Реферат на тему: Ферменты

Оглавление:

У вас нет времени на реферат или вам не удаётся написать реферат? Напишите мне в whatsapp — согласуем сроки и я вам помогу!

В статье «Как научиться правильно писать реферат», я написала о правилах и советах написания лучших рефератов, прочитайте пожалуйста.

Собрала для вас похожие темы рефератов, посмотрите, почитайте:

Введение

«Ферменты (от латинского слова fermentum — дрожжи) — это белки, обладающие каталитической активностью и характеризующиеся очень высокой специфичностью и эффективностью действия. Все процессы в живом организме — дыхание, пищеварение, сокращение мышц, фотосинтез и другие — осуществляются с помощью ферментов. Ферменты присутствуют во всех живых клетках и составляют большинство всех их белков.

Они ускоряют различные химические превращения, составляющие метаболизм в миллион раз. Под действием различных ферментов компоненты пищи — белки, жиры и углеводы — разбиваются на более простые соединения, из которых организм затем синтезирует новые макромолекулы, присущие этому типу. «Это все, что я знал о ферментах. Я решил дополнить свои знания, поэтому сделал энзимное эссе.

История открытия

Наука — это не только достигнутый результат, но и путь, ведущий к невежеству в знаниях, медленному, извилистому, пропущенному, в каждой области в зависимости от достижений смежных наук и общего развития мировоззрения. Даже в незапамятные времена, на заре цивилизации, люди сталкивались в своей практической деятельности с различными ферментативными процессами и использовали их в своих целях. Это было спиртовое и молочнокислое брожение, использование сычуга для сыра, солода и плесени для осахаривания продуктов.

Вероятно, первым человеком, который попытался создать общее представление о химических процессах в живом организме, был врач и ученый Парацельс, родившийся в Швейцарии в конце 15 века. Несмотря на свою наивность (с совершенной точки зрения), взгляды Парацельса во многом были прогрессивными, так как он пытался привлечь реальные силы природы, чтобы понять явления жизни. С этой точки зрения Парацельс и его последователи подошли к природе брожения, концепции, давно известной как брожение всех видов, в основном алкоголя и молочной кислоты. Уже в XVI и начале XVII веков предпринимались попытки рассматривать брожение как химический процесс.

И Василий Валентин (первая половина XVI в.), и Андрей Либавий (1550-1616 гг.) считали ферменты (или дрожжи) особым веществом, хотя подчиняли свое действие некоторым нематериальным силам. Еще одним последователем Парацельса был известный голландский химик Иоганн Баптист Ван Хельмонт (577-1644). Именно он описал фермент как агент, который вызывает и контролирует химические процессы в организме. Качественный скачок в развитии доктрины ферментации произошел в связи с исследованиями великого французского химика Антуана Лавуазье, совершившего революцию в химии и впервые внедрившего строгие количественные методы в химические исследования. В конце XVIII века В конце XVIII века уже было известно, что существуют химические процессы, в которых участвует любой агент, без которого этот процесс практически невозможен.

Первые успехи были достигнуты в исследовании преобразования крахмала в сахар. В этих исследованиях, открывших новую страницу в истории и химии ферментов, решающую роль играет творчество петербургского академика Кирхгофа. В начале XIX века были открыты многие химические реакции, в том числе некоторые ферментативные. Юстус Либих был одним из величайших химиков 19 века. В то время было обнаружено еще несколько ферментов. В 1836 году Т. Шванн впервые обнаружил в желудочном соке фермент животного происхождения — пепсин. Чуть позже, в 1857 году, Корвизар описал другой фермент, который переваривает белки — трипсин. В XIX веке (1897) Эдуард Бухнер убедительно доказал химическую природу ферментов. В 1907 году Эдуард Бухнер был удостоен Нобелевской премии по химии. (Ферменты В.И. Розенгарта — двигатели жизни).

Ферментативная природа

Был окончательно определен химический характер ферментов в среде, свободной от клеток. Установлено, что все они являются веществами с белковым характером и, как и все белки, могут быть простыми и сложными, в зависимости от сопутствующего компонента небелкового характера (группы простаты).

Таким образом, мы подчеркнули, что свойство каждого белка определяется последовательностью аминокислотных остатков в его молекуле. Эта последовательность называется первичной структурой белка. В последние годы для изучения первичной структуры были разработаны очень надежные и даже автоматизированные методы, позволяющие определить полную последовательность аминокислот для многих белков, включая ферменты. Кроме первичной структуры, определяемой аминокислотной последовательностью, более высокие уровни — вторичные и третичные структуры, суть которых заключается в определенном положении полипептидных цепочек в пространстве, — играют важную роль в специфических свойствах белка (в том числе и в ферментативной активности).

Вторичные и третичные белковые структуры поддерживаются относительно слабыми внутримолекулярными связями и поэтому могут быть легко разрушены различными физическими и химическими воздействиями. Такое повреждение высших белковых структур без повреждения первичной структуры является сущностью денатурации. В случае денатурации белок часто теряет свои биологические свойства, в случае ферментов ферментная активность исчезает.

Современные методы исследования позволяют получить представление не только о первичной структуре белков. Существуют ферменты, в которых расшифровывается пространственное расположение атомов, составляющих их молекулу, т.е. вторичная и третичная структура. Это было достигнуто с помощью исключительно тонкого и сложного метода, известного как рентгеноструктурный анализ. Некоторые белки характеризуются еще более высоким структурным уровнем — четвертичной структурой. Это уже супрамолекулярный уровень: для функционирования такого белка требуется не одна, а несколько молекул (обычно две или четыре), которые вместе образуют комплекс со всеми специфическими свойствами.

