Розділ 4. Ферменти

4.1. Загальне поняття про ферменти

Наука про харчування ґрунтується на точному знанні поетапного розщеплення поживних речовин під впливом ферментів травної системи, на кількісний і якісний склад яких впливає характер нутрієнтів, що надходять. Багато спадкоємних захворювань людини зв'язані з порушенням або відсутністю синтезу специфічних ферментів; уведення їх у комплекс лікувальних засобів компенсує їх нестачу.

В основі всіх процесів життєдіяльності організму лежать тисячі хімічних реакцій, що каталізуються особливими білками - ферментами (ензимами). Назва "фермент" відбулася від латинського слова "fermentum" (закваска); другий термін "ензим" - від грецького en - усередині, zyme - дріжджі. Саме з процесів бродіння починається наука про ферменти.

Завдяки ферментам у живих організмах відбуваються такі дивні перетворення, які в інших умовах не завжди можливі навіть при використанні найсучасніших досягнень науки і техніки. Так, наприклад, для розщеплення молекул пероксиду водню на молекулярний оксиген і воду в присутності заліза потрібно 300 років, у той час як фермент каталаза здійснює цей процес у живій клітці за 1 секунду.

Ферменти обумовлюють прискорення процесів життєдіяльності. Однак при цьому не порушуються загальні закони природи, тому що прискорюються лише ті процеси, що термодинамічно можливі, але протікають повільно. Спрямованість хімічних процесів забезпечується за рахунок упорядкованого розподілу ферментів у клітці, причому одні з них "прив'язані" до визначених структур, інші утримуються в цитоплазмі і мігрують до різних ділянок клітки, підкоряючись регуляторним впливам. Тому в клітках одночасно відбувається безліч різноманітних реакцій у різних, у тому числі і протилежних, напрямках. Цей факт послужив приводом для видатного угорського вченого А. Сент-Дьерді сказав: "Біологія - це наука про неймовірне".

За своєю дією біологічні каталізатори - ферменти - відрізняються від каталізаторів неживої природи. Будучи білками, вони мають складну структуру, тоді як багато неорганічних каталізаторів - низькомолекулярні речовини.

Ферменти характеризуються дуже високою активністю. Ферментативна реакція протікає в 10⁶-10¹² разів швидше, ніж спонтанна реакція у водному розчині, яка не каталізується. У живих організмах у присутності ферментів за частки секунд можуть здійснюватися складні упорядковані в часі і просторі реакції, для проведення яких у лабораторних умовах потрібні були б дні, тижні і навіть місяці. Так, 1 г пепсину, ферменту шлункового соку, який каталізує переварювання білків, за 1 годину може гідролізувати 100 кг яєчного білка.

Реакції, що каталізуються ферментами, на відміну від багатьох хімічних реакцій органічних речовин, здійснюваних у лабораторних умовах, йдуть без утворення побічних продуктів, майже з 100-процентним виходом.

Усі ферменти виявляють свою активність у відносно м'яких умовах: при помірній температурі (25-40°С), нормальному тиску, при невисокій концентрації водневих іонів, тобто в умовах, коли хімічні речовини, що входять до складу організму, перетворюються без каталізатора дуже повільно. Як указував шведський хімік Й. Я. Берцеліус, для гідролізу крохмалю до глюкози поза організмом необхідно нагрівати цей полісахарид у розчині кислоти протягом декількох годин, а при участі відповідного ферменту цей процес відбувається при кімнатній температурі і триває усього кілька хвилин.

Наступною істотною відмінністю ферментів від каталізаторів неживої природи є їхня специфічність стосовно типу реакції і до речовин, процес зміни в яких прискорюється даним ензимом.

Ферменти в клітині точно локалізовані. Строга відповідність біохімічних процесів органоїдам клітки обумовлює локалізацію в них тих або інших індивідуальних ферментів, мультиферментних комплексів - поліферментних блоків. Наприклад, у мітохондріях зосереджені комплекси окиснювально-відновних ферментів, у рибосомах - ферменти, що беруть участь у біосинтезі білка, у лізосомах - гідролази, у протоплазмі - ферменти, що активують амінокислоти, у ядерному апараті клітини - в основному ферменти, що здійснюють біосинтез нуклеїнових кислот. Завдяки такій локалізації ферментних систем процес каталізу являє собою серію послідовних елементарних перетворень речовин, найсуворішим образом скоординованих і організованих у просторі і часі. Внаслідок цього окремі цикли охоплюють широке коло реакцій перетворень речовин в організмі (окиснювання і відновлення, ізомеризації, гідролізу й ін.), забезпечуючи тим самим життєдіяльність клітин, тканин, органів і організму в цілому.

У живій клітині може локалізовані ферменти різноспрямованої дії: одні розщеплюють складні органічні речовини на більш прості з виділенням хімічної енергії, інші - при витраті енергії - до біосинтезу біополімерів. Ферменти, які каталізують ці реакції, організовані у ферментні системи (мультиферментні системи), що викликають реакції, які послідовно йдуть одна за одною (від 2 до 20 і більш).

Обмінні реакції, що протікають у клітині під дією ферментів, строго регламентовані: синтезується лише та кількість різних видів простих молекул, яка необхідна для біосинтезу білків, нуклеїнових кислот, ліпідів, полісахаридів і т.п. Така саморегуляція забезпечує певний стаціонарний стан живих структур навіть у випадках значних змін зовнішнього середовища.

Завдяки ферментним системам клітина здатна сама себе підтримувати в постійній динамічній рівновазі і налаштовуватися на роботу в режимі максимальної економії компонентів. Процеси, що протікають у живих організмах, набагато перевершують можливості сучасних хімічних технологій.

В даний час ферментологія, що стала однією з основних галузей біохімії, досягла вагомих результатів. Було відкрито близько 2000 ферментів, з яких 200 отримані в кристалічному виді.