Reklama portale

Kaip organizme susidaro fermentai. Sveikas studentas. Fermentų mokslo raidos istorija

Fermentai yra ypatinga baltymų rūšis, kurią gamta paskyrė įvairių cheminių procesų katalizatoriams.

Šis terminas girdimas nuolat, tačiau ne visi supranta, kas yra fermentas ar fermentas, kokias funkcijas atlieka ši medžiaga, taip pat kuo skiriasi fermentai nuo fermentų ir ar jie apskritai skiriasi. Visa tai išsiaiškinsime dabar.

Be šių medžiagų nei žmonės, nei gyvūnai negalėtų virškinti maisto. O fermentų panaudojimo kasdieniame gyvenime žmonija pirmą kartą ėmėsi daugiau nei prieš 5 tūkstančius metų, kai mūsų protėviai išmoko pieną laikyti „dubenyje“ iš gyvūnų skrandžių. Tokiomis sąlygomis, veikiamas šliužo fermento, pienas virto sūriu. Ir tai tik vienas iš pavyzdžių, kaip fermentas veikia kaip katalizatorius, greitinantis biologinius procesus. Šiandien fermentai yra nepakeičiami pramonėje, jie svarbūs gaminant cukrų, margarinus, jogurtus, alų, odą, tekstilę, alkoholį ir net betoną. Šių naudingų medžiagų yra ir plovikliuose bei skalbimo milteliuose – jos padeda pašalinti dėmes esant žemai temperatūrai.

Atradimų istorija

Fermentas išvertus iš graikų kalbos reiškia „raugas“. O žmonija už šios medžiagos atradimą skolinga olandui Janui Baptistui Van Helmontui, gyvenusiam XVI a. Vienu metu jis labai susidomėjo alkoholine fermentacija ir tyrinėdamas rado nežinomą medžiagą, kuri pagreitina šį procesą. Olandas jį pavadino fermentum, o tai reiškia „fermentacija“. Tada, praėjus beveik trims šimtmečiams, prancūzas Louisas Pasteuras, taip pat stebėdamas fermentacijos procesus, padarė išvadą, kad fermentai yra ne kas kita, kaip gyvos ląstelės medžiagos. O po kurio laiko vokietis Eduardas Buchneris iš mielių išgavo fermentą ir nustatė, kad ši medžiaga nėra gyvas organizmas. Jis davė jam ir savo vardą – „zymaza“. Po kelerių metų kitas vokietis Willy Kuehne pasiūlė visus baltymų katalizatorius suskirstyti į dvi grupes: fermentus ir fermentus. Be to, antrąjį terminą jis pasiūlė vadinti „raugu“, kurio veiksmai pasklinda už gyvų organizmų ribų. Ir tik 1897 m. užbaigė visus mokslinius ginčus: buvo nuspręsta abu terminus (fermentas ir fermentas) vartoti kaip absoliučius sinonimus.

Struktūra: tūkstančių aminorūgščių grandinė

Visi fermentai yra baltymai, bet ne visi baltymai yra fermentai. Kaip ir kiti baltymai, fermentai susideda iš. Įdomu tai, kad kiekvienam fermentui sukurti reikia nuo šimto iki milijono aminorūgščių, suvertų kaip perlai ant virvelės. Tačiau šis siūlas niekada nebūna tiesus – dažniausiai jis lenkiamas šimtus kartų. Taip sukuriama kiekvienam fermentui unikali trimatė struktūra. Tuo tarpu fermento molekulė yra gana didelis darinys, ir tik nedidelė jos struktūros dalis – vadinamasis aktyvusis centras – dalyvauja biocheminėse reakcijose.

Kiekviena aminorūgštis yra prijungta prie kito specifinio cheminio ryšio tipo, o kiekvienas fermentas turi savo unikalią aminorūgščių seką. Daugumai jų sukurti naudojama apie 20 rūšių amino medžiagų. Netgi nedideli aminorūgščių sekos pokyčiai gali kardinaliai pakeisti fermento išvaizdą ir „talentus“.

Biocheminės savybės

Nors gamtoje dalyvaujant fermentams vyksta daugybė reakcijų, jas visas galima suskirstyti į 6 kategorijas. Atitinkamai, kiekviena iš šių šešių reakcijų vyksta veikiant tam tikro tipo fermentams.

Reakcijos, susijusios su fermentais:

  1. Oksidacija ir redukcija.

Šiose reakcijose dalyvaujantys fermentai vadinami oksidoreduktazėmis. Kaip pavyzdį galime prisiminti, kaip alkoholio dehidrogenazės paverčia pirminius alkoholius į aldehidus.

  1. Grupės perdavimo reakcija.

Fermentai, per kuriuos vyksta šios reakcijos, vadinami transferazėmis. Jie turi galimybę perkelti funkcines grupes iš vienos molekulės į kitą. Tai atsitinka, pavyzdžiui, kai alanino aminotransferazės perkelia alfa-amino grupes tarp alanino ir aspartato. Be to, transferazės perkelia fosfatų grupes tarp ATP ir kitų junginių ir sukuria disacharidus iš gliukozės likučių.

  1. Hidrolizė.

Reakcijoje dalyvaujančios hidrolazės gali suardyti pavienius ryšius, pridėdamos vandens elementų.

  1. Sukurkite arba pašalinkite dvigubą ryšį.

Tokio tipo reakcija nehidroliziniu būdu vyksta dalyvaujant liazei.

  1. Funkcinių grupių izomerizacija.

Daugelio cheminių reakcijų metu funkcinės grupės padėtis molekulėje pasikeičia, tačiau pati molekulė susideda iš tokio pat skaičiaus ir tipų atomų, kurie buvo iki reakcijos pradžios. Kitaip tariant, substratas ir reakcijos produktas yra izomerai. Tokio tipo transformacija įmanoma veikiant izomerazės fermentams.

  1. Vienos jungties susidarymas pašalinus vandens elementą.

Hidrolazės nutraukia ryšį, pridedant vandens elementų į molekulę. Liazės pakeičia reakciją, pašalindamos vandeninę dalį iš funkcinių grupių. Taip sukuriamas paprastas ryšys.

Kaip jie veikia organizme

Fermentai pagreitina praktiškai visas chemines reakcijas ląstelėse. Jie gyvybiškai svarbūs žmogui, palengvina virškinimą ir greitina medžiagų apykaitą.

Kai kurios iš šių medžiagų padeda suskaidyti per dideles molekules į mažesnius „gabalėlius“, kuriuos organizmas gali virškinti. Kiti, priešingai, suriša mažas molekules. Tačiau fermentai, moksliškai kalbant, yra labai selektyvūs. Tai reiškia, kad kiekviena iš šių medžiagų gali pagreitinti tik tam tikrą reakciją. Molekulės, su kuriomis „dirba“ fermentai, vadinamos substratais. Substratai savo ruožtu sukuria ryšį su fermento dalimi, vadinama aktyviuoju centru.

Yra du principai, paaiškinantys fermentų ir substratų sąveikos specifiką. Vadinamajame „rakto užrakto“ modelyje aktyvus fermento centras užima griežtai apibrėžtos konfigūracijos substrate vietą. Pagal kitą modelį abu reakcijos dalyviai – aktyvusis centras ir substratas, norėdami susijungti, keičia savo formas.

Kad ir kokiu principu vyksta sąveika, rezultatas visada yra tas pats – reakcija veikiant fermentui vyksta daug kartų greičiau. Dėl šios sąveikos „gimsta“ naujos molekulės, kurios vėliau atskiriamos nuo fermento. Ir katalizatoriaus medžiaga ir toliau atlieka savo darbą, bet dalyvaujant kitoms dalelėms.

Hiper- ir hipoaktyvumas

Būna atvejų, kai fermentai atlieka savo funkcijas netinkamu intensyvumu. Per didelis aktyvumas sukelia pernelyg didelį reakcijos produkto susidarymą ir substrato trūkumą. Rezultatas – sveikatos pablogėjimas ir sunkios ligos. Fermentų hiperaktyvumo priežastis gali būti genetinis sutrikimas arba vitaminų perteklius arba naudojami reakcijoje.

Fermentų hipoaktyvumas gali sukelti net mirtį, kai, pavyzdžiui, fermentai nepašalina toksinų iš organizmo arba atsiranda ATP trūkumas. Šios būklės priežastis taip pat gali būti genų mutacija arba, atvirkščiai, hipovitaminozė ir kitų maistinių medžiagų trūkumas. Be to, žemesnė kūno temperatūra taip pat lėtina fermentų veiklą.

Katalizatorius ir kt

Šiandien daug girdite apie fermentų naudą. Bet kas yra šios medžiagos, nuo kurių priklauso mūsų organizmo veikla?

Fermentai yra biologinės molekulės, kurių gyvavimo ciklas nėra nulemtas gimimo ir mirties sistemos. Jie tiesiog veikia organizme, kol ištirpsta. Paprastai tai įvyksta veikiant kitiems fermentams.

Vykstant biocheminei reakcijai jie netampa galutinio produkto dalimi. Kai reakcija baigiasi, fermentas palieka substratą. Po to medžiaga yra paruošta vėl pradėti veikti, bet kitoje molekulėje. Ir tai tęsiasi tol, kol organizmui reikia.

Fermentų išskirtinumas tas, kad kiekvienas iš jų atlieka tik vieną jam priskirtą funkciją. Biologinė reakcija įvyksta tik tada, kai fermentas randa jai tinkamą substratą. Šią sąveiką galima palyginti su rakto ir spynos veikimo principu – gali „veikti“ tik teisingai parinkti elementai. Kitas bruožas: jie gali veikti esant žemai temperatūrai ir vidutiniam pH, o kaip katalizatoriai yra stabilesni nei bet kuri kita cheminė medžiaga.

Fermentai kaip katalizatoriai pagreitina medžiagų apykaitos procesus ir kitas reakcijas.

Paprastai šie procesai susideda iš specifinių etapų, kurių kiekvienam darbui reikalingas specifinis fermentas. Be to transformacijos arba pagreičio ciklas negali baigtis.

Galbūt geriausiai žinoma iš visų fermentų funkcijų yra katalizatorius. Tai reiškia, kad fermentai sujungia cheminius reagentus taip, kad sumažintų energijos sąnaudas, reikalingas greitesniam produkto susidarymui. Be šių medžiagų cheminės reakcijos būtų vykusios šimtus kartų lėčiau. Tačiau fermentų gebėjimai tuo neapsiriboja. Visuose gyvuose organizmuose yra energijos, kurios jiems reikia gyvybei tęsti. Adenozino trifosfatas arba ATP yra tam tikras įkrautas akumuliatorius, aprūpinantis ląsteles energija. Tačiau ATP funkcionavimas neįmanomas be fermentų. O pagrindinis fermentas, gaminantis ATP, yra sintazė. Kiekvienai gliukozės molekulei, kuri paverčiama energija, sintazė gamina apie 32–34 ATP molekules.

Be to, medicinoje aktyviai naudojami fermentai (lipazė, amilazė, proteazė). Visų pirma, jie naudojami kaip fermentinių preparatų, tokių kaip „Festal“, „Mezim“, „Panzinorm“, „Pancreatin“, vartojamų virškinimo sutrikimams gydyti, komponentas. Bet kai kurie fermentai gali paveikti ir kraujotakos sistemą (tirpinti kraujo krešulius), pagreitinti pūlingų žaizdų gijimą. Ir net priešvėžinėje terapijoje taip pat naudojami fermentai.

Fermentų aktyvumą lemiantys veiksniai

Kadangi fermentas gali daug kartų pagreitinti reakcijas, jo aktyvumą lemia vadinamasis apsisukimų skaičius. Šis terminas reiškia substrato (reagento) molekulių, kurias 1 fermento molekulė gali transformuoti per 1 minutę, skaičių. Tačiau yra keletas veiksnių, lemiančių reakcijos greitį:

  1. Substrato koncentracija.

Padidėjus substrato koncentracijai, reakcija pagreitėja. Kuo daugiau veikliosios medžiagos molekulių, tuo greičiau vyksta reakcija, nes dalyvauja daugiau aktyvių centrų. Tačiau pagreitinti galima tik tol, kol dalyvauja visos fermento molekulės. Po to net padidėjus substrato koncentracijai reakcija nepagreitės.