Каждая молекула такого белка, образующая четвертичный комплекс, называется субъединицей. Многие ферменты состоят из субъединиц. В некоторых случаях сами субъединицы активны, в то время как в других их субъединицы по отдельности неактивны. Субъединицы, составляющие молекулу фермента, могут быть одинаковыми, но они также могут отличаться друг от друга. Идея молекулы фермента как структуры, состоящей из субъединиц, позволяет объяснить очень интересное и практически важное явление. Существуют ферменты, отличающиеся по своей структуре, но катализирующие одну и ту же реакцию, их называют изоферментами. Эти ферменты довольно часто встречаются в организме, и их обнаружение очень важно в медицине.

Одним из наиболее поразительных свойств ферментов является их специфичность. Специфика ферментов проявляется по-разному и может быть выражена в различной степени. Во-первых, следует различать специфику субстрата и природу химической реакции, катализируемой ферментом.

Специфичность по отношению к реакции

Каждый фермент катализирует химическую реакцию или группу реакций одного типа. Наиболее ярким проявлением такого рода специфики могут быть достаточно частые случаи, когда одно и то же химическое соединение действует в качестве активной подложки для нескольких ферментов, каждый из которых катализирует специфическую для него реакцию, приводящую к образованию совершенно разных продуктов.

В первой реакции аминокислоты окисляются под действием ферментной оксидазы. В этом процессе аминогруппа (NH2) отделяется в виде аммиака (NH3) и образуется соединение, содержащее бретоновую группу (С=О), называемую кето-кислотой.

Вторая реакция катализирует декарбоксилазу. Под действием этого фермента из карбоксильной группы (-UN) выделяется углекислый газ (CO2) и остается амин.

Третья реакция сложнее. Он катализируется ферментом трансиминазы и состоит в переносе аминогруппы из аминокислоты в кетоновую. Мы видим, что исходная аминокислота имеет радикал R, а новая аминокислота, полученная в результате реакции, — радикал R’.

Поэтому один и тот же субстрат подвергается различным трансформациям под воздействием различных ферментов.

Специфика субстрата

Помимо формы специфичности фермента, только что описанной относительно реакции, которую он катализирует, существует еще одна форма специфичности, тесно связанная с первой, которая выражается в способности фермента атаковать субстрат только одной определенной химической структуры. Иногда фермент способен атаковать только один субстрат, и в этом случае, как говорят, имеет абсолютную специфичность. В большинстве случаев фермент действует на группе субстратов со сходной структурой. Эта характеристика называется групповой спецификой. Особый интерес представляет так называемая стереохимическая специфика, заключающаяся в том, что фермент действует на подложку или группу подложек с особым расположением атомов в пространстве.

Абсолютная конкретность встречается редко.

Хорошим примером фермента с очень высокой, почти абсолютной специфичностью является уреаза, катализирующая гидролиз мочевины.

Долгое время считалось, что мочевина является единственным субстратом уреазы. Однако не так давно было показано, что кристаллическая уреаза может действовать и на близкий родственник мочевины — оксимочевину, для которой характерно присутствие в молекуле атома кислорода.

«Правда, реакция гидролиза мочевины под действием уреазы в 120 раз медленнее гидролиза мочевины» (Ферменты В.И. Розенгарта — Двигатели Жизни).

Таким образом, понятие «абсолютной специфичности» является в некоторой степени относительным.

Специфика группы. Он характеризует подавляющее большинство ферментов и заключается в том, что фермент, проявляющий свою специфичность по отношению к реакции, способен действовать не на одной, а на нескольких, иногда на большом количестве подложек со сходной химической структурой. Например (см. Приложение 1), три различных фермента, которые действуют на аминокислоты. Все они имеют групповую специфику, потому что действуют на многие, иногда на все аминокислоты, а не только на одну аминокислоту.

Относительная специфичность группы проявляется, когда фермент не имеет отношения к структуре соединения и важен только тип связывания. Примером может служить химотрипсин, который расщепляет только пептидную связь.

Особое значение имеет стереохимическая и оптическая специфика. Он проявляется только в оптически активных веществах, а фермент активен только по отношению к стереоизомерной форме соединения. Например, L-аргиназа разлагает L-аргинин на L-орнитин и мочевину, но не действует на A-аргинин. Известным примером является d- и L-специфичность аминокислотных оксидаз. Стереохимическая и оптическая активность также может быть абсолютной и относительной; например, карбоксипептидаза, которая разлагает карбобензокси-глицил-L-фенилаланин, совсем не влияет на субстрат с А-фенилаланином: с другой стороны, эстеразой свиной печени только разлагает метиловый эфир L-алмондной кислоты в два раза быстрее, чем ее А-изомер.

После того, как стало возможным изучать ферменты в безклеточной среде, их химическая природа была окончательно определена. Установлено, что все они являются веществами белковой природы и, как и все белки, могут быть простыми и сложными, в зависимости от сопутствующего компонента небелковой природы (группы протезов).

Ферменты — простые белки — состоят только из аминокислот, а их каталитические свойства обусловлены свойствами самой белковой молекулы. Большинство гидролитических ферментов принадлежит к этой группе. Ферменты — сложные белки — содержат в своем составе не только белковый компонент, но и небелковые — такие как нуклеотиды, гемогрупповые, витамины, атомы (катионы) металла. Эти ферменты обычно включают ферменты с окислительно-восстановительным эффектом. Прочность связи между белковым компонентом и группой протезов в сложных ферментах может варьироваться. В одних случаях связь прочна, в других — группа протезов может быть достаточно легко отделена, например, во время диализа.

Легко диссоцирующие группы ортопедических ферментов известны как коферменты. Когда протезная группа отделяется от белковой части фермента — последний теряет свою активность. В простых ферментах активный центр образуется непосредственно группой аминокислотных остатков в спиральной цепи белковой молекулы. В сложных ферментах он образуется группой протезов и некоторыми смежными остатками. Размер активных центров значительно меньше, чем сама молекула фермента.

