликозидазы - ускоряют гидролиз гликозидов, в зависимости от того, на какой изомер они действуют, выделяют α- или β-гликозидазы;
• пептид-гидролазы - ответственны за гидролиз пептидных связей в белках, а при определенных условиях и за их синтез, но этот способ синтеза белка не используется в живой клетке;
• амидазы - отвечают за гидролиз амидов кислот, например, уреаза катализирует распад мочевины на аммиак и воду.

Изомеразы - преобразование молекулы

Эти вещества ускоряют изменения в пределах одной молекулы. Они могут быть геометрические или структурные. Это может происходить разными способами:

• перенос атомов водорода;
• перемещение фосфатной группы;
• изменение расположения атомных группировок в пространстве;
• перемещение двойной связи.

Изомеризации могут быть подвержены органические кислоты, углеводы или аминокислоты. Изомеразы могут превращать альдегиды в кетоны и, наоборот, цис-форму перестроить в транс-форму и обратно. Чтобы лучше понять, какую функцию выполняют ферменты этой группы, необходимо знать различия изомеров.

Лиазы рвут связи

Эти ферменты ускоряют негидролитический распад органических соединений по связям:

• углерод-углерод;
• фосфор-кислород;
• углерод-сера;
• углерод-азот;
• углерод-кислород.

При этом выделяются такие простейшие продукты, как вода, аммиак, и замыкаются двойные связи. Немногие из этих реакций могут пойти в обратную сторону, соответствующие ферменты в подходящих для этого условиях катализируют процессы не только распада, но и синтеза.

Классификация лиаз происходит по типу связи, которую они разрывают. Они являются сложными ферментами.

Лигазы сшивают

Главная функция ферментов этой группы - ускорение реакций синтеза. Их особенность - сопряженность создания с распадом веществ, которые способны дать энергию для осуществления биосинтетического процесса. Существует шесть подклассов по типу образуемой связи. Пять из них идентичны подгруппам лиаз, а шестая отвечает за создание связи "азот-металл".

Некоторые лигазы принимают участие в особенно важных процессах клетки. Например, ДНК-лигаза участвует в репликации дезоксирибонуклеиновой кислоты. Она сшивает одноцепочечные разрывы, создавая новые фосфодиэфирные связи. Именно она соединяет фрагменты Оказаки.

Этот же фермент активно используется в генной инженерии. Он позволяет ученым сшивать из необходимых им кусочков, создавая уникальные цепочки дезоксирибонуклеиновой кислоты. В них можно заложить любую информацию, создав таким образом фабрику по изготовлению необходимых белков. Например, можно вшить в ДНК бактерии кусочек, отвечающий за синтез инсулина. И когда клетка будет транслировать собственные белки, она заодно наделает и полезное вещество, необходимое в медицинских целях. Его остается только лишь очистить, и оно поможет множеству больных людей.

Огромная роль ферментов в организме

Они могут увеличить более чем в десять раз. Это просто необходимо для нормальной жизнедеятельности клетки. А ферменты участвуют в каждой реакции. Поэтому функции ферментов в организме разнообразны, как и все протекающие процессы. А нарушение работы этих катализаторов приводит к тяжелым последствиям.

Широко применяются ферменты в пищевой, легкой промышленности, медицине: используются для изготовления сыров, колбас, консервов, входят в состав Также их используют в изготовлении фотоматериалов.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

биологический фермент белковый

Насколько мы знаем в нашем организме действует очень много ферментов, которые способствуют осуществлению обменных процессов (дыхание, пищеварение, мышечное сокращение, фотосинтез), которые и определяют сам процесс жизни. Поэтому препараты стали широко применяться при лечении заболеваний, сопровождающихся гнойно-некротическими процессами, при тромбозах и тромбоэмболиях, нарушениях процессов пищеварения. Ферментные препараты стали находить также применение при лечении онкологических заболеваний.

Ферменты играют довольно важную роль и в проведении многих технологических процессов. Ферменты высокого качества позволяют улучшить технологию, сократить затраты и даже получить новые продукты.

В настоящее время ферменты применяются более чем в 25 отраслях промышленности: это и пищевая промышленность, и фармацевтическая, целлюлозно-бумажная, лёгкая, а так же в сельском хозяйстве.

Целью моего реферата является: подробное исследование понятий фермента и ферментативного катализа (биокатализа).

1) Что же такое ферменты, какую роль они играют?

2) Структура и механизм действия ферментов.

3) Рассмотреть функции ферментов.

4) Принцип действия ферментов.

5) Классификация ферментов.

6) Область применения ферментов.

7) Методы выделения ферментов.

8) Факторы, влияющие на реакции фермента?

1. Что же такое ферменты, какую роль они играют?

Ферменты - это органические вещества белковой природы, которые синтезируются в клетках и во много раз ускоряют протекающие в них реакции, не подвергаясь при этом химическим превращениям. Вещества, оказывающие подобное действие, существуют и в неживой природе и называются катализаторами. Ферменты иногда называют энзимами (от греч. en - внутри, zyme - закваска). Все живые клетки содержат очень большой набор ферментов, от каталитической активности которых зависит функционирование клеток. Практически каждая из множества разнообразных реакций, протекающих в клетке, требует участия специфического фермента. Изучением химических свойств ферментов и катализируемых ими реакций занимается особая, очень важная область биохимии - энзимология.

Многие ферменты находятся в клетке в свободном состоянии, будучи просто растворены в цитоплазме; другие связаны со сложными высокоорганизованными структурами. Есть и ферменты, в норме находящиеся вне клетки; так, ферменты, катализирующие расщепление крахмала и белков, секретируются поджелудочной железой в кишечник. Секретируют ферменты и многие микроорганизмы.

