§ 6. Ферменти, їх роль у клітині

Згадаємо!

• 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 з 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 вони відбувалися б у неживій природі за нормальних умов. Такі особливості функціонування живого забезпечують спеціалізовані білки, які називаються ферментами.

Функціонування ферментів. Ферменти є біологічними каталізаторами - речовинами, які значно прискорюють швидкість реакцій, не витрачаючись у них. Тобто ферменти взаємодіють із сполуками, що є субстратом реакції, змінюють їхню структуру, перетворюючи на продукт реакції, але самі при цьому не змінюють свого хімічного складу. Назви ферментів, як правило, формуються із назв їхніх субстратів із додаванням закінчення -аза. Наприклад, фермент лактаза розщеплює молочний цукор лактозу на моносахариди глюкозу та галактозу. Проаналізуйте інший приклад (рис. 26). 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. 26. Тривимірна модель будови молекули ферменту, що розщеплює сахарозу на моносахариди

Подумайте, як назвивається цей фермент. Яка речовина є його субстратом? Що є продуктом цієї реакції?

При зв'язуванні 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 7 000 назв і постійно поповнюється. Найважливішою для функціонування ферменту є частина молекули, що безпосередньо зв'язує субстрат і забезпечує його перетворення. Це - активний центр (рис. 27).

Функціонування деяких ферментів залежить від наявності додаткових речовин небілкової природи. Сполуки, необхідні для роботи ферментів, називаються 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. 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. Це призводить до втрати каталітичної активності. В організмі людини білки починають денатурувати за температури ~40 °С, в інших організмів білки залишаються стійкими в більшому інтервалі температур. Наприклад, деякі бактерії живуть у водоймах, температура в яких вища ніж 80 °С.

Рис. 27. Тривимірна модель молекули ферменту лізоциму. Активний центр виділено кольором, також можна бачити зв'язану молекулу субстрату

Пригадайте, де трапляється зображена речовина та яку функцію вона виконує.

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. Це один із способів регуляції функціонування клітин. Деякі речовини можуть блокувати активний центр ферменту - це призводить до порушення його функціонування.

Рівень активності ферментів може визначатися також концентрацією продуктів реакції. Як правило, 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.

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. Дослідити вплив ферменту каталази рослинних клітин на гідроген пероксид можна, виконавши лабораторне дослідження.

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 кишечнику, що проявлятиметься як симптоми несприйняття лактози (нудота, здуття, біль, пронос тощо). Багато таких захворювань є вродженими, тобто зумовлені мутаціями генів, які кодують структуру відповідних ферментів. Ферментативні реакції часто є як послідовні каскади, коли продукт попередньої реакції стає субстратом наступної (рис. 28). Тож для синтезу або розщеплення певних сполук потрібна злагоджена послідовна робота кількох (часто десятків) ферментів. Такі складні ланцюжки реакцій забезпечують процеси отримання клітиною енергії (§ 14), фотосинтезу (§ 15) тощо. Якщо хоча б один із 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.

ЛАБОРАТОРНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ ВЛАСТИВОСТЕЙ ФЕРМЕНТІВ

Мета: дослідити вплив ферменту каталази рослинних клітин на гідроген пероксид.

Обладнання та матеріали: мікроскоп, набори для приготування мікропрепаратів, пробірки, елодея, сира та варена картопля, розчин гідроген пероксиду, дистильована вода.

Хід роботи

• 1. Приготуйте мікропрепарат витриманого на світлі (8 - 10 год) листка елодеї та розгляньте його за допомогою мікроскопа.
• 2. На один край накривного скла нанесіть краплину розчину гідроген пероксиду. Відтягніть нанесений розчин на інший край фільтрувальним папером. Спостерігайте за допомогою мікроскопа явище, що відбувається.
• 3. До однієї пробірки покладіть шматочок сирої картоплі, а до другої - вареної. У кожну пробірку добавте по 6 - 7 краплин гідроген пероксиду й спостерігайте за змінами, що відбуваються.
• 4. У висновку поясніть: 1) явище, яке ви спостерігали за допомогою мікроскопа; 2) властивість ферментів, яку доводить другий дослід.

Елодея

Клітини листка елодеї в полі зору мікроскопа

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 (пригадайте, нестача яких вітамінів спричиняє зазначені захворювання, і які порушення при цьому виникають). 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. 28. Частина ланцюга розщеплення глюкози. Кожна стрілка відповідає впливу певного ферменту

Простежте, які структурні перетворення відбуваються під час кожної реакції.

ПОВТОРІТЬ, ПОМІРКУЙТЕ

• 1. Дайте означення поняття ферменти.
• 2. Наведіть приклади ферментів.
• 3. Чому наявність ферментів є необхідною умовою життєдіяльності клітини?
• 4. Опишіть результат дослідження. Яку властивість ферментів ви спостерігали?
• 5. Які фактори впливають на активність ферментів?

скачать dle 11.0фильмы бесплатно