Строение и роль сложных ферментов

где KM – константа Михаэлиса, характеризующая активность фермента, V – максимальная скорость реакции при данной суммарной концентрации фермента. Из этого уравнения следует, что при малых [S] скорость реакции возрастает пропорционально концентрации субстрата. Однако при достаточно большом увеличении последней эта пропорциональность исчезает: скорость реакции перестает зависеть от [S] – наступает насыщение, когда все молекулы фермента оказываются занятыми субстратом.

Выяснение механизмов действия ферментов во всех деталях – дело будущего, однако некоторые важные их особенности  уже установлены. Каждый фермент  имеет один или несколько активных центров, с которыми и связывается  субстрат. Эти центры высокоспецифичны, т.е. «узнают» только «свой» субстрат или близкородственные соединения. Активный центр формируют особые химические группы в молекуле фермента, ориентированные друг относительно друга определенным образом. Происходящая так легко потеря ферментативной активности связана именно с изменением взаимной ориентации этих групп. Молекула субстрата, связанного с ферментом, претерпевает изменения, в результате которых разрываются одни и образуются другие химические связи. Чтобы этот процесс произошел, необходима энергия; роль фермента состоит в снижении энергетического барьера, который нужно преодолеть субстрату для превращения в продукт. Как именно обеспечивается такое снижение – до конца не установлено.

Ферментативные реакции и энергия

Высвобождение энергии при метаболизме питательных  веществ, например при окислении шестиуглеродного сахара глюкозы с образованием диоксида углерода и воды, происходит в результате последовательных согласованных ферментативных реакций. В животных клетках в превращениях глюкозы в пировиноградную кислоту (пируват) или молочную кислоту (лактат) участвуют 10 разных ферментов. Этот процесс называется гликолизом. Первая реакция – фосфорилирование глюкозы – требует участия АТФ. На превращение каждой молекулы глюкозы в две молекулы пировиноградной кислоты расходуются две молекулы АТФ, но при этом на промежуточных этапах из аденозиндифосфата (АДФ) образуются 4 молекулы АТФ, так что весь процесс в целом дает 2 молекулы АТФ.

Далее пировиноградная кислота окисляется до диоксида углерода и воды при  участии ферментов, ассоциированных  с митохондриями. Эти превращения  образуют цикл, называемый циклом трикарбоновых  кислот, или циклом лимонной кислоты.

Окисление одного вещества всегда сопряжено с  восстановлением другого: первое отдает атом водорода, а второе его присоединяет. Катализируют эти процессы дегидрогеназы, обеспечивающие перенос атомов водорода от субстратов к коферментам. В цикле трикарбоновых кислот одни специфические дегидрогеназы окисляют субстраты с образованием восстановленной формы кофермента (никотинамиддинуклеотида, обозначаемого НАД), а другие окисляют восстановленный кофермент (НАДЧН), восстанавливая другие дыхательные ферменты, в том числе цитохромы (железосодержащие гемопротеины), в которых атом железа попеременно то окисляется, то восстанавливается. В конечном итоге восстановленная форма цитохромоксидазы, одного из ключевых железосодержащих ферментов, окисляется кислородом, попадающим в наш организм с вдыхаемым воздухом. Когда происходит горение сахара (окисление кислородом воздуха), входящие в его состав атомы углерода непосредственно взаимодействуют с кислородом, образуя диоксид углерода. В отличие от горения, при окислении сахара в организме кислород окисляет собственно железо цитохромоксидазы, но в конечном итоге его окислительный потенциал используется для полного окисления сахаров в ходе многоступенчатого процесса, опосредуемого ферментами.

На отдельных  этапах окисления энергия, заключенная  в питательных веществах, высвобождается в основном маленькими порциями и  может запасаться в фосфатных  связях АТФ. В этом принимают участие  замечательные ферменты, которые  сопрягают окислительные реакции (дающие энергию) с реакциями образования  АТФ (запасающими энергию). Этот процесс  сопряжения известен как окислительное фосфорилирование. Не будь сопряженных ферментативных реакций, жизнь в известных нам формах была бы невозможна.

