Роль ферментів у забезпеченні метаболізму клітин та цілісного організму.

Тема уроку: Роль ферментів у забезпеченні метаболізму клітин та цілісного організму.

Мета: Визначити що таке ферменти, їх роль та класифікація.

Зміст

Ферменти – це біологічні каталізатори білкової природи. Діючи у строго визначеній послідовності, вони значно підвищують швидкість хімічних реакцій, які відбуваються в живих організмах, без утворення побічних продуктів. За допомогою ферментів забезпечується гармонійна рівновага між різними метаболічними процесами, необхідними для підтримки життєдіяльності окремих клітин та організму в цілому. Свою назву ферменти отримали від латинського слова fermentum – закваска.

Використання ферментів перетворилося у найважливіший промисловий принцип удосконалення харчових технологій. В наш час більшість галузей харчової промисловості – хлібопекарська, виноробство, пивоваріння, виробництво спирту, сиру, органічних кислот, чаю, амінокислот, вітамінів, антибіотиків – засновані на використанні різноманітних ферментативних процесів. Крім цього, препарати ферментів знаходять широке використання в медицині та сільському господарстві.

На сьогодні відомо та вивчено майже 2000 різних ферментів.

В харчових продуктах міститься велика кількість ферментів, які здійснюють суттєвий вплив на їх якість та зберігання. Ферменти, що містяться в їжі, можуть бути представлені такими видами: природними ферментами тваринних та рослинних клітин; ферментними препаратами, які використовуються при виробництві харчових продуктів; ферментами, які накопичуються у готовій їжі в результаті попадання в неї мікроорганізмів в процесі їх життєдіяльності.

Як же діють ферменти? Вони прискорюють хімічніреакції, знаходячи

«обхідні шляхи», що дозволяє молекулам долати активаційний бар’єр на більш низькому енергетичному рівні. Ферментативна реакція складається з двох стадій: на першій стадії відбувається утворення фермент-субстратного комплексу_? перехідному стану якого відповідає значно нижча енергія активації; на другій стадії цей комплекс розпадається на продукти реакції та вільний фермент, який може взаємодіяти з новою молекулою субстрату. Це можна зобразити схемою:

E + S ↔ ES →P + E

де Е – фермент, S– субстрат, ES – фермент-субстратний комплекс,

P - продукти реакції.

Загальними особливостями усіх ферментів є:

• наявність активних (каталітичних) центрів — ділянок, до яких приєднуються молекули субстрату. Ці ділянки у простих ферментах утворюють амінокислоти, а у складних — небілкові частини-кофактори (вітаміни, йони Купруму, Феруму, Магнію);

• наявність регуляторних центрів, до яких можуть приєднуватися різні молекули і спричиняти збільшення або зменшення каталітичної активності. Через ці центри на активність ферментів впливають такі регуляторні чинники, як продукти реакцій, гормони, нейромедіатори тощо. Регуляторні чинники, які підвищують активність ферментів називають активаторами (йони кислот, жовчні кислоти для ліпаз), а ті, що зменшують — інгібіторами (катіони важких металів);

• специфічність, що визначається здебільшого комплементарною відповідністю між ділянкою ферменту і молекулою субстрату;

• залежність активності від певних умов (рН, температури, тиску, концентрації субстрату та ферментів);

• невитратність — прискорюють реакції, але самі при цьому не витрачаються та ін.

Класифікація ферментів.

Ферменти, які за своєю природою є білками з третинною та четвертинною структурами, мають ряд особливостей, які відрізняють їх від неорганічних каталізаторів.

За місцем утворення ферменти поділяють на ендо- та екзоферменти. Переважна більшість ферментів діють всередині клітин або організму, де вони утворилися, тобто є ендоферментами. Вони беруть участь у внутрішньоклітинних процесах обміну речовин — каталізують реакції біосинтезу та енергетичного обміну, зберігають активність і після смерті клітини.

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

Екзоферменти виділяються живою клітиною у зовнішнє середовище. Паразитичні бактерії та гриби-паразити використовують екзоферменти, як чинники, що послаблюють організм хазяїна, руйнують його захисні системи, розщеплюють макромолекули. Травні ферменти хижих тварин (павуки, змії, личинки жуків-плавунців) секретуються для зовнішнього травлення, захисту від хижаків.

За хімічною будовою розрізняють однокомпонентні ферменти – прості білки, які при гідролізі утворюють лише амінокислоти, та двокомпонентні – складні білки, в яких як небілкові компоненти виступають нуклеотиди, вітаміни, метали тощо.

Сучасна міжнародна класифікація поділяє усі ферменти на 6 основних класів:

1. Оксиредуктази – ферменти, які каталізують окисно-відновні реакції (приєднання кисню, відщеплення та перенесення водню, перенос електронів). До них відносять дегідрогенази, оксигенази, електронази, цитохроми.

2. Трансферази – ферменти переносу. Вони каталізують перенесення цілих груп атомів від однієї сполуки на іншу, наприклад, залишків моносахаридів амінокислот, залишків фосфорної кислоти, метальних та аміногруп. До них відносяться фосфотрансферази, ацетилтрансферази та ін.

3. Гідролази – ферменти, які каталізують реакції розщеплення складних органічних сполук у присутності води. До цієї групи ферментів належатьестерази, глікозидази, протеази.

4. Ліази – ферменти, які каталізують реакції відщеплення від субстратів певних груп з утворенням подвійних зв’язків або приєднанням окремих груп за подвійними зв’язками (наприклад, карбоксилаза).

5. Ізомерази – ферменти, які каталізують реакції ізомеризації, тобто внутрімолекулярного перенесення груп з утворенням ізомерних форм різних органічних сполук. Прикладом ізомерази є фосфогексаізомераза.

6. Лігази (синтетази) – каталізують синтез складних органічних сполук з простих.

За біологічним значенням ферменти поділяють на метаболічні, травні та захисні.

Метаболічні ферменти — група ферментів, які каталізують анаболічні та катаболічні реакції у клітинах.

Метаболічні ферменти можуть міститися:

в гіалоплазмі — ферменти бродіння;

в ядрі — РНК-полімераза, ДНК-полімераза;

в мітохондріях — дегідрогенази та цитохроми дихального ланцюга;

на рибосомах — синтетази білків;

у хлоропластах — рибулозобіфосфаткарбоксилаза, або РуБісКо — фермент фіксації вуглекислого газу тощо.

У клітинах метаболічні перетворення субстратів здійснюються послідовно декількома ферментами. Кожний з цих ферментів каталізує певну ділянку загального метаболічного шляху. Сукупність ферментів, які каталізують перетворення субстрату через ланцюг послідовних реакцій, називається мультиферментним комплексом (мультиферментною системою). Метаболічні ферменти беруть участь у процесах дихання, росту, подразливості, скорочення м'язів тощо.

Травні ферменти — група ферментів, що розщеплює складні органічні сполуки та їх комплекси до простіших.

Ці ферменти в живій природі спостерігаються в лізосомах твариноподібних організмів, секреторних міхурцях грибів, травних секретах комахоїдних рослин, травній системі тварин. Травні ферменти належать до групи гідролаз, що каталізують реакції гідролізу.

Так, у травному тракті хребетних тварин і людини наявні:

протеази — ферменти, які каталізують розщеплення білків;

ліпази — ферменти розщеплення ліпідів;

амілази — ферменти рощеплення вуглеводів;

нуклеази — розщеплюють нуклеїнові кислоти до нуклеотидів.

Серед ферментів є і такі, які захищають від токсичних речовин (наприклад, антиоксидантні ферменти пероксидаза, каталаза та супероксиддисмутаза), від втрат крові (наприклад, ферменти зсідання крові — тромбін, фібрин).

Основним захисним ферментом багатьох організмів є лізоцим, який міститься в лейкоцитах, яєчному білку, шкірі, слизових оболонках і рідинах організму (слини, слізної рідини). Лізоцим розщеплює речовини, що є основою клітинної оболонки бактерій і захищає слизові оболонки ока, порожнини рота, кишечнику від інфекцій.

Досягнення молекулярної біології, біохімії та ензимології призвели до того, що в наш час структура та функції великої кількості ферментів досить детально вивчені, і це дозволило створити теоретичну базу для виробництва ферментів продовженої дії, або так званих іммобілізованих ферментів – фіксованих чи зв’язаних ферментних препаратів, Іммобілізація часто призводить до різких змін в позитивному напрямку основних параметрів ферментативної реакції: максимальної швидкості, оптимуму рН та температури, а також відношення до інгібіторів.

Ферменти або ензими - це лікарські засоби, що усувають ферментну недостатність підшлункової залози і покращують процеси травлення і обміну речовин в організмі. Це завжди Поліферментні препарати, які мають в складі основні ензими панкреатичного соку:

1. Ліполітичні ферменти (ліпаза) - перетравлюють жири (ліпіди) з формуванням жирних кислот і гліцерину. Активність проявляється в тонкій кишці.

2. Амілолітичні ферменти (амілаза) - розщеплюють складні вуглеводи (крохмаль, глікоген) до простих цукрів. Функціонують в 12-палій і тонкій кишці.

Протеолітичні ферменти (протеаза) - розщеплюють білки (протеїни) до амінокислот. Виявляють дію в шлунку і кишечнику

Заповнити таблицю.

Класифікація ферментів