Структура и функции ферментов, а также механизм их действия почти ежегодно подробно обсуждаются на многих международных симпозиумах и конгрессах. Важное место отводится рассмотрению структуры всей молекулы фермента и ее активных центров, молекулярному механизму действия различных типов ферментов, общей теории энзиматического катализа. Тем не менее до сих пор нет полной ясности по двум кардинальным проблемам энзимологии: чем вызваны специфичность действия и высокая каталитическая эффективность ферментов?
До установления химической природы ферментов гипотезы о механизме их действия опирались на исследования кинетики и модельные опыты химического гомогенного катализа.
Повышение скорости химических реакций под действием ферментов объясняли следующим: а) активированием субстрата в результате образования адсорбционных или молекулярных, обратимо диссоциирующих фермент-субстратных комплексов; б) цепным механизмом реакций с участием радикалов или возбужденных молекул.
Оказалось, что цепные механизмы реакции не играют существенной роли в биологическом катализе. После установления химической природы ферментов подтвердилось представление, выдвинутое более 80 лет назад В. Анри, Л. Михаэлисом и М.
Ментен, о том, что при энзиматическом катализе фермент Е соединяется (в принципе обратимо) со своим субстратом S, образуя нестойкий промежуточный фермент-субстратный комплекс ES, который в конце реакции распадается с освобождением фермента и продуктов реакции Р.
Благодаря высокому сродству связывания и образованию ES-комплекса резко возрастает число молекул субстрата, вступающих в реакции. Эти представления легли в основу теории «ключа-замка» Э. Фишера, которую иногда называют теорией «жесткой матрицы». Таким образом, жесткая структура активного центра оказывается комплементарной молекулярной структуре субстрата, обеспечивая тем самым высокую специфичность фермента.
Л. Михаэлис не только постулировал образование промежуточного фермент-субстратного ES-комплекса, но и рассчитал влияние концентрации субстрата на скорость реакции.
В процессе реакции различают несколько стадий: присоединение молекулы субстрата к ферменту, преобразование первичного промежуточного соединения в один или несколько последовательных (переходных) комплексов и протекающее в одну или несколько стадий отделение конечных продуктов реакции от фермента. Это можно схематически проиллюстрировать следующими примерами:
В реакциях анаболизма, например А + В —> АВ, фермент может соединяться как с одним, так и с другим субстратом или обоими субстратами:
В реакциях катаболизма, например АВ —> А + В:
На рис. 4.7 представлена схема образования промежуточного фермент-субстратного комплекса. Если фермент в активном центре содержит кофермент, то предполагается образование тройного комплекса (рис. 4.8).
Фермент вступает во взаимодействие с субстратом на очень короткий период, поэтому долгое время не удавалось показать образование такого комплекса.
Прямые доказательства существования фермент-субстратного комплекса были получены в лабораториях Д. Кейлина и Б. Чанса.
В настоящее время экспериментальные и математические методы кинетики, термодинамики и статической механики химических реакций позволяют
Рис. 4.7. Образование нестойкого фермент-субстратного комплекса согласно теории Э. Фишера «ключ-замок».
Рис. 4.8. Функция кофер-мента (по А. Кантарову и Б. Шепартцу).
Рис. 4.9. Образование не-ковалентных связей между ферментом и субстратом (схема).
определить для ряда ферментативных реакций кинетические и термодинамические показатели, в частности константы диссоциации промежуточных фермент-субстратных комплексов, константы скорости и равновесия их образования.
В образовании фермент-субстратных комплексов участвуют водородные связи, электростатические и гидрофобные взаимодействия, а в ряде случаев также ковалентные, координационные связи (рис. 4.9). Информация о природе связей между субстратом и связывающим участком активного центра фермента может быть получена методами ЭПР и ЯМР, а также методами УФ- и ИК-спектроскопии.
Для каталитической активности фермента существенное значение имеет пространственная структура, в которой жесткие участки α-спиралей чередуются с гибкими, эластичными линейными отрезками, обеспечивающими динамические изменения белковой молекулы фермента. Этим изме-неням придается большое значение в некоторых теориях ферментативного катализа. Так, в противоположность модели Э.
Фишера «ключ-замок» Д. Кошлендом была разработана теория «индуцированного соответствия», допускающая высокую конформационную лабильность молекулы белка-фермента и гибкость и подвижность активного центра.
Эта теория была основана на весьма убедительных экспериментах, свидетельствующих о том, что субстрат индуцирует конформационные изменения молекулы фермента таким образом, что активный центр принимает необходимую для связывания субстрата пространственную ориентацию.
Иными словами, фермент только в присутствии (точнее, в момент присоединения) субстрата будет находиться в активной (напряженной) Т-форме в отличие от неактивной R-формы (рис. 4.10). На рис. 4.
