Что такое ферменты? (10М)

Ферменты – это белковые молекулы, синтезируемые живыми клетками.

В каждой клетке имеются сотни различных ферментов. С их помощью осуществляются многочисленные химические реакции, которые могут с большой скоростью идти при температурах, подходящих для данного организма, то есть в пределах от 5^о до 40^о . Чтобы эти реакции протекали вне организма с той же скоростью потребовались бы высокие температуры и резкие изменения условий. Для клетки это означало бы гибель, так как вся работа клетки строится таким образом, чтобы избежать любых сколько-нибудь заметных изменений в нормальных условиях ее существования.

Таким образом, можно сказать, что ферменты – это биологические катализаторы, то есть вещества, которые ускоряют биохимические реакции. Они абсолютно необходимы, потому что без них реакции в клетке протекали бы слишком медленно.

Что же обозначает термин-фермент

Термин “фермент” (от лат. fermentum – закваска) был предложен в начале XVII века голландским ученым Ван Гельмондом.

Почти все ферменты являются белками (но не все белки – ферменты). Представление о том, что ферменты – белки утвердилось не сразу. Для этого надо было научиться их выделять в высоко кристаллической форме. Впервые ферменты в такой форме выделил в 1926 году Дж. Самнер. После этого потребовалось еще 10 лет, в течение которых было получено еще несколько ферментов в кристаллической форме, чтобы представление о белковой природе ферментов стало доказанным и получило всеобщее признание.

Для ферментов характерна своя эволюция, им также пришлось пройти длительный путь признания. Какими же свойствами обладают ферменты?

 Катализ и энергия активации

Биологические катализаторы (т.е. ферменты) характеризуются следующими основными свойствами. Несмотря на большое количество и разнообразие ферментов всех их по особенностям строения молекул можно разделить на 2 группы: простые белки и сложные белки.

У сложных ферментов помимо белковой части имеется добавочная группа небелковой природы – кофактор, например, многие витамины. В молекуле однокомпонентного белка выделяют особую часть, представляющую собой уникальное сочетание нескольких аминокислотных остатков, располагающихся в определенной части белковой молекулы. Ее называют активным центром фермента, который взаимодействует с молекулой субстрата с образованием фермент-субстратного комплекса. Затем фермент-субстратный комплекс распадается на фермент и продукт (продукты) реакции.Согласно гипотезе, выдвинутой Э. Фишером, субстрат подходит к ферменту, как ключ к замку, т.е. пространственные конфигурации активного центра фермента и субстрата точно соответствуют друг другу. Субстрат сравниваем с “ключом”, который подходит к “замку” – ферменту.

Поскольку все ферменты являются белками, их активность наиболее велика при физиологически нормальных условиях:

Большинство ферментов наиболее активно работает только при определенной температуре. При повышении температуры до некоторого значения (в среднем до 50^о С) каталитическая активность растет (на каждые 10^о С скорость реакции повышается примерно в 2 раза). При t выше 50^о С белок подвергается денатурации и активность фермента падает.

Кроме того, для каждого фермента существует оптимальное значение pH, при котором он проявляет максимальную активность.

На скорость реакции влияет также концентрация субстрата и концентрация фермента.

Все ферменты высокоспецифичны к своему субстрату и как правило, катализируют только одну вполне определенную реакцию.

Классификация ферментов

Специфичность ферментов определяет их классификацию, в основе ее лежит тип катализируемых реакций.

В 1961 году специальной комиссией международного биохимического союза была предложена систематическая номенклатура ферментов. Ферменты были подразделены на 6 групп в соответствии с общим типом реакции, которую они катализируют. Каждый фермент получил систематическое наименование, точно описывающее катализируемую им реакцию. Однако, поскольку многие из этих систематических названий оказались очень длинными и сложными, каждому ферменту было присвоено рабочее название для повседневного употребления.

Рабочее название складывалось из названия субстрата, типа катализируемой реакции и окончания –аза.

Например:

Лактат + дегидрогенизация + аза = лактатдегидрогеназа

Но для давно известных ферментов оставлены следующие названия, т.е. прежние названия пепсин, трипсин.

Группа	Катализируемая реакция
Оксидоредуктазы. 480 ферментов, большая роль в энергетических процессах	Катализирует реакции окисления – восстановления, перенос атомов H и O или электронов от одного к другому.
Трансферазы	Перенос определенных группы атомов от одного вещества к другому
Гидролазы. 460 ферментов, к ним относятся пищеварительные ферменты, входящие в состав лизосом и других органоидов, где они способствуют распаду более крупных биомолекул на простые	Реакции гидролиза, при которых из субстрата образуются два продукта.
Лиазы. 230 ферментов, участвующих в регуляциях синтеза и распада промежуточных продуктов обмена	Ферменты, катализируемые реакции разрыва связей, в субстрате без присоединения воды или окисления.
Изомеразы. 80 ферментов	Ферменты, катализирующие превращения в пределах одной молекулы, они вызывают внутримолекулярные перестройки.
Лигазы (синтетазы) (около 80 ферментов)	Катализируемое соединение 2-х молекул с использованием энергии фосфатной связи, сопряжено с распадом АТФ.

Практическое применение ферментов

Может ли человек использовать знания о ферментах в своей практической деятельности?

Существует ли определенная наука, которая занимается изучением ферментов?

Энзимология – учение о ферментах, выделено в самостоятельную науку.

Ферменты получили широкое применение в легкой, пищевой и химической промышленности, а также в медицинской практике.

В пищевой промышленности ферменты используют при приготовлении безалкогольных напитков, сыров, консервов, колбас, копченостей.

В животноводстве ферменты используют при приготовлении кормов.

Ферменты используют при изготовлении фотоматериалов.

Ферменты используют при обработке овса и конопли.

Ферменты используют для смягчения кожи в кожевенной промышленности.

Ферменты входят в состав стиральных порошков, зубных паст.

В медицине ферменты имеют диагностическое значение – определение отдельных ферментов в клетке помогает распознаванию природы заболевания (например вирусный гепатит – по активности фермента в плазме крови) их используют для замещения недостающего фермента в организме.