Первые данные о ферментах были получены при изучении процессов брожения и пищеварения. Большой вклад в исследование брожения внес Л. Пастер, однако он полагал, что соответствующие реакции могут осуществлять только живые клетки. В начале 20 в. Э. Бухнер показал, что сбраживание сахарозы с образованием диоксида углерода и этилового спирта может катализироваться бесклеточным дрожжевым экстрактом. Это важное открытие послужило стимулом к выделению и изучению клеточных ферментов. В 1926 Дж. Самнер из Корнеллского университета (США) выделил уреазу; это был первый фермент, полученный в практически чистом виде. С тех пор обнаружено и выделено более 700 ферментов, но в живых организмах их существует гораздо больше. Идентификация, выделение и изучение свойств отдельных ферментов занимают центральное место в современной энзимологии.

Ферменты, участвующие в фундаментальных процессах превращения энергии, таких, как расщепление сахаров, образование и гидролиз высокоэнергетического соединения аденозинтрифосфата (АТФ), присутствуют в клетках всех типов - животных, растительных, бактериальных. Однако есть ферменты, которые образуются только в тканях определенных организмов. Так, ферменты, участвующие в синтезе целлюлозы, обнаруживаются в растительных, но не в животных клетках. Таким образом, важно различать «универсальные» ферменты и ферменты, специфичные для тех или иных типов клеток. Вообще говоря, чем более клетка специализирована, тем больше вероятность, что она будет синтезировать набор ферментов, необходимый для выполнения конкретной клеточной функции.

На сегодняшний день известно свыше 3000 ферментов. Все они обладают рядом специфических свойств, отличающих их от неорганических катализаторов. Только в человеческом организме ежесекундно происходят тысячи ферментативных реакций. Ферменты играют важнейшую роль во всех процессах жизнедеятельности, направляя и регулируя обмен веществ организма.

Нужно также отметить, что вся живая природа существует исключительно благодаря биокатализу. Недаром великий русский физиолог, нобелевский лауреат И.П. Павлов назвал ферменты носителями жизни.

2. Структура и механизм действия ферментов

Как и все белки, ферменты синтезируются в виде линейной цепочки аминокислот, которая сворачивается определённым образом. Каждая последовательность аминокислот сворачивается особым образом, и получающаяся молекула (белковая глобула) обладает уникальными свойствами. Несколько белковых цепей могут объединяться в белковый комплекс. Третичная структура белков разрушается при нагревании или воздействии некоторых химических веществ.

Чтобы катализировать реакцию, фермент должен связаться с одним или несколькими субстратами. Белковая цепь фермента сворачивается таким образом, что на поверхности глобулы образуется щель, или впадина, где связываются субстраты. Эта область называется сайтом связывания субстрата.

Рис. 1. Строение фермента

3. Функции ферментов

Ферменты присутствуют во всех живых клетках и способствуют превращению одних веществ(субстратов) в другие (продукты) .

Ферменты выступают в роли катализаторов практически во всех биохимических реакциях, протекающих в живых организмах - ими катализируется более 4000 разных биохимических реакций.

Ферменты играют важнейшую роль во всех процессах жизнедеятельности, направляя и регулируя обмен веществ организма.

Подобно всем катализаторам, ферменты ускоряют как прямую, так и обратную реакцию, понижая энергию активации процесса. Химическое равновесие при этом не смещается ни в прямую, ни в обратную сторону.

Отличительной особенностью ферментов по сравнению с небелковыми катализаторами является их высокая специфичность - константа связывания некоторых субстратов с белком может достигать 10? 10 моль/л и менее. Каждая молекула фермента способна выполнять от нескольких тысяч до нескольких миллионов «операций» в секунду.

Например, одна молекула фермента ренина, содержащегося в слизистой оболочке желудка теленка, створаживает около 106 молекул казеиногена молока за 10 мин при температуре 37°C.

При этом эффективность ферментов значительно выше эффективности небелковых катализаторов - ферменты ускоряют реакцию в миллионы и миллиарды раз, небелковые катализаторы - в сотни и тысячи раз.

4. Принцип действия ферментов

Вещество, подвергающееся превращению в присутствии фермента, называют субстратом. Субстрат присоединяется к ферменту, который ускоряет разрыв одних химических связей в его молекуле и создание других; образующийся в результате продукт отсоединяется от фермента.

Ферменты не подвергаются износу во время реакции. Они высвобождаются по завершению реакции и сразу же готовы начать следующую реакцию. Теоретически это может продолжаться бесконечно, по крайней мере, до тех пор, пока они не израсходуют весь субстрат. На практике вследствие их восприимчивости и органического состава, продолжительность существования ферментов ограничена.

По образному выражению, употребляемому в биохимической литературе, фермент подходит к субстрату, как «ключ к замку». Это правило было сформулировано Э. Фишером в 1894 г. исходя из того, что специфичность действия фермента предопределяется строгим соответствием геометрической структуры субстрата и активного центра фермента. Фермент соединяется с субстратом с образованием короткоживущего фермент-субстратного комплекса (образования промежуточного комплекса). Однако, хотя эта модель объясняет высокую специфичность ферментов, она не объясняет явления стабилизации переходного состояния, которое наблюдается на практике. В 50-е годы нашего столетия это статическое представление было заменено гипотезой Д. Кошланда об индуцированном соответствии субстрата и фермента. Сущность ее сводится к тому, что пространственное соответствие структуры субстрата и активного центра фермента создается в момент их взаимодействия друг с другом, что может быть выряжено формулой «перчатка-рука». Ферменты, в основном, - не жесткие, а гибкие молекулы. Активный центр фермента может изменить конформацию после связывания субстрата. Боковые группы аминокислот активного центра принимают такое положение, которое позволяет ферменту выполнить свою каталитическую функцию. В некоторых случаях молекула субстрата также меняет конформацию после связывания в активном центре. В отличие от модели «ключ-замок», модель индуцированного соответствия объясняет не только специфичность ферментов, но и стабилизацию переходного состояния.