10 видно, что присоединение субстрата S к ферменту Е, вызывая соответствующие изменения конформации активного центра, в одних случаях приводит к образованию активного комплекса, в других – неактивного комплекса вследствие нарушения пространственного расположения функциональных групп активного центра в промежуточном комплексе. Получены экспериментальные доказательства нового положения о том, что постулированное Д. Кошлендом «индуцированное соответствие» субстрата и фермента создается не обязательно изменениями
Рис. 4.10. Изменения структуры активного центра фермента, вызванные субстратом, согласно модели «индуцированного соответствия» Д. Кошленда.
А, В, С — функциональные группы активного центра; 1 — активный комплекс; 2 — неактивный комплекс.
Рис. 4.11. Энергетический механизм ферментативной и неферментативной химических реакций.
S — исходный субстрат; Р — продукт; ΔЕНФ -энергия активации неферментативной реакции; ΔЕФ — энергия активации ферментативной реакции; ΔG — стандартное изменение свободной энергии.
конформации белковой молекулы, но также геометрической и электронно-топографической перестройкой молекулы субстрата.
В каталитическом процессе существенное значение имеют точное соответствие между ферментом и субстратом, а также термодинамические и каталитические преимущества подобного соответствия.
Гипотеза «индуцированного соответствия» предполагает существование между ферментом и субстратом не только пространственной или геометрической компле-ментарности, но и электростатического соответствия, обусловленного спариванием противоположно заряженных групп субстрата и активного центра фермента. Точное соответствие обеспечивает образование эффективного комплекса между субстратом и ферментом.
Подобно другим катализаторам, ферменты, с термодинамической точки зрения, ускоряют химические реакции за счет снижения энергии активации . Энергией активации называется энергия, необходимая для перевода всех молекул моля вещества в активированное состояние при данной температуре.
Другими словами, это энергия, необходимая для запуска химической реакции, без которой реакция не начинается несмотря на ее термодинамическую вероятность. Фермент снижает энергию активации путем увеличения числа активированных молекул, которые становятся реакционноспособными на более низком энергетическом уровне (рис. 4.11).
На рисунке видно, что ферментативная реакция имеет более низкую энергию активации. Следует отметить, что как катализируемая ферментом, так и не катализируемая им реакция независимо от ее пути имеет одинаковую величину стандартного изменения свободной энергии (ΔG).
Действуя на скорость реакции, ферменты не изменяют равновесия между прямой и обратной реакциями, как и не влияют на величину свободной энергии реакции; они лишь ускоряют наступление равновесия химической реакции.
Зависимость между константой равновесия и изменением свободной энергии реагирующих веществ математически принято выражать уравнением ΔG = = –R•T•lnK, где R – газовая постоянная; Т – абсолютная температура в Кельвинах; lnК – натуральный логарифм константы равновесия; ΔG – стандартное изменение свободной энергии, Дж/моль.
Из представленного уравнения вытекает, что при высоком значении К величина ΔG оказывается отрицательной. Подобные реакции сопровождаются уменьшением свободной энергии. При низком значении К величина ΔG оказывается положительной.
Если константа равновесия равна единице, то изменение свободной энергии будет равно нулю и реакция легкообратима.
Для измерения константы равновесия и величины свободной энергии какой-либо химической реакции, например реакции взаимопревращения глюкозо-1-фосфата в глюкозо-6-фосфат, катализируемой ферментом фосфоглюкомутазой, определяют количество глюкозо-6- и глюкозо-1-фосфата при достижении химического равновесия.
В состоянии равновесия содержание глюкозо-6-фосфата оказывается в 19 раз больше количества глюкозо-1-фосфата. Отсюда константа равновесия К равна 19. Подставляя эту цифру в уравнение, получаем ΔG = –7329 Дж/моль.
Это означает, что при превращении 1 моля глюкозо-1-фосфата в 1 моль глюкозо-6-фосфата при температуре 25°С происходит уменьшение свободной энергии системы на 7329 Дж.
- Таким образом, в механизме ферментативного катализа ведущую роль играют промежуточные фермент-субстратные комплексы, образование которых определяется как тонкой трехмерной структурой активного центра, так и уникальной структурной организацией всей молекулы фермента, обеспечивающими высокую каталитическую активность и специфичность действия биокатализатора.
- Предыдущая страница | Следующая страница
- СОДЕРЖАНИЕ
Механизм действия ферментов
Механизм действия ферментов может быть рассмотрен с двух позиций: с точки зрения изменения энергетики химических реакций и с точки зрения событий в активном центре.
А. Энергетические изменения при химических реакциях
Любые химические реакции протекают, подчиняясь двум основным законам термодинамики: закону сохранения энергии и закону энтропии.
Согласно этим законам, общая энергия химической системы и её окружения остаётся постоянной, при этом химическая система стремится к снижению упорядоченности (увеличению энтропии).
