Ферменты в биологии. Что это, классификация, свойства, классы

Почти все ученые в мире уверены, что недостаточное число ферментов внутри человека вызывает определенные заболевания. Ведь без этих соединений жизнь неминуемо замедляется, а иногда и вообще останавливается. В биологии катализ таких веществ делает пищу полезной и ускоряет все внутренние процессы.

Определение ферментов

С латинского термин «ферменты» переводится как «брожение». Данные элементы еще именуют энзимами, что на греческом языке означает «в дрожжах». Эти вещества представляют собой клеточные соединения. Такие био-катализаторы обеспечивают необходимый уровень жизни. Благодаря им, все процессы и реакции в организме протекают достаточно четко и быстро.

В дополнительном употреблении ферментов из других источников нуждаются:

• спортсмены;
• больные с энзимной дисфункцией;
• те, кто восстанавливается после болезни;
• дети и люди в зрелом возрасте;
• пациенты со слабым здоровьем;
• немощные и рано начавшие стареть;
• инвалиды;
• те, которые имеют проблемы с весом;
• люди, употребляющие в пищу большое количество мяса;
• вегетарианцы;
• страдающие половой дисфункцией;
• беременные и недавно родившие женщины;
• люди с проблемами печени и пищеварения;
• неврастеники.

Классы

Все ферменты подразделяют на:

• Оксидоредуктазы, состоящие из гема и витамина. Такие энзимы подразделяются на 17 подгрупп и участвуют в окислительно-восстановительных процессах. К ферментам данного класса относятся:
• Дегидрогеназы, они расщепляют водородные атомы и перемещают их на следующий субстрат. Эта ферментная подгруппа действует в процессах фотосинтеза и дыхания. В ней присутствуют:

1. изоцитратдегидрогеназа;
2. энзимы печени;
3. цитохромредуктазы;
4. пируватдегидрогеназа.

• Оксидазы (тирозиназа и цитохромоксидаза), катализирующие соединение кислорода и водорода.
• Липоксигеназа.
• Пероксидаза.
• Каталаза.
• Трансферазы, включающие в себя амино- и гликозилтрансферазу, их задача состоит в том, чтобы переносить радикалы.
• Гидролазы, расщепляющие молекулярные связи с последующей привязкой воды. Этот класс характеризуется:
• Пептидазами, разлагающими белки на аминокислоты, к ним причислены:

1. карбоиксипептидаза;
2. трипсин;
3. пепсины;
4. химотрипсин.

• Гликозидазами, которые разрушают олиго- и полисахариды, например:

1. сахараза;
2. мальтаза;
3. амилаза.

• Эстеразами, разрывающими жиры и эфиры.
• Лиазы с витаминами В6 или В1.
• Изомеразы.
• Синтетазы или лигазы.

Ферменты в биологии – это особенные протеины, которые призваны катализировать химические процессы в организме. Они бывают пищеварительными и метаболическими. Первые помогают переваривать еду, а вторые избавляют от токсинов.

В расположенной ниже таблице находится более подробная информация о видах ферментов:

Наименование фермента	Где находится	Функции
ДНК-полимераза	В дезоксирибонуклеатидах	Синтез ДНК
Липазы	В кишечнике	Переваривание жиров
Геликаза	В генных клетках	Распутывание ДНК
Амилаза	В слюне	Преобразование крахмала в сахар
Ацетилхолинэстераза	В мышцах и нервах	Разрушение ацетилхолина
Мальтаза	В слюне	Расщепление сахаров
Лактаза и трипсин	В тонком кишечнике	Разложение сахаров и белков

Роль и практическое использование

Ферменты принимают участие в обменных процессах, а также реализуют генетическую информацию.

Они также:

• Усваивают и переваривают пищу.
• Расщепляют и синтезируют:

1. нуклеиновые кислоты;
2. углеводы;
3. белки;
4. жиры.

• Воздействуют на:

1. размножение;
2. дыхание;
3. нервы и психику;
4. мышцы.

Энзимы или ферменты применяются в следующих промышленностях:

• кожевенной;
• фармацевтической;
• пищевой;
• текстильной.

Белковые катализаторы к тому же активно используют:

• химическая отрасль;
• медицина;
• сельское хозяйство;
• фармакология;
• биохимия;
• генная инженерия;
• молекулярная биология.

Состав ферментов

В состав протеинов-катализаторов входят:

• белки;
• конферменты (металлические включения);
• коферменты (витамины).

Сложные ферменты состоят из кофактора и апофермента, а простые содержат в себе:

• лизоцим;
• пепсин;
• трипсин.

Номенклатура и классификация ферментов

Ферменты в биологии – это ускорители всех химических реакций, протекающих в клетках. Они усиливают обмен веществ и пищеварение. Данные соединения, которые еще называют энзимами, работают с объектами в организме (субстратами) до полного завершения своего труда. После этого они переходят к следующим целям.

Все ферменты имеют индивидуальные номера из 4 чисел:

1. Номер класса.
2. Подкласс.
3. Подподкласс.
4. Порядковый номер по алфавиту.

Особенности и свойства ферментов

Чертами ферментов являются:

• связывание только с определенными субстратами или высокоспецифичность;
• зависимость активности от температуры и ph-уровня;
• высокая избирательная способность или селективность;
• сложная и уникальная белковая структура;
• сверхчувствительность к химическим соединениям;
• высокоэффективный катализ;
• ускорение термодинамических реакций;
• очень низкая израсходуемость.

Основными свойствами ферментов являются:

• биологическая катализация белкового происхождения;
• потеря активности и свертываемость при кипячении;
• постепенное увеличение скорости реакции;
• сохранение температуры процессов;
• растворение в водной среде и создание коллоидных растворов;
• гидролиз и денатурация;
• возможность расщепления огромного количества органического вещества;
• термолабильность;
• абсолютная и относительная специфичности.

Функции и механизм действия

К ферментным функциям причисляют:

• целенаправленное употребление энергии;
• определенную избирательность проходящих процессов;
• тысячекратное ускорение химических реакций или катализ;
• помощь в преобразовании субстратов в конечные продукты;
• защитную, которая обезвреживает ксенобиотики и эндотоксины;
• регуляторную, происходящую в клеточном микропространстве;
• бактериальное брожение;
• метаболическую;
• питательную;
• генетическую;
• фармакологическую;
• биосинтетическую;
• кинетическую;
• биосинтетическую.

Распределение в организме

Ферменты в биологии – это крупные белки, которые насчитывают в своем классе более 4 тыс. разных видов. Они объединяются в целые системы, чтобы потом эффективно влиять на внутренние био-химические процессы.

Биокатализаторы разлагают питательные вещества на меньшие частицы для их дальнейшего использования организмом.

При взаимосвязи с другими соединениями в организме энзимы на короткое время создают фермент-субстратные группы. Такие комплексы в конце процесса расщепляются на конечные продукты и энзимы. Неизмененные после этого ферменты могут связываться и дальше с другими молекулами субстратов.

В зависимости от работоспособности и размещения в организме ферменты бывают:

• органеллоспецифическими;
• органоспецифическими;
• универсальными.

Общие или универсальные энзимы:

• находятся почти во всех молекулах организма;
• катализируют процессы белкового биосинтеза;
• создают для клеток условия жизни;
• ускоряют энергообмен.

К органоспецифическим ферментам причисляют:

• аланинаминотрансферазу;
• липазу;
• аргиназу;
• альфа-амилазу;
• урокиназу;
• кислую и щелочную фосфатазы;
• гистидазу;
• сорбитолдегидрогеназу;
• глутамилтрансферазу.

Органеллоспецифические ферменты бывают структурированными и коллоидно-растворенными в цитозоле.

Они могут располагаться в:

• рибосомах;
• клеточных ядрышках и центрах;
• цитоплазме;
• митохондриях;
• клеточных мембранах;
• лизосомах;
• микросомах.

Процесс синтеза ферментов

Ферментный синтез является частью белкового синтеза, который регулируют гены. При этом энзимам свойственны реакции трансляции и транскрипции.

Ферментный синтез протекает по следующему алгоритму:

1. ДНК сначала выдает информацию о необходимом ферменте.
2. Затем происходит кодировка матричной РНК всех аминокислот, находящихся в энзиме.
3. При достаточном количестве продукта для катализа транскрипция закрывается, а при его дефиците – наоборот, начинается и продлевается, пока это необходимо.
4. После выхода матричной РНК в клеточную цитоплазму происходит трансляция. На эндоплазматической линии рибосом формируется синтез первичной цепочки из пептидных соединений и аминокислот. Но на данном этапе белковая молекула еще не способна проделывать свою ферментативную работу.
5. Далее, в той же сети, начинает скручиваться протеин, за счет чего создаются вторичная и третичная структуры.
6. После этого некоторые энзимы синтез прекращают. Но для усиления активного катализа требуется включение кофактора и кофермента.
7. К отдельным участкам эндоплазматической оболочки могут присоединяться следующие органические элементы ферментов:

• нуклеиновые кислоты;
• витамины;
• моносахариды;
• жиры.

8. Для формирования четвертичной белковой структуры к доменной группе требуются включения металлических ионов (кофакторов).

Иногда для одной реакции необходимо наличие нескольких энзимов, которые могут функционировать при разных ситуациях. Лучше всего для этого подходят множественные формы катализаторов, а также изоферменты. Первые из таких энзимов формируются посттрансляционно, а вторые – генетически.

Ферменты в биологии – это те элементы организма, которые в процессе своей работы не имеют свойства расходоваться. При подходящей температуре скорость таких соединений значительно увеличивается. Из-за этого убыстряются и реакции, в которых они участвуют.

Ферменты человека и наследственные заболевания

В человеческом организме постоянно происходит большое количество различных процессов. Для нормальной работы всех внутренних систем клеткам требуются ферменты, направляющие реакции по правильному пути

. При недостаточной активности энзима либо при его отсутствии начинают проявлять себя разные заболевания. Данные недуги объединены в общую группу, которая называется ферментопатией.

Среди типов наследственных заболеваний выделяют:

• Лизосомные патологии, из-за которых нарушается обмен веществ и накапливаются токсины. К таким нарушениям относятся болезни:

1. Тея-Сакса, при ней прогрессирует слабость, а затем полностью выходит из строя нервная система;
2. синдром Гурлера, вызывающий отставание в развитии и образование аномальных структур в костях;
3. Краббе, ведущая к отставанию в развитии и повреждающая нервы;
4. Ниман-Пика, при которой повреждаются нервы и увеличивается печень;
5. Фабри, поражающая лишь мужскую часть населения и характеризующаяся болями в конечностях;
6. Гоше, приводящая к болям в костях и расширению печени.
7. Накопления металлов (гемохроматоз и болезнь Вильсона).

• Галактоземию, которая появляется из-за дефицита активности фермента, превращающего галактозу в глюкозу. Вследствие этого данное вещество вместе с фосфатом не выводится из:

1. коры большого мозга;
2. сыворотки крови;
3. хрусталика;
4. эритроцитов;
5. сердца;
6. печени;
7. мышц.

• Пероксимальные расстройства в виде синдрома Зеллвегера, выражающегося в:

1. повреждении нервов;
2. расширении печени;
3. развитии аномальных лицевых черт.

• Лейциноз, который приводит к аминокислотному накоплению в организме.

1. Фратаксию, приводящую к:
2. проблемам с ходьбой;
3. сердечным болям;
4. нервным повреждениям.

• Фенилкетонурию, которая обуславливается патологией обмена фенилаланина, из-за чего не вырабатываются:

1. тироксин;
2. адреналин;
3. тирозин;
4. меланин.
5. Болезни, связанные с накоплением гликогена, при них:
6. повреждаются мышцы;
7. появляется слабость;
8. понижается уровень сахара в крови.

У детей, при рождении, могут наблюдаться следующие наследственные нарушения обмена:

• Проблемы с пищеварением из-за ферментативных сбоев.
• Патология белкового синтеза.
• Болезни, связанные с нарушением углеводного обмена:

1. гликогеноз;
2. лактозная недостаточность;
3. диабет.

• Патологии, вызванные сбоями в аминокислотном обмене:

1. фенилкетонурия;
2. нарушенный стероидный обмен;
3. альбинизм;
4. алкаптонурия.

Наследственные нарушения обмена веществ проявляются:

• тромбоцитопенией;
• сбоями в пищеварительной системе;
• задержкой умственного развития;
• увеличением селезенки и печени;
• нарушениями в нервной системе;
• катарактой;
• судорогами и комой;
• изменением состояния кожи и волос;
• специфическим запахом тела и мочи;
• скелетными аномалиями;
• мышечными поражениями;
• иммунодефицитом;
• атетозами;
• миопатией;
• кетоацидозными рецидивами.

Для ферментопатий с наследственным характером у маленьких детей характерны симптомы:

• Галактоземии:

1. помутнение хрусталика;
2. цирроз печени;
3. жировая инфильтрация;
4. задержка в росте;
5. диарея;
6. рвота;
7. желтуха.

• Фенилкетонурии:

1. парезы;
2. атаксия;
3. судорожные припадки;
4. сонливость и раздражительность;
5. отставание в физическом и психическом развитии.

• Муковисцидоза:

1. вздутый живот;
2. бледность;
3. постоянное срыгивание;
4. беспокойство;
5. вялость;
6. одышка;
7. слабость.

   

• Целиакии:

1. общий дискомфорт;
2. боли в области желудка;
3. рвота и тошнота;
4. отставание в весе и росте;
5. возбудимость.

• Лактозной недостаточности:

1. боли в животе;
2. повышенное газообразование;
3. понос.

Ферменты поддерживают здоровье организма, помогая ему разделять поступающую пищу на полезные вещества. В биологии такой процесс называется расщеплением. Энзимы также высвобождают из еды энергию и доставляют ее дальше, к клеткам. Но эти соединения находятся не только внутри организма, но и в некоторых ферментированных продуктах.

Наследственные энзимопатии обычно вызывают такие факторы, как:

• клеточно-рецепторные дефекты и мембранные нарушения;
• отсутствие гена, с помощью которого формируются ферменты;
• ошибки в генных молекулах.

Терапия генетических ферментопатий заключается в:

• детоксикации вредных метаболических продуктов путем введения в кровь химических веществ;
• употреблении специальных добавок с ферментами для улучшения вещественного обмена;
• введении диет для исключения некоторых пищевых веществ.

Интересные факты

Среди общеизвестных, а также интересных фактов о ферментах числятся следующие:

• Биокатализаторы размягчают субстрат и делают его более гибким. Они буквально растворяют объекты своего воздействия и пропитывают их своими выделениями.
• Энзимные молекулы содержат в себе сотни и тысячи атомов:

1. азота;
2. фосфора;
3. углерода;
4. кислорода;
5. водорода.

• Даже в неживых организмах ферменты продолжают действовать. Но делают они это уже беспорядочно. Данные вещества в таком случае начинают самоперевариваться, включая тем самым процесс автолиза. Эта реакция полностью или частично расщепляет все оставшиеся соединения.
• В биологических расщепителях больше всего нуждаются спортсмены и тренирующиеся люди. Это происходит из-за того, что в их организмах наблюдается ускоренный обмен веществ, вследствие чего происходит быстрое истощение запасов собственных ферментов.
• Биокатализаторы еще необходимы и для омоложения организма. Ведь достаточное количество ферментов предотвращает старение и сухость кожи, а также придают ей:

1. блеск;
2. свежесть;
3. нежность;
4. упругость.

• Молоко в организме перерабатывает лактаза. Она начинает производиться внутри человека еще в грудном возрасте. Такое усваивание молока компенсирует дефицит витамина Д и надолго помогает сохранить здоровье.
• Врагами ферментов, способными разрушить их, являются:

1. бобы;
2. картофель с уже появившимися на нем ростками;
3. горох;
4. чечевица;
5. яичный белок.

• Белково-ферментный синтез происходит на рибосомах.
• Наукой о био-катализаторах считается не ферментология, а энзимология.
• Наиболее значимыми ферменты являются для пищевой промышленности и сельского хозяйства.
• Ферментативные реакции впервые стали известны и изучены в бродильном производстве.
• Энзимы также играют важную роль в свертывании крови.
• Физиолог Павлов дал ферментам имя «носители жизни».
• Благодаря энзимам организм легко справляется с пищеварительными реакциями.
• Огромное число известных биологических преобразователей внутри организма:

1. заживляют раны;
2. обновляют изношенные клетки;
3. предохраняют от болезнетворных микробов;
4. трансформируют пищу в строительные вещества и энергию;
5. обезвреживают чужеродные соединения и отходы обмена.

• Основными поставщиками к коже гиалуроновой кислоты и коллагена являются такие ферменты, как:

1. гиалуронидаза;
2. трипсин;
3. липаза;
4. бромелайн;
5. коллагеназа;
6. СОД;
7. папаин.

• В 2009 г. американские ученые изобрели теломеразу, которая продлевает жизнь клеткам. Вскоре после этого открытию присудили Нобелевскую премию. Благодаря новому ферменту клетки не изменяются и не стареют.
• Сами энзимы были впервые открыты в XVI в. голландцем Я. Б. Ван-Гельмонтом.

Без ферментов в организме не происходит ни одной жизненно-важной реакции. Из курса биологии известно, что эти вещества по важности занимают 3 место за кислородом и водой. Энзимы сверх важны, так как позволяют человеку справляться со многими внутренними процессами. За количеством и уровнем данных веществ людям необходимо постоянно следить.

Видео о ферментах в биологии

Ферменты и их роль в организме человека: