Ферменты: без них все остановится - ОБМЕН ВЕЩЕСТВ: ЧТО С ЧЕМ ОБМЕНИВАЕТСЯ

Одновременно в организме человека происходят миллионы различных химических взаимодействий. Все эти реакции метаболизма протекают при температуре, близкой к 37 °С, и малых колебаниях кислотности. В таких условиях химические реакции должны были бы длиться очень долго, а многие из них вообще не должны происходить. Однако в организме все реакции метаболизма происходят быстро, и многие из них длятся миллионные доли секунды. Это становится возможным благодаря ферментам, участвующим в реакциях обмена веществ.

Ферменты - это специальные белковые молекулы, ускоряющие скорость протекания химических реакций в организме во много миллионов и миллиардов раз. Их также называют биологическими катализаторами. В организме человека выявлено не менее тысячи ферментов, каждый из которых избирательно катализирует какую-то реакцию обмена веществ. Ферменты необходимы для синтеза белков, переваривания и усвоения питательных веществ, реакций энергетического обмена, мышечного сокращения, нервно-психической деятельности, размножения, процессов выведения веществ из организма и т. д.

Ферменты - наиболее активные из всех катализаторов. Например, фермент каталаза превращает образующуюся в клетках и очень для них ядовитую перекись водорода в воду и кислород. При этом одна молекула каталазы способна за одну секунду “утилизировать” 10 тыс. молекул токсичной перекиси. Сам фермент в реакциях не участвует, но он способен мгновенно запускать какой-либо химический процесс с очень малыми затратами энергии.

Ферментативную активность обычно определяет небольшая часть белковой молекулы фермента, называемая активным центром. Иногда в состав активных центров, помимо аминокислот, входят ионы металлов, витамины и другие соединения небелковой природы. Эти “помощники” ферментов называются коферментами. Так, витамины В₁ и В₂ являются коферментами ферментов энергетического обмена клетки.

Форма и химическое строение активного центра фермента должны быть таковы, чтобы с ним могло связаться только определенное соединение, именуемое субстратом данного фермента (рис. 10.2, а). Например, активный центр фермента лизоцима, содержащегося в слюне, слезах, в 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 некоторые бактерии.

Рис. 10.2. Начало взаимодействия субстрата с ферментом (а) —> фермент-субстратный комплекс (б) —> расщепление субстрата (в): 1 - субстрат; 2 - фермент; 3 - активный центр; 4 - присоединение субстрата к ферменту; 5 - разрыв связи; 6 - продукты расщепления

Связавшись с активным центром, молекула субстрата меняет свою форму таким образом, что участвующая в реакции химическая связь ослабляется, и поэтому катализируемая реакция проходит с большей скоростью и меньшими затратами энергии (рис. 10.2, б). После прохождения реакции фермент-субстратный комплекс распадается на продукт реакции и свободный фермент, который может взаимодействовать со следующей молекулой субстрата (рис. 10.2, в). Ускоряя реакции обмена, ферменты не привносят в них свою энергию, и если для реакции необходимы энергетические затраты, они обеспечиваются участием в ней АТФ.

Ферменты важны для нормальной работы систем нашего организма, поэтому отсутствие или нарушение активности какого-либо фермента приводит к заболеваниям, а нередко и к гибели. Так, болезнь наследственного типа - галактоземия - развивается вследствие нарушения синтеза фермента, ответственного за превращение галактозы в легко усваиваемую глюкозу. Это заболевание приводит к умственной отсталости. Причиной другого наследственного заболевания - фенилкетонурии, - сопровождающегося расстройством психической деятельности, является потеря клетками печени способности синтезировать фермент, катализирующий превращение аминокислоты фенилаланина в тирозин.

Для диагностики многих заболеваний человека определяют активность ферментов в крови, моче, спинномозговой жидкости, сперме. Например, при помощи анализа ферментов плазмы крови можно выявить вирусный гепатит, ранние стадии инфаркта миокарда, панкреатит, заболевания почек и др.

Содержание тех или иных ферментов в тканях человеческого тела может существенно различаться. Да и показатели активности какого-либо фермента у двух людей могут сильно не совпадать. Например, у монголоидов ферменты очень медленно разрушают алкоголь, и продукты его распада долго циркулируют по сосудам с кровью, отравляя клетки организма. Поэтому китайцам и японцам алкоголь противопоказан. А у мужчин европеоидной расы алкоголь разрушается гораздо быстрее, чем у женщин.