Какое значение имеют ферменты в метаболизме

Главная роль ферментов в процессе обмена веществ

В организме каждого человека присутствует огромное количество клеток и тканей. В составе эти материалов есть также иные тела, которые между собой могут вступать в разные реакции. Каждый такой процесс взаимодействия контролируют ферменты.

Их тоже в организме не мало, и все они контролируют разные процессы. Например, одни из них могут разрывать процессы, а другие укорять синтез между тканями. Некоторые из них оказывают влияние на молекулы, а другие разрушают чужеродные тела, которые попадают в организм.

Какое значение имеют ферменты в метаболизме?

Роль ферментов в организме большая. Они не только участвуют в процессе обмена веществ, но способны ускорять реакцию между молекулами. Основной функцией фермента является расщепление и образование новых структур, которые необходимы для обеспечения нормальной жизнедеятельности человека.

Ферменты ученые еще называют энзимами. Относятся они к сильным катализаторам, которых в природе не так много. Они способны ускорять все процессы в теле. Благодаря таким элементам все реакции внутри происходят быстро и активно.

Ферментативная особенность данных элементов также заключается в том, что они участвуют в процессах:

Синтеза.
Дыхания.
Расщепления.
Кровообращения.
Размножения.
Обмена и прочих.

Без помощи фермента не может продуктивно работать миокард и передаваться импульсы к мозгу от нервных окончаний. Если один из таких процессов в организме будет нарушен, то это может привести к серьезным последствиям и нарушениям в работе систем.

Некоторые ученые сравнивают ферменты с кирпичами, без помощи которых невозможно построить ни одно сооружение. И это правильно, так как без фермента не может протекать ни один процесс в теле или происходить обмен генетическими данными.

Так как в составе каждого фермента есть сложные биокатализаторы, то снижение эффективности одного из них может стать причиной нарушений в организме, которые не всегда можно исправить. Человек с такими патологиями может прожить всю жизнь.

Месторасположения

Основная часть ферментов находится в клетках. Они отвечают за синтез молекул. В митохондриях располагается другая часть ферментов. Они уже отвечают за организацию о сохранение энергии. В лизосомах живет третий тип ферментов, которые отвечают за образование и расщепление кислот.

Благоприятные условия для ферментов

Часто ферментам приходится работать в щелочной среде. Она может быть разной по степени своей агрессивности. Для каждого такого элемента важен уровень кислотности. Он влияет на эффективность и функциональность фермента.

Оптимальная температура для деятельности фермента – 38-40 градусов. Потому они обитают там, где есть увеличенное кровообращение в теле. Когда температура поднимется выше 60 градусов, то это станет губительным фактором для ферментов, так как по своей структуре они являются белковыми, а потому в них начинают происходить денатуративные процессы (разрушения).

Классификация

Ученые выделяют две основные группы ферментов, которые отличаются структурой и формой. Это:

Простые. Структура у них белковая. Организм способен вырабатывать их самостоятельно.
Сложные. Строение небелковое, но определенные компоненты состоят из белка. Могут синтезироваться и обычно попадают в тело с пищей. Это бывают витамины В и определенные микроэлементы.

По своей функциональности они могут тоже различаться. От этого и зависит их место пребывания в организме. Например, пищеварительные можно встретить в слюне человека или на слизистых органов ЖКТ. Они отвечают за переваривание пищи.

В медицине выделяют ферменты и по типу реакций. Которые они контролируют. Это:

Амилаза. Расщепляет сахар. Принимает активное участие в обеспечении жизнедеятельности организма.
Липаза. Расщепляет кислоты и жиры. Это дает возможность организму их легче усваивать.
Протеаза. Расщепляет белки и делает из них кислоты.

Есть и защитные ферменты, которые защищают организм. Они могут устранять опасные для человека бактерии, когда те попадают в тело. Могут устранять и вирусы.

Важным ферментом, который относится к данной группе, является лизоцим. Он может полностью разрушить оболочку опасной для организма бактерии, активировать процессы для ее устранения, чем и защищает тело от воспалений и инфекций.