  1. Temperatūra.

Paprastai temperatūros padidėjimas pagreitina reakcijos. Ši taisyklė galioja daugeliui fermentinių reakcijų, tačiau tik tol, kol temperatūra pakyla virš 40 laipsnių Celsijaus. Po šio ženklo reakcijos greitis, priešingai, pradeda smarkiai mažėti. Jei temperatūra nukris žemiau kritinės ribos, fermentinių reakcijų greitis vėl padidės. Jei temperatūra ir toliau kyla, kovalentiniai ryšiai nutrūksta ir fermento katalizinis aktyvumas prarandamas visam laikui.

  1. Rūgštingumas.

Fermentinių reakcijų greičiui įtakos turi ir pH vertė. Kiekvienas fermentas turi savo optimalų rūgštingumo lygį, kuriam esant reakcija vyksta adekvačiausiai. PH lygio pokytis turi įtakos fermento aktyvumui, taigi ir reakcijos greičiui. Jei pokyčiai yra per dideli, substratas praranda gebėjimą jungtis prie aktyvaus branduolio, o fermentas nebegali katalizuoti reakcijos. Atsistačius reikiamam pH lygiui, atstatomas ir fermento aktyvumas.

Žmogaus organizme esantys fermentai gali būti suskirstyti į 2 grupes:

  • medžiagų apykaitos;
  • virškinimo.

Metabolinis „darbas“ neutralizuoja toksines medžiagas, taip pat skatina energijos ir baltymų gamybą. Ir, žinoma, jie pagreitina biocheminius procesus organizme.

Už ką atsakinga virškinimo sistema, aišku iš pavadinimo. Tačiau ir čia veikia selektyvumo principas: tam tikros rūšies fermentas veikia tik vieną maisto rūšį. Todėl, norėdami pagerinti virškinimą, galite pasinaudoti maža gudrybe. Jei organizmas ką nors iš maisto blogai virškina, tuomet racioną būtina papildyti produktu, kuriame yra fermento, gebančio suskaidyti sunkiai virškinamą maistą.

Maisto fermentai – tai katalizatoriai, skaidantys maistą iki tokios būsenos, kai organizmas sugeba iš jų pasisavinti naudingas medžiagas. Virškinimo fermentai yra kelių tipų. Žmogaus organizme įvairiose virškinamojo trakto dalyse randama įvairių rūšių fermentų.

Burnos ertmė

Šiame etape alfa-amilazė veikia maistą. Jis skaido angliavandenius, krakmolą ir gliukozę, esančią bulvėse, vaisiuose, daržovėse ir kituose maisto produktuose.

Skrandis

Čia pepsinas skaido baltymus į peptidus, o želatinazė skaido mėsoje esančią želatiną ir kolageną.

Kasa

Šiame etape „dirbkite“:

  • tripsinas – atsakingas už baltymų skaidymą;
  • alfa chimotripsinas – padeda pasisavinti baltymus;
  • elastazės – skaido kai kurių rūšių baltymus;
  • nukleazės – padeda skaidyti nukleino rūgštis;
  • steapsin – skatina riebaus maisto pasisavinimą;
  • amilazė – atsakinga už krakmolų įsisavinimą;
  • lipazė – skaido riebalus (lipidus), esančius pieno produktuose, riešutuose, aliejuje ir mėsoje.

Plonoji žarna

Jie „užburia“ maisto daleles:

  • peptidazės - suskaido peptidinius junginius iki aminorūgščių lygio;
  • sacharozė – padeda įsisavinti sudėtingus cukrus ir krakmolą;
  • maltazė – skaido disacharidus iki monosacharidų (salyklo cukraus) būklės;
  • laktazė – skaido laktozę (pieno produktuose randamą gliukozę);
  • lipazė – skatina trigliceridų, riebalų rūgščių pasisavinimą;
  • erepsinas – veikia baltymus;
  • izomaltazė – „veikia“ su maltoze ir izomaltoze.

Dvitaškis

Čia fermentų funkcijas atlieka:

  • Escherichia coli – atsakinga už laktozės virškinimą;
  • laktobacilos – veikia laktozę ir kai kuriuos kitus angliavandenius.

Be šių fermentų, taip pat yra:

  • diastazė – virškina augalinį krakmolą;
  • invertazė – skaido sacharozę (stalo cukrų);
  • gliukoamilazė – krakmolą paverčia gliukoze;
  • alfa-galaktozidazė – padeda virškinti pupeles, sėklas, sojos produktus, šakniavaisius ir lapines daržoves;
  • bromelainas – fermentas, gaunamas iš, skatina įvairių rūšių baltymų skaidymą, yra veiksmingas esant skirtingam aplinkos rūgštingumo lygiui, turi priešuždegiminių savybių;
  • papainas – iš žalios papajos išskirtas fermentas, skatinantis mažų ir didelių baltymų skaidymą, veiksmingas esant įvairiausiems substratams ir rūgštingumui.
  • celiuliazė – skaido celiuliozę, augalines skaidulas (žmogaus organizme nerandama);
  • endoproteazė – skaido peptidines jungtis;
  • galvijų tulžies ekstraktas – gyvulinės kilmės fermentas, skatina žarnyno motoriką;
    • ir kiti mineralai;
  • ksilanazė – skaido gliukozę iš javų.

Katalizatoriai gaminiuose

Fermentai yra labai svarbūs sveikatai, nes jie padeda organizmui suskaidyti maisto komponentus į tokią būseną, kuri tinka maistinėms medžiagoms. Žarnynas ir kasa gamina daug įvairių fermentų. Tačiau, be to, kai kuriuose maisto produktuose taip pat yra daug maistinių medžiagų, kurios padeda virškinti.

Fermentuotas maistas yra beveik idealus naudingų bakterijų, reikalingų tinkamam virškinimui, šaltinis. O tuo metu, kai farmaciniai probiotikai „veikia“ tik viršutinėje virškinimo sistemos dalyje ir dažnai nepasiekia žarnyno, fermentinių produktų poveikis jaučiamas visame virškinamajame trakte.

Pavyzdžiui, abrikosuose yra naudingų fermentų mišinio, įskaitant invertazę, kuri yra atsakinga už gliukozės skaidymą ir skatina greitą energijos išsiskyrimą.

Avokadai gali būti natūralus lipazės šaltinis (skatina greitesnį lipidų virškinimą). Organizme šią medžiagą gamina kasa. Tačiau norėdami palengvinti šio organo gyvenimą, galite palepinti save, pavyzdžiui, avokado salotomis – skanu ir sveika.

Be to, kad bananas yra bene geriausiai žinomas kalio šaltinis, jis taip pat aprūpina organizmą amilaze ir maltaze. Amilazės taip pat yra duonoje, bulvėse ir grūduose. Maltazė padeda skaidyti maltozę, vadinamąjį salyklo cukrų, kurio gausu aluje ir kukurūzų sirupe.

Kitas egzotiškas vaisius, ananasas, turi įvairių fermentų, įskaitant bromelainą. Ir jis, remiantis kai kuriais tyrimais, taip pat turi priešvėžinių ir priešuždegiminių savybių.

Ekstremofilai ir pramonė

Ekstremofilai yra medžiagos, galinčios išlaikyti gyvybinę veiklą ekstremaliomis sąlygomis.

Gyvi organizmai, taip pat fermentai, leidžiantys jiems veikti, buvo aptikti geizeriuose, kur temperatūra artima virimo temperatūrai, ir giliai lede, taip pat esant itin dideliam druskingumui (Mirties slėnis JAV). Be to, mokslininkai rado fermentų, kurių pH lygis, kaip paaiškėjo, taip pat nėra esminis reikalavimas efektyviam darbui. Tyrėjai ypač susidomėję tiria ekstremofilinius fermentus kaip medžiagas, kurios gali būti plačiai naudojamos pramonėje. Nors šiandien fermentai jau buvo pritaikyti pramonėje kaip biologiškai ir aplinkai nekenksmingos medžiagos. Fermentai naudojami maisto pramonėje, kosmetologijoje, buitinės chemijos gamyboje.

Be to, fermentų „paslaugos“ tokiais atvejais yra pigesnės nei sintetiniai analogai. Be to, natūralios medžiagos yra biologiškai skaidžios, todėl jų naudojimas yra draugiškas aplinkai. Gamtoje yra mikroorganizmų, galinčių suskaidyti fermentus į atskiras aminorūgštis, kurios vėliau tampa naujos biologinės grandinės komponentais. Bet tai, kaip sakoma, yra visiškai kita istorija.

· Fermentų struktūra ir veikimo mechanizmas · Įvairios fermentų formos · Medicininė reikšmė · Praktinis panaudojimas · Pastabos · Literatūra ir vidurkis

Fermentų aktyvumą lemia jų trimatė struktūra.

Kaip ir visi baltymai, fermentai sintetinami kaip linijinė aminorūgščių grandinė, kuri tam tikru būdu susilanksto. Kiekviena aminorūgščių seka yra sulankstyta ypatingu būdu, o gauta molekulė (baltymo rutuliukas) turi unikalių savybių. Gali būti sujungtos kelios baltymų grandinės, kad susidarytų baltymų kompleksas. Tretinė baltymų struktūra sunaikinama karščio arba tam tikrų cheminių medžiagų poveikio.

Aktyvus fermentų centras

Fermento katalizuojamos cheminės reakcijos mechanizmo tyrimas kartu su tarpinių ir galutinių produktų nustatymu skirtinguose reakcijos etapuose reiškia, kad reikia tiksliai žinoti fermento tretinės struktūros geometriją, funkcinio pobūdžio pobūdį. jo molekulės grupės, kurios suteikia šio substrato veikimo specifiškumą ir didelį katalizinį aktyvumą, be to, fermento molekulės vietos (vietų), užtikrinančios didelį katalizinės reakcijos greitį, cheminę prigimtį. Paprastai fermentinėse reakcijose dalyvaujančios substrato molekulės yra palyginti mažos, palyginti su fermentų molekulėmis. Taigi, formuojantis fermento-substrato kompleksams, į tiesioginę cheminę sąveiką patenka tik riboti polipeptidinės grandinės aminorūgščių sekos fragmentai – „aktyvusis centras“ – unikalus aminorūgščių liekanų derinys fermento molekulėje, užtikrinantis tiesioginę sąveiką. su substrato molekule ir tiesioginiu dalyvavimu katalizės veiksme.

Aktyvusis centras paprastai išskiriamas:

  • katalizinis centras – tiesiogiai chemiškai sąveikaujantis su substratu;
  • surišimo centras (kontaktinė arba „inkaro“ vieta) – užtikrina specifinį afinitetą substratui ir fermento-substrato komplekso susidarymą.

Norint katalizuoti reakciją, fermentas turi prisijungti prie vieno ar daugiau substratų. Fermento baltymų grandinė susilanksto taip, kad rutuliuko paviršiuje susidaro tarpelis arba ertmė, prie kurios jungiasi substratai. Ši sritis vadinama substrato surišimo vieta. Paprastai jis sutampa su aktyviuoju fermento centru arba yra šalia jo. Kai kuriuose fermentuose taip pat yra kofaktorių arba metalo jonų surišimo vietų.

Fermentas, jungiantis su substratu:

  • nuvalo pagrindą nuo vandens "sluoksnio"
  • deda reaguojančias substrato molekules į erdvę taip, kaip būtina reakcijai vykti
  • paruošia reakcijai (pavyzdžiui, poliarizuoja) substrato molekules.

Paprastai fermentas prie substrato prisijungia dėl joninių arba vandenilio ryšių, retai dėl kovalentinių ryšių. Reakcijos pabaigoje jos produktas (ar produktai) atskiriami nuo fermento.