Один активный центр составляет массу молекулы с молекулярной массой 30 000. В простых ферментах пространственная группировка этих аминокислотных остатков сама по себе определяет структуру активного центра и каталитическую активность фермента. В сложных ферментах структура активного центра определяется группой протезов и боковыми группами некоторых аминокислотных остатков, пространственная структура которых оказывает существенное влияние на специфику и каталитическую активность небелкового компонента. Среди этих аминокислотных остатков наиболее важными являются SH-группы цистеина, OH-группы серина, индоловая группа триптофана и карбонильные группы дикарбоновых аминокислот. Компоненты активного центра не могут быть представлены так, как если бы они были последовательно расположены на любой части цепи. Получается, что активный центр образован компонентами, которые были удалены в первичной структуре полипептидной цепи, но пространственно близки друг к другу из-за специфического расположения полипептидной цепи.

В настоящее время известно около 2000 ферментов, но список не полный.

Все ферменты разделены на 6 классов в зависимости от типа катализируемой реакции:

ферменты, катализирующие окислительно-восстановительную реакцию оксидоредуктазы;
Передача ферментов различных групп (метильной, аминокислотной, фосфорной и др.) — Трансферы.
Ферменты, осуществляющие гидролиз химических связей — Гидролазы
Ферменты негидролитической отслойки из субстратов различных групп (NH3, CO2, H2O и др.) — лиазы.
Ферменты, ускоряющие синтез связей в биологических молекулах с участием энергетических доноров, такие как АТФ — лигазы.
Ферменты, катализирующие превращение изомеров друг в друга, являются изомеразой.

ОКСИДОРЕДУКТАЗЫ — ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные процессы в организме. Они транспортируют водород и электроны и известны под названием вакцинации как дегидрогеназы, оксидазы и пероксидазы. Эти ферменты характеризуются наличием специфических коферментов и ортопедических групп. Они делятся на функциональные группы доноров, из которых они берут водород или электроны, и на акцепторов, которым они их передают (в группу CH-O, группу CH-NH, группу C-NH и другие).

ТРАНСФЕРАЗЫ — ферменты, несущие атомные группы (в зависимости от того, какую группу они несут, они называются соответственно). Среди них известны ферменты, несущие большие остатки, такие как гликозилтрансферазы и другие. Трансферазы участвуют в промежуточном метаболизме из-за разнообразия остатков, которые они несут.

ГИДРОЛАЗ — ферменты, катализирующие гидролитическое расщепление различных субстратов (с участием молекул воды). В зависимости от этого к ним относятся эстеразы, разрушающие эфирную связь между карбоксильными кислотами (липазами) тиоловых эфиров, фосфоэфирной связью и т.д.; гликозидазы, разрушающие гликозидные связи, пептидные гидролазы, действующие на пептидную связь и др.

ЛАССЕН. В эту группу входят ферменты, способные высвобождать из субстрата различные группы негидролитическим способом с образованием двойной связи или, наоборот, связывать группы с двойной связью. При расщеплении образуются H2O или CO2 или крупные остатки, такие как ацетил-СОА. Соединения играют очень важную роль в обмене веществ.

Изомеразы — это ферменты, катализирующие преобразование изомерных форм друг в друга, т.е. они осуществляют внутримолекулярное преобразование различных групп. К ним относятся не только ферменты, стимулирующие реакции взаимных переходов оптических и геометрических изомеров, но и те ферменты, которые могут способствовать преобразованию альдозы в кетозы или движению эфирной связи и другие.

ЛИГАЗЕН. В прошлом эти ферменты не отделялись от лигаз, так как реакция последних часто происходила в двух направлениях, но недавно было обнаружено, что в большинстве случаев синтез и разложение происходит под влиянием различных ферментов, и на этой основе был выделен отдельный класс лигаз (синтетаза). Ферменты, обладающие двойным действием, называются бифункциональными. Лигазы участвуют в реакции соединения двух молекул, т.е. в синтетических процессах, связанных с расщеплением АТФ или других макроэргических связей.

«Первое деление ферментов на наибольшие группы (6 классов) основано не на названии субстрата, а на типе химической реакции, катализирующей фермент. Кроме того, ферменты внутри классов делятся на подклассы в зависимости от структуры подложки. К подклассам относятся ферменты определенного класса, действующие на аналогично структурированных подложках. Это расщепление еще не закончено. Ферменты каждого подкласса разделены на подклассы, в которых еще более строго определена структура химических групп, отличающих подложки друг от друга. Подкласс является последним самым низким уровнем классификации. Отдельные ферменты уже перечислены в подклассах. Таким образом, вся система проста и достаточно экономична:

Индивидуальный фермент класса-субкласса

В соответствии с этим принципом классификации была предложена очень удобная система нумерации (индексирования) ферментов.

Каждый индекс состоит из четырех чисел, разделенных периодами:

Номер класса.
Номер подкласса в этом классе
Номер подкласса
номер, присвоенный этому единственному ферменту в этом подклассе» (Ферменты В. И. Розенгарта — Двигатели Жизни).

Например, фермент амилазы, который гидролизует крахмал и с которым мы встречались несколько раз, имеет индекс 3.2.1.1. Классификация ферментов предназначена для того, чтобы оставить место ферментам, которые еще не обнаружены.

В ферментологии уже давно не существует строгой научной номенклатуры ферментов. Ферменты называли по случайным признакам (тривиальная номенклатура), названиям субстратов (рациональные), химическому составу фермента и, наконец, типу каталитической реакции и типу субстрата. Примерами тривиальной номенклатуры являются названия таких ферментов, как пепсин (от гречневого пепсина — переваривание), трипсин (от гречневого трипсиса — сжижение) и папаин (от названия бахчевого дерева Carica papaja, из которого оно извлекается). В действии все эти ферменты являются протеолитическими, т.е. ускоряют гидролиз белков. Характерное название дано группе цветных внутриклеточных ферментов, ускоряющих окислительно-восстановительные реакции в клетке — цитохром (от лат. citos — клетка и хрома — цвет).