Для понимания энергетики химической реакции недостаточно знать энергетический баланс входящих и выходящих из реакции реагентов, необходимо учитывать изменения энергии в процессе данной химической реакции и роль ферментов в динамике этого процесса. Рассмотрим реакцию разложения угольной кислоты:
H2CO3 —> H2O + CO2.
Угольная кислота слабая; реакция её разложения пойдёт при обычных условиях, если молекулы угольной кислоты имеют энергию, превышающую определённый уровень, называемый энергией активации Еа (рис. 2-10).
Рис. 2-10. Изменение свободной энергии при разложении угольной кислоты.
Энергией активации называют дополнительное количество кинетической энергии, необходимое молекулам вещества, чтобы они вступили в реакцию.
При достижении этого энергетического барьера в молекуле происходят изменения, вызывающие перераспределение химических связей и образование новых соединений. Говорят, что молекулы, обладающие Еа, находятся в переходном состоянии.
Разницу энергий между исходным реагентом Н2СO3 и конечными соединениями Н2O и СO2называют изменением свободной энергии реакции DG. Молекулы Н2O и СO2 — более стабильные вещества, чем Н2СO3, т. е. обладают меньшей энергией и при обычных условиях практически не реагируют.
Выделившаяся энергия в результате этой реакции рассеивается в виде тепла в окружающую среду.
Чем больше молекул обладает энергией, превышающей уровень Еа, тем выше скорость химической реакции. Повысить скорость химической реакции можно нагреванием. При этом увеличивается энергия реагирующих молекул.
Однако для живых организмов высокие температуры губительны, поэтому в клетке для ускорения химических реакций используются ферменты. Ферменты обеспечивают высокую скорость реакций при оптимальных условиях, существующих в клетке, путём понижения уровня Еа.
Таким образом, ферменты снижают высоту энергетического барьера, в результате возрастает количество реакционноспособных молекул, следовательно, увеличивается скорость реакции.
В механизме ферментативного катализа решающее значение имеет образование нестойких промежуточных соединений — фермент- субстратный комплекс ЕS, подвергающийся превращению в нестабильный переходный комплекс ЕР, который почти мгновенно распадается на свободный фермент и продукт реакции.
Таким образом, биологические катализаторы (ферменты) не изменяют свободную энергию субстратов и продуктов и поэтому не меняют равновесие реакции (рис. 2-11).
Рис. 2-11. Изменение свободной энергии в ходе химической реакции, некатализируемой и катализируемой ферментами. Фермент понижает энергию активации Еа, т. е. снижает высоту энергетического барьера, в результате возрастает доля реакционноспособных молекул, следовательно, увеличивается скорость реакции.
- Фермент, выполняя функцию катализатора химической реакции, подчиняется общим законам катализа и обладает всеми свойствами, характерными для небиологических катализаторов, однако имеет и отличительные свойства, связанные с особенностями строения ферментов.
- Сходство ферментов с небиологическими катализаторами заключается в том, что:
- ✵ ферменты катализируют энергетически возможные реакции;
- ✵ энергия химической системы остаётся постоянной;
- ✵ в ходе катализа направление реакции не изменяется;
- ✵ ферменты не расходуются в процессе реакции.
- Отличия ферментов от небиологических катализаторов заключаются в том, что:
- ✵ скорость ферментативных реакций выше, чем реакций, катализируемых небелковыми катализаторами;
- ✵ ферменты обладают высокой специфичностью;
✵ ферментативная реакция проходит в клетке, т. е. при температуре 37 °С, постоянном атмосферном давлении и физиологическом значении pH;
- ✵ скорость ферментативной реакции может регулироваться.
- Б. Этапы ферментативного катализа
- 1. Формирование фермент-субстратного комплекса
Тот факт, что ферменты обладают высокой специфичностью, позволил в 1890 г. выдвинуть гипотезу, согласно которой активный центр фермента комплементарен субстрату, т. е. соответствует ему как «ключ замку».
После взаимодействия субстрата («ключ») с активным центром («замок») происходят химические превращения субстрата в продукт.
Активный центр при этом рассматривался как стабильная, жёстко детерминированная структура.
В 1959 г. был предложен другой вариант гипотезы «ключ — замок», объясняющий события в активном центре фермента. По этой гипотезе активный центр является гибкой структурой по отношению к субстрату.
Субстрат, взаимодействуя с активным центром фермента, вызывает изменение его конформации, приводя к формированию фермент-субстратного комплекса, благоприятного для химических модификаций субстрата.
При этом молекула субстрата также изменяет свою конформацию, что обеспечивает более высокую эффективность ферментативной реакции. Эта «гипотеза индуцированного соответствия» впоследствии получила экспериментальное подтверждение.