Dėl to fermentas sumažina reakcijos aktyvavimo energiją. Taip yra todėl, kad esant fermentui, reakcija vyksta kitu keliu (iš tikrųjų vyksta kitokia reakcija), pavyzdžiui:

Jei fermento nėra:

  • A + B = AB

Esant fermentui:

  • A + F = AF
  • AF + B = AVF
  • AVF = AV + F

kur A, B yra substratai, AB yra reakcijos produktas, F yra fermentas.

Fermentai negali savarankiškai tiekti energijos endergoninėms reakcijoms (kurioms reikalinga energija). Todėl tokias reakcijas vykdantys fermentai jas derina su eksergoninėmis reakcijomis, kurios išskiria daugiau energijos. Pavyzdžiui, biopolimerų sintezės reakcijos dažnai siejamos su ATP hidrolizės reakcija.

Kai kurių fermentų aktyviesiems centrams būdingas kooperatyvumo reiškinys.

Specifiškumas

Fermentai paprastai pasižymi dideliu specifiškumu savo substratams (substrato specifiškumas). Tai pasiekiama dėl dalinio formos papildomumo, krūvių ir hidrofobinių sričių pasiskirstymo substrato molekulėje ir substrato surišimo vietoje prie fermento. Fermentai paprastai taip pat pasižymi aukštu stereospecifiškumo lygiu (jie sudaro tik vieną iš galimų stereoizomerų kaip produktą arba tik vienas stereoizomeras naudojamas kaip substratas), regioselektyvumą (jie sudaro arba nutraukia cheminę jungtį tik vienoje iš galimų substratas) ir cheminis selektyvumas (jie katalizuoja tik vieną cheminę reakciją iš kelių galimų tam tikromis sąlygomis). Nepaisant bendro didelio specifiškumo lygio, fermentų substrato ir reakcijos specifiškumas gali skirtis. Pavyzdžiui, tripsino endopeptidazė nutraukia peptidinę jungtį tik po arginino ar lizino, jei po jos nenaudojamas prolinas, o pepsinas yra daug mažiau specifinis ir gali nutraukti peptidinį ryšį po daugelio aminorūgščių.

Rakto užrakto modelis

1890 metais Emilis Fischeris pasiūlė, kad fermentų specifiškumą lemia tikslus fermento ir substrato formos atitikimas. Ši prielaida vadinama raktinio užrakto modeliu. Fermentas susijungia su substratu ir sudaro trumpalaikį fermento-substrato kompleksą. Tuo pačiu metu, nepaisant to, kad šis modelis paaiškina didelį fermentų specifiškumą, jis nepaaiškina pereinamosios būsenos stabilizavimo reiškinio, kuris stebimas praktikoje.

Sukeltas atitikimo modelis

1958 metais Danielis Koshlandas pasiūlė modifikuoti raktinio užrakto modelį. Fermentai paprastai nėra standžios, bet lanksčios molekulės. Sujungus substratą, aktyvi fermento vieta gali pakeisti savo konformaciją. Aktyvaus centro aminorūgščių šoninės grupės užima tokią padėtį, kuri leidžia fermentui atlikti katalizinę funkciją. Kai kuriais atvejais substrato molekulė taip pat keičia konformaciją po prisijungimo prie aktyviosios vietos. Priešingai nei raktinio užrakto modelis, indukuoto tinkamumo modelis paaiškina ne tik fermentų specifiškumą, bet ir pereinamosios būsenos stabilizavimą. Šis modelis vadinamas „pirštinės ranka“.

Modifikacijos

Po baltymų grandinės sintezės daugelis fermentų patiria modifikacijų, be kurių fermentas nevisiškai pasireiškia savo veikla. Tokios modifikacijos vadinamos posttransliacinėmis modifikacijomis (apdorojimu). Vienas iš labiausiai paplitusių modifikacijų tipų yra cheminių grupių prijungimas prie polipeptidinės grandinės šoninių liekanų. Pavyzdžiui, fosforo rūgšties liekanos pridėjimas vadinamas fosforilinimu, o jį katalizuoja fermentas kinazė. Daugelis eukariotinių fermentų yra glikozilinti, ty modifikuoti angliavandenių oligomerų.

Kitas paplitęs posttransliacinės modifikacijos tipas yra polipeptidinės grandinės skilimas. Pavyzdžiui, chimotripsinas (proteazė, dalyvaujanti virškinime) susidaro skaidant polipeptido vietą iš chimotripsinogeno. Chimotripsinogenas yra neaktyvus chimotripsino pirmtakas ir sintetinamas kasoje. Neaktyvi forma transportuojama į skrandį, kur paverčiama chimotripsinu. Toks mechanizmas būtinas siekiant išvengti kasos ir kitų audinių irimo prieš fermentui patenkant į skrandį. Neaktyvus fermento pirmtakas taip pat vadinamas „zimogenu“.

Fermentų kofaktoriai

Kai kurie fermentai atlieka katalizinę funkciją patys, be jokių papildomų komponentų. Tačiau yra fermentų, kurių katalizei atlikti reikalingi ne baltyminiai komponentai. Kofaktoriai gali būti tiek neorganinės molekulės (metalo jonai, geležies-sieros sankaupos ir kt.), tiek organinės (pavyzdžiui, flavinas ar hemas). Organiniai kofaktoriai, kurie yra glaudžiai susiję su fermentu, taip pat vadinami protezinėmis grupėmis. Organiniai kofaktoriai, kuriuos galima atskirti nuo fermento, vadinami kofermentais.

Fermentas, kuriam reikalingas, bet nesusijęs su katalizinio aktyvumo kofaktoriumi, vadinamas apofermentu. Apofermentas kartu su kofaktoriumi vadinamas holofermentu. Dauguma kofaktorių yra susiję su fermentu nekovalentine, bet gana stipria sąveika. Taip pat yra tokių protezinių grupių, kurios yra kovalentiškai susietos su fermentu, pavyzdžiui, tiamino pirofosfatas piruvato dehidrogenazėje.

Fermentų reguliavimas

Kai kurie fermentai turi mažas molekulių surišimo vietas; jie gali būti substratai arba metabolinio kelio, į kurį patenka fermentas, produktai. Jie sumažina arba padidina fermento aktyvumą, todėl atsiranda grįžtamojo ryšio galimybė.

Galutinio produkto slopinimas

Metabolizmo kelias yra nuoseklių fermentinių reakcijų grandinė. Dažnai galutinis metabolizmo kelio produktas yra fermento inhibitorius, kuris pagreitina pirmąją tam tikro metabolinio kelio reakciją. Jei galutinio produkto yra per daug, tada jis veikia kaip paties pirmojo fermento inhibitorius, o jei po šio galutinio produkto yra per mažai, tada vėl aktyvuojamas pirmasis fermentas. Taigi galutinio produkto slopinimas pagal neigiamo grįžtamojo ryšio principą yra svarbus būdas palaikyti homeostazę (santykinę organizmo vidinės aplinkos sąlygų pastovumą).

Aplinkos sąlygų įtaka fermentų veiklai

Fermentų aktyvumas priklauso nuo sąlygų ląstelėje ar organizme – slėgio, aplinkos rūgštingumo, temperatūros, ištirpusių druskų koncentracijos (tirpalo joninės stiprumo) ir kt.

0

Fermentų mokslo raidos istorija

Visi gyvybės procesai yra pagrįsti tūkstančiais cheminių reakcijų. Jie patenka į kūną nenaudojant aukštos temperatūros ir slėgio, tai yra, esant švelnioms sąlygoms. Žmogaus ir gyvūnų ląstelėse oksiduojamos medžiagos greitai ir efektyviai dega, praturtindamos organizmą energija ir statybinėmis medžiagomis. Tačiau tos pačios medžiagos gali būti laikomos metų metus tiek konservuotos (izoliuotos nuo oro), tiek ore, esant deguoniui. Pavyzdžiui, mėsos ir žuvies konservai, pasterizuotas pienas, cukrus, kruopos nesuyra gana ilgai laikant. Gebėjimas greitai virškinti produktus gyvame organizme atsiranda dėl to, kad ląstelėse yra specialių biologinių katalizatorių - fermentų.

Fermentai yra specifiniai baltymai, kurie yra visų gyvų organizmų ląstelių ir audinių dalis, atliekantys biologinių katalizatorių vaidmenį. Žmonės jau seniai sužinojo apie fermentus. Praėjusio amžiaus pradžioje Sankt Peterburge K.S.Kirchhoffas išsiaiškino, kad daigintus miežiai polisacharidinį krakmolą geba paversti disacharidine maltoze, o mielių ekstraktas runkelių cukrų skaido į monosacharidus – gliukozę ir fruktozę. Tai buvo pirmieji fermentologijos tyrimai. O fermentinių procesų praktinis pritaikymas žinomas nuo neatmenamų laikų. Tai vynuogių fermentacija, raugas gaminant duoną, sūrio gamyba ir daug daugiau.

Dabar skirtinguose vadovėliuose, žinynuose ir mokslinėje literatūroje vartojamos dvi sąvokos: „fermentai“ ir „fermentai“. Šie pavadinimai yra identiški. Jie reiškia tą patį – biologinius katalizatorius. Pirmasis žodis verčiamas kaip „raugas“, antrasis – „mielėje“.

Jie ilgai neįsivaizdavo, kas vyksta mielėse, kokia jėga jose, dėl kurios medžiagos suyra ir virsta paprastesnėmis. Tik išradus mikroskopą buvo nustatyta, kad mielės – tai daugybės mikroorganizmų sankaupa, kuri kaip pagrindinę maistinę medžiagą naudoja cukrų. Kitaip tariant, kiekviena mielių ląstelė yra „prikimšta“ fermentų, galinčių skaidyti cukrų. Tačiau tuo pat metu buvo žinomi ir kiti biologiniai katalizatoriai, kurie nebuvo uždari gyvoje ląstelėje, bet laisvai „gyvena“ už jos ribų. Pavyzdžiui, jų buvo skrandžio sulčių, ląstelių ekstraktų sudėtyje. Šiuo atžvilgiu anksčiau buvo skiriami du katalizatorių tipai: buvo manoma, kad patys fermentai yra neatsiejami nuo ląstelės ir negali funkcionuoti už jos ribų, tai yra, jie buvo „sutvarkyti“. O „nesutvarkyti“ katalizatoriai, galintys veikti už ląstelės ribų, buvo vadinami fermentais. Ši „gyvų“ fermentų ir „negyvų“ fermentų priešprieša buvo aiškinama vitalistų įtaka, materializmo ir idealizmo kova gamtos moksle. Mokslininkų požiūriai išsiskyrė. Mikrobiologijos įkūrėjas L. Pasteuras teigė, kad fermentų aktyvumą lemia ląstelės gyvybė. Jei ląstelė sunaikinama, fermento veikimas taip pat sustos. J. Liebigo vadovaujami chemikai sukūrė grynai cheminę fermentacijos teoriją, įrodančią, kad fermentų aktyvumas nepriklauso nuo ląstelės egzistavimo.

1871 metais rusų gydytojas M. M. Manaseina sunaikino mielių ląsteles, įtrindamas jas upės smėliu. Ląstelių sultys, atskirtos nuo ląstelių liekanų, išlaikė savo gebėjimą fermentuoti cukrų. Ši paprasta ir įtikinama rusų gydytojo patirtis carinėje Rusijoje buvo ignoruojama. Praėjus ketvirčiui amžiaus, vokiečių mokslininkas E. Buchneris išgavo sultis be ląstelių, spaudžiant gyvas mieles slėgiu iki 5 · 10 6 Pa. Šios sultys, kaip ir gyvos mielės, fermentuoja cukrų, kad susidarytų alkoholis ir anglies monoksidas (IV):

A. N. Lebedevo darbai apie mielių ląstelių tyrimą ir kitų mokslininkų darbai padarė tašką vitalistinėms biologinės katalizės teorijos sąvokoms, o terminai „fermentas“ ir „fermentas“ pradėti vartoti pakaitomis.

