§ 19. Ферменти та їхня біологічна роль

На молекулярному рівні життя є сукупністю найрізноманітніших хімічних реакцій, що відбуваються в організмах (а часом і за їх межами). Більшість із таких реакцій забезпечують перетворення лише однакових молекул, тобто ступінь їх вибірковості є високим. Крім того, швидкість біохімічних реакцій в організмах у мільйони разів вища, ніж якщо вони відбувалися б у неживій природі за нормальних умов. Такі особливості функціонування живого забезпечують спеціалізовані білки або молекули РНК, які називаються ферментами (ензимами).

Функціонування ферментів. Ферменти є біологічними каталізаторами – речовинами, які значно прискорюють швидкість реакцій, не витрачаючись у них. Тобто ферменти взаємодіють зі сполуками, що є субстратом реакції, змінюють їхню структуру, перетворюючи на продукт реакції, але самі при цьому не змінюють свого хімічного складу (рис. 88). Назви ферментів зазвичай формуються з назв їхніх субстратів з додаванням закінчення -аза. Наприклад, фермент лактаза розщеплює молочний цукор лактозу на моносахариди глюкозу та галактозу (проаналізуйте інший приклад (рис. 89)). Деякі ферменти мають традиційні назви (без закінчення -аза), наприклад пепсин і трипсин, що забезпечують процеси травлення людини (пригадайте, процес розщеплення яких речовин вони каталізують).

Рис. 88. Схема дії ферменту

Проаналізуйте схему. Запропонуйте підписи до неї.

Рис. 89. Тривимірна модель будови молекули ферменту, що розщеплює сахарозу на моносахариди

Поміркуйте, як називається цей фермент. Яка речовина є його субстратом? Що є продуктом цієї реакції?

Унаслідок зв’язування ферменту із субстратами утворюється тимчасова сполука фермент-субстратний комплекс, який розпадається з утворенням ферменту та продуктів реакції. Енергетично цей процес є більш вигідним, ніж перетворення субстрату на продукт без участі ферменту. Без нього реакція може потребувати високих температур, тиску, високої кислотності середовища тощо, тобто не може ефективно відбуватися в живих клітинах.

Функціонування ферменту визначається просторовою структурою його молекули. Завдяки здатності білків набувати найрізноманітніших третинних і четвертинних структур ферменти каталізують велику кількість реакцій – міжнародна база даних ферментів налічує близько 7000 назв і постійно поповнюється. Найважливішою для функціонування ферменту є частина молекули, що безпосередньо зв’язує субстрат і забезпечує його перетворення. Це активний центр (рис. 90).

Функціонування деяких ферментів залежить від наявності додаткових речовин небілкової природи. Сполуки, необхідні для роботи ферментів, називають коферментами. Ними можуть бути, наприклад, похідні вітамінів. Для функціонування деяких ферментів необхідна наявність йонів металів (Цинку, Купруму, Кобальту тощо).

Фактори, що впливають на активність ферментів. Рівень активності ферментів може визначатися концентрацією продуктів реакції. Зазвичай вони гальмують роботу ферменту: при накопиченні продуктів реакції швидкість реакції знижується, а отже утворення цих речовин припиняється. У такий спосіб регулюється надмірне накопичення утворюваних сполук.

Важливим фактором є температура: з підвищенням температури на 10 °С ферментативна активність зростає приблизно у 2-3 рази. Проте, як і всі білки, ферменти можуть денатурувати, втрачаючи властиву їм природну структуру.

Рис. 90. Тривимірна модель молекули ферменту лізоциму. Активний центр виділено кольором, також можна бачити зв’язану молекулу субстрату

Укажіть функцію зображеної речовини.

Підготуйте повідомлення про ферменти, які функціонують на рівні організму.