2. Последовательность событий в ходе ферментативного катализа
Процесс ферментативного катализа условно можно разделить на следующие этапы (рис. 2-12).
Рис. 2-12. Этапы ферментативного катализа.
I — этап сближения и ориентации субстрата относительно активного центра фермента; II — образование фермент субстратного комплекса (ES) в результате индуцированного соответствия; III — деформация субстрата и образование нестабильного комплекса фермент-продукт (ЕР); IV — распад комплекса (ЕР) с высвобождением продуктов реакции из активного центра фермента и освобождением фермента.
Первый, второй и четвёртый этапы катализа непродолжительны и зависят от концентрации субстрата (для первого этапа) и констант связывания лигандов в активном центре фермента (для первого и третьего этапов). Изменения энергетики химической реакции на этих стадиях незначительны.
Третий этап наиболее медленный; длительность его зависит от энергии активации химической реакции. На этой стадии происходят разрыв связей в молекуле субстрата, образование новых связей и формирование молекулы продукта.
3. Роль активного центра в ферментативном катализе
В результате исследований было показано, что молекула фермента, как правило, во много раз больше молекулы субстрата, подвергающегося химическому превращению этим ферментом.
В контакт с субстратом вступает лишь небольшая часть молекулы фермента, обычно от 5 до 10 аминокислотных остатков, формирующих активный центр фермента.
Роль остальных аминокислотных остатков состоит в обеспечении правильной конформации молекулы фермента для оптимального протекания химической реакции.
Активный центр на всех этапах ферментативного катализа нельзя рассматривать как пассивный участок для связывания субстрата. Это комплексная молекулярная «машина», использующая разнообразные химические механизмы, способствующие превращению субстрата в продукт.
В активном центре фермента субстраты располагаются таким образом, чтобы участвующие в реакции функциональные группы субстратов находились в непосредственной близости друг к другу.
Это свойство активного центра называют эффектом сближения и ориентации реагентов.
Такое упорядоченное расположение субстратов вызывает уменьшение энтропии и, как следствие, снижение энергии активации (Еа), что определяет каталитическую эффективность ферментов.
Активный центр фермента также способствует дестабилизации межатомных связей в молекуле субстрата, что облегчает протекание химической реакции и образование продуктов. Это свойство активного центра называют эффектом деформации субстрата (рис. 2-12).
В. Молекулярные механизмы ферментативного катализа
Механизмы ферментативного катализа определяются ролью функциональных групп активного центра фермента в химической реакции превращения субстрата в продукт. Выделяют 2 основных механизма ферментативного катализа: кислотно-основной катализ и ковалентный катализ.
1. Кислотно-основной катализ
Концепция кислотно-основного катализа объясняет ферментативную активность участием в химической реакции кислотных групп (доноры протонов) и/или основных групп (акцепторы протонов). Кислотно-основной катализ — часто встречающееся явление. Аминокислотные остатки, входящие в состав активного центра, имеют функциональные группы, проявляющие свойства как кислот, так и оснований.
К аминокислотам, участвующим в кислотноосновном катализе, в первую очередь относят Цис, Тир, Сер, Лиз, Глу, Асп и Гис.
Радикалы этих аминокислот в протонированной форме — кислоты (доноры протона), в депротонированной — основания (акцепторы протона).
Благодаря этому свойству функциональных групп активного центра ферменты становятся уникальными биологическими катализаторами, в отличие от небиологических катализаторов, способных проявлять либо кислотные, либо основные свойства.
Примером кислотно-основного катализа, в котором кофакторами являются ионы Zn2+, а в качестве кофермента используется молекула NAD+, можно привести фермент алкогольдегидрогеназу печени, катализирующую реакцию окисления спирта (рис. 2-13):
С2Н5ОН + NAD+ —> СН3-СОН + NАDН + Н+.
Рис. 2-13. Механизм кислотно-основного катализа на примере алкогольдегидрогеназы печени.
I — молекула этилового спирта имеет центр связывания, обеспечивающий гидрофобное взаимодействие активного центра и метильной группы спирта; II — положительно заряженный атом цинка способствует отщеплению протона от спиртовой группы этанола с образованием отрицательно заряженного атома кислорода.
Отрицательный заряд перераспределяется между атомом кислорода и соседним атомом водорода, который затем в виде гидрит-иона переносится на четвёртый углеродный атом никотинамида кофермента NAD+; III — в результате формируется восстановленная форма NADH и уксусный альдегид.
2. Ковалентный катализ
Ковалентный катализ основан на атаке нуклеофильных (отрицательно заряженных) или электрофильных (положительно заряженных) групп активного центра фермента молекулами субстрата с формированием ковалентной связи между субстратом и коферментом или функциональной группой аминокислотного остатка (как правило, одной) активного центра фермента.
Действие сериновых протеаз, таких как трипсин, химотрипсин и тромбин, — пример механизма ковалентного катализа, когда ковалентная связь образуется между субстратом и аминокислотным остатком серина активного центра фермента.
Термин «сериновые протеазы» связан с тем, что аминокислотный остаток серина входит в состав активного центра всех этих ферментов и участвует непосредственно в катализе.
Рассмотрим механизм ковалентного катализа на примере химотрипсина, осуществляющего гидролиз пептидных связей при переваривании белков в двенадцатиперстной кишке (см. раздел 9).
Субстратами химотрипсина служат пептиды, содержащие аминокислоты с ароматическими и циклическими гидрофобными радикалами (Фен, Тир, Три), что указывает на участие гидрофобных сил в формировании фермент-субстратного комплекса. Механизм ковалентного катализа химотрипсина рассмотрен на рис. 2-14.
Рис. 2-14. Механизм ковалентного катализа в активном центре химотрипсина.
Радикалы Асп102, Гис57 и Сер195 участвуют непосредственно в акте катализа. Вследствие нуклеофильной атаки пептидной связи субстрата происходит разрыв этой связи с образованием ковалентно-модифицированного серина — ацил- химотрипсина.
Другой пептидный фрагмент высвобождается в результате разрыва водородной связи между пептидным фрагментом и Гис57 активного центра химотрипсина.
Заключительный этап гидролиза пептидной связи белков — деацилирование химотрипсина в присутствии молекулы воды с высвобождением второго фрагмента гидролизуемого белка и исходной формы фермента.
ПредыдущаяСодержаниеСледующая
Фармакология, под. ред. Ю. Ф. Крылова и В. М. Бобырева. — Москва, 1999. — 2.3.4. Ферменты
◄ Листать назад Оглавление Листать вперед ►
Динамическое равновесие обменных процессов в организме в существенной мере зависит от участия в них биологических катализаторов (ферментов) и состояния ингибирующих систем (антиферментов).
Нарушения синтеза или активности ферментативных систем (ферментопатии) могут иметь тяжелые последствия для организма (при дефиците фенилаланингидроксилазы — психическая неполноценность у детей; при недостаточности глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы — гемолитическая анемия — и т.п.).
Одним из способов лечения ферментопатии является восполнение дефицита недостающего фермента или кофермента. Так, при снижении секреторной функции желудочно-кишечного тракта вводят препараты ферментов — пепсин, панкреатин, желудочный соки др., при гиповитаминозах — коферменты (кокарбоксилаза, липоевая кислота, коэнзим А и др.).
Наличие у ферментных препаратов фармакологических свойств (в частности, способности вызывать протеолиз, фибринолитическое, противовоспалительное действие) позволяет успешно применять их при различной патологии в хирургической, терапевтической, стоматологической практике.
Высокой противовоспалительной активностью обладают протеазы, нуклеазы и лиазы (трипсин, химотрипсин, рибонуклеаза, лидаза), широко используемые при лечении гнойных процессов мягких тканей и костей различной локализации, трофических язв, ожогов, тромбофлебитов, гнойных заболеваний легких и плевры.
Патология, обусловленная или сопровождающаяся чрезмерной активацией ферментных систем (острый панкреатит — активация протеолитических ферментов, повышенная кровоточивость — активация фибринолиза, и др.), требует лечения ингибиторами ферментов, например, апротинином (контрикал, трасилол).
Препараты ферментов разделяют по субстратной активности на протеолитические ферменты, протеазы (расщепляют белки), нуклеазы (нуклеиновые кислоты), лиазы (мукополисахариды).
Протеолитические ферменты играют важную роль как во многих жизненных процессах (пищеварение, свертывание крови, регуляция кровяного давления), так и при развитии патологических процессов (воспаление, аллергия и т.д.).
В лечебной практике используют препараты, содержащие протеолитические ферменты животного (пепсин, трипсин, химотрипсин), микробного (террилитин, гигролитин, стрептокиназа) и растительного происхождения (папаин, бромелаин).
Они гидролизуют пептидные связи в молекуле белка, вызывая лизис нежизнеспособных тканей.
Жизнеспособные ткани влиянию не поддаются, так как молекулы нативных белков стабилизированы рядом нековалентных связей, что сохраняет их структуру, делая недоступными пептидные связи для активного центра протеаз; кроме того, в жизнеспособных тканях имеются специфические ингибиторы протеолитических ферментов.
Трипсин, химотрипсин, террилитин и другие препараты способствуют очищению раневых поверхностей, расплавляя некротизированные ткани и фибринозные образования, разжижая вязкие секреты и экссудаты, сгустки крови, оказывают противовоспалительное действие.
Все это улучшает микроциркуляцию ткани, ускоряет процесс регенерации и заживление ран. Действие их физиологично, поскольку в естественных условиях процесс очищения раны также протекает с участием протеаз.
Очищение раны от некротизированных тканей устраняет благоприятную среду для микроорганизмов, уменьшает их количество в зоне поражения, облегчает доступ антибактериальных препаратов к очагу воспаления.
Трипсин и химотрипсин можно инъецировать. При введении их внутримышечно или в переходную складку слизистой оболочки полости рта они оказывают противовоспалительное и противоотечное действие, ускоряют рассасывание гематом, активируют процессы регенерации, повышают фагоцитоз.
Препараты протеолитических ферментов иногда вызывают аллергические реакции.
В очаге воспаления под влиянием протеолитических ферментов образуется увеличенное количество биологически активных веществ — кининов (брадикинина и каллидина), которые расширяют сосуды, вызывают гиперемию, увеличивают экссудацию, деление фибробластов, раздражают болевые рецепторы.
При высокой активности кининов наблюдается расширение сосудов, снижение артериального и венозного давления, нарушается образование микротромбов. В этих условиях положительный эффект оказывают ингибиторы протеолитических ферментов (пантрипин, контрикал).
Они предотвращают развитие некротических изменений в тканях и их распад, снижают количество кининов.
Нуклеазы — ферменты, расщепляющие рибонуклеиновую и дезоксирибонуклеиновую кислоту, используются для лечения хронических гнойных воспалительных процессов. Они снижают вязкость гноя, слизи, оказывают противовоспалительное действие.
Нуклеазы способны задерживать размножение ряда патогенных для человека вирусов, которые, проникая в клетку макроорганизма, теряют свою оболочку, и становятся объектом воздействия (незащищенная нуклеиновая кислота) соответствующих ферментов (рибонуклеаза или дезоксирибонуклеаза).
При хронических воспалительных процессах применяют лиазы — ферменты, расщепляющие мукополисахариды, в том числе гиалуроновую кислоту.
Она является основным «цементирующим» соединительную ткань веществом.
При деполимеризации гиалуроновой кислоты лиазами проницаемость тканевых барьеров повышается, что в ряде случаев имеет негативное значение, так как может способствовать увеличению отека при острых воспалительных процессах и распространению инфекции и продуктов жизнедеятельности микроорганизмов. Препараты гиалуронидазы — лидаза и ронидаза увеличивают проницаемость тканей, улучшают их трофику, делают более эластичной рубцовую ткань, способствуют рассасыванию гематом, устранению контрактур. Их применяют при лечении хронических воспалительных процессов, мышечных контрактур (например, височно-нижнечелюстного сустава, для размягчений рубцовой ткани, рассасывания гематом. Ронидаза используется только местно. Лидаза — специально очищенный препарат, пригоден для инъекционного введения.
Среди побочных эффектов препаратов ферментов возможны аллергические реакции различной интенсивности (очень редко — анафилактический шок), интоксикации вследствие всасывания токсических продуктов некролиза, а также проявления их раздражающего действия (боль, инфильтраты при инъекциях). С целью уменьшения побочных эффектов препараты не рекомендуется оставлять на длительное время в патологическом очаге; в качестве растворителя при инъекциях целесообразно использовать 0,25-0,5% новокаин; одновременно показано назначение антигистаминных средств и салицилатов.
- Применение ферментных препаратов противопоказано при наличии аллергизации организма, злокачественных опухолевых процессов, повышенной кровоточивости, декомпенсации сердечной деятельности, поражении печени и почек.
- Препараты:
- Трипсин кристаллический
- Применяется местно и инъекционно.
- Выпускается во флаконах и ампулах по 0,005 и 0,01 г.
- Химотрипсин кристаллический
- Применяется местно и инъекционно (внутримышечно или в переходную складку полости рта).
- Выпускается во флаконах по 0,005 и 0,01 г.
- Дезоксирибонуклеаза
- Применяется местно и инъекционно.
- Выпускается во флаконах и ампулах по 0,005, 0,01, 0,025 и 0,05 г.
- Лидаза
Вводится электрофоретически и инъекционно (под рубец, под кожу, внутримышечно). Выпускается во флаконах, содержащих 64 условных единиц сухой стерильной лидазы (0,1 г).
◄ Листать назад Оглавление Листать вперед ►
Механизмы действия ферментов и использование их в практических целях
Что такое ферменты?
Определение 1
Ферменты — это молекулы белка, синтезируемые живыми клетками, которые являются также катализаторами химических реакций, протекающих в организме.
Исходя из определения фермента, можно утверждать, что в любом организме регулярно продуцируется различные ферменты — их количество может достигать несколько сотен.
Ферменты играют огромную роль в обеспечении жизнедеятельности организма. В частности, ускоряют химические реакции.
В этом плане ферменты выступают биологическими катализаторами, ускоряя и упрощая процесс протекания химической реакции.
- Но ферменты — это не то же самое, что химические катализаторы, так как не меняют направление химической реакции и не расходуются в ходе ее протекания.
- Так что такое фермент?
- Ферменты выступают в качестве биокатализаторов, то есть веществ, облегчающих протекание химической реакции и провоцирующих увеличение ее скорости.
Замечание 1
Одна из функций ферментов — поддержание жизнеспособности организмов.
Яркий пример работы ферментов — сладковатый вкус во рту, который возникает при пережевывании продуктов, содержащих крахмал. Этот вкус появляется благодаря ферменту амилазе — этот фермент есть в слюне и помогает расщеплять крахмал. Сам по себе крахмал не имеет вкуса, однако продукты его распада — декстрина, глюкоза и мальтоза — дают сладковатый привкус.
У всех ферментов наблюдается глобулярная структура, но кроме того — еще и третичная, и четвертичная.
Есть ферменты:
- простые. Они состоят из белка;
- сложные. Они состоят белков и отдельных дополнительных веществ.
Также сложные ферменты могут иметь в составе белковую и небелковую части. Белковая часть — это апофермент, добавочная часть — кофермент. Коферментам могут выступать витамины групп Е, К и В.
Механизмы действия ферментов
У всех ферментов одни и те же принципы и механизмы действия. Взаимодействие с субстратом у фермента происходит посредством отдельного активного центра, а не всей молекулы.
Результатом такого взаимодействия является фермент или субстратный комплекс. По завершении реакции происходит достаточно быстрый распад этого комплекса.
Фермент, это то, что важно, остается неизменным, поэтому он может вступать во взаимодействие с новой молекулой.
Ферменты участвуют в образовании молекулы пептидной связи. Это происходит в результате взаимодействия между собой двух молекул в активном центре фермента. Далее новое вещество, называемый дипептидом, уходит из активного центра фермента, так как структурно уже ему не соответствует.
Замечание 2
Высокая степень специфичности действия — одна из особенностей фермента. Отдельный фермент отвечает за ускорение одного типа реакции.
Специфичность ферментов обусловлена их особенной формой — такое предположение высказал в 1890 году ученый Э. Г. Фишер. Эта форма максимально точно подбирается к форме молекулы субстрата, из-за чего сама гипотеза получила название «ключ и замок».
Нужна помощь преподавателя? Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!
Факторы, влияющие на активность ферментов
Есть несколько факторов, влияющих на активность ферментов:
- Температура. Если она повышается, то возрастает скорость химической реакции. Таким образом повышается и скорость молекул, что приводит к увеличению шансов их столкновения друг с другом.
Все это, соответственно, приводит к увеличению шансов, что между молекулами пройдет реакция. Температура, повышающая активность фермента, называется оптимальной.
При выходе температуры реакции за границы оптимального диапазона снижается скорость реакции и происходит процесс денатурации белка. Скорость реакции снижается при снижении температуры и причина этого — в инактивации фермента.
Пример 1
Чтобы продукты хранились дольше, используется способ быстрого замораживания. При таком замораживании рост и развитие микроорганизмов прекращается, а ферменты внутри микроорганизмов — инактивируются. Это предотвращает разложение продуктов питания.
- pH среда. Другими словами, активность ферментов находится в прямой зависимости от концентрации ионов водорода. Оптимальный уровень pH среды — нейтральное значение около 7.
Пример 2
Есть ферменты, способные работать в кислой среде (пепсин). Этот фермент находится в сильнокислой среде желудка.
- Ингибиторы и инактиваторы. В случаях, когда ферменты подвергаются воздействию ингибиторов и инактиваторов, к примеру, ионов металлов (Mg, Mn, Zn), происходит инактивация первых. Прочие ионы тяжелых металлов подавляют активность ферментов и денатурируют белки.
Согласно устоявшейся классификации, все ферменты делятся на 6 групп и имеют довольно сложные названия. Для облегчения их использования ферменты стали называть по имени субстрата, добавляя к названию окончание —аза.
Пример 3
К примеру, есть субстрат лактоза. Фермент его будет называться лактаза.
Фермент способен к преобразованию вещества. В случае субстрата сахарозы ферментом, который его расщепляет, является сахараза. По этой же логике ферменты, расщепляющие протеины, называются протеиназы.
Использование ферментов в практических целях
Ферменты нашли практическое применение почти во всех областях и сферах человеческой деятельности. Даже вне живых клеток они способны проявлять свои уникальные свойства.
В медицине активно используют такие ферменты как амилаза, липаза, протеаза — они включаются в состав комбинированных препаратов (фестала, панзинорма), лечащих заболевания желудочно-кишечного тракта.
Ферменты также применяют для устранения тромбов в кровеносных сосудах и в процессе лечения гнойных ран.
Замечание 3
В случае лечения онкологических заболеваний повсеместно используется энзимотерапия и ферментотерапия.
В пищевой промышленности используют амилазу, которая помогает расщеплять крахмал. В этой же области используют протеиназу, которая участвует в процессе расщепления белков, и липазу, которая расщепляет жиры.
Кажется, что ферменты обладают исключительно полезными свойствами. Однако они могут приносить и вред — когда их слишком много или мало. Пример — энзимопатология или взаимосвязь между болезнью и недостаточным синтезом какого-либо фермента.
Причина фенилкетонурии — утрата клетками печени способности синтезировать фермент, который катализирует превращение фенилаланина в тирозин.
Это краткий ответ на вопрос, что такое ферменты в биологии.
Ферменты и их участие в обмене веществ
Метаболизм является основой всей жизнедеятельности организмов, а обмен веществ неотделим от катализа ферментов. Ферменты — это каталитически активные организмы, продуцируемые живыми клетками. По сути, подавляющее большинство ферментов — это белки, некоторые — РНК, то есть рибонуклеиновая кислота, носитель генетической информации.
Белки с ферментативной активностью подразделяются на простые белки и связывающие белки. Простые белковые ферменты состоят из аминокислот и не содержат других веществ (таких как пепсин). Белковые ферменты состоят из простых белков и кофакторов, таких как лактатдегидрогеназа, трансаминаза и так далее.
Простая белковая часть, из которой состоит фермент, называется ферментным белком или основным ферментом, а простетическая часть называется коферментами. Связывающий фермент обычно представляет собой комбинацию первичного фермента и кофермента и становится целым ферментом, который функционирует как фермент.
Роль ферментов в организме
Ферменты могут использоваться в различных областях: ферменты для исследований, ферменты для диагностики, промышленные ферменты и ферменты для повседневного использования.
Благодаря действию фермента химическая реакция в организме может эффективно осуществляться в достаточно «мягких» условиях, что позволяет организму переваривать пищу, поглощать питательные вещества и поддерживать внутренние функции: противовоспалительная детоксикация, метаболизм, иммунитет, производство и продвижение крови, кровообращение и прочее.
В организме содержится множество ферментов, которые контролируют многие метаболические процессы: метаболизм, питание и преобразование биоэнергии. Большинство реакций, тесно связанных с жизненными процессами, являются реакциями, катализируемыми ферментами.
Роль ферментов в катализе
Самая важная роль фермента — катализ. Он позволяет упорядоченно осуществлять сложный метаболизм веществ в клетках, адаптируя метаболизм веществ к нормальным физиологическим функциям.
Если дефицит или активность фермента ослаблены из-за генетических дефектов или по другим причинам, каталитическая реакция фермента может быть ненормальной, что приведет к нарушению метаболизма вещества или даже к заболеванию.
Каталитический механизм фермента в основном включает кислотно-основной катализ и ковалентный катализ. Кислотно-основной катализ относится к каталитическому действию переноса протона для ускорения реакции.
Ковалентный катализ означает, что субстрат или часть субстрата образует ковалентную связь с катализатором и затем переносится на второй субстрат.
Многие реакции переноса группы, катализируемые ферментами, осуществляются путем ковалентного катализа.
В организме человека имеется большое количество ферментов, которые сложны по структуре и разнообразны. Например, когда люди жуют рис и приготовленные на пару булочки, то чем дольше они жуют, тем слаще вкус. Это обьясняется следующим образом: крахмал в рисе гидролизуется до мальтозы под действием амилазы слюны, секретируемой ротовой полостью.
Следовательно, люди, которые больше жуют во время еды, могут хорошо смешивать пищу и слюну, что полезно для пищеварения.
Кроме того, белок, который человеческое тело принимает из пищи, должен быть гидролизован до аминокислот с помощью различных протеолитических ферментов в пищевой промышленности, таких как пепсин, а затем конкретные аминокислоты выбираются другими ферментами для восстановления необходимых белков в определенном порядке. Здесь происходит множество сложных химических реакций.
Как ферменты снижают энергию активации реакции?
Каталитический механизм фермента заключается в снижении энергии активации реакции.
Химическая реакция может быть проведена, потому что часть молекул субстрата была активирована, чтобы стать активированными молекулами, и чем больше активированных молекул, тем выше скорость реакции.
Комплекс фермент-субстрат реагирует с образованием продукта, высвобождая фермент, который связывается с другой молекулой субстрата и увеличивает скорость химической реакции за счет уменьшения активации реакции.
Ферменты могут ускорить химическую реакцию, но не могут изменить точку равновесия химической реакции. Это означает, что фермент способствует прямой реакции и обратной реакции в той же пропорции, поэтому роль фермента заключается в сокращении времени, необходимого для достижения равновесия.
Загрузка...