Но в процессе всё большего развития науки гипотеза Кошланда постепенно вытесняется гипотезой топохимического соответствия. Сохраняя основные положения гипотезы взаимоиндуцированной настройки субстрата и фермента, она фиксирует внимание на том, что специфичность действия ферментов объясняется в первую очередь узнаванием той части субстрата, которая не изменяется при катализе. Между этой частью субстрата и субстратным центром фермента возникают многочисленные точечные гидрофобные взаимодействия и водородные связи.

5. Классификация ферментов

Сейчас известно около 2 тысяч ферментов, но список этот не закончен. В зависимости от типа катализируемой реакции все ферменты подразделяются на 6 классов:

Ш Ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции оксидоредуктазы;

Ш Ферменты переноса различных группировок (метильных, амино- и фосфогрупп и другие) - трансферазы.

Ш Ферменты, осущевствляющие гидролиз химических связей - гидролазы

Ш Ферменты не гидролитического отщепления от субстрата различных группировок (NH3, CO2, H2O и другие) - лиазы.

Ш Ферменты, ускоряющие синтез связей в биологических молекулах при участии доноторов энергии, например АТФ, - лигазы.

Ш Ферменты, катализирующие превращение изомеров друг в друга, - изомеразы.

Оксидоредуктазы - это ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные процессы в организме. Они осущевствляют перенос водорода и электронов и по своим привиальным названием известны как дегидрогеназы, оксидазы и пероксидазы. Эти ферменты отличаются тем, что имеют специфические коферменты и простетические группы. Их подразделяют на функциональные группы доноров, от которых они принимают водород или электроны, и акцепторов, на которые они их передают (на СН-ОН группу, СН - NH группу, C-NH группу и другие).

Трансферазы - это ферменты, переносящие атомные группы (в зависимости от того, перенос какой группы они осуществляют, их соответственно называют). Трансферазы благодаря разнообразию переносимых ими остатков принимают участие в промежуточном обмене веществ.

Гидролазы - это ферменты, катализирующие гидролитическое расщепление различных субстратов (при участии молекул воды). В зависимости от этого среди них различают эстеразы, расщипляющие сложноэфирную связь между карбоновыми кислотами (липаза) тиоловых эфиров, фосфоэфирную связь и так далее; гликозидазы, расщепляющие гликозидные связи, пептид - гидролазы, действует на пептидную связь и другие.

Лиазы - к этой группе относятся ферменты, способные отщеплять различные группы от субстрата не гидролитическим путём с образованием двойных связей или, напротив, присоединять группы к двойной связи. При расщеплении образуется Н2О или СО2 или большие остатки - например ацетил - СоА. Лиазы играют весьма важную роль в процессе обмена веществ.

Изомеразы - ферменты, катализирующие превращение изомерных форм друг в друга, то - есть осуществляющие внутримолекулярное превращение различных групп. К ним относятся не только ферменты, стимулирующие реакции взаимных переходов оптических и геометрических изомеров, но и такие, которые могут способствовать превращению альдоз в кетозы.

Лигазы. Раньше эти ферменты не отделяли от лиаз, так как реакция последних часто идёт в двух направлениях, однако недавно было выяснено, что синтез и распад в большинстве случаев происходит под влиянием различных ферментов, и на этом основании выделен отдельный класс лигаз (синтетаз). Ферменты, обладающие двойным действием, получили название бифункциональных. Лигазы принимают участие в реакции соединения двух молекул, то есть синтетических процессах, сопровождающихся расщеплением макроэнергитических связей АТФ или других макроэргов.

«Первое подразделение ферментов на самые крупные группы (6 классов) основано не на названии субстрата, а на природе химической реакции, которую фермент катализирует. Далее, внутри классов ферменты делят на подклассы, руководствуясь строением субстрата. В подклассы объединяют ферменты данного класса, действующие на сходно построенные субстраты. На этом деление не заканчивается. Ферменты каждого подкласса разбивают на подклассы, в которых ещё строже уточняют структуру химических групп, отличающих субстраты друг от друга. Подкласс это последняя низшая ступень классификации. Внутри подклассов перечисляют уже отдельные ферменты.