Це призводить до втрати каталітичної активності, наприклад, в організмі людини білки починають денатурувати за температури ~40 С. Такий вплив можна простежити під час дослідження швидкості розщеплення крохмалю амілазою (рис. 91). В інших організмів білки залишаються стійкими в більшому інтервалі температур, зокрема, деякі бактерії живуть у водоймах, температура в яких вища ніж 80 °С, а археї долають межу у 100 °С (див. § 9).

Іншим шляхом регуляції роботи ферментів є приєднання до них певних сполук, наприклад, залишку ортофосфатної кислоти. Така реакція називається фосфорилюванням. Унаслідок неї неактивний фермент стає активним і починає виконувати свою функцію. Фосфорилювання може спричиняти й протилежний ефект – змінений білок переходить з активного стану в неактивний. Такі зміни можуть відбуватися всередині клітин унаслідок дії на них різноманітних подразників – гормонів, медіаторів тощо. Таким чином, зміна активності ферменту є одним зі способів регуляції функціонування клітин. Деякі речовини можуть блокувати активний центр ферменту – це призводить до порушення його функціонування.

Ферменти й захворювання. Ферменти забезпечують більшість функцій в організмі – зчитування спадкової інформації, процеси отримання енергії, синтез необхідних для росту й розвитку речовин, розщеплення проміжних продуктів обміну речовин тощо. Наприклад, фермент каталаза забезпечує розщеплення до води й кисню отруйного для організму гідроген пероксиду, що утворюється в клітинах як проміжний продукт окиснення.

У випадку, якщо той чи інший фермент не функціонує, контрольована ним реакція не відбувається, що призводить до захворювання. Наприклад, якщо в організмі людини бракує ферменту лактази, не розщеплюватиметься молочний цукор. Оскільки лактоза не може всмоктуватися безпосередньо в кишечнику в кров, вона залишатиметься в порожнині травного тракту, де її використовуватимуть бактерії. Утворені при цьому продукти обміну речовин (вуглекислий газ, молочна кислота) негативно впливатимуть на функціонування кишечника, що виявлятиметься як симптоми несприйняття лактози (нудота, здуття, біль, пронос тощо). Багато таких захворювань е вродженими, тобто зумовлені мутаціями генів, які кодують структуру відповідних ферментів (§ 43).

Рис. 91. Залежність швидкості розщеплення крохмалю амілазою від температури

На графіку представлені результати дослідження. Оберіть твердження, які можна сформулювати внаслідок аналізу отриманих результатів:

1) завжди прямо пропорційна змінам температури;

2) залежить від генетичної програми організму;

3) максимальна за температури ~37°С».

Ферментативні реакції часто є послідовними каскадами, коли продукт попередньої реакції стає субстратом наступної (рис. 92). Тож для синтезу або розщеплення певних сполук потрібна злагоджена послідовна робота кількох (часто десятків) ферментів. Такі складні ланцюжки реакцій забезпечують процеси отримання клітиною енергії, фотосинтезу тощо. Якщо хоча б один з ферментів каскаду не функціонує, то розвиваються захворювання. Порушення функціонування багатьох ферментів виникає також унаслідок нестачі в раціоні вітамінів, незамінних амінокислот, жирних кислот, макро- та мікроелементів.

Вітаміни здебільшого не утворюються в організмі, тому за їх відсутності в харчових продуктах порушується функціонування ферментів, обмін речовин і розвиваються тяжкі захворювання. Такими захворюваннями людини є, наприклад, рахіт, цинга, куряча сліпота тощо. До пригнічення активності окремих ферментів можуть призводити також природні компоненти харчових продуктів або чужорідні речовини, що містяться в них (наприклад пестициди). Тому запорукою запобігання захворюванням, що виникають унаслідок порушення функціонування ферментів в організмі, є дотримання умов вирощування рослин, правил збереження вітамінів у продуктах та збалансоване харчування.

Рис. 92. Частина ланцюга розщеплення глюкози

Простежте, які структурні перетворення відбуваються під час кожної реакції. Зважте, що кожна стрілка відповідає впливу певного ферменту.

