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

§ 19. Роль ферментів у забезпеченні процесів метаболізму

Які функції виконують білки? Що таке каталіз і каталізатори? Які каталізатори використовують живі організми? Як живляться тварини і гриби?

Будова та функції ферментів

Ферменти е великими органічними молекулами, які виконують функцію каталізу, тобто змінюють швидкість хімічних реакцій. Традиційно ферментами називали тільки молекули білків. Але зараз до ферментів відносять також рибозими (молекули РНК) та комплекси, які складаються з молекул білків та РНК. Ці сполуки також дуже ефективно здійснюють каталіз (наприклад, під час утворення пептидних зв’язків рибосомою).

У клітинах ферменти містяться як у цитоплазмі, так і всередині різних органел або на мембранах клітин. Часто клітини можуть виділяти ферменти назовні для здійснення процесів поза клітиною (наприклад, процесів травлення).

За своєю будовою ферменти е великими органічними молекулами, які мають складну просторову структуру (унікальну для кожного з ферментів). У цій структурі є частини, що формують ділянки, які здійснюють процес каталізу, і є регуляторні ділянки. Класифікують ферменти за типами реакцій, які вони каталізують.

У живих організмах одночасно відбувається велика кількість реакцій за відносно стабільної температури та сталого pH середовища. Без участі ферментів ці реакції відбувалися б надзвичайно повільно, а в багатьох випадках узагалі не змогли б відбутися.

Наприклад, фермент каталаза розщеплює в клітинах організму людини отруйний для них гідроген пероксид на воду й кисень. Однієї молекули каталази досить, щоб протягом однієї секунди розщепити 10 тисяч молекул гідроген пероксиду.

Найбільш поширеним ферментом на нашій планеті є рибулозобісфосфаткарбоксилаза (скорочено RuBisCo), який каталізує реакцію фіксації СO2 в циклі Кальвіна, що відбувається під час темнової фази фотосинтезу. Загальна маса цього ферменту в усіх фотосинтезуючих організмах нашої планети становить 40 мільярдів тонн.

Класифікація ферментів

Клас ферментів

Які реакції каталізують

Приклади ферментів

Оксидоредуктази

Окисно-відновні реакції

Алкогольдегідрогеназа, пероксидаза

Трансферази

Перенесення функціональної групи атомів з одного субстрату на інший

Амінотрансфераза, глікозилтрансфераза

Пдролази

Реакції гідролізу

Пептидаза, амідаза, естераза, трипсин

Ліази

Реакції неокисного і негідролітичного розриву хімічних зв'язків

Декарбоксилаза, дегідратаза, аденілатциклаза

Ізомерази

Реакції внутрішньомолекулярної перебудови (наприклад, перетворення ізомерів)

Рацемаза, цис-трансізомераза

Лігази

Реакції з'єднання двох молекул з утворенням нового зв'язку (зазвичай з використанням енергії АТФ)

ДНК-лігаза, аміноацил-тРНК-синтетаза

Механізм роботи ферментів

Механізм роботи ферментів зручно розглянути на прикладі білка-ферменту. Як і будь-який інший білок, такий фермент є ланцюжком амінокислот, що в певний спосіб згорнутий у просторі. Згортання ланцюжка відбувається так, щоб радикали амінокислот утворили спеціальну структуру — активний центр ферменту. Саме в цьому центрі й відбуваються реакції.

Радикали амінокислот розташовані у просторі певним чином один відносно до одного. Вони різні за своїми властивостями, і їхня спільна дія створює умови, у яких відповідна реакція відбувається набагато швидше, ніж за звичайних умов. Речовини, які беруть участь у реакціях в активних центрах ферментів, називають субстратами (мал. 19.1).

Мал. 19.1. Схема взаємодії ферменту із субстратом

У деяких випадках для роботи ферменту потрібний і небілковий компонент. Ця сполука (її називають кофактором) приєднується до ферменту й також бере участь у процесі каталізу реакції. Часто кофакторами ферментів є вітаміни.

Регуляція роботи ферментів може здійснюватися за допомогою регуляторних ділянок їхніх молекул. До цих ділянок приєднуються молекули речовин-регуляторів. Після цього просторова структура молекули ферменту змінюється, і, відповідно, змінюється швидкість його роботи.

Дія ферментів поза клітинами

Живі організми використовують ферменти не тільки у своїх клітинах. Часто вони виділяють їх у позаклітинний простір. Зазвичай так роблять осмотрофи (організми, які живляться розчиненими органічними речовинами) (мал. 19.2). Але є й інші групи організмів, які теж використовують ферменти у такий спосіб.

Використання організмами ферментів поза клітинами

Група організмів

Як використовують ферменти поза клітинами

Приклади

Бактерії

Виділяють ферменти в навколишнє середовище для розщеплення органічних речовин

Гниття м'яса, розклад опалого листя

Гриби

Руйнування деревини, ураженої грибами, розкладання хліба, вкритого цвіллю

Комахоїдні рослини

Виділяють ферменти в пастки з пійманими тваринами для розщеплення органічних речовин

У росички й непентеса перетравлення спійманих тварин

Тварини

Виділяють ферменти в порожнини тіла для порожнинного травлення або в тіло здобичі для зовнішнього травлення

У ссавців процеси травлення в шлунку та кишечнику, у павуків зовнішнє травлення після введення в здобич отрути, у змій розклад тканин здобичі під дією ферментів отрути

У деяких випадках функції ферментів, що виділяються в організмах, можуть змінюватися в процесі еволюції. Наприклад, у предків змій фермент фосфоліпаза А2 був звичайним травним ферментом. Його введення в тіло жертви робило процес травлення швидшим, тому що в кишечнику ферменти діяли на тіло жертви і ззовні, і зсередини. Але в результаті дуплікації та наступних мутацій цей фермент отримав токсичні властивості. Він став однією з найважливіших складових зміїної отрути і зараз убиває жертви, руйнуючи мембрани їхніх клітин.

Мал. 19.2. Позаклітинна дія ферментів у росички (а) та павука аргіопи (б) забезпечує зовнішнє травлення

Здатність живих організмів виділяти ферменти за межі клітини широко використовує сучасна біотехнологія. Так, бактерії, в геном яких пересаджують потрібні гени, виділяють зі своїх клітин синтезовані ферменти. А ці ферменти вже легко можна відокремити від клітин й використати для виробництва продукції (наприклад, ліків або пральних порошків).

Предок плацентарних ссавців, який жив 100 млн років тому, живився переважно комахами і мав 5 генів хітиназ — ферментів, які розщеплюють хітин у травній системі. Потім його нащадки еволюціонували і значною мірою змінили свій раціон. Тому в багатьох випадках гени хітиназ зазнали мутацій і перестали працювати, перетворившись на псевдогени. Їх досі можна знайти в геномах ссавців.

Отже, тепер ви знаєте

1. Що таке ферменти і яку роль вони відіграють в організмі? 2. Який механізм дії ферментів? 3. Що таке субстрат і активний центр ферменту? 4. Як регулюється робота ферментів? 5. Рибозими успішно виконують каталітичну функцію, хоча вони представлені молекулою РНК і не мають у своєму складі амінокислот, радикали яких утворюють активний центр ферменту у ферментів білкової природи. Поясніть, яким чином може утворитися активний центр рибозиму?

Запитання та завдання

6. Чому додавання ферментів у пральні порошки покращує їхню роботу? 7*. У деяких змій зуби, через які отрута вводиться у тіло жертви, розташовані в задній частині ротової порожнини, тому отрута вводиться тільки тоді, коли змія вже ковтає жертву. Навіщо тоді потрібно вводити отруту?