Наиболее широко используется рациональная номенклатура, согласно которой название фермента состоит из названия субстрата с характерным окончанием — аза. Предложение было сделано более века назад, в 1883 году Э. Дюклосом, учеником Л. Пастера. Так, фермент, ускоряющий реакцию гидролиза крахмала, назывался амилазой (от амилона гречихи до крахмала), гидролиз жиров — липазой (от липоса гречихи до жира), белков (белков) — протеазой, мочевины — уреазой (от гречихи — мочевиной) и так далее. Когда методы аналитической химии достигли известных успехов в расшифровке химической природы ортопедических групп, была создана новая номенклатура ферментов. Они были названы в честь группы протезов, например, геминферма (группа протезов — гемма), пиридоксального фермента (группа протезов — пиридоксаль) и др. Затем название фермента стало относиться как к типу субстрата, так и к типу катализируемой реакции. Например, фермент, который удаляет водород из молекулы янтарной кислоты, называется сукцинат-дегидрогеназа, что подчеркивает как химическую природу субстрата, так и удаление атомов водорода во время ферментативного действия:

Дегидрирование синтетической кислоты Малеиновая кислота

В 1961 году Международная комиссия по номенклатуре энзимов представила на пятом Международном биологическом конгрессе проект номенклатуры, основанный на строго научных принципах. Проект был одобрен Конгрессом, и новая номенклатура прочно закрепилась в ферментологии. В соответствии с этой (московской) номенклатурой ферменты состоят из химического названия субстрата и названия реакции, осуществляемой ферментом. Если химическая реакция, ускоренная ферментом, сопровождается переносом атомной группировки из подложки в акцептор, то название фермента также содержит химическое название акцептора. Например, пиридоксальный фермент, катализирующий реакцию реаминирования между L-аланином и -кетоглуатариновой кислотой, называется L-аланином: 2-оксоглутаминовая аминотрансфераза. Это название имеет сразу три особенности: 1) субстрат — L-аланин; 2) 2-оксоглюатариновая кислота служит акцептором; Н) аминогруппа передается от субстрата к акцептору. Названия ферментов по научной номенклатуре приобретают неизмеримую точность, но в некоторых случаях становятся намного более сложными, чем старые, тривиальные. Так, уреазу (тривиальное название), ускоряющую реакцию гидролиза — мочевину на моноксид углерода (IV) и аммиак, научную номенклатуру называют мочевиной — амидогидролазой.

Это название дает точное химическое название субстрата и указывает на то, что фермент катализирует реакцию гидролиза аминогруппы. Трехалаза, ускоряющая реакцию гидролиза трегалозы, называется трехалоза-1-глюкогидролаза… В связи со значительным усложнением научных названий в новой номенклатуре допускается сохранение рабочих названий ферментов рядом со старыми тривиальными названиями. Международная комиссия составила подробный список всех известных в то время ферментов, который был существенно дополнен в 1972 г. пересмотром классификации и номенклатуры некоторых ферментов с указанием не только нового научного названия каждого фермента, но и старого, химии реакции, катализируемой ферментом, и, в некоторых случаях, типа фермента. Поэтому любая путаница в названии фермента исключается. В 1964 году список включал 874 фермента, позже он был значительно расширен — до 1770 ферментов в 1972 году и до ферментов в 2003 году в 1979 году.

Для исследователя или практикующего ферментного врача определение активности ферментов является постоянной, повседневной задачей, потому что каждое исследование свойств ферментов, каждое применение ферментов на практике — в медицине и в бизнесе — всегда связано с необходимостью знать, как быстро протекает ферментативная реакция. Для понимания и правильной оценки результатов определения ферментативной активности необходимо иметь четкое представление о факторах, определяющих скорость реакции, об условиях, влияющих на нее. Таких условий много. Прежде всего, это соотношение концентраций самих реактивных веществ: фермент и субстрат. Кроме того, это всевозможные характеристики окружающей среды, в которой происходит реакция: температура, кислотность, наличие солей или других загрязняющих веществ, которые могут как ускорить, так и замедлить ферментативный процесс и так далее. Давайте попробуем рассмотреть эти условия более подробно.

Последствия экологических реакций

Для большинства известных в настоящее время ферментов существует определенный PH-оптимал, при котором они обладают максимальной активностью. Это значение является важным критерием свойств фермента. Иногда это свойство используется ферментами для их препаративного разделения. Наличие оптимального PH можно объяснить тем, что ферменты являются полиэлектролитами и их заряд зависит от значения PH (см. Приложение 2). Иногда сопутствующие вещества, такие как буферные растворы, могут изменять оптимальный PH.

В некоторых случаях, в зависимости от субстратов, ферменты с тонкой специфичностью имеют более чем один оптимум. Например, пепсин расщепляет яичные белки при PH 1,5-2,0 и синтетические субстраты при PH 4,0. Поэтому значение (PH оптимальное) является очень чувствительным признаком для конкретного фермента. Он зависит от типа подложки и состава буферного раствора и поэтому не является реальной константой. Следует также помнить о свойствах ферментов как белков, способных к кислотно-основному денатурированию. Поэтому при определении оптимального PH, при котором поддерживается физическая и химическая стабильность фермента. Кислотно-основная денатурация может привести к необратимым изменениям структуры фермента с потерей каталитических свойств.

Присутствие некоторых ионов в реакционной среде может активировать образование активного субстрата ферментативного комплекса, в этом случае скорость ферментативной реакции возрастает. Такие вещества называются активаторами. В этом случае вещества, катализирующие ферментативные реакции, непосредственно не участвуют.