Šiandien fermentologija yra nepriklausomas mokslas. Išskirta ir ištirta apie 2000 fermentų. Prie šio mokslo prisidėjo sovietų mokslininkai – mūsų amžininkai A.E.Braunšteinas, V.N.Orechovičius, V.A.Engelgardas, A.A.

Cheminė fermentų prigimtis

Praėjusio amžiaus pabaigoje buvo teigiama, kad fermentai yra baltymai arba kai kurios medžiagos, kurios labai panašios į baltymus. Fermento aktyvumo praradimas kaitinant yra labai panašus į baltymo denatūravimą karščiu. Denatūravimo ir inaktyvavimo temperatūros diapazonas yra tas pats. Kaip žinia, baltymų denatūravimą gali sukelti ne tik kaitinimas, bet ir rūgščių, sunkiųjų metalų druskų, šarmų veikimas, ilgalaikis ultravioletinių spindulių poveikis. Tie patys cheminiai ir fiziniai veiksniai lemia fermentų aktyvumo praradimą.

Tirpaluose fermentai, kaip ir baltymai, veikiami elektros srovės, elgiasi panašiai: molekulės pereina į katodą arba anodą. Pasikeitus vandenilio jonų koncentracijai baltymų ar fermentų tirpaluose, jie kaupia teigiamą arba neigiamą krūvį. Tai įrodo amfoterinį fermentų pobūdį ir taip pat patvirtina jų baltymingumą. Kitas fermentų baltyminės prigimties įrodymas yra tai, kad jie neprasiskverbia pro pusiau pralaidžias membranas. Tai taip pat įrodo jų didelę molekulinę masę. Bet jei fermentai yra baltymai, tada dehidratacijos metu jų aktyvumas neturėtų mažėti. Eksperimentai patvirtina šios prielaidos teisingumą.

I. P. Pavlovo laboratorijoje buvo atliktas įdomus eksperimentas. Šunims per fistulę patekę skrandžio sulčių, darbuotojai nustatė, kad kuo daugiau sultyse baltymų, tuo aktyvesnis jos aktyvumas, tai yra, aptiktas baltymas yra skrandžio sulčių fermentas.

Taigi denatūracijos ir mobilumo elektriniame lauke reiškiniai, molekulių amfoteriškumas, didelė molekulinė prigimtis, gebėjimas nusodinti iš tirpalo, veikiant dehidratuojančioms medžiagoms (acetonui ar alkoholiui), įrodo baltyminį fermentų pobūdį.

Iki šiol šis faktas buvo nustatytas daugeliu, dar subtilesnių fizinių, cheminių ar biologinių metodų.

Jau žinome, kad baltymai yra labai skirtingos sudėties ir, svarbiausia, jie gali būti paprasti arba sudėtingi. Kokie baltymai yra šiuo metu žinomi fermentai?

Įvairių šalių mokslininkai nustatė, kad daugelis fermentų yra paprasti baltymai. Tai reiškia, kad hidrolizės metu šių fermentų molekulės skyla tik iki aminorūgščių. Tokių baltymų fermentų hidrolizate nėra nieko kito, išskyrus aminorūgštis. Paprasti fermentai yra pepsinas - fermentas, kuris virškina baltymus skrandyje ir yra skrandžio sultyse, tripsinas - kasos sulčių fermentas, papainas - augalinis fermentas, ureazė ir kt.

Sudėtingi fermentai, be aminorūgščių, apima ir nebaltyminio pobūdžio medžiagas. Pavyzdžiui, mitochondrijose įmontuotuose redokso fermentuose, be baltyminės dalies, yra geležies, vario ir kitų termostabilių grupių atomų. Nebaltyminė fermento dalis gali būti ir sudėtingesnės medžiagos: vitaminai, nukleotidai (nukleorūgščių monomerai), nukleotidai su trimis fosforo liekanomis ir kt. Sutarėme tokiuose kompleksiniuose baltymuose nebaltyminę dalį vadinti – kofermentu, o baltyminė dalis – apofermentas.

Fermentų skirtumas nuo nebiologinių katalizatorių

Mokykliniuose vadovėliuose ir chemijos vadovėliuose išsamiai išanalizuotas katalizatorių veikimas, pateikiama energijos barjero idėja, aktyvinimo energija. Prisiminkime tik tai, kad katalizatorių vaidmuo yra jų gebėjimas aktyvuoti medžiagų, patenkančių į reakciją, molekules. Tai veda prie aktyvavimo energijos sumažėjimo. Reakcija vyksta ne vienu, o keliais etapais, susidarant tarpiniams junginiams. Katalizatoriai nekeičia reakcijos krypties, o veikia tik greitį, kuriuo pasiekiama cheminės pusiausvyros būsena. Katalizuotoje reakcijoje visada sunaudojama mažiau energijos, palyginti su nekatalizuojama. Reakcijos eigoje fermentas pakeičia įpakavimą, „įsitempia“ ir reakcijos pabaigoje įgauna pirminę struktūrą, grįžta į pradinę formą.

Fermentai yra tie patys katalizatoriai. Jiems būdingi visi katalizės dėsniai. Tačiau fermentai yra baltymai, ir tai suteikia jiems ypatingų savybių. Ką fermentai turi bendro su mums pažįstamais katalizatoriais, pavyzdžiui, platina, vanadžio (V) oksidu ir kitais neorganiniais reakcijų greitintojais, ir kuo jie skiriasi?

Tas pats neorganinis katalizatorius gali būti naudojamas įvairiose pramonės šakose. Ir fermentas katalizuoja tik vieną reakciją arba vienos rūšies reakciją, tai yra, jis yra specifiškesnis nei neorganinis katalizatorius.

Temperatūra visada turi įtakos cheminių reakcijų greičiui. Dauguma reakcijų su neorganiniais katalizatoriais vyksta labai aukštoje temperatūroje. Kylant temperatūrai reakcijos greitis, kaip taisyklė, didėja (1 pav.). Fermentinių reakcijų atveju šis padidėjimas ribojamas iki tam tikros temperatūros (temperatūros optimalumo). Tolesnis temperatūros padidėjimas sukelia fermento molekulės pokyčius, todėl reakcijos greitis mažėja (1 pav.). Tačiau kai kurie fermentai, pavyzdžiui, karštųjų natūralių šaltinių vandenyje randami mikroorganizmų fermentai, ne tik atlaiko temperatūrą, artimą vandens virimo temperatūrai, bet netgi rodo didžiausią savo aktyvumą. Daugumos fermentų optimali temperatūra yra artima 35–45 ° C. Esant aukštesnei temperatūrai, jų aktyvumas mažėja, tada įvyksta visiška terminė denatūracija.

Ryžiai. 1. Temperatūros įtaka fermentų aktyvumui: 1 - reakcijos greičio padidėjimas, 2 - reakcijos greičio sumažėjimas.

Daugelis neorganinių katalizatorių yra veiksmingiausi stipriai rūgštinėje arba stipriai šarminėje aplinkoje. Priešingai nei jie, fermentai yra aktyvūs tik esant fiziologinėms tirpalo rūgštingumo vertėms, tik esant tokiai vandenilio jonų koncentracijai, kuri yra suderinama su ląstelės, organo ar sistemos gyvybe ir normaliu funkcionavimu.

Reakcijos, kuriose dalyvauja neorganiniai katalizatoriai, paprastai vyksta esant aukštam slėgiui, o fermentai veikia esant normaliam (atmosferos) slėgiui.

Labiausiai stebinantis skirtumas tarp fermento ir kitų katalizatorių yra tas, kad fermentų katalizuojamų reakcijų greitis yra dešimtis tūkstančių, o kartais net milijonus kartų didesnis nei tas, kurį galima pasiekti dalyvaujant neorganiniams katalizatoriams.

Gerai žinomas vandenilio peroksidas, naudojamas kasdieniame gyvenime kaip balinimo ir dezinfekavimo medžiaga, lėtai skyla be katalizatorių:

Esant neorganiniam katalizatoriui (geležies druskoms), ši reakcija vyksta šiek tiek greičiau. O katalazė (fermentas, esantis beveik visose ląstelėse) sunaikina vandenilio peroksidą neįsivaizduojamu greičiu: viena katalazės molekulė per minutę suardo daugiau nei 5 milijonus H2O2 molekulių.

Universalus katalazės pasiskirstymas visų aerobinių organizmų organų ląstelėse ir didelis šio fermento aktyvumas paaiškinamas tuo, kad vandenilio peroksidas yra galingas ląstelių nuodas. Jis gaminamas ląstelėse kaip daugelio reakcijų šalutinis produktas, tačiau saugomas fermentas katalazė, kuris dabar suskaido vandenilio peroksidą į nekenksmingą deguonį ir vandenį.

Aktyvus fermento centras

Privalomas katalizuojamos reakcijos etapas yra fermento sąveika su medžiaga, kurios transformaciją jis katalizuoja - su substratu: susidaro fermento-substrato kompleksas. Aukščiau pateiktame pavyzdyje vandenilio peroksidas yra katalazės veikimo substratas.

Pasirodo, fermentinėse reakcijose substrato molekulė yra daug kartų mažesnė už fermento baltymo molekulę. Vadinasi, substratas negali susisiekti su visa didžiule fermento molekule, o tik su kai kuriomis mažomis jos dalimis ar net atskira grupe – atomu. Norėdami patvirtinti šią prielaidą, mokslininkai iš fermento atskyrė vieną ar daugiau aminorūgščių, ir tai neturėjo įtakos arba beveik neturėjo įtakos katalizuojamos reakcijos greičiui. Tačiau tam tikrų specifinių aminorūgščių ar grupės skilimas lėmė visišką fermento katalizinių savybių praradimą. Taip susiformavo aktyvaus fermento centro idėja.

Aktyvus centras – tai baltymo molekulės dalis, užtikrinanti fermento ryšį su substratu ir leidžianti toliau transformuoti substratą. Ištirta keletas aktyvių įvairių fermentų centrų. Tai yra arba funkcinė grupė (pavyzdžiui, serino OH grupė), arba viena aminorūgštis. Kartais reikia kelių aminorūgščių, kad būtų užtikrintas katalizinis veikimas tam tikra tvarka.

Kaip aktyvaus centro dalis išskiriamos sritys, kurios skiriasi savo funkcijomis. Kai kurios aktyvaus centro sritys užtikrina sukibimą su pagrindu, stiprų kontaktą su juo. Todėl jos vadinamos inkaro arba kontaktinėmis sritimis. Kiti atlieka savo katalizinę funkciją, aktyvina substratą – katalizines vietas. Šis sąlyginis aktyviosios vietos padalijimas padeda tiksliau atvaizduoti katalizinės reakcijos mechanizmą.

Taip pat buvo ištirtas cheminio ryšio tipas fermentų ir substratų kompleksuose. Medžiaga (substratas) išlaikoma ant fermento dalyvaujant įvairių tipų ryšiams: vandenilio tiltams, joniniams, kovalentiniams, donoro-akceptoriaus ryšiams, van der Waalso adhezijos jėgoms.

Dėl fermentų molekulių deformacijos tirpale atsiranda jo izomerų, kurie skiriasi tretine struktūra. Kitaip tariant, fermentas orientuoja savo funkcines grupes, įtrauktas į aktyvųjį centrą, kad pasireikštų didžiausias katalizinis aktyvumas. Bet substrato molekulės taip pat gali deformuotis, „įtempti“, kai sąveikauja su fermentu. Šios šiuolaikinės fermento ir substrato sąveikos sampratos skiriasi nuo anksčiau vyravusios E. Fischer teorijos, kuri manė, kad substrato molekulė tiksliai atitinka aktyvųjį fermento centrą ir priglunda kaip raktas į spyną.

Fermentų savybės

Svarbiausia fermentų savybė yra pirmenybinis vienos iš kelių teoriškai galimų reakcijų pagreitis. Tai leidžia substratams iš daugelio galimų kelių pasirinkti organizmui naudingiausią transformacijų grandinę.

