МОДУЛЬ № 2

«Ферменти та коферменти (вітаміни)»

Лекція 6, 7
Ферменти

[ 1.с. 116-147; 2. с. 169-207; 4. с. 115-120 ]

План

1. Загальні поняття про ферменти.

2. Будова та властивості ферментів.

3. Загальні уявлення про механізм дії ферментів.

4. Номенклатура й класифікація ферментів.

5. Використання ферментів в харчовій промисловості.

1. Загальні поняття про ферменти.

В основі всіх процесів життєдіяльності організму лежать тисячі хімічних реакцій, що каталізуються особливими білками - фер­ментами (ензимами). Назва «фермент» походить від лат. fermentum (закваска); другий термін «ензим» - від грец. еп - усе­редині, гуте - дріжджі. Саме з процесів бродіння починається наука про ферменти.

Завдяки ферментам у живих організмах відбуваються такі дивні перетворення, які в інших умовах неможливі навіть при використанні найсучасніших досягнень науки і техніки. Так, наприклад, для розщеплення молекул пероксиду водню на мо­лекулярний кисень і воду за наявності заліза необхідно було б 300 років, тоді як фермент каталаза здійснює цей процес у жи­вій клітині за одну секунду.

За своєю дією біологічні каталізатори (ферменти) відрізня­ються від каталізаторів неживої природи. Як і білки, вони ма­ють складну структуру, тоді як багато неорганічних каталізато­рів - це низькомолекулярні речовини.

Ферменти характеризуються дуже високою активністю. Фе­рментативна реакція відбувається в 10⁶-10¹² разів швидше, ніж спонтанна реакція у водному розчині, яка не каталізується.

Усі ферменти виявляють свою активність за порівняно м’я­ких умов; за помірної температури (25-40 С), нормального тис­ку, невисокої концентрації водневих іонів, тобто за умов, коли хімічні речовини, що входять до складу організму, перетворю­ються без каталізатора дуже повільно. За низьких позитивних температур (0 °С) ферменти не руй­нуються, але майже повністю втрачають активність.

Завдяки ферментним системам клітина здатна сама себе під­тримувати в постійній динамічній рівновазі і налаштовуватися на роботу в режимі максимальної економії компонентів. Проце­си, які відбуваються в живих організмах, набагато перевершу­ють можливості сучасних хімічних технологій.

2. Будова та властивості ферментів.

За хімічною будовою ферменти становлять собою прості (фермен­ти-протеїни) і складні білки (ферменти-протеїди).

Ферменти-протеїни складаються лише із залишків амінокис­лот, тому їх називають однокомпонентними. Складні фермен­ти, крім білкової, містять і небілкову складову, тому вони одер­жали назву двокомпонентних.

Білкову частину складного ферменту називають апофермен­том (носієм), небілкову - додатковою, простетичною групою, коензимом або коферментом (активна частина). Загальна на­зва складного ферменту - холофермент (від греч. holos ~ ціле).

Апофермент - термолабільний, як усі білки, кофермент - тер­мостабільний

Тривіальна номенклатура. Тривіальні назви ферментів утворюються на основі хімічної назви субстрату з додаванням суфікса - аз(а). У біохімії існують також загальноприйняті, істо­рично усталені назви ферментів, що не відображають хімічної природи реакції, зокрема пепсин, трипсин, тромбін, плазмін тощо. Тривіальну назву (або назви) ферменту звичайно подають у дужках.

Згідно із систематичною номенклатурою назва (найменуван­ня) ферменту містить у собі: хімічну назву субстрату або субстра­тів; тип реакції, що каталізується; а також суфікс - аз(а).

Усі ферменти є високомолекулярними біополімерами. Білкова природа ферментів визначає низку особливостей, що відрізняють їх від неорганічних каталізаторів.

Найважливіша особливість дії ферментів полягає в специфі­чності, що обумовлює вибірковість їхньої дії. Досить змінити просторове розташування атомів субстрату, щоб фермент не впли­вав на нього. Фермент може каталізувати одну або групу реак­цій, близьких за своєю природою.

Залежно від того, чи може фермент каталізувати яку-небудь одну реакцію (тобто впливати на даний субстрат) або кілька реа­кцій (тобто впливати на визначену групу субстратів), розрізня­ють специфічність абсолютну і відносну.

