Биохимические основы жизнедеятельности организма человека - Волков Н.И., Несен Э.Н. 2000
Биохимические основы жизнедеятельности организма человека
Ферменты - биологические катализаторы
Общее представление о ферментах
В организме человека почти все химические реакции, лежащие в основе обмена веществ и его жизнедеятельности, протекают очень быстро при относительном постоянстве температуры, давления, концентрации реагирующих веществ, активной реакции среды. Это возможно только благодаря наличию биологических катализаторов. Во всех клетках организма роль биологических катализаторов выполняют ферменты, или энзимы.
Ферменты — это высокоспециализированные белки, которые ускоряют химические реакции в клетках, т. е. являются биологическими катализаторами. Они не могут вызывать новые реакции или изменять их направление, но регулируют скорость протекающих в организме реакций. Ферменты используются в очень малых количествах, так как проявляют высокую каталитическую активность и в ходе катализа их молекулы не изменяются.
В клетках протекает множество химических реакций, каждая из которых контролируется специфическим ферментом. Поэтому в них образуется много различных видов ферментов, катализирующих превращение специфических веществ. Вещества, превращение которых катализирует фермент, называются субстратами. Фермент увеличивает скорость химической реакции, снижая энергию активации, которая необходима для превращения субстратов.
Ферменты могут находиться в жидкой части клетки (цитозоле) и отдельных клеточных органеллах (ядре, митохондриях, рибосомах, лизосомах и др.), а также входить в состав клеточных мембран. В жидкой части клетки локализованы ферменты анаэробного окисления углеводов, биосинтеза жирных кислот, превращения многих аминокислот. В ядре находятся в основном ферменты синтеза нуклеиновых кислот, а в митохондриях — ферменты процессов аэробного окисления углеводов и жирных кислот (весь набор цикла лимонной кислоты), превращения отдельных аминокислот. В мембранах митохондрий локализованы ферменты дыхательной цепи и процессов окислительного фосфорилирования, катализирующие реакции образования АТФ. В рибосомах сосредоточены ферменты биосинтеза белка, а в лизосомах — ферменты гидролитического расщепления различных веществ. Каждый фермент катализирует определенную специфическую реакцию, что обеспечивает упорядоченность многостадийных метаболических процессов.
При характеристике каталитического действия фермента определяют его активность. За единицу активности принято такое количество фермента, которое катализирует превращение одного микромоля (10-6 моль) субстрата в 1 мин при оптимальных условиях. Согласно Международной системе единиц, активность фермента принято выражать в каталах, что соответствует количеству фермента, которое превращает 1 моль субстрата в секунду. Каждый фермент имеет свои оптимальные условия проявления активности, при которых реакция протекает с максимальной скоростью. От активности ферментов и их количества в клетке зависит скорость обмена веществ, а значит, и функциональное состояние организма человека, способность адаптироваться к изменениям внешней и внутренней среды.
Наука о ферментах называется энзимологией. В настоящее время она интенсивно развивается, так как знание механизмов действия ферментов, регуляции их активности играет большую роль в различных областях деятельности человека, особенно в медицине. Многие заболевания организма связаны с изменениями активности ферментов или процессов их синтеза. Это проявляется в нарушении их деятельности и называется ферментопатией. В настоящее время выявлено около 1500 наследственных ферментопатий. Так, например, подавление синтеза фермента галактазы у детей, который превращает галактозу в глюкозу, вызывает отравление избытком галактозы и гибель в первые месяцы жизни. Многие ферментопатии сопровождаются замедлением физического развития организма, нарушением обмена веществ, проявлением психической неполноценности. Изменения процессов синтеза ферментов не всегда вызывают заболевания организма. Возможны изменения второстепенных признаков организма, например цвета глаз, волос и др.
При мышечной деятельности может изменяться активность и биосинтез многих ферментов, что приведет к усилению или замедлению скорости метаболизма питательных веществ и процессов энергообразования во время физической работы и в период восстановления организма. От активности ферментов зависит физическая работоспособность, скорость восстановления, а также адаптация организма к физическим нагрузкам. Действие многих витаминов и других биологически активных веществ, которые применяются в практике спорта для восстановления организма и регуляции массы тела, связано с ферментами. Воздействием на ферменты можно изменять, корректировать скорость метаболизма.
Для названия ферментов в настоящее время используются три основных номенклатуры — тривиальная, рациональная и систематическая.
Тривиальная номенклатура представляет собой рабочей название ферментов, которое не отражает их специального действия. Например, гидролиз белков в желудочно-кишечном тракте осуществляют пепсин (от греч. pepsis — пищеварение) и трипсин (от греч. tripsis — разжижаю). Группа окрашенных внутриклеточных ферментов, ускоряющих окислительновосстановительные реакции, называется цитохромами (от лат. citos — клетка и chroma — цвет).
По рациональной номенклатуре название фермента образуется от названия катализируемого вещества с добавлением окончания «аза». Так, фермент, ускоряющий гидролиз крахмала, называется амилаза (от лат. amilum — крахмал), распад жиров — липаза (от греч. lipos — жир), распад сахарозы — сахараза, гидролиз АТФ — АТФ-аза и т. п.
Систематическая номенклатура ферментов, рекомендуемая Международной системой единиц, включает название субстрата и тип катализируемой реакции с добавлением окончания «аза». Если субстрат находится в виде ионов, то в его названии используется окончание «ат». Так, фермент, который катализирует реакцию окисления молочной кислоты (лактат) в тканях организма, согласно этой номенклатуре называется лактатдегидрогеназа. Систематическая номенклатура позволяет определить, какую реакцию катализирует фермент.
Ферменты широко используются в различных сферах деятельности человека. С незапамятных времен их применяли при изготовлении сыра, получении спирта, а также в хлебопечении, пивоварении, производстве антибиотиков, витаминов и т. д. Современная промышленность выпускает более 200 ферментативных препаратов, которые применяются в медицинской практике для профилактики и лечения различных заболеваний. Так, при заболеваниях желудочно-кишечного тракта применяются трипсин, химотрипсин, липаза и амилаза в виде ферментативных препаратов (бетацид, обомин, панзинорм и др.). Фермент гиалуронидазу в виде препаратов лидазы и ронидазы применяют при поражении суставов, отеках, ранениях, кровоподтеках. Лизоцим применяют при лечении конъюнктивитов, цитохромоксидазу — при кислородной недостаточности, коллагенезу — для рассасывания рубцовых образований, эластазу — для профилактики атеросклероза.
При лечении различных заболеваний, в том числе опорно-двигательного аппарата, посттравматических изменений и др., используется метод системной энзимотерапии. Он основан на комплексном действии ряда полиферментных препаратов (вобэнзим, флогэнзим и др.) на многие биохимические процессы в организме.
Ферменты используются также при диагностике функционального состояния организма в медицине и современном спорте.