Ферменты  выполняют и множество других функций. Они катализируют разнообразные  реакции синтеза, включая образование  тканевых белков, жиров и углеводов. Для синтеза всего огромного  множества химических соединений, обнаруженных в сложных организмах, используются целые ферментные системы. Для этого  нужна энергия, и во всех случаях  ее источником служат фосфорилированные соединения, такие, как АТФ.

Ферменты  и пищеварение

Ферменты – необходимые участники процесса пищеварения. Только низкомолекулярные соединения могут проходить через стенку кишечника и попадать в кровоток, поэтому компоненты пищи должны быть предварительно расщеплены до небольших молекул. Это происходит в ходе ферментативного гидролиза (расщепления) белков до аминокислот, крахмала до сахаров, жиров до жирных кислот и глицерина. Гидролиз белков катализирует фермент пепсин, содержащийся в желудке. Ряд высокоэффективных пищеварительных ферментов секретирует в кишечник поджелудочная железа. Это трипсин и химотрипсин, гидролизующие белки; липаза, расщепляющая жиры; амилаза, катализирующая расщепление крахмала. Пепсин, трипсин и химотрипсин секретируются в неактивной форме, в виде т.н. зимогенов (проферментов), и переходят в активное состояние только в желудке и кишечнике. Это объясняет, почему указанные ферменты не разрушают клетки поджелудочной железы и желудка. Стенки желудка и кишечника защищает от пищеварительных ферментов и слой слизи. Некоторые важные пищеварительные ферменты секретируются клетками тонкого кишечника.

Большая часть энергии, запасенной в растительной пище, такой, как трава или сено, сосредоточена в целлюлозе, которую  расщепляет фермент целлюлаза. В организме травоядных животных этот фермент не синтезируется, и жвачные, например крупный рогатый скот и овцы, могут питаться содержащей целлюлозу пищей только потому, что целлюлазу вырабатывают микроорганизмы, заселяющие первый отдел желудка – рубец. С помощью микроорганизмов происходит переваривание пищи и у термитов.

Ферменты  находят применение в пищевой, фармацевтической, химической и текстильной промышленности. В качестве примера можно привести растительный фермент, получаемый из папайи и используемый для размягчения  мяса. Ферменты добавляют также в  стиральные порошки. 

Ферменты  в медицине и сельском хозяйстве

Осознание ключевой роли ферментов во всех клеточных  процессах привело к широкому их применению в медицине и сельском хозяйстве. Нормальное функционирование любого растительного и животного  организма зависит от эффективной  работы ферментов. В основе действия многих токсичных веществ (ядов) лежит  их способность ингибировать ферменты; таким же эффектом обладает и ряд  лекарственных препаратов. Нередко  действие лекарственного препарата  или токсичного вещества можно проследить по его избирательному влиянию на работу определенного фермента в  организме в целом или в  той или иной ткани. Например, мощные фосфорорганические инсектициды и нервно-паралитические газы, разработанные в военных целях, оказывают свой губительный эффект, блокируя работу ферментов – в первую очередь холинэстеразы, играющей важную роль в передаче нервного импульса.

Чтобы лучше понять механизм действия лекарственных  препаратов на ферментные системы, полезно  рассмотреть, как работают некоторые  ингибиторы ферментов. Многие ингибиторы связываются с активным центром  фермента – тем самым, с которым  взаимодействует субстрат. У таких  ингибиторов наиболее важные структурные  особенности близки к структурным  особенностям субстрата, и если в  реакционной среде присутствуют и субстрат и ингибитор, между ними наблюдается конкуренция за связывание с ферментом; при этом, чем больше концентрация субстрата, тем успешнее он конкурирует с ингибитором. Ингибиторы другого типа индуцируют в молекуле фермента конформационные изменения, в которые вовлекаются важные в функциональном отношении химические группы. Изучение механизма действия ингибиторов помогает химикам создавать новые лекарственные препараты. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Список  литературы: 

     1. Хомченко Г.Л. Химия для поступающих в ВУЗы. Учебное пособие. М., Высшая школа, 1993 г.

     2. Биологический энциклопедический  словарь. Под ред.  Гилярова М.С. М., Советская энциклопедия, 1987 г.

     3. http://www.krugosvet.ru/