1. Дайте означення поняття ферменти.

2. Наведіть приклади ферментів.

3. Чому наявність ферментів є необхідною умовою життєдіяльності клітини?

4. Опишіть механізм дії ферменту.

5. Які фактори впливають на активність ферментів?

Ферменти, їх властивості, різноманітність та значення

Ферменти (від лат. fermentum – бродіння), або ензими (від грец. еп – всередині, sume – закваска) – білкові сполуки, які є біологічними каталізаторами. Наука про ферменти називається ензимологією. Молекули ферментів є білками або рибонуклеїновими кислотами (РНК). РНК-ферменти називаються рибозимами і вважаються первісною формою ферментів, які були замінені білковими ферментами в процесі еволюції.

Структурно-функціональна організація. Молекули ферментів мають більші розміри, ніж молекули субстратів, і складну просторову конфігурацію, здебільшого глобулярної структури.

Завдяки великим розмірам молекул ферментів виникає сильне електричне поле, у якому: а) ферменти набувають асиметричної форми, що послаблює зв’язки і обумовлює зміну їхньої структури; б) стає можливим орієнтація молекул субстрату. Функціональна організація ферментів пов’язана з наявністю активних і алостеричних (регуляторних) центрів. Активний центр – це особлива невелика ділянка молекули білка, яка може зв’язувати субстрат і забезпечувати таким чином каталітичну активність фермента. Активний центр простих ферментів являє собою поєднання певних амінокислот ланцюга з утворенням своєрідної “кишені”, у якій відбуваються каталітичні перетворення субстрату. У складних ферментів кількість активних центрів дорівнює кількості субодиниць, і ними є кофактори з прилягаючими до нього білковими функціональними групами. Крім ативного центру, деякі ферменти мають алостеричний центр, який регулює роботу активного центру.

Властивості. Між ферментами і каталізаторами неорганічної природи існують певні спільні та відмінні ознаки. Спільним є те, що вони: а) можуть каталізувати лише термодинамічно можливі реакції і прискорюють лише ті реакції, які можуть відбуватися і без них, однак із меншою швидкістю; б) не використовуються під час реакції і не входять до складу кінцевих продуктів; в) не зміщують хімічної рівноваги, а лише прискорюють її настання. Для ферментів характерні і деякі специфічні властивості, яких не мають неорганічні каталізатори.

Ферменти не руйнуються в реакціях, тому дуже мала їх кількість викликає перетворення великої кількості субстрату наприклад, 1 молекула каталази може розщепити за 1 хв понад 5 млн молекул Н2O2). Зони прискорюють швидкість хімічних реакцій за звичайних умов, але самі при цьому не витрачаються. Усе це разом обумовлює таку властивість ферментів, як висока біологічна активність. Оптимальна дія більшості ферментів виявляється при температурі +37-40°С. З підвищенням температури активність ферментів знижується і згодом зовсім припиняється, а за +80°С відбувається їхнє руйнування. За низьких температур (нижче 0°С) ферменти припиняють свою дію, але не руйнуються. Отже, для ферментів характерна термочутливість.

Ферменти виявляють свою активність за певної концентрації йонів Н, тому говорять про pH-залежність. Оптимальна дія більшості ферментів спостерігається в середовищі, близькому до нейтрального.

Така властивість, як специфічність, або селективність виявляється в тому, що кожний фермент діє на певний субстрат, каталізуючи лише одну “свою” реакцію. Вибірковість дії ферментів визначається білковим компонентом.