На активность некоторых ферментов существенное влияние оказывает концентрация соли в системе, в то время как другие ферменты не чувствительны к присутствию ионов. Однако некоторые ионы абсолютно необходимы для нормального функционирования некоторых ферментов. Известно, что ионы подавляют активность одних ферментов и являются активаторами других. К конкретным активаторам относятся катионы металлов: Na+, K+, Rb+, Cs+, Mg2+, Ca2+, Zn2+, Cd2+, Cr2+, Cu2+, Mn2+, Co2+, Ni2+, Al3+. Также известно, что катионы Fe2+,Rb+,Cs+ действуют как активаторы только в присутствии Mg, в других случаях эти катионы не являются активаторами. В большинстве случаев один или два иона могут активировать фермент.

«Например, Mg2+ является общим активатором для многих ферментов, которые действуют на фосфоримизированные субстраты. Почти во всех случаях Mn2+ может быть заменен, но другие металлы — нет. Следует отметить, что щелочные металлы в целом конкурируют друг с другом, в частности Са2+ ингибирует активность многих ферментов, активируемых Mg2+ и Zn2+. Причина этого до сих пор неясна» (Г. А. Смирнова Грундлаген дер Биология). Механизм влияния ионов активатора металла может быть различным. Прежде всего, металл может быть компонентом активного центра фермента. Но он может действовать как связующее звено между ферментом и субстратом, которое удерживает субстрат в активном центре фермента.

Имеются данные о том, что ионы металлов способны связывать органические соединения с белками, и, наконец, одним из возможных механизмов действия металлов как активаторов является изменение константы равновесия ферментативной реакции. Показано, что анионы также влияют на активность ряда ферментов. Например, влияние КИ- на активность А-амилазы животного происхождения очень велико. Помимо существования активаторов ферментов, известно, что ряд веществ ингибирует каталитическую активность ферментов или полностью их инактивирует. Эти вещества обычно называют ингибиторами.

Ингибиторы — это вещества, которые определенным химическим путем воздействуют на ферменты и по своей природе могут быть разделены на обратимые и необратимые ингибиторы. Реверсивное торможение характеризуется равновесием между ферментом и ингибитором с определенной константой равновесия. Такая система характеризуется определенной степенью ингибирования в зависимости от концентрации ингибитора, при которой ингибирование достигается быстро и независимо от времени. Когда ингибитор удаляется диализом, активность фермента восстанавливается.

Необратимое торможение проявляется, главным образом, в том, что диализ не способствует восстановлению активности ферментов. В отличие от обратимого ингибирования, оно со временем увеличивается, так что полное ингибирование каталитической активности фермента может происходить даже при очень низких концентрациях ингибитора. В этом случае эффективность ингибитора зависит не от константы равновесия, а от константы скорости, которая определяет долю ингибированного в данном случае фермента.

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ. Температура является одним из важнейших факторов внешней среды, который изменяет свою скорость независимо от состояния равновесия реакции. Поэтому в ферментативных реакциях при повышении температуры на 10 С процесс ускоряется в 1,5-2 раза. При дальнейшем повышении температуры процессы денатурации, типичные для всех белков, включая ферменты, объединяются, так что наблюдается распад скорости реакции (см. Приложение 3). Оптимальной температурой реакции является температура, при которой одно из ее действий вызывает ускорение реакции, катализируемой этим ферментом.

Для большинства ферментов животного происхождения он составляет 40 — 50 С, для растений — 50 — 60 С. Почти все ферменты уничтожаются при температуре 80 С. Но для некоторых ферментов в настоящее время доказана возможность восстановления их каталитической активности в случае обратимого процесса денатурации белков. Также известны ферменты, чья максимальная активность проявляется при более низких температурах. «Например, каталаза, оптимальная температура которой находится в диапазоне 0-10С» (Г. А. Смирнова Основы биохимии). Понижение температуры снижает скорость ферментативных реакций. Большинство ферментов не теряют своих каталитических свойств при 0°C, но при замораживании химические реакции прекращаются. При определенных условиях ферментативная активность клеток может быть восстановлена во время последующего оттаивания.

ЭФФЕКТ ДАВЛЕНИЯ. При изучении влияния давления на скорость ферментативных реакций в первую очередь необходимо учитывать, как и при изучении других факторов, возможность денатурации ферментов под высоким давлением.

Если константа скорости ферментативной реакции возрастает с увеличением давления, то образование активного комплекса происходит с уменьшением объема, и наоборот, если давление возрастает, то образование активного комплекса происходит с увеличением объема, то константа скорости реакции уменьшается.

Скорость любого ферментативного процесса во многом зависит от концентрации как субстрата, так и фермента. Обычно скорость реакции прямо пропорциональна количеству фермента, при условии, что содержание субстрата находится в пределах оптимального или немного выше. При постоянном количестве фермента скорость реакции увеличивается с увеличением концентрации субстрата. Эта реакция подчиняется закону активной массы и рассматривается в свете теории Михаэлиса-Ментона.

График показывает связь между скоростью реакции и концентрацией субстрата. В восходящей части гиперболы при низких концентрациях субстрата скорость реакции пропорциональна концентрации субстрата. На пике, когда концентрация субстрата высока, скорость реакции приближается к максимальному значению и практически не зависит от концентрации. Первое объяснение этой кривой дал Генри (1901). Он предположил, что основой этой реакции является образование субстрата — ферментного комплекса. Позже эта теория была экспериментально обоснована Михаэлисом-Ментеном и не утратила своей значимости до сегодняшнего дня.

Режим деятельности

Была выдвинута гипотеза, что ферменты адсорбируют реактивные молекулы на их поверхности, увеличивая концентрацию молекул субстрата в местах сорбции и тем самым повышая вероятность реакции между ними. Постепенно считалось, что фермент не сорбирует субстрат на своей поверхности, а взаимодействует с ним, и это взаимодействие заключается на первом этапе в образовании слабого соединения — комплекса между ферментом и субстратом. Одна молекула субстрата реагирует с каждой молекулой фермента (точнее, с каждым из его каталитических центров), и реакция необратима. Если фермент обозначен буквой E, а подложка — буквой S, то реакцию можно записать как уравнение.