Priklausomai nuo sąlygų, fermentai gali katalizuoti tiek tiesiogines, tiek atvirkštines reakcijas. Pavyzdžiui, piruvo rūgštis, veikiama fermento laktatdehidrogenazės, paverčiama galutiniu fermentacijos produktu – pieno rūgštimi. Tas pats fermentas katalizuoja atvirkštinę reakciją ir gavo savo pavadinimą ne dėl tiesioginės, o dėl atvirkštinės reakcijos. Abi reakcijos vyksta organizme skirtingomis sąlygomis:

Ši fermentų savybė turi didelę praktinę reikšmę.

Kita svarbi fermentų savybė yra terminis labilumas, tai yra didelis jautrumas temperatūros pokyčiams. Jau sakėme, kad fermentai yra baltymai. Daugumai jų aukštesnė nei 70 °C temperatūra sukelia denatūraciją ir praranda aktyvumą. Iš chemijos kurso žinoma, kad temperatūros padidėjimas 10 ° C padidina reakcijos greitį 2–3 kartus, o tai būdinga fermentinėms reakcijoms, bet iki tam tikros ribos. Esant temperatūrai, artimai 0 ° C, fermentinių reakcijų greitis sulėtėja iki minimumo. Ši savybė plačiai naudojama įvairiuose šalies ūkio sektoriuose, ypač žemės ūkyje ir medicinoje. Pavyzdžiui, visi šiuo metu egzistuojantys inksto išsaugojimo būdai prieš persodinant jį pacientui apima šio organo aušinimą, siekiant sumažinti biocheminių reakcijų intensyvumą ir pailginti inksto gyvavimo trukmę prieš jį persodinant žmogui. Ši technika išgelbėjo dešimčių tūkstančių žmonių sveikatą ir gyvybę pasaulyje.

Ryžiai. 2. pH įtaka fermentų aktyvumui.

Viena iš svarbiausių fermentinių baltymų savybių yra jų jautrumas terpės reakcijai, vandenilio jonų arba hidroksido jonų koncentracijai. Fermentai yra aktyvūs tik siaurame terpės rūgštingumo ar šarmingumo diapazone (pH). Pavyzdžiui, pepsino aktyvumas skrandžio ertmėje yra didžiausias, kai pH yra apie 1 -1,5. Sumažėjęs rūgštingumas sukelia gilų virškinimo sutrikimą, maisto nevirškinimą ir sunkias komplikacijas. Iš biologijos kurso žinote, kad virškinimas prasideda jau burnos ertmėje, kur yra seilių amilazės. Optimali jos pH vertė yra 6,8–7,4. Skirtingiems virškinamojo trakto fermentams būdingi dideli pH optimalumo skirtumai (2 pav.). Pasikeitus aplinkos reakcijai, pasikeičia fermento molekulės ar net jos aktyvaus centro krūviai, dėl ko sumažėja arba visiškai prarandamas aktyvumas.

Kita svarbi savybė yra fermento veikimo specifiškumas. Katalazė skaido tik vandenilio peroksidą, ureazė – tik karbamidą H 2 N-CO-NH 2, tai yra, fermentas katalizuoja tik vieno substrato virsmą, tik jo molekulę „atpažįsta“. Ši specifika laikoma absoliučia. Jei fermentas katalizuoja kelių substratų, turinčių tą pačią funkcinę grupę, konversiją, šis specifiškumas vadinamas specifiniu grupei. Pavyzdžiui, fosfatazė katalizuoja fosforo rūgšties likučių pašalinimą:

Specifiškumas yra fermento jautrumas tik vienam izomerui – stereocheminiam specifiškumui.

Fermentai veikia įvairių medžiagų konversijos greitį. Tačiau kai kurios medžiagos taip pat veikia fermentus, smarkiai pakeisdamos jų veiklą. Medžiagos, kurios didina fermentų aktyvumą, aktyvina juos, vadinamos aktyvatoriais, o slopinančios – inhibitoriais. Inhibitoriai gali negrįžtamai paveikti fermentą. Po jų veikimo fermentas niekada negali katalizuoti savo reakcijos, nes jo struktūra labai pasikeis. Taip fermentą veikia sunkiųjų metalų druskos, rūgštys, šarmai. Grįžtamasis inhibitorius gali būti pašalintas iš tirpalo ir fermentas vėl suaktyvėja. Toks grįžtamasis slopinimas dažnai vyksta konkurenciniu būdu, ty substratas ir panašus inhibitorius kovoja dėl aktyvaus centro. Šis slopinimas gali būti pašalintas padidinus substrato koncentraciją ir išstumiant inhibitorių iš aktyvaus centro substratu.

Svarbi daugelio fermentų savybė yra ta, kad jie audiniuose ir ląstelėse yra neaktyvios formos (3 pav.). Neaktyvi fermentų forma vadinama profermentu. Klasikiniai pavyzdžiai yra neaktyvios pepsino arba tripsino formos. Neaktyvių fermentų formų egzistavimas turi didelę biologinę reikšmę. Jei pepsinas arba tripsinas būtų gaminami nedelsiant aktyvia forma, tai lemtų tai, kad, pavyzdžiui, pepsinas „virškino“ skrandžio sienelę, tai yra, skrandis „virškino“ pats save. Taip neatsitinka, nes pepsinas ar tripsinas suaktyvėja tik patekęs į skrandžio ertmę arba į plonąją žarną: veikiant skrandžio sultyse esančią druskos rūgštį, iš pepsino atskiriamos kelios aminorūgštys, kurios įgyja gebėjimą skaidyti baltymus. O patį skrandį nuo virškinimo fermentų veikimo dabar saugo jo ertmę išklojusi gleivinė.

Ryžiai. 3 Tripsinogeno pavertimo aktyviu tripsinu schema: A - tripsinogenas; B - tripsinas; 1 - peptido atsiskyrimo vieta; 2 - vandeniliniai ryšiai; 3 - disulfido tiltas; 4 – aktyvacijos metu suskaidomas peptidas.

Fermento aktyvinimo procesas paprastai vyksta vienu iš keturių būdų, parodytų 4 paveiksle. Pirmuoju atveju peptido skilimas iš neaktyvaus fermento „atidaro“ aktyvųjį centrą ir fermentą paverčia aktyviu.

Ryžiai. 4 fermentų aktyvavimo būdai (substrato molekulė pažymėta šešėliu):

1 - nedidelio ploto (peptido) skilimas nuo profermento ir neaktyvaus profermento pavertimas aktyviu fermentu; 2 - disulfidinių jungčių susidarymas iš SH grupių, išlaisvinant aktyvųjį centrą; 3 - baltymo komplekso su metalais susidarymas, aktyvuojant fermentą: 4 fermento komplekso su kokia nors medžiaga susidarymas (tai išlaisvina prieigą prie aktyvaus centro).

Antrasis kelias yra S-S disulfidinių tiltelių susidarymas, todėl aktyvi vieta tampa prieinama. Trečiuoju atveju metalo buvimas suaktyvina fermentą, kuris gali veikti tik kartu su šiuo metalu. Ketvirtasis būdas iliustruoja kai kurios medžiagos aktyvavimą, kuris jungiasi prie baltymo molekulės periferinės srities ir deformuoja fermentą taip, kad palengvintų substrato patekimą į aktyvųjį centrą.

Pastaraisiais metais buvo atrastas dar vienas fermentų aktyvumo reguliavimo būdas – paaiškėjo, kad vienas fermentas, pavyzdžiui, laktatdehidrogenazė, gali būti kelių molekulinių formų, kurios skiriasi viena nuo kitos, nors visos katalizuoja tą pačią reakciją. Tokios skirtingos sudėties fermentų molekulės, katalizuojančios tą pačią reakciją, randamos net toje pačioje ląstelėje. Jie vadinami izofermentais, t.y. fermentų izomerai. Jau pavadintoje laktatdehidrogenazėje buvo rasti penki skirtingi izofermentai. Koks yra kelių to paties fermento formų vaidmuo? Matyt, organizmas „apdraudžia“ kai kurias ypač svarbias reakcijas, kai, pasikeitus sąlygoms ląstelėje, veikia viena ar kita izofermento forma, suteikia reikiamą proceso greitį ir kryptį.

Ir dar viena svarbi fermentų savybė. Jie ląstelėje dažnai funkcionuoja ne atskirai vienas nuo kito, o yra organizuoti kompleksų – fermentų sistemų pavidalu (5 pav.): ankstesnės reakcijos produktas yra substratas kitai. Šios sistemos yra įmontuotos į ląstelių membranas ir užtikrina greitą tikslinę medžiagos oksidaciją, „perkeldamos“ ją iš fermento į fermentą. Sintetiniai procesai ląstelėje vyksta panašiose fermentų sistemose.

Fermentų klasifikacija

Fermentologijos tiriamų klausimų spektras yra platus. Fermentų, naudojamų sveikatos apsaugos, žemės ūkio, mikrobiologijos ir kitose mokslo ir praktikos srityse, skaičius yra didelis. Dėl to kilo sunkumų apibūdinant fermentines reakcijas, nes vieną ir tą patį fermentą galima pavadinti arba pagal substratą, arba pagal katalizuojamų reakcijų tipą, arba pagal seną literatūroje įsigalėjusį terminą: pavyzdžiui, pepsinas, tripsinas. , katalazė.

Ryžiai. 5. Siūloma daugiafermentinio komplekso, sintetinančio riebalų rūgštis, struktūra (septyni fermentų subvienetai atsakingi už septynias chemines reakcijas).

Todėl 1961 m. Tarptautinis biochemijos kongresas Maskvoje patvirtino fermentų klasifikaciją, kuri remiasi šio fermento katalizuojamos reakcijos tipu. Fermento pavadinime būtinai yra substrato pavadinimas, tai yra šio fermento paveiktas junginys, ir galūnė -ase. Pavyzdžiui, arginazė katalizuoja arginino hidrolizę.

Pagal šį principą visi fermentai buvo suskirstyti į šešias klases.

1. Oksidoreduktazės fermentai, katalizuojantys redokso reakcijas, pvz., katalazė:

2. Transferazės – fermentai, katalizuojantys atomų arba radikalų perdavimą, pavyzdžiui, metiltransferazės, pernešančios CH3 grupę:

3. Hidrolazės – fermentai, kurie suardo tarpmolekulinius ryšius, prijungdami vandens molekules, pvz., fosfatazė:

4. Liazės - fermentai, kurie atskiria vieną ar kitą grupę nuo substrato nepridedant vandens, nehidroliziniu būdu, pvz., karboksilo grupę skaidant dekarboksilaze:

5. Izomerazės – fermentai, katalizuojantys vieno izomero virsmą kitu:

Gliukozė-6-fosfatas-> gliukozė-1-fosfatas

6. Fermentai, katalizuojantys sintezės reakcijas, pavyzdžiui, peptidų sintezę iš aminorūgščių. Ši fermentų klasė vadinama sintetazėmis.

Kiekvieną fermentą buvo pasiūlyta koduoti keturių skaitmenų šifru, kur pirmasis iš jų žymi klasės numerį, o kiti trys detaliau apibūdina fermento savybes, jo poklasį ir individualų katalogo numerį.

Kaip fermentų klasifikavimo pavyzdį pateikiame pepsinui priskirtą keturženklį kodą – 3.4.4L. Skaičius 3 žymi fermento – hidrolazės – klasę. Kitas skaičius 4 koduoja peptidinių hidrolazių poklasį, ty tuos fermentus, kurie hidrolizuoja tiksliai peptidines jungtis. Kitas skaičius 4 reiškia poklasį, vadinamą peptidilpeptido hidrolazėmis. Šis poklasis jau apima atskirus fermentus, o pirmasis jame yra pepsinas, kuriam suteiktas 1 serijos numeris.

Taigi jo kodas pasirodo - 3.4.4.1. Hidrolazių klasės fermentų veikimo taškai parodyti 6 paveiksle.

Ryžiai. 6. Peptidinių jungčių skaidymas įvairiais proteolitiniais fermentais.