По функциям ферменты могут делиться на такие:

Оксидоредуктазы. Участвуют в окислительных процессах.
Трансферазы. Расщепляют белок и способствуют его синтезу.
Гидролазы. Дают возможность водным молекулам адаптироваться к организму.
Изомеразы. Преобразовывают разные вещества.
Лиазы. Помогают образовываться воде в теле.
Лигазы. Синтезируют белки, углеводы и кислоты. Могут из сложных молекул делать простые.

Дефицит ферментов

Бывают случаи, когда ферментов, которые участвуют в обмене веществ, у человека мало. Это может быть врожденный типа патологии или приобретенный. Первый тип заболевания может протекать с рождения на генном уровне.

Также он может проявляться при заболеваниях щитовидки. Лечение в данном случае может быть любое. Зависит от того, что именно стало причиной проявления патологии.

Независимо от того, к какому типу относится недостаток ферментов, он может на протяжении жизни человека доставлять ему немало хлопот, а иногда становится и причиной смерти.

Врачи могут поставить диагноз человеку по активности ферментов в крови или моче. Для этого потребуется пройти пациенту лабораторное тестирование. Такой метод диагностики позволяет на ранней стадии определить наличие той или иной патологии и начать своевременно ее лечение.

Нехватка ферментов у детей: причины

У детей нарушение обмена веществ в организме и нехватка энзимов может происходить вследствие прогрессирования определенных заболеваний в организме. Это могут быть болезни:

Инфекционные.
Поджелудочной.
Недуги, которые протекают в сложной форме.
Кишечные.
Вызванные интоксикацией при приеме лекарств.
Вызванные пребыванием в загрязненном климате.
Вызванные истощением и малым количеством белка или витаминов в теле.

У детей в возрасте до одного года недостаточное количество ферментов может быть из-за плохого питания или инфекции в теле. Также причиной могут быть и другие факторы.

Нехватка энзимов может негативно отразиться на работе ЖКТ, что квалифицируется врачами, как отдельный тип патологии. Это может сказаться на стуле человека и общем его состоянии. Симптоматика может быть такая:

Снижение аппетита.
Сыпь.
Тошнота и рвота.
Притупление развития.
Быстрое похудение.
Метеоризм и боли в животе.

Читать еще: Когда пересаживать лилейники весной или осенью

Диагностировать наличие патологии родители могут в некоторых случаях и самостоятельно. Им просто следует понаблюдать за ребенком. Он станет вялым и у него пропадет желание есть. Также у него будет редким стул. Призывы к посещению туалета он может ощущать лишь раз на 6-8 дней.

Симптомы патологии напоминают инфекцию в кишечнике, а потому при точном диагностировании придется сдавать кал для проведения анализа.

Воздействие

При появлении такой симптоматики надо немедленно обращаться к врачу. Также важно соблюдение диеты. Из рациона стоит полностью исключить продукты, которые в своем составе имеют глютен. Также внимание надо уделить картошке, крупам и овощам. Их надо больше потреблять. Можно есть и фрукты.

При наследственном типе патологии иногда приходится сидеть на диете на протяжении всей жизни. Также совместно надо проводить и медикаментозное лечение. Врач приписывает человеку средства, которые помогут вернуть ему нормальные функции организма.

§ 21. Обмен веществ и энергии в клетке

Подробное решение параграф § 21 по биологии для учащихся 10 класса, авторов Каменский А.А., Криксунов Е.А., Пасечник В.В. 2014

1. Как называются две составные части обмена веществ?

Ответ. Две составные части обмена веществ:

• Пластический (анаболизм, ассимиляция)

• Энергетический (катаболизм, диссимиляция).

2. Что такое метаболизм?

Ответ. Метаболи́зм (от греч. — «превращение, изменение»), или обмен веществ — набор химических реакций, которые возникают в живом организме для поддержания жизни. Эти процессы позволяют организмам расти и размножаться, сохранять свои структуры и отвечать на воздействия окружающей среды.

3. Что такое биологический катализатор?

Ответ. Катализаторы – потому, что ускоряют реакции, а биологические – потому, что образуются и работают в биологических системах (образуются только в клетках, а работать могут как внутри, так и вне клетки).

Биологические катализаторы называют ферментами.

4. Что такое ферменты? Какую функцию они выполняют?

