КАТАЛІЗАТОРИ ЖИТТЄДІЯЛЬНОСТІ

Тіло людини складається з великої кількості клітин. Кожна з них має дуже складну будову. В основі життєвих процесів є тисячі хімічних реакцій. Для підтримання життєдіяльності організму клітинна активність повинна постійно координуватися і контролюватись за принципом самоконтролю і самокоординації. Як досягається бездоганний контроль і яким чином вдається однаково побудованим клітинам виконувати різні функції? Відповідь потрібно шукати у факті існування групи сполук названих ферментами.

Термін «фермент» був запропонований у 17 столітті хіміком Ван Гельмінтом для опису механізмів травлення. У 19 столітті французький біолог і хімік, член Паризької АН Луї Пастер (1822-1895) вивчаючи перетворення вуглеводнів в етиловий спирт під дією дріжджів, дійшов до висновку, що цей процес (бродіння) каталізується якоюсь «життєвою силою», що знаходиться в дріжджових клітинах [1, с. 65].

Французький хімік член Паризької АН Марселен Бертло (1827-1907) виступав проти вчення про «життєву силу» [1, с. 9]. Понад сто років тому терміни «фермент» і «ензим» відображали різні погляди Луї Пастера з одного боку Марсельна Бертло і Юстуса Лібіха з іншого в теоретичній суперечці про природу спиртового бродіння. За два роки по смерті Пастера 1897 року Едуард Бюхнер опублікував роботу «Спиртове бродіння без дріжджових клітин», в якій експериментально показав, що екстракт клітин дріжджів здійснює спиртове бродіння так само, як і незруйновані дріжджові клітини. 1907 року за цю роботу він був удостоєний Нобелівської премії [1, с. 15].

В наш час ферментологія – це самостійна наука. Виділено і вивчено біля 2000 ферментів. Шведський хімік Аксель Хугою Теорелль (1903-1982) отримав у 1955 році Нобелівську премію з фізіології та медицини за роботи в галузі хімії ферментів і механізму їхньої дії.

Ферменти – це специфічні білки, які виконують в організмі роль біологічних каталізаторів. Будучи білками, ферменти мають первинну, вторинну, третинну і багато з них – четвертинну будову. При гідролізі ферментів утворюється суміш амінокислот. Ферменти є великими глобулярними білками. Молекулярна маса від 12000 до 1000000 і більше. Ферменти бувають простими і складними. Прості ферменти – це білкові молекули (пепсин, трипсин, тощо), які складаються з амінокислотних залишків. Складні ферменти – білки, молекула яких має небілкову частину, яку називають кофактором. Кофакторами можуть бути неорганічні катіони або аніони, а також органічні речовини ( коферменти), наприклад похідні вітамінів.

У природі каталізатори виконують найбільш відповідальні функції. Комплексна сполука кобальту (вітамін В₁₂) необхідна для процесів кровотворення, металопорферини заліза входять до складу гемоглобіну, ферментів каталази, пероксидази та інших.

Кофермент з’єднується з білковою частиною фермента – апоферментом слабким не ковалентним зв’язком, здатним легко розщеплюватися, іноді - міцним ковалентним зв’язком, утворюючи так звані простетичні групи, які залишаються приєднаними до молекули білка протягом усього каталізу.

Каталітична активність ферменту зумовлена не всією його молекулою, а лише її невеликою ділянкою-активним центром. Його просторова структура відповідає хімічній будові речовин, які вступають у реакцію. Активний центр відповідає за приєднання та перетворення сполук, що вступають в реакцію. Саме тому дія ферменту специфічна.

Один і той же неорганічний каталізатор може застосовуватись в різних виробництвах. А фермент каталізує одну реакцію або один вид реакцій.

У 1890 році Еміль Фішер припустив, що специфічність ферментів визначається точною відповідальністю форми ферменту і субстрата. Таке припущення називається моделлю «ключ-замок».В залежності від умов ферменти можуть каталізувати як пряму, так і зворотню реакцію. Наприклад, піровиноградна кислота під дією фермента лактатдегідрогенази перетворюється в кінцевий продукт бродіння-молочну кислоту. Той же фермент каталізує і зворотню реакцію і назву він одержав не за прямою, а за зворотною реакцією

Здатність ферментів прискорювати хімічні процеси в сторону синтезу, так і розпаду, має велике значення, так як створює можливість переключення цих процесів з одного на інший, чим забезпечує тісний зв'язок катаболізму і анаболізму, гнучкість і пристосованість обміну речовин під впливом зовнішніх і внутрішніх факторів.

Інша важлива властивість – термомобільність, тобто висока чутливість до зміни температури. Оскільки ферменти є білками, для більшості із них температура вище 70^оС приводить до денатурації і втрати активності.

При температурах близьких до 0^о С, швидкість ферментативних реакцій сповільнюється до мінімуму [2, с. 82].

Одною із важливих властивостей білків – ферментів є їх чутливість до реакції середовища, концентрації йонів Н⁺ або ОН^-. Ферменти активні тільки у вузькому інтервалі кислотності або лужності.

Наприклад, активність пепсину у шлунку максимальна при рН близько 1-1,5 зниження кислотності приводить до тяжких порушень травлення.

Із курсу біології відомо, що травлення починається вже у ротовій порожнині, де присутня амілаза слини. Оптимальне значення рН для неї 6,8-7,4.

Існують і спеціальні речовини, здатні регулювати активність ферментів. Вони зв’язуються з активними центрами ферментів і блокують їхню активність у ролі таких речовин – інгібіторів, можуть виступати Йони важких металів: Плюмбуму (Рb), Арсену (As), Аргентуму (Аg).

Щоб вивчити хімічну будову ферменту, необхідно одержати його в хімічно-індивідуально вигляді. Це проблема була вирішена в 1926 році американський біохімік Сомнер виділив із пророслих бобів кристалічний препарат уреази. Пізніше було виділено 150 кристалічних ферментів, дослідження яке привело до висновку, що всі вони є білками.

1969 році було здійснено перший синтез найбільш простого із відомих ферментів (рибонуклеази). Молекула рибонуклеази складається з 129 залишків амінокислот, молекулярна маса 13500 [3, с. 36].

Без ферментів неможливо уявити собі розвиток таких перспективних напрямків, як відтворення хімічних процесів, що відбуваються в клітині, та створення на цій основі сучасної промислової біотехнології. Жоден сучасний хімічний завод не здатен конкурувати з звичайним листком рослини, в клітинах якого з участю ферментів та сонячних променів, води, вуглекислого газу синтезується величезна кількість різноманітних складних органічних речовин [2, с. 95].

Вивчення будови, дії ферментів необхідна для розвитку органічного синтезу. Нобелівську премію з хімії 2010 року розділили між собою три лауреати: Ричард Хек, Еі-Їчі Неміч та Акіра Сузукі. Нобелівські лауреати розробили методики для реакцій, де каталізатором є паладій. Цей метод дозволяє отримувати такі сполуки, які до цього часу було під силу створити лише природі [4, с. 9].

Сучасна ферментологія перспективна наука. Ферменти застосовуються в різних галузях промисловості – харчовій, текстильній, фармацевтичній, шкіряній, в медицині, сільському господарстві в органічному синтезі, для очищення стічних вод. Вчені Одеського Національного університету імені І.І. Мечнікова вивчають роль протеолітичних ферментів у діагностиці та лікуванні різноманітних хвороб. Дослідження регуляції вітаміном В₁ та його тіольною формою активності катепсин – L – подібних ферментів важливе для лікування онкологічних захворювань [6, с. 47-51].

Крім цього вивчається питання створення для дослідження ферментативного каталізу, визначення концентрацій певних речовин та активності ферментів кондуктометричного методу. Розглядаються перспективи застосування кондуктометричних біосенсорів – дуже перспективного класу приладів, якому притаманна висока чутливість.

Корнелюк О.І. – вчений у галузі молекулярної біології, член – кореспондент Національної академії наук України. Серед основних напрямів наукової роботи вченого – структурно-функціональне дослідження ферментів апарату трансляції, неканонічні функції аміноацил-тРНК-синтетаз, вивчення ВІЛ- протеази та створення нових інгібіторів для терапії Сніду. Проводить наукові дослідження з біоінформатики. Зроблено комп’ютерне моделювання просторової структури каталітичного та цитокінподібного модулів тирозин-тРНК-синтетази з метою аналізу функціональних центрів ферменту [5].

Перспективним є виробництво ферментів пролонгованої дії або іммобілізованих ферментних препаратів. Це біокаталізатори нового покоління. Вони використовуються в технологічних процесах харчової промисловості. На сьогодні найінтенсивніше розвивається медичний напрямок використання іммобілізованих ферментних препаратів. Так в апараті «штучна нирка», який призначений для очищення крові від різних шлаків використовується колонка з іммобілізованою уреазою [7, с. 59-81].

Впродовж 15 років проводилися клінічні дослідження з використанням інтерактивних ранових пов’язок, отриманих іммобілізацією ферментів та ліків. Нині продовжується пошук нових лікарських препаратів, які при збереженні високих лікувальних властивостей не виявляють негативного впливу на організм людини. Таким вимогам відповідають іммобілізовані препарати.

Література:

1. Видатні вчені-хіміки / укл. Возний В.Ю. – К: Рад. школа, 1973. – 111 с.

2. Комаров О.С. Химия белка / Комаров О.С. М: Просвещение, 1989. – 142 с.

3. Розанцев Э. Г. Химия и продовольствие / Розанцев Э. Г. – М: Знание, 1984. – 64 с.

4. Чала А. Винахід вартістю в 10 мільйонів ІІ Хімія для допитливих / Чала А. – Харків: Основа – 2011. - №5. – 31с.

5. Вісник НАН України – 2010 – № 5

6. Вісник Львівського Університету. Серія біологічна. 2011. Випуск 55. С. 47-51.

7. Ткачук В.А. Клиническая биохимия / Ткачук В.А. – М: ГЭОТАР – МЕД, 2002 – С. 59-81