Очевидно, что ферментативный процесс в целом не может завершиться образованием ферментно-субстратного комплекса. Этот комплекс является лишь промежуточным соединением, которое подвергается дальнейшим преобразованиям. В простейшем случае это химическое превращение комплекса, в результате которого подложка (S) распадается на продукты (назовем их буквой P) и фермент покидает реакцию в постоянной форме.

Так немецкие ученые Л. Михаэлис и его коллега М. Ментен вообразили ход ферментативной реакции, разработав в 1913 г. общую теорию ферментативного действия, основанную на идее формирования в качестве первой стадии реакции промежуточного комплекса ферментного субстрата. В большинстве случаев сложному разложению предшествует химическое превращение (активация), которое представляет собой еще одну промежуточную стадию и опять же усложняет уравнение реакции.

Скорости отдельных стадий ферментативного процесса варьируются. Некоторые едут быстрее, другие медленнее. Скорость всей реакции определяется скоростью самой медленной реакции. В процессе ферментации скорость различных стадий также варьируется. Первая стадия этого процесса — формирование ферментно-субстратного комплекса ЭС — является, как мы уже говорили, обратимой реакцией и, в нормальных условиях, чрезвычайно быстрой, по-видимому, намного быстрее последующих стадий. Поэтому общая скорость процесса не определяется этой реакцией. Однако эта стадия является наиболее ответственной, поскольку реальная важность каталитического действия фермента зависит от того, сформирован ферментный субстратный комплекс или нет. Все последующие этапы являются лишь трансформацией результирующего комплекса. Так как ты представляешь себе образование такого комплекса? Какие условия должны быть выполнены, чтобы он сформировался?

Если мы вернемся к диаграмме и посмотрим на причудливую форму молекулы фермента и подложки, то увидим, что та часть молекулы фермента, на которой «сидит» подложка. Его контуры, кажется, повторяют форму подложки. Это символизирует строгое пространственное и химическое соответствие, которое существует между активным центром фермента и субстратом. Это соответствие абсолютно необходимо для формирования комплекса. Еще в конце прошлого века известный немецкий химик Эмиль Фишер предположил, что фермент должен приближаться к субстрату в качестве ключа от замка. Это выражение было вдохновлено и сохранилось до наших дней. Однако образ «замка-ключа» перестал удовлетворять ученых.

Это изображение предполагает жесткость, прочность структуры, стойкость фермента и подложки к воздействию железа. Такие свойства не характерны для гибких, подвижных молекул биологических веществ. Именно поэтому, главным образом благодаря работе американского биохимика Д. Кэшленда, была разработана еще одна теория, которая дополняет и расширяет идеи Фишера. Согласно этой гипотезе, полная корреляция между молекулой субстрата и каталитическим центром фермента происходит только при их встрече. Субстрат индуцирует в молекуле фермента такое изменение положения химических групп в пространстве, что появляется ранее отсутствовавшее соответствие и одновременно может быть сформирован ферментно-субстратный комплекс. Ее появление связано с гибкостью белковой молекулы, с подвижностью ее структуры, но, конечно, это возможно только в том случае, если молекула субстрата обладает подходящими свойствами и формой. В приложении 5 показана схема, объясняющая возникновение индуцированного соответствия между ферментом и субстратом.

Только после контакта фермента с подложкой химические группы активного центра (A, B, C) достигают состояния строгого согласия с молекулой подложки вследствие изменения их пространственного положения.

Следует также помнить, что хотя молекула субстрата, как правило, намного меньше молекулы фермента, она также имеет некоторую подвижность, и при взаимодействии с ферментом эта подвижность может способствовать лучшему совпадению.

Особенность ферментов в том, что мы можем судить об их наличии только по их воздействию. Мы можем измерить скорость ферментативных реакций, т.е. количество субстрата, которое было преобразовано в единицу времени, например, за одну минуту или один час. Различные ферменты обладают гораздо большей, чем одна и та же молекулярная активность. Таблица (см. Приложение 7) дает представление о фактических значениях этого вида деятельности. В таблице показано, насколько различна молекулярная активность различных ферментов и какие огромные значения она может достигать в некоторых случаях. «Углевод», занимающий первое место в таблице и обладающий чудовищной молекулярной активностью (36 миллионов), является самым активным из всех известных ферментов. («Ферменты В. И. Розенгарта — это двигатели жизни»).

Постоянный обмен нуклеиновыми кислотами, является основной частью генетического материала клетки. В процессе обмена нуклеиновыми кислотами происходит как синтез, так и разложение. Этот процесс катализирует большую группу ферментов в сочетании с нуклеазами. Цепь нуклеиновой кислоты образуется из фосфорной кислоты и углеводородов; основания азотной кислоты служат боковыми группами. Поэтому разрушение нуклеиновых кислот является разрывом связей между остатками фосфорной кислоты и углеводами. Все нуклеазы можно разделить на две группы: Эксонуклеаза и эндонуклеаза. Эксонуклеазы действуют с одного конца полинуклеотидной цепи и отсекают нуклеотид на каждой стадии, постепенно укорачивая цепь. Напротив, эндонуклеаза разрывает связи внутри молекулы нуклеиновой кислоты одновременно на многих участках, что приводит к быстрой деградации молекулы. Весь комплекс ферментов, участвующих в метаболизме нуклеиновых кислот, выполняет важную биологическую задачу: поддерживает целостность генетического материала клетки и восстанавливает (корректирует) те повреждения структуры ДНК, которые могут быть вызваны радиоактивным или ультрафиолетовым облучением и другими вредными эффектами.