Ответ. Ферменты — белки, являющиеся биологическими катализаторами. Ферменты присутствуют во всех живых клетках и способствуют превращению одних веществ (субстратов) в другие (продукты) Ферменты выступают в роли катализаторов практически во всех биохимических реакциях, протекающих в живых организмах — ими катализируется около 4000 биологических реакций. Ферменты играют важнейшую роль во всех процессах жизнедеятельности, направляя и регулируя обмен веществ организма.

Подобно всем катализаторам, ферменты ускоряют как прямую, так и обратную реакцию, понижая энергию активации процесса. Химическое равновесие при этом не смещается ни в прямую, ни в обратную сторону. Отличительной особенностью ферментов по сравнению с небелковыми катализаторами является их высокая специфичность.

Вопросы после §21

1. Что называют гомеостазом?

Ответ. В любой живой клетке постоянно происходят сложнейшие химические и физические реакции, необходимые для того, чтобы обеспечить постоянство условий внутренней среды как в самой клетке, так и в многоклеточном организме, находящемся под воздействием постоянно меняющихся внешних факторов. Постоянство внутренней среды биологических систем получило название гомеостаза. Если гомеостаз нарушается, это ведёт к тому, что клетки и организм в целом повреждаются или даже могут погибнуть. Все реакции, протекающие в клетке, направлены на поддержание гомеостаза.

2. Как связаны между собой пластический и энергетический обмены?

Ответ. Ассимиляция (пластический обмен) и диссимиляция (энергетический обмен) – противоположные процессы: в первом случае происходит образование веществ, на что тратится энергия, а во втором – распад веществ с выделением и запасанием энергии. Эти процессы невозможны друг без друга, так как если не синтезировать и не запасать органические вещества, то и распадаться будет нечему. А если прекратятся реакции распада, то не будет синтезироваться АТФ, что приведёт к невозможности синтеза веществ из-за нехватки энергии. Таким образом, реакции ассимиляции и диссимиляции – это две стороны единого процесса обмена веществ и энергии в клетке, который называется метаболизмом. Ассимиляция и диссимиляция всегда строго сбалансированы и скоординированы, а нарушение этого баланса всегда приводит к развитию какого-либо заболевания как отдельных клеток, так и целого организма или даже их гибели

3. Какое значение имеют ферменты в метаболизме?

Ответ. Реакции метаболизма в живой клетке протекают при умеренных температурах, нормальном давлении и малых колебаниях кислотности. Вне живых организмов при таких условиях все химические реакции ассимиляции и диссимиляции или вообще не могли бы протекать, или протекали бы медленно. Однако в живых организмах эти реакции проходят очень быстро. Это обусловливается участием в них ферментов.

Так как активность ферментов очень высока, то для обеспечения нормальной скорости метаболических процессов требуется очень малое количество молекул ферментов. Но поскольку ферменты действуют избирательно, клетке необходимо очень много видов ферментов. Например, фермент амилаза катализирует распад в ротовой полости крахмала: без этого фермента реакция не идёт. Фермент уреаза катализирует расщепление мочевины до аммиака и угольной кислоты, но не действует на другие родственные мочевине соединения

4. Какова химическая природа ферментов? В чём состоят специфические особенности их функционирования?

Ответ. Ферменты — сложные органические вещества, которые образуются в живой клетке и играют важную роль катализатора всех процессов, происходящих в организме. Большинство из них состоит из двух компонентов: белкового (апофермент) и небелкового (кофермент). В активную часть входят: железо, марганец, кальций, медь, цинк, а также некоторые витамины. Кофермент становится активным тогда, когда соединяется с апоферментом.

Будучи белковыми веществами, ферменты при нагревании до 54 oС необратимо коагулируют (сворачиваются) и теряют свои каталитические действия. Также они легко разрушаются под действием кислорода и света. Все процессы обмена веществ: белковый, углеводный, жировой, витаминный, минеральный — протекают при содействии ферментов. При нормальном атмосферном давлении и температуре 37 oС в живом организме эти процессы протекают быстро, сберегая большое количество энергии.

Форма и химическое строение активного центра фермента должны быть таковы, чтобы с ним могло связаться только определённое соединение, которое называется субстратом данного фермента. Например, активный центр фермента лизоцима, содержащегося в слюне, слезах, слизистых верхних дыхательных путей, имеет вид щели, которая по форме и размеру точно соответствует фрагменту муреина – полисахарида оболочки бактерий. Таким образом, лизоцим играет роль одного из защитных барьеров нашего организма, разрушая муреиновую клеточную стенку бактерий и убивая их.

Читать еще: Как написать инвестиционный меморандум

Установлено, что существует связь между ферментами, гормонами и витаминами. Известно, что авитаминозы и болезни, вызванные неправильной внутренней секрецией, объясняются нарушением обменных процессов организма.

С сырой пищей 60—80% ферментов достигают тонких кишок без изменений.

Витамин Е, которым насыщена свежая растительная пища, играет роль защитного фактора ферментов.

Ферменты – биологические катализаторы. Значение ферментов

В природе существуют особые вещества белковой природы, одинаково успешно функционирующие как в живой клетке, так и за её пределами. Это ферменты. С их помощью организм переваривает пищу, выращивает и разрушает клетки, благодаря им эффективно работают все системы нашего организма и, в первую очередь, центральная нервная система. Без ферментов в мире не существовало бы йогурта, кефира, сыра, брынзы, кваса, готовых каш, детского питания. Из чего состоят и как устроены эти биокатализаторы, недавно ставшие верными помощниками биотехнологов, как их отличают друг от друга, как они облегчают нашу жизнь, об этом вы узнаете из этого урока.

Определение ферментов

Ферменты – это белковые молекулы, которые синтезируются живыми клетками. В каждой клетке насчитывается более сотни различных ферментов. Роль ферментов в клетке колоссальна. С их помощью химические реакции идут с высокой скоростью, при температуре, подходящей для данного организма.

То есть ферменты – это биологические катализаторы, которые облегчают протекание химической реакции и за счет этого увеличивают её скорость. Как катализаторы они не изменяют направление реакции и не расходуются в процессе реакции.

Ферменты–биокатализаторы – вещества, увеличивающие скорость химических реакций.

Без ферментов все реакции в живых организмах протекали бы очень медленно и не могли бы поддерживать его жизнеспособность.

Наглядный пример работы ферментов – сладковатый вкус во рту, который появляется при пережевывании продуктов, содержащих крахмал (например, риса или картофеля). Появление сладкого вкуса связано с работой фермента амилазы, которая присутствует в слюне и расщепляет крахмал (рис. 1). Крахмал является полисахаридом, и сам по себе безвкусный, но продукты расщепления крахмала (моносахариды) с меньшей молекулярной массой (декстрины, мальтоза, глюкоза) сладкие на вкус.

Рис. 1. Механизм действия амилазы

Все ферменты – глобулярные белки с третичной или четвертичной структурой. Ферменты могут быть простыми, состоящими только из белка, и сложными.

Сложные ферменты состоят из белковой и небелковой части (белковая часть – апофермент, а добавочная небелковая – кофермент). В качестве кофермента могут выступать витамины – E, K, B групп (рис. 2).

Рис. 2. Классификация ферментов по их составу

Фермент взаимодействует с субстратом, не всей молекулой, а отдельной её частью – т. н. активным центром.

Механизм действия ферментов

Фермент взаимодействует с субстратом и образует короткоживущий фермент-субстратный комплекс. По завершении реакции, фермент-субстратный комплекс распадается на продукты и фермент. Фермент в итоге не изменяется: по окончании реакции он остается таким же, каким был до неё, и может теперь взаимодействовать с новой молекулой субстрата (рис. 3).

Рис. 3. Механизм взаимодействия фермента и субстрата

На рисунке 3 представлен механизм работы фермента, в частности, образования пептидной связи между молекулами аминокислот. Две аминокислоты взаимодействуют между собой в активном центре фермента, между ними образуется пептидная связь. Новое вещество (дипептид) покидает активный центр фермента, поскольку оно по своей структуре не соответствует этому центру.

Особенностью ферментов является то, что они обладают высокой специфичностью, т. е. могут ускорять только одну реакцию или реакции одного типа.

В 1890 году Э. Г. Фишер предположил, что эта специфичность обусловлена особой формой молекулы фермента, которая точно соответствует форме молекулы субстрата. Эта гипотеза получила название «ключа и замка», где ключ сравнивается с субстратом, а замок – с ферментом. Гипотеза гласит: субстрат подходит к ферменту, как ключ подходит к замку. Избирательность действия фермента связана со строением его активного центра (рис. 4).

Рис. 4. Гипотеза взаимодействия фермента и субстрата по принципу ключ-замок Э. Г. Фишера

Активность ферментов

В первую очередь, на активность фермента влияет температура. С повышением температуры скорость химической реакции возрастает. Увеличивается скорость молекул, у них появляется больше шансов столкнуться друг с другом. Следовательно, увеличивается вероятность того, что реакция между ними произойдет. Температура, обеспечивающая наибольшую активность фермента – оптимальная.

За пределами оптимальной температуры скорость реакции снижается вследствие денатурации белков. Когда температура снижается, скорость химической реакции тоже падает. В тот момент, когда температура достигает точки замерзания, фермент инактивируется, но при этом не денатурирует (см. видео).

В наше время для длительного хранения продуктов широко используют способ быстрого замораживания. Оно останавливает рост и развитие микроорганизмов, а также инактивирует ферменты, находящиеся внутри микроорганизмов, и предотвращает разложение продуктов питания.

Кроме этого, активность ферментов зависит ещё от pH среды (кислотности – то есть показателя концентрации ионов водорода).

В большинстве случаев, ферменты работают при нейтральном pH, т. е. при pH около 7. Но существуют ферменты, которые работают либо в кислой и сильнокислой, либо в щелочной и сильнощелочной среде. Например, один из таких ферментов – пепсин, он находится у нас с вами в желудке, работает в сильнокислой среде и расщепляет белки. Поскольку в желудке среда достаточно кислая, 1,5 – 2 pH, то этот фермент работает при сильнокислой среде.

Ферменты подвержены действию активаторов и ингибиторов. Некоторые ионы, например, ионы металлов Mg, Mn, Zn активируют ферменты. Другие же ионы (к ним относятся ионы тяжелых металлов, а именно Hg, Pb, Cd), наоборот, подавляют активность ферментов, денатурируют их белки.

Читать еще: Для чего нужна была письменность финикийским торговцам

Классификация ферментов

В 1961 году была предложена систематическая классификация ферментов на 6 групп. Но названия ферментов оказались очень длинными и трудными в произношении, поэтому ферменты принято сейчас именовать с помощью рабочих названий. Рабочее название состоит из названия субстрата, на который действует фермент, и окончания «аза» (рис. 5). Например, если вещество — лактоза, то есть молочный сахар, то лактаза – это фермент который его преобразует. Если сахароза (обыкновенный сахар), то фермент, который его расщепляет, – сахараза. Соответственно, ферменты, которые расщепляют протеины, носят название протеиназы.

Значение ферментов

Ферменты применяются практически во всех областях человеческой деятельности, и такое широкое применение, в первую очередь, связано с тем, что они сохраняют свои уникальные свойства вне живых клеток.

Ферменты групп амилаз, протеаз и липаз применяются в медицине. Они расщепляют крахмал, белки и жиры. Все эти ферменты, как правило, входят в состав комбинированных препаратов, таких как фестал и панзинорм, и используются, в первую очередь, для лечения заболеваний желудочно-кишечного тракта (рис. 6).

Ферменты применяют для растворения тромбов в кровеносных сосудах, при лечении гнойных ран.

Особое место занимает энзимотерапия при лечении онкологических заболеваний.

Такие ферменты как амилаза расщепляют крахмал и поэтому широко используются в пищевой промышленности. В пищевой промышленности используется протеиназа, расщепляющая белки, и липазы, расщепляющие жиры. Ферменты амилазы используются в хлебопечении, виноделии и пивоварении (см. видео).

Протеазы используются для смягчения мяса и при изготовлении готовых каш.

Липазы используются в производстве сыра.

Ферменты широко используются в косметической промышленности, входят в состав кремов, некоторые ферменты входят в состав стиральных порошков.

Энзимопатология

Энзимопатология – область энзимологии, которая изучает связь между болезнью и недостаточным синтезом, или отсутствием синтеза какого-либо фермента.

Например, причиной наследственного заболевания – фенилкетонурии, которое сопровождается расстройством психической деятельности, является потеря клетками печени способности синтезировать фермент, катализирующий превращение фенилаланина в тирозин.

В результате в организме накапливаются токсические вещества. Новорожденный ребенок выглядит здоровым, а первые симптомы фенилкетонурии проявляются в возрасте от двух до шести месяцев. Это выраженная вялость, отсутствие интереса к окружающему миру, повышенная раздражительность, а также беспокойство и рвота.

Во втором полугодии жизни у ребенка выражено отставание в психическом развитии. Менее чем в 10% случаев – это слабая степень олигофрении, а у 60% развивается идиотия.

При своевременной диагностике патологических изменений можно избежать, если с момента рождения до наступления полового созревания ограничить поступление фенилаланина с пищей.

Стиральные порошки с ферментами

На этом уроке мы с вами выяснили, что ферменты используются в различных областях человеческой деятельности.

Они широко используются в пищевой промышленности, в медицине, в косметике и бытовой химии. Например, в стиральные порошки добавляют амилазу, которая расщепляет крахмал, протеазы, расщепляющие белки или белковые загрязнения, и липазы, очищающие ткани от жира и масла. Как правило, в состав стирального порошка входит комбинация этих ферментов, то есть ферментные препараты усиливают действие друг друга.

Сегодня наиболее изученными ферментами являются протеазы и амилазы. Липазы не всегда стабильны по качеству. Их разработкой занимаются только 10 лет, а амилаза и протеаза существуют на рынке уже более полувека. Сегодня эти две категории ферментов очень хорошо изучены и дают прекрасные результаты, чего пока что нельзя сказать о липазах. Липазы полностью справляются с загрязнениями только после двух-трех стирок, а протеазы и амилазы – за одну.

Ученые подсчитали, что добавление ферментов в стиральные порошки на 30-35% увеличивает моющую способность данного порошка.

Из истории открытия ферментов

Ферменты были открыты при изучении процессов брожения. Представления о том, что химические процессы внутри живых организмов протекают под действием каких-то особенных веществ, возникло более 200 лет назад. В XIX века Луи Пастер (рис. 7) доказал, что сбраживание дрожжами сахара в спирт катализируется веществами белковой природы. Пастер ошибочно считал, что ферменты неотделимы от живых клеток. Другой ученый, Эдуард Бухнер, доказал, что в водных экстрактах живых клеток находится набор ферментов, катализирующих превращение сахара в спирт. Именно его открытие дало начало новой науке – энзимологии.

Успехи энзимологии во второй половине XX века привели к тому, что в настоящее время выделено и очищено более 2000 ферментов, которые используются в различных отраслях человеческой деятельности.

Домашнее задание

1. Что такое фермент?

2. Как ферменты работают?

3. Как ферменты получают имена? Назовите известные вам группы ферментов.

4. Назовите ученых, которые внесли особый вклад в дело изучения ферментов.

5. К какому уровню организации можно отнести ферментативный катализ?

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал Biochemistry.ru (Источник).

3. Интернет-портал Chem.msu.su (Источник).

Список литературы

1. Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Общая биология 10-11 класс Дрофа, 2005.

2. Биология. 10 класс. Общая биология. Базовый уровень / П. В. Ижевский, О. А. Корнилова, Т. Е. Лощилина и др. – 2-е изд., переработанное. – Вентана-Граф, 2010. – 224 стр.

3. Беляев Д. К. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. – 11-е изд., стереотип. – М.: Просвещение, 2012. – 304 с.

4. Биология 11 класс. Общая биология. Профильный уровень / В. Б. Захаров, С. Г. Мамонтов, Н. И. Сонин и др. – 5-е изд., стереотип. – Дрофа, 2010. – 388 с.

5. Агафонова И. Б., Захарова Е. Т., Сивоглазов В. И. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. – 6-е изд., доп. – Дрофа, 2010. – 384 с.

Если вы нашли ошибку или неработающую ссылку, пожалуйста, сообщите нам – сделайте свой вклад в развитие проекта.