Ферменти є каталізаторами з регульованою активністю, яка може суттєво змінюватися під впливом певних хімічних сполук, що збільшують або зменшують швидкість реакції, яка каталізується. У ролі активаторів виступають катіони металів, аніони

Структура амілази слини

кислот, органічні речовини, а інгібіторами – катіони важких металів та ін. Цю властивість назвали регульованістю дії (алостеричність). Ферменти утворюються лише тоді, коли виникає субстрат, який індукує його синтез (індуцибельність), а “відключення” дії ферментів, зазвичай, здійснюється надлишком продуктів асиміляції (репресибельність). Ферментативні реакції є зворотними, що обумовлено здатностю ферментів каталізувати пряму і зворотну реакцію. Так, наприклад, ліпаза може при певних умовах розщепити жир до гліцерину і жирних кислот, а також каталізувати його синтез із продуктів розпаду (зворотність дії).

Механізм дії. Для розуміння механізму дії ферментів на протікання хімічних реакцій важливими є теорія активного центру, гіпотеза “ключ-замок” та гіпотеза індукованої відповідності. Згідно з теорією активного центру, у молекулі кожного ферменту є одна або більше ділянок, у яких за рахунок тісного контакту між ферментом і субстратом відбувається біокаталіз. Гіпотеза “ключ-замок” (1890, Е. Фішер) пояснює специфічність ферментів відповідністю форми фермента (замок) і субстрата (ключ). Фермент поєднується із субстратом з утворенням тимчасового фермент-субстратного комплексу. Гіпотеза індукованої відповідності (1958, Д. Кошланд). базується на твердженні про те, що ферменти є гнучкими молекулами, завдяки чому в них у присутності субстрату конфігурація активного центру зазнає змін, тобто фермент орієнтує свої функціональні групи так, щоб забезпечити найбільшу каталітичну активність. Молекула субстрату, приєднуючись до ферменту, також змінює свою конфігурацію для збільшення реакційної здатності.

Різноманітність. У сучасній ензимології відомо понад 3000 ферментів. Ферменти, як правило, класифікують за хімічним складом і за типом реакцій, на які вони впливають. Класифікація ферментів за хімічним складом включає прості та складні ферменти. Прості ферменти (однокомпонентні) – містять лише білкову частину. Більшість ферментів цієї групи можуть кристалізуватися. Прикладом простих ферментів є рибонуклеаза, гідролази (амілази, ліпази, протеази), уреаза та ін. Складні ферменти (двокомпонентні) – складаються з апофермента й кофактора. Білковий компонент, який визначає специфічність складних ферментів і синтезується, як правило, організмом та є чутливим до температури – це апофермент. Небілковий компонент, який визначає активність складних ферментів і, як правило, надходить в організм у вигляді попередників або в готовому вигляді, та зберігає стабільність за несприятливих умов, є кофактором. Кофактори можуть бути як неорганічними молекулами (наприклад, йони металів), так і органічними (наприклад, флавін). Органічні кофактори, які постійно зв’язані з ферментом, називають простетичними групами. Кофактори органічної природи, що здатні відділятися від ферменту, називають коферментами. Комплекс апофермента й кофактора називається холоферментом. Прикладом складних ферментів є оксидоредуктази (наприклад, каталаза), лігази (наприклад, ДНК-полімераза, тРНК-синтетази), ліази та ін.

Ферментативні реакції поділяються на анаболітичні (реакції синтезу) і катаболітичні (реакції розпаду), а сукупність усіх цих процесів у живій системі називають метаболізмом. У межах цих груп процесів виділяють типи ферментативних реакцій, згідно з якими ферменти поділяють на 6 класів: оксидоредуктази, трансферази, гідролази, ліази, ізомерази та лігази.

• 1. Оксидоредуктази каталізують окислювально-відновні реакції (перенесення електронів та атомів Н від одних субстратів на інші).
• 2. Трансферази прискорюють реакції трансферації (перенесення хімічних груп від одних субстратів на інші).
• 3. Гідролази є ферментами реакцій гідролізу (розщеплення субстратів за участю води).
• 4. Ліази каталізують реакції негідролітичного розпаду (розщеплення субстратів без участі води з утворенням подвійного зв’язку і без використання енергії АТФ).
• 5. Ізомерази впливають на швидкість реакцій ізомеризації (внутрішньомолекулярне переміщення різних груп).
• 6. Лігази каталізують реакції синтезу (поєднання молекул з використанням енергії АТФ і утворенням нових зв’язків).

