Роль ферментів у забезпеченні процесів метаболізму клітини та цілісного організму.

Опрацюйте теорію та перегляньте відео

Ферменти (або ензими) — високоспецифічні білкові молекули, або РНК-молекули, які є біологічними каталізаторами процесів обміну речовин і перетворення енергії у клітинах та організмі.

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.

Здатність ферментів впливати на швидкість біоїімічних реакцій є вирішальною умовою для процесі обміну речовин і перетворення енергії у клітинах та організмах.

У сучасній ензимології відомо понад 3000 ферментів, які класифікують за різними критеріями.

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.

Класифікація ферментів за хімічним складом включає прості та складні ферменти:

• прості ферменти (однокомпонентні) містять лише білкову частину. Більшість ферментів цієї групи можуть кристалізуватися. Прикладами простих ферментів є рибонуклеаза, гідролази, уреаза тощо.

• Складні ферменти (двокомпонентні) складаються з білкового (апоферменту) та небілкового (кофактора) компонентів. Білковий компонент визначає специфічність ферментів, синтезується, як правило, організмом та є чутливим до зміни температури. Небілковий компонент визначає активність складних ферментів і, як правило, надходить в організм у вигляді попередників або у готовому вигляді та зберігає стабільність за несприятливих умов. Кофактори можуть бути як неорганічними молекулами (наприклад, йони металічних елементів), так і органічними (наприклад, флавін). Прикладами складних ферментів є оксидоредуктази (наприклад, каталаза), лігази (наприклад, ДНК-полімераза, тРНК-синтетази), ліази та ін.

Існує класифікація ферментів і за типом реакцій, згідно з якою їх поділяють на 6 класів:

• оксидоредуктази — каталізують окисно-відновні реакції (алкогольдегідрогеназа, пероксидаза);

• трансферази — каталізують перенесення функціональної групи атомів з одного субстрату на інший (амінотрансфераза, глікозилтрансфераза);

• гідролази — каталізують реакції гідролізу, тобто розщеплення складних органічних сполук на простіші за участю води (пептидаза, амідаза, естераза, трипсин);

• ліази — каталізують реакції неокисного і негідролітичного розриву хімічних зв'язків (декарбоксилаза, дегідратаза, аденілатциклаза);

• ізомерази — каталізують реакції внутрішньомолекулярної перебудови: наприклад, перетворення ізомерів (рацемаза, цис-транс-ізомераза);

• лігази — каталізують реакції сполучення двох молекул з утворенням нового зв'язку: зазвичай з використанням енергії АТФ (ДНК-лігаза, аміноацил-тРНК-синтетаза).

Ферменти класифікують за місцем утворення, хімічним складом і типом каталітичних реакцій.

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.

Роль ферментів полягає в забезпеченні метаболізму клітин, перетравлюванні складних речовин до простіших і забезпеченні захисту від несприятливих чинників.

Дайте відповіді на запитання

1. Що таке ферменти?Наведіть приклади ферментів.

2. Що таке прості й складні ферменти?

3. Як класифікують ферменти за біологічним значенням?

4. Що таке метаболічні ферменти?

5. Що таке травні ферменти?

Заповніть таблицю, в якій подано інформацію щодо речовин, що розщеплюються ферментами підшлункової залози

Виконайте інтерактивні вправи