6. Область применения ферментов

Обладая высокой степенью избирательности, ферменты используются живыми организмами для осуществления с высокой скоростью огромного разнообразия химических реакций; они сохраняют свою активность не только в микропространстве клетки, но и вне организма. Ферменты нашли широкое применение в таких отраслях промышленности, как хлебопечение, пивоварение, виноделие, чайное, кожевенное и меховое производства, сыроварение, кулинария (для обработки мяса) и т.д. В последние годы ферменты стали применять в тонкой химической индустрии для осуществления таких реакций органической химии, как окисление, восстановление, дезамини-рование, декарбоксилирование, дегидратация, конденсация, а также для разделения и выделения изомеров аминокислот L-ряда (при химическом синтезе образуются рацемические смеси L- и D-изомеров), которые используют в промышленности, сельском хозяйстве, медицине. Овладение тонкими механизмами действия ферментов, несомненно, предоставит неограниченные возможности получения в огромных количествах и с большой скоростью полезных веществ в лабораторных условиях почти со 100% выходом. В настоящее время развивается новая отрасль науки - промышленная энзимология, являющаяся основой биотехнологии. Фермент, ковалентно присоединенный («пришитый») к любому органическому или неорганическому полимерному носителю (матрице), называют иммобилизованным. Техника иммобилизации ферментов допускает решение ряда ключевых вопросов энзимологии: обеспечение высокой специфичности действия ферментов и повышения их стабильности, простоту в обращении, возможность повторного использования, применение их в синтетических реакциях в потоке. Применение подобной техники в промышленности получило название инженерной энзимологии. Ряд примеров свидетельствует об огромных возможностях инженерной энзимологии в различных областях промышленности, медицины, сельского хозяйства. В частности, иммобилизованную в-галактозидазу, присоединенную к магнитному стержню-мешалке, используют для снижения содержания молочного сахара в молоке, т.е. продукта, который не расщепляется в организме больного ребенка с наследственной непереносимостью лактозы. Обработанное таким образом молоко, кроме того, хранится в замороженном состоянии значительно дольше и не подвергается загустеванию. Разработаны проекты получения пищевых продуктов из целлюлозы, превращения ее с помощью иммобилизованных ферментов - целлюлаз - в глюкозу, которую можно превратить в пищевой продукт - крахмал. С помощью ферментной технологии в принципе можно также получить продукты питания, в частности углеводы, из жидкого горючего (нефти), расщепив его до глицеральдегида, и далее при участии ферментов синтезировать из него глюкозу и крахмал. Несомненно, имеет большое будущее моделирование при помощи инженерной энзимологии процесса фотосинтеза, т.е. природного процесса фиксации СО2; помимо иммобилизации, этот жизненно важный для всего человечества процесс потребует разработки новых оригинальных подходов и применения ряда специфических иммобилизованных коферментов. В качестве примера иммобилизации ферментов и использования их в промышленности приводим схему непрерывного процесса получения аминокислоты аланина и регенерации кофермента (в частности, НАД) в модельной системе (Рис. 2). В этой системе исходный субстрат (молочная кислота) подается при помощи насоса в камеру-реактор, содержащий иммобилизованные на декстране НАД+ и две НАД-зависимые дегидрогеназы: лактат- и аланиндегидрогеназы; с противоположного конца реактора продукт реакции - аланин - удаляется с заданной скоростью.

Рис. 2. Схема непрерывного процесса получения аминокислоты

Подобные реакторы нашли применение в фармацевтической промышленности, например при синтезе из гидрокортизона антиревматоидного препарата преднизолона. Кроме того, они могут служить моделью для применения с целью синтеза и получения незаменимых факторов, поскольку при помощи иммобилизованных ферментов и коферментов можно направленно осуществлять сопряженные химические реакции (включая биосинтез незаменимых метаболитов), устраняя тем самым недостаток в веществах при наследственных пороках обмена. Таким образом, при помощи нового методологического подхода наука делает свои первые шаги в области «синтетической биохимии». Не менее важными направлениями исследований являются иммобилизация клеток и создание методами генотехники (генного инженерного конструирования) промышленных штаммов микроорганизмов - продуцентов витаминов и незаменимых аминокислот. В качестве примера медицинского применения достижений биотехнологии можно привести иммобилизацию клеток щитовидной железы для определения тиреотропного гормона в биологических жидкостях или тканевых экстрактах. На очереди - создание биотехнологического способа получения некалорийных сластей, т.е. пищевых заменителей сахара, которые могут создавать ощущение сладости, не будучи высококалорийными. Одно из подобных перспективных веществ - аспартам, который представляет собой метиловый эфир дипептида - аспартилфенилаланина (см. ранее). Аспартам почти в 300 раз слаще сахара, безвреден и в организме расщепляется на естественно встречающиеся свободные аминокислоты: аспарагиновую кислоту (аспар-тат) и фенилаланин. Аспартам, несомненно, найдет широкое применение как в медицине, так и в пищевой промышленности (в США, например, его используют для детского питания и добавляют вместо сахара в диетическую кока-колу). Для производства аспартама методами генотехники необходимо получить не только свободную аспарагиновую кислоту и фе-нилаланин (предшественники), но и бактериальный фермент, катализирующий биосинтез этого дипептида. Значение инженерной энзимологии, как и вообще биотехнологии, возрастет в будущем. По подсчетам специалистов, продукция всех биотехнологических процессов в химической, фармацевтической, пищевой промышленности, в медицине и сельском хозяйстве, полученная в течение одного года в мире, будет исчисляться десятками миллиардов долларов к 2000 г. В нашей стране уже к 2000 г. будет налажено получение методами генной инженерии L-треонина и витамина В2. Уже к 1998 г. предполагается производство ряда ферментов, антибиотиков, б1-, в-, г-интерферонов; проходят клинические испытания препараты инсулина и гормона роста. Гибридомной техникой в стране налажен выпуск реактивов для иммуноферментных методов определения многих химических компонентов в биологических жидкостях.

7. Методы выделения ферментов

Процесс выделения какого-либо белка начинается с переведения белков ткани в раствор. Для этого ткань (материал), из которой получают фермент, тщательно измельчают в гомогенизаторе в присутствии буферного раствора. Для лучшего разрушения клеток к материалу добавляют кварцевый песок, если материал растирают в ступке. В результате получают кашицу - гомогенат. Если не проводилось предварительное фракционирование органоидов клетки, гомогенат содержит обрывки клеток, ядра, хлоропласты и другие органоиды клеток, растворимые пигменты и белки.