Зазвичай фермент називають за типом реакції, яку він каталізує, додаючи суфікс -аза до назви субстрату (наприклад, лактаза – фермент, що бере участь у перетворенні лактози).

Значення. Ферменти забезпечують хімічні перетворення речовин унаслідок зниження енергії активації, тобто в зниженні рівня енергії, необхідної для надання реакційної здатності молекулі (наприклад, для розриву зв’язку між Нітрогеном і Карбоном у лабораторних умовах необхідно близько 210 кДж, тоді як у біосистема на це витрачається лише 42-50 кДж). Ферменти наявні у всіх живих клітинах сприяють перетворенню одних речовин (субстратів) на інші (продукти). Ензими виступають у ролі каталізаторів практично в усіх біохімічних реакціях, що відбуваються живих організмах – ними каталізується близько 4000 хімічно окремих біореакції Ферменти відіграють найважливішу роль у всіх процесах життєдіяльності, скеровую чи та регулюючи обмін речовин організму. Ферменти широко використовуються народному господарстві.

Деякі приклади використання ферментів у діяльності людини

Використання

Харчова промисловість

Ферменти

Ферменти — це біологічні молекули, зазвичай білки, які діють як каталізатори в різних біохімічних реакціях. Каталізатори — це речовини, які прискорюють швидкість хімічної реакції, не витрачаючись і не змінюючись у процесі. Ферменти відіграють вирішальну роль у регуляції та підтримці біологічних процесів у живих організмах.

Ось деякі ключові характеристики та функції ферментів:

Ферменти підвищують швидкість хімічних реакцій, знижуючи енергію активації, необхідну для здійснення реакції. Це дозволяє реакціям протікати швидше в фізіологічних умовах.
Специфічність субстрату:

Ферменти виявляють специфічність щодо своїх субстратів, тобто молекул, на які вони діють. Активним центром ферменту є ділянка, яка зв’язується із субстратом, утворюючи фермент-субстратний комплекс.
Модель із замком і ключем:

Модель замка та ключа описує специфіку ферментно-субстратних взаємодій. Активний центр ферменту схожий на замок, а субстрат — на ключ, який вставляється в замок. Фермент зазнає конформаційних змін, щоб пристосуватися до субстрату та зв’язатися з ним.
Модель індукованої підгонки:

Модель індукованого прилягання припускає, що зв’язування субстрату з ферментом індукує конформаційні зміни у ферменті, що призводить до більш тісного прилягання. Ця модель враховує гнучкість як ферменту, так і субстрату під час процесу зв’язування.
Ферментно-субстратний комплекс:

Коли субстрат зв’язується з ферментом, він утворює фермент-субстратний комплекс. Цей комплекс полегшує хімічну трансформацію субстрату в продукти.
Фактори, що впливають на активність ферментів:

На активність ферменту впливають такі фактори, як температура, pH, концентрація субстрату та наявність кофакторів або коферментів. Ферменти зазвичай виявляють оптимальну активність у певних діапазонах цих факторів.
Кофактори та коферменти:

Кофактори — це небілкові молекули, які допомагають ферментам каталізувати реакції. Вони можуть бути неорганічними іонами або органічними молекулами. Коферменти є органічними кофакторами, часто похідними від вітамінів.
Інгібування ферментів:

Активність ферменту можна регулювати шляхом інгібування. Інгібітори можуть бути конкурентними (конкурують із субстратом за активний центр) або неконкурентними (зв’язуються з сайтом, відмінним від активного центру).
Регуляція ферментів:

Клітини можуть регулювати активність ферменту за допомогою різних механізмів, включаючи інгібування за зворотним зв’язком, коли кінцевий продукт метаболічного шляху інгібує фермент, який діє раніше на цьому шляху.
Приклади ферментів:

Приклади ферментів включають амілазу (перетравлює крохмаль), ДНК-полімеразу (синтезує ДНК), каталазу (розщеплює перекис водню) та багато інших, які беруть участь у клітинному метаболізмі.
Ферменти необхідні для життєвих процесів, і їх точне регулювання дозволяє організмам підтримувати гомеостаз, реагувати на зміни навколишнього середовища та здійснювати безліч біохімічних реакцій, необхідних для росту, розвитку та виживання. Вивчення ферментів має вирішальне значення в біохімії та має практичне застосування в медицині, промисловості та біотехнології.

Що таке модель замка та ключа? – Механізм, переваги, обмеження

Що таке модель замка та ключа? Концепція моделі замка та ключа «Модель замка та ключа» є фундаментальною концепцією ензимології, введеною Емілем Фішером у 1899 році. Ця модель забезпечує аналогію для пояснення специфічності, яку виявляють ферменти під час їх взаємодії з субстратами. У цій аналогії фермент порівнюється з. Детальніше

Що таке індукована модель? – Механізм, переваги, обмеження

Що таке індукована модель? Докази, що підтверджують модель індукованої відповідності Модель індукованої відповідності привернула значну увагу в галузі біохімії, і різні докази підтверджують її достовірність. Ця модель передбачає, що білки, включаючи ферменти, не є статичними або жорсткими структурами. Натомість вони демонструють динамічні властивості, що дозволяє їм адаптуватися та змінюватися. Детальніше

Графік Лайнвівер–Берк – подвійний взаємний графік

наявність нескінченної кількості субстрату, тому неможливо визначити Km і Vmax з гіперболічного графіка. Через цю проблему рівняння Міхаеліса-Ментена було перетворено на рівняння прямих за допомогою Lineweaver разом із Берком.

Модель Міхаеліса–Ментена та її сюжет, рівняння, важливість

Що таке модель Міхаеліса–Ментена? Модель Міхаеліса–Ментена є фундаментальною концепцією в біохімії, зокрема в царині кінетики ферментів. Ферменти, які є білками, відіграють ключову роль як каталізатори в біохімічних реакціях. Їх основною функцією є зменшення вільної енергії активації Гіббса, ΔG, тим самим сприяючи досягненню реакції перехідного стану. Детальніше

Інгібування ферментів – визначення, типи, механізм, приклади

Що таке інгібування ферментів? Типи інгібування ферментів Існує три типи інгібування ферментів, наприклад; 1. Оборотне інгібування. Оборотне інгібування означає тимчасове припинення активності ферменту внаслідок зв’язування оборотного інгібітора. Це зв’язування не є постійним, і фермент може відновити свою активність, коли інгібітор буде. Детальніше

Ферменти – структура, типи, спосіб дії, функції, застосування, приклади

Що таке ферменти? Визначення ферментів Ферменти — це білкові молекули, які діють як біологічні каталізатори, прискорюючи хімічні реакції в живих організмах, не споживаючись у процесі. Характеристики Особливості ферментів Ферменти — це біологічні молекули з відмінними характеристиками та особливостями, які дозволяють їм відігравати вирішальну роль у різних біохімічних процесах. Ось ключові. Детальніше

Інгібування зворотного зв’язку – визначення, процес, функції, приклади

Що таке гальмування зворотного зв’язку? Визначення інгібування за зворотним зв’язком. Інгібування за зворотним зв’язком – це клітинний регуляторний механізм, у якому кінцевий продукт біохімічного шляху пригнічує активність першого ферменту цього шляху, запобігаючи надмірному виробленню кінцевого продукту. Ферменти, субстрати та продукти. Процес гальмування зворотного зв’язку. Інгібування зворотного зв’язку, основний регуляторний механізм у … Детальніше