Глава 7. Биологически активные соединения

Глава 7. Биологически активные соединения

§ 30. Ферменты

С этим классом биологически активных веществ вы встречались не раз: и в курсе химии 8 класса, когда знакомились с ферментативным катализом, и в курсе биологии 9 класса, изучая пищеварительные ферменты.

Так как реакции обмена веществ, протекающие в живом организме, можно разделить на два типа процессов: синтез (анаболический) и распад (катаболический), то соответственно можно выделить и два типа ферментов. Примером анаболического фермента может служить глутаминсинтетаза:

Примером катаболического фермента может служить мальтаза:

Сейчас химикам известно более 2000 ферментов. Все они обладают рядом специфических свойств, отличающих их от неорганических катализаторов.

Свойства Ферментов

Понятно, что, будучи по своей природе белками, ферменты должны иметь большие значения молекулярной массы. Действительно, она может колебаться в пределах от 10⁵ до 10⁷, а это значит, что по своему размеру молекулы ферментов попадают в разряд коллоидных частиц. Это не позволяет отнести их ни к гомогенным, ни к гетерогенным катализаторам. Остаётся отнести их к особому классу катализаторов.

Каждый фермент ускоряет либо одну реакцию, либо группу однотипных реакций. Эту особенность называют селективностью (избирательностью) действия. Она позволяет организму быстро и точно выполнить чёткую программу синтеза нужных ему соединений на основе молекул пищевых веществ или продуктов их превращения. Располагая богатым набором ферментов, клетка разлагает молекулы белков, жиров и углеводов до небольших фрагментов-мономеров (аминокислот, глицерина и жирных кислот, моносахаридов соответственно) и заново строит из них белковые и иные молекулы, которые будут точно соответствовать потребностям данного организма. Недаром великий русский физиолог И. П. Павлов назвал ферменты носителями жизни.

Большинство ферментов обладает очень высокой эффективностью. Скорость некоторых ферментативных реакций может быть в 10¹⁵ раз выше скорости реакций, протекающих в их отсутствие. Высокая эффективность ферментов объясняется быстрым восстановлением (регенерацией) молекул в процессе «работы». Типичная молекула фермента может регенерировать миллионы раз за минуту. Например, широко используемый в сыроделии фермент реннин способен вызывать коагуляцию (свёртывание) белков молока в количествах, в миллионы раз превышающих его собственную массу. Этот фермент вырабатывается слизистой оболочкой особого отдела желудка жвачных животных — сычуга.

А вот ещё один пример высокой эффективности «работы» фермента, хорошо знакомого вам из курса химии 8 класса, — каталазы. За одну секунду при температуре, близкой к точке замерзания воды, одна молекула этого вещества разлагает около 50 000 молекул пероксида водорода:

Каталаза понижает энергию активации в этой реакции от 75 до 21 кДж/моль. Для сравнения укажем, что применяемая для ускорения этой реакции платина в коллоидном состоянии понижает энергию активации только до 50 кДж/моль.

Что же такое энергия активации? Представим себе смесь бензина и кислорода. Реакция между этими веществами возможна, но она не пойдёт без затраты некоторого количества энергии, поступившей, например, в форме простой искры. Энергия, которая необходима для того, чтобы вещества начали взаимодействовать между собой, и называется энергией активации. Чем выше энергия активации, тем ниже скорость реакции при данной температуре. Ферменты, действуя как катализаторы, снижают энергию активации. Они повышают общую скорость реакции, не изменяя в значительной степени температуру, при которой эта реакция протекает. Аналогично «работают» и неорганические катализаторы, но они уступают ферментам в эффективности.

Многие ферменты обладают наибольшей эффективностью при температуре человеческого тела, т. е. приблизительно при 37 °С. Неорганические катализаторы сохраняют активность в более широком интервале температур. Например, синтез аммиака проводят при температуре 450—500 °С (катализатор — железо).

Ферменты Ферменты наиболее эффективно действуют на субстрат при строго определённой среде раствора, при определённых значениях так называемого рН (водородный показатель). Величина рН характеризует кислотность и основность растворов и может принимать значения от 1,0 до 14,0. Более подробно с водородным показателем рН вы будете знакомиться в курсе химии 11 класса. Кислотность или основность среды физиологических жидкостей определяет биологическую активность клеток организма, которая, в свою очередь, определяется «работой» действующих в них ферментов. Каждая из физиологических жидкостей имеет определённое значение рН (табл. 12), и отклонение от нормы может быть причиной тяжёлых заболеваний. В простейшем случае уравнение реакции с участием фермента имеет вид: где Е — фермент, S — субстрат, ES — фермент-субстратный комплекс (комплекс Михаэлиса), Р — продукт реакции. Превращение субстрата в продукт происходит в комплексе Михаэлиса. В контакт с субстратом вступает лишь очень небольшая часть молекулы фермента, так называемый активный центр. Он включает обычно от 3 до 15 аминокислотных остатков полипептидной молекулы фермента. Высокая специфичность фермента обусловлена особой формой его активного центра, которая точно соответствует форме молекулы вещества катализируемой реакции (субстрата). Их можно сравнить с ключом и замком: катализируемое вещество выступает в роли «ключа», который точно подходит к «замку», т. е. к ферменту. Часто субстрат образует ковалентные связи с функциональными группами активного центра. Многие ферменты для проявления активности нуждаются в веществах небелковой природы — так называемых кофакторах. В роли последних могут выступать ионы металлов (цинка, марганца, кальция и др.) или молекулы органических соединений; в последнем случае их называют коферментами. Иногда для действия фермента бывает необходимо присутствие как ионов металла, так и коферментов. В некоторых случаях кофермент очень прочно соединён с белком, как, например, у каталазы, где кофермент представляет собой комплексное соединение железа с белком — гемоглобин. В других ферментах коферменты представляют собой вещества, близкие к витаминам, которые являются предшественниками коферментов. Например, из витамина В₁ (тиамина) в клетках образуется тиаминпиро- фосфат — кофермент важного фермента, входящего в группу декарбоксилаз; из витамина В₁₂ образуются коферменты, необходимые для усвоения жирных кислот с нечётным числом атомов углерода. Номенклатура ферментов Как же классифицируют ферменты? В 1961 г. специальной комиссией Международного биохимического союза была предложена систематическая номенклатура ферментов. Согласно ей ферменты были поделены на шесть групп в соответствии с общим типом реакции, которую они катализируют. Каждый фермент при этом получил систематическое название, точно описывающее катализируемую им реакцию. Однако, поскольку многие из этих систематических названий оказались очень длинными и сложными, каждому ферменту было также присвоено и тривиальное, рабочее название, предназначенное для повседневного употребления. В большинстве случаев оно состоит из названия вещества, на которое действует фермент, указания на тип катализируемой реакции и окончания -аза (табл. 13).

Отдельные представители и их значение Значение ферментов невозможно переоценить. Только в организме человека ежесекундно происходят тысячи и тысячи ферментативных химических реакций. Вспомним хотя бы те, с которыми вы знакомились на уроках биологии в теме «Пищеварение». Например, фермент амилаза, который содержится в слюне (его ещё называют птиалином) и в соке тонкого кишечника, помогает превращению крахмала в мальтозу. Затем мальтоза превращается в глюкозу в тонком кишечнике с помощью другого фермента — мальтазы. В желудке и тонком кишечнике такие ферменты, как пепсин и трипсин, превращают белки в более простые соединения — пептиды. Затем эти пептиды превращаются в тонком кишечнике в аминокислоты под действием ферментов, которые называются пептидазами. А вот на жиры (липиды) в тонком кишечнике действует фермент липаза, расщепляющий их до глицерина и жирных кислот. Применение ферментов Ферменты играют немаловажную роль и в проведении многих технологических процессов. Они используются, например, в процессах приготовления пищи, в производстве пищевых продуктов и напитков, фармацевтических препаратов, моющих средств, текстиля, кожи и бумаги . Контрольные вопросы: 1. Что такое ферменты? Какова их химическая природа? 2. Чем отличается действие ферментов от действия неорганических катализаторов? 3. Перечислите факторы, которые влияют на скорость ферментативной реакции. 4. При какой температуре ферменты проявляют наибольшую активность: 26 °С, 36 °С, 56 °С? 5. Как классифицируют ферменты и как образуются их тривиальные названия? 6. Назовите области применения ферментов в промышленности. 7. Лимонную кислоту (С₆Н₈O₇) в промышленности получают при микробиологическом (ферментативном) брожении раствора глюкозы согласно уравнению 2С₆Н₁₂O₆ + 3O₂ → 2С₆Н₈O₇ + 4Н₂O. Сколько килограммов лимонной кислоты при выходе 62% от теоретически возможного Можно получить из 520 кг 15% -го раствора глюкозы? Ответ: 51,8 кг. 8. Для производства молочной кислоты путём ферментативного брожения в промышленности используют кормовую патоку. Сколько килограммов молочной кислоты при выходе продукта реакции на каждой стадии 75% от теоретически возможного можно получить из 640 кг кормовой патоки, если массовая доля сухих веществ в ней составляет 80%, из которых на долю сахарозы приходится 45% ? Ответ: 70,2 кг. 9. Скорость ферментативного гидролиза сахарозы не зависит от её концентрации и прямо пропорциональна концентрации ферментов. Для экспериментального определения этой скорости 5 мл раствора сахарозы смешали с равным объёмом раствора фермента и выдерживали при 25 °С в течение 30 мин, затем добавили избыток аммиачного раствора оксида серебра и нагрели. Выпало 0,27 г осадка. Определите время, необходимое для гидролиза при той же температуре 50% сахарозы, содержащейся в 4,68 кг её раствора с плотностью 1,04 г/мл и массовой долей 17,1% после добавления 500 мл такого же раствора фермента. Ответ: 2340 ч.