Ферменты или энзимы- вещества белковой природы, образующиеся непосредственно в клетках и ускоряющие течении всех типов химических реакций живого организма. Ферменты не могут вызывать новые реакции или изменять направление, но регулируют скорость протекающих в организме реакций.

Внутриклеточные ферменты содержатся и действуют в определенных органоидах. В настоящее время установлено, что ферменты гликолиза находится в цитоплазме, ферменты цикла трикарбоновых кислот и B-окисления жирных карбоновых кислот- в матриксе митохондрий, ферменты окислительного фосфорилирования- на внутренней мембране митохондрий, ДНК-полимеразы-ядрах, гидролитические ферменты-в лизосомах и т.д.

Внеклеточные ферменты образуются в клетках, но действуют как правило, внутри половых органов. Например, пищеварительные ферменты вырабатываются клетками стенок пищ-ого тракта, а работают в различных отделах пищеварительной системы.

По строению ферменты делят на простые(протеины) и сложные (протеиды).

Молекулы простых ферментов построены только из аминокислот. К ним относятся все гидролитические ферменты (пепсин, трипсин, липаза, амилаза, мальтаза, сахараза и т.д), уреаза

Молекулы сложных ферментов в своем составе имеют белковую часть, состоящую из аминокислот (апофермент), и небелковую часть (кофермент). В составе последнего встречаются ионы металлов (Zn2+, Cu2+, Fe2+, Mo2+), витамины (РР, В1, В2, В3, В6, B12, Вс), ацетил-КоА и другие вещества.

Ферменты имеют ряд общих свойств с небиологическими (химическими) катализаторами, но обладают и специфическими качествами.

1. Ферменты не расходуются в процессе катализа и не входят в состав конечных продуктов.

2. Небольшое количество фермента участвует в преобразовании большого количества субстрата. Например, 1 г пепсина гидролизует 50 кг яичного белка, а 1,6 г амилазы -175 кг крахмала.

3. Ферменты обладают высокой специфичностью действия, чем резко отличаются от небиологических катализаторов. Специфичность фермента - способность ускорить определенный тип реакций или даже одну единственную реакцию.

Специфичность ферментов подразделяют:

- на абсолютную, то есть способность катализировать одну единственную реакцию (например, уреаза ускоряет расщепление мочевины на аммиак и углекислый газ);

- относительную, позволяющую воздействовать на определенный тип химической связи (например, пепсин расщепляет амидные связи, липаза сложноэфирные связи).

4. Способность фермента ускорять химический процесс зависит от активной реакции среды. Для каждого фермента существует определенная концентрация ионов водорода, определенное значение рН, при котором появляется максимальная активность данного фермента. Это значение называется оптимумом рН среды, и он для разных ферментов различен (табл. 2). Незначительные изменения рН могут замедлить действие фермента или даже совсем его прекратить.

5. На активность ферментов влияет и температура. Скорость любой химической реакции, катализируемой ферментом или неорганическими катализаторами, повышается в 2-4 раза при повышении температуры на каждые 100С. Для ферментативных реакций теплокровных животных эта зависимость проявляется при температурах ниже 40-50°С (это температурный оптимум для большинства ферментов, т.е. температура, при которой фермент проявляет наивысшую активность). При дальнейшем нагревании фермент инактивируется, т.е. теряет ферментативную активность вследствие денатурации белковой молекулы. Таким образом, термолабильность, или чувствительность к повышениям температуры, является одним из характерных свойств ферментов, резко отличающим их от неорганических катализаторов, которые, например, относятся к термостабильным соединениям. При низких температурах (равных нулю и ниже) ферменты не разрушаются, но частично снижают свои свойства, и скорость реакции падает почти до нуля. При повышении температуры до оптимальных значений активность ферментов восстанавливается. Такие процессы наблюдаются при спячке холоднокровных животных и их пробуждении.

