Суббота, 28 января

Все ли белки являются ферментами: Ферменты белков — Справочник химика 21

Ферменты белков — Справочник химика 21





    Белки — составляющая часть всего живого. На долю белка приходится приблизительно 50% сухого веса клетки. Из природных источников выделяют белки-ферменты, белки-гормоны, белки-токсины, белки-антигены и другие. Осуществляя ферментативную функцию, белки обусловливают динамичность обмена веществ. Белки — органические соединения. Элементарный состав белка углерод —50 — 55,5% водород — 6,5—7,3% азот — 15—18% кислород — 21—24% сера — 0—2,4%. Характерный показатель — содержание азота, в среднем его принимают равным 16%. При определении содержания белка по азоту количество азота умножают на фактор пересчета 6,25(100 16= 6,25). [c.12]









    Главными продуктами полного гидролиза белков являются смеси а-аминокислот, но процесс протекает ступенчато в определенных условиях, особенно при действии ферментов, белки, расщепляясь, вначале образуют более простые, но близкие к ним по свойствам вещества — пептоны. Они являются продуктами неполного гидролиза белков и, как оказалось, представляют собой смеси различных по сложности полипептидов (стр. 285). При дальнейшем гидролизе из пептонов образуются еще более простые полипептиды, дипептиды и, наконец, а-аминокислоты. [c.289]

    В результате расщепления белков в ЖКТ под действием протеолитических ферментов белки теряют свою видовую, тканевую специфичность и всасываются в кровь в тонком кищечнике в виде аминокислот. Всасывание аминокислот, освобождающихся из белков пищи, происходит очень быстро. Известно, например, что через 15 мин после приема меченого К-дрожжевого белка К-аминокислоты обнаруживаются в крови, а их максимальная концентрация достигается через 30—50 мин после приема белка. [c.366]

    При кипячении с кислотами или щелочами или под действием некоторых ферментов белки подвергаются гидролитическому расщеплению. Конечными продуктами гидролиза белков, как уже было сказано, являются аминокислоты. Аминокислоты так же относятся к белкам, как глюкоза к крахмалу или клетчатке. [c.278]

    Ферменты. Белки, катализирующие различные метаболические реакции. [c.1020]

    Наряду с водой, неорганическими солями, углеводами, витаминами и ферментами белки служат основной составной частью протоплазмы— материала живой клетки. Учащиеся должны понять, что протоплазма — это не смесь перечисленных веществ, а организованная система, находящаяся в непрерывном превращении. Характер- [c.144]

    Избирательную адсорбцию ферментов проводят двумя основными способами. Если фермент адсорбируется, то его тем самым извлекают из смеси, а затем элюируют. При этом балластные белки в растворе остаются в подобных случаях говорят о положительной адсорбции. Возможно и обратное — фермент не адсорбируется, а действие адсорбента состоит в том, что он убирает из раствора неактивные, загрязняющие фермент белки, которые способны связываться с ним. Тем самым ферментный белок очищается. Это случай негативной (отрицательной) адсорбции. При любом варианте необходимо тщательно соблюдать условия pH, температуры и ионной силы. Если в растворах ферментов содержатся — часто это бывает после солевого фракционирования — значительные количества минеральных солей, то они мещают адсорбции и их лучше удалить либо диализом, либо пропустив раствор через сефадекс. Кроме того, для лучшего связывания фермента желательно, чтобы концентрация его в растворе была невелика (не более 0,5—1,0%), количество адсорбента было большим, по весу в 15—20 раз превышающим количество ферментного белка, а pH среды был слабокислым. [c.149]










    Отсюда следует важный вывод о том, что под в л и я п и е м со в-местного действия группы протеолитических ферментов белки пищи распадаются в желудочно-кишечном тракте до аминокислот. [c.317]

    Непрерывная хроматографическая очистка (НХО) представляет собой массообменный метод разделения, который появился вскоре после того, как в 1952 г. Джеймс и Мартин положили начало развитию газовой хроматографии (ГХ). В то время как в аналитической ГХ основное внимание уделяется разделению ничтожных количеств веществ, в НХО делается попытка оптимизировать основные составляющие ГХ, а именно инертный газ, твердый носитель и относительно нелетучую жидкость с целью разделения гораздо больших количеств смесей веществ. Разделяемые смеси включают соединения от углеводородов с малым молекулярным весом до эфирных масел, хелатов металлов и т. д. Совсем недавно область применения методов НХО расширилась и стала включать в себя непрерывное разделение смесей нелетучих веществ, таких, как ферменты, белки и углеводные полимеры, например декстран и другие. Соответствующие разделительные системы могут состоять из инертной подвижной жидкой фазы и такого хроматографического носителя, как шарики из двуокиси кремния с контролируемой пористостью. [c.332]

    Белковые вещества, попадая в пищеварительные органы человека, не проникают в кровь в виде целых молекул. При помощи пищеварительных ферментов, которые в свою очередь являются белками, пищевой белок расщепляется в органах пищеварения на отдельные аминокислоты. Эти обломки белковых молекул уже не имеют тех характерных признаков, которые присущи отдельным белкам. Они обладают способностью всасываться через стенки тонких кишок в кровь и, попадая в кишечные вены, немедленно разносятся по все лу организму. Здесь, с помощью других ферментов-белков, из аминокислот синтезируются новые белки, необходимые для построения протоплазмы живой клетки, специфичной для каждого отдельного органа. [c.64]

    Несмотря на свою относительную слабость, водородные связи имеют очень большое значение. Наиболее важным участком в любой цепи является ее самое слабое звено. Подобно этому, устойчивость некоторых важнейших соединений организма,— например нуклеиновых кислот, ферментов, белков, в значительной мере зависит от прочности водородных связей, являющихся слабыми звеньями в этой структуре. Водородные связи образуются не только между молекулами воды. Мы встретимся с ними и во многих других соединениях. [c.91]

    Можно назвать не менее 8 способов разрушения клеток для экстрагирования из них ферментов белков 1) использование различных мясорубок и гомогенизаторов, измельчающих материал  [c.140]

    Все ферменты — белки, и в первом приближении все белки — ферменты. Получены данные, что так называемые структурные белки рибосом, митохондрий, хлоропластов и мембран обладают ферментативной активностью. Рибосома составлена из немногочисленных типов белковых единиц. По-видимому, точно так же обстоит дело с митохондриями и хлоропластами. Число видов неферментных белков в клетке сравнительно очень невелико — около 100, тогда как число видов различных ферментных белков достигает от 1000 до 10 ООО. Одна- [c.15]

    Исследователи предположили, что азот активизируется в биологических системах, образуя комплексные соединения с ионами переходных металлов, входящих в состав ферментов — белков, ускоряющих химические взаимодействия в клетках. Весьма вероятно, что процесс связывания азота в биологических системах происходит так молекула азота, образуя комплекс с металлом фермента, активируется другой фермент подает активный водород начинается взаимодействие, в результате которого получается аммиак. [c.117]

    Ферменты представляют собой молекулы белков. Хотя все ферменты-белки, это не значит, что все белки — ферменты. Молекулы белковых ферментов отличаются своей величиной их молекулярный вес часто доходит до 100 ООО. Молекулы соединений, на которые действуют ферменты, по сравнению с ними очень невелики (эти соединения называют субстратом). Можно представить такую картину реакции, когда небольшие молекулы субстрата располагаются на поверхности больших молекул белков в реакционноспособных местах. Продукты реакции уходят с поверхности фермента, а их место занимают новые молекулы субстрата. Реакцию можно представить следующим образом  [c.641]

    Этим объясняется известный факт 59, 65, 74, 132, 133], что протеины, ферменты, белки обладают наивысшей поверхностной активностью в изоэлектрической точке. Поскольку у разных белков последняя наступает при разных значениях pH, возникает возможность их разделения [59, 132]. [c.109]










    При нагревании с кислотами или с щелочами, а также при обычных температурах под действием специальных (протеолитических) ферментов белки расщепляются, подвергаясь гидролизу, т. е. разложению водой. [c.328]

    Вес препарата фермента (белка), мг Аммиачный и амидный азот в конце опыта, мг Обогащение (2) изотопом М —  [c.218]

    Ферменты — белки, которые катализируют химические реакиии в биологических системах. [c.26]

    Если карбонизацию проводят путем дрожжевого брожения в закрытом чане, а вино оставляют созревать на дрожжевом осадке, то сложная последовательность химических реакций с участием ферментов, белков, аминокислот, липидов, полисахаридов и других макромолекул существенно меняет химический состав вина, его вкус и аромат, а также пенообразующие свойства. Этот аспект производства игристых вин так же важен для формирования органолептических свойств вина, как и аромат винограда [37]. Именно этим объясняется тот факт, что на основании лишь одних органолептических характеристик виноматериала невозможно предсказать, каким будет качество игристого вина [15]. Указанные химические реакции происходят последовательно, и среди игристых вин различают вина, выдерживавшиеся на дрожжевом осадке недолго и шампанизация которых обусловлена в основном брожением, и вина, длительное время выдерживавшиеся на дрожжевом осадке, у которых органолептические свойства формируются в основном именно этими химическими реакциями. [c.190]

    Этому вопросу были посвящены исследования Л. А. Блюмен- фельда с сотр. По Л. А. Блюменфельду, молекула фермента-белка до начала взаимодействия с субстратом находится в конформаци-онно равновесном состоянии. В активном центре белковая молекула становится неравновесной для соединения фермент — субстрат и элементарный акт ферментативной реакции и заключается в конформационном изменении макромолекул фермент-субстратного комплекса, причем скорость этого изменения определяет и скорость превращения субстрата в продукт реакции. [c.325]

    Среди белков практическое применение в качестве носителей нашли структурные протеины, такие, как кератин, фиброин, коллаген и продукт переработки коллагена — желатина. Эти белки широко распространены в природе, поэтому доступны в значительных количествах, дешевы и имеют большое число функциональных групп для связывания фермента. Белки способны к биодеградации, что очень важно при конструировании иммобилизованных ферментов для медицинских целей. К недостаткам белков как носителей в этом случае следует отнести их высокую иммуно-генность. [c.87]

    Полимеры, содержащие азот [13]. Белки. Химические свойства белков определяются природой амидной связи и функциональными группами (карбоксильной, гидроксильной, аминной, дисульфидной), входящими в состав радикалов К аминокислот. Под действием кислот, щелочей и ферментов белки гидролизуются, распадаясь на аминокислоты. Белки можно ацилировать и алкилировать. Широко используется в промышленности процесс дубления белков, в результате которого они теряют растворимость. Процесс дубления сводится к взаимодействию бифункциональных соединений, например формальдегида, с молеку- [c.259]

    Разработка теоретических положений проведения электросорбцион-ных процессов разделение, выделение, деструкция и концентрирование органических молекул (и продуктов их деструкции), включая биологически активные и высокомолекулярные органические образования (ферменты, белки). [c.4]

    Ферментами или энзимами называются биологические катализаторы, образуемые клетками животных и растений. Общими свойствами ферментов являются их высокая каталитическая активность, специфичность действия, термолабильность и коллоидальный белковый характер. По-видимому, все ферменты — белки с высоким молекулярным весом. Свыше 70 ферментов получены в кристаллическом состоянии. Молекулярный вес кристаллического пепсина 35000, кристаллической лактодегидразы из сердца 135000, дегидразы глутаминовой кислоты из печени 1000000,. алкогольдегидразы из печени лошади 73000 и т. д. [c.249]

    Аффинная Ж. X. основана на образовании прочной связи со специфич. группами неподвижной фазы (лигандами, аффинантами). Взаимод. лигандов с разделяемыми в-вами основано на биол. ф-ции последних. Так, при разделении ферментов лигандами служат их субстраты, ингибиторы или коферменты, токсинов-рецепторы, белков-антитела и т. д. Особенно эффективна в биотехнологии и биомедицине для выделения ферментов, белков, гормонов. [c.152]

    Работами Дж. Гиббса, Вант-Гоффа, В. Нернста и др. создается химическая термодинамика. Исследования электропроводности р-ров и электролиза привели к открытию электролитич. диссоциации (С. Аррениус, 1887). В это же году Оствалвд и Вант-Гофф основали первый журнал, посвященный физической химии, и она оформилась как самостоятельная дисциплина. К сер. 19 в. принято относить зарождение агрохимии и биохимии, особенно в связи с пионерскими работами Либиха (1840-е гг.) по изучению ферментов, белков и углеводов. [c.259]

    Дисульфидные мостики определяют механические свойства внеклеточных белков. Дисульфидные мостики обычны в белках, котог рые переносятся или действуют во внеклеточном пространстве типичными примерами служат змеиные яды и другие токсины, пептидные гормоны, пищеварительные ферменты, белки комплемента, иммуноглобулины, лизоцимы и белки молока. Кроме того, эти мостики играют важную роль в некоторых крупных структурах. Свойства вязкости и эластичности различных природных продуктов по крайней мере отчасти определяются дисульфидными мостиками между структурными белками [ПО]. Поперечные связи между молекулами кератина придают эластичность шерсти и волосу [110], когезионноэластичный характер теста из пшеничной муки определяется дисульфидами глютенина, а трехмерная сеть дисульфидов глютенина создает трудности при влажном помоле зерна. Таким образом, оказывается, что успехи в таких древних занятиях, как помол зерна, обработка шерсти и даже парикмахерское искусство, зависят от сложных конструкций дисульфидных связей [110]. [c.68]

    Оба атома водорода, отданные субстратом (AHj) кодегидразе I, переносятся на флавинадениндинуклеотид (ФАДН). Далее, атомы водорода распадаются на протоны и электроны первые переходят в раствор (в виде гидроксоний-ионов), а электроны восстанавливают Fe + цитохрома до Fe +. Только цитохром с способен передавать электроны кислороду. Цитохром (связанный с соответствующим белком) является, таким образом, трансферазой электронов (аэробной оксидазой). В при-всдеппоп выше схеме указаны также ферменты (белки), действующие в этом сложном процессе (см. также список приведенный па следующих страницах). [c.802]

    На самых перйых этапах исследования ферментов было замечено, что активность ферментов зависит от концентрации водородных ионов в среде, причем обычно такая зависимость выражается колоколообразной кривой с максимумом при определенных значениях pH. Еще в 19И г. Михаэлис и Дэвидсон [9] высказали мысль, что причиной этого является амфотерная природа ферментов — белков. Дальнейшие исследования влияния pH на скорость ферментативных реакций позволили конкретизировать эту точку зрения применительно к отдельным ферментам и открыли широкие возможности для изучения механизма реакций. [c.103]

    Часто мы рассматриваем воду просто как безвредную инертную жидкость, удобную для практического использования в разных целях. Хотя в химическом отношении вода весьма устойчива, она представляет собой вещество с довольно необьиными свойствами. В самом деле, вода и продукты ее ионизации-ионы Н и ОН — оказывают очень большое влияние на свойства многих важных компонентов клетки, таких, как ферменты, белки, нуклеиновые кислоты и липиды. Например, каталитическая активность ферментов в значительной мере зависит от концентрации ионов Н и ОН . [c.79]

    В общем белки, имеющие приблизительно линейную форму, нерастворимы в воде и подходят как строительный материал для кожи, мышц, волос и т. д. Они классифицируются как фиб-ропротеины (волокнистые белки). Белки приблизительно сферической формы, классифицируемые как глобулярные белки,, часто растворимы в воде и подходят для роли ферментов, белков, переносящих кислород, и т. д. Многие из них не являются простыми белками, а содержат также небелковую часть [про-стетическую группу) и называются сопряженными белками. Например, белок, переносящий кислород (гемоглобин) и обусловливающий красный цвет крови, содержит железопорфириновый комплекс гем (гл. 13), присоединенный к белку глобулину. [c.272]

    Белки играют исключительно важную роль в жизеи как л ивотных, так и растительных оргаиизмов. В состав их входит углерод, водород, кислород и азот. В значительно меньшем количестве в их состав могут входить также сера, фосфор и другие элементы. Белки представляют собой весьма нестойкие соединения, что затрудняет изучение их физических и химических свойств. Молекулярный вес их очень велик. При гидролизе в присутствии кислоты или щелочи или под влиянием ферментов белки распадаются на менее сложные молекулы альбумозы, пептоны, полипептиды, дикетопиперазины. [c.93]

    Очень показательной иллюстрацией взаимосвязи между белковым синтезом и РНК является накопление значительных количеств РНК в железах, выделяющих белковый секрет. Так, например, известно, что деятельность поджелудочной железы, где образуется ряд ферментов — белков и гормон инсулин (тоже белок), может быть стимулирована алкалоидом нилокар-пинвм в результате этого повышается не только бел- [c.73]

    Таким образом, длд получения ясного представления о природе жира недостаточно знать только состав его глицеридов, следует изучить и сопутствующие вещества, к которым относятся свободные карбоновые кислоты, фосфатиды, стерииы, пигменты, ароматообразующие вещества, витамины, ферменты, белки, углеводы и др. Некоторые из этих веществ регламентируются ГОСТами, поэтому знание методов определения этих показателей необходимо. [c.94]

    Постепенные отказы часто проявляются в сложных объектах, включающих различные ферменты, белки и иомембраны. В комплексной молекулярной организации биоструктур могут [c.105]

    Полимеры, содержащие азот. Б е л к и. Химические свойства белков определяются лриродой амидной связи н функциональными группами (карбоксильной, гидроксильной, а.минной, ди-сульфидной), в.ходящи.ми В состав радн калов Н аминокисло . Под действне >1 к слот, щелочей и ферментов белки гидролизуются, распадаясь. па а.минокислоты. Белки можно ацилировать, [c.258]

    Но каким образом белок действует Участвует ли он просто в создании каталитического активного центра дополнительными группами Тогда фермент можно, вероятно, моделировать веществом небелковой природы, может быть, даже низкомолекулярным соединением. Или же в том, что все известные ферменты — белки, имеется более глубокий смысл Окончательного ответа на этот вопрос не существует. Но правдоподобные гипотезы высказывались, и, пожалуй, салшя интересная идея принадлежит одному нз выдающихся исследователей белка Линдерштрём-Лангу. Его идея основывается на том, что в отличие от обычных линейных полимеров, белки обладают способностью к своеобраз- [c.172]

    В химической промышленности полимерные мембраны можно использовать для разделения и очистки спиртов, кетонов и альдегидов, кислот, красителей, растворов солей редкоземельных элементов в микробиологической промьпыленности — для получения антибиотиков, высококачественных вакцин, сывороток, ферментов, белков и гормонов и других биологически активных веществ. [c.45]

    После работ Самнера и Нортропа какое-то время существовала точка зрения, что открытые ими ферменты-белки являются лишь небольшой группой, тогда как всё основные ферменты принадлежат к числу двухкомпонентных, для которых белковая природа носителя, а также его кристаллизу-емость остаются недоказанными. [c.157]


Статьи по онкологии — популярные и научные публикации для пациентов


Пищеварительные ферменты — что это?


Крылатое выражение «ты то, что ты ешь» действительно несет в себе определенную мудрость. Но точнее было бы сказать «ты то, что ты перевариваешь». И в этом нам помогают пищеварительные ферменты, или энзимы, ключ к хорошему пищеварению, здоровому кишечнику и получению всех необходимых питательных веществ.


Как ни странно, но до относительно недавнего времени о механизме работы пищеварительной системы было известно немного. Сегодня количество заболеваний, связанных с нарушением всасывания питательных веществ из-за недостатка пищеварительных ферментов, возрастает.


Почему же эти ферменты так важны? Роль пищеварительных энзимов в первую очередь в том, чтобы выступать в роли катализаторов для ускорения специфических, жизненно важных химических реакций в организме.


Они помогают расщеплять крупные молекулы на частицы, которые легче усваивать. Эти частицы и использует организм для поддержания оптимальной работы и здоровья.

Что такое пищеварительные ферменты?


Пищеварительные ферменты определяются как «ферменты, которые используются в пищеварительной системе».


Все энзимы являются катализаторами, которые заставляют молекулы изменять свою форму. Эти ферменты помогают нам переваривать пищу путем расщепления макромолекул на более мелкие для того, чтобы кишечник мог усвоить все содержащиеся в них питательные вещества, а затем распространить их по организму.

Типы


Все основные пищеварительные ферменты можно разделить на три класса:

  1. протеолитические ферменты, необходимые для метаболизма белков.
  2. липазы, которые необходимы для переваривания жиров.
  3. амилазы, необходимые для расщепления углеводов.


В организме человека встречается несколько типов энзимов, в том числе:

  • Амилаза. Она содержится в слюне и панкреатическом соке, превращает крупные молекулы крахмала в мальтозу. Амилаза необходима для метаболизма углеводов, крахмала и сахаров, которые преобладают преимущественно в растительных продуктах (картофеле, фруктах, овощах, крупе и т. д.).
  • Пепсин. Он находится в желудочном соке. Пепсин помогает расщеплять белок на более мелкие единицы полипептиды.
  • Липаза. Ее вырабатывает поджелудочная железа и секретирует в тонком кишечнике. После соединения с желчью липаза превращает жиры и триглицериды в жирные кислоты. Она необходима для правильного переваривания таких продуктов, как орехи, масла, яйца, мясо и молочные продукты.
  • Трипсин и химотрипсин. Эти эндопептидазы продолжают расщеплять полипептицы на еще более мелкие частицы.
  • Целлюлаза. Она помогает переваривать продукты с высоким содержанием клетчатки, например, брокколи, спаржу, фасоль, которые могут вызвать газообразование.
  • Экзопептидаза, карбоксипептидаза и аминопептидаза. Они помогают высвобождать отдельные аминокислоты.
  • Лактаза. Она превращает лактозу в глюкозу и галактозу.
  • Сахараза. Расщепляет сахарозу на глюкозу и фруктозу.
  • Мальтаза. Превращает сахарную мальтозу в более мелкие молекулы глюкозы.
  • Другие ферменты, которые способствуют усвоению сахара/углеводов, включают в себя инвертазу, глюкоамилазу и альфа-галактозидазу.

