Тема 2.1 травлення

Питання для самостійного вивчення:

• Ферменти, що впливають на розщеплення поживних речовин.

• Вплив алкоголю та наркотичних речовин на процес травлення.

Література: Л.5

Методичні рекомендації

Класифікація та характеристика ферментів, що впливають на розщеплення поживних речовин. Форми впливу алкоголю та наркотичних речовин на процес травлення.

Вивчивши дане питання студенти повинні знати:

• Класифікацію ферментів.

• Характеристику основних груп ферментів, що впливають на розщеплення поживних речовин.

• Як впливає алкоголь на процес травлення.

• Як впливають наркотичні речовини на процес травлення.

Вивчивши дане питання студенти повинні вміти:

• Класифікувати ферменти;

• Характеризувати основні групи ферментів;

• Характеризувати вплив алкоголю на процес травлення;

• Характеризувати вплив наркотичних речовин на процес травлення.

Питання для самоконтролю:

1. За якими ознаками класифікують ферменти?

2. Яка хімічна природа ферментів?

3. На які групи класифікують ферменти?

4. Як впливає алкоголь на процес травлення?

5. Як впливають наркотичні речовини на процес травлення?

Завдання для самостійної роботи

- Розробити конспект за планом:

1. Класифікація ферментів.

2. Характеристика основних груп ферментів, що впливають на розщеплення поживних речовин.

3. Вплив алкоголю на процес травлення.

4. Вплив наркотичних речовин на процес травлення.

• Підготувати реферат на тему:

„Вплив алкоголю та наркотичних речовин на процес травлення”

Форми контролю самостійної роботи:

• Поточний контроль:

Перевірка конспектів по матеріалу теми.

• Підсумковий контроль:

Опитування на семінарському занятті.

Заслуховування рефератів на семінарському занятті.

Питання теми контролюється на екзамені з дисципліни.

Лекційний матеріал

ФЕРМЕНТИ - БІОЛОГІЧНІ КАТАЛІЗАТОРИ

У клітинах живих організмів відбуваються сотні хімічних реакцій, які приводять до перетворення органічних сполук. Хімічні реакції в біологіч­них системах перебігають за наявності каталізаторів, роль яких викону­ють специфічні білки - ферменти.

Ферменти (ензими) - біологічні каталізатори - це високоспецифічні біл­ки, що синтезуються в живих клітинах і можуть значно прискорювати різні хімічні реакції без помітного використання них самих.

Біологічні каталізатори - ферменти - відрізняються від каталізаторів, які використовуються в хімії, певними властивостями. Ферменти надзвичайно сильні каталізатори: ферментативна реакція перебігає в 10⁶-10¹² разів шви­дше, ніж спонтанна реакція без каталізатора у водному розчині. У живих ор­ганізмах за наявності ферментів протягом секунд, а іноді навіть часток секу­нди відбуваються складні послідовні реакції, для проведення яких у хімічній лабораторії необхідні дні, тижні, а іноді й місяці.

Реакції, які каталізуються ферментами, на відміну від хімічних реакцій ор­ганічних речовин в лабораторних умовах перебігають без утворення додат­кових продуктів реакції майже із 100 %-ним виходом.

Усі ферменти діють за відносно м'яких умов: незначної температури (25-40 °С), нормального тиску, фізіологічної концентрації водневих іонів (рН 7,0-7,5). Разом з тим хіміки-органіки для досягнення тієї самої мети обробляють препарат сильною кислотою або сильним лугом_; витримують в умовах високого тиску або температури.

Ферменти мають високу специфічність щодо субстратів і реакції, яку вони каталізують. Завдяки цьому, в живій клітині може водночас відбуватися бага­то різних хімічних реакцій, одні з яких призводять до розщеплення складних органічних речовин на простіші з вивільненням хімічної енергії, інші - до біо­синтезу біополімерів з використанням енергії.

Хімічні реакції у клітинах, які каталізуються ферментами, організовані у ферментні системи, що складаються з кількох ферментів (від 2 до 20 і біль­ше). Вони каталізують реакції, що перебігають одна за одною. Багато фер­ментних систем пов'язано з клітинними структурами, наприклад, ферменти біологічного окиснення функціонують у мітохондріях.

Метаболічні реакції, які каталізуються ферментами, чітко регулюють­ся: утворюється стільки різних видів простих молекул, скільки їх необхід­но для біосинтезу ліпідів, полісахаридів, нуклеїнових кислот або білків.

Біологічні системи регулюють синтез власних каталізаторів-ферментів. За рахунок саморегуляції живі клітини підтримують певний стаціонарний стан навіть у разі значних змін зовнішнього середовища та у відповідь на них дещо трансформують ферментний апарат.

Завдяки ферментному апарату, клітина здатна сама себе підтримува­ти у стаціонарному динамічному стані, далекому від рівноваги з навколи­шнім середовищем; вона працює в режимі максимальної економії компо­нентів і процесів. Таким чином, існування життя зумовлено наявністю білків з ферментати­вними функціями, а конкретний характер обміну кожної клітини - набором ферментів. Будь-які зміни умов існування організму мають приводити до змін ферментативного апарату клітини. Активний транспорт речовин через клі­тинні мембрани є також ферментативним процесом.

Ферменти забезпечують одну з основних властивостей біологічних процесів - ступінчастість. Завдяки цьому, обмін речовин регулюється на рівні проміжних продуктів реакцій, енергія вивільняється невеликими порціями й легше протікає синтез біополімерів.

Протягом останніх десятиліть за допомогою високоочищених фермент­них препаратів, які розщеплюють лише певні зв'язки, було розшифровано будову деяких білків і нуклеїнових кислот. Високоочищені препарати ферме­нтів є важливим засобом розшифровки будови біополімерів. Завдяки значній каталітичній силі та високій специфічності, ферменти привертають увагу хі­міків, які досліджують ферментативний каталіз з метою створення нових, високоефективних каталізаторів для промисловості.

Ферменти мають велике практичне значення: використання різних фер­ментативних процесів лежить в основі багатьох виробництв у харчовій та хімічній промисловості - виготовлення хліба, сирів, м'ясних та молочних продуктів, чаю, органічних кислот, амінокислот, вітамінів, антибіотиків тощо.

Дія різних фізіологічно активних сполук, які застосовуються в медичній, вете­ринарній та агрономічній практиці - лікарських речовин, стимуляторів росту рос­лин, гербіцидів, фунгіцидів та інсектицидів - полягає в тому, що ці сполуки сти­мулюють або гальмують той чи інший ферментативний процес. Тому вивчення закономірностей дії ферментів і впливу на них різних стимуляторів чи інгібіторів має першочергове значення для медицини та сільського господарства. Викорис­тання ферментів у практиці зумовило появу нової галузі промисловості - вироб­ництва ферментативних препаратів - одного з розділів біотехнології.

Важко назвати такий теоретичний або практичний розділ біологічних і медичних наук, у розробці якого не відігравали б істотну роль сучасні дані про ферменти та методи їх вивчення.

Найважливішими завданнями ферментології нині є визначення механізму дії ферментів, з'ясування питання, яким чином хімічна будова ферментів забезпечує їх високу специфічну каталітичну активність. На сьогодні відомо

майже 3000 різних ферментів, з яких понад 200 одержано у кристалічному або високоочищеному стані. Досліджується переважно порівняно невелика їх кількість, а про будову близько 90 % ферментів майже нічого невідомо.

Будова ферментів

Усі одержані кристалічні ферменти є простими або складними білками.

Ферменти - прості білки - називають однокомпонентними; в результаті їх гід­ролізу утворюються лише амінокислоти. Унаслідок численних досліджень встано­влено, що більшість гідролітичних ферментів є простими білками - протеїнами. До цих сполук, близьких за фізико-хімічними властивостями до глобулінів, належать пепсиноген і пепсин, трипсиноген і трипсин, папаїн, уреаза тощо.

Ферменти - складні білки - називають дво- або багатокомпонентними, Небілкові компоненти цих ферментів - коферменти або простетичні групи -можуть легко відокремлюватися від білка та видалятися діалізом або тісно зв'язуватися з білками та відщеплюватися лише під час дії факторів, які де­натурують білки. Увесь активний комплекс називається холоферментом, термолабільна білкова частина - апоферментом, термостабільна - кофер­ментом: холофермент <-* апофермент + кофермент.

Молекулярна маса ферментів коливається в межах від 12 • 10 до 1 - 10⁶. Верхня межа молекулярної маси ферментів може встановлюва­тися тільки умовно. Деякі ферменти існують у формі досить стабільних комплексів з дуже високими молекулярними масами. З клітин і тканин такі білки часто виділяють у гомогенному стані і навіть кристалізують. Прикладом може бути комплекс синтетази жирних кислот, який складається з семи різних фе­рментів. Цей комплекс виділено з дріжджових клітин у гомогенному стані.

Форму білкових молекул визначають, виходячи з результату матема­тичної обробки даних, одержаних під час ультрацентрифугування білко­вих розчинів (метод подвійного променезаломлення у потоці) і за даними електронної мікроскопії. Встановлено, що більшість ферментативних біл­ків має глобулярну форму. ридів. Особливістю структури ферментативних білків є невеликий ступінь спіралізації полі-пептидного ланцюга. У гемоглобіні заспіралізовано 75 % амінокислотних залишків, сироватковому альбуміні - 50, пепсині - 28, рибонуклеазі - 17, а-хімотрипсині - 8 %. Для багатьох ферментів, особливо регуля­торних, характерна четвертинна (олігомерна) структура.

завжди супроводжуються адекватною для даного ферменту зміною каталіти­чної активності, а іноді й субстратної специфічності. Ця особливість виявля­ється в регуляторних механізмах клітини, які діють на молекулярному рівні.

Результати експериментів свідчать, що всі ферменти, які виконують ре­гуляторні функції, тобто функції підтримки певної швидкості реакції, нале­жать до олігомерних білків.

Крім здатності до саморегуляції, асоційована структура характеризується ускладненням і диференціацією функції в межах однієї упорядкованої структури. Останнім часом встановлено, що деякі ферменти можуть існувати в різних молекулярних формах, утворюючи так звані родини ферментів. В одному й тому самому організмі та навіть клітині можуть знаходитися різ­ні форми одного й того самого ферменту.

Ферменти з четвертинною будовою можуть мати ізоферменти (ізоензими, Ізозими). Ізоферменти - це генетично детерміновані варіанти одного й того самого ферменту в одному й тому самому організмі, які мають близьку суб~ стратну специфічність. Вони близькі за будовою та фізико-хімічними властиво­стями, їх можна розділити лише методом диск-електрофорезу та ізоелектро-фокусування. На електрофореграмах зони активності ферменту рекомендують позначати арабськими цифрами за зменшенням анодної рухливості.

Термін "ізоферменти" визначає такі різновиди ферменту, які характери­зуються генетично зумовленою різницею первинної будови, а не форми, І які утворюються під час модифікації однієї й тієї самої первинної структури. Уза­гальнюючим терміном, який можна застосувати до всіх білків, які каталізують одну й ту саму хімічну реакцію та зустрічаються в організмах одного біологі­чного виду, є термін "множинні форми ферменту".

Ізоферменти мають однаковий механізм дії або каталізують одну й ту саму реакцію, здебільшого вони характеризуються й однаковою субстратною специфічністю, але різняться за певними фізико-хімічними власти­востями, а саме, за амінокислотним складом кінетичними параметрами (швидкість реакції, константи швидкості), імунобіологічними реакціями.

Результати досліджень свідчать, що два типи пептидних ланцюгів - М і Н, з яких складається молекула лактатдегідрогенази, кодуються двома різними генами; відносні кількості ланцюгів цих двох типів, що визначають форму ізоферменту даної тканини, перебувають під генетичним контролем.

Усі ізоферменти зазначених ферментів відрізняються один від одного співвідношенням поліпептидних ланцюгів. Це у свою чергу визначає різ­ницю їх кінетичних характеристик.

Ферменти можуть легко утворювати складні комплекси з іншими хімічни­ми сполуками, вони рухаються в електричному полі як єдине ціле, але не є ізоферментами.

Властивості ферментів

Білкова природа ферментів визначає їх властивості, що відрізняються від властивостей хімічних каталізаторів. До властивостей ферментів належать такі: залежність їх дії від концентрації водневих іонів і температури, а також субстратна та стереоспецифічність.

Вплив концентрації водневих іонів на швидкість ферме­нтативних реакцій. Зміна концентрації водневих іонів у середовищі, де від­бувається ферментативна реакція, супроводжується значною зміною її швидкості.

Кожен фермент максимально виявляє свою дію за певного значення рН, яке називається рН-оптимумом. Незначні зміни рН зменшують дію ферментів або зовсім припиняють її.

Вплив температури на швидкість ферментативних реакцій.

Залежність активності більшості ферментів від температури графічно описуєть­ся дзвоноподібною кривою, за допомогою якої можна визначити оптимальну для кожної реакції температуру (рис. 7.5), Наприклад, а-амілаза з пророслого зерна, яка розщеплює крохмаль з утворенням декстринів, має оптимум 60 °С, а а-амі­лаза з пліснявого гриба Аспрегліуз , що використовується у харчовій про­мисловості - 50-55 °С, тобто вона є чутливішою до температури. Температур­ний оптимум а-амілази з підшлункової залози становить 37--40 °С.

Температура впливає на швидкість ферментативної реакції таким чином. Перш за все вона діє на фермент, на швидкість його денатурації, потім - на швидкість розщеплення ферментсубстратного комплексу на вільний фермент і продукти реакції, тобто на значення константи Міхаеліса К_т. Має значення також вплив температури на спорідненість ферменту із субстратом. Від температури залежить теплота іонізації, тобто стан іонізації всіх компонентів реакції - ферме­нту субстрату, проміжних і кінцевих продуктів. У двокомпонентного ферменту температура впливає на утворення комплексу апофермент - кофермент. Якщо для дії ферменту необхідні активатори, температура зумовлює утворення спо­луки між ними, а коли ферментативна реакція пригнічується будь-яким інгібіто­ром, вона впливає на утворення комплексу ферменту з інгібітором.

Дію температури на спорідненість ферменту до субстрату можна змінити шляхом підвищення концентрації ферменту або кофактора.

Ферментативна реакція має не менш ніж три послідовні стадії; утворення ферментсубстратного комплексу, його перетворення на комплекс фермент -продукт та дисоціація останнього. Вплив температури на реакцію в цілому є на­слідком її дії на кожну з цих стадій. Це означає, що існує не менше 18 термоди-

намічних параметрів прямої реакції: тепловий ефект, вільна енергія та ентропія власного процесу кожної з трьох стадій. В ідеальному випадку слід виміряти абсолютні значення кожної окремої константи швидкості,

Специфічність дії ферментів. Білкова природа ферментів обумовлює одну з найважливіших властивостей ферментів - їх високу специфічність. Вона полягає в тому, що кожен фермент каталізує певну хімічну реакцію або тип хімічної реакції. На відміну від неорганічних каталізаторів чи каталізаторів з простою молекулярною будовою ферменти мають високу субстратну специфічність, тобто вони специфічні до певного субстрату або групи близьких за хімічною будовою субстратів. Субстратна специфічність значною мірою визначає координацію довгого ряду хімічних перетворень в обміні речовин. Завдяки своїй високій специфічності, ферменти обирають з ряду термодинамічне можливих хімічних реакцій лише деякі й тому не тільки прискорюють біохімічні перетворення, а й часто визначають загальний напрямок метаболічних процесів.

Класичним прикладом абсолютної специфічності є дія ферменту уреази, яка розщеплює тільки одну сполуку - сечовину і не діє на інші, зокрема, і на похідні сечовини.

Деякі ферменти можуть діяти на ряд субстратів із загальним типом будови, при цьому має значення не тільки вид зв'язку, а й будова радикалів навколо нього. Такий тип специфічності називають абсолютно груповим. Так, глюкозидази чутливі до типу зв'язку та хімічної будови одного з двох компонентів субстрату. Наприклад, фермент мальтаза, що виділений з травного тракту ссавців, гідролізує не лише мальтозу, а й інші субстрати, які мають а-глікозидний зв'язок, утворений глюкозидним гідроксилом.

Фермент може бути специфічним лише щодо типу хімічного зв'язку або діяти на субстрати в разі зміни хімічної будови обох радикалів навколо хімічного зв'язку. Такий тип специфічності має назву відносна групова специфічність. Наприклад, ліпази та естерази розщеплюють не тільки різні тріацилг-ліцероли (жири), а й діацилгліцероли, а також інші складні етери. Однак гідроліз різних субстратів відбувається з різною швидкістю. Фосфатази гідролізують різноманітні етери фосфорної кислоти; пептидази - пептид ні зв'язки в різних білках, поліпептидах та низькомолекулярних пептидах.

Різний ступінь специфічності ферментів не зменшує її значення, оскільки специфічність ферментів є значно вищою, ніж інших каталізаторів.

Особливе значення має оптична, або стереохімічна, специфічність (стереоспецифічність) ферментів. У разі наявності оптично активних ізомерів більшість ферментів виявляють спорідненість до однієї стереоізомерної форми субстрату. асиметричний атом вуглецю - в одному напрямку перебігу реакції, а щодо малату - у зворотному:

Ферменти, які активно діють на цис- і транс-форми сполук і утворюють молекули з вільним обертанням навколо відповідного зв'язку, називають цис-транс-ізомеразами.

Існують ферменти, що каталізують інверсії біля центрів асиметрії - раце-мази (якщо в молекулі один центр асиметрії) та епімерази (якщо в молекулі більше одного центру асиметрії).

Явище специфічності пояснює механізм взаємодії ферментів із субстратами, тому всяка теорія ферментативної дії має враховувати результати експериментального дослідження специфічності ферментів. Зв'язування високоспецифічних ферментів із своїми субстратами, які мають складну будову, тобто велику кількість функціональних груп, що знаходяться на певній відстані одна від одної, має відбуватися за багатьма точками. Такий множинний контакт пояснює високу стереоспецифічність ферментів, яка виявляється у властивості розрізняти навіть хімічно ідентичні групи в асиметричних молекулах

Класифікація груп ферментів

Ферменти по своєму складу діляться на однокомпонентні і двохкомпонентні. Однокомпонентні складаються тільки із білку, а двохкомпонентні – із білку в поєднанні з будь-якими речовинами.

По способу дії всередині і поза клітиною ферменти діляться на ендоферменти (ті, що діють всередині клітини) і екзоферменти (ті, що діють поза клітиною).

В більшості випадків ферменти можуть каталізувати перетворення тільки однієї певної речовини або впливати тільки на певний хімічний зв’язок в молекулі речовини. Специфічність дії ферментів покладено в основу їх назв і класифікації за характером дії. У відповідності з розробленою спеціальною комісією Міжнародного біохімічного союзу класифікації всі ферменти діляться на шість класів: перший – оксидоредуктази, або окисно-відновні ферменти, другий –трансферази, третій –гідролази, четвертий – ліази, п’ятий – ізомерази, шостий –лігази або синтетази.

Кожен із цих класів поділяються на підкласи, а підкласи –на групи і підгрупи.

Кожному ферменту у відповідності з цією класифікацією присвоюється шифр, який являє собою чотирьохзначне число. Перша цифра означає клас, друга –підклас, третя – групу або підгрупу, четверта номер самого ферменту.

Перший клас – оксидоредуктази. До цього класу відносяться ферменти каталізуючі біологічні окисно – відновні реакції, наприклад процеси дихання, бродіння і ін. Цей клас складається із 7 підкласів.

Представниками цього класу є дегідрогенази, каталізуючі відділення водню від окислювальної речовини.

Серед оксидоредуктаз в зерні міститься ліпоксидаза, каталаза, тирозиназа і ін.

Другий клас –трансферази, або ферменти переносу ці ферменти каналізують реакції, при яких хімічні групи каналізують реакції, при яких хімічні групи відщеплюються від однієї речовини і переносяться до другої, в результаті чого утворюються нові речовини. Ферменти переносу відіграють велику роль в обміні речовин в організмі, так як з їх допомогою здійснюється переніс метальних і амінних залишків, груп, які містять фосфор, сірку т.д.

Третій клас –гідролази. Доцього класу відносяться ферменти, які каналізують реакції розщеплення речовин з приєднанням води. Ферменти, які відносяться до цього класу, містятьсяв рослинах, плодах і насіннні і в організмі тварин. Деякі ферменти цього класу відіграють важливу роль в різних технологічних процесах і промисловості. Гідролази діляться на девять підкласів: гідролізуючи жири, вуглеводи і білки.

Перший підклас – естерази. Це ферменти , що діють на складно ефірні зв’язки. До естеразів відносяться ліпази, фосфатази,пек таза.

Другий підклас – полі ази. Це ферменти, які каналізують розпад вуглеводів. Наприклад, фермент сахароза гідролізує сахарозу до глюкози і фруктози. Фермент амілаза розщеплює крохмаль. Целюлоза розщеплює целюлозу до цукру целобіози. Третій підклас протеази. Каталізують реакції розщеплення білків до амінокислот

Четвертий клас –ізомерази. Ці ферменти каналізують реакції перетворення органічних речовин із одного ізомера в інший і відіграють велику роль в обміні речовин організму – в процесі дихання, бродіння і т.д.

Шостий клас –лігази або синтетази. Ці ферменти каналізують реакції синтетичного характеру – приєднання однієї молекули до іншої.