Известно, что все проявления жизнедеятельности связаны с потреблением энергии. Эта энергия высвобождается в результате химических превращений в клетках тех веществ, которые поступают в наш организм в качестве пищи. Задача пищеварения заключается в преобразовании основных питательных веществ — белков, углеводов и жиров — в продукты, которые могут быть использованы непосредственно во внутриклеточном метаболизме. Пища начинает свое путешествие в тело с входа в рот, и на этом этапе она уже сталкивается с ферментами. Слюна содержит фермент амилазы, который катализирует разложение крахмала и его превращение в сахар.

Пережеванная и увлажненная слюна проглатывает пищу и проходит через пищевод в желудок. Подкладка для желудка производит желудочный сок. Желудочный сок содержит соляную кислоту, которая придает содержимому желудка кислую среду. Желудочный сок содержит также протеолитический (разделяющий белки) фермент — пепсин. Лучше всего работает в кислой среде. Пепсин не расщепляет белки до конца, он просто «разбивает» большую белковую молекулу на части, доступные для действия пищеварительных ферментов кишечника.

Из желудка пищевая мякоть попадает в двенадцатиперстную кишку, куда наливаются соки двух крупнейших желез человеческого организма — печени и поджелудочной железы. Сок поджелудочной железы содержит большое количество ферментов, которые действуют на все необходимые питательные вещества. Ферменты: Трипсин и химотрипсин (расщепляющие белки) расщепляют пептидные цепи в разных местах. Комбинированная атака протеолитических ферментов в желудочном и поджелудочном соках приводит к расщеплению белков на мелкие пептиды с небольшим количеством остатков аминокислот.

Сок поджелудочной железы содержит чрезвычайно активную амилазу, которая практически полностью завершает распад крахмала, инициированный слюной. В результате крахмал превращается в солодовый сахар — мальтозу — дисахарид, состоящий из двух остатков глюкозы. Третий основной компонент пищи — жиры — также расщепляется под действием сока поджелудочной железы. Для этого существует специальный фермент — липаза. Самой простой и распространенной формой жиров являются триглицериды.

Под действием липазы триглицеридная молекула связывает три молекулы воды и распадается на компоненты глицерина и жирных кислот. Однако окончательную работу по пищеварению выполняет кишечный сок, вырабатываемый клетками слизистой оболочки тонкого кишечника. Он содержит много ферментов, которые завершают окончательное разложение питательных веществ. Фрагменты белковых молекул разбиваются на отдельные аминокислоты, мальтоза из крахмала и других сложных углеводов превращается в простые углеводы — моносахариды — подобно глюкозе. Это завершает процесс пищеварения.

Одной из защитных реакций является свертывание крови, в которое вовлечены ферменты. Так как же происходит свертывание крови? Как известно, кровь состоит из жидкой части — плазмы и так называемых ферментных элементов, которые в ней плавают. Это клетки крови: эритроциты (эритроциты) и тромбоциты (тромбоциты). Плазма — это комплексное решение многих веществ, в том числе разнообразных белков. Из белков плазмы, которые сейчас представляют для нас особый интерес, один — фибриноген. Пока кровь течет через кровеносные сосуды, с фибриногеном ничего не происходит. Но если сосуд поврежден настолько сильно, что из него течет кровь, фибриноген очень быстро превращается в другой белок — фибрин.

В отличие от фибриногена, фибрин не растворяется в плазме. Он выпадает в осадок в виде тонких нитей, которые переплетаются в толстую сеть. Кровяные клетки застревают в этой сетке, и образуется густой сгусток — сгусток, который предотвращает дальнейшее кровотечение. Превращение фибриногена в фибрин представляет собой ферментативный процесс, катализируемый ферментом тромбин. Тромбин является протеолитическим ферментом, похожим на трипсин и химотрипсин. Но этот фермент очень специфичен. Он действует только на фибриноген и отделяет от своей молекулы два относительно небольших полипептида. Остальная часть молекулы фибриногена регенерирует и превращается в нерастворимый фибрин.

Ферменты также играют важную роль во всех аспектах жизни. Успехи в преподавании ферментов внесли значительный вклад в развитие всех областей человеческой практики.

Ферменты широко используются в медицине. Основное внимание уделяется расследованию таких заболеваний, вызванных отсутствием определенных ферментов. Кроме того, это использование определения активности ферментов в биологических жидкостях и тканях для диагностики различных заболеваний. И, наконец, это использование ферментов в качестве наркотиков. Генетические нарушения. Иногда в бесконечно длинных цепочках ДНК, в которых записываются все инструкции по синтезу белков, внезапно происходят случайные замены: один нуклеотид становится другим. Такие замены называются мутациями.

В большинстве случаев конкретные причины мутации неизвестны. И их последствия часто смертельны. Вот пример. Люди отличаются друг от друга цветом кожи, волос и глаз. Причиной этого являются различные пигменты, меланин, которые синтезируются из определенных аминокислот под действием определенных ферментов. Если образование этих пигментов не обусловлено — отсутствием одного из участвующих ферментов, альбинизмом — отсутствием цвета. У человеческих альбиносов очень белые волосы и светлые глаза. Альбиносы так же здоровы, как и люди с нормальной окраской. Гораздо более серьезным заболеванием, которое часто приводит к смерти новорожденных, является непереносимость простых углеводов — моносахаридов (галактозы и фруктозы). Здесь речь идет о неспособности нормального метаболизма в клетках из-за отсутствия необходимых ферментов.

