катализ

Ферменты - это тип биологических катализаторов, которые управляют многими каталитическими процессами, такими как метаболизм, питание и преобразование энергии в организмах. Большинство реакций, тесно связанных с процессами жизнедеятельности, являются реакциями, катализируемыми ферментами.

Эти свойства ферментов позволяют сложным процессам метаболизма веществ в клетках протекать упорядоченно, что позволяет метаболизму веществ адаптироваться к нормальным физиологическим функциям. Если фермент дефектен из-за генетических дефектов или активность фермента ослаблена по другим причинам, это может привести к аномальным реакциям, катализируемым ферментом, нарушению обмена веществ и даже к болезни. Поэтому ферменты тесно связаны с медициной.

Ферменты позволяют организму переваривать и усваивать пищу, а также поддерживать все функции внутренних органов, включая восстановление клеток, обмен веществ, повышение иммунитета, выработку энергии и кровообращение. Например, когда рис пережевывается во рту, чем дольше он жуется, тем явственнее ощущается сладость. Это происходит потому, что крахмал в рисе гидролизуется в мальтозу под действием слюнной амилазы, выделяемой ртом. Поэтому, если во время еды больше жевать, пища может полностью смешаться со слюной, что благоприятно сказывается на пищеварении. Кроме того, в человеческом организме присутствуют различные гидролитические ферменты, такие как пепсин и трипсин. Белок, который человеческий организм поглощает из пищи, должен быть гидролизован до аминокислот под действием пепсина и других ферментов. Затем под действием других ферментов более 20 аминокислот, необходимых человеческому организму, отбираются и рекомбинируются в аминокислоты, необходимые человеческому организму в определенном порядке. Различные белки.

Каталитический механизм

Каталитический механизм ферментов в основном такой же, как и у общих химических катализаторов. Сначала он соединяется с реактивами (субстратами фермента), образуя комплекс, и скорость химической реакции увеличивается за счет снижения энергии активации реакции. При постоянной температуре в системе химических реакций хотя энергия, содержащаяся в каждой молекуле реактива, сильно варьируется, ее среднее значение невелико. Это начальное состояние реакции.

Реакция S (субстрат) → P (продукт) может протекать, потому что значительная часть молекул S превратилась в активированные молекулы (переходное состояние). Чем больше активированных молекул, тем выше скорость реакции. При определенной температуре энергия активации химической реакции - это энергия (килокалории), необходимая для превращения всех молекул 1 моль вещества в активированные молекулы.

Функция фермента (E) заключается во временном соединении с S с образованием нового соединения ES. Активационное состояние (переходное состояние) ES содержит гораздо меньше энергии, чем активированные молекулы реактантов в химической реакции без катализатора. ES снова вступает в реакцию с образованием P и одновременно высвобождает E. E может соединиться с другой молекулой S, и цикл повторяется. Уменьшение энергии активации, необходимой для всей реакции, позволяет большему количеству молекул прореагировать за единицу времени и ускорить реакцию. Если нет катализатора, реакция разложения пероксида водорода на воду и кислород (2H2O2→2H2O+O2) требует энергии активации 18 ккал на моль (1 ккал = 4,187 Дж). Катализатором этой реакции служит каталаза. Когда на моль каталазы приходится всего 2 ккал энергии активации, скорость реакции увеличивается примерно в 1011 раз.

Фермент (E) и субстрат (S) образуют фермент-субстратный комплекс (ES)

Направленное связывание активного центра фермента с субстратом с образованием комплекса ES является первым шагом в ферментном катализе. Энергию направленного связывания обеспечивают различные нековалентные связи, образующиеся при взаимодействии функциональной группы активного центра фермента с субстратом, такие как ионные связи, водородные связи, гидрофобные связи и силы Ван-дер-Ваальса. Энергия, выделяемая при их объединении, называется энергией связывания). Нетрудно понять, что каждый фермент обладает избирательностью в связывании с собственным субстратом.

Если фермент только дополняет субстрат, образуя комплекс ES, и не может далее способствовать переходу субстрата в переходное состояние, каталитический эффект фермента не может проявиться. Это связано с тем, что после того, как фермент и субстрат образуют комплекс ES, между молекулами фермента и субстрата должно образоваться больше нековалентных связей, чтобы сформировать комплекс, дополняющий переходное состояние фермента и субстрата, для завершения каталитического действия фермента. Фактически, в процессе образования большего количества нековалентных связей молекулы субстрата переходят из исходного основного состояния в переходное. То есть молекулы субстрата становятся активированными молекулами, которые создают условия для сочетания и расположения групп, необходимых молекулам субстрата для протекания химических реакций, генерации мгновенных нестабильных зарядов и других превращений. Поэтому переходное состояние не является стабильным химическим веществом, в отличие от промежуточного продукта в процессе реакции. В переходном состоянии молекулы вероятность превращения ее в продукт (P) или субстрат (S) равна.

Когда фермент и субстрат образуют комплекс ES и далее формируют переходное состояние, этот процесс высвобождает больше энергии связывания. Теперь известно, что эта часть энергии связывания может компенсировать энергию активации, необходимую для активации некоторых молекул-реактантов, так что молекулы, которые изначально находились ниже порога энергии активации, также могут стать активированными молекулами, тем самым ускоряя скорость химической реакции.

Как ферменты, так и общие катализаторы ускоряют химические реакции за счет снижения энергии активации реакции.

Каталитическая специфичность ферментов С точки зрения их субстратной избирательности и специфичности каталитических реакций. За исключением некоторых спонтанных химических реакций в организме, большинство из них катализируются специфическими ферментами. Фермент может найти свой субстрат из тысяч реактантов. В этом и заключается специфичность фермента. По различию в степени специфичности ферментного катализа он делится на специфичность (абсолютную специфичность), относительную специфичность Существует три типа ферментов: стереоспецифичность и стереоизомерная специфичность. Фермент, катализирующий только один субстрат, называется специфическим, например уреаза, которая может гидролизовать только мочевину на углекислый газ и аммиак. Если фермент может катализировать целый класс соединений или класс химических связей, это называется относительной специфичностью, как, например, эстераза, которая может катализировать гидролиз триглицеридов и других эфирных связей. Ферменты со стереоизомерной специфичностью предъявляют жесткие требования к стереоконфигурации молекул субстрата, например L-лактатдегидрогеназа, которая катализирует только дегидрирование L-молочной кислоты и не действует на D-молочную кислоту.

На каталитическую активность некоторых ферментов может влиять множество факторов, например, аллостерические ферменты регулируются аллостерическими агентами, некоторые ферменты регулируются ковалентными модификациями, нейрогуморальная регуляция активности ферментов через вторые мессенджеры, индукторы или ингибиторы регулируют внутриклеточное содержание ферментов (изменяя скорость синтеза и распада ферментов).

Следует отметить, что каталитическая реакция фермента часто представляет собой комбинированный эффект нескольких каталитических механизмов, что является важной причиной высокой эффективности реакций, поддерживаемых ферментами.

приложение

Диагностика заболеваний

С углубленным изучением и расширением представлений о ферментах комплексные ферменты, богатые высококонцентрированной СОД, играют все более важную роль в лечении заболеваний. Активность ферментов в нормальном человеческом организме относительно стабильна. Когда определенные ткани человеческого тела повреждаются или возникают заболевания, определенные ферменты выделяются в кровь, мочу или жидкости организма. Например, при остром панкреатите повышается активность амилазы в сыворотке крови и моче; при гепатите и других причинах повреждения печени, некрозе печеночных клеток или повышенной проницаемости в кровь выделяется большое количество трансаминазы, что приводит к повышению трансаминазы в сыворотке крови; при инфаркте миокарда значительно повышаются лактатдегидрогеназа и креатинфосфокиназа в сыворотке крови. При отравлении фосфорорганическими пестицидами ингибируется активность холинэстеразы и снижается активность холинэстеразы в сыворотке крови; при некоторых гепатобилиарных заболеваниях, особенно при непроходимости желчных протоков, повышается уровень р-глутамилтрансферазы в сыворотке крови и т.д. Таким образом, с помощью определения активности ферментов в крови, моче или биологических жидкостях можно понять или определить возникновение и развитие определенных заболеваний.

Клиническое управление

Ферментная терапия постепенно завоевывает признание людей, и различные ферментные препараты все шире используются в клинической практике. Например, трипсин и химотрипсин могут катализировать распад белков. Этот принцип используется при расширении хирургических ран, очищении гнойных ран, лечении серозных спаек в грудной и брюшной полости. При лечении тромбофлебита, инфаркта миокарда, инфаркта легких и диссеминированного внутрисосудистого свертывания крови плазмин, стрептокиназа, урокиназа и др. могут использоваться для растворения тромбов и предотвращения образования тромбов.

Некоторые сложные природные ферменты, основной формулой которых является высокомолекулярный фермент СОД, могут использоваться не только для вспомогательного лечения таких важных органов, как мозг, сердце, печень и почки. Кроме того, принцип конкурентного ингибирования ферментов также используется для синтеза некоторых химических препаратов для антибактериального и бактерицидного лечения. Например, ферментный тоник для селезенки также оказывает хорошее кондиционирующее действие на такие проблемы, как бесплодие. Сульфаниламиды и многие ферменты, которые могут подавлять рост определенных бактерий, оказывают антибактериальное и бактерицидное действие; многие препараты могут ингибировать ферменты, связанные с синтезом нуклеиновой кислоты или белка в клетках, тем самым подавляя

Производство и быт

Дрожжи, используемые в пивоваренной промышленности, производятся родственными микроорганизмами. Ферменты превращают крахмал и другие вещества в спирт путем гидролиза и окисления. Производство соевого соуса и уксуса также завершается под действием ферментов. Питательная ценность корма, обработанного амилазой и целлюлазой, повышается. Добавление ферментов в стиральный порошок позволяет повысить его эффективность, облегчить удаление трудновыводимых пятен пота и т. д.

В связи с широким применением ферментов их извлечение и синтез стали важными темами исследований. В настоящее время ферменты могут быть извлечены из организмов, например, бромелайн из кожуры ананаса. Однако, поскольку содержание ферментов в организмах очень низкое, большое количество ферментов в промышленности производится путем ферментации микроорганизмов. Как правило, для этого необходимо отобрать и вывести нужные штаммы в подходящих условиях, дать им размножиться и получить большое количество ферментных препаратов. Кроме того, люди изучают искусственный синтез ферментов. Одним словом, с повышением научного уровня применение ферментов будет иметь очень широкие перспективы.