Как работают пищеварительные ферменты?


Пищеварение – это сложный процесс, который начинается с пережевывания пищи, когда происходит выделение энзимов в слюну. Большую часть работы выполняют желудочно-кишечные жидкости, которые содержат пищеварительные ферменты, влияющие на определенные питательные вещества (жиры, углеводы и белки).


Вырабатывая специфические ферменты, мы помогаем всасываться различным видам пищи. Другими словами, наш организм производит ферменты, специфичные для углеводов, белков и жиров.


Пищеварительные ферменты не просто полезны, они жизненно необходимы. Они превращают сложную еду в легко усваиваемые соединения, включая аминокислоты, жирные кислоты, холестерин, простые сахара и нуклеиновые кислоты (которые помогают строить ДНК).


Ферменты синтезируются и секретируются в различных частях пищеварительного тракта, в том числе в ротовой полости, желудке и поджелудочной железе.


Ниже мы чуть более подробно описали 6 основных стадий процесса переваривания, который начинается с пережевывания, запускающего секрецию пищеварительных ферментов в желудочно-кишечном тракте:

  1. Слюнная амилаза, вырабатываемая в ротовой полости, является первым пищеварительным ферментом, который участвует в усвоении молекул. И этот процесс продолжается и после того, как пища попадет в желудок.
  2. Затем париетальные клетки желудка начинают высвобождение кислот, пепсина и других энзимов, включая панкреатическую амилазу. Начинается процесс расщепления частично переваренной пищи в химус (полужидкую массу частично переваренной пищи).
  3. Желудочный сок нейтрализует действие слюнной амилазы, способствуя работе панкреатической амилазы.
  4. Приблизительно спустя час химус перемещается в двенадцатиперстную кишку, где кислотность вызывает высвобождение гормона секретина.
  5. Это, в свою очередь, заставляет поджелудочную железу вырабатывать гормоны, бикарбонат, желчь и различные пищеварительные ферменты, из которых наиболее важными являются липаза, трипсин, амилаза и нуклеаза.
  6. Бикарбонат изменяет среду химуса с кислотной на щелочную, что не только позволяет ферментам расщеплять пищу, но и убивает бактерии, которые не могут выжить в подобных условиях.


На этом этапе бóльшая часть работы сделана. Однако людям, страдающим недостатком пищеварительных ферментов необходима поддержка в виде пищевых добавок.


В продаже даже существуют пищеварительные ферменты для кошек и собак, ведь животные тоже могут страдать этим недугом.

Кому нужны ферменты? (Признаки дефицита)


Ответ на этот вопрос может включать в себя намного больше людей, чем Вы могли бы подозревать.


Такие симптомы, как вздутие живота, газообразование, боли в животе и усталость, могут быть связаны с невозможностью полностью переварить пищу. В этом случае этим людям может помочь дополнительный прием пищеварительных ферментов. К другим признакам, указывающим на дефицит ферментов, могут относиться:

  • Кислотный рефлюкс
  • Диспепсия (боль или неприятные ощущения в верхней части области желудка)
  • Тяга к определенным продуктам
  • Проблемы с щитовидной железой
  • Изжога, несварение, отрыжка
  • Истончение и выпадение волос
  • Сухая или тусклая кожа
  • Проблемы с концентрацией или туман в голове
  • Усталость по утрам
  • Проблемы со сном
  • Артрит или боль в суставах
  • Слабость в мышцах, усталость перед тренировкой
  • Перепады настроения, депрессия и раздражительность
  • Головные боли и мигрени
  • Ухудшение симптомов ПМС


Люди, страдающие следующими заболеваниями, возможно, будут чувствовать себя лучше при дополнительном приеме пищеварительных ферментов:

1. Заболевания органов пищеварения


Если Вы страдаете каким-либо заболеванием, связанным с желудочно-кишечным трактом, например, кислотным рефлюксом, повышенным газообразованием, вздутием живота, «дырявым» кишечником, синдромом раздраженного кишечника (СРК), болезнью Крона, язвенным колитом, дивертикулитом, нарушением всасывания, диареей или запором, то пищеварительные энзимы могут Вам помочь.


Они могут «успокоить» органы пищеварения, уменьшить боль в животе, вздутие, которые связаны с заболеваниями кишечника.

2. Возрастной дефицит ферментов


С возрастом среда в желудке становится более щелочной, что мешает выработке достаточного количества ферментов поджелудочной железой.


Помимо сопутствующих заболеваний с возрастом увеличивается риск развития пищеварительных проблем, связанных с недостатком желудочного сока или пищеварительных ферментов. Довольно часто это приводит к возникновению кислотного рефлюкса.

3. Гипохлоргидрия


Гипохлоргидрия (недостаточное количество желудочного сока) затрудняет усвоение минералов, витаминов и других элементов из пищи, в результате чего возникает дефицит питательных веществ.

4. Заболевания печени и другие заболевания, связанные с ферментами


Часто заболевания печени влекут за собой сопутствующий дефицит пищеварительных энзимов. Наиболее распространенным является дефицит альфа-1 антитрипсина, генетическое нарушение, которое встречается у одного человека из 1 500.


Симптомы могут включать в себя ненамеренную потерю веса, повторяющиеся респираторные инфекции, усталость и учащенное сердцебиение.


К заболеваниям, диагностика которых может быть не связана с пониженной выработкой пищеварительных ферментов, относятся:

  • Болезнь Крона
  • Дефицит железа или витамина В12
  • Дефицит витамина D


К симптомам дефицита энзимов можно также отнести:

  • Изменения стула. Стул может стать более бледным, жирным или всплывать в воде.
  • Жалобы, связанные с желудочно-кишечным трактом. Вздутие живота, диарея, особенно в течение часа после приема пищи, метеоризм и расстройство желудка могут быть признаками недостатка ферментов.

5. Недостаточность поджелудочной железы


Недостаточность поджелудочной железы представляет собой неспособность поджелудочной выделять ферменты, необходимые для пищеварения. Эта распространенная проблема среди людей, страдающих раком поджелудочной железы.


Прием препаратов, содержащих ферменты поджелудочной железы (заместительная терапия), может быть полезен для пациентов с раком поджелудочной, хроническим панкреатитом, муковисцидозом, а также пациентам, перенесшим операцию на кишечнике, для ускорения заживления.


Природные источники


Многие сырые овощи и фрукты содержат ферменты, которые улучшают пищеварение.


Сырые фрукты и овощи, произрастающие на хорошей и питательной почве, являются самыми лучшими натуральными источниками пищеварительных ферментов. Постарайтесь включить в свой рацион такие продукты, как:

  • ананас
  • папайя
  • киви
  • кефир
  • йогурт
  • бананы
  • манго
  • мисо, соевый соус и темпе (ферментированные соевые продукты)
  • квашеная капуста
  • кимчи
  • авокадо
  • яблочный уксус
  • сырой мед
  • пчелиная пыльца


Препараты, содержащие пищеварительные ферменты, преимущественно производятся с использованием следующих источников:

  • Фрукты, в основном, ананас и папайя. Бромелаин, фермент, получаемый из ананаса, расщепляет широкий спектр белков, обладает противовоспалительными свойствами и может выдерживать широкий диапазон рН (кислота-щелочь). Папаин, фермент, получаемый из свежей папайи, эффективно способствует расщеплению как маленьких, так и больших белков.
  • Животные. К таким препаратам относится панкреатин, получаемый из быка или свиньи.
  • Растения. Эти препараты получают из пробиотиков, дрожжей и грибков.

Пищевые добавки


Так как белки, сахара, крахмал и жиры требуют определенных видов ферментов, лучше всего принимать препараты, включающие в себя все эти разновидности.


Многие специалисты считают, что наиболее эффективными являются препараты, в который присутствует полный комплекс энзимов, улучшающих пищеварение. Ищите добавки, которые включают в себя следующие ферменты:

  • альфа-галактозидаза (его получают из грибка аспергилла черного, считается, что он способствует перевариванию углеводов).
  • амилаза (вырабатывается слюнными железами)
  • целлюлаза
  • глюкоамилаза
  • инвертаза
  • лактаза
  • липаза
  • мальт-диастаза
  • протеаза (или кислая протеаза)
  • бета-глюканаза
  • пектиназа
  • фитаза


При выборе ферментов мы рекомендуем следовать следующим рекомендациям, основанным на симптомах и текущем состоянии здоровья:

  • Если у Вас проблемы с желчным пузырем, и Вы находитесь в поиске природного средства для его лечения, то обратите внимание на препараты, содержащие липазу и желчные соли.
  • В препаратах, содержащих бетаин гидрохлорид, непременно присутствует и пепсин.
  • В некоторых препаратах может содержаться лактаза, которую до недавнего времени можно было приобрести только в виде отдельного лекарства. Этот фермент помогает людям, страдающим проблемами, которые связаны с усвоением сахара из молочных продуктов.
  • Препараты с протеазой помогают усваивать белок. Они особенно будут полезны людям с аутоиммунными и воспалительными заболеваниями.
  • Смеси с добавлением трав, таких как перечная мята и имбирь, также поддерживают пищеварение.
  • Некоторым людям требуется больше ферментов поджелудочной железы, чем другим. По этой причине выбирайте препарат, исходя из Ваших личных потребностей. Большинство продуктов содержит некоторое количество панкреатина, который представляет собой комбинацию из трех ферментов поджелудочной железы.

Существуют ли пищевые ферменты для вегетарианцев?


Некоторые препараты содержат только ферменты растительного происхождения, которые вполне подойдут вегетарианцам и веганам. Они обычно содержат бромелаин, полученный из ананаса, и папаин из папайи.


Продукты, разработанные специально для веганов, как правило, содержат панкреатин, полученный из грибка аспергилла черного (Aspergillus niger). Чаще всего источником этого фермента является желчь быка или свиньи.


Кроме этого, некоторые препараты дополнительно содержат травы и специи. В них часто входит экстракт амлы, который не является ферментом, однако он используется в Аюрведической медицине в качестве растительного средства для улучшения общего состояния. Считается, что он работает в синергии с другими соединениями.


Когда следует принимать пищеварительные ферменты?


Для оптимальных результатов пищеварительные ферменты следует принимать за 10 минут до приема пищи или вместе с первым кусочком. Добавки протеазы можно принимать между приемами пищи в сочетании с другими энзимами.


Начните прием с двух раз в день и корректируйте дозировку по необходимости.


Можно ли принимать пробиотики и пищеварительные ферменты одновременно?


Да, ферменты необходимо принимать до еды, а пробиотики после или между приемами пищи.


Полезно получать пробиотики из ферментированных продуктов питания. Например, йогуртов, кефира, кимчи или сметаны. Пробиотики помогают нормализовывать микробиом кишечника, способствуя пищеварению и уменьшая такие симптомы, как газообразование и вздутие.

Польза для здоровья


Чем полезны пищеварительные ферменты? Преимущественно тем, что они помогают переваривать пищу. Энзимы следует принимать по следующим причинам:

  • Помогают лечить «дырявый» кишечник и другие состояния, снимая напряжение с желудочно-кишечного тракта.
  • Поддерживают здоровый баланс бактерий в кишечнике.
  • Помогают организму расщеплять трудно перевариваемые белки и сахара, например, глютен, казеин и лактозу (молочный сахар).
  • Значительно уменьшают симптомы кислотного рефлюкса и синдром раздраженного кишечника.
  • Улучшают усвоение питательных веществ, предотвращая развитие дефицита.
  • Естественным образом блокируют действие ингибиторов ферментов, которые присутствуют в таких продуктах, как орехи, зародыши пшеницы, яичные белки, семена, бобы и картофель.


При недостатке пищеварительных ферментов Вы можете испытывать запор. В этом случае может помочь дополнительный прием энзимов. Пищеварительные ферменты не связаны с потерей веса и не могут быть использованы для похудения. Однако они могут помочь избавиться от тяги к каким-либо определенным продуктам и способствовать более быстрому наступлению чувства сытости.

Использование в Традиционной китайской медицине и Аюрведе


Традиционная медицина применяет холистический метод лечения проблем с пищеварением, что подразумевает изменения в питании и образе жизни, а не прием препаратов. Пищеварительные ферменты в форме лекарственного средства стали доступны только 50 лет назад. До этого, пациентам рекомендовалось включать в свой рацион больше сырой пищи и продуктов, содержащих пробиотики.


Согласно древней медицинской системе Аюрведе пищеварение зависит от количества Агни, «пищеварительного огня». Считается, что Агни можно увеличить, если избавиться от причин несварения (например, прием пищи при стрессе или незадолго до сна), скорректировать рацион питания и укрепить органы пищеварения с помощью трав и домашних лекарств.


В Аюрведе специи играют важную роль в поддержании пищеварения. Особенно целебными считаются:

  • имбирь
  • куркума
  • тмин
  • кориандр
  • фенхель
  • кардамон
  • пажитник
  • корица
  • розмарин
  • шалфей
  • орегано


Чтобы увеличить количество пищеварительного огня, необходимо пить травяной чай, который способствует работе ферментов. Такой чай можно приготовить, залив кипятком тмин, кориандр и фенхель (по 1/3 чайной ложки). Перед употреблением напиток необходимо процедить. Употребление папайи также может быть полезно, так как она содержит папаин, который помогает снять воспаление.


В Традиционной китайской медицине за пищеварение отвечает Ци, «жизненная энергия». Акупунктура, травы, движение и избавление от стресса в сочетании с растительными ферментами из продуктов питания помогут улучшить пищеварение и справиться с недомоганиями.


Для поддержания пищеварения чаще всего рекомендуют именно сырые фрукты и овощи, подвергнутые незначительной обработке.


К другим методам, улучшающим состояние желудочно-кишечного тракта, относятся:

  • употребление местных/сезонных продуктов
  • употребление органических необработанных продуктов без ГМО
  • ограничение потребляемого сахара, жидкости во время приема пищи и холодных продуктов питания
  • тщательное пережевывание пищи
  • отказ от пищи за 2-3 часа до сна
  • занятия йогой, тай чи, растяжкой и другими видами физических упражнения для увеличения аппетита

Риски и побочные эффекты


Пищеварительные ферменты могут быть опасны? Если Вы страдаете хроническими заболеваниями, то мы рекомендуем обратиться к врачу, который сможет подобрать Вам наиболее подходящие энзимы.


В зависимости от состояния здоровья специалист сможет назначить наиболее безопасные препараты. Если Вы страдали или страдаете заболеваниями печени или желчного пузыря, язвами, то перед приемом добавок обязательно проконсультируйтесь с доктором.


Несмотря на всю пользу пищеварительные ферменты могут вызывать побочные эффекты, среди которых:

  • тошнота
  • диарея
  • спазмы в области живота
  • газы
  • головная боль
  • отек
  • головокружение
  • изменение уровня сахара в крови
  • аллергическая реакция
  • изменение стула


Если Вы заметили у себя эти симптомы, прекратите прием ферментов и проконсультируйтесь с врачом.


Чаще всего нежелательные последствия возникают при слишком высокой дозировке или неправильном приеме препарата. По этой причине перед употреблением важно ознакомиться с инструкцией.

Ферменты поджелудочной железы и пищеварительные ферменты


Ферменты пищеварительной системы, или ферменты желудка, включают в себя ферменты поджелудочной железы, а также энзимы растительного и грибкового происхождения.


Ферменты поджелудочной железы присутствуют в восьми стаканах панкреатического сока, которые большинство из нас производят каждый день. Этот сок содержит пищеварительные энзимы, улучшающие пищеварение, и бикарбонат, который нейтрализует желудочный сок.


Ферменты поджелудочной железы обычно заканчиваются на –ин (трипсин или пепсин), в то время как другие ферменты обычно заканчиваются на –аза или –оза (фруктоза, лактоза, сахароза).


К энзимам, которые имеют дело преимущественно с жирами и аминокислотами, относятся:

  • Липаза – превращает триглицериды в жирные кислоты и глицерин.
  • Амилаза – превращает углеводы в простые сахара.
  • Эластаза – расщепляет белок эластин.
  • Трипсин – преобразует белки в аминокислоты.
  • Химотрипсин – преобразует белки в аминокислоты.
  • Нуклеаза – превращает нуклеиновые кислоты в нуклеотиды и нуклеозиды.
  • Фосфолипаза – превращает фосфолипиды в жирные кислоты.


В организме человека ферменты производят слюнные железы, желудок, поджелудочная железа, печень и тонкий кишечник.


Поджелудочная железа производит желчные соли и кислоты, которые включают в себя воду, электролиты, аминокислоты, холестерин, жиры и билирубин. Все эти вещества поступают из печени через желчный пузырь.


Холевая и хенодезоксихолевая кислоты в сочетании с аминокислотами глицином и таурином производят желчные соли, которые очень важны для усвоения питательных веществ.

  • Пищеварительные ферменты помогают переваривать пищу путем расщепления крупных макромолекул на более мелкие, которые наш кишечник способен усвоить.
  • Пищеварительные ферменты делятся на 3 класса: протеолитические ферменты, липазы и амилазы. Они метаболизируют различные макроэлементы.
  • Дополнительный прием пищеварительных ферментов может быть полезен людям, страдающим воспалительным заболеванием кишечника, СРК, низким содержанием кислоты в желудке (гипохлоргидрия), дефицитом ферментов, недостаточностью поджелудочной железы, аутоиммунными заболеваниями, запором, диареей или вздутием.
  • Источниками пищеварительных ферментов являются фрукты (особенно ананас и папайя), животные (бык и свинья), а также пробиотики, дрожжи и грибок. Лучше всего употреблять препараты, где присутствуют все основные виды ферментов.
  • К продуктам, являющимся богатыми источниками пищеварительных ферментов, относятся ананас, папайя, киви, ферментированные молочные продукты, манго, мисо, квашеная капуста, кимчи, авокадо, пчелиная пыльца, яблочный уксус и сырой мед.


Вы можете оставить заявку на плановую госпитализацию на нашем сайте и мы свяжемся с Вами.

Открыт механизм проникновения ферментов в умирающие клетки растений


Животные и растения в целях защиты от внешних факторов и в процессе естественного развития сталкиваются с необходимостью уничтожения собственных клеток. При этом удаляются избыточные или поврежденные ткани. Кроме того, есть часть клеток, которые должны умереть для выполнения своей функции: например, проводящие сосуды представляют собой полые оболочки, содержимое которых было запрограммировано на гибель.


Важную роль в смерти клетки играют протеолитические, то есть разрушающие другие белки, ферменты. Разборка каркаса клетки и расщепление белков необходимо для аккуратного «демонтирования» содержимого. Примером таких ферментов у животных являются каспазы, разрушающие клеточный скелет, белковую оболочку ядра и выключающие ферменты, препятствующие гибели клетки. У растений похожей активностью обладают так называемые фитаспазы.


Недавно российские ученые обнаружили особенность перемещений фитаспаз. Здоровая клетка синтезирует эти ферменты и сразу же транспортирует их в межклеточное пространство, однако при сильных стрессах фитаспазы возвращаются обратно и принимают участие в клеточной гибели. Пометив молекулы фитаспазы флуоресцентным красителем, можно отслеживать под микроскопом, как фермент меняет свое положение при стрессе. Механизм его транспорта наружу был давно изучен и понятен, но как фермент проникает через мембрану обратно в клетку, долгое время оставалось загадкой.


За неимением лучшего объяснения можно было подумать, что при разрушении мембраны умирающей клетки фитаспаза просто пассивно затекает внутрь. Однако возникло предположение, что клетки используют активный транспортный путь для возвращения фермента. Для этого фитаспаза помещается внутрь пузырьков, формирующихся на поверхности мембраны, и доставляется из внеклеточной жидкости внутрь. Такой вид транспорта часто используется для белков, которые впоследствии перевариваются, но доказано, что после проникновения в клетку фитаспаза не только не разрушается, но и принимает активное участие в уничтожении клеточного содержимого. Чтобы показать, что мембранные пузырьки действительно переносят фермент внутрь, ученые заблокировали процесс их сборки, и фитаспаза перестала возвращаться, несмотря на стрессовые воздействия.


«Мы хотели бы узнать, как регулируется процесс проникновения фитаспаз в клетку: что их направляет в состав мембранных пузырьков и почему возвращения фермента не происходит, пока с клеткой все в порядке. Полученные знания тонкой регуляции клеточной гибели могут быть использованы для защиты растений от неблагоприятных воздействий», — говорит Андрей Вартапетян, доктор химических наук, профессор Научно-исследовательского института физико-химической биологии имени А. Н. Белозерского МГУ.

