В живых организмах протекают одновременно с огромной скоростью тысячи химических реакций, обеспечивающих синтез и распад различных органических соединений и идут в строго определенной последовательности - взаимообусловлено и взаимосвязано, что обеспечивается действием биологических катализаторов белковой природы. Белковые вещества, выполняющие биокаталитические функции, получили название «ферменты» или «энзимы» - от латинских слов «fermentum» - закваска, дрожжи, «fermentatio» - брожение и от греческих слов «en zyme» - в дрожжах, в закваске. Происхождение терминов связано с тем, что изначально ферментативные процессы были открыты и изучены в бродильном производстве (спиртовое брожение).

 

Ферменты - важнейший класс белковых веществ (простых и сложных). Это высокоспециализированные, универсальны по своей биологической функцией белковые вещества, которые синтезируются в процессе жизнедеятельности всех живых организмов, и выполняют функции катализаторов биохимических процессов, т.е. ускоряют и осуществляют течение определенных химических реакций в живом организме. Ферменты могут проявлять свою активность как в организме, так и выделенными из него. Это позволяет широко применять ферменты в народном хозяйстве, медицине.

 

Значение ферментов для жизнедеятельности чрезвычайно велико. В присутствии ферментов химические процессы в организме протекают за десятые, тысячные, миллионные и даже миллиардные доли секунды. Без ферментов эти же химические реакции шли бы годами, сутками, часами, а это несовместимо с тем уровнем обмена веществ и энергии, который присущ живой материи. Например, в организме человека за одну секунду разрушается и синтезируется три миллиона эритроцитов, а эритроциты - это сложные образования, ведь в состав одного эритроцита входит 300-400 миллионов молекул гемоглобина - гемпротеину с молекулярной массой 65000-68000. Два грамма пепсина (фермента, который вырабатывается в желудке и гидролизует белки) способны расщепить за 2 часа 100 кг денатурированного яичного белка, а 1,6 г фермента поджелудочной железы амилазы в сутки гидролизуют 175 кг крахмала. И.П.Павлов считал, что ферменты «являются возбудителями всех химических превращений в организме». О.М.Бах подчеркивал, что без ферментов организм задохнулся бы в присутствии кислорода и не усваивал бы пищевые продукты.

 

Изучение любой проблемы в области познания механизмов жизнедеятельности обязательно связано с исследованием соответствующих ферментных систем. Такой интерес к биологических катализаторов не случаен. Ферменты являются важнейшими компонентами клетки, они тесно связаны с самыми процессами жизнедеятельности. Совокупность биохимических реакций, катализируемых ферментами, составляет сущность обмена веществ, который является обязательной чертой всех живых организмов. Через ферментативный аппарат происходит и регуляция скорости метаболических реакций, их направленность. На сегодня охарактеризованы несколько тысяч ферментов, более тысячи из них получены в индивидуальном состоянии. Для многих сотен белков-ферментов выяснена аминокислотная последовательность, а наиболее известные из них расшифрованы с помощью рентгеноструктурного анализа до уровня полной пространственной структуры.

 

Изучение ферментов имеет огромное значение для любой фундаментальной и прикладной области биологии, для многих практических отраслей химической, пищевой и фармацевтической индустрии, занимающихся приготовлением катализаторов, антибиотиков, витаминов, аминокислот, пептидов и других биологически активных веществ, которые используются в народном хозяйстве, в медицине, а также для организации безотходного химического, в том числе и фармацевтического производства, поскольку ферментативный катализ протекает без побочных продуктов. Кроме того, ферменты широко используются в научно-исследовательских работах как высокоспецифические реагенты, как инструменты для исследования строения биополимеров (например, нуклеиновых кислот), в генно-инженерных разработках и т.д..

 

В последнее время наука о ферментах отделилась в отдельную отрасль биохимической науки - ферментология (энзимологии), которая интенсивно развивается в тесной связи со многими науками, в частности, с органической, неорганической, физической химии, физиологии, токсикологией, микробиологией, генетикой, фармакологией и др. . Таким образом, эта область знаний находится на стыке химических, биологических и медицинских наук.

 

Исторический очерк. Ферментативные процессы известны человечеству с давних времен. Народы многих стран издавна владели искусством изготовления хлеба, сыра, вина, уксуса и т.п. на основе переработки растительного и животного сырья. Однако начало современному этапу в развитии энзимологии было положено в XIX веке. В 1814 г. петербургский ученый К.С.Кирхгоф установил, что крахмал под действием некоторых веществ, которые находятся в прорастающих зернах ячменя, превращается в сахаристые вещества (мальтозу). Вещество, которая изымается из проросшего ячменя и обладает способностью превращать крахмал в мальтозу, получила название амилазы (от лат. Amylum - крахмал). В 1836 г. И.Берцелиус обобщил установлены факты ускорения протекания химических реакций и назвал это явление катализом, а катализаторы, поставляемые живыми клетками, были названы ферментами.

 

Вскоре разгорелся спор о природе спиртового брожения, в которой принимали участие выдающиеся представители естествознания того времени. Так, Л. Пастер (1856 г.) придерживался мнения, что брожение вызывают живые микроорганизмы и, отсюда, оно связано исключительно с их жизнедеятельностью. В то же время Ю.Либих и другие отстаивали химическую природу брожения, считая, что оно связано с определенными веществами, подобными амилазы. Спор был полностью решена конце прошлого века. В 1871 г. русский ученый М.М. Мана-ссеина доказала, что ферменты могут проявлять свое действие и вне клеток. Путем растирания дрожжей она получила фильтрат дрожжевого сока, имел такую же свойство сбраживать углеводы, как и собственно дрожжевые клетки. Данные М.М.Манассеинои подтвердили позже (1897 г.) немецкие исследователи брать Ганс и Эдвард Бухнер. Они под прессом (применив давление) отжали из дрожжевых клеток сок, совершенно свободный от дрожжевых клеток, который зброджував углеводы с образованием этилового спирта и СО2. Оказалось, что дрожжевой сок содержит сложную смесь ферментов, и эти ферменты способны функционировать как внутри, так и вне клетки.

 

Попытки выделить ферменты в индивидуальном состоянии осуществляло многие исследователи, среди которых были О.Я.Данилевський, Р.Виль-Штеттер и др.. Новый этап в развитии учения о ферментах наступил после того, как в 1926 г. американский биохимик Дж.Самнер получил из семян канавалии кристаллический препарат фермента уреазы. В 1930 г. Д.Нортроп выделил кристаллический пепсин, а затем трипсин и химотры-псины. С тех пор стало общепринятым утверждение о том, что ферменты являются белками.

 

В конце XIX в. немецкий ученый Е.Фишер, изучая свойства ферментов, предложил представление о суровой специфичность ферментов и о близкой стерически соответствие между активной частью фермента и субстратом. Е.Фишер выдвинул мысль о том, что субстрат подходит к ферменту, как ключ к замку. В начале ХХ в. появились работы, посвященные кинетике ферментативных реакций, позднее были сформулированы теории механизма действия ферментов, регуляции ферментативной активности, успешно изучаются возможности применения ферментов в медицине, различных областях науки и промышленности.

 

В ближайшие годы развитие энзимологии будет направлено на:

 

- Исследование более тонких деталей молекулярного механизма действия и принципов работы ферментов в соответствии с законами классической органической химии и квантовой механики;

 

- Изучение ферментов на более высоких структурных уровнях организации живых систем (надмолекулярной и клеточном), причем не столько отдельных ферментов, сколько ферментных комплексов в сложных системах;

 

- Исследование механизмов регуляции активности и синтеза ферментов;

 

- Раскрытие влияния химической модификации на действие ферментов;

 

- Развитие исследований в области создания искусственных низкомолекулярных ферментов (синзимив - синтетических аналогов ферментов), которые имеют высокую специфичность действия и каталитическую активность, но лишены побочных антигенных свойств;

 

- Исследования в области инженерной энзимологии;

 

- Создание «гибридных» катализаторов, обладающие свойствами ферментов, антител и рецепторов;

 

- Создание биотехнологических реакторов с участием индивидуальных ферментов или полиферментные комплексов, которые обеспечивают получение и промышленное производство наиболее ценных материалов и средств для народного хозяйства и медицины.

 

Общие представления о катализе

 

Катализ - это как правило, процесс ускорения химических реакций под влиянием катализаторов, участвующих в данном процессе, но в конце реакции остаются химически неизменными. Для протекания какой-либо реакции необходимо, чтобы реагирующие молекулы контактировали друг с другом, но не каждое столкновение молекул сопровождается их взаимодействием, реакция протекает только в том случае, если молекулы обладают достаточным запасом кинетической энергии. Т.е. скорость химической реакции зависит от количества столкновений активных молекул реагирующих веществ в единицу времени. Взаимодействие между молекулами, которые имеют определенный запас потенциальной энергии, произойдет только в том случае, если запаса их энергии будет достаточно для преодоление сил отталкивания между ними, так называемого энергетического барьера реакции. Каждая химическая реакция имеет свой энергетический барьер, выражающийся в кДж / моль. В реакцию в обычных условиях могут вступить только те молекулы, запас энергии которых превышает энергетический барьер данной реакции, то есть тот минимальный запас энергии в молекулах, при котором они становятся реакционноспособными. И наоборот, чем выше энергетический барьер реакции, тем меньше общее количество молекул, способных к химическому взаимодействию, и следовательно, ниже скорость химического превращения в данной системе.

 

Например, в реакции взаимодействия веществ А и В с образованием соединения АВ энергетический барьер равен 30 кДж / моль. В реакцию могут вступить только те молекулы, запас энергии которых превышает энергетический барьер. Недостаточного запаса энергии молекулы необходимо активировать, то есть предоставить им дополнительное количество энергии, что называется энергией активации. Активировать молекулы можно разными путями: нагреванием, облучением, повышением давления, а также посредством введения катализаторов. Действие катализаторов заключается в том, что они снижают энергию активации, необходимую для осуществления данной реакции. Осуществляется это установкой временной связи катализатора с реагирующими веществами; в результате возникают промежуточные продукты реакции, которые позволяют молекулам преодолеть барьер активации на более низком энергетическом уровне.

 

Сущность действия катализатора заключается в том, что он вызывает активацию молекул в нормальных физиологических условиях за счет определенной внутримолекулярной перестройки молекулы субстрата (вещества, на которую действует катализатор). Это приводит к снижению необходимой энергии активации и молекулы смогут взаимодействовать без привлечения дополнительной энергии. Так, при введении в систему в нашем примере небиологического катализатора (обозначим его буквой К), реакция пройдет в 2 этапа:

 

1. А + К ? АК. Энергетический барьер равен 15 кДж / моль;

 

2. АК + В ? АВ + К. Энергетический барьер равен 7 кДж / моль.

 

Из этого примера следует, что катализатор ускоряет химическую реакцию образования вещества АВ, находя обходные пути, вступая в временную связь с одной из реагирующих веществ, а затем уже АК будет взаимодействовать с В. Эти реакции проходить по меньшей энергии активации (22 кДж / моль), чем реакция А + В ? АВ (30 кДж / моль), отсюда скорость реакции может увеличиваться в сотни и тысячи раз.

 

Характеристика ферментативного катализа. Ферменты являются биологическими катализаторами, поэтому химическим процессам с их участием присущи все характеристики катализа. Скорость ферментативной реакции выражается уравнением:

 

E + S ES ? E + P, где

 

Е - фермент, энзим;

 

S - субстрат;

 

ЕS - фермент-субстратный комплекс (промежуточный комплекс);

 

Р - продукты реакции.

 

Фермент-субстратный комплекс в зависимости от условий может или расщепляться с образованием продуктов реакции (прямая реакция), или вновь распадаться на выходные реагенты (обратная реакция).

 

На нашем примере:

 

1. A + E AE. Энергетический барьер равен 5 кДж / моль;

 

2. АЕ + В ? АВ + Е. Энергетический барьер равен 2 кДж / моль.

 

Из этого примера следует, что ферментативная реакция образования

 

вещества АВ происходит на еще более пониженном энергетическом уровне (7 кДж / моль), т.е. значительно уменьшается величина энергии активации по сравнению с небиологических катализаторов (К). Скорость реакции может возрастать в тысячи, миллионы и даже миллиарды раз. Это связано с белковой природой ферментов, имеющих в реакционных зонах совокупность различных функциональных групп: радикалов остатков аминокислот (если ферменты являются простыми белками) и других небелковых соединений (если ферменты являются сложными белками), которые проявляют в ходе каталитического акта одновременно кислотно- основные свойства (играют роль и акцепторов, и доноров протонов) имеющиеся электрофильные и нуклеофильные группы вызывают перераспределение электронной плотности. Это облегчает перестройку и разрыв связей в молекуле субстрата невозможно для неорганических катализаторов. Отсюда скорость ферментативного катализа гораздо выше, чем небиологич-ного, поскольку ферменты существенно снижают энергию активации реакции, чем небиологические катализаторы. Так, энергия активации реакции разложения пероксида водорода

 

2Н2О2 ? 2Н2О + ^ О2

 

равна 75,3 кДж / моль и невольный расписание Н2О2 протекает настолько медленно, что высвобождение кислорода, который выделяется в виде пузырьков, визуально не заметно. При добавлении неорганических катализаторов (железа или платины) энергия активации снижается до 54,1 кДж / моль, реакция ускоряется в тысячи раз и становится заметной вследствие выделения пузырьков кислорода через жидкость. Биологический катализатор - фермент каталаза, разлагающий Н2О2, - снижает энергию активации более чем в 8 раз (до 8 кДж / моль) и ускоряет реакцию разложения пероксида водорода в миллиарды раз. Реакция протекает настолько бурно, что жидкость от быстро образованных пузырьков кислорода буквально закипает (выделяется белая пена).


Загрузка...
Яндекс.Метрика Google+