На молекулярном уровне жизнь представляет собой совокупность самых разнообразных химических реакций, происходящих в организмах (а порой и за их пределами). Большинство из таких реакций обеспечивают преобразование только одинаковых молекул, то есть степень их избирательности является высокой. Кроме того, скорость биохимических реакций в организмах в миллионы раз выше, чем они происходили бы в неживой природе при нормальных условиях. Такие особенности функционирования живого обеспечивают специализированные белки, которые называются ферментами.
Функционирование ферментов
Ферменты являются биологическими катализаторами, т.е. веществами, которые значительно ускоряют скорость реакций, не расходуясь в них. То есть ферменты взаимодействуют с соединениями, которые являются субстратом реакции, меняют их структуру, превращая в продукт реакции, но сами при этом не меняют своего химического состава. Названия ферментов, как правило, формируются из названий их субстратов с добавлением окончания -аза. Например, фермент лактаза расщепляет молочный сахар лактозу на моносахариды глюкозу и галактозу. Некоторые ферменты имеют традиционные названия (без окончания -аза), например, пепсин и трипсин, обеспечивающих процессы пищеварения человека (вспомните, процесс расщепления каких веществ они катализируют?).
При связывании фермента с субстратами образуется временное соединение, фермент-субстратный комплекс, который распадается с образованием фермента и продуктов реакции. Энергетически этот процесс является более выгодным, чем превращение субстрата в продукт без участия фермента. Без него реакция может потребовать высоких температур, давления, высокой кислотности среды и т.д., то есть не может эффективно происходить в живых клетках.
Функционирование фермента определяется пространственной структурой его молекулы. Благодаря способности белков приобретать формы третичных и четвертичных структур, ферменты катализируют большое количество реакций — международная база данных ферментов насчитывает около 7000 названий и постоянно пополняется. Важнейшей для функционирования фермента часть молекулы, это та, которая непосредственно связывает субстрат и обеспечивает его преобразования. Это активный центр фермента.
Функционирование некоторых ферментов зависит от наличия дополнительных веществ небелковой природы. Соединения, необходимые для работы ферментов, называются коферментами. Ими могут быть, например, производные витаминов. Для функционирования некоторых ферментов необходимо наличие ионов металлов (цинка, меди, кобальта и т.д.).
Факторы, влияющие на активность ферментов
С повышением температуры на 10°С ферментативная активность возрастает примерно в 2-3 раза. Однако, как и все белки, ферменты могут денатурировать, теряя присущую им естественную структуру. Это приводит к потере каталитической активности. В организме человека белки начинают денатурировать при температуре 40°С, в других организмов белки остаются устойчивыми в большей интервале температур. Например, некоторые бактерии живут в водоемах, температура в которых выше 80°С.
Другим путем регуляции работы ферментов является присоединение к ним определенных соединений, например остатка ортофосфорной кислоты. Такая реакция называется фосфорилированием. В результате нее неактивный фермент становится активным и начинает выполнять свою функцию. Фосфорилирования может вызвать и обратный эффект — измененный белок переходит из активного состояния в неактивное. Такие изменения могут происходить внутри клеток вследствие воздействия на них различных раздражителей — гормонов, медиаторов и тому подобное. Это один из способов регуляции функционирования клеток. Некоторые вещества могут блокировать активный центр фермента — это приводит к нарушению его функционирования.
Уровень активности ферментов может определяться также концентрацией продуктов реакции. Как правило, они тормозят работу фермента: при накоплении продуктов реакции скорость реакции снижается, а следовательно, образование этих веществ прекращается. Таким образом регулируется избыточное накопление создаваемых соединений.
Ферменты и заболевания
Ферменты обеспечивают большинство функций в организме — считывание наследственной информации, процессы получения энергии, синтез необходимых для роста и развития веществ, расщепление промежуточных продуктов обмена веществ. Например, фермент каталаза обеспечивает расщепление до воды и кислорода ядовитого для организма вещества — пероксида водорода, образующегося в клетках как промежуточный продукт окисления. Исследовать влияние фермента каталазы растительных клеток на пероксид водорода можно, выполнив лабораторное исследование.
ЛАБОРАТОРНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ФЕРМЕНТОВ
Цель: исследовать влияние фермента каталазы растительных клеток на водород пероксид. Оборудование и материалы: микроскоп, наборы для приготовления микропрепаратов, пробирки, элодея, сырая и вареная картошка, раствор водород пероксида, дистиллированная вода.
- Приготовьте микропрепарат выдержанного на свете (8-10 ч) листа элодеи и рассмотрите его с помощью микроскопа.
- На один край предметного стекла нанесите каплю раствора пероксида водорода. Оттяните нанесенный раствор на другой край фильтровальной бумагой. Наблюдайте за помощью микроскопа происходящее явление.
- В одну пробирку положите кусочек сырого картофеля, а во вторую — вареной. В каждую пробирку добавьте по 6 — 7 капель пероксида водорода и наблюдайте за изменениями, которые происходят.
- В заключении объясните: а) явление, которое вы наблюдали с помощью микроскопа; б) свойство ферментов, которую доказывает второй опыт.
В случае, если тот или иной фермент не функционирует, контролируемая им реакция не происходит, что приводит к заболеванию. Например, если в организме человека не хватает фермента лактозы, то не будет расщепляться молочный сахар. Поскольку лактоза не может всасываться непосредственно из кишечника в кровь, она будет оставаться в полости пищеварительного тракта, где ее будут использовать бактерии. Образующиеся при этом продукты обмена веществ (углекислый газ, молочная кислота) могут негативно влиять на функционирование кишечника, проявляться как симптомы неприятия лактозы (тошнота, вздутие, боль, понос и т.д.). Много таких заболеваний являются врожденными, то есть обусловленные мутациями генов, кодирующих структуру соответствующих ферментов.
Ферментативные реакции часто действуют как последовательные каскады, когда продукт предыдущей реакции становится субстратом следующей. Поэтому для синтеза или расщепления определенных соединений нужна слаженная последовательная работа нескольких (часто десятков) ферментов. Такие сложные цепочки реакций обеспечивают процессы получения клеткой энергии, фотосинтеза и др. Если хотя бы один из ферментов каскада не функционирует, то развиваются заболевания. Нарушение функционирования многих ферментов возникает также вследствие недостатка в рационе витаминов, незаменимых аминокислот, жирных кислот, макро- и микроэлементов.
Витамины в основном не образуются в организме, поэтому при их отсутствии в пищевых продуктах нарушается функционирование ферментов, обмен веществ и развиваются тяжелые заболевания. Такими заболеваниями человека, являются, например: рахит, цинга, куриная слепота и т.д. (вспомните, недостаток каких витаминов вызывает указанные заболевания, и какие нарушения при этом возникают). К подавлению активности отдельных ферментов могут приводить также природные компоненты пищевых продуктов или чужеродные вещества, содержащиеся в них (например, пестициды). Поэтому залогом предотвращения заболеваний, возникающих вследствие нарушения функционирования ферментов в организме, является соблюдение условий выращивания растений, правил хранения витаминов в продуктах и сбалансированное питание.