44

В результате работ Фишера стало ясно,
что белки представляют собой линейные полимеры a-аминокислот,
соединенных друг с другом амидной (пептидной) связью, а все многообразие
представителей этого класса соединений могло быть объяснено различиями аминокислотного
состава и порядка чередования разных аминокислот в цепи полимера.

Первые исследования белков проводились
со сложными белковыми смесями, например: с сывороткой крови, яичным белком,
экстрактами растительных и животных тканей. Позже были разработаны методы
выделения и очистки  белков, такие как
осаждение, диализ, хроматография на целлюлозных и других гидрофильных
ионообменниках, гель-фильтрация, электрофорез. Более подробно рассмотрим эти
методы на лабораторной работе и семинарском занятии.

На современном этапе основными
направлениями изучения белков являются следующие:

¨      изучение
пространственной структуры индивидуальных белков;

¨      изучение
биологических функций разных белков;

¨      изучение
механизмов функционирования индивидуальных белков (на уровне отдельных атомов,
атомных групп молекулы белка).

Все эти этапы
взаимосвязаны, ведь одна из основных задач биохимии как раз и состоит в том,
чтобы понять, каким образом аминокислотные последовательности разных белков
дают им возможность выполнять различные функции.

Ферменты

это биологические катализаторы, самый многообразный, многочисленный класс
белков. Почти все химические реакции, в которых участвуют присутствующие в
клетке органические биомолекулы, катализируются
ферментами. Настоящему времени открыто более 2000 различных ферментов.

Транспортные
белки

— Транспортные белки плазмы крови связывают и переносят специфические молекулы
или ионы из одного органа в другой. Например, гемоглобин, содержащийся в
эритроцитах, при прохождении через легкие связывает кислород и доставляет его к
периферическим тканям, где кислород освобождается. Плазма крови содержит липопротеины, осуществляющие перенос липидов из печени
в другие органы. В клеточных мембранах присутствует еще один клеточный тип
транспортных белков, способных связывать определенные молекулы (напр., глюкозу)
и переносить их через мембрану внутрь клетки.

Пищевые
и запасные белки.
 Наиболее известными примерами таких белков
служат белки семян пшеницы, кукурузы, риса. К пищевым белкам относится яичный
альбумин — основной компонент яичного белка, казеин — главный белок
молока.

Сократительные
и двигательные белки.
 Актин
и миозин — белки, функционирующие в сократительной системе скелетной
мышцы, а также во многих немышечных тканях.

Структурные
белки
.
Коллаген
— главный компонент хрящей и сухожилий. Этот белок имеет очень
высокую прочность на разрыв. Связки содержат эластин — структурный
белок, способный растягиваться в двух измерениях. Волосы, ногти состоят почти
исключительно из прочного нерастворимого белка — кератина. Главным
компонентом шелковых нитей и паутины служит белок фиброин.

Защитные
белки.

Иммуноглобулины или антитела — это специализированные клетки,
вырабатываемые в лимфоцитах. Они обладают способностью распознавать проникшие в
организм бактерии вирусы или чужеродные молекулы, а затем запускать систему их
нейтрализации. Фибриноген и тромбин — белки, участвующие в
процессе свертывания крови, они предохраняют организм от потери крови при повреждении
сосудистой системы.

Регуляторные
белки.

Некоторые белки участвуют в регуляции клеточной активности. К ним относятся
многие гормоны, такие как инсулин (регулирует обмен глюкозы).

Для определения аминокислотного состава
белки подвергают гидролизу.

В состав белков
входят 20 L-a-аминокислот:
глицин, аланин, валин,
лейцин, серин, глутаминовая
кислота, глутамин, лизин, аргинин, пролин, аспарагиновая кислота, аспарагин, изолейцин, треонин, фенилаланин, тирозин,
цистеин, метионин, гистидин, триптофан и некоторые производные этих
аминокислот, образующиеся в белковой молекуле после матричного синтеза полипептидной
цепи.

Частота, с какой аминокислоты
встречаются в белках, неодинакова. Например, глицин обнаруживается в 10 раз
чаще, чем триптофан. По частоте нахождения аминокислот в белках можно составить
такой ряд: ала » вал » лей » сер > глу » глн » лиз » арг » про > асп » асн » изо » тре » фен > тир » цис » мет » гис.

Большинство белков по аминокислотному
составу отличаются не очень резко. Но некоторые белки с особыми свойствами
отличаются и аминокислотным составом. Так, белок соединительной ткани коллаген
на 1/3 построен из остатков глицина, около 1/5 на ост.
пролина и  оксипролина. Именно
такой состав аминокислот позволяет готовой молекуле белка образовывать прочные олигомерные структуры — фибриллы. Фибриллы коллагена
превосходят по прочности стальную проволоку равного поперечного сечения. При
кипячении в воде нерастворимый коллаген превращается в желатину — растворимую
смесь полипептидов. Необычный аминокислотный состав коллагена определяет его
низкую питательную ценность. В состав связок и соединительной ткани стенок
сосуда входит белок — эластин. Эластин богат остатками лизина. Четыре боковые
группы лизина сближаются  друг с другом и
ферментативным путем превращаются в десмозин.

 Таким путем полипептидные цепи эластина могут
объединяться в системы, способные обратимо растягиваться во всех направлениях.

 В
хромосомах содержатся положительно заряженные белки гистоны, примерно на 1/3
построенные из остатков лизина и аргинина. Положительный заряд молекулы белка
позволяет образовывать прочные комплексы с отрицательно заряженными молекулами
нуклеиновых кислот.

по растворимости

Альбумины. Растворимы в воде и солевых растворах.

Глобулины. Слаборастворимы в воде, но хорошо растворимы в солевых растворах.

Проламины. Растворимы в 70-80% 
этаноле, нерастворимы в воде и абсолютном спирте. Богаты
аргинином.

Гистоны. Растворимы в солевых растворах.

Склеропротеины. Нерастворимы в воде и солевых растворах. Повышено содержание
глицина, аланина, пролина.

по форме молекул

Если исходить из отношения осей
(продольной и поперечной), можно выделить два больших класса белков. У глобулярных белков отношение составляет
меньше 10 и в большинстве случаев не превышает 3-4. Они характеризуются
компактной упаковкой полипептидных цепей. Примеры глобулярных белков: многие
ферменты, инсулин, глобулин, белки плазмы крови, гемоглобин.

Фибриллярные
белки
,
у которых отношение осей превышает 10, состоят из пучков полипептидных цепей,
спирально навитых друг на друга и связанных между собой поперечными
ковалентными или водородными связями (кератин, миозин, коллаген, фибрин).

На физических свойствах белков, таких
как ионизация, гидратация, растворимость основаны различные методы выделения и очистки
белков.

Так как белки содержат ионогенные, т.е. способные к ионизации аминокислотные
остатки (аргинин, лизин, глутаминовая кислота и
т.д.), следовательно, они представляют собой полиэлектролиты. При подкислении
степень ионизации анионных групп снижается, а катионных — повышается, при
подщелачивании наблюдается обратная закономерность. При определенном
рН число отрицательно 
и положительно заряженных частиц становится одинаковым, такое состояние
называется изоэлектрическим
(суммарный заряд молекулы равен нулю). Значение рН,
при котором белок находится в изоэлектрическом состоянии, называют изоэлектрической точкой и обозначают рI.
На различной ионизации белков при определенном значении рН
основан один из методов их разделения — метод электрофореза.

Полярные группы белков (ионогенные и неионогенные) способны взаимодействовать с
водой, гидратироваться. Количество воды, связанное с
белком достигает 30-50 г на 100 г белка. Гидрофильных групп больше на поверхности
белка. Растворимость зависит от количества гидрофильных групп в белке, от
размеров и формы молекул, от величины суммарного заряда. Совокупность всех этих
физических свойств белка позволяет использовать метод молекулярных сит или гель-фильтрацию
для разделения белков. Метод диализа
используется для очистки белков от низкомолекулярных примесей и основан на
больших размерах молекул белка.

Растворимость белков зависит и от
наличия других растворенных веществ, например, нейтральных солей. При высоких
концентрациях нейтральных солей белки выпадают в осадок, причем для осаждения (высаливания)
разных белков требуется разная концентрация соли. Это связано с тем, что
заряженные молекулы белка адсорбируют ионы противоположного заряда. В
результате частицы теряют свои заряды и электростатическое отталкивание, в
результате происходит осаждение белка. Методом высаливания
можно фракционировать белки.

Белки — очень
крупные молекулы, молярная масса белков колеблется от 6ооо до 1 млн. грамм/моль
(см. таблицу).

Некоторые белки
в своем составе могут иметь химические группы небелковой природы. Такие белки
называют сложными или холопротеинами. Неаминокислотную
часть белков называют  простетической 
группой
, белковую часть — апоферментом. Сложные белки
классифицируются по простетической группе. Например, липопротеины это белки, содержащие в своем составе группу -
липид; металлопротеины содержат в своем составе ионы
металла; в состав хромопротеинов входит хромофор, окрашенная группа небелковой
природы. Частный случай, когда 
хромофором  является  гем. К таким белкам
относятся гемоглобин и цитохромы. Простетические
группы играют важную роль при функционировании сложного белка.

 

Простые белки
можно классифицировать по форме молекул и по способности растворяться в воде на глобулярные и фибриллярные. Глобулярные белки имеют
форму глобулы и, как правило,  растворимы
в воде. Фибриллярные белки имеют
форму вытянутого волокна — фибриллы и нерастворимы в воде. Фибриллярные белки
выполняют главным образом опорные функции, обеспечивая прочность тканей;
глобулярные белки более разнообразны по функциям.

Первичной
структурой белка
называют состав
и последовательность аминокислотных остатков в белковой молекуле. Аминокислоты
в белке связаны пептидными связями.

Все молекулы
данного индивидуального белка идентичны по аминокислотному составу,
последовательности аминокислотных остатков и длине полипептидной цепи.
Установление последовательности аминокислотной последовательности белков -
трудоемкая задача. Более подробно на эту тему мы поговорим на семинаре. Инсулин
был первым белком, для которого установили аминокислотную последовательность.
Бычий инсулин имеет молярную массу около 5700. Его молекула состоит из двух
полипептидных цепей: А-цепи, содержащей 21 а.к., и
В-цепи, содержащей 30 а.к., эти две цепи соединены
двумя дисульфидными ( -S-S-) связями. Даже
небольшие изменения первичной структуры могут значительно изменять свойства
белка. Болезнь серповидноклеточная анемия является
результатом изменения всего 1 аминокислоты в b-цепи гемоглобина
(Glu ® Val).

Видовая специфичность первичной структуры

При изучении
аминокислотных последовательностей гомологичных
белков, выделенных из разных видов, было сделано несколько важных выводов. К
гомологичным белкам относятся те белки, которые у разных видов выполняют одинаковые
функции. Примером может служить гемоглобин: у всех позвоночных он осуществляет
одну и ту же функцию, связанную с транспортом кислорода. Гомологичные белки
разных видов обычно имеют полипептидные цепи одинаковой или почти одинаковой
длины. В аминокислотных последовательностях гомологичных белков во многих
положениях всегда находятся одни и те же аминокислоты — их называют инвариантными остатками. Вместе с тем в
других положениях белков наблюдаются значительные различия: в этих положениях
аминокислоты варьируются от вида к виду; такие аминокислотные остатки
называются вариабельными. Всю
совокупность сходных черт в аминокислотных последовательностях гомологичных
белков объединяют в понятие гомология
последовательностей
. Наличие
такой гомологии предполагает, что животные, из которых были выделены
гомологичные белки, имеют общее эволюционное происхождение. Интересным примером
является сложный белок — цитохром с — митохондриальный
белок, учавствующий в качестве переносчика электронов
в процессах биологического окисления. М » 12500, содержит
»100
а.к. Были установлены а.к.
последовательности для 60 видов. 27 а.к. — одинаковы,
это указывает на то, что все эти остатки играют важную роль в определении
биологической активности цитохрома с.
Второй важный вывод, сделанный на основе анализа аминокислотных последовательностей,
состоит в том, что число остатков, по которым различаются цитохромы
с любых двух видов, пропорционально филогенетическому различию между данными
видами. Например, молекулы цитохрома с лошади и
дрожжей различаются по 48 а.к., у утки  и курицы — по 2 а.к.,
у курицы и индейки не различаются. Сведения с числе различий
в аминокислотных последовательностях гомологичных белков из разных видов
используют для построения эволюционных карт, отражающих последовательные этапы
возникновения и развития различных видов животных и растений в процессе
эволюции.

Пространственное
расположение полипептидных цепей (Конформация пептидных цепей в белках)

Термин конформация используют для описания пространственного
расположения в органической
молекулы замещающих групп, способных свободно изменять свое положение в
пространстве без разрыва каких бы то ни было связей.

Пептидная цепь
обладает значительной гибкостью. В результате внутри цепочечных взаимодействий
она приобретает определенную пространственную структуру (конформацию).
В белках различают два уровня пространственной организации для одной
полипептидной цепи: вторичную и третичную структуры белка. Для белков,
содержащих несколько полипептидных цепей, возможно, рассматривают
пространственную укладку этих цепей относительно друг друга — четвертичную
структуру белка.

Вторичная
структура белков
– это укладка белковой молекулы в пространстве без учета
влияния боковых заместителей. Выделяют два типа вторичной структуры: a-спираль и b- структуру
(складчатый слой). Остановимся более подробно на рассмотрении каждого типа
вторичной структуры.

a-Спираль представляет из
себя правую спираль с одинаковым шагом, равным 3,6 аминокислотных остатков. a-Спираль
стабилизируется внутримолекулярными водородными связями, возникающими между
атомами водорода одной пептидной связи и атомами кислорода четвертой по счету
пептидной связи.

Боковые
заместители расположены перпендикулярно плоскости a-спирали.

Т.о. свойства
данного белка определяются свойствами боковых групп аминокислотных остатков:
входящих в состав того или иного белка. Если боковые заместители гидрофобны, то и белок, имеющий структуру a-спираль гидрофобен. Примером такого белка является белок кератин,
из которого состоят волосы.

В результате
получается, что a- спираль пронизана водородными
связями и является очень устойчивой структурой. При образовании такой спирали
работают две тенденции:

¨      молекула стремится
к минимуму энергии, т.е. к образованию наибольшего числа водородных связей;

¨      из-за жесткости
пептидной связи сблизиться в пространстве могут лишь первая и четвертая пептидные
связи.

В складчатом слое пептидные цепи
располагаются параллельно друг другу, образуя фигуру, подобную листу,
сложенному гармошкой. Пептидных цепей, взаимодействующих между собой
водородными связями, может быть большое количество. Расположены цепи антипараллельно.

Чем больше
пептидных цепей входит в состав складчатого слоя, тем прочнее молекула белка.

Сравним свойства
белковых материалов  шерсти и шелка и
объясним различие в свойствах этих материалов с точки зрения строения белков,
из которых они состоят.

Кератин — белок
шерсти — имеет вторичную структуру a-спираль. Шерстяная
нить не такая прочная, как шелковая, легко растягивается в мокром состоянии.
Это свойство объясняется тем, что при приложении нагрузки водородные связи
рвутся и спираль растягивается.

Фиброин — белок
шелка — имеет вторичную b-структуру.
Шелковая нить не вытягивается и является очень прочной на разрыв. Это свойство
объясняется тем, что в складчатом слое взаимодействуют между собой водородными
связями много пептидных цепей, что делает эту структуру очень прочной.

Аминокислоты
различаются по способности участвовать в образовании a-спиралей и b-структур. Редко
встречаются в a-спиралях глицин,
аспаргин, тирозин. Пролин
дестабилизирует a-спиральную
структуру. Объясните, почему? В состав b-структур входит
глицин, почти не встречаются пролин, глютаминовая кислота,
аспаргин, гистидин, лизин, серин.

В структуре
одного белка могут находиться участки b-структур, a-спиралей и
нерегулярные участки. На нерегулярных участках пептидная цепь может сравнительно
легко изгибаться, менять конформацию, в то время, как спираль и складчатый слой представляют собой
достаточно жесткие структуры. Содержание b-структур и a-спиралей в
разных белках неодинаково.

Третичная
структура белков
определяется
взаимодействием боковых заместителей пептидной цепи. Для фибриллярных белков
трудно выделить общие закономерности в образовании третичных структур. Что
касается глобулярных белков, то такие закономерности существуют, и мы их
рассмотрим. Третичная структура глобулярных белков образуется путем
дополнительного складывания пептидной цепи, содержащей b-структуры, a-спирали и
нерегулярные участки, так , что гидрофильные боковые группы аминокислотных остатков
оказываются на поверхности глобулы, а гидрофобные боковые группы спрятаны
вглубь глобулы, иногда образуют гидрофобный карман.

Силы, стабилизирующие третичную структуру белка.

Электростатическое взаимодействие между разно
заряженными группами, крайний случай — ионные взаимодействия.

Водородные связи, возникающие между боковыми
группами полипептидной цепи.

Гидрофобные взаимодействия.

Ковалентные взаимодействия (образование дисульфидной связи между двумя остатками цистеина с
образованием цистина).
Образование дисульфидных связей приводит к тому, что
удаленные области полипептидной молекулы сближаются и фиксируются. Дисульфидные связи разрушаются под действием  восстановителей. Это свойство используется
для химической завивки волос, которые почти полностью представляют собой белок
кератин, пронизанный дисульфидными связями.

Характер
пространственной укладки определяется аминокислотным составом и чередованием
аминокислот в полипептидной цепи (первичной структурой). Следовательно, каждый
белок имеет только одну пространственную структуру, соответствующую его первичной
структуре. Небольшие изменения конформации белковых
молекул происходят при взаимодействии с другими молекулами. Эти изменения порой
играют огромную роль при функционировании белковых молекул. Так, при
присоединении молекулы кислорода к гемоглобину несколько изменяется конформация белка, что приводит к эффекту кооперативного
взаимодействия при присоединении остальных трех молекул кислорода. Такое
изменение конформации в лежит в основе теории индуцирующего соответствия при
объяснении групповой специфичности некоторых ферментов.

Кроме
ковалентной дисульфидной все остальные связи,
стабилизирующие третичную структуру, являются по своей природе слабыми и легко
разрушаются.
При разрыве большого числа связей, стабилизирующих пространственную структуру
белковой молекулы, упорядоченная уникальная для каждого белка конформация нарушается, при этом часто теряется
биологическая активность белка. Такое изменение в пространственном строении
называется денатурацией.

В основе
функционирования белка лежит его способность к взаимодействию с каким-либо
другим веществом — лигандом. Лигандом
может быть как низкомолекулярное вещество, так и макромолекула, в том числе и
другой белок. Лиганд присоединяется к определенному
участку глобулярной молекулы — активному
центру. Активный центр формируется в
ходе образования третичной структуры белка, поэтому при денатурации белка
(когда разрушается его третичная структура) белки теряют свою активность.
Специфичность взаимодействия белка и лиганда
объясняется комплиментарностью пространственной
структуры активного центра и молекулы лиганда.  Взаимодействие между белком P и лигандом L описывается уравнениями:

P + L Û PL

Ксв определяет
сродство белка к данному лиганда,
чем больше Ксв, тем больше сродство.

 На специфичности взаимодействия белков и лигандов основан методов разделения
белков — аффинная хроматография.

Учитывая, что различные лиганды отличаются Ксв, всегда можно подобрать вещество, похожее по
структуре на природный лиганд, но имеющий большее
значение Ксв с данным белком. Например, СО
имеет Ксв в 100 раз больше, чем О2 с гемоглобином, поэтому достаточно 0,1% СО в
воздухе, чтобы заблокировать большое количество молекул гемоглобина. По такому
же принципу действуют многие лекарства. Например, дитилин.

Ацетилхолин -
медиатор передачи нервных импульсов на мышцу. Дитилин
блокирует белок-рецептор, с которым связывается ацетилхолин и создает эффект парализации.

Четвертичная структура белка.

Под четвертичной
структурой белка подразумевают способ укладки в пространстве отдельных
полипептидных цепей, обладающих первичной, вторичной и третичной структурой и
формирование единого в структурном и функциональном отношении макромолекулярного
образования. Каждая отдельная полипептидная 
(протомер или субъединица) не обладают
биологической активностью, а образовавшаяся молекула — олигомер обладает
биологической активностью. Четвертичная структура белка уникальна, как и другие
уровни организации. Четвертичная структура поддерживается нековалентными
взаимодействиями между контактными площадками протомеров.

Четвертичная
структура белков — еще один пример удивительной мудрости природы. Докажем это
на примере функционирования двух белков: миоглобина, обладающего только третичной
структурой и гемоглобина, обладающего четвертичной структурой. Гемоглобины
представляют собой тетрамерные белки, молекулы
которых образованы различными типами полипептидных цепей (a, b, g, d, S). В состав молекулы входит по две цепи двух разных
видов. Длина a- и b-цепей примерно
одинакова (a-
141 а.к., b- 146 а.к.). Наиболее распространенные гемоглобины имеют
следующую тетрамерную структуру: HbA (нормальный гемоглобин взрослого
человека) — a2b2,; HbF (фетальный гемоглобин) -a2g2; HbS (гемоглобин при серповидноклеточной
анемии) — a2S2; HbA2 (минорный гемоглобин человека) -
a2d2.

