Фёршт Э. Структура и механизм действия ферментов

Пищеварение происходит в пищеварительной системе, которая включает в себя специальные железы, вырабатывающие ферменты. Ферменты — биологически активные вещества, способные ускорять биохимические реакции.

Антонов В.К. Химия протеолиза

  • формат djvu
  • размер 8.5 МБ
  • добавлен 24 сентября 2010 г.

М.: Наука, 1991. — 504 с. В книге суммирован обширный фактический материал по химии протеолитических и других ферментов, катализирующих гидролиз амидных связей. Рассматриваются структура субстратов и ферментов, механизмы неферментативного гидролиза производных карбоновых кислот, специфичность и эффективность катализа амидогидролазами, проблемы регуляции ферментативной активности. Значительное внимание уделено пробному разбору механизмов каталитич…

Функции ферментов

Каждый из ферментов обладает свойством выполнять определенную функцию и не затрагивать другие, т.е. обладает специфичностью.

Так, ферменты, расщепляющие белки, действуют только на них. Эту группу ферментов называют протеазами. К ним относятся пепсины, желатиназа, химозин желудка, трипсин и химотрипсин поджелудочной железы, энтерокиназа из желез стенок кишок.

Ферменты, расщепляющие жиры, называют липазами. Наиболее активны липазы, выделяющиеся с соком поджелудочной железы.

Третья группа пищеварительных ферментов — амилазы (карбогидразы). Они расщепляют углеводы. К ним относятся птиалин и мальтаза слюны, амилаза, мальтаза и лактаза поджелудочной железы.

Здесь названы лишь основные ферменты. На самом деле их больше. При всем многообразии они обладают упорядоченной последовательностью действия на вещества. Так, начальные этапы расщепления углеводов происходят в полости рта, последующие — в желудке, а затем — в кишках. Расщепление белков начинается в желудке под действием пепсина, а продолжается в кишках под действием других протеаз.

Ферменты функционируют только при определенных условиях среды: pH, температуре, наличии ряда веществ и пр.

Так, фермент желудочного сока — пепсин — действует в резко кислой среде, его оптимум при pH=1,5-2,5. Действие липаз эффективней, если жиры эмульгированы. Роль эмульгатора выполняет желчь. Для работы ферментов кишок необходима щелочная среда. Предпочтительная температура для их нормальной работы — +36-37°С.

Читайте также:  Сорбат калия (Е202) пищевая добавка. Польза и вред для организма

Если почему-либо изменяются условия в пищеварительном канале, ферменты снижают свою активность, что приводит к нарушению пищеварения, заболеваниям.

Механизм действия ферментов

Рассмотрим общий механизм действия ферментов. В начале реакции происходит соединение фермента (A) с субстратом (B), в результате образуется фермент-субстратный комплекс (A — B). Далее в активном центре фермента происходят преобразования субстрата, изменяются связи в молекуле субстрата, конфигурация фермента. На первом этапе образуется комплекс фермента с видоизмененным субстратом (A* — B*). Далее в активном центре происходит собственно реакция и образуется фермент-продуктный комплекс (A* — C). После окончания реакции комплекс распадается, освобождается продукт (C), а фермент вновь восстанавливается, каким был до начала реакции (A). Теперь он готов к новой реакции.

Процесс можно представить в виде схемы:

фермент + субстрат  фермент-субстрат  фермент-продукт  фермент + продукт

  A + B A — B A* — B* A* — C A + C

А теперь, для наглядности, представим механизм действия ферментов в виде рисунка:

Механизм действия фермента: 1 — фермент; 2 — субстрат; 3 — фермент-субстратный комплекс; 4 — фермент-продуктный комплекс; 5 — освобожденный продукт

Механизм действия ферментов

На скорость ферментативных реакций могут оказывать влияние различные факторы:

✅ Известно, что скорость химических реакций зависит, прежде всего, от концентрации веществ. Но у ферментативных реакций есть своя особенность. Их скорость зависит не столько от концентрации субстрата, сколько от концентрации фермента. Скорость реакции прямо пропорциональна концентрации фермента. Чем больше количество молекул фермента, тем быстрее будет протекать реакция.

✅ Помимо этого скорость реакции и активность фермента зависят от температуры, причем она уменьшается как при низких, так и при высоких температурах. При низких температурах слишком мала энергия активации молекул субстрата и фермента. При высоких температурах белки-ферменты денатурируют, т. е. сворачиваются и полностью разрушаются. Оптимальным считается температурный интервал от 25 до 40 °C.

✅ Также на активность фермента и скорость реакции влияет различная концентрация ионов H+ и OH—, т. е. pH среды. Большинство ферментов активны в узких пределах pH, чаще всего в нейтральной среде. Сдвиг концентрации ионов водорода может изменить электрический заряд белка-фермента, что приведет к изменению конфигурации молекулы и падению активности. Некоторые ферменты могут катализировать реакции в слабощелочной среде, например амилаза слюны, а другие — в кислой среде, например фермент желудка пепсин. Перепады pH среды также вызывают денатурацию фермента, но она, как правило, обратима.

✅ На скорость реакции и активность ферментов могут влиять и различные низкомолекулярные вещества:

Существуют активаторы ферментов — те, которые повышают их активность и ингибиторы — те, которые либо замедляют действие ферментов, либо совсем его прекращают. Это отдельная, большая тема о которой мы поговорим уже в следующей статье.

Разновидности

Ферменты поджелудочной железы различны. Они обеспечивают расщепление протеинов, кислотных жиров и нормальное протекание углеводного обмена. Когда действие ферментов активизируется, они образуют простые молекулы, которые затем поступают в системный кровоток и по нему попадают в клетки организма.

Читайте также:  Диета при отравлении у взрослых: меню в период острой фазы и после

Ферменты поджелудочной железы способствуют полному усвоению питательных веществ в организме. Но каждый из них имеет свои «обязанности». Часть из них обеспечивают выработку инсулина и глюкагона (они называются эндокринными), другая является ответственной непосредственно за переваривание компонентов пищи (экзокринные).

Экзокринные клетки поджелудочной обеспечивают выработку:

  • электролитов;
  • воды;
  • бикарбонатов;
  • ферментов для переваривания белков, жиров и углеводов.

В свою очередь, ферменты, вырабатываемые поджелудочной, подразделяются на следующие виды:

  • Амилаза. Этот фермент является ответственным за переработку глюкозы, которая попадает в организм вместе с пищей. Сначала амилаза воздействует на крахмал, а затем разбивает его на углеводы и моносахаридные остатки. Первые усваиваются клетками организма и служат в качестве энергии, вторые выводятся естественным путем (во время дефекации).
  • Липаза. Этот фермент «работает» только с жиром. Так как данный элемент пищи не обладает способностью всасываться в кровь, для лучшего усвоения липаза разбивает жир на более мелкие компоненты – глицерин и жирную кислоту.
  • Протеолитические ферменты. Этот фермент способствует расщеплению протеинов. Он также разбивает их на микрокомпоненты, которые легко усваиваются организмом. Однако этот процесс намного сложнее, чем вышеописанные. Изначально протеаза разбивает белки до молекул, которые построены из остатка аминной связки, то есть, пептидов. Затем происходит их дробление до органических соединений и только после этого их усвоение.

Активизация ферментов поджелудочной

Из всех вырабатываемых поджелудочной веществ протеолитические ферменты в активном виде считаются наиболее опасными. Вырабатываются они железой в нейтрализованном состоянии, а их действие активизирует трипсин. Его синтез также происходит в неактивном виде в форме трипсиногена. Однако в отличие от других ферментов, трипсин может активизировать себя самостоятельно. Для этого ему необходимо выделить из трипсиногена действующую часть. И чтобы данный процесс не активизировался в тканях железы и не оказал на них разрушительное действие, происходит он в кишечнике посредством выделения из стенок этого органа энтерокиназы.

Читайте также:  Диета от Василисы Володиной: похудей максимально быстро

Нарушить данный процесс могут различные факторы: и внешние, и внутренние. Но чаще всего процесс активизации трипсина нарушает разрушение клеток цитокиназа. И в этом случае большую опасность несет коллагеназ, который оказывает разрушительное действие на перегородки поджелудочной, что приводит к открытию неповрежденных участков железы и их дальнейшему повреждению.

Защитную функцию от кислотного расщепления этих веществ выполняет особый секрет, который также синтезируется поджелудочной. Он имеет щелочную среду и представляется в виде генератора веществ.

Вещества, вырабатываемые поджелудочной, выполняют различные функции

Поджелудочная железа также осуществляет выработку ингибиторов, которые также принимают непосредственное участие в процессе пищеварения и обмене веществ. Ингибиторы тоже имеют свои разновидности:

  • панкреатический глюкагон, контролирующий производство жидкости, бикарбонатов и прочих ферментов;
  • панкреастатин, снижающий процесс освобождения ацетилхолина, производящегося в эфферентных окончаниях блуждающего нерва;
  • нейтропептид, который содержит в себе кальцитонин-информационный пептид, стимулирующий соматостатин, и энкефалин, снижающий выработку ацетилхолина.

Всего поджелудочная железа синтезирует около 20 видов ферментов и из неактивных предшественников. Количество продуцируемых ферментов контролируется количеством и качеством употребляемой человеком пищи. Если человек часто употребляет в пищу «тяжелые» продукты (жирное, жареное, мучное и т.д.), то синтез ферментов усиливается. И в тех случаях, когда это происходит слишком часто, поджелудочная перегружается, в ней возникают патологические процессы, которые влекут за собой нарушение ферментативных функций и развитие панкреатита. Поэтому врачи призывают всех своих пациентов внимательно следить за своим питанием. Ведь только правильно подобранное и сбалансирование питание помогает предотвратить развитие болезней поджелудочной и сохранить ее функционирование.