Підручник з Біології і екології (рівень стандарту). 10 клас. Андерсон - Нова програма

§ 19. Ферменти та їхня біологічна роль

Які ферменти забезпечують травлення в організмі людини?

Які ферменти беруть участь у зсіданні крові?

На молекулярному рівні життя є сукупністю найрізноманітніших хімічних реакцій, що відбуваються в організмах (а часом і за їх межами). Більшість із таких реакцій забезпечують перетворення лише однакових молекул, тобто ступінь їх вибірковості є високим. Крім того, швидкість біохімічних реакцій в організмах у мільйони разів вища, ніж якщо вони відбувалися б у неживій природі за нормальних умов. Такі особливості функціонування живого забезпечують спеціалізовані білки або молекули РНК, які називаються ферментами (ензимами).

Функціонування ферментів. Ферменти є біологічними каталізаторами - речовинами, які значно прискорюють швидкість реакцій, не витрачаючись у них. Тобто ферменти взаємодіють зі сполуками, що є субстратом реакції, змінюють їхню структуру, перетворюючи на продукт реакції, але самі при цьому не змінюють свого хімічного складу (рис. 88). Назви ферментів зазвичай формуються з назв їхніх субстратів з додаванням закінчення -аза. Наприклад, фермент лактаза розщеплює молочний цукор лактозу на моносахариди глюкозу та галактозу (проаналізуйте інший приклад (рис. 89)). Деякі ферменти мають традиційні назви (без закінчення -аза), наприклад пепсин і трипсин, що забезпечують процеси травлення людини (пригадайте, процес розщеплення яких речовин вони каталізують).

Рис. 88. Схема дії ферменту

Проаналізуйте схему. Запропонуйте підписи до неї.

Рис. 89. Тривимірна модель будови молекули ферменту, що розщеплює сахарозу на моносахариди

Поміркуйте, як називається цей фермент. Яка речовина є його субстратом? Що є продуктом цієї реакції?

Унаслідок зв’язування ферменту із субстратами утворюється тимчасова сполука фермент-субстратний комплекс, який розпадається з утворенням ферменту та продуктів реакції. Енергетично цей процес є більш вигідним, ніж перетворення субстрату на продукт без участі ферменту. Без нього реакція може потребувати високих температур, тиску, високої кислотності середовища тощо, тобто не може ефективно відбуватися в живих клітинах.

Функціонування ферменту визначається просторовою структурою його молекули. Завдяки здатності білків набувати найрізноманітніших третинних і четвертинних структур ферменти каталізують велику кількість реакцій - міжнародна база даних ферментів налічує близько 7000 назв і постійно поповнюється. Найважливішою для функціонування ферменту є частина молекули, що безпосередньо зв’язує субстрат і забезпечує його перетворення. Це активний центр (рис. 90).

Функціонування деяких ферментів залежить від наявності додаткових речовин небілкової природи. Сполуки, необхідні для роботи ферментів, називають коферментами. Ними можуть бути, наприклад, похідні вітамінів. Для функціонування деяких ферментів необхідна наявність йонів металів (Цинку, Купруму, Кобальту тощо).

Фактори, що впливають на активність ферментів. Рівень активності ферментів може визначатися концентрацією продуктів реакції. Зазвичай вони гальмують роботу ферменту: при накопиченні продуктів реакції швидкість реакції знижується, а отже утворення цих речовин припиняється. У такий спосіб регулюється надмірне накопичення утворюваних сполук.

Важливим фактором є температура: з підвищенням температури на 10 °С ферментативна активність зростає приблизно у 2-3 рази. Проте, як і всі білки, ферменти можуть денатурувати, втрачаючи властиву їм природну структуру.

Рис. 90. Тривимірна модель молекули ферменту лізоциму. Активний центр виділено кольором, також можна бачити зв’язану молекулу субстрату

Укажіть функцію зображеної речовини.

Підготуйте повідомлення про ферменти, які функціонують на рівні організму.

Це призводить до втрати каталітичної активності, наприклад, в організмі людини білки починають денатурувати за температури ~40 С. Такий вплив можна простежити під час дослідження швидкості розщеплення крохмалю амілазою (рис. 91). В інших організмів білки залишаються стійкими в більшому інтервалі температур, зокрема, деякі бактерії живуть у водоймах, температура в яких вища ніж 80 °С, а археї долають межу у 100 °С (див. § 9).

Іншим шляхом регуляції роботи ферментів є приєднання до них певних сполук, наприклад, залишку ортофосфатної кислоти. Така реакція називається фосфорилюванням. Унаслідок неї неактивний фермент стає активним і починає виконувати свою функцію. Фосфорилювання може спричиняти й протилежний ефект - змінений білок переходить з активного стану в неактивний. Такі зміни можуть відбуватися всередині клітин унаслідок дії на них різноманітних подразників - гормонів, медіаторів тощо. Таким чином, зміна активності ферменту є одним зі способів регуляції функціонування клітин. Деякі речовини можуть блокувати активний центр ферменту - це призводить до порушення його функціонування.

Ферменти й захворювання. Ферменти забезпечують більшість функцій в організмі - зчитування спадкової інформації, процеси отримання енергії, синтез необхідних для росту й розвитку речовин, розщеплення проміжних продуктів обміну речовин тощо. Наприклад, фермент каталаза забезпечує розщеплення до води й кисню отруйного для організму гідроген пероксиду, що утворюється в клітинах як проміжний продукт окиснення.

У випадку, якщо той чи інший фермент не функціонує, контрольована ним реакція не відбувається, що призводить до захворювання. Наприклад, якщо в організмі людини бракує ферменту лактази, не розщеплюватиметься молочний цукор. Оскільки лактоза не може всмоктуватися безпосередньо в кишечнику в кров, вона залишатиметься в порожнині травного тракту, де її використовуватимуть бактерії. Утворені при цьому продукти обміну речовин (вуглекислий газ, молочна кислота) негативно впливатимуть на функціонування кишечника, що виявлятиметься як симптоми несприйняття лактози (нудота, здуття, біль, пронос тощо). Багато таких захворювань е вродженими, тобто зумовлені мутаціями генів, які кодують структуру відповідних ферментів (§ 43).

Рис. 91. Залежність швидкості розщеплення крохмалю амілазою від температури

На графіку представлені результати дослідження. Оберіть твердження, які можна сформулювати внаслідок аналізу отриманих результатів:

«Швидкість розщеплення:

1) завжди прямо пропорційна змінам температури;

2) залежить від генетичної програми організму;

3) максимальна за температури ~37°С».

Ферментативні реакції часто є послідовними каскадами, коли продукт попередньої реакції стає субстратом наступної (рис. 92). Тож для синтезу або розщеплення певних сполук потрібна злагоджена послідовна робота кількох (часто десятків) ферментів. Такі складні ланцюжки реакцій забезпечують процеси отримання клітиною енергії, фотосинтезу тощо. Якщо хоча б один з ферментів каскаду не функціонує, то розвиваються захворювання. Порушення функціонування багатьох ферментів виникає також унаслідок нестачі в раціоні вітамінів, незамінних амінокислот, жирних кислот, макро- та мікроелементів.

Вітаміни здебільшого не утворюються в організмі, тому за їх відсутності в харчових продуктах порушується функціонування ферментів, обмін речовин і розвиваються тяжкі захворювання. Такими захворюваннями людини є, наприклад, рахіт, цинга, куряча сліпота тощо. До пригнічення активності окремих ферментів можуть призводити також природні компоненти харчових продуктів або чужорідні речовини, що містяться в них (наприклад пестициди). Тому запорукою запобігання захворюванням, що виникають унаслідок порушення функціонування ферментів в організмі, є дотримання умов вирощування рослин, правил збереження вітамінів у продуктах та збалансоване харчування.

Рис. 92. Частина ланцюга розщеплення глюкози

Простежте, які структурні перетворення відбуваються під час кожної реакції. Зважте, що кожна стрілка відповідає впливу певного ферменту.

1. Дайте означення поняття ферменти.

2. Наведіть приклади ферментів.

3. Чому наявність ферментів є необхідною умовою життєдіяльності клітини?

4. Опишіть механізм дії ферменту.

5. Які фактори впливають на активність ферментів?