Четвертичная
структура наделяет гемоглобин дополнительными важными особенностями, которые
способствуют выполнению гемоглобином уникальной биологической функцией и
обеспечивают возможность строгой регуляции его свойств. Гемоглобин обладает аллостерическими свойствами (от греч.
— аллос — другой, стерос — пространство). На его примере можно лучше понять
свойства других аллостерических белков, поэтому
рассмотрим работу гемоглобина подробнее.

Миоглобин
способен запасать кислород, а гемоглобин обеспечивает его транспорт. Вторичная
и третичная структуры миоглобина и протомеров
гемоглобина очень сходны. Простетической группой этих
белков является гем. Гем расположен в гидрофобном кармане пептидной цепи каждого протомера, т.е. окружен неполярными остатками, за
исключением 2-х остатков гистидина, расположенных по обе стороны плоскости гема. С одним из них (проксимальным гистидином) Fe2+ связано координационно
по 5 координационному положению. Второй (дистальный) гистидин расположен почти
напротив проксимального, но несколько дальше, поэтому
6-ое координационное положение Fe2+ остается
свободным.  В неоксигенированном
миоглобине или протомере гемоглобина атом железа
выступает из плоскости кольца в направлении проксимального гистидина на 0,03
нм. В оксигенированном миоглобине (протомере гемоглобина) кислород занимает 6-ое координационное
положение атома железа, при этом Fe2+ не меняет
степени окисления. Такого эффекта позволяет достичь
гидрофобное белковое окружение гема, которое не
позволяет кислороду слишком сблизиться с железом, чтобы его окислить.  Железо, координируя О2,
выступает из плоскости кольца лишь на 0,01 нм. Т.о., оксигенирование
миоглобина сопровождается смещением атома железа и, следовательно,
проксимального гистидина и ковалентно связанных с ним
аминокислотных остатков в направлении плоскости кольца. В результате белковая
глобула меняет конформацию. Эти изменения приводят в
гемоглобине сопровождаются разрывом солевых связей между протомерами,
что облегчает связывание следующих молекул О2.
Тем самым проявляется эффект кооперативного связывания.

Кинетика оксигенирования
миоглобина и гемоглобина

Почему миоглобин
не способен транспортировать кислород, но зато активно его запасает? Для
миоглобина изотерма адсорбции кислорода имеет форму гиперболы. Давление О2 в ткани, окружающей легочные капилляры,
составляет 100 мм рт.ст., поэтому миоглобин в легких
мог бы весьма эффективно насыщаться кислородом. В венозной крови Р О2 равно 40 мм рт.
ст., а в активно работающей мышце — 20 мм рт.ст. Но
даже при парциальном давлении 20 мм рт. ст. степень
насыщения миоглобина кислородом будет весьма значительна, и поэтому миоглобин
не может служить транспортной молекулой для доставки  О2 от легких к периферическим
тканям. Однако при кислородном голодании, которым сопровождается тяжелая
физическая работа, парциальное давление О2
в тканях может понизиться и до 5 мм рт.ст.; при столь
низком давлении миоглобин легко отдает кислород, обеспечивая тем самым
окислительный синтез АТФ в митохондриях мышечных клеток.

Кинетика оксигенирования гемоглобина коренным образом отличается от
кинетики оксигенирования миоглобина. Кривая насыщения
гемоглобина О2 имеет сигмоидальную
форму. Т.о., способность гемоглобина связывать О2
зависит от того, содержатся ли в данном тетрамере
другие молекулы О2. Если да, то последующие молекулы О2 присоединяются легче. Для гемоглобина
характерна кинетика кооперативного связывания, благодаря которой он связывает
максимальное количество О2 в легких и отдает максимальное количество
О2 при тех значениях Р О2 , которые
имеют место в периферических тканях.

Сродство
гемоглобинов к О2 характеризуется величиной
Р50— значением парциального давления О2, при котором
наблюдается полунасыщение гемоглобина кислородом.
Например, для HbA Р50
= 26 мм рт.ст., а для HbF — 20 мм рт.
ст. Благодаря этой разнице гемоглобин F отбирает
кислород у HbA, находящегося в
плацентарной крови.

Транспорт двуокиси углерода

Гемоглобин не
только переносит кислород от легких к периферическим тканям, но и ускоряет
транспорт СО2 от тканей к легким. Гемоглобин
связывает СО2 сразу после освобождения
кислорода (»
15 % всего СО2). В эритроцитах происходит ферментативный процесс образования
угольной кислоты из СО2, поступающего из
тканей: СО2 + Н2О  =  Н2СО3.
 Угольная кислота  быстро диссоциирует
на НСО3и Н+. Для предотвращения опасного
повышения кислотности должна существовать буферная система, способная поглощать
избыток протонов. Гемоглобин связывает два протона на каждые четыре
освободившиеся молекулы кислорода и определяет буферную емкость крови. В легких
идет обратный процесс. Высвобождающиеся протоны связываются с бикарбонат- ионом с образованием угольной кислоты, которая под
действием фермента превращается в СО2 и воду, СО2
выдыхается. Т.о., связывание О2 тесно
сопряжено с выдыханием СО2. Это обратимое явление известно как эффект Бора. У миоглобина эффекта Бора
не обнаруживается.

Молекулярная основа эффекта Бора

Протоны,
ответственные за эффект Бора, высвобождаются в результате разрушения солевых
мостиков, которым сопровождается связывание О2, они отсоединяются от
остатков His (146) в b-цепях
гемоглобина. Наоборот, при высвобождении кислорода вновь формируется структура
с солевыми мостиками, при образовании которых происходит присоединение протонов
к остаткам His.

Регуляция 2,3-бисфосфоглицератом

Недостаток О2 в тканях приводит к накоплению
2,3-бисфосфоглицерата. Это соединение образуется из 1,3-бисфосфоглицерата, промежуточного
продукта гликолиза. Тетрамер гемоглобина связывает
одну молекулу ДФГ, которая размещается в центральной области, выстланной
остатками все 4-х субъединиц. Объем этой полости достаточен только в том
случае, когда разрушены солевые мостики между тетрамерами.
ДФГ стабилизирует неоксигенированную форму Hb. С фетальным гемоглобином ДФГ
связывается менее прочно, поэтому HbF  обладает большим сродством к О2, чем гемоглобин взрослого человека.

При увеличении
концентрации ДФГ в эритроцитах (например, при снижении парциального давления
кислорода), снижается сродство О2 к
гемоглобину, этим и обуславливается регулирующее действие ДФГ.

Кооперативные
изменения конформации олигомерных
белков составляют основу механизма регуляции функциональной активности не
только Hb, но и большого
числа других белков, в том числе аллостерических
ферментов.

Изофункциональные белки

Белок,
выполняющий определенную функцию в клетке, может быть представлен несколькими
формами — изофункциональными белками, или изоферментами. такие белки хоть и выполняют одинаковую функцию, но отличаются,
константой связывания, что приводит к некоторым различиям в функциональном
отношении. Например, в эритроцитах человека обнаружено несколько форм
гемоглобина: HbA (96%), HbF (2%), HbA2(2%). Все
гемоглобины представляют собой тетрамеры, построенные
из протомеров a, b, g, d (HbA -a2b2, HbF — a2g2, HbA2 — a2d2). Все протомеры
сходны между собой по первичной структуре, и очень большое сходство
наблюдается  по вторичной и третичной
структурам. Все формы гемоглобинов предназначены для переноса кислорода в
клетки тканей, но HbF, например,
имеет большее сродство к кислороду, чем HbA. HbF характерен для
эмбриональной стадии развития человека. Он способен отнимать кислород у HbA, что обеспечивает нормальное снабжение
кислородом плода.

Изобелки — это результат
наличия более чем одного структурного гена в генофонде вида.

Ферменты — это
биокатализаторы, образующиеся в клетке, и представляющие собой простые или
сложные белки. Слово фермент
происходит от латинского — fermentum -закваска; другое название ферментов — энзимы — происходит от греческого- enzyme — в дрожжах. В 30-х годах XX века некоторые ферменты были выделены в
высокоочищенном кристаллическом состоянии. По химической природе кристаллы
оказались белковыми.

Ферменты — это
белки, и подобно всем белкам, они могут избирательно присоединять определенные
вещества — лиганды. Лиганд,
подвергающийся химическому превращению под действием фермента, называют субстратом (S),
продукты (P) реакции освобождаются в раствор.
Ферменты являются наиболее изученным классом белков. Это объясняется той важной
ролью, которую играют ферменты: любое химическое превращение в организме
происходит с их участием. К тому же, ферменты, в отличие от других белков, сравнительно
легко обнаруживать  и измерять их
количество по катализируемой реакции.

Ферменты как
катализаторы имеют ряд особенностей:

Высокоэффективные
катализаторы — ускоряют реакцию в 1010раз:

1 моль каталазы
при 00 С
обеспечивает разложение за 1 мин 5 млн. H2O2, в то время как 1 моль Pt  катализирует
только 250- 2000 молекул H2O2. 

Высокоспецифичны — катализируют,
как правило,  реакцию одного типа
или  воздействуют на один субстрат. Это
наиболее важное свойство ферментов.

Эффективно
работают в мягких условиях.

Синтез аммиака
по реакции: N2 + 3H2 = 2NH3 проводят при t = 500-5500C,
p = 107-108Па, ферменты,
содержащиеся в бобовых культурах обеспечивают протекание подобного процесса при
обычных условиях.

Ферменты — это
катализаторы, работу которых можно регулировать.

Классификация ферментов по строению

по уровню организации белковых молекул

могут иметь
только третичную структуру (одну полипептидную цепь) и четвертичную структуру
(несколько полипептидных цепей). Последние — аллостерические
ферменты.

 

по типу катализируемой реакции и номенклатура ферментов

В номенклатуре
ферментов, введенной Международным биохимическим союзом (IUB) используется принцип классификации ферментов по
типу катализируемой реакции и ее механизму. Основные принципы номенклатуры
следующие:

Выделяют 6
классов ферментов, катализирующих 6 типов реакций:

Оксидоредуктазы.

Трансферазы.

Гидролазы.

Лиазы

Изомеразы.

Лигазы.

В каждом из 6 классов
имеется несколько подклассов (от 4 до 13).

Систематическое
название фермента состоит из 2-х частей: названия субстрата, типа
катализируемой реакции и части слова за.

Дополнительная
информация, если она необходима для уточнения, заключается в скобках.

 

Например:

L-малат                              пируват

Фермент L-малат:NAD+оксидоредуктаза (декарбоксилаза)

Каждый фермент
обозначается специальным шифром, указывающим номер класса, подкласса, подподкласса и номер фермента в подподклассе.
Например: 2.6.1.2 — аланин:оксоглутарат-аминотрасфераза.

Помимо
систематического названия указывается рабочее
название фермента.

Принципы построения рабочего названия фермента

Оксидоредуктазы — ферменты,
катализирующие реакции окисления-восстановления.

Окисление может
осуществляться двумя путями:

а) Отщепление от
субстрата атомов водорода.

В этом случае
рабочее название там, где это, возможно, включает
термин дегидрогеназа.

Например:

Название
фермента включает название донора водорода и термин — дегидрогеназа:
лактатдегидрогеназа.

Альтернативой
этому может быть использование термина — редуктаза. Название редуктаз складывается из
названия акцептора атомов водорода и термина — редуктаза.Например:

Гидроксиметилглутарил-СоА-редуктаза

Термин оксидаза употребляется, когда акцептором
водорода является кислород. Например, цитохромоксидаза.

б) Включение в
молекулу субстрата кислорода.

Ферменты,
катализирующие данную реакцию, называются оксигеназами
(монооксигеназами или диоксигеназами,
в зависимости от количества атомов кислорода, включенных в молекулу субстрата).

Пример:

Фенилаланинмонооксигеназа

Трансферазы катализируют
реакции переноса различных групп от одного субстрата, который является донором,
к другому — акцептору. В зависимости от переносимых групп ферменты носят
названия метилтрансферазы, аминотрансферазы,
ацетилтрансферазы и т.д.

Рабочее название
трасфераз обычно строится по типу: акцептор — переносимая
группа — термин трансфераза.

Холинацетилтрансфераза

Реже название
фермента складывается по типу: донор — переносимая группа — трансфераза. такой тип названия
характерен для аминотрансфераз.

Аланинаминотрансфераза (т.к.
2-оксоглутарат-универсальный  сборщик аминогрупп).

В ряде случаев
используются специальные термины, например: киназа переносит фосфатные группы от АТФ на какой-либо акцептор. Название
складывается из названия акцептора и термина
киназа
.

фосфоенолпируват

Фермент — пируваткиназа.

Гидролазы катализируют разрыв связей в молекуле за
счет присоединения молекул воды. Название складывается из названия субстрата  + окончание 
аза.

Фермент — аргиназа.

Некоторые
ферменты этого класса имеют название, в состав которого не входит окончание аза.

Например,  ацетоацетилкофермент А

Фермент — ацетоацетилКоАгидролаза.

К гидролазам
относятся все пищевые ферменты, а также ферменты, входящие в состав лизосом — амилолитические, протеолитические, липолитические,
нуклеазы, фосфотазы.

Лиазы катализируют разрыв связи в молекуле или
отрыв фрагмента с образованием двойной связи. Для ферментов этого класса часто
употребляется термины декарбоксилаза, карбоксилаза, дегидратаза,
гидратаза, альдолаза.

Название строится из названия субстрата + соответствующий термин.

Фермент — пируватдекарбоксилаза.

Фермент — фумаратгидратаза

Фермент — цитратсинтаза.

Изомеразы катализируют превращения в пределах
одной молекулы, т.е. катализируют реакции внутримолекулярной перестройки. Название
ферментов зависит от типа реакции изомеризации.

Например:

D-аланин   Û  L-аланин (фермент — аланинрацемаза)

глюкозо-6-фосфат  Û  фруктозо-6-фосфат  (фермент — глюкозофосфатизомераза).

Лигазы (синтетазы) катализируют
присоединение молекул друг к другу за счет энергии макроэргических
фосфодиэфирных связей молекулы АТФ. Название складывается следующим образом:
конечный продукт реакции + термин «синтетаза»

Фермент — глутаминсинтетаза.

В качестве
источников энергии могут выступать и другие нуклеотиды (ГТФ).

Фермент — СукцинилКоАсинтетаза.

В реакциях, где
одним из исходных соединений является СО2
используют термин карбоксилаза.
Название фермента: название субстрата + термин «карбоксилаза».

Фермент — пируваткарбоксилаза.

Активный центр
ферментов.

Ферменты (с
точки зрения строения) – это глобулярные белки, которые имеют в глобуле полость
или щель определенных размеров – активный
центр фермента.

4.1.1 Общие
черты активного центра фермента:

а.ц.ф. – небольшая
часть белковой молекулы;

а.ц.ф. – имеет строго
определенную трехмерную структуру и размеры;

а.ц.ф. – формируется
из аминокислотных остатков, удаленных в первичной структуре, но сближенных в
третичной структуре;

а.ц.ф. – состоит из связывающего и каталитического участков.

Если белок сложный, то простетическая группа
входит в состав а.ц. фермента.

Вся белковая
молекула укладывается определенным образом в пространстве, образуя единственно
возможный  (термодинамически
устойчивый) вариант третичной структуры данного белка, а
следовательно и уникальный активный центр данного фермента.

Механизм действия ферментов (на примере фермента холинэстеразы).

Субстрат  данного фермента:
ацетилхолин – медиатор передачи нервного импульса.

В ответ на выделение окончанием нервного волокна ацетилхолина, следует
ответная реакция возбуждения нервной клетки. Чтобы этот процесс протекал непрерывно,
после каждого акта передачи нервного импульса вызвавшая возбуждение порция
ацетилхолина должна быть гидролизована. Скорость гидролиза:
1-2 мкг (порция) за 0,1-0,2 мс.

Активный центр фермента состоит из двух функционально важных и пространственно
разделенных участков:

связывающего, куда входит карбоксильная группа -COO , электростатически взаимодействующая с заряженным азотом N+ субстрата;

каталитического, ответственного за 
эстеразную активность фермента, в состав
которого входят остатки Ser, His,Tir.

В процессе реакции атом водорода гидроксильной группы Tir активного центра связывается с атомом кислорода
ацетилхолина (будущая спиртовая группа продукта реакции – холина). В результате
увеличивается положительный заряд на углеродном атоме ацетильной группы
субстрата, который атакуется отрицательно заряженным атомом кислорода серина. Отрицательный заряд на атоме кислорода серина возникает в результате образования водородной связи
между атомом Н серина и атомом N гистидина. Связь между  С (ацетила) и О (холина) разрывается с
образованием в качестве промежуточного 
соединения ацетилсерина. Отщепляющийся от серина протон связывается кислородным атомом тирозина, и
первоначальное состояние тирозина восстанавливается. Гидролиз ацетилсерина начинается с диссоциации молекулы воды за счет
взаимодействия протона с атомом N гистидина.
Освободившийся гидроксил атакует сложноэфирную связь ацетилсерина.
Результатом гидролиза является освобождение уксусной кислоты. Ион водорода (Н+),
временно связанный с гистидином, освобождается и связывается с кислородом серина. Образовавшиеся холин и уксусная кислота
освобождаются из активного центра за счет диффузии.

Все описанные выше процессы более или менее одновременно. Гидролиз ацетилхолина
происходит благодаря согласованному действию всех функциональных групп
активного центра.

Причины высокой каталитической
активности.

Фермент поддерживает микроокружение субстрата в
активном центре в состоянии отличном от его состояния в водной среде.

Располагает реагирующие атомы в правильной ориентации
и на необходимом расстоянии друг от друга, чтобы обеспечить оптимальное
протекание реакции.

За счет кооперативного взаимодействия субстрата и
нескольких остатков аминокислот в активном центре фермент снижает энергию активации
данной реакции.

Субстратная
специфичность

Структура активного центра фермента комплементарна
структуре субстрата, т.е. соответствует ему по 1) форме, 2) размерам и 3) способности
взаимодействовать. Это  является
причинами высокой специфичности ферментов.

Первоначально модель активного центра, предложенная  Э.Фишером, трактовала взаимодействие
субстрата и фермента по аналогии  с
системой «ключ-замок» – модель «жесткой матрицы». Однако эта модель объясняла
лишь абсолютную субстратную
специфичность.
Фермент с абсолютной специфичностью катализирует превращение
какого-либо одного субстрата. Например, фумараза
катализирует только реакцию фумаровой кислоты с
водой:

Кошланд
предложил модель индуцированного
соответствия
. Главная черта этой модели – гибкость каталитического центра.
В модели Фишера каталитический центр считается заранее подготовленным под форму
молекулы-субстрата. В модели Кошланда субстрат индуцирует
конформационные изменения фермента, и лишь в
результате этих аминокислотные остатки и другие группы фермента принимают
пространственную ориентацию, необходимую для связи с субстратом и катализа. Эта
модель позволяет объяснить относительную
специфичность
фермента.

Активный центр фермента имеет трехмерную структуру, поэтому ферменты
проявляют в большинстве случаев абсолютную
оптическую специфичность
за исключением эпимераз
(рацемаз), которые катализируют взаимопревращение оптических
изомеров.

Кроме того, большинство субстратов образуют, как правило, не меньше
трех связей с ферментом. Благодаря такой «трехточечной
фиксации» симметричная молекула может проявлять асимметрию.

Химические изменения могут происходить только с группой 1, но не 2.

Специфичность
пути превращения

Каждый фермент катализирует не любые из
всех возможных путей превращения субстрата, а какое-либо одно. Это свойство
называется специфичностью пути
превращения.
  Например, у ферментов гистидазы и гистидиндекарбоксилазы один субстрат – гистидин, но катализируют
эти ферменты разные превращения гистидина.

Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата.
Уравнение Михаэлиса-Ментен.

Любую ферментативную реакцию схематично можно описать следующим образом:

Поведение многих ферментов при изменении концентрации субстрата описывает  уравнение Михаэлиса-Ментен:

, где

— скорость
ферментативной реакции,

— максимальная скорость
ферментативной реакции при полном насыщении фермента субстратом,

 – константа Михаэлиса,

– концентрация
субстрата.

— константа образования
фермент-субстратного комплекса ES,

— константа диссоциации фермент-субстратного комплекса ES.

Влияние концентрации субстрата на скорость ферментативной реакции, описываемое
этим уравнением, можно изобразить графически:

равна концентрации субстрата при скорости ферментативной
реакции, равной половине максимальной скорости и  характеризует сродство данного фермента к
тому или иному субстрату.

Некоторые ферменты требуют высокой концентрации субстрата для
достижения скорости, равной максимальной, другие (например, гексокиназа)
достигают  при очень низкой
концентрации субстрата.

 — скорость реакции при 250С,
оптимальном значении рН, полном насыщении фермента
субстратом.

число оборотов фермента, т.е. число молекул субстрата, которое превращает
одна молекула фермента за 1 минуту.

Линеризация уравнения Михаэлиса-Ментен.

Уравнение Михаэлиса-Ментен  можно преобразить алгебраическим способом в
другие формы, более удобные для анализа экспериментальных данных:

Зависимость скорости ферментативной реакции от температуры

В пределах физиологических условий зависимость скорости реакции от температуры
подчиняется законам химической кинетики, т.е. описывается уравнением Аррениуса.
Так при увеличении температуры тела с 360С до 390С
скорость биохимических процессов в организме увеличивается в 1,2 – 1,4 раза.

Выше определенной температуры начинается тепловая денатурация белковых
молекул, в том числе и ферментов, которые при этом теряют свою биологическую
активность.

Зависимость скорости ферментативной реакции от рН.

Большинство ферментов характерным образом изменяют свою активность в зависимости
от рН. Оптимальной активности соответствует
определенная область рН, причем уменьшение и
увеличение рН приводит к снижению активности. Для
различных реакций значения оптимума рН колеблются в
широких пределах от сильно кислой среды (например, для пепсина) до сильно щелочной 
(например, для щелочной фосфотазы). Поэтому
для работы с ферментами необходимо поддерживать рН с
помощью соответствующего буфера.

Зависимость ферментативной активности от рН
определяется значением рК ионогенных
групп белковой молекулы, особенно тех, которые находятся в активном центре
молекулы или вблизи него (и, возможно, играют роль в связывании кофермента), а
также групп, ответственных за изменение состояния активного центра путем конформационных изменений белковой молекулы. Кроме того, рН может влиять на степень ионизации или пространственную
организацию субстрата.

Влияние активаторов и ингибиторов на активность ферментов.

Активаторы — это молекулы или ионы, которые увеличивают
активность ферментов. Часто в качестве активаторов выступают ионы металлов (Mn2+, Mg2+, Zn2+, Co2+, K+)  и хлорид-ион (Cl). Механизм
активации ферментов под действием этих ионов может быть разным:

ионы являются коферментами и входят в состав активного
центра;

облегчают образование ES;

облегчают присоединение кофермента к апоферменту;

обеспечивают образование устойчивой четвертичной
структуры белков.

Ингибиторы — это молекулы или ионы, снижающие активность
ферментов.

Различают два больших класса ингибиторов ферментативной активности — на
основании того, ослабляется (конкурентное
ингибирование
) или не ослабляется (неконкурентное
ингибирование
) их ингибирующее действие при повышении концентрации
субстрата.

Другой способ классификации ингибиторов основывается на характере места
их связывания с ферментом в том же месте, что и субстрат (в активном центре), а
другие — на значительном расстоянии от активного центра.

Обратимое
конкурентное ингибирование аналогами субстрата.

Химическая структура ингибитора (I) сходна со структурой субстрата, поэтому связывание
ингибитора с ферментом происходит в активном центре фермента с образованием
комплекса E-I. Этот комплекс может диссоциировать.
Когда в реакционной смеси одновременно присутствуют и субстрат, и ингибитор, то
они конкурируют за один и тот же связывающий центр. При увеличении концентрации
субстрата происходит вытеснение ингибитора из активного центра фермента. Таким
образом, максимальная скорость ферментативной реакции в этом случае не
меняется, а константа Михаэлиса (Км)
уменьшается.

Примером такого ингибирования может быть ингибирование сукцинатдегидрогеназы малонатом.

Малонат (HOOC-(CH2)2COOH) способен связываться с дегидрогеназой,
образуя комплекс E-I, но отщепление атомов водорода от малоната
не происходит.

Многие лекарственные препараты, широко применяемые в клинике, действуют
как конкурентные ингибиторы очень важных ферментов.

Обратимое
неконкурентное ингибирование

В этом случае конкуренция между субстратом и ингибитором отсутствует.
При этом ингибитор ничем не напоминает субстрат и связывается не с активным центром
фермента. Обратимые неконкурентные ингибиторы понижают максимальную скорость,
но не влияют на KM.

Необратимое
ингибирование

 

Ферментативная активность может уменьшаться в присутствии многих
«ядов», таких как иодацетамид, диизопропилфторфосфат (нервно-паралитический яд), ионы тяжелых металлов (Ag+, Hg2+),
окисляющие агенты и т.д.

Многие инсектициды действуют по такому механизму.

Единицы ферментативной активности ферментов.

Ферменты обнаруживают по превращению их
субстратов, а количественно измеряют по величине каталитической активности, т.е. по скорости реакции, проходящей при
участии фермента. Для этого измеряют начальную скорость реакции, когда она
линейно зависит от концентрации фермента.

За единицу
активности
(Е) фермента принимают такое его количество, которое
катализирует превращение 1 мкмоль субстрата за 1 мин
(международная единица активности фермента 
— 1 катал = 1моль/1c).

Концентрацию
фермента

в растворе выражают в единицах на 1 мл (Е/мл) (международная единица — катал/л).

Часто бывает необходимо выражать
активность не в расчете на объем раствора, а в расчете на содержание белка. Удельная активность выражается в
единицах фермента на 1 мг белка (Е/мг) (международная единица —катал/г).

Для
сопоставления каталитической эффективности разных ферментов определяют молекулярную активность, которая
соответствует числу единиц в 1 мкмоль фермента (Е/мкмоль) или соответствует числу молекул субстрата,
превращаемых 1 молекулой фермента за 1 мин. Молекулярную активность можно
определить лишь в том случае, если известны молекулярная масса фермента и его молекулярная
концентрация в растворе.

Перед разработкой метода определения
активности любого фермента всегда изучается кинетика действия ферментов для
того, чтобы подобрать стандартные условия (насыщение концентрации субстрата,
оптимум температуры, ионный состав среды) для правильного определения
активности определенного фермента. Если эти условия не будут подобраны, то
активность фермента не будет соответствовать истинным величинам, что приведет к
ошибочному заключению при использовании методов определения ферментов в
диагностике заболеваний.

Для нормального функционирования организма должна осуществляться точная
регуляция потока метаболитов по анаболическим и катаболическим
путям. Все биохимические процессы должны быть скоординированы и должны отвечать
на изменения во внешней среде (например, на поступление питательных веществ), а
также на периодически происходящие внутриклеточные события (например, репликацию
ДНК). Поток веществ, проходящий через ту или иную реакцию, можно регулировать,
изменяя следующие параметры: 1) абсолютное количество присутствующего фермента;
2) каталитическую эффективность фермента.

Регуляция количества фермента путем регуляции скорости его синтеза и
распада

Синтез и распад ферментов, как и других белков, происходит в организме
непрерывно. У взрослого здорового человека в условиях динамического равновесия
процессы синтеза и распада имеют одинаковую скорость, благодаря чему общее
содержание ферментов не изменяется во времени. Однако, для адаптации к изменениям
внешней среды или в ответ на внутриклеточные изменения, смещается равновесие
между процессами синтеза и распада ферментов. У всех живых организмов синтез
ферментов (из аминокислот) и распад (до аминокислот) представляют собой разные
процессы, которые катализируются разными ферментами. В этих условиях легко
осуществляется независимая регуляция скорости синтеза фермента и скорости его
распада.

Клетки могут синтезировать специфические ферменты в ответ на
присутствие специфических низкомолекулярных индукторов, т.е. веществ,
которые могут влиять на скорость синтеза фермента и оказывать существенное воздействие
на регуляцию обмена веществ путем соотношения ферментов в организме. Ферменты,
концентрация которых всегда постоянна и не зависит от условий, называются конститутивными.
Ферменты, концентрация которых может меняться, называются адаптивными.

В частности, известно, что введение некоторых лекарств
приводит к усилению синтеза ряда ферментов (эти лекарства действуют как
индукторы ферментов). Например, фенобарбитал приводит
к значительному (в 3-5 раз) увеличению содержания микросомального
фермента цитохрома Р-450, который играет центральную
роль в метаболизме самого фенобарбитала и многих
других лекарственных препаратов. Один из таких препаратов — варфарин,
препятствующий свертыванию крови. Если больной принимает варфарин,
а затем ему назначают фенобарбитал, то доза варфарина должна быть существенно увеличена, чтобы
компенсировать его разрушение под действием индуцированного цитохрома
Р-450.

Ферменты цикла мочевины, тирозинаминотрансфераза,
треониндегидраза — индуцируемые ферменты.

Репрессия
это процесс, в результате
которого может быть приостановлен синтез фермента. Таким репрессором может быть
субстрат. У человека на уровень адаптивных ферментов в большей мере играют
эндокринные факторы (гормоны), чем промежуточные продукты обмена веществ. Так,
ферменты коры надпочечников стимулируют синтез ферментов, участвующих в
образовании глюкозы (гллюконеогенезе).

Превращение ферментов в активные формы

Ферментативная активность может регулироваться путем превращения неактивного
профермента
в активную форму. Чтобы перейти в такую форму, профермент должен подвергнуться ограниченному протеолизу, сопровождающемуся
конформационными изменениями; при этом происходит
либо открытие активного центра, либо его формирование.

Синтез в форме проферментов характерен для пищеварительных ферментов, а
также ферментов системы свертывания крови и системы фибринолиза.

Регуляция активности ферментов путем их ковалентной модификации

Обратимое изменение каталитической активности ферментов может осуществляться
путем ковалентного присоединения фосфатной группы (преобладает у млекопитающих)
и ли нуклеотида (преобладает у бактерий). Ферменты, подверженные ковалентной
модификации, которая сопровождается изменением их активности, называют обратимо
модифицируемыми
ферментами.

Обратимо модифицируемые ферменты могут находиться в двух состояниях, одно
из которых характеризуется высокой, а другое — низкой каталитической эффективностью.
В зависимости от конкретного случая более активным катализатором может быть
либо фосфо-,
либо дефосфофермент.

Фосфорилирование протекает соответственно по остаткам серина
и тирозина. Фосфорилирование и дефосфорилирование
катализируется протеинкиназами и протеинфосфотазами.
Активность протеинкиназ регулируется с помощью белковых
ингибиторов.

Регуляция белковыми ингибиторами.

Одним из важнейших примеров регуляции белковыми ингибиторами является
регуляция протеинкиназ — ферментов, фосфорилирующих белки. Протеинкиназа
в активной форме представляет собой белок, построенный из одной полипептидной
цепи (субъединица С). В клетке имеется белок (субъединица R), способный соединяться с белком С,
причем образуется тетрамерный комплекс R2C2. Этот комплекс не обладает ферментативной активностью.
Активация происходит при участии цАМФ, который связывается с субъединицей R. После связывания изменяется конформация
белка, и сродство субъединицы R к субъединице С уменьшается — происходит диссоциация комплекса:

R2C2  +  2цАМФ  Û  R2цАМФ2  +  2С

Повышение концентрации цАМФ в клетке ведет к
активации протеинкиназ.

Аллостерическая регуляция.

Последовательность реакций синтеза сложного природного соединения из простых
называется анаболическим путем, а последовательность реакций его распада -
катаболическим путем. Катаболические
и анаболические пути одного итого же вещества не совпадают полностью. Как
правило, биохимические реакции, различающиеся в катаболическом
и анаболическом путях, катализируются ключевыми аллостерическими ферментами, которые называют также регуляторными.
Благодаря существованию таких ферментов возможно независимое регулирование
процессов синтеза и распада.

 

Аллостерические ферменты помимо активного центра имеют еще специфический регуляторный
центр (аллостерический центр), с которым могут специфически
связываться некоторые соединения, способные активировать или ингибировать
ферменты (аллостерические модификаторы или эффекторы).

Аллостерические ферменты, как правило, состоят из 2-х или более субъединиц. Одна
субъединица имеет активный (каталитический) центр, а другая — регуляторный. На
рисунке представлена схема аллостерического ингибирования
фермента:

В отсутствии аллостерического ингибитора
субстрат  присоединяется к активному
центру и происходит реакция. Если в среде есть аллостерический
ингибитор, то он присоединяется к регуляторному центру, что ведет к изменению конформации регуляторной субъединицы, а затем -
каталитической субъединицы. В результате активность фермента снижается.

Кинетика аллостерических ферментов не подчиняется
уравнению Михаэлиса-Ментен. Зависимость скорости
реакции от концентрации субстрата носит сигмоидальный
(S-образный) характер.

Ингибирование по принципу обратной связи

Ингибирование фермента, катализирующего одну из реакций в цепи,
конечным продуктом этой цепи называют  ингибированием
по принципу обратной связи
. В цепи реакций биосинтеза D  из A, катализируемой ферментами Е1, Е2,
Е3, при высоких концентрациях D обычно наблюдается ингибирование превращения А в В. D действует как отрицательный аллостерический
эффектор фермента, или ингибитор, действующий по принципу обратной связи.

В кинетическом плане ингибирование по принципу обратной связи может
быть конкурентным, неконкурентным.

Очень часто ингибитор, действующий по принципу обратной связи, является
последней малой молекулой перед синтезом макромолекулы (например, нуклеотид в
синтезе нуклеиновых кислот). Регуляция по принципу обратной связи происходит на
первой функционально необратимой стадии, уникальной для данной цепи реакций
биосинтеза.

Такое ингибирование позволяет экономить метаболиты и энергию, прекращая
синтез продукта уже на первых стадиях.

Примером ингибирования по принципу обратной связи может быть регуляция
синтеза УТФ (уридинтрифосфата).

Метаболический путь синтеза УТФ включает
8 реакций. Первая катализируется реакцией карбамоилфосфатсинтетазой
II. Это аллостерический
фермент: конечный продукт метаболического пути — УТФ — является его аллостерическим ингибитором.

Распределение ферментов в организме.

Многие ферменты обнаруживаются почти во
всех клетках организма. Это ферменты, которые участвуют в процессах
жизнеобеспечения самой клетки (синтез нуклеиновых кислот, белков,
энергетический обмен и т.д.). С другой стороны, дифференцированные клетки,
выполняющие специфические функции, отличаются по ферментному составу. Например,
клетки печени содержат набор ферментов, необходимых для синтеза мочевины,
клетки коры надпочечников содержат ферменты, синтезирующие стероидные
гормоны. Некоторые ферменты обнаруживаются только в одном или двух органах.
Такие ферменты называются органоспецифическими ферментами.
Например, кислая фосфотаза  есть преимущественно в предстательной железе.

Внутри клеток ферменты также
распределены неравномерно. Разные органеллы имеют специфический набор
ферментов, а, следовательно, различаются по метаболизму, т.е. наблюдается компартментализация метаболизма.

Физически различимые формы ферментов,
катализирующие одну и ту же реакцию с одним и тем же субстратом, называются изоферментами.
Изоферменты отличаются по первичной структуре, но не слишком сильно, поэтому,
проявляя одинаковую биологическую активность, они могут различаться по ряду
свойств, например, по молекулярной активности, по способам регуляции, по
стабильности. Различные формы изоферментов могут присутствовать в разных тканях
организма.  При заболеваниях какого-либо
органа происходит попадание специфических изоферментов в сыворотку крови.
Определение содержания изоферментов в сыворотке помогает поставить правильный
диагноз.

Приведем в качестве примера изоферменты гексокиназу и глюкокиназу. Обе
эти киназы катализируют превращение глюкозы в глюкозо-6-фосфат,
но различаются значением константы Михаэлиса (КМ
= 0,05 ммоль/л и 10 ммоль/л
соответственно) и локализацией в организме: глюкокиназа
— фермент печени, гексокиназа присутствует в печени,
мышцах и многих других тканях. Кроме того, продукт реакции глюкозо-6-фосфат
ингибирует гексокиназу, но не влияет на активность глюкокиназы.

Если фермент имеет олигомерную
структуру и построен из различных протомеров, то
изоферменты могут получаться в результате различных комбинаций протомеров.

Например, фермент лактатдегидрогеназа — тетрамер,
состоящий из протомеров 2-х типов Н (сердечный) и М
(мышечный):

Лактатдегидрогеназа — фермент,
который катализирует обратимую реакцию:

Изомерные формы ЛДГ1
и ЛДГ2  обнаруживаются в
мозге, сердце, корковом веществе почек, т.е. в тканях с интенсивным снабжением
кислородом. Форма ЛДГ3 — в поджелудочной железе, ЛДГ4и ЛДГ5 в скелетных
мышцах, печени, мозговом веществе почек, т.е. в тканях с менее интенсивным
снабжением кислородом. Все эти формы ферментов значительно различаются
максимальной скоростью реакции и константами Михаэлиса
для лактата и пирувата. ЛДГ5
быстро катализирует восстановление пирувата в лактат при низких концентрациях лактата.
ЛДГ1 катализирует быстрое окисление лактата в пируват в сердечной
мышце.

Определение содержания ЛДГ1 и ЛДГ2 в сыворотке крови служит
тестом при постановке диагноза — инфаркта-миокарда.

 

Основы правильного питания — Школа здоровья — ГБУЗ Городская поликлиника 25 г. Краснодара МЗ КК

25 сентября 2019 г.

Значение белков, жиров и углеводов (БЖУ) в питании человека

 

Значение белка в питании здорового человека

 

Белки – сложные азотсодержащие биополимеры, мономерами которых служат α-аминокислоты. Белки – высокомолекулярные соединения. Их молекулярная масса колеблется от 6000 до 100000 и более. Аминокислотный состав различных белков неодинаков и является важнейшей характеристикой каждого белка, а также критерием его ценности в питании. Аминокислоты – органические соединения, в которых имеются две функциональные группы – карбоксильная, определяющая кислотные свойства молекул и аминогруппа, придающая этим соединениям основные свойства.

Среди большого число природных аминокислот в составе белков с наибольшим постоянством обнаруживают следующие 20 аминокислот: глицин (гликокол), аланин, серин, треонин, метионин, цистин, валин, лейцин, изолейцин, глутаминовая кислота, глутамин, аспарагиновая кислота, аспарагин, аргинин, лизин, фенилаланин, тирозин, гистидин, триптофан, пролин.

Все белки принято делить на простые (протеины) и сложные (протеиды). Под простыми понимают соединения, включающие в свой состав лишь полипептидные цепи, под сложными белками – соединения, в которых наряду с белковой молекулой имеется также небелковая часть – так называемая простетическая группа. В зависимости от пространственной структуры белки можно разделить на глобулярные и фибриллярные. К числу простых глобулярных белков относятся, в частности, альбумины, глобулины, проламины и глютелины. Альбумины и глобулины широко распространены в природе и составляют основную часть белков сыворотки крови, молока и яичного белка. Проламины и глютелины относятся к растительным белкам и встречаются в семенах злаков, образуя основную массу клейковины. Эти белки нерастворимы в воде. К проламин относятся глиадин пшеницы, зеин кукурузы, гордеин ячменя. Аминокислотный состав этих белков характеризуется низким содержанием лизина, а также треонина, метионина и триптофана и чрезвычайно высоким – глутаминовой кислоты.

Представители структурных белков, так называемые протеиноиды, являются фибриллярными белками главным образом животного происхождения. Эти белки выполняют в организме опорную функцию. Они нерастворимы в воде и весьма устойчивы к перевариванию пищеварительными ферментами. К ним относятся кератины (белки волос, ногтей, эпидермиса), эластин (белок связок, соединительной ткани сосудов и мышц), коллаген (белок костной, хрящевой, рыхлой и плотной соединительной ткани). При длительном кипячении в воде коллаген превращается в водорастворимый белок – желатин (глютин). Коллаген содержит значительное количество необычных для других белков аминокислот оксипролина и оксилизина, но в нем отсутствует триптофан.

 

Основные функции белков в организме.

 

1. П л а с т и ч е с к а я. Белки составляют 15-20% сырой массы различных тканей (в сравнении – липиды и углеводы лишь 1-5%) и являются основным строительным материалом клетки, ее органоидов и межклеточного вещества. Белки наряду с фосфолипидами образуют остов всех биологических мембран, играющих важную роль в построении клеток и их функционировании.

2. К а т а л и т и ч е с к а я. Белки являются основным компонентом всех без исключения известных в настоящее время ферментов. При этом простые ферменты представляют собой чисто белковые соединения. В построении сложных ферментов наряду с молекулами белка участвуют и низкомолекулярные соединения (коферменты). Ферментам принадлежит решающая роль в ассимиляции пищевых веществ организмом человека и в регуляции всех внутриклеточных обменных процессов.

3. Г о р м о н а л ь н а я. Значительная часть гормонов по своей природе является белками или полипептидами. К их числу принадлежит инсулин, гормоны гипофиза (АКТГ, соматотропный, тиреотропный и др.), паратиреоидный гормон.

4. Ф у н к ц и я   с п е ц и ф и ч н о с т и. Чрезвычайное  разнообразие и уникальность индивидуальных белков обеспечивают тканевую индивидуальную и видовую специфичность, лежащую в основе проявлений иммунитета и аллергии. В ответ на поступление в организм чужеродных для него белков – антигенов – в иммунокомпетентных органах и клетках происходит активный синтез антител, представляющих особый вид глобулинов (иммуноглобулины). Специфическое взаимодействие антигена с соответствующими антителами составляет основу иммунных реакций, обеспечивающих защиту организма от чужеродных агентов.

5. Т р а н с п о р т н а я. Белки участвуют в транспорте кровью кислорода (Hb), липидов (липопротеиды), углеводов (гликопротеиды), некоторых витаминов, гормонов, лекарственных веществ и др. Вместе с тем специфические белки-переносчики обеспечивают транспорт различных минеральных солей и витаминов через мембраны клеток и субклеточных структур.

Белки организма – чрезвычайно динамичные структуры, постоянно обновляющие свой состав вследствие непрерывно протекающих и тесно сопряженных друг с другом процессов их распада и синтеза. Организм человека практически лишен резерва белка, причем углеводы и жиры также не могут служить его предшественниками. В связи с этим единственным источником пополнения фонда аминокислот и обеспечения равновесия процессов синтеза и распада белков в организме могут служить пищевые белки, являющиеся вследствие этого незаменимыми компонентами пищевого рациона.

Белки, содержащиеся в пищевых продуктах, не могут однако, непосредственно усваиваться организмом и должны быть предварительно расщеплены в желудочно-кишечном тракте до составляющих их аминокислот, из которых организм формирует характерные для него белковые молекулы. Из 20 аминокислот, образующихся при гидролизе белков, 8 (валин, лейцин, изолейцин, треонин, фенилаланин, триптофан, метионин, лизин) не синтезируются в организме человека и поэтому являются незаменимыми факторами питания. Для детей в возрасте до года незаменимой аминокислотой служит также гистидин. Другие 11 аминокислот могут претерпевать в организме взаимопревращения и не являются незаменимыми. Поскольку для построения подавляющего большинства белков организма человека требуются все 20 аминокислот, но в различных соотношениях, дефицит любой из незаменимых аминокислот в пищевом рационе неизбежно ведет к нарушению синтеза белков.

При нарушении сбалансированности аминокислотного состава рациона синтез полноценных белков также нарушается, что ведет к возникновению  ряда патологических изменений. В связи с этим пищевые белки следует рассматривать, прежде всего, как поставщики в организм человека незаменимых аминокислот. Наряду с использованием для синтеза белковых молекул аминокислоты могут окисляться в организме и служить источником энергии. Конечными продуктами катаболизма аминокислот являются углекислый газ, вода и аммиак, который выводится из организма в виде мочевины и некоторых других менее токсичных соединений.

Недостаточное поступление с пищей белков нарушает динамическое равновесие процессов белкового анаболизма и катаболизма, сдвигая его в сторону преобладания распада собственных белков организма, в том числе и белков ферментов.

Избыточное поступление пищевых белков также небезразлично для организма. Оно вызывает усиленную работу пищеварительного аппарата, значительную активацию процессов межуточного обмена аминокислот и синтеза мочевины, увеличивает нагрузку на клубочковый и канальцевый аппарат почек, связанную с усиленной экскрецией конечных продуктов азотистого обмена. При этом может возникать перенапряжение указанных процессов с их последующим функциональным истощением. Избыточное поступление в организм белков может также вести к образованию в желудочно-кишечном тракте продуктов их гниения и неполного расщепления, способных вызывать интоксикацию человека.

 Важным показателем качества пищевого белка может служить и степень его усвояемости, которая объединяет протеолиз в желудочно-кишечном тракте и последующее всасывание аминокислот. По скорости переваривания протеолитическими ферментами пищевые белки можно расположить в следующей последовательности: 1) рыбные и молочные, 2) мясные, 3) белки хлеба и круп.

Хлеб и хлебобулочные изделия, крупы и макаронные изделия содержат 5-12% белка; с учетом значительного потребления этих продуктов жителями нашей страны они вносят весьма существенный вклад в обеспечение человека белком. Однако белок хлебобулочных изделий и круп дефицитен по ряду аминокислот, в первую очередь по лизину, и не является достаточно полноценным.

 

Из чего состоит фермент. Как возникают ферменты

Из чего состоит фермент


Из чего состоит фермент и чем вызваны такие избирательные его свойства!?


Ещё в 19 веке предполагалось, что основной компонент, который составляет фермент – это белок. В 20 веке в Германии предпринята очередная повторная попытка выяснить, из чего состоит фермент. Ошибочно было предположено, что ферменты нельзя отнести ни к белкам, ни к какому-либо другому органическому веществу. Чуть позже в Америке был получен фермент «уреаза» в виде кристаллов белка, но этот опыт приняли недействительным из-за искажения эксперимента.


Только в 30-х годах 20 века были получены ферменты, такие как трипсин и пепсин в кристаллическом виде, после чего была признана их белковая структура, которая через 20 лет была утверждена рентгеновским структурным анализом.


Белки – это сложные органические вещества с очень сложной структурой. Они могут иметь до 4 различных структурных уровней. Так, если белок состоит из нескольких соединённых между собой цепочек, то такая структура будет называться четвертичной. Например такую структуру имеет ферменталкогольдегидрогеназа дрожжей.
Если нарушается хотя бы один белковый уровень, то это вызывает денатурацию белка, кислая среда – разрушает связи и дисульфидные мостики внутри белковых молекул. Если температура возрастает, то спирали, в которые свёрнуты белковые молекулы, начинают разворачиваться, что ведёт к потере каталитических свойств ферментов. Этим объясняется такая чувствительность к условиям функционирования ферментов.


(страница свойства белков посвящена белкам)


Но как оказалось, фермент состоит не только из белка. Кроме белка может также присутствовать другой органический остаток или даже ион металла.
Интересно, то что именно те ферменты, содержащие подобные «включения» (металлы или другие органические остатки) способны проявлять активность и быть настоящими катализаторами химических реакций. Та часть молекулы фермента, которая содержит подобные включения называется конферментом (такое название дано в 1897 г, когда был обнаружен марганец в золе фермента лакказы.


Наш организм сам производит необходимые для нас белки, свойственные только нашему организму, но коферменты синтезируются с трудом, так как металлы в наш организм в требуемых количествах попадают в основном с витаминами и микроэлементами. Витамины очень необходимы нашему организму, так как содержат металлы и способствуют образованию дееспособных ферментов.


(Подробно о витаминах Вы можете почитать на страничке Витамины и пищевые добавки, где подробно дано описание употребляемым нами витаминам и пище, в которой их можно найти.
Нормальный человеческий организм содержит ионы различных металлов, при этом для человека массой 70 кг необходимо для нормальной жизнедеятельности 2,3 г цинка (Zn), 4,1 г железа (Fe), 0,2 г меди (Cu), а также много других микроэлементов: магний, молибден, кобальт, кальций, кали, натрий.


Например, в организме железо образует комплексные соединения и являются составной частью фермента пероксидазы и каталазы (этот фермент катализирует химическую реакцию окисления взаимодействия перекиси водорода и органических веществ). А вот для того, чтобы наш организм лучше перерабатывал и расщеплял спирт (это выполняет фермент алкогольдегидрогеназа и карбоангидраза), нам необходим цинк.

Как возникают ферменты


Люди разгадали удивительные и полезные свойства ферментов за много времени до их открытия. Получать и выделять ферменты люди ещё не умели, но уже знали, какие вещества обладали каталитическим действием, например, для брожения вина, подготовки теста, створаживания молока широко использовались элементы живой природы (например, те же дрожжи для приготовления алкоголя). Конечно, ферменты живого происхождения (полученные из тканей животных и растений) используются и сейчас, но более интересным и современным направлением является выделение чистых ферментов. Так, например, в известные нам стиральные порошки, которые хорошо отстирывают любые жировые пятна, добавлены специальные виды ферментов, способных легко растворять и не портить ткань.


Основное большинство используемых нами ферментов образуются отдельными видами микроорганизмов. Образуемые таким образов ферменты можно получать практически в неограниченных количествах. Всё зависит от среды содержания и обитания микроорганизмов, которое мы сами можем, при желании, контролировать.


Производство ферментов в применении к широким нуждам людей было организовано в конце 19 века. Но только после середины 20 века с развитием биоинженерии стало возможным реализовать все потребности общества в ферментах и открыть их массовое производство.


В прикладном применении для проведения химической реакции фермент берут в очень малых количествах. Вот, например, чтобы сваренное куриное яйцо (белок) превратить в набор аминокислот и преобразовать их в раствор, потребуется всего лишь 1 г фермента пепсина и 2 часа времени.


В нашем организме за производство ферментов отвечает ДНК. Определённая последовательность структурных составляющих ДНК, встроенная в молекулу бактерии, позволит получить бактерии, которые будут нам производить необходимый фермент — как по строгой программе

Биологические функции белков. Белки как ферменты


Какова общая роль ферментов? Направление, регуляция обмена веществ путем ускорения химических реакций. В целом известно, что ферменты являются катализаторами, ускорителями реакций. Все ферменты — белки, но не все белки ферменты! Роль ферментов могут выполнять и РНК. Впервые ферменты (уреазу, расщепляющую мочевину) в кристаллической форме выделил американский химик Джеймс Самнер в 1926 году. «Аза» — окончание многих белков.


Образование или распадение каких-либо химических связей под действием фермента предваряет создание фермент-субстратного комплекса. Пример субстрата — белки пищи человека. Пример фермента — белок пепсин. При соединении субстрата с ферментом как раз и образуется фермент-субстратный комплекс (белки пищи с белком пепсином). Далее субстрат превращается в продукт (аминокислоты, до которых расщепились белки пищи), поэтому в результате реакции остаются фермент и продукт.


Строение фермента


1.      Субстратный центр обеспечивает удержание субстрата.


2.      В активном центре идет реакция видоизменения субстрата.


3.      Регуляторный центр поддерживает специфическую конфигурацию фермента. Конфигурация фермента связана с третичной и четвертичной структурой белка. Регуляторный центр может изменять конфигурацию белка для быстрого соединения с субстратом.



Состав ферментов


1.      Однокомпонентные ферменты состоят только из белков.


2.      Двухкомпонентные ферменты имеют белковую часть (апофермент), а также небелковые включения (кофермент).


3.      Коферменты — это витамины, ионы металлов. По сути, витамины активируют ферменты.



Свойства ферментов


1.      Специфичность, избирательность действия. Например, липаза расщепляет жиры, амилаза — крахмал, трасферазы осуществляют перенос химических групп с одной молекулы на другую, оксидоредуктазы — перенос электронов при окислении одних веществ и восстановлении других.


2.      Фермент не расходуется, каждая молекула может осуществлять до нескольких миллионов операций в минуту.


3.      Каталитическая активность ферментов в несколько раз выше, чем у неорганических катализаторов.


4.      Ферменты активны при определенных условиях среды.



Как кислотность влияет на ферменты?


1.      Повышение концентрации ионов водорода (как и температуры) сначала усиливает активность ферментов, затем понижает ее.


2.      Действительно, при достижении высокого порога рН не многие ферменты могут работать.


3.      При повышении водородного показателя до 1-2 редкие ферменты могут функционировать, например, таким ферментом является пепсин желудка.


От чего зависит скорость ферментативных реакций?


1.      От температуры среды (большинство ферментов человека активны в интервале от 30 до 40 градусов, при 0 активность замирает).


2.      От концентрации солей.


3.      От уровня реакции среды — рН. Так, пепсин действует исключительно в кислой желудочной среде (при 1-2 рН), трипсин при 8-9 рН. Ферменты в целом предпочитают слабощелочную среду.


4.      От концентрации субстрата.


5.      От концентрации фермента.



Активаторы и ингибиторы ферментов


1.      Активаторами
выступают различные неорганические вещества, например, ионы металлов.


2.      Ингибиторы образуют с ферментом комплекс, лишенный ферментативной активности. Выделяют конкурентное ингибирование — в этом случае ингибитор не дает соединиться субстрату с ферментом. При неконкурентном ингибировании ингибитор просто нарушает конфигурацию фермента, в связи с чем фермент не способен соединиться с субстратом. Пример — синильная кислота, нейтрализующая дыхательный фермент цитохромоксидазу.


Что влияет на каталитическую активность ферментов?


Денатурация фермента. Если изменяется структура белка при денатурации, подавляется активность фермента. При этом нарушается пространственная конфигурация активного центра.


Белки — регуляторы биохимических процессов


1.      Многие гормоны — белки. Примеры — соматотропин (синтезируется с помощью генной инженерии), тиреотропный гормон, либерины и статины гипоталамуса, инсулин, глюкагон. Инсулин открывает клетку для глюкозы, его также научились получать с помощью генной инженерии.


2.      Однако не все гормоны — белки. Три- и тетрайодтиронин, адреналин, мелатонин являются производными аминокислот.


Как гормоны влияют на организм?


Они изменяют активность определенных ферментов. Каким образом это происходит? Например, присоединение к ферментам фосфатных групп. Это повышает или понижает активность ферментов. Понятно, что присоединение дополнительных химических группировок может изменить свойства ферментов.


Другие гормоны усиливают синтез ферментов в клетках. Например, существует группа белковых факторов роста, которые активируют ферменты синтеза ДНК перед делением клетки. В связи с этим клетка быстрее делится, растет, что особенно важно при ранениях, операциях. Однако при избытке таких гормонов может произойти злокачественный рост. Причины его — изменения в структуре генов, ответственных за факторы роста. Мы можем сделать вывод, что один белки (гормоны) влияют на другие белки (ферменты).


Двигательная функция белков


Сократительные белки отвечают за следующие действия — биение жгутиков простейших, мерцание ресничек, движения мышц у животных, листьев у растений. Примеры таких белков — актин, миозин.


Белки — переносчики (транспортные белки)


1.      Находятся в плазме крови, в мембранах, цитоплазме, в ядре.


2.      Они связывают гормоны и несут их к клеткам-мишеням, где эти гормоны узнаются специальными рецепторами. Например, белки мембран избирательно транспортируют сахара, аминокислоты, ионы. Гемоглобин транспортирует кислород и углекислый газ, трансферрин — ионы железа.


Белки — средства защиты организма


1.      Лимфоциты вырабатывают белки — иммуноглобулины (антитела) в ответ на антигены — чужеродные белки, полисахариды, полинуклеотиды и их комплексы в жидкой среде, в составе вирусов, бактерий.


2.      Интерфероны — противовирусные белки, способные активировать ферменты, которые расщепляют нуклеиновые кислоты вирусов. Они также выделяются лейкоцитами. Интерфероны запускают синтез фермента, блокирующего аппарат синтеза вирусных белков.


3.      Растения выделяют ферменты, ускоряющие синтез защитных соединений — флавоноидов, терпенов, алкалоидов. Некоторые ферменты растений разрушают покровы патогенных организмов, делают прочными покровы самих растений.


Строительная и энергетическая функция белков


Белки участвуют в образовании органелл. Из 1 грамма белков вырабатывается 17 кДж энергии, но только если углеводы и жиры закончились.


Центральная роль ферментов как биологических катализаторов — клетка

Фундаментальная задача белков — действовать как ферменты — катализаторы, которые увеличивают скорость практически всех химических реакций внутри клеток. Хотя РНК способны катализировать некоторые реакции, большинство биологических реакций катализируются белками. В отсутствие ферментативного катализа большинство биохимических реакций протекают настолько медленно, что они не могут происходить в мягких условиях температуры и давления, совместимых с жизнью.Ферменты ускоряют скорость таких реакций более чем в миллион раз, поэтому реакции, на которые в отсутствие катализа ушли бы годы, могут происходить за доли секунды, если их катализирует соответствующий фермент. Клетки содержат тысячи различных ферментов, и их активность определяет, какая из многих возможных химических реакций действительно происходит внутри клетки.

Каталитическая активность ферментов

Как и все другие катализаторы, ферменты характеризуются двумя основными свойствами.Во-первых, они увеличивают скорость химических реакций, не будучи поглощенными реакцией и не подвергаясь ее постоянному изменению. Во-вторых, они увеличивают скорость реакции без изменения химического равновесия между реагентами и продуктами.

Эти принципы ферментативного катализа проиллюстрированы в следующем примере, в котором молекула, на которую воздействует фермент (называемая субстратом [ S ]), в результате превращается в продукт ( P ). реакции.В отсутствие фермента реакция может быть записана следующим образом:

Химическое равновесие между S и P определяется законами термодинамики (как обсуждается далее в следующем разделе этой главы) и представлено по соотношению скоростей прямой и обратной реакции ( S P и P S соответственно). В присутствии соответствующего фермента превращение S в P ускоряется, но равновесие между S и P не изменяется.Следовательно, фермент должен одинаково ускорять как прямую, так и обратную реакции. Реакция может быть записана следующим образом:

Обратите внимание, что фермент ( E ) не изменяется в результате реакции, поэтому химическое равновесие остается неизменным, определяемым исключительно термодинамическими свойствами S и P .

Влияние фермента на такую ​​реакцию лучше всего иллюстрируется изменениями энергии, которые должны произойти во время превращения S в P ().Равновесие реакции определяется конечными энергетическими состояниями S и P , на которые не влияет ферментативный катализ. Однако для того, чтобы реакция продолжилась, подложку необходимо сначала преобразовать в состояние с более высокой энергией, называемое переходным состоянием . Энергия, необходимая для достижения переходного состояния (энергия активации), представляет собой барьер для развития реакции, ограничивая скорость реакции. Ферменты (и другие катализаторы) действуют, уменьшая энергию активации, тем самым увеличивая скорость реакции.Повышенная скорость одинакова как в прямом, так и в обратном направлениях, поскольку оба должны проходить через одно и то же переходное состояние.

Рис. 2.22

Энергетические диаграммы для катализированных и некаталитических реакций. Проиллюстрированная реакция представляет собой простое преобразование субстрата S в продукт P Поскольку конечное энергетическое состояние P ниже, чем у S , реакция протекает слева направо. Для (подробнее …)

Каталитическая активность ферментов включает связывание их субстратов с образованием комплекса фермент-субстрат ( ES ).Субстрат связывается с определенной областью фермента, называемой активным центром. Связавшись с активным центром, субстрат превращается в продукт реакции, который затем высвобождается из фермента. Таким образом, реакция, катализируемая ферментами, может быть записана следующим образом:

Обратите внимание, что E остается неизменным с обеих сторон уравнения, поэтому равновесие не нарушается. Однако фермент обеспечивает поверхность, на которой реакции, превращающие S в P , могут протекать более легко.Это результат взаимодействий между ферментом и субстратом, которые снижают энергию активации и способствуют образованию переходного состояния.

Механизмы ферментативного катализа

Связывание субстрата с активным центром фермента является очень специфическим взаимодействием. Активные сайты — это щели или бороздки на поверхности фермента, обычно состоящие из аминокислот из разных частей полипептидной цепи, которые собраны вместе в третичной структуре свернутого белка.Субстраты изначально связываются с активным центром за счет нековалентных взаимодействий, включая водородные связи, ионные связи и гидрофобные взаимодействия. Когда субстрат связывается с активным центром фермента, несколько механизмов могут ускорить его превращение в продукт реакции.

Хотя простой пример, обсужденный в предыдущем разделе, включает только одну молекулу субстрата, большинство биохимических реакций включают взаимодействия между двумя или более различными субстратами. Например, образование пептидной связи включает соединение двух аминокислот.Для таких реакций связывание двух или более субстратов с активным центром в правильном положении и ориентации ускоряет реакцию (). Фермент обеспечивает матрицу, на которой реагенты собираются вместе и должным образом ориентируются, чтобы способствовать образованию переходного состояния, в котором они взаимодействуют.

Рис. 2.23

Ферментативный катализ реакции между двумя субстратами. Фермент обеспечивает матрицу, на которой два субстрата сводятся вместе в правильном положении и ориентации для взаимодействия друг с другом.

Ферменты ускоряют реакции, также изменяя конформацию своих субстратов, чтобы приблизиться к конформации переходного состояния. Простейшей моделью взаимодействия фермент-субстрат является модель lock-and-key , в которой субстрат точно входит в активный центр (). Однако во многих случаях конфигурации как фермента, так и субстрата модифицируются связыванием субстрата — процесс, называемый индуцированной подгонкой . В таких случаях конформация субстрата изменяется так, что она больше напоминает конформацию переходного состояния.Напряжение, вызванное таким искажением подложки, может дополнительно облегчить ее переход в переходное состояние за счет ослабления критических связей. Более того, переходное состояние стабилизируется за счет его прочного связывания с ферментом, тем самым снижая требуемую энергию активации.

Рисунок 2.24

Модели взаимодействия фермент-субстрат. (A) В модели с замком и ключом субстрат точно входит в активный центр фермента. (B) В модели индуцированной подгонки связывание субстрата искажает конформации как субстрата, так и фермента.Это искажение (подробнее …)

Помимо объединения нескольких субстратов и искажения конформации субстратов для достижения переходного состояния, многие ферменты непосредственно участвуют в каталитическом процессе. В таких случаях боковые цепи конкретных аминокислот в активном центре могут реагировать с субстратом и образовывать связи с промежуточными продуктами реакции. Кислые и основные аминокислоты часто участвуют в этих каталитических механизмах, как показано в следующем обсуждении химотрипсина как примера ферментативного катализа.

Химотрипсин является членом семейства ферментов (сериновых протеаз), которые переваривают белки, катализируя гидролиз пептидных связей. Реакцию можно записать следующим образом:

Различные члены семейства сериновых протеаз (включая химотрипсин, трипсин, эластазу и тромбин) имеют различные субстратные специфичности; они предпочтительно расщепляют пептидные связи, прилегающие к различным аминокислотам. Например, в то время как химотрипсин расщепляет связи, соседние с гидрофобными аминокислотами, такими как триптофан и фенилаланин, трипсин расщепляет связи рядом с основными аминокислотами, такими как лизин и аргинин.Однако все сериновые протеазы похожи по структуре и используют один и тот же механизм катализа. Активные центры этих ферментов содержат три важные аминокислоты — серин, гистидин и аспартат, которые управляют гидролизом пептидной связи. Действительно, эти ферменты называются сериновыми протеазами из-за центральной роли серинового остатка.