Fermentų veikimas

Dažniausiai fermentai išskiriami iš įvairių gyvūninės, augalinės ar mikrobinės kilmės objektų ir tiriamas jų veikimas už ląstelės ir organizmo ribų. Šie tyrimai yra labai svarbūs norint suprasti fermentų veikimo mechanizmą, tirti jų sudėtį ir jų katalizuojamų reakcijų ypatybes. Bet tokiu būdu gauta informacija negali būti mechaniškai tiesiogiai perkelta į gyvos ląstelės fermentų veiklą. Už ląstelės ribų sunku atkurti sąlygas, kuriomis fermentas veikia, pavyzdžiui, mitochondrijose arba lizosomoje. Be to, ne visada žinoma, kiek iš turimų fermentų molekulių dalyvauja reakcijoje – visos arba tik dalis jų.

Beveik visada paaiškėja, kad ląstelėje yra vienokių ar kitokių fermentų, kurių kiekis keliasdešimt kartų viršija normaliai medžiagų apykaitai reikalingą kiekį. Skirtingais ląstelės gyvenimo laikotarpiais medžiagų apykaita yra skirtingo intensyvumo, tačiau fermentų joje yra daug daugiau, nei to reikėtų maksimaliam metabolizmo lygiui. Pavyzdžiui, širdies raumens ląstelių sudėtyje yra tiek daug citochromo c, kuris galėtų atlikti oksidaciją, 20 kartų daugiau nei didžiausias širdies raumens suvartojamas deguonis. Vėliau buvo atrastos medžiagos, galinčios „išjungti“ kai kurias fermentų molekules. Tai yra vadinamieji slopinamieji veiksniai. Norint suprasti fermentų veikimo mechanizmą, taip pat svarbu, kad ląstelėje jie būtų ne tik tirpale, bet būtų integruoti į ląstelės struktūrą. Dabar žinoma, kurie fermentai yra įterpti į išorinę mitochondrijų membraną, kurie yra įterpti į vidinę membraną, kurie yra susiję su branduoliu, lizosomomis ir kitomis tarpląstelinėmis struktūromis.

Artima „teritorinė“ fermento, katalizuojančio pirmąją reakciją, vieta fermentams, kurie katalizuoja antrąją, trečiąją ir paskesnes reakcijas, stipriai įtakoja bendrą jų veikimo rezultatą. Pavyzdžiui, fermentų grandinė, pernešanti elektronus į deguonį, yra įmontuota į mitochondrijas – citochromo sistemą. Jis katalizuoja substratų oksidaciją, kad susidarytų energija, kuri saugoma ATP.

Kai iš ląstelės išskiriami fermentai, sutrinka jų bendro darbo darna. Todėl jie bando tirti fermentų darbą nesunaikindami struktūrų, kuriose yra pastatytos jų molekulės. Pavyzdžiui, jei audinio pjūvis laikomas substrato tirpale, o po to apdorojamas reagentu, kuris sudarys spalvotą kompleksą su reakcijos produktais, tada mikroskopu bus aiškiai matomos nudažytos ląstelės sritys: fermentas, kuris suskaidė. substratas buvo lokalizuotas (buvo) šiose srityse. Taigi buvo nustatyta, kuriose skrandžio ląstelėse yra pepsinogeno, iš kurio gaunamas fermentas pepsinas.

Dabar plačiai naudojamas kitas metodas, leidžiantis nustatyti fermentų lokalizaciją – atskyrimo centrifugavimas. Norėdami tai padaryti, tiriamas audinys (pavyzdžiui, laboratorinių gyvūnų kepenų gabalėliai) susmulkinamas, o po to iš jo paruošiama košė sacharozės tirpale. Mišinys perkeliamas į mėgintuvėlius ir centrifugose sukasi dideliu greičiu. Įvairūs ląsteliniai elementai, priklausomai nuo jų masės ir dydžio, sukimosi metu pasiskirsto tankiame sacharozės tirpale maždaug taip:

Norint gauti sunkiuosius branduolius, reikia palyginti nedidelio pagreičio (mažiau apsisukimų skaičiaus). Atskyrus branduolius, padidėjus apsisukimų skaičiui, paeiliui nusodinamos mitochondrijos ir mikrosomos, gaunama citoplazma. Dabar fermento aktyvumą galima ištirti kiekvienoje iš izoliuotų frakcijų. Pasirodo, dauguma žinomų fermentų yra lokalizuoti daugiausia vienoje ar kitoje frakcijoje. Pavyzdžiui, fermentas aldolazė yra lokalizuotas citoplazmoje, o fermentas, oksiduojantis kaprono rūgštį, daugiausia yra mitochondrijose.

Jei membrana, į kurią įterpti fermentai, yra pažeista, sudėtingi tarpusavyje susiję procesai nevyksta, tai yra, kiekvienas fermentas gali veikti tik pats.

Augalų ir mikroorganizmų ląstelėse, kaip ir gyvūnų ląstelėse, yra labai panašios ląstelių frakcijos. Pavyzdžiui, augalų plastidai savo fermentiniu rinkiniu primena mitochondrijas. Mikroorganizmuose buvo rasta grūdelių, kurie primena ribosomas, taip pat turi daug ribonukleino rūgšties. Fermentai, sudarantys gyvūnų, augalų ir mikrobų ląsteles, turi panašų poveikį. Pavyzdžiui, hialuronidazė palengvina mikrobų patekimą į organizmą ir taip prisideda prie ląstelės sienelės sunaikinimo. Tas pats fermentas randamas įvairiuose gyvūnų organizmų audiniuose.

Fermentų gavimas ir naudojimas

Fermentai randami visuose gyvūnų ir augalų audiniuose. Tačiau to paties fermento kiekis skirtinguose audiniuose ir fermento prisijungimo prie audinio stiprumas nėra vienodas. Todėl praktiškai jo gavimas ne visada pagrįstas.

Fermentų gavimo šaltinis gali būti žmonių ir gyvūnų virškinimo sultys. Sultyse yra palyginti nedaug pašalinių priemaišų, ląstelinių elementų ir kitų komponentų, kuriuos reikia išmesti, kai gaunamas grynas preparatas. Tai beveik gryni fermentų tirpalai.

Sunkiau gauti fermentą iš audinių. Tam audinys susmulkinamas, ląstelių struktūros sunaikinamos trinant susmulkintą audinį smėliu arba apdorojamas ultragarsu. Tokiu atveju fermentai „iškrenta“ iš ląstelių ir membranų struktūrų. Dabar jie valomi ir atskiriami vienas nuo kito. Valymui naudojamas skirtingas fermentų gebėjimas atskirti chromatografines kolonėles, nevienodas judrumas elektriniame lauke, nusodinimas alkoholiu, druskomis, acetonu ir kiti metodai. Kadangi dauguma fermentų yra susiję su branduoliu, mitochondrijomis, ribosomomis ar kitomis tarpląstelinėmis struktūromis, ši frakcija pirmiausia išskiriama centrifuguojant, o tada iš jos ekstrahuojamas fermentas.

Naujų gryninimo metodų sukūrimas leido gauti daugybę labai grynos formos kristalinių fermentų, kurie gali būti saugomi metų metus.

Dabar nebeįmanoma nustatyti, kada žmonės pirmą kartą naudojo šį fermentą, tačiau galima tvirtai teigti, kad tai buvo augalinės kilmės fermentas. Žmonės nuo seno atkreipė dėmesį į augalo naudingumą ne tik kaip maisto produktą. Pavyzdžiui, vietiniai Antilų salų gyventojai nuo seno naudojo meliono medžio sulą opoms ir kitoms odos ligoms gydyti.

Išsamiau panagrinėkime fermentų gavimo ypatumus ir panaudojimo šaką, naudodamiesi vieno iš dabar gerai žinomų augalų biokatalizatorių - papaino - pavyzdžiu. Šio fermento pieno sultyse randama visose tropinio vaismedžio papajos – milžiniškos, į medį panašios žolės, užaugančios iki 10 m. – dalyse. Jo vaisiai savo forma ir skoniu panašūs į melioną, juose yra daug fermento papaino. . XVI amžiaus pradžioje. Ispanijos jūreiviai šį augalą natūraliai atrado Centrinėje Amerikoje. Tada jis buvo atvežtas į Indiją, o iš ten į visas atogrąžų šalis. Vasco da Gama, pamatęs papają Indijoje, pavadino ją auksiniu gyvybės medžiu, o Marco Polo sakė, kad papaja yra „melionas, įkopęs į medį“. Jūreiviai žinojo, kad medžio vaisiai gelbsti nuo skorbuto ir dizenterijos.

Mūsų šalyje papajos auga Kaukazo Juodosios jūros pakrantėje, Rusijos mokslų akademijos botanikos sode specialiuose šiltnamiuose. Fermento žaliava – pieno sultys – gaunama iš pjūvių vaisiaus odoje. Tada sultys džiovinamos laboratorijoje vakuuminėse džiovinimo krosnyse žemoje temperatūroje (ne aukštesnėje kaip 80 °C). Išdžiovintas produktas sumalamas ir laikomas sterilioje pakuotėje, užpildytoje parafinu. Tai jau gana aktyvus vaistas. Jo fermentinis aktyvumas gali būti įvertintas pagal kazeino baltymo, suskaidomo per laiko vienetą, kiekį. Vienam biologiniam papaino aktyvumo vienetui paimamas toks fermento kiekis, kurio patekus į kraują pakanka, kad 1 kg sveriančiam triušiui atsirastų „nukarusių ausų“ simptomas. Šis reiškinys atsiranda dėl to, kad papainas pradeda veikti triušio ausyse esančias kolageno baltymų gijas.

Papainas turi visą spektrą savybių: proteolitinių, priešuždegiminių, antikoaguliantų (neleidžia susidaryti kraujui), dehidratuoja, nuskausmina ir baktericidiškai. Jis skaido baltymus į polipeptidus ir aminorūgštis. Be to, šis skilimas vyksta giliau nei veikiant kitiems gyvūninės ir bakterinės kilmės fermentams. Papaino ypatybė yra jo gebėjimas veikti plačiame pH diapazone ir esant dideliems temperatūros svyravimams, o tai ypač svarbu ir patogu plačiai naudojant šį fermentą. O jei dar atsižvelgsime į tai, kad kraujas, kepenys, raumenys ar kiti gyvūniniai audiniai reikalingi fermentams, panašiems į papainą (pepsinas, tripsinas, lidazė), gauti, tai augalinio fermento papaino pranašumas ir ekonominis efektyvumas nekelia abejonių.

Papaino pritaikymas yra labai įvairus. Medicinoje jis naudojamas žaizdoms gydyti, kur skatina pažeistų audinių baltymų irimą bei valo žaizdos paviršių. Papainas yra nepakeičiamas gydant įvairias akių ligas. Tai sukelia drumstų regėjimo organo struktūrų rezorbciją, todėl jos tampa skaidrios. Teigiamas fermento poveikis virškinimo sistemos ligoms yra žinomas. Gerų rezultatų gauta naudojant papainą odos ligoms, nudegimams gydyti, taip pat neuropatologijoje, urologijoje ir kitose medicinos srityse.

Be medicinos, didelis šio fermento kiekis suvartojamas vyno gamyboje ir aludarystėje. Papainas padidina gėrimų galiojimo laiką. Apdorojus papainu, mėsa tampa minkšta ir greitai virškinama, produktų galiojimo laikas smarkiai pailgėja. Į tekstilės pramonę patenkanti vilna po apdorojimo papainu nesivelia ir nesusitraukia. Neseniai papainas pradėtas naudoti odos pramonėje. Po fermentinio apdorojimo odos gaminiai tampa minkšti, elastingi, tvirtesni ir patvaresni.