Абсолютна специфічність характерна для ферментів, що ді­ють на один субстрат з цілком визначеною структурою. Будь-які зміни в структурі субстрату унеможливлюють до нього доступ ферменту.

Відносні специфічність мають ферменти, що діють на пев­ний вид зв’язку. Наприклад, пептидаз и гідролізують усі сполу­ки, що мають у своєму складі пептидний зв’язок - CO - NH.

З інших властивостей ферментів слід вказати на Оборотність їх дії. Залежно від концентрації вхідних і кінцевих продуктів ре­акції ферменти можуть каталізувати як прямі, так і зворотні ре­акції, тобто викликати як процеси синтезу, так і процесії розпа­ду. Уперше на цю особливість звернув увагу видатний російсь­кий хімік А.Я. Данилевський (1886). Він показав, що фермент шлункового соку пепсин, який розщеплює білки на пептони й альбумози (уламки білкової молекули), у певних умовах може каталізувати синтез білків з цих проміжних продуктів обміну білків. Однак пізніше було доведено, що зворотність дії характер­на не для всіх ферментів.

Багато процесів розпаду і синтезу відбуваються не тільки під дією різних ферментів, але й за іншим механізмом. У живому організмі розщеплення і синтез здійснюються в більшості випа­дків різними ферментами навіть тоді, - коли даний фермент здат­ний каталізувати реакцію в різних напрямках. У синтезі беруть участь ферменти, що використовують енергію гідролізату АТФ і деяких інших сполук. Так, при гідролізі глікогену в печінці за допомогою амілази і мальтази утворюється глюкоза. З глюкози у печінці синтезується глікоген, але його утворення не є резуль­татом зворотної реакції гідролізу, а відбувається більш складним шляхом.

Для ферментів характерна чутли­вість до зміни температури особливо до її підвищення. Висока температура, яка денатурує білки, інактивує ферменти.

У разі зниження температури (гіпотермія) активність ферментів знижується, але не зникає. Установлено, що в холодильних камерах у замороже­ному м’ясі відбувається повільне розщеплення білків під дією протеолітичних ферментів. Якщо для ферментів створюється температурний оптимум, вони знову стають активними. Прикла­дом може слугувати зимовий сон тварин. Цю здатність фермен­тів використовують у хірургії, кріобіології.

На активність ферментів впливає певна концентрація вод­невих іонів - pH середовища. Для кожного ферменту існує пев­на вузька межа pH середовища, що є оптимальним для реалі­зації його максимальної активності. Відхилення pH від опти­мального значення призводить до зниження активності фер­менту або навіть до його необоротної інактивації. Оптимальне значення pH середовища становить: для пепсину 1, 5-2, 5, трип­сину 8, 0-8, 5, амілази слини 6, 8-7, 0, аргікази - 9, 7, гастриксину 9, 5-10, 0.

Швидкість ферментативних реакцій залежить не тільки від температури і pH середовища, але й від концентрації ферменту та субстрату, наявності активаторів і паралізаторів.

Швидкість дії ферменту визначається концентрацією фермент-субстратного комплексу, що утвориться.

Крім зазначених факторів, на активність ферментів впливає наявність у розчині певних хімічних сполук, що можуть ак­тивувати (активатори) або гальмувати (інгібітори) дію фермен­тів. Активатори представлені іонами багатьох металів (часті­ше за все Mg₂⁺, Мn₂⁺, K⁺, Co₂⁺), деякими аніонами (СІ). Так, амі­лаза слини і підшлункової залози активується аніонами хлору; дію ліпази соку підшлункової залози стимулюють жовчні кис­лоти.

Інгібітори гальмують дію ферментів. Розрізняють два види інгібування - незворотне й зворотне. Незворотне інгібування по в’язане з дією таких речовин, що порушують усю структуру ферменту, у тому числі активного центру (наприклад, дія силь­них кислот і лугів, солей важких металів).

Зворотне інгібування відбувається в період безпосередньої взаємодії ферменту з інгібітором, видалення якого знову повер­тає ферменту активність. Таке інгібування може відбуватися за конкурентним і неконкурентним типом.

Конкурентне гальмування можливе в тому випадку, коли інгібітор містить хімічні групи, подібні до субстрату, тобто є його структурним аналогом і здатний взаємодіяти з активним центром ферменту. В основі цього виду гальмування лежить конкурен­ція між субстратом і інгібітором за приєднання до активної гру­пи ензиму

Інгібітори ферментів є в тканинах організму. У підшлунковій залозі виявлена речовина білкової природи, що гальмує активність трипсину. Відома також сполука, яка гальмує активність пепси­ну. Ці речовини називають антиферментами, їх дія має зворот­ний характер. У певних умовах антиферменти відщеплюються від ферментів, що сприяє відновленню активності останніх.

3. Загальні уявлення про механізм дії ферментів.

В основі дії ферментів як біологічних каталізаторів лежить їхня здатність прискорювати реакції шляхом зменшення енергії акти­вації субстрату.

Механізм дії ферментів вивчений поки що недостатньо. Існу­ючі на сьогодні дані дозволяють навести тільки деякі загальні положення щодо цього питання.

Запуск реакції можна здійснити шляхом подолання сил від­штовхування між молекулами, що зумовлене зовнішніми елект­ронами. Ферменти деформують електронні оболонки субстратів, полегшуючи в такий спосіб взаємодію між ними. Енергія, необ­хідна для того, щоб привести молекули в активний стан, назива­ється енергією активації. Вона використовується для подолан­ня енергетичного бар’єра. Цей процес може здійснити каталіза­тор. Наприклад, енергія активації, необхідна для розкладання пероксиду водню 2Н₂O₂ → 2Н₂O+O₂, без каталізатора, становить 75, 2 кДж/моль, із застосуванням каталізатора - колоїдної пла­тини - 50, 2 кДж/моль, за участю ферменту каталази печінки - 8, 3 кДж/моль. Таким чином, роль звичайного каталізатора (і в ще більшою мірою біологічного) полягає в тому, що він знижує енергію активації субстрату.

Існують дві теорії механізму дії ферментів - теорія проміж­них сполук і адсорбційна.

Теорія проміжних сполук. Суть процесу полягає в утворенні фермент-субстратного комплексу (рис. 4.3). При безпосередній взаємодії субстрату з активним центром ферменту останній пев­ним чином впливає на субстрат, викликаючи перебудову його хімічних зв’язків і тим самим активізуючи його.

Як приклад можна навести механізм дії фумарази (F), яка каталізує реакцію утворення яблучної кислоти з фумарової кис­лоти:

Подвійний зв’язок, що є у фумаровій кислоті, представлений електронними парами. Під час взаємодії фумарової кислоти з фумаразою відбувається утворення фермент-субстратного ком­плексу, у результаті чого функціональні групи активного центру ферменту сприяють перерозподілу електронів подвійного зв’яз­ку. Унаслідок цього один із вуглецевих атомів отримує електрон і заряджається негативно, а інший, віддаючи електрон, - пози­тивно. Таким чином, молекула фумарової кислоти стає активо­ваною і легко може приєднувати іони Н ^т і ОН’ (іони води) за ти­пом електростатичного зв’язку та перетворюватися на яблучну кислоту.

Якщо позначити фермент буквою F, субстрат - S, активова­ний субстрат - S_] і продукт реакції - Р, то зазначену послідов­ність процесу можна подати у вигляді, схеми:

І II III IV

F + S - FS – FS₁- FP - F + Р

Фермент зв’язується із субстратом в оборотній реакції з утво­ренням фермент-субстратного комплексу. У процесі утворення останнього і на подальших стадіях ферментативного каталізу від­буваються кількаразові зміни третинної структури ферменту, що зумовлюють послідовне зближення із субстратом і орієнтацію в просторі тих активних груп, які взаємодіють одна з одною на різ­них етапах перетворення субстратів. Зміна третинної структури білка можлива тільки за участі всього (або майже всього) поліпе- нтидного ланцюга, який утворює^-молекулу білка. Отже, у ката­літичному процесі бере участь уся молекула ферменту при впо­рядкованій взаємодії його центрів, що забезпечує послідовне здій­снення багатостадійних процесів ферментативного каталізу. Спрямованість реакцій залежить від зміни енергії під час реакції, від різниці вільних енергій вихідних речовин і речовин, що утво­рюються.

Існує ще одна особливість дії ферментів: в організмі перетво­рення речовин до кінцевих продуктів відбувається в кілька ета­пів, кожний з яких каталізується окремим ферментом. Напри­клад, синтез жирних кислот забезпечується групою ферментів, до складу якої входить сім ферментів.

Сума енергії активації проміжних реакцій нижча за енергію активації, необхідну для одночасного розщеплення субстрату.

Адсорбційна теорія. Відповідно до цієї теорії, речовини, які реагують, адсорбуються на поверхні ферменту, що сприяє збіль­шенню їх концентрації, зближенню реакційноздатних груп. Речовини, що знаходяться на поверхні ферменту (адсорбенту), можуть утримуватися внаслідок простої фізичної адсорбції, обу­мовленої силами міжмолекулярної взаємодії і більш міцного хімічного зв’язку. Каталізатор своїм силовим полем викликає певні зміни в структурі реагуючих речовин, що сприяє підви­щенню реакційної здатності субстрату і збільшенню швидкості реакції.

Кожен фермент містить певні хімічні групи, завдяки яким він сполучається із субстратом і здійснює свою каталітичну дію.

Такими групами є SH-групи, залишки гістидину, серину, тирозину і т.п. Ці групи розташовані в молекулі ферменту на різ­них ділянках, але взаємодіють між собою і є відповідальними за каталітичну діяльність ферменту. Вони дістали назву функціо­нальних груп ферментів.

У молекулі ферменту можлива комбінація різних хімічних груп, що утворюють активний центр у молекулі ферменту, за­вдяки якому здійснюється його каталітична дія.

Якщо в субстраті є заряджені групи, утворення FS-комплек­су відбувається завдяки електростатичній взаємодії іонних зв’яз­ків між позитивно зарядженими групами ферменту, і навпаки. Якщо субстрат не має заряджених груп, то приєднання фермен­ту до субстрату відбувається внаслідок утворення водневих зв’я­зків або гідрофобної взаємодії.

Кофактори, виконуючи каталітичну функцію, залишаються хімічно незмінними в результаті каталітичної реакції.

4. Номенклатура й класифікація ферментів.

Чинні номенклатура і класифікація ферментів були затверджені в 1961 році на V Міжнародному біохімічному конгресі в Москві. В основу номенклатури були покладені такі принципи:

а) суфікс -аз(а) слід використовувати тільки для простих фер­ментів; для мультиферментш-іх комплексів рекомендований те­рмін «система» (наприклад, пірунатдегідрогенална система);

б) у найменуванні має бути відображений механізм реакції, на­зва субстрат і коферменту, тип реакції, яка каталізується.

З урахуванням цих правил замість колишньої назви, напри­клад, «лактатдегідрогеназа» рекомендують систематичну назву лактат-НАД-оксидоредуктаза, що містить три позиції: субстра­том є лактат (молочна кислота), коферментом - НАД (нікотинамідаденіндннуклеотид), фермент оксидоредуктаза каталізує транспорт водню від субстрату до акцептора, тобто зазначений тип реакції.

Усі ферменти поділяються на шість класів: оксидоредукта- зи, трансферази, гідролази, ліази, ізомерази, лігази(синтетази). Кожен клас має підкласи.

Оксидоредуктази. До цього класу віднесені всі ферменти (де­гідрогенази, оксидази та ін.), які каталізують окисно-відновні реакції. Ці реакції здійснюються ланцюгом ферментів і проміж­них переносників водню або електронів від первинного субстра­ту до кінцевого акцептора - кисшо. Особливістю оксидоредуктаз є їхня здатність прискорювати велику кількість найрізнома­нітніших окисно-відновних реакцій, що забезпечує сполучення коферменту з багатьма апоферментами. При цьому щораз утво­рюється оксидоредуктаза, специфічна для того чи іншого субстра­ту. Оксидоредуктази беруть участь у хімічних реакціях, пов’я­заних з вивільненням енергії.

Трансферази. Ферменти цього класу здійснюють внутрі­шньо- і міжмолекулярне перенесення окремих функціональ­них груп. Залежно від характеру груп, що переносяться, роз­різняють метилтрансферази - переносять метильні групи СН₃, амінотрансферази - здійснюють перенесення аміяних груп NH₂, фосфотрансферази - транспортують залишок фосфатної кислоти.

Гідролази. Ферменти цього класу забезпечують розщеплен­ня внутрішньомолекулярних зв’язків органічних сполук за участі води. До цього класу належить велика група ферментів, у тому числі майже всі ензими шлунково-кишкового тракту: естерази, фосфатази, пептидази та ін.

Ліази. До цього класу відносять ферменти, які каталізують зворотні реакції відщеплення різних груп від субстратів негід- ролітичним шляхом. Розщеплення відбувається за зв’язком С - С, С - N, С - О і т.п. До таких ферментів належать, напри­клад, декарбоксилази, які відщеплюють CO₂, від карбонових

Ізомерази. Ці ферменти каталізують різні типи реакцій ізо­меризації. Вони також каталізують процеси внутрішньомолеку- лярних перетворень: перенесення водню, фосфатних й ацильних груп, зміну просторового розташування атомних груп, перемі­щення подвійних зв’язків і т.ін. Наприклад, L-ізомери перетво­рюються на D-ізомери, глюкоза - на фруктозу і т.д.

Лігази, або синтетази. Ферменти цього класу беруть участь в усіх реакціях синтезу різних сполук. Вони прискорюють реакції утворення органічних сполук. Одним із таких природних дона­торів енергії є аденозинтрифосфат (АТФ). Енергія, що виділяєть­ся при відщепленні залишків фосфорної кислоти, використову­ється для процесів біосинтезу.

До ферумвмісних ферментів належать каталаза, пероксидаза, цитохромокеидаза.

5. Використання ферментів в харчовій промисловості.

У харчовій промисловості ферменти використовуються для одер­жання продуктів із заданими властивостями. ГІри цьому можуть використовуватися мікробні ферменти; ферменти, виділені з де­яких органів, наприклад печінки, підшлункової залози, шлунка. Більш зручним і ефективним є використання іммобілізованих ферментів.

Іммобілізація ферментів - це включення об’єкта (фермен­ту) в ізольовану фазу, що відділена від фази вільного розчину, але здатна обмінюватися з нею молекулами.

Іммобілізовані ферменти одержують шляхом зв’язування з носіями розчинних ферментів або клітин, які мають фермента­тивну активність, тобто чинять сорбцію ферменту на носії і вклю­чення в структуру носіїв-гелів.

Іммобілізація наближає умови їх функціонування до при­родних.

Перевага їх використання полягає в тому, що їх можна вида­ляти з реакційного середовища, тобто контролювати хід реакції і багаторазово його використовувати. Використання іммобілізо­ваних ферментів дозволяє здійснювати кожен процес безперерв­но, пропускаючи розчини субстратів через реактори з іммобілі­зованими ферментами.

Іммобілізовані ферменти мають високу каталітичну актив­ність, її можна змінювати, змінюючи спосіб зв’язування і вид носія. Продукти реакції не забруднюються кристалічними фер­ментами.

За допомогою іммобілізованих ферментів одержують амінокис­лоти, ароматичні кислоти, цукри, органічні розчинники, антибі­отики, їх використовують для очищення стічних вод і водойм.

У промисловості застосовують ферменти мікробного похо­дження: протеолітичні, ліполітичні, амілолітичні, гідролази, що розщеплюють пектин, целюлозу і геміцелюлозу.

Лекція №8

Вітаміни як компоненти харчування людини.

[1.с.248-289; 2.с.240-284; 4.с.481-501]

План

1. Загальні поняття.

2. Класифікація вітамінів

2.1 Водорозчинні вітаміни

2.2 Жиророзчинні вітаміни

3. Вітамінна недостатність.

1. Загальні поняття.

Вітаміни – біоорганічні сполуки, що є життєво необхідними компонентами обміну речовин; вітаміни не синтезуються в організмі людини як інші біомолекули, а надходять з компонентами харчування. На відміну від таких поживних речовин, як вуглеводи, ліпіди та білки, вітаміни належать до мікрокомпонентів харчування: їх добові потреби для людини складають міліграмові або мікрограмові кількості.

Відкриття вітамінів пов’язане з розробками багатьох дослідників – лікарів, біохіміків, фізіологів, які встановили наявність у продуктах харчування певних сполук, необхідних для нормальної життєдіяльності, - ˝ додаткових факторів харчування ˝. Специфічні хвороби, пов’язані з порушеннями в харчуванні – цинга (скорбут), бері-бері, пелагра, рахіт (˝ англійська хвороба ˝), гемералопія (˝ куряча сліпота ˝) були відомі людству протягом століть. Першим вітаміном, щодо якого було доведено значення як необхідного фактора харчування, був тіамін (вітамін В), отриманий у 1911р. польським дослідником К. Функом з рисових висівок. Сполука, виділена К. Функом, попереджала розвиток бері-бері (поліневриту, спричиненого тривалим споживанням полірованого рису) і містила у своїй структурі аміногрупу, що стало основою запропонованого для всіх додаткових факторів харчування терміна ˝ вітаміни ˝ (vitaminum – амін життя; лат.).

Класифікація вітамінів

Враховуючи, що відкриття перших препаратів вітамінів значно передувало розшифровці їх хімічної структури, історично склалися емпіричні назви (номенклатура) вітамінів, що містять велику літеру латинського алфавіту з цифровим індексом; у сучасних назвах вітамінів вказують також їх хімічну природу, та в деяких випадках – основний біологічний ефект із префіксом ˝ анти- ˝.

Залежно від фізико-хімічних властивостей (розчинності у воді чи в ліпідах) вітаміни поділяють на дві великі групи: водорозчинні та жиророзчинні.

2.1 Водорозчинні вітаміни

Вітамін В₁ (тіамін; антиневритний вітамін).

Вітамін В₂ (рибофлавін).

Вітамін РР (вітамін В₃; ніацин; антипелагричний вітамін).

Вітамін В₆ (піридоксин; антидерматичний вітамін).

Вітамін В₁ ₂ (кобаломін; антианемічний вітамін).

Фолієва кислота (птероїлглутамат; антианемічний вітамін).

Вітамін Н (біотин; антисеборейний вітамін).

Пантотенова кислота (вітамін В₅; антидерматичний вітамін).

Вітамін С (аскорбінова кислота).

Вітамін Р (вітамін проникності).

2.2 Жиророзчинні вітаміни

Вітамін А (ретинол; аксерофтол; вітамін росту).

Вітамін К (філохінон; антигеморагічний вітамін).

Вітамін Е (α - токоферол; вітамін розмноження).

Вітамін F (комплекс поліненасичених жирних кислот).

Вітамін D (кальциферол; антирахітний вітамін).

Вітамінна недостатність.

Вітамінна недостатність - стан, що розвивається внаслідок зменшення (або відсутності) певного вітаміну в організмі. Вітамінна недостатність супроводжується важкими розладами біохімічних та фізіологічних процесів і виникненням специфічної патології.

Розрізняють гіповітамінози та авітамінози – патологічні стани, для яких властивими є, відповідно, відносна або повна недостатність вітаміну в тканинах. Основними причинами виникнення станів вітамінної надостатності (гіпо- та авітамінозів) є:

1.Зменшення (або відсутність) надходження певного вітаміну в організм у складі продуктів харчування (внаслідок нераціональної дієти або неправильної кулінарної обробки харчових продуктів); такі стани отримали назву екзогенних гіпо-(а-)вітамінозів.

2.Порушення засвоєння певних вітамінів клітинами організму (внаслідок розладів їх всмоктування у травному тракті або неспроможності біохімічних систем організму включати вітамін в обмінні процеси, зокрема внаслідок наявності їх структурних конкурентів – антивітамінів) – ендогенні гіпо-(а-)вітамінозів.

3. Збільшене виведення вітамінів в організму або підвищенна їх утилізація в біохімічних та фізіологічних процесах (ситуації, що можуть мати місце при лактації, вагітності, виснажливій фізичній праці, знаходженні людини в екстремальних температурних умовах, при тяжких інфекційних хворобах тощо).

В умовах гіпо- та авітамінозів виникають глибокі порушення певних метаболічних процесів та клітинних функцій, в яких беруть участь вітаміни як специфічні біомолекули. За механізмом дії вітаміни є коферментами складних ферментів (або беруть участь у синтезі коферментів як їх складові компоненти), входять до складу біомембран, виконують певні регуляторні функції на рівні окремих клітинних структур та цілого організму.