Субстраты связываются с сериновыми протеазами путем встраивания аминокислоты, прилегающей к сайту расщепления, в карман на активном сайте фермента ().Природа этого кармана определяет субстратную специфичность различных членов семейства сериновых протеаз. Например, связывающий карман химотрипсина содержит гидрофобные аминокислоты, которые взаимодействуют с гидрофобными боковыми цепями его предпочтительных субстратов. Напротив, связывающий карман трипсина содержит отрицательно заряженную кислотную аминокислоту (аспартат), которая способна образовывать ионную связь с остатками лизина или аргинина своих субстратов.

Рисунок 2.25

Связывание субстрата сериновыми протеазами.Аминокислота, примыкающая к расщепляемой пептидной связи, вставляется в карман в активном центре фермента. В химотрипсине карман связывает гидрофобные аминокислоты; Связывающий карман трипсина содержит (подробнее …)

Субстрат связывается с расщепляемой пептидной связью рядом с активным сайтом серина (). Затем протон этого серина переносится на гистидин в активном центре. Конформация активного центра способствует переносу протона, поскольку гистидин взаимодействует с отрицательно заряженным остатком аспартата.Серин реагирует с субстратом, образуя тетраэдрическое переходное состояние. Затем пептидная связь расщепляется, и С-концевой участок субстрата освобождается от фермента. Однако N-концевой пептид остается связанным с серином. Эта ситуация разрешается, когда молекула воды (второй субстрат) входит в активный центр и обращает вспять предыдущие реакции. Протон молекулы воды переносится на гистидин, а его гидроксильная группа переносится на пептид, образуя второе тетраэдрическое переходное состояние.Затем протон переносится от гистидина обратно к серину, и пептид высвобождается из фермента, завершая реакцию.

Рисунок 2.26

Каталитический механизм химотрипсина. Три аминокислоты в активном центре (Ser-195, His-57 и Asp-102) играют решающую роль в катализе.

Этот пример иллюстрирует несколько особенностей ферментативного катализа; специфичность взаимодействий фермент-субстрат, расположение различных молекул субстрата в активном центре и участие остатков активного сайта в формировании и стабилизации переходного состояния.Хотя тысячи ферментов в клетках катализируют множество различных типов химических реакций, к их работе применимы одни и те же основные принципы.

Коферменты

Помимо связывания своих субстратов, активные центры многих ферментов связывают другие небольшие молекулы, которые участвуют в катализе. Протезные группы — это небольшие молекулы, связанные с белками, в которых они играют важнейшие функциональные роли. Например, кислород, переносимый миоглобином и гемоглобином, связан с гемом, простетической группой этих белков.Во многих случаях ионы металлов (например, цинка или железа) связаны с ферментами и играют центральную роль в каталитическом процессе. Кроме того, различные низкомолекулярные органические молекулы участвуют в определенных типах ферментативных реакций. Эти молекулы называются коферментами, потому что они работают вместе с ферментами, повышая скорость реакции. В отличие от субстратов, коферменты не изменяются необратимо в результате реакций, в которых они участвуют. Скорее они перерабатываются и могут участвовать во множестве ферментативных реакций.

Коферменты служат переносчиками нескольких типов химических групп. Ярким примером кофермента является никотинамидадениндинуклеотид ( NAD + ), который функционирует как переносчик электронов в реакциях окисления-восстановления (). NAD + может принимать ион водорода (H + ) и два электрона (e ) от одной подложки, образуя NADH. Затем НАДН может отдавать эти электроны второй подложке, повторно образуя НАД + .Таким образом, NAD + переносит электроны от первой подложки (которая окисляется) ко второй (которая восстанавливается).

Рисунок 2.27

Роль NAD + в окислительно-восстановительных реакциях. (A) Никотинамидадениндинуклеотид (NAD + ) действует как переносчик электронов в окислительно-восстановительных реакциях, принимая электроны (e ) с образованием NADH. (B) Например, NAD + может принимать электроны от одного субстрата (подробнее …)

Несколько других коферментов также действуют как переносчики электронов, а третьи участвуют в переносе множества дополнительных химических групп (e .g. карбоксильные группы и ацильные группы; ). Одни и те же коферменты действуют вместе с множеством различных ферментов, катализируя перенос определенных химических групп между широким спектром субстратов. Многие коферменты тесно связаны с витаминами, которые вносят часть или всю структуру кофермента. Витамины не требуются бактериям, таким как E. coli , но являются необходимыми компонентами рациона человека и других высших животных, которые утратили способность синтезировать эти соединения.

Регулирование активности ферментов

Важной особенностью большинства ферментов является то, что их активность непостоянна, а вместо этого может модулироваться. То есть активность ферментов можно регулировать таким образом, чтобы они функционировали надлежащим образом для удовлетворения разнообразных физиологических потребностей, которые могут возникнуть в течение жизни клетки.

Одним из распространенных типов регуляции ферментов является ингибирование с обратной связью, при котором продукт метаболического пути подавляет активность фермента, участвующего в его синтезе.Например, аминокислота изолейцин синтезируется серией реакций, начиная с аминокислоты треонина (). Первый этап этого пути катализируется ферментом треониндезаминазой, который ингибируется изолейцином, конечным продуктом этого пути. Таким образом, достаточное количество изолейцина в клетке ингибирует треониндезаминазу, блокируя дальнейший синтез изолейцина. Если концентрация изолейцина снижается, подавление обратной связи снимается, треониндезаминаза больше не ингибируется и синтезируется дополнительный изолейцин.Регулируя таким образом активность треониндезаминазы, клетка синтезирует необходимое количество изолейцина, но не тратит энергию на синтез большего количества изолейцина, чем необходимо.

Рисунок 2.28

Запрет обратной связи. Первый этап превращения треонина в изолейцин катализируется ферментом треониндезаминазой. Активность этого фермента подавляется изолейцином, конечным продуктом метаболизма.

Ингибирование по обратной связи является одним из примеров аллостерической регуляции, при которой активность фермента контролируется связыванием малых молекул с регуляторными участками фермента ().Термин «аллостерическая регуляция» происходит от того факта, что регуляторные молекулы связываются не с каталитическим сайтом, а с отдельным сайтом белка ( алло = «другой» и стерический = «сайт»). Связывание регуляторной молекулы изменяет конформацию белка, что, в свою очередь, изменяет форму активного центра и каталитическую активность фермента. В случае треониндезаминазы связывание регуляторной молекулы (изолейцина) подавляет ферментативную активность. В других случаях регуляторные молекулы служат активаторами, стимулируя, а не ингибируя целевые ферменты.

Рисунок 2.29

Аллостерическая регуляция. В этом примере активность фермента ингибируется связыванием регуляторной молекулы с аллостерическим сайтом. В отсутствие ингибитора субстрат связывается с активным центром фермента, и реакция продолжается. Связывание (подробнее …)

Активность ферментов также может регулироваться их взаимодействием с другими белками и ковалентными модификациями, такими как добавление фосфатных групп к остаткам серина, треонина или тирозина.Фосфорилирование — особенно распространенный механизм регулирования активности ферментов; добавление фосфатных групп либо стимулирует, либо подавляет активность многих различных ферментов (). Например, мышечные клетки реагируют на адреналин (адреналин), расщепляя гликоген на глюкозу, тем самым обеспечивая источник энергии для повышения мышечной активности. Распад гликогена катализируется ферментом гликогенфосфорилазой, который активируется фосфорилированием в ответ на связывание адреналина с рецептором на поверхности мышечной клетки.Фосфорилирование белков играет центральную роль в контроле не только метаболических реакций, но и многих других клеточных функций, включая рост и дифференцировку клеток.

Рисунок 2.30

Фосфорилирование белков. Некоторые ферменты регулируются добавлением фосфатных групп к ОН-группам боковой цепи серина (как показано здесь), треонина или тирозиновых остатков. Например, фермент гликогенфосфорилаза, катализирующий превращение (подробнее …)

National 5 Biology — 5.Белки и ферменты

Хотя эти графики выглядят очень похоже, пояснения к графикам немного отличаются. Первое, на что следует обратить внимание, это то, что из этих графиков вы можете вывести оптимальные условия для амилазы в вашей слюне. Оптимальная температура ( B ) чуть ниже 40 ° C (температура вашего тела 37 ° C), а оптимальный pH ( E ) составляет примерно 7 (такой же, как ваша слюна).

Но как мы объясним другие части графика? Хорошо…

А . В области А на графике температуры скорость реакции увеличивается с повышением температуры. Это не столько связано с формой фермента, сколько с нормальным влиянием температуры на химические реакции … скорость увеличивается, потому что молекулы имеют все больше и больше энергии, заставляя их чаще сталкиваться.

С . Однако, поскольку ферменты состоят из белка, существует предел того, насколько сильно вы можете нагреть реакцию, катализируемую ферментами.После достижения оптимума некоторые молекулы фермента начинают менять форму, поскольку высокие энергии разрывают связи, удерживающие молекулы вместе. При очень высоких температурах все активные центры ферментов потеряли свою форму, и создается впечатление, что молекулы фермента отсутствуют, поэтому скорость реакции очень низкая. Как только молекула фермента потеряла свою форму из-за высокой температуры, она не может вернуться к своей функциональной форме. Это когда мы описываем фермент как денатурированный . Почему же тогда вы думаете, что биологические стиральные порошки работают только при низких температурах?

Д . & F . Связи, удерживающие форму белка, весьма чувствительны к изменениям pH. При оптимальном pH ( E ) связи создают правильную форму активного центра, позволяющую ферментам катализировать реакцию. Однако по мере того, как pH дальше от этого оптимума, все меньше и меньше молекул фермента имеют правильную форму активного центра, что снижает скорость реакции.Для многих ферментов изменение формы из-за изменения pH обратимо.

На диаграмме ниже показано, почему молекула денатурированного фермента не может катализировать реакцию … форма активного центра изменилась, что означает, что он больше не может связываться с субстратом.

Ферменты — обзор | Темы ScienceDirect

2.1 Введение

Ферменты — это активные белки (кроме РНКазы), которые могут катализировать биохимические реакции. Это биомолекулы, необходимые как для синтеза, так и для реакций разложения живыми организмами.Все живые организмы построены и поддерживаются этими ферментами, которые действительно называются биологическими катализаторами, обладающими способностью превращать конкретное соединение (в качестве субстрата) в продукты с более высокой скоростью реакции. Подобно химическим катализаторам, ферменты увеличивают скорость реакции за счет снижения ее энергии активации ( E a ), следовательно, продукты образуются быстрее, а реакции быстрее достигают состояния равновесия. Скорость большинства ферментативных реакций в миллионы раз выше, чем скорость некаталитических реакций.Они могут выполнять преобразования за минуты или даже за секунды, что в противном случае может занять сотни лет (Dalby, 2003; Otten and Quax, 2005). Известно, что ферменты катализируют около 4000 биохимических реакций у живых существ (Bairoch, 2000). Например, лактаза представляет собой гликозидгидролазу, которая способна гидролизовать лактозу (молочный сахар) на составляющие ее мономеры галактозу и глюкозу. Он вырабатывается различными микроорганизмами, а также в тонком кишечнике человека и других млекопитающих, помогая полностью переваривать молоко.Ферменты также являются энантиоселективными катализаторами, которые можно использовать либо при разделении энантиомеров из рацемической смеси, либо в синтезе хиральных соединений.

Люди осознали важность ферментов тысячи лет назад; осветление и фильтрация вин и пива — самые ранние примеры применения промышленных ферментов. Ферменты использовались в пивоварении, выпечке и производстве алкоголя с доисторических времен; однако они не называли их ферментами. Одно из самых ранних письменных упоминаний ферментов встречается в греческих эпических поэмах Гомера, датируемых примерно 800 г. до н.э., где упоминается, что ферменты использовались при производстве сыра.Японцы также использовали природные ферменты в производстве ферментированных продуктов, таких как саке, японский шнапс, сваренный из риса, уже более тысячи лет. Некоторые ферменты были созданы природой для образования сложных молекул из более простых, в то время как другие были разработаны для разбиения сложных молекул на более простые, а также некоторые модифицировали молекулы. Эти реакции включают образование и разрыв химических связей в компонентах. Благодаря своей «специфичности», свойству фермента, которое позволяет ему распознавать конкретный субстрат, для которого они предназначены, они полезны для промышленных процессов и способны катализировать реакцию между определенными химическими веществами, даже если они присутствуют в смесях. со многими химикатами.Эти ферменты экологически безопасны, натуральны и очень безопасно применяются в пищевой и даже фармацевтической промышленности. Тем не менее, ферменты — это белки, которые, как и любой другой белок, могут вызывать и вызвали в прошлом аллергические реакции, поэтому при их производстве и применении необходимы защитные меры.

Ферментные технологии — это постоянно развивающееся направление «Науки и технологий». Благодаря вмешательству и влиянию биотехнологии и биоинформатики появляются постоянно новые или улучшенные применения ферментов.Одновременно с новыми применениями возникает потребность в ферментах с улучшенными свойствами. Разработка коммерческих ферментов — это специализированный бизнес, которым обычно занимаются компании, обладающие высокой квалификацией в следующих областях:

Скрининг новых и улучшенных ферментов

Отбор микроорганизмов и улучшение штаммов для качественного и количественного улучшения

Ферментация для производства ферментов

Крупномасштабная очистка ферментов

Формулировка ферментов для продажи

Возможности ферментных технологий для замены промышленных предприятий и процессов использование агрессивных химикатов с мягкими и экологически чистыми ферментными процессами.Известно около 3000 ферментов, из которых только 150–170 используются в промышленных масштабах. В настоящее время в эту зеленую эру биологическим путем производится только 5% химических продуктов. Однако экономически целесообразные и экологически безопасные ферментативные процессы появляются как альтернатива физико-химическим и механическим процессам. В зависимости от различных областей применения промышленные ферменты можно разделить на: (1) ферменты в пищевой промышленности, (2) ферменты для технологических добавок, (3) ферменты в качестве промышленных биокатализаторов, (4) ферменты в генной инженерии и (5) ) Ферменты в косметике.

Сегодня ферменты рассматриваются как хлеб с маслом биотехнологии, потому что они являются основными инструментами для нескольких биотехнологических методов (ограничение генов, лигирование, клонирование и т. Д.), Биопроцессов (ферментация и культивирование клеток) и в аналитических исследованиях человека. и зоотерапия в качестве лекарств или мишеней для лекарств. Кроме того, они находят применение в нескольких других отраслях промышленности, таких как пищевая и кормовая, текстильная, очистка сточных вод и отходов, бумага, кожевенное производство, выпечка, пивоварение, молочная промышленность, фармацевтика, кондитерские изделия и т. Д.(Pandey et al., 2006).

Ферменты, используемые сегодня, также встречаются у животных (пепсин, трипсин, панкратин и химозин) и растений (папаин, бромелайн и фицин), но большинство из них имеют микробное происхождение, такие как глюкоамилаза, α-амилаза, пектиназы. и т. д. Преимущество использования микробов для производства ферментов заключается в их более высоких способностях к росту, более высокой продуктивности и более простом генетическом манипулировании ими для увеличения производства ферментов и т. д. Ферменты, полученные из микробов, называются микробными ферментами.Микробы в основном используются в промышленности для производства ферментов. Более того, микробные ферменты поставляются, хорошо стандартизированы и продаются несколькими конкурирующими компаниями по всему миру. В зависимости от типа процесса ферменты могут использоваться в растворимой форме (протеазы животных и липазы на кожевенных заводах) и в иммобилизованной форме (изомеризация глюкозы до фруктозы глюкозоизомеразой).

Ферменты — Как работают клетки

В любой момент вся работа, выполняемая внутри любой клетки, выполняется ферментами .Если вы разбираетесь в ферментах, вы понимаете клетки. Бактерия, подобная E. coli, имеет около 1000 различных типов ферментов, плавающих в цитоплазме в любой момент времени.

Ферменты обладают чрезвычайно интересными свойствами, которые делают их небольшими механизмами химической реакции. Назначение фермента в клетке — позволить клетке очень быстро проводить химические реакции. Эти реакции позволяют клетке строить или разбирать вещи по мере необходимости. Так клетка растет и размножается. На самом базовом уровне клетка — это действительно маленький мешочек, полный химических реакций, которые становятся возможными благодаря ферментам!

Ферменты состоят из аминокислот , и они являются белками.Когда образуется фермент, он образуется путем соединения от 100 до 1000 аминокислот в очень специфическом и уникальном порядке. Затем цепочка аминокислот складывается в уникальную форму. Эта форма позволяет ферменту проводить определенные химические реакции — фермент действует как очень эффективный катализатор определенной химической реакции. Фермент значительно ускоряет эту реакцию.

Например, сахарная мальтоза состоит из двух молекул глюкозы, связанных вместе. Фермент мальтаза имеет такую ​​форму, что он может разорвать связь и освободить две части глюкозы.Единственное, что может мальтаза, — это разрушать молекулы мальтозы, но она может делать это очень быстро и эффективно. Другие типы ферментов могут соединять атомы и молекулы. Расщепление молекул и объединение молекул — это то, что делают ферменты, и для каждой химической реакции, необходимой для правильной работы клетки, существует определенный фермент.

На диаграмме выше показано основное действие фермента. Молекула мальтозы плавает рядом и захватывается определенным участком фермента мальтазы.Активный сайт на ферменте разрывает связь, и затем две молекулы глюкозы уплывают.

Возможно, вы слышали о людях с непереносимостью лактозы или сами страдаете от этой проблемы. Проблема возникает из-за того, что сахар в молоке — лактоза — не расщепляется на компоненты глюкозы. Следовательно, он не переваривается. Клетки кишечника людей с непереносимостью лактозы не производят лактазу , фермент, необходимый для расщепления лактозы.Эта проблема показывает, как недостаток всего одного фермента в организме человека может привести к проблемам. Человек с непереносимостью лактозы может проглотить каплю лактазы перед тем, как пить молоко, и проблема будет решена. Многие дефициты ферментов не так просто исправить.

Внутри бактерии содержится около 1000 типов ферментов (в том числе лактаза). Все ферменты свободно плавают в цитоплазме, ожидая, пока химическое вещество, которое они узнают, проплывет мимо. Существуют сотни или миллионы копий каждого типа фермента, в зависимости от того, насколько важна реакция для клетки и как часто требуется реакция.Эти ферменты делают все: от расщепления глюкозы для получения энергии до построения клеточных стенок, создания новых ферментов и обеспечения возможности клетке воспроизводиться. Ферменты делают всю работу внутри клеток.

белков как ферментов

Важным моментом в отношении ферментов является то, что они очень специфичны в отношении того, что они могут катализировать. Даже небольшие изменения в молекуле реагента могут помешать ферменту катализировать его реакцию. Причина этого кроется в активном центре , присутствующем в ферменте.. .

 

Активные сайты

Активные центры — это трещины или впадины на поверхности фермента, вызванные тем, как белок складывается в свою третичную структуру. Молекулы правильной формы и с правильным расположением привлекательных групп (см. Ниже) могут вписаться в эти активные участки. Другие молекулы не подходят или не имеют нужных групп для связывания с поверхностью активного сайта.

Обычная аналогия — ключ, вставляемый в замок.Чтобы ключ работал правильно, он должен точно входить в замок.

В химии мы бы описали молекулу, которая действительно будет реагировать (фиолетовая на диаграмме), как реагент . В биологии и биохимии реагент в ферментативной реакции известен как субстрат .

 

Вы не должны слишком буквально фотографировать то, как субстрат вписывается в свой фермент.Не менее важны, чем физическая форма субстрата, связи, которые он может образовывать с ферментом.

Ферменты — это белковые молекулы — длинные цепочки аминокислотных остатков. Помните, что вдоль всех цепей торчат боковые группы аминокислот — группы «R», о которых мы говорили на странице о структуре белка.

Активные сайты, конечно же, имеют эти группы «R», которые выстраивают их тоже — обычно от 3 до 12 на активном сайте. На следующей диаграмме показан воображаемый активный сайт:

 

Помните, что эти группы «R» содержат свойства, отвечающие за третичную структуру белков.Например, они могут содержать ионные группы, такие как -NH 3 + или -COO , или группы -ОН, которые могут связывать водородные связи, или углеводородные цепи или кольца, которые могут вносить вклад в силы Ван-дер-Ваальса.

Группы, подобные этим, помогают субстрату прикрепляться к активному центру — но только если молекула субстрата имеет расположение групп в нужных местах для взаимодействия с группами на ферменте.

На схеме показан возможный набор взаимодействий с участием двух ионных связей и водородной связи.

 

 

Группы, отмеченные знаком + или -, очевидны. Те, в которых есть буквы «H», представляют собой группы, способные образовывать водородные связи. Возможно, что одна или несколько неиспользуемых групп «R» в активном центре также могут помочь с притяжениями Ван-дер-Ваальса между ними и субстратом.

Если бы расположение групп на активном сайте или субстрате было хотя бы немного другим, связывание почти наверняка не было бы таким хорошим — и в этом смысле другой субстрат не подходил бы к активному центру фермента.

Этот процесс реакции катализатора с субстратом и, в конечном итоге, образования продуктов часто обозначают следующим образом:

 

 

. . . где E — фермент, S — субстрат, а P — продукты.