При выделении ферментов из тканей живых организмов, в том числе растительных, необходимо соблюдать условия, не вызывающие денатурацию белка. Все работы проводят при пониженной температуре (40 С) и при оптимальных для данного фермента значениях pH среды буферного раствора.

После перевода ферментов из ткани в растворенное состояние гомогенат подвергают центрифугированию для отделения нерастворимой части материала, а затем в отдельных фракциях экстрата-центрифугата выделяют следуемые ферменты.

Так как все ферменты являются белками, то для получения очищенных препаратов ферментов применяются те же способы выделения, что и при работе с белками.

Методы выделения:

· осаждение белка органическими растворителями;

· высаливание;

· метод электрофореза;

· метод ионообменной хроматографии;

· метод центрифугирования;

· метод гельфильтрации;

· метод аффинной хроматографии, или метод хроматографии по сродству;

· избирательная денатурация.

8. Факторы, влияющие на реакции фермента

На активность ферментов, а следовательно и на скорость реакций ферментативного катализа оказывают влияние различные факторы:

Ш Концентрация и доступность субстрата. При постоянном количестве фермента скорость возрастает с увеличением концентрации субстрата. Эта реакция подчинена закону действующих масс и рассматривается в свете теории Михаэлиса - Ментона.

Ш Концентрация фермента. Концентрация ферментов всегда относительно невелика. Скорость любого ферментативного процесса в значительной степени зависит от концентрации фермента. Для большинства пищевых применений скорость реакций пропорциональна концентрации ферментов. Исключение составляют те случаи, когда реакции доводят до очень низких уровней субстрата.

Ш Температура реакции. До некоторого значения температуры (в среднем до 5О°С) каталитическая активность растет, причем на каждые 10°С примерно в 2 раза повышается скорость преобразования субстрата. В общем для ферментов животного происхождения он лежит между 40 и 50°С, а растительного - между 50 и 60°С. Самой оптимальной температурой является 37 o С, при которой в живом организме процессы протекают быстро, сберегая большое количество энергии. Однако есть ферменты с более высоким температурным оптимумом, например, у папаина оптимум находится при 8О°С. В то же время у каталазы оптимальная температура действия находится между 0 и -10°С.

Ш рН реакции. Для каждого фермента характерна определённая область значения рН, при которых фермент проявляет максимальную активность. Однако наилучшими условиями их функционирования являются близкое к нейтральному значение величины рН. В резко кислой или резко щелочной среде хорошо работают лишь некоторые ферменты. Влияние рН среды на действия ферментов основано на том, что происходит изменение заряда различных групп белка в активном центре фермента, вызывающее существенное изменение конформации полипептидной цепи.

Ш Продолжительность процесса. Для реакции ферментативного катализа первого порядка скорость реакции со временем уменьшается, так как уменьшается доступность субстрата. Такие реакции ферментативного катализа требуют достаточно много времени для её завершения.

Ш Наличие ингибиторов или активаторов. Химические вещества, способные оказывать вредное воздействие на реакцию ферментации, получили названия «ингибиторы». В качестве таких веществ могут выступать металлы (медь, железо, кальций) или соединения из субстратов. Некоторые вещества способны активировать или стабилизировать ферменты. Присутствие в реакционной среде некоторых ионов может активировать образование активного субстрат ферментного комплекса, и в этом случае скорость ферментативной реакции будет увеличивается. Такие вещества получили название активаторов.

Заключение

В данном реферате мы рассмотрели одно из биологически активных веществ, а именно - ферменты. Ферменты являются биологическим катализатором белковой природы, ускоряющим химические реакции в живых организмов и вне их. Ферменты обладают уникальными свойствами, которые отличают их от обычных органических катализаторов. Это, прежде всего, необычно высокая каталитическая активность. Другое важнейшее свойство ферментов - это избирательность их действия.

Важным свойством ферментов, которое необходимо учитывать при их практическом пользовании, является стабильность, т.е. их способность сохранять каталитическую активность.

Благодаря высокой специфичности ферментов в организме не воцаряется хаос: каждый фермент выполняет строго отведённые ему функции, не влияя на течение многих десятков и сотен других реакций, происходящих в его окружении. Роль ферментов в жизнедеятельности организмов велика.

Будущее ферментов очень интересно. Технология обнаружения и производства новых ферментов развивается с большой скоростью. Прежде применение и производство ферментов развивалось большей частью за счет попыток и ошибок. Так как детали, влияющие на химию и действие ферментов, были известны плохо, то в препаратах использовались смеси наиболее универсальных ферментов. Благодаря новым исследованиям при производстве сбываемой продукции возможно использование более специфичных ферментов.

Сегодня развивающиеся технологии с каждым днем раскрывают все новые чудеса сотворения жизни, и «биомиметика» как наука избирает примерами превосходные системы в организмах живых существ, создавая по их образу и подобию изобретения для пользы и блага людей. Учёные попытаются найти химические аналоги ферментов и на их основе создать новые промышленные процессы.

Литература

1. «Биофизическая химия» / А.Г. Пасынский [Текст] -375 с.

2. Нечаев А.П., Кочеткова А.А, Зайцев А.Н. / Пищевые добавки [Текст] // М., 2001. - 232 с.

3. «Основы биохимии» / Г.А. Смирнова. [Текст] -278 с.

4. «Ферменты-двигатели жизни» / В.И. Розенгарт. [Текст] -378 с.

5. «Энциклопедический словарь юного биолога» / М.С. Гиляров. [Текст] -488 с.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Характеристика ферментов, органических катализаторов белковой природы, которые ускоряют реакции, необходимые для функционирования живых организмов. Условия действия, получение и применение ферментов. Болезни, связанные с нарушением выработки ферментов.

презентация , добавлен 19.10.2013


Классификация ферментов, их функции. Соглашения о наименовании ферментов, структура и механизм их действия. Описание кинетики односубстратных ферментативных реакций. Модели "ключ-замок", индуцированного соответствия. Модификации, кофакторы ферментов.

презентация , добавлен 17.10.2012


Химический состав, природа и структура белков. Механизм действия ферментов, виды их активирования и ингибирования. Современная классификация и номенклатура ферментов и витаминов. Механизм биологического окисления, главная цепь дыхательных ферментов.

шпаргалка , добавлен 20.06.2013


Исследование биологической роли ферментов в механизмах взаимодействия адренергической и пептидергической систем. Определение активности ферментов флюорометрическим методом. Изучение гипофиза, гипоталамуса, больших полушарий и четверохолмия самцов крыс.

статья , добавлен 01.09.2013


Определение ферментов как специфических белков, присутствующих во всех живых клетках биологических катализаторов. Пространственность структурной молекулы ферментов, процесс биосинтеза оксидоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы и лигазы.

контрольная работа , добавлен 27.01.2011


Понятие ферментов как глобулярных белков, которые состоят из одной или нескольких полипептидных цепей. Особенности строения простых и сложных ферментов. Субстратный, аллостерический и каталитический центры в строении простых и сложных ферментов.

презентация , добавлен 07.02.2017


Ферменты (энзимы) – каталитические белки. Характеристика, функция и принципы строения ферментов. Условия максимальной активности, кофакторы и коферменты. Распределение ферментов в организме. Диагностическое значение маркерных, секреторных и изоферментов.

презентация , добавлен 28.11.2015


Биологическое значение, классификация, изучение и регуляция каталитической активности ферментов биологической мембраны, их отличия от растворимых ферментов. Методы реконструкции белка. Функции липидов и методы изучения их влияния на мембранные ферменты.

курсовая работа , добавлен 13.04.2009


Характеристика биосинтеза как процесса образования органических веществ, происходящего в клетках с помощью ферментов и внутриклеточных структур. Участники биосинтеза белка. Синтез РНК с использованием ДНК в качестве матрицы. Роль и значение рибосом.

презентация , добавлен 21.12.2013


Ферменты, или энзимы - белковые молекулы или их комплексы, ускоряющие химические реакции в живых системах; коферменты и субстраты: история изучения, классификация, номенклатура, функции. Структура и механизм действия ферментов, их биомедицинское значение.

История изучения

Термин фермент предложен в XVII веке химиком ван Гельмонтом при обсуждении механизмов пищеварения .

В кон. ХVIII - нач. XIX вв. уже было известно, что мясо переваривается желудочным соком , а крахмал превращается в сахар под действием слюны. Однако механизм этих явлений был неизвестен .

Классификация ферментов

По типу катализируемых реакций ферменты подразделяются на 6 классов согласно иерархической классификации ферментов (КФ , - Enzyme Comission code). Классификация была предложена Международным союзом биохимии и молекулярной биологии (International Union of Biochemistry and Molecular Biology). Каждый класс содержит подклассы, так что фермент описывается совокупностью четырёх чисел, разделённых точками. Например, пепсин имеет название ЕС 3.4.23.1. Первое число грубо описывает механизм реакции, катализируемой ферментом:

• КФ 1: Оксидоредуктазы , катализирующие окисление или восстановление. Пример: каталаза , алкогольдегидрогеназа .
• КФ 2: Трансферазы , катализирующие перенос химических групп с одной молекулы субстрата на другую. Среди трансфераз особо выделяют киназы , переносящие фосфатную группу, как правило, с молекулы АТФ .
• КФ 3: Гидролазы , катализирующие гидролиз химических связей. Пример: эстеразы , пепсин , трипсин , амилаза , липопротеинлипаза .
• КФ 4: Лиазы , катализирующие разрыв химических связей без гидролиза с образованием двойной связи в одном из продуктов.
• КФ 5: Изомеразы , катализирующие структурные или геометрические изменения в молекуле субстрата.
• КФ 6: Лигазы , катализирующие образование химических связей между субстратами за счёт гидролиза АТФ . Пример: ДНК-полимераза .

Кинетические исследования

Простейшим описанием кинетики односубстратных ферментативных реакций является уравнение Михаэлиса - Ментен (см. рис.). На сегодняшний момент описано несколько механизмов действия ферментов. Например, действие многих ферментов описывается схемой механизма «пинг-понг».

В 1972-1973 г.г. была создана первая квантово-механическая модель ферментативного катализа (авторы М. В. Волькенштейн , Р. Р. Догонадзе, З. Д. Урушадзе и др.) .

Структура и механизм действия ферментов

Активность ферментов определяется их трёхмерной структурой .

Как и все белки, ферменты синтезируются в виде линейной цепочки аминокислот , которая сворачивается определённым образом. Каждая последовательность аминокислот сворачивается особым образом, и получающаяся молекула (белковая глобула) обладает уникальными свойствами. Несколько белковых цепей могут объединяться в белковый комплекс. Третичная структура белков разрушается при нагревании или воздействии некоторых химических веществ.

Активный центр ферментов

В активном центре условно выделяют :

• каталитический центр - непосредственно химически взаимодействующий с субстратом;
• связывающий центр (контактная или «якорная» площадка) - обеспечивающий специфическое сродство к субстрату и формирование комплекса фермент-субстрат.

Чтобы катализировать реакцию, фермент должен связаться с одним или несколькими субстратами. Белковая цепь фермента сворачивается таким образом, что на поверхности глобулы образуется щель, или впадина, где связываются субстраты. Эта область называется сайтом связывания субстрата. Обычно он совпадает с активным центром фермента или находится вблизи него. Некоторые ферменты содержат также сайты связывания кофакторов или ионов металлов.

Фермент, соединяясь с субстратом:

• очищает субстрат от водяной «шубы»
• располагает реагирующие молекулы субстратов в пространстве нужным для протекания реакции образом
• подготавливает к реакции (например, поляризует) молекулы субстратов.

Обычно присоединение фермента к субстрату происходит за счет ионных или водородных связей, редко - за счет ковалентных. В конце реакции её продукт (или продукты) отделяются от фермента.

В результате фермент снижает энергию активации реакции. Это происходит потому, что в присутствии фермента реакция идет по другому пути (фактически происходит другая реакция), например:

В отсутствие фермента:

• А+В = АВ

В присутствии фермента:

• А+Ф = АФ
• АФ+В = АВФ
• АВФ = АВ+Ф

где А, В - субстраты, АВ - продукт реакции, Ф - фермент.

Ферменты не могут самостоятельно обеспечивать энергией эндергонические реакции (для протекания которых требуется энергия). Поэтому ферменты, осуществляющие такие реакции, сопрягают их с экзергоническими реакциями, идущими с выделением большего количества энергии. Например, реакции синтеза биополимеров часто сопрягаются с реакцией гидролиза АТФ.

Для активных центров некоторых ферментов характерно явление кооперативности .

Специфичность

Ферменты обычно проявляют высокую специфичность по отношению к своим субстратам (субстратная специфичность). Это достигается частичной комплементарностью формы, распределения зарядов и гидрофобных областей на молекуле субстрата и в центре связывания субстрата на ферменте. Ферменты обычно демонстрируют также высокий уровень стереоспецифичности (образуют в качестве продукта только один из возможных стереоизомеров или используют в качестве субстрата только один стереоизомер), региоселективности (образуют или разрывают химическую связь только в одном из возможных положений субстрата) и хемоселективности (катализируют только одну химическую реакцию из нескольких возможных для данных условий). Несмотря на общий высокий уровень специфичности, степень субстратной и реакционной специфичности ферментов может быть различной. Например, эндопептидаза трипсин разрывает пептидную связь только после аргинина или лизина , если за ними не следует пролин, а пепсин гораздо менее специфичен и может разрывать пептидную связь, следующую за многими аминокислотами.

Модель «ключ-замок»

Гипотеза Кошланда об индуцированном соответствии

Более реалистичная ситуация в случае индуцированного соответствия. Неправильные субстраты - слишком большие или слишком маленькие - не подходят к активному центру

В 1890 г. Эмиль Фишер предположил, что специфичность ферментов определяется точным соответствием формы фермента и субстрата . Такое предположение называется моделью «ключ-замок». Фермент соединяется с субстратом с образованием короткоживущего фермент-субстратного комплекса. Однако, хотя эта модель объясняет высокую специфичность ферментов, она не объясняет явления стабилизации переходного состояния, которое наблюдается на практике.

Модель индуцированного соответствия

В 1958 г. Дениел Кошланд предложил модификацию модели «ключ-замок» . Ферменты, в основном, - не жесткие, а гибкие молекулы. Активный центр фермента может изменить конформацию после связывания субстрата. Боковые группы аминокислот активного центра принимают такое положение, которое позволяет ферменту выполнить свою каталитическую функцию. В некоторых случаях молекула субстрата также меняет конформацию после связывания в активном центре. В отличие от модели «ключ-замок», модель индуцированного соответствия объясняет не только специфичность ферментов, но и стабилизацию переходного состояния. Эта модель получила название «рука-перчатка».

Модификации

Многие ферменты после синтеза белковой цепи претерпевают модификации, без которых фермент не проявляет свою активность в полной мере. Такие модификации называются посттрансляционными модификациями (процессингом). Один из самых распространенных типов модификации - присоединение химических групп к боковым остаткам полипептидной цепи. Например, присоединение остатка фосфорной кислоты называется фосфорилированием, оно катализируется ферментом киназой . Многие ферменты эукариот гликозилированы, то есть модифицированы олигомерами углеводной природы.

Ещё один распространенный тип посттранляционных модификаций - расщепление полипептидной цепи. Например, химотрипсин (протеаза , участвующая в пищеварении), получается при выщеплении полипептидного участка из химотрипсиногена. Химотрипсиноген является неактивным предшественником химотрипсина и синтезируется в поджелудочной железе . Неактивная форма транспортируется в желудок , где превращается в химотрипсин. Такой механизм необходим для того, чтобы избежать расщепления поджелудочной железы и других тканей до поступления фермента в желудок. Неактивный предшественник фермента называют также «зимогеном».

Кофакторы ферментов

Некоторые ферменты выполняют каталитическую функцию сами по себе, безо всяких дополнительных компонентов. Однако есть ферменты, которым для осуществления катализа необходимы компоненты небелковой природы. Кофакторы могут быть как неорганическими молекулами (ионы металлов, железо-серные кластеры и др.), так и органическими (например, флавин или гем). Органические кофакторы, прочно связанные с ферментом, называют также простетическими группами. Кофакторы органической природы, способные отделяться от фермента, называют коферментами.

Фермент, который требует наличия кофактора для проявления каталитической активности, но не связан с ним, называется апо-фермент. Апо-фермент в комплексе с кофактором носит название холо-фермента. Большинство кофакторов связано с ферментом нековалентными, но довольно прочными взаимодействиями. Есть и такие простетические группы, которые связаны с ферментом ковалентно, например, тиаминпирофосфат в пируватдегидрогеназе.

Регуляция работы ферментов

У некоторых ферментов есть сайты связывания малых молекул, они могут быть субстратами или продуктами метаболического пути, в который входит фермент. Они уменьшают или увеличивают активность фермента, что создает возможность для обратной связи.

Ингибирование конечным продуктом

Метаболический путь - цепочка последовательных ферментативных реакций. Часто конечный продукт метаболического пути является ингибитором фермента, ускоряющего первую из реакций данного метаболического пути. Если конечного продукта слишком много, то он действует как ингибитор для самого первого фермента, а если после этого конечного продукта стало слишком мало, то первый фермент опять активируется. Таким образом, ингибирование конечным продуктом по принципу отрицательной обратной связи - важный способ поддержания гомеостаза (относительного постоянства условий внутренней среды организма).

Влияние условий среды на активность ферментов

Активность ферментов зависит от условий в клетке или организме - давления, кислотности среды, температуры, концентрации растворённых солей (ионной силы раствора) и др.

Множественные формы ферментов

Множественные формы ферментов можно разделить на две категории:

• Изоферменты
• Собственно множественные формы (истинные)

Изоферменты - это ферменты, синтез которых кодируется разными генами, у них разная первичная структура и разные свойства, но они катализируют одну и ту же реакцию. Виды изоферментов:

• Органные - ферменты гликолиза в печени и мышцах.
• Клеточные - малатдегидрогеназа цитоплазматическая и митохондриальная (ферменты разные, но катализируют одну и ту же реакцию).
• Гибридные - ферменты с четвертичной структурой, образуются в результате нековалентного связывания отдельных субъединиц (лактатдегидрогеназа - 4 субъединицы 2 типов).
• Мутантные - образуются в результате единичной мутации гена.
• Аллоферменты - кодируются разными аллелями одного и того же гена.

Собственно множественные формы (истинные) - это ферменты, синтез которых кодируется одним и тем же аллелем одного и того же гена, у них одинаковая первичная структура и свойства, но после синтеза на рибосомах они подвергаются модификации и становятся разными, хотя и катализируют одну и ту же реакцию.

Изоферменты разные на генетическом уровне и отличаются от первичной последовательности, а истинные множественные формы становятся разными на посттрансляционном уровне.

Медицинское значение

Связь между ферментами и наследственными болезнями обмена веществ была впервые установлена А. Гэрродом в 1910-е гг. Гэррод назвал заболевания, связанные с дефектами ферментов, «врожденными ошибками метаболизма».

Если происходит мутация в гене , кодирующем определенный фермент, может измениться аминокислотная последовательность фермента. При этом в результате большинства мутаций его каталитическая активность снижается или полностью пропадает. Если организм получает два таких мутантных гена (по одному от каждого из родителей), в организме перестает идти химическая реакция, которую катализирует данный фермент. Например, появление альбиносов связано с прекращением выработки фермента тирозиназы, отвечающего за одну из стадий синтеза темного пигмента меланина. Фенилкетонурия связана с пониженной или отсутствующей активностью фермента фенилаланин-4-гидроксилазы в печени.

В настоящее время известны сотни наследственных заболеваний, связанные с дефектами ферментов. Разработаны методы лечения и профилактики многих из таких болезней.

Практическое использование

Ферменты широко используются в народном хозяйстве - пищевой, текстильной промышленности, в фармакологии и медицине. Большинство лекарств влияют на течение ферментативных процессов в организме, запуская или приостанавливая те или иные реакции.

Ещё шире область использования ферментов в научных исследованиях и в медицине.

Примечания

Литература

• Волькенштейн М. В., Догонадзе Р. Р., Мадумаров А. К., Урушадзе З. Д., Харкац Ю. И. К теории ферментативного катализа.- Молекулярная биология, т. 6, вып. 3, 1972, ст. 431-439.
• Диксон, М. Ферменты / М. Диксон, Э. Уэбб. - В 3-х т. - Пер. с англ. - Т.1-2. - М.: Мир, 1982. - 808 с.
Большая медицинская энциклопедия

- (от лат. fermentum брожение, закваска), энзимы, биокатализаторы, специфич. белки, присутствующие во всех живых клетках и играющие роль биол. катализаторов. Через их посредство реализуется генетич. информация и осуществляются все процессы обмена… … Биологический энциклопедический словарь

- (лат. Fermentum закваска, от fervere быть горячим). Органические вещества, производящие брожение других органических тел, не подвергаясь сами гниению. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. ФЕРМЕНТЫ… … Словарь иностранных слов русского языка

- (от лат. fermentum закваска) (энзимы) биологические катализаторы, присутствующие во всех живых клетках. Осуществляют превращения веществ в организме, направляя и регулируя тем самым его обмен веществ. По химической природе белки. Ферменты… … Большой Энциклопедический словарь

- (от латинского fermentum закваска), биологические катализаторы, присутствующие во всех живых клетках. Осуществляют превращения (обмен) веществ в организме. По химической природе белки. В многочисленных биохимических реакциях в клетке участвует… … Современная энциклопедия

Сущ., кол во синонимов: 2 биокатализаторы (1) энзимы (2) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов

Ферменты. См. энзимы. (