Nuodugniai ištyrus kai kurias anksčiau nepagydomas ligas, atsirado poreikis į organizmą įvesti trūkstamus fermentus, kurie pakeistų tuos, kurių aktyvumas sumažėjęs. Galima būtų įnešti į organizmą reikiamą trūkstamų fermentų kiekį arba „pridėti“ tų fermentų molekules, kurios organe ar audinyje sumažino savo katalizinį aktyvumą. Tačiau organizmas į šiuos fermentus reaguoja kaip į svetimus baltymus, juos atmeta, gamina prieš juos antikūnus, o tai galiausiai lemia greitą įvežtų baltymų irimą. Nebus laukiamas gydomasis poveikis. Fermentų taip pat neįmanoma įvesti su maistu, nes virškinimo sultys juos „suvirškins“ ir jie praras savo aktyvumą, suirs iki aminorūgščių, nepasiekę ląstelių ir audinių. Fermentų patekimas tiesiai į kraują sukelia jų sunaikinimą audinių proteazėmis. Šiuos sunkumus galima pašalinti naudojant imobilizuotus fermentus. Imobilizacijos principas pagrįstas fermentų gebėjimu „prisijungti“ prie stabilaus organinio ar neorganinio pobūdžio nešiklio. Cheminio fermento prisijungimo prie matricos (nešiklio) pavyzdys yra stiprių kovalentinių ryšių tarp jų funkcinių grupių susidarymas. Matrica gali būti, pavyzdžiui, akytas stiklas, kuriame yra funkcinių amino grupių, prie kurių fermentas yra chemiškai „pririštas“.

Naudojant fermentus dažnai tenka palyginti jų veiklą. Kaip žinoti, kuris fermentas yra aktyvesnis? Kaip apskaičiuoti skirtingų išgrynintų preparatų aktyvumą? Sutarėme, kad fermento aktyvumas paimtų substrato kiekį, kuris per vieną minutę gali paversti 1 g audinio, kuriame yra šio fermento 25 ° C temperatūroje. Kuo daugiau substrato fermentas yra perdirbęs, tuo jis aktyvesnis. To paties fermento aktyvumas skiriasi priklausomai nuo amžiaus, lyties, paros laiko, organizmo būklės, taip pat priklauso nuo endokrininių liaukų, gaminančių hormonus.

Gamta beveik neklysta, gamindama tuos pačius baltymus per visą organizmo gyvenimą ir perduodama šią griežtą informaciją apie tų pačių baltymų gamybą iš kartos į kartą. Tačiau kartais organizme atsiranda pakitęs baltymas, kuriame yra viena ar kelios „papildomos“ aminorūgštys arba, atvirkščiai, jų netenkama. Šiandien žinoma daug tokių molekulinių klaidų. Jie gali būti siejami su įvairiomis priežastimis ir gali sukelti skausmingus kūno pokyčius. Tokios ligos, dėl kurių atsiradimo kaltos nenormalios baltymų molekulės, medicinoje vadinamos molekulinėmis. Pavyzdžiui, sveiko žmogaus hemoglobinas, susidedantis iš dviejų polipeptidinių grandinių (a ir b), ir paciento, sergančio pjautuvine anemija (eritrocitas turi pjautuvo formą), hemoglobinas skiriasi tik tuo, kad pacientams, sergantiems β. -grandinė, glutamo rūgštis pakeičiama valinu. Pjautuvinė anemija yra paveldima liga. Hemoglobino pokyčiai perduodami iš tėvų į palikuonis.

Ligos, atsirandančios dėl fermentų veiklos pokyčių, vadinamos fermentopatijomis. Dažniausiai jie yra paveldimi, perduodami iš tėvų vaikams. Pavyzdžiui, esant įgimtai fenilketonurijai, sutrinka ši transformacija:

Trūkstant fermento fenilalanino hidroksilazės, fenilalaninas nevirsta tirozinu, o kaupiasi, o tai sukelia daugelio organų normalios funkcijos sutrikimą, pirmiausia centrinės nervų sistemos sutrikimą. Liga vystosi nuo pirmųjų vaiko gyvenimo dienų, o pirmieji simptomai pasireiškia sulaukus šešių – septynių gyvenimo mėnesių. Tokių pacientų kraujyje ir šlapime, palyginti su norma, galima rasti didžiulius fenilalanino kiekius. Laiku nustačius tokią patologiją ir sumažėjus to maisto, kuriame yra daug fenilalanino, suvartojimas, turi teigiamą gydomąjį poveikį.

Kitas pavyzdys: vaikams trūkstant fermento, paverčiančio galaktozę į gliukozę, organizme kaupiasi galaktozė, kuri dideliais kiekiais kaupiasi audiniuose ir paveikia kepenis, inkstus ir akis. Jei fermento nebuvimas nustatomas laiku, vaikas perkeliamas į dietą be galaktozės. Tai veda prie ligos požymių išnykimo.

Dėl fermentinių preparatų egzistavimo iššifruojama baltymų ir nukleorūgščių struktūra. Be jų neįmanoma gaminti antibiotikų, vyno gaminti, kepti, sintezuoti vitaminus. Žemės ūkyje naudojami augimo stimuliatoriai, kurie turi įtakos fermentinių procesų aktyvavimui. Tą pačią savybę turi daugelis vaistų, kurie slopina arba aktyvina fermentų veiklą organizme.

Be fermentų neįmanoma įsivaizduoti tokių perspektyvių sričių, kaip ląstelėje vykstančių cheminių procesų atkūrimas ir šiuolaikinės pramoninės biotechnologijos kūrimas šiuo pagrindu. Kol kas jokia šiuolaikinė chemijos gamykla negali konkuruoti su paprastu augalo lapu, kurio ląstelėse dalyvaujant fermentams ir saulės šviesai iš vandens ir anglies dioksido sintetinama daugybė įvairių sudėtingų organinių medžiagų. Tuo pačiu metu į atmosferą patenka deguonis, kuris taip reikalingas mums gyvybei.

Fermentologija – jaunas ir perspektyvus mokslas, atskirtas nuo biologijos ir chemijos ir žadantis daug nuostabių atradimų kiekvienam, nusprendusiam rimtai tuo užsiimti.

Atsisiųsti santrauką: Jūs neturite prieigos atsisiųsti failus iš mūsų serverio.

Virškinimo fermentai– Tai baltyminio pobūdžio medžiagos, kurios gaminasi virškinamajame trakte. Jie užtikrina maisto virškinimo procesą ir skatina jo įsisavinimą.

Pagrindinė virškinimo fermentų funkcija – sudėtingų medžiagų skaidymas į paprastesnes, kurios lengvai pasisavinamos žmogaus žarnyne.

Baltymų molekulių veikimas yra skirtas šioms medžiagų grupėms:

  • baltymai ir peptidai;
  • oligo- ir polisacharidai;
  • riebalai, lipidai;
  • nukleotidai.

Fermentų rūšys

  1. Pepsinas. Fermentas yra medžiaga, kuri gaminama skrandyje. Jis veikia baltymų molekules maiste, suskaidydamas jas į jų elementarias sudedamąsias dalis – aminorūgštis.
  2. Tripsinas ir chimotripsinas.Šios medžiagos yra kasos fermentų, kuriuos gamina kasa ir patenka į dvylikapirštę žarną, grupės dalis. Čia jie taip pat veikia baltymų molekules.
  3. amilazė. Fermentas reiškia medžiagas, kurios skaido cukrų (angliavandenius). Amilazė gaminama burnoje ir plonojoje žarnoje. Jis skaido vieną pagrindinių polisacharidų – krakmolą. Rezultatas yra nedidelis angliavandenis, vadinamas maltoze.
  4. Maltazė. Fermentas taip pat veikia angliavandenius. Jo specifinis substratas yra maltozė. Jis skyla į 2 gliukozės molekules, kurias absorbuoja žarnyno sienelės.
  5. Suharase. Baltymai veikia kitą įprastą disacharidą – sacharozę, kurios yra bet kuriame daug angliavandenių turinčiame maiste. Angliavandeniai skyla į fruktozę ir gliukozę, kurias organizmas lengvai pasisavina.
  6. Laktazės. Specifinis fermentas, veikiantis iš pieno gaunamus angliavandenius, yra laktozė. Skilimo metu gaunami kiti produktai – gliukozė ir galaktozė.
  7. Nukleazės.Šios grupės fermentai veikia nukleino rūgštis – DNR ir RNR, kurios yra maiste. Po jų poveikio medžiagos skyla į atskirus komponentus – nukleotidus.
  8. Nukleotidazės. Antroji fermentų grupė, veikianti nukleino rūgštis, vadinama nukleotidazėmis. Jie skaido nukleotidus, kad gautų smulkesnes sudedamąsias dalis – nukleozidus.
  9. Karboksipeptidazė. Fermentas veikia mažas baltymų molekules – peptidus. Šio proceso metu gaunamos atskiros aminorūgštys.
  10. Lipazė. Medžiaga skaido riebalus ir lipidus, patenkančius į virškinimo sistemą. Tokiu atveju susidaro jų sudedamosios dalys – alkoholis, glicerinas ir riebalų rūgštys.

Virškinimo fermentų trūkumas

Nepakankama virškinimo fermentų gamyba yra rimta problema, kuriai reikia medicininės pagalbos. Esant nedideliam kiekiui endogeninių fermentų, maistas negalės būti normaliai virškinamas žmogaus žarnyne.

Jei medžiagos nėra virškinamos, jos negali būti absorbuojamos žarnyne. Virškinimo sistema sugeba pasisavinti tik nedidelius organinių molekulių fragmentus. Dideli komponentai, kurie yra maisto dalis, negalės būti naudingi žmonėms. Dėl to organizme gali atsirasti tam tikrų medžiagų trūkumas.

Angliavandenių ar riebalų trūkumas lems tai, kad kūnas praras „kurą“ energingai veiklai. Trūkstant baltymų, žmogaus organizmas netenka statybinių medžiagų – aminorūgščių. Be to, sutrikus virškinimui pasikeičia išmatų pobūdis, o tai gali neigiamai paveikti charakterį.

Priežastys

  • uždegiminiai procesai žarnyne ir skrandyje;
  • valgymo sutrikimai (persivalgymas, nepakankamas terminis apdorojimas);
  • medžiagų apykaitos ligos;
  • pankreatitas ir kitos kasos ligos;
  • kepenų ir tulžies takų pažeidimas;
  • įgimtos fermentų sistemos patologijos;
  • pooperacinės pasekmės (fermentų trūkumas dėl dalies virškinimo sistemos pašalinimo);
  • gydomasis poveikis skrandžiui ir žarnynui;
  • nėštumas;

Simptomai

Ilgą laiką esant nepakankamam virškinimui, atsiranda bendrų simptomų, susijusių su sumažėjusiu maistinių medžiagų patekimu į organizmą. Ši grupė apima šias klinikines apraiškas:

  • bendras silpnumas;
  • sumažėjęs našumas;
  • galvos skausmas;
  • miego sutrikimai;
  • padidėjęs dirglumas;
  • sunkiais atvejais anemijos simptomai dėl nepakankamo geležies pasisavinimo.

Virškinimo fermentų perteklius

Virškinimo fermentų perteklius dažniausiai stebimas sergant tokia liga kaip pankreatitas. Būklė yra susijusi su šių medžiagų pertekliumi kasos ląstelėse ir jų išskyrimo į žarnyną pažeidimu. Šiuo atžvilgiu organo audinyje išsivysto aktyvus uždegimas, kurį sukelia fermentų veikimas.

Pankreatito požymiai gali būti:

  • stiprus pilvo skausmas;
  • pykinimas;
  • pilvo pūtimas;
  • kėdės prigimties pažeidimas.

Dažnai išsivysto bendras paciento būklės pablogėjimas. Atsiranda bendras silpnumas, dirglumas, mažėja kūno svoris, sutrinka normalus miegas.

Kaip nustatyti virškinimo fermentų sintezės sutrikimus?

Pagrindiniai fermentų sutrikimų gydymo principai

Virškinimo fermentų gamybos pasikeitimas yra priežastis kreiptis į gydytoją. Atlikęs išsamų tyrimą, gydytojas nustatys sutrikimo priežastį ir paskirs tinkamą gydymą. Nerekomenduojama savarankiškai kovoti su patologija.

Tinkama mityba yra svarbi gydymo dalis. Pacientui paskiriama tinkama dieta, kuria siekiama palengvinti maisto virškinimą. Reikėtų vengti persivalgymo, nes tai provokuoja žarnyno sutrikimą. Pacientams skiriama vaistų terapija, įskaitant pakaitinį gydymą.

Konkrečius preparatus ir jų dozes parenka gydytojas.

baltyminio pobūdžio organinės medžiagos, kurios sintetinamos ląstelėse ir daug kartų pagreitina jose vykstančias reakcijas, nevykdamos cheminių virsmų. Panašų poveikį turinčios medžiagos egzistuoja negyvojoje gamtoje ir vadinamos katalizatoriais. Fermentai (iš lot. fermentas - fermentacija, raugas) kartais vadinami fermentais (iš graikų k. lt - viduje, zyme - raugas). Visose gyvose ląstelėse yra labai daug fermentų, nuo kurių katalizinio aktyvumo priklauso ląstelių funkcionavimas. Beveik kiekviena iš daugelio skirtingų ląstelėje vykstančių reakcijų reikalauja tam tikro fermento dalyvavimo. Fermentų cheminių savybių ir jų katalizuojamų reakcijų tyrimas užsiima ypatinga, labai svarbia biochemijos sritimi – enzimologija.

Daugelis fermentų yra ląstelėje laisvos būsenos, tiesiog ištirpę citoplazmoje; kiti yra susiję su sudėtingomis, labai organizuotomis struktūromis. Taip pat yra fermentų, kurie paprastai yra už ląstelės ribų; taigi fermentus, katalizuojančius krakmolo ir baltymų skilimą, kasa išskiria į žarnyną. Išsiskiria fermentai ir daug mikroorganizmų.

Pirmieji duomenys apie fermentus gauti tiriant rūgimo ir virškinimo procesus. L. Pasteuras labai prisidėjo tiriant fermentaciją, tačiau tikėjo, kad atitinkamas reakcijas gali atlikti tik gyvos ląstelės. XX amžiaus pradžioje. E. Buchneris parodė, kad sacharozės fermentaciją, susidarant anglies dioksidui ir etilo alkoholiui, gali katalizuoti mielių ekstraktas be ląstelių. Šis svarbus atradimas paskatino ląstelių fermentų išskyrimą ir tyrimą. 1926 metais J. Samneris iš Kornelio universiteto (JAV) išskyrė ureazę; tai buvo pirmasis fermentas, gautas beveik gryna forma. Nuo to laiko buvo atrasta ir išskirta daugiau nei 700 fermentų, tačiau gyvuose organizmuose jų yra daug daugiau. Atskirų fermentų identifikavimas, išskyrimas ir savybių tyrimas yra šiuolaikinės fermentologijos pagrindas.

Fermentų, dalyvaujančių esminiuose energijos konversijos procesuose, tokiuose kaip cukrų skaidymas, didelės energijos junginio adenozino trifosfato (ATP) susidarymas ir hidrolizė, yra visų tipų ląstelėse – gyvūnuose, augaluose, bakterijose. Tačiau yra fermentų, kurie gaminami tik tam tikrų organizmų audiniuose. Taigi fermentų, dalyvaujančių celiuliozės sintezėje, yra augalų, bet ne gyvūnų ląstelėse. Taigi svarbu atskirti „universalius“ fermentus nuo fermentų, būdingų tam tikriems ląstelių tipams. Paprastai tariant, kuo labiau specializuota ląstelė, tuo didesnė tikimybė, kad ji susintetins fermentų rinkinį, reikalingą tam tikrai ląstelės funkcijai atlikti.

Fermentai ir virškinimas. Fermentai yra būtini virškinimo proceso dalyviai. Tik mažos molekulinės masės junginiai gali prasiskverbti pro žarnyno sienelę ir patekti į kraują, todėl maisto komponentai turi būti iš anksto suskaidyti iki mažų molekulių. Tai vyksta fermentinės baltymų hidrolizės (suskaidymo) metu į aminorūgštis, krakmolą į cukrų, riebalus į riebalų rūgštis ir glicerolį. Baltymų hidrolizę katalizuoja skrandyje esantis fermentas pepsinas. Daugelį labai veiksmingų virškinimo fermentų kasa išskiria į žarnyną. Tai tripsinas ir chimotripsinas, kurie hidrolizuoja baltymus; lipazė, skaidanti riebalus; amilazė, kuri katalizuoja krakmolo skilimą. Pepsinas, tripsinas ir chimotripsinas išskiriami neaktyvia forma, vadinamuoju pavidalu. zimogenai (fermentai) ir suaktyvėja tik skrandyje ir žarnyne. Tai paaiškina, kodėl šie fermentai nesunaikina kasos ir skrandžio ląstelių. Skrandžio ir žarnyno sienelės apsaugotos nuo virškinimo fermentų ir gleivių sluoksnio. Plonosios žarnos ląstelės išskiria keletą svarbių virškinimo fermentų.

Didžioji dalis energijos, sukauptos augaliniame maiste, pavyzdžiui, žolėje ar šiene, yra sukoncentruota celiuliozėje, kurią skaido fermentas celiulazė. Žolėdžių organizme šis fermentas nesintetinamas, o atrajotojai, pavyzdžiui, galvijai ir avys, gali valgyti maistą, kuriame yra celiuliozės, tik todėl, kad celiulazę gamina mikroorganizmai, kurie apgyvendina pirmąją skrandžio dalį – prieskrandį. Mikroorganizmų pagalba maistas virškinamas ir termituose.

Fermentai naudojami maisto, farmacijos, chemijos ir tekstilės pramonėje. Pavyzdys yra augalinis fermentas, gaunamas iš papajos ir naudojamas mėsai minkštinti. Fermentų dedama ir į skalbimo miltelius.

Fermentai medicinoje ir žemės ūkyje. Supratimas apie pagrindinį fermentų vaidmenį visuose ląstelių procesuose paskatino juos plačiai naudoti medicinoje ir žemės ūkyje. Bet kurio augalo ir gyvūno organizmo normali veikla priklauso nuo efektyvaus fermentų darbo. Daugelio toksinių medžiagų (nuodų) veikimas pagrįstas jų gebėjimu slopinti fermentus; kai kurie vaistai turi tokį patį poveikį. Dažnai vaisto ar toksinės medžiagos poveikį galima atsekti pagal jo selektyvų poveikį tam tikro fermento darbui visame kūne arba tam tikrame audinyje. Pavyzdžiui, galingi organofosfatiniai insekticidai ir nervinės dujos, sukurti kariniams tikslams, turi naikinamąjį poveikį blokuodami fermentų darbą – pirmiausia cholinesterazę, kuri atlieka svarbų vaidmenį perduodant nervinius impulsus.

Norint geriau suprasti, kaip vaistai veikia fermentų sistemas, naudinga pasidomėti, kaip veikia kai kurie fermentų inhibitoriai. Daugelis inhibitorių jungiasi prie aktyvios fermento vietos – tos pačios, su kuria sąveikauja substratas. Tokiuose inhibitoriuose svarbiausios struktūrinės savybės yra artimos substrato struktūrinėms savybėms, o jei reakcijos terpėje yra ir substratas, ir inhibitorius, tarp jų vyksta konkurencija dėl prisijungimo prie fermento; kuo didesnė substrato koncentracija, tuo sėkmingiau jis konkuruoja su inhibitoriumi. Kito tipo inhibitoriai sukelia konformacinius fermento molekulės pokyčius, kuriuose dalyvauja funkciškai svarbios cheminės grupės. Inhibitorių veikimo mechanizmo tyrimas padeda chemikams sukurti naujus vaistus.

KAI KURIE FERMENTAI IR JŲ KATALIZUOTOS REAKCIJOS

Cheminės reakcijos tipas

Fermentas

Šaltinis

Katalizuojama reakcija 1)

Hidrolizė Tripsinas Plonoji žarna Baltymai + H2O ® Įvairūs polipeptidai
Hidrolizė b- amilazė Kviečiai, miežiai, saldžiosios bulvės ir kt. Krakmolas + H 2 O ® Krakmolo hidrolizatas + Maltozė
Hidrolizė Trombinas Kraujas Fibrinogenas + H 2 O ® Fibrinas + 2 polipeptidai
Hidrolizė Lipazės Žarnos, riebios sėklos, mikroorganizmai Riebalai + H 2 O ® Riebalų rūgštys + glicerinas
Hidrolizė Šarminė fosfatazė Beveik visos ląstelės Organiniai fosfatai + H 2 O ® Defosforilintas produktas + neorganinis fosfatas
Hidrolizė Ureaza Kai kurios augalų ląstelės ir mikroorganizmai Karbamidas + H2O ® Amoniakas +Anglies dioksidas
Fosforolizė Fosforilazė Gyvūnų ir augalų audiniai, kuriuose yra polisacharidų Polisacharidas (krakmolas arba glikogenas išngliukozės molekulės) + Neorganinės fosfatas Gliukozės-1-fosfatas+ polisacharidas ( n – 1gliukozės vienetai)
Dekarboksilinimas Dekarboksilazė Mielės, kai kurie augalai ir mikroorganizmai Pyruvic Acid ® acetaldehidas + anglies dioksidas
Kondensatas Aldolazė 2 Triozės fosfatas Heksozės difosfatas
Kondensatas Oksaloacetato transacetilazė Taip pat Oksaloacto rūgštis + acetilo kofermentas ACitrinų rūgštis+ kofermentas A
Izomerizacija Fosfoheksozės izomerazė Taip pat Gliukozės-6-fosfatas Fruktozė-6-fosfatas
Hidratacija Fumaraza Taip pat Fumaro rūgštis+ H2O Obuolių rūgštis
Hidratacija Anglies anhidrazė Įvairūs gyvūnų audiniai; žali lapai Anglies dioksidas+ H2O Anglies rūgštis
Fosforilinimas Piruvato kinazė Beveik visos (arba visos) ląstelės ATP + piruvo rūgštis Fosfenolpiruvinis rūgštis + ADP
Fosfatų grupės perkėlimas Fosfogliukomutazė Visos gyvūnų ląstelės; daug augalų ir mikroorganizmų Gliukozės-1-fosfatas Gliukozės-6-fosfatas
Reaminacija Transaminazė Dauguma ląstelių Asparto rūgštis + piruvo rūgštis Oksaloactorūgštis + alaninas
Sintezė kartu su ATP hidrolize Glutamino sintetazė Taip pat Glutamo rūgštis + amoniakas + ATP Glutaminas + ADP + Neorganinis fosfatas
Oksidacija-redukcija Citochromo oksidazė Visos gyvūnų ląstelės, daugelis augalų ir mikroorganizmų O 2+ Sumažintas citochromo kiekis c ® Oksiduotas citochromas c+ H2O
Oksidacija-redukcija Askorbo rūgšties oksidazė Daug augalų ląstelių Vitamino C+ O 2 ® Dehidroaskorbo rūgštis + Vandenilio peroksidas
Oksidacija-redukcija Citochromas c reduktazė Visos gyvūnų ląstelės; daug augalų ir mikroorganizmų AUKŠČIAU · H (sumažintas kofermentas) + Oksiduotas citochromasc ® Sumažintas citochromo kiekisc + NAD (oksiduotas kofermentas)
Oksidacija-redukcija Laktato dehidrogenazė Dauguma gyvūnų klijai - srovė; kai kurie augalai ir mikroorganizmai Pieno rūgštis + NAD (oksiduotas kofermentas) Pyruvic rūgštis + NAD · H (atsigavo kofermentas)
1) Viena rodyklė reiškia, kad reakcija iš tikrųjų vyksta viena kryptimi, o dvigubos rodyklės reiškia kad reakcija yra grįžtama.

LITERATŪRA

Förshtas E. Fermentų struktūra ir veikimo mechanizmas ... M., 1980 m
Paklydęs L. Biochemija , t. 1 (b. l. 104-131), t. 2 (b. l. 23-94). M., 1984-1985
Murray R., Grenneris D., Meyesas P., Rodwellas W.Žmogaus biochemija t. 1.M., 1993 m