Врожденные заболевания, связанные с отсутствием ферментов, катализирующих разложение гликогена, были изучены достаточно подробно. В результате нарушения этого процесса гликоген начинает накапливаться в тканях в избыточных количествах и препятствует нормальному протеканию обмена веществ. Такие расстройства называются гликогенозами. Заболевания, связанные с витаминным дефицитом, называются авитаминозом. Но в основном это ферментозы. Давно известно и когда-то — было широко распространено заболевание «дубль- дубль» (сегодня оно называется полиневритом — множественное воспаление нервов, до сих пор распространено в некоторых слаборазвитых странах). Причина недостатка витамина В1 в рационе питания.

Этот витамин — тиамин — в сочетании с фосфорной кислотой является небелковой частью фермента декарбоксилазы. Декарбоксилаза разрушает карбоксильную группу (- UNC) некоторых органических кислот, отделяя от них углекислый газ (CO2). При отсутствии витамина В1 декарбоксилаза не может вырабатываться, реакция останавливается и нервная ткань страдает от повреждений, типичных для полиневрита: Паралич конечностей, мышечные боли, слабость, контрактуры. Тяжелое заболевание — пеллагра — связано с недостатком в пище витамина РР — никотиновой кислоты. Давайте упомянем еще один витамин. Он называется витамин B2 и по своей химической природе представляет собой довольно сложную циклическую структуру — рибофлавин. Витамин B2 ассоциируется с тяжелыми поражениями кожи лица и глаз. Это вызвано недостатком ферментов.

Ферменты также используются в диагностике. Определение активности ферментов в биологических жидкостях и тканях стало необходимым инструментом в лабораторной диагностике различных заболеваний. В диагностических целях активность ферментов определяется почти исключительно в крови, гораздо реже — в моче и только в отдельных случаях — в тканях. Не все ткани синтезируют разные ферменты одинаково. Например, высокая активность одних ферментов характерна для печени, для почек или скелетных мышц — для других.

Это явление называется органной специфичностью ферментов. Иногда специфика органов выражается очень четко: фермент присутствует только в одном органе и отсутствует в других. Это дает врачу возможность повысить активность некоторых ферментов в плазме крови с целью выявления заболевания, связанного с дисфункцией очень специфических органов. В последнее время все чаще и чаще предпринимаются успешные попытки использовать ферменты для лечения некоторых заболеваний. Долгое время некоторые ферменты использовались для так называемой заместительной терапии — для компенсации дефицита ферментов, возникающего при определенных заболеваниях.

Такая терапия особенно успешна при нарушениях функции желудочно-кишечного тракта, вызванных недостаточной выработкой пищеварительных ферментов. Ферменты успешно используются в тех случаях, когда лечение требует разрушения белковых образований, которые накопились в больших количествах и нарушают нормальное функционирование тканей. Это происходит при ожогах, гнойных ранах, гнойных и воспалительных заболеваниях легких, когда в бронхиальных трубах накапливается густая масса, препятствующая прохождению воздуха. Существует очень перспективный способ использования ферментов для рассасывания образовавшихся в кровеносных сосудах тромбов. Такие сгустки называются кровяными сгустками; они засоряют сосуды и нарушают кровообращение.

Важность ферментов в пищевой промышленности и сельском хозяйстве велика. Производство сыра, виноделие, производство кисломолочных продуктов, пивоварение, колбасные изделия, выпечка, животные жиры, чай, уксус, лимонная кислота — все это и многое другое, чего здесь не перечислить — технологические процессы в пищевой промышленности, в которых ферменты являются основным игроком. Одной из важнейших проблем пищевой промышленности является развитие комплексной переработки сырья и отходов пищевой промышленности и повышение эффективности этой переработки. Ферментные препараты могут сказать здесь решающее слово.

Серьезной проблемой в консервной, фруктовой и овощной промышленности является использование семян и камней, основной трудностью которых является необходимость уничтожения прочной семенной оболочки. Здесь также можно получить реальные преимущества, используя ферментные препараты. С помощью ферментных препаратов можно снизить потребление сырья растительного и животного происхождения, используемого для приготовления пищи. Использование ферментов в сельском хозяйстве необычайно широко и разнообразно. В растениеводстве селекция многих культур направлена на создание сортов, обогащенных определенными ферментами.

Это важно для скорости созревания культур, для производства продукции более высокого качества и для повышения устойчивости растений к изменениям погодных условий, болезням и вредителям. Особый интерес представляет использование ферментов в производстве кормов. Агрономы заботятся о получении полноценного растительного корма, содержащего все необходимые ингредиенты, необходимые для удовлетворения потребностей организма животного. Роль ферментов, как и в пищевой промышленности, оказалась особенно важной в этом отношении. Плесень и бактерии используются для производства ферментативных препаратов для производства кормов, но задачи здесь иные. Для повышения переваримости грубых кормов необходим фермент целлюлозы для гидролиза грубого корма и повышения его переваримости и усвояемости, особенно у таких животных, как свиньи, которые переваривают грубого корма хуже, чем крупный рогатый скот.

Мы ознакомились с некоторыми аспектами практического применения ферментов в медицине, пищевой промышленности и сельском хозяйстве.

Заключение

В результате этой работы я узнал, что ферменты — это белки, которые катализируют определенные химические реакции в метаболических процессах и чрезвычайно эффективны и специфичны по своему действию. По своему составу ферменты делятся на простые ферменты, состоящие только из белковых молекул, и сложные ферменты, состоящие из белковых и небелковых компонентов (протезные группы, соэнзимы). Каталитическое действие ферментов в основном определяется одной частью молекулы — активным центром. Действие всех ферментов определяется стадией формирования промежуточного соединения с молекулой субстрата. Ферменты играют важную роль в организме, в науке, в экономической деятельности человека. Открытие различных наук позволяет более широко использовать ферменты.

Список литературы

«Энциклопедический словарь молодого биолога» / М.С. Гиляров.
«Биофизическая химия» / А.Г. Пасынский.
«Ферменты — двигатели жизни» / В.И. Розенгарт.
«Основы биохимии» / Г.А. Смирно ва.