6. На активность ферментов оказывают значительное влияние находящиеся в тканях или поступающие в организм активаторы и парализаторы (ингибиторы). Активаторы увеличивают, а ингибиторы угнетают активность ферментов.

В качестве активаторов выступают белковые соединения - киназы или различные ионы: К+, Сl-, Mn2+, Ca2+ и т.д. Например, амилаза слюны, гидролизующая крахмал, активируется ионами Сl-; профермент пепсиноген, выделяющийся стенками желудка и расщепляющий белок в желудке, превращается в активный пепсин в присутствии ионов Н+; трипсиноген, способствующий более глубокому расщеплению белковых соединений в 12-перстной кишке, переходит в активный трипсин под действием активатора энтерокиназы. Ингибиторами активности ферментов являются ионы тяжелых металлов: Hg2+, Pb2+, Cu2+ и т.д., сильные кислоты, щелочи, этиловый спирт. Для протекания любой химической реакции необходимо, чтобы реагирующие молекулы пришли в контакт друг с другом. Однако не каждое столкновение молекул сопровождается их взаимодействием, так как существуют силы отталкивания - энергетический барьер. Реакция протекает только в том случае, если молекулы обладают достаточным запасом кинетической энергии. Избыток ее сверх среднего значения при данной температуре, позволяющий молекулам взаимодействовать друг с другом, называется энергией активации. В случае ферментативных реакций энергетический барьер снижается благодаря образованию фермент-субстратного комплекса, который уменьшает количество энергии активации, необходимой для осуществления данной реакции.

Снижение энергии при ферментативном катализе имеет определенную связь с многостадийностью этих реакций. Они протекают не в один этап, а ступенчато, через несколько промежуточных реакций. Простейшая схема ферментативной реакции выглядит так:

E + S ES → EP → Е + А + В, где

Е – фермент, S - субстрат (преобразуемое вещество), ES - фермент-субстратный комплекс,

EP –фермент –продукт, А, В - конечные продукты реакции.

Классификация ферментов

Официальная классификация ферментов была принята в 1961 г. В соответствии с этой классификацией название фермента должно отра­жать тип катализируемой реакции.

Все ферменты подразделяют на 6 групп:

1. Оксидоредуктазы - катализируют реакции окисления и восс­тановления. Большая часть оксидоредуктаз имеет коферменты.

Оксидазы - ферменты, использующие для окисления субстрата молекулярный кислород.

Гидроксилазы - ферменты, преобразующие в присутствии О2

-СН3 → -СН2-ОН

-СН2- → -СН-ОН

| |

Дегидрогеназы - катализируют отщепление водорода от окисляе­мых субстратов.

2. Трансферазы - отрывают химическую группу от одного соеди­нения, связывают ее, а затем присоединяют к другому соединению:

Трансаминазы - переносят аминогруппу с АК на кетокислоты.

Фосфокиназы (или просто киназы) - переносят остаток фосфорной кислоты на АДФ или от АТФ на субстрат.

3. Гидролазы - катализируют разрыв химической связи с присо­единением молекулы воды.

Эстеразы - гидролизуют сложные эфиры с образованием кислоты и спирта.

Липазы - гидролизуют глицериды на глицерин и жирные кислоты.

Гликозидазы - гидролизуют гликозиды на сахарид и спирт.

4. Лиазы - катализируют разрыв связей С-С, C-N, C-O, C-S.

Декарбоксилазы - катализируют реакции декарбоксилирования:

R-CO-COOH → R-CHO + CO2.

Альдолазы - катализируют разрыв гексозофосфатов на 2 молеку­лы триозофосфатов.

5. Изомеразы - катаризируют различные процессы изомеризации.

Эпимеразы - вызывают взаимные переходы сахаров, например, галактоза ↔ глюкоза.

Мутазы - катализируют перенос химических групп с одной части молекулы на другую, например глюкозо-6-фосфатмутаза катализирует превращение глюкозо-6 фосфата в глюкозо-1 фосфат.

6. Лигазы - катализируют процессы конденсации двух сочетаю­щихся молекул за счет энергии распада АТФ:

Аминоацил-тРНК-синтетазы - присоединяют АК к молекуле транс­портной РНК. Это первый этап синтеза белка.

6. Общая характеристика обмена веществ и энергии (три этапа энергетического обмена).

обмен веществ- постоянно протекающий, саморегулирующийся процесс обновления живых организмов. Благодаря обмену веществ создается то единство, которое существует между организмами и окружающей средой.

Обмен веществ (или метаболизм) состоит из двух процессов: ассимиляции (или анаболизма) - синтеза характерных для организма соединений и диссимиляции (или катаболизма) - распада веществ и выведения продуктов этого распада из организма. Совокупность процессов ассимиляции (синтеза) и диссимиляции (распада) составляет основу жизни. Химические реакции, составляющие эти процессы, взаимосвязаны и протекают в определённой последовательности. Различают общий (внешний) обмен веществ, учитывающий поступления в организм веществ и их выделение, и промежуточный(внутренний) обмен веществ, который охватывает превращения этих веществ в организме.

Этапы энергетического обмена.

Большинство живых существ, обитающих на Земле, относятся к аэробам, т. е. используют в процессах обмена веществ кислород из окружающей среды. У аэробов энергетический обмен происходит в три этапа: подготовительный, бескислородный и кислородный. В результате этого органические вещества распадаются до простейших неорганических соединений. У организмов, обитающих в бескислородной среде и не нуждающихся в кислороде, — анаэробов, а также у аэробов при недостатке кислорода ассимиляция происходит в два этапа: подготовительный и бескислородный. В двухэтапном варианте энергетического обмена энергии запасается гораздо меньше, чем в трехэтапном.

Три этапа энергетического обмена. Первый этап называется подготовительным и заключается в распаде крупных органических молекул до более простых: полисахаридов — до моносахаридов, липидов — до глицерина и жирных кислот, белков — до аминокислот. Внутри клетки распад органических веществ происходит в лизосомах под действием целого ряда ферментов. В ходе этих реакций энергии выделяется мало, при этом она не запасается в виде АТФ, а рассеивается в виде тепла. Образующиеся в ходе подготовительного этапа соединения (моносахариды, жирные кислоты, аминокислоты и др.) могут использоваться клеткой в реакциях пластического обмена, а также для дальнейшего расщепления с целью получения энергии.

Второй этап энергетического обмена, называемый бескислородным, заключается в ферментативном расщеплении органических веществ, которые были получены в ходе подготовительного этапа. Кислород в реакциях этого этапа не участвует.

Так как наиболее доступным источником энергии в клетке является продукт распада полисахаридов — глюкоза, то второй этап мы рассмотрим на примере именно ее бескислородного расщепления — гликолиза.

Цикл Кребса.

Химизм цикла Кребса заключается в следующем. Ацетил ~ КоА соединяется со щавелево-уксусной кислотой, превращаясь в лимонную кислоту. Затем следует ряд ферментативных реакций, в которых лимонная кислота последовательно превращается в другие органические кислоты (изолимонную, a-кетоглутаровую, янтарную, яблочную). Яблочная кислота затем превращается в щавелево-уксусную. Таким образом, щавелево-уксусная кислота проводит Ацетил ~ КоА через ряд химических реакций, превращая его в СО2, Н2О и 12 АТФ, а сама при этом остается без изменений. Молекулы АТФ образуются в цикле Кребса в четырех реакциях окислительного фосфорилирования (три - с участием НАД и одна - с участием ФАД-дегидрогеназ), что приводит к образованию 11 молекул АТФ, и одной реакции субстратного фосфорилирования, что приводит к синтезу одной молекулы АТФ. Цикл Кребса работает в митохондриях клеток в аэробных условиях. В цикле Кребса выделяется 23 энергии, запасенной в молекулах питательных веществ, большая часть этой энергии запасается организмом.