Образование комплекса обратимо — субстрат, очевидно, может снова отколоться, прежде чем он превратится в продукты. Второй этап показан как односторонний, но в некоторых случаях может быть обратимым. Это будет зависеть от энергетики реакции.

 

Так почему же присоединение к ферменту увеличивает скорость, с которой субстрат превращается в продукты?

Совершенно не очевидно, почему это должно быть — и большинство источников, предоставляющих информацию на этом вводном уровне, просто замалчивают ее или говорят об этом в расплывчатых общих терминах (это то, что я буду вынужден сделать, потому что я могу не найду простого примера, о котором можно было бы поговорить!).

Катализаторы в целом (и ферменты не исключение) работают, обеспечивая реакцию по пути с более низкой энергией активации.Присоединение субстрата к активному центру должно позволять электронам двигаться, в результате чего связи разрываются намного легче, чем если бы фермента там не было.

Как ни странно, гораздо легче увидеть, что может происходить в других случаях, когда ситуация немного сложнее. . .

 

Кофакторы ферментов

То, что мы сказали до сих пор, является большим упрощением для большинства ферментов. На самом деле большинство ферментов — это не просто чистые белковые молекулы.Чтобы заставить их работать, нужны другие небелковые кусочки и кусочки. Они известны как кофакторы .

В отсутствие подходящего кофактора фермент не работает. Для тех из вас, кто любит собирать непонятные слова, неактивная молекула белка известна как апофермент . Когда кофактор присутствует и становится активным ферментом, он называется холоферментом .

Что такое ферменты, поджелудочная железа, пищеварение и функция печени

Что такое ферменты?

Ферменты — это белки, которые помогают ускорить метаболизм или химические реакции в нашем организме.Они создают одни вещества и разрушают другие. Все живые существа имеют ферменты.

Наши тела естественным образом вырабатывают ферменты. Но ферменты также присутствуют в промышленных продуктах и ​​продуктах питания.

Что делают ферменты?

Одна из самых важных функций ферментов — способствовать пищеварению. Пищеварение — это процесс превращения пищи, которую мы едим, в энергию. Например, ферменты есть в нашей слюне, поджелудочной железе, кишечнике и желудке. Они расщепляют жиры, белки и углеводы.Ферменты используют эти питательные вещества для роста и восстановления клеток.

Ферменты также помогают с:

  • Дыхание.
  • Наращивание мышц.
  • Нервная функция.
  • Избавляемся от токсинов.

Какие бывают типы ферментов?

В организме тысячи отдельных ферментов. У каждого типа ферментов есть только одна работа. Например, фермент сахараза расщепляет сахар, называемый сахарозой. Лактаза расщепляет лактозу, разновидность сахара, содержащегося в молочных продуктах.

Некоторые из наиболее распространенных пищеварительных ферментов:

  • Карбогидраза расщепляет углеводы на сахара.
  • Липаза расщепляет жиры на жирные кислоты.
  • Протеаза расщепляет белок на аминокислоты.

Части ферментов

Что входит в состав фермента?

У каждого фермента есть «активный сайт». Эта территория имеет уникальную форму. Вещество, над которым работает фермент, является субстратом.Подложка также имеет уникальную форму. Фермент и субстрат должны работать вместе.

Как температура и pH влияют на ферменты?

Для работы ферментов необходимы правильные условия. Если условия неподходящие, ферменты могут изменить форму. Затем они перестают подходить к подложкам, поэтому не работают должным образом.

Каждый фермент имеет идеальную температуру и pH:

.

  • pH: Ферменты чувствительны к кислотности и щелочности. Они не работают должным образом, если окружающая среда слишком кислая или щелочная.Например, фермент в желудке, называемый пепсином, расщепляет белки. Если в желудке недостаточно кислоты, пепсин не может функционировать оптимально.
  • Температура: Ферменты работают лучше всего при нормальной температуре тела, около 98,6 ° F (37 ° C). При повышении температуры усиливаются ферментативные реакции. Но если температура становится слишком высокой, фермент перестает работать. Вот почему высокая температура может нарушить функции организма.

Общие состояния и расстройства

Какие состояния здоровья могут вызывать проблемы с ферментами?

Нарушения обмена веществ часто являются результатом недостатка определенного фермента.Родители могут передать их своим детям через гены (по наследству). Некоторые примеры наследственных нарушений обмена веществ включают:

  • Болезнь Фабри препятствует выработке организмом ферментов (альфа-галактозидаза А), расщепляющих жир (липиды).
  • Болезнь Краббе (лейкодистрофия глобоидных клеток) влияет на ферменты, необходимые для защитного покрытия (миелин) нервных клеток (центральная нервная система).
  • Болезнь мочи кленового сиропа влияет на ферменты, необходимые для расщепления определенных аминокислот с разветвленной цепью.

Другие состояния здоровья, связанные с ферментным дисбалансом, включают:

  • Болезнь Крона дисбаланс бактерий в кишечнике (микробиом кишечника) может влиять на аутоиммунный ответ кишечного тракта. Это может сыграть роль в проявлении и тяжести болезни Крона.
  • Внешнесекреторная недостаточность поджелудочной железы (EPI) — это состояние, при котором в поджелудочной железе не хватает пищеварительных ферментов. Вы не можете расщеплять пищу или усваивать питательные вещества.Хронический панкреатит, рак поджелудочной железы, диабет или муковисцидоз могут привести к EPI.
  • Непереносимость лактозы — это нехватка фермента, необходимого для переваривания сахаров в молоке (лактозе) и молочных продуктах.

Как тесты на ферменты используются для диагностики состояний здоровья?

Ваш лечащий врач может использовать различные анализы крови на ферменты и белки для проверки определенных заболеваний. Например, повышенный уровень ферментов печени может быть признаком заболевания печени.

Уход за ферментами

Нужно ли мне принимать ферментные добавки?

Люди без хронических заболеваний обычно могут получать необходимые ферменты из здорового питания.Но если у вас есть определенные проблемы со здоровьем, ваш лечащий врач может порекомендовать принимать ферментные добавки. Например, многие люди с EPI могут принимать пищеварительный фермент перед едой. Это помогает их телу усваивать питательные вещества из пищи. Поговорите со своим врачом, прежде чем принимать какие-либо ферментные добавки.

Могут ли лекарства влиять на уровень ферментов?

Некоторые лекарства влияют на уровень ферментов. Например, антибиотики могут убить определенные бактерии, необходимые для того, чтобы некоторые ферменты работали наилучшим образом.Это причина того, что антибиотики могут вызвать диарею. Чтобы убить бактерии, вызывающие заболевание, они также уничтожают важные полезные бактерии, которые помогают пищеварению.

Статины (лекарства, снижающие уровень холестерина) могут повышать ферменты печени и мышечные ферменты. Они могут увеличить риск повреждения печени или мышц.

Когда вызывать врача

Когда мне следует обращаться к врачу по поводу проблемы с ферментами?

Вы не узнаете, есть ли у вас проблемы с ферментами, без анализа крови.Обратитесь к врачу, если у вас возникнут какие-либо из следующих проблем:

Записка из клиники Кливленда

Ферменты помогают облегчить биохимические реакции в нашем организме. Они помогают во всем, от дыхания до пищеварения. Слишком мало или слишком много определенного фермента может привести к проблемам со здоровьем. Некоторым людям с хроническими заболеваниями может потребоваться прием ферментных добавок, чтобы помочь своему организму работать должным образом. Принимайте ферментные добавки только под наблюдением врача.

3. Белки как ферменты — Химия LibreTexts

Эта страница представляет собой введение в то, как белки могут работать как ферменты — биологические катализаторы.

Ферменты как катализаторы

Ферменты в основном представляют собой глобулярные белки — белковые молекулы, третичная структура которых придала молекуле в целом округлую форму шара (хотя, возможно, в некоторых случаях это может быть очень сжатый шар). Другой тип белков (волокнистые белки) имеет длинные тонкие структуры и находится в таких тканях, как мышцы и волосы.Нас не интересуют те, кто в этой теме.

Эти глобулярные белки могут быть удивительно активными катализаторами. Вы, вероятно, знакомы с использованием катализаторов, таких как оксид марганца (IV), при разложении перекиси водорода с образованием кислорода и воды. Фермент каталаза также сделает это, но с впечатляющей скоростью по сравнению с неорганическими катализаторами. Одна молекула каталазы может разлагать почти сто тысяч молекул перекиси водорода каждую секунду. Это очень впечатляет! Это модель каталазы, демонстрирующая глобулярную структуру — немного похожую на спутанную массу струны:

Важным моментом в отношении ферментов является то, что они очень специфичны в отношении того, что они могут катализировать.Даже небольшие изменения в молекуле реагента могут помешать ферменту катализировать его реакцию. Причина этого кроется в активном центре фермента. . .

Активные сайты

Активные центры — это трещины или впадины на поверхности фермента, вызванные тем, как белок складывается в свою третичную структуру. Молекулы правильной формы и с правильным расположением привлекательных групп (см. Ниже) могут вписаться в эти активные участки.Другие молекулы не подходят или не имеют нужных групп для связывания с поверхностью активного сайта.

Обычная аналогия — ключ, вставляемый в замок. Чтобы ключ работал правильно, он должен точно входить в замок.

В химии мы бы описали молекулу, которая действительно будет реагировать (фиолетовая на диаграмме), как реагент. В биологии и биохимии реагент ферментативной реакции известен как субстрат.

Вы не должны слишком буквально фотографировать то, как субстрат вписывается в свой фермент.Не менее важны, чем физическая форма субстрата, связи, которые он может образовывать с ферментом.

Ферменты — это белковые молекулы — длинные цепочки аминокислотных остатков. Помните, что вдоль всех цепей торчат боковые группы аминокислот — группы «R», о которых мы говорили на странице о структуре белка.

Активные сайты, конечно же, имеют эти группы «R», которые выстраивают их тоже — обычно от 3 до 12 на активном сайте. На следующей диаграмме показан воображаемый активный сайт:

Помните, что эти группы «R» содержат свойства, отвечающие за третичную структуру белков.Например, они могут содержать ионные группы, такие как -NH 3 + или -COO , или группы -ОН, которые могут связывать водородные связи, или углеводородные цепи или кольца, которые могут вносить вклад в силы Ван-дер-Ваальса.

Группы, подобные этим, помогают субстрату прикрепляться к активному центру — но только если молекула субстрата имеет расположение групп в нужных местах для взаимодействия с группами на ферменте.

На схеме показан возможный набор взаимодействий с участием двух ионных связей и водородной связи.

Группы, отмеченные знаком + или -, очевидны. Те, в которых есть буквы «H», представляют собой группы, способные образовывать водородные связи. Возможно, что одна или несколько неиспользуемых групп «R» в активном центре также могут помочь с притяжениями Ван-дер-Ваальса между ними и субстратом.

Если бы расположение групп на активном сайте или субстрате было хотя бы немного другим, связывание почти наверняка не было бы таким хорошим — и в этом смысле другой субстрат не подходил бы к активному центру фермента.

Этот процесс реакции катализатора с субстратом и, в конечном итоге, образования продуктов часто обозначают следующим образом:

. . . где E — фермент, S — субстрат, а P — продукты.

Образование комплекса обратимо — субстрат, очевидно, может снова отколоться, прежде чем он превратится в продукты. Второй этап показан как односторонний, но в некоторых случаях может быть обратимым. Это будет зависеть от энергетики реакции.

Так почему же присоединение к ферменту увеличивает скорость, с которой субстрат превращается в продукты?

Совершенно не очевидно, почему это должно быть — и большинство источников, предоставляющих информацию на этом вводном уровне, просто замалчивают ее или говорят об этом в расплывчатых общих терминах (это то, что я буду вынужден сделать, потому что я могу не найду простого примера, о котором можно было бы поговорить!).

Катализаторы в целом (и ферменты не исключение) работают, обеспечивая реакцию по пути с более низкой энергией активации.Присоединение субстрата к активному центру должно позволять электронам двигаться, в результате чего связи разрываются намного легче, чем если бы фермента там не было.

Как ни странно, гораздо легче увидеть, что может происходить в других случаях, когда ситуация немного сложнее. . .

Кофакторы ферментов

То, что мы сказали до сих пор, является большим упрощением для большинства ферментов. На самом деле большинство ферментов — это не просто чистые белковые молекулы. Чтобы заставить их работать, нужны другие небелковые кусочки и кусочки.Они известны как кофакторы.

В отсутствие подходящего кофактора фермент не работает. Для тех из вас, кто любит собирать непонятные слова, неактивная молекула белка известна как апофермент. Когда кофактор находится на месте и становится активным ферментом, его называют холоэнзимом.

Есть два принципиально разных типа кофакторов. Некоторые из них прочно связаны с молекулой белка, так что они становятся частью фермента — это так называемые простетические группы.

Некоторые из них полностью свободны от фермента и прикрепляются к активному центру вместе с субстратом — это называется коферментами.

Группы протезирования

Протезные группы могут быть такими простыми, как единственный ион металла, связанный в структуре фермента, или могут быть более сложной органической молекулой (которая также может содержать ион металла). Ферменты карбоангидраза и каталаза являются простыми примерами этих двух типов.

Примечание

Закон идеального газа легко запомнить и применить при решении проблем, если вы получите правильные значения a

Ионы цинка в карбоангидразе

Карбоангидраза — это фермент, который катализирует превращение диоксида углерода в ионы гидрокарбоната (или наоборот) в клетке.(Если вы посмотрите это в другом месте, вы обнаружите, что биохимики склонны упорно называть гидрокарбонат его старым названием — бикарбонат!)

Фактически, существует целое семейство угольных ангидраз, основанных на разных белках, но все они имеют ион цинка, связанный в активном центре. В этом случае механизм понятен и прост. Мы рассмотрим это подробнее, потому что это хорошая иллюстрация того, как работают ферменты.

Ион цинка связан с белковой цепью тремя звеньями, разделяющими остатки гистидина в цепи — показаны розовым цветом на изображении одной из версий карбоангидразы.Цинк также присоединен к группе -ОН — на рисунке красным цветом обозначен кислород, а белым — водород.

Структура аминокислоты гистидина. . .

. . . а когда он является частью белковой цепи, он соединяется следующим образом:

Если вы посмотрите на модель расположения вокруг иона цинка на картинке выше, вы, по крайней мере, сможете выделить кольцевую часть трех молекул.Ион цинка связан с этими гистидиновыми кольцами через дативные ковалентные (координационные ковалентные) связи от неподеленных пар на атомах азота. Упрощение структуры вокруг цинка:

Расположение четырех групп вокруг цинка приблизительно четырехгранное. Обратите внимание, что я исказил обычное примерно тетраэдрическое расположение электронных пар вокруг кислорода — это просто для того, чтобы диаграмма была как можно более ясной.

Итак, это структура вокруг цинка.Как это катализирует реакцию между углекислым газом и водой?

Молекула углекислого газа удерживается соседней частью активного центра, так что одна из неподеленных пар кислорода указывает прямо на атом углерода в середине молекулы углекислого газа. Присоединение его к ферменту также увеличивает существующую полярность углерод-кислородных связей.

Если вы хоть как-то работали над механизмами органических реакций, то совершенно очевидно, что именно произойдет.Неподеленная пара образует связь с атомом углерода, и часть одной из связей углерод-кислород разрывается и оставляет атом кислорода с отрицательным зарядом.

Теперь у вас есть ион гидрокарбоната, присоединенный к цинку.

На следующей диаграмме показано, как эта молекула оторвалась и заменена молекулой воды из раствора клетки.

Все, что теперь должно произойти, чтобы вернуть катализатор туда, где он был запущен, — это чтобы вода потеряла ион водорода.Это переносится другой молекулой воды на соседний аминокислотный остаток с азотом в группе «R» — и, в конечном итоге, посредством серии аналогичных переносов полностью из активного центра. . . . а фермент карбоангидраза может совершать эту последовательность реакций около миллиона раз в секунду. Это замечательный образец молекулярной машины!

Группа гема (США: гем) в каталазе

Вспомните модель каталазы с более высокой страницы. . .

В то время я упомянул небелковые группы, которые он содержит, которые показаны на картинке розовым цветом.Это гемовые (США: гем) группы, связанные с молекулой белка, и важная часть работы каталазы. Гемовая группа — хороший пример протезной группы. Если бы его не было, молекула белка не работала бы в качестве катализатора. Гемовые группы содержат ион железа (III), связанный в кольцевую молекулу — одну из ряда связанных молекул, называемых порфиринами. Железо заблокировано в центре молекулы порфирина посредством дативных ковалентных связей от четырех атомов азота в кольцевой структуре.Существуют разные типы порфиринов, поэтому существуют разные группы гема. Тот, который нас интересует, называется гемом B, а модель группы гема B (с ионом железа (III) серым цветом в центре) выглядит так:

Каталаза разлагает перекись водорода на воду и кислород.

Была проделана большая работа над механизмом этой реакции, но я собираюсь дать вам только упрощенную версию, а не описывать ее полностью.Хотя на первый взгляд это выглядит довольно просто, есть много скрытых вещей, которые усложняют его.

По существу реакция происходит в две стадии и включает изменение степени окисления железа. Легкое изменение степени окисления — одна из основных характеристик переходных металлов. В лаборатории железо обычно имеет два состояния окисления (а также ноль в самом металле), +2 и +3, и легко меняется с одного на другое.

В каталазе изменение от +3 до гораздо менее распространенного +4 и обратно.

На первой стадии происходит реакция между молекулой перекиси водорода и активным центром с образованием:

«Фермент» в уравнении относится ко всему (гемовой группе и белку), кроме иона железа. «(III)» и «(IV)» представляют собой степени окисления железа в обоих случаях. Это уравнение (и следующее) НЕ являются собственными химическими уравнениями. Это просто краткое изложение самого очевидного из произошедших событий.

Новое устройство вокруг железа затем вступает в реакцию со второй перекисью водорода, восстанавливая исходную структуру и производя кислород и вторую молекулу воды.

В этом упрощении скрыты другие вещи, которые происходят одновременно — например, остальная часть гемовой группы и некоторые аминокислотные остатки вокруг активного центра также изменяются на каждой стадии реакции.

И если вы задумаетесь о том, что должно произойти с молекулой перекиси водорода в обеих реакциях, это должно быть сложнее, чем можно предположить. Перекись водорода объединяется в H-O-O-H, но, тем не менее, оба атома водорода присоединяются к одному и тому же кислороду.Это довольно сложная вещь, которую можно организовать небольшими шагами в механизме, и включает в себя перенос ионов водорода через аминокислотные остатки в активном центре.

Так нужно ли вам помнить все это для химии на этом уровне? Нет, если только ваш учебный план специально не требует этого. По сути, это просто иллюстрация термина «протезная группа».

Это также показывает, что даже в биохимической ситуации переходные металлы ведут себя так же, как и в неорганической химии — они образуют комплексы и меняют свою степень окисления.И если вы хотите проследить за этим, чтобы подробно изучить, что происходит, вы обнаружите те же взаимодействия вокруг активного сайта, которые мы рассмотрели в более простом случае карбоиндеразы. (Но, пожалуйста, не тратьте на это время, если нет необходимости — это серьезно сложно!)

Коэнзимы

Коферменты — еще одна форма кофактора. Они отличаются от простетических групп тем, что не прикреплены к белковой молекуле постоянно. Вместо этого коферменты присоединяются к активному центру рядом с субстратом, и в реакцию вовлекаются оба из них.Как только они отреагировали, они оба покидают активный сайт — оба каким-то образом изменились. Простая диаграмма, показывающая субстрат и кофермент вместе в активном центре, может выглядеть так:

Намного легче понять это на (относительно) простом примере.

НАД + как кофермент с алкогольдегидрогеназой

Алкогольдегидрогеназа — это фермент, запускающий процесс окисления алкоголя (этанола) в крови до безвредных продуктов. Название «дегидрогеназа» предполагает, что она окисляет этанол, удаляя из него водород.

На самом деле реакция происходит между этанолом и коферментом NAD +, прикрепленным бок о бок к активному центру белковой молекулы. НАД + — это кофермент, который обычно используется во всех видах окислительно-восстановительных реакций в клетке.

NAD + обозначает никотинамидадениндинуклеотид. Знак плюс, который является частью его названия, связан с тем, что он несет положительный заряд на атоме азота в структуре.

«Никотинамидная» часть структуры происходит из витамина с различным содержанием , витамина B3, ниацина или никотиновой кислоты.Несколько важных коферментов получают из витаминов.

Этанол окисляется в результате реакции с NAD + с помощью активного центра фермента. В конце реакции образуется этаналь (ацетальдегид), и НАД + превращается в другое соединение, известное как НАДН.

Что касается НАД +, он захватил атом водорода вместе с дополнительным электроном, который нейтрализовал заряд. Оба основных продукта — этаналь и НАДН — покидают активный центр и далее обрабатываются в других клеточных реакциях.

Очень ядовитый этаналь сразу окисляется до этановой кислоты с использованием другого фермента, но опять же с использованием НАД + в качестве кофермента. И этановая кислота из этого реагирует через целый ряд дальнейших контролируемых ферментами реакций, в конечном итоге превращаясь в диоксид углерода и воду.

А как насчет НАДН? Это сам по себе кофермент, который принимает участие в реакциях, требующих восстановления. Атом водорода и дополнительный электрон, который он уловил из этанола, переданы чему-то другому.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *