Пищеварение - это сложный многоступенчатый физиологический процесс, на протяжении которого пища (источник энергии и питательных веществ для организма), поступившая в пищеварительный тракт, претерпевает механическую и химическую обработку.
Особенности процесса пищеварения
Переваривание пищи включает в себя механическую (увлажнение и измельчение) и химическую переработку. Химический процесс включает в себя ряд последовательных этапов расщепления сложных веществ на более простые элементы, которые затем всасываются в кровь.
Типы коагулянтных творогов и ферментов
Существует три типа ферментов.
Химозин, полученный ферментацией
Процесс активации происходит моно - или бимолекулярной реакцией, в зависимости от фермента и условий. Это указывает на то, что в большинстве случаев, по крайней мере, необходимо, чтобы 85% аминокислот были идентичны с перекрестными иммунохимическими реакциями.Фермент, в основном обладает эндопептидной активностью и очень низкой экзопептидной активностью, это связано с тем, что активный сайт является обширным и может содержать семь остаточных аминокислот. По этой причине он имеет сложную специфичность, и фермент кажется неспецифическим. Некоторые существующие аспарагиновые протеазы имеют молекулярные варианты, содержащие более или менее ферментативные композиции, причем микрогетерогенность более или менее выражена набором ферментов коагулянта. Микрогетерогенность является причиной гликолиза, фосфорилирования, дезамидирования или частичного протеолиза.
Это происходит при обязательном участии ферментов, ускоряющих процессы в организме. Катализаторы вырабатываются и входят в состав выделяемых ими соков. Образование ферментов зависит от того, какая среда в желудке, ротовой полости и других участках пищеварительного тракта устанавливается в тот или иной момент.
Пройдя рот, глотку и пищевод, пища попадает в желудок в виде смеси жидких и измельченных зубами Эта смесь под влиянием желудочного сока переходит в жидкую и полужидкую массу, которая тщательно перемешивается за счет перистальтики стенок. Далее поступает в двенадцатиперстную кишку, где происходит ее дальнейшая обработка ферментами.
Специфические молекулярные аспекты
Он характеризуется высокой специфичностью коагуляции молока и, как правило, низкой протеолитической активностью. Квимоген, также называемый прохимозин, превращается в активный фермент кислотной обработкой. Это происходит через промежуточную форму псевдохимозина при рН 2, когда скорость активации протекает быстро, что превращается в химозин при высоком рН. Они характеризуются высокой степенью протеолитической активности и устойчивостью к термической обработке. Эти ферменты являются гомологичными, но имеют различную специфичность. . Переваривание пищи происходит в результате реакции, называемой гидролизом, которая заключается в разрыве определенных веществ с участием молекул воды.
От характера пищи зависит, какая среда во рту и желудке установится. В норме в ротовой полости слабощелочная среда. Фрукты и соки вызывают снижение pH ротовой жидкости (3,0) и образование кислой среды. Продукты, содержащие аммоний и мочевину (ментол, сыр, орехи), способны привести реакцию слюны к щелочной (pH 8,0).
Строение желудка
Желудок - полый орган, в котором пища накапливается, частично переваривается и всасывается. Орган находится в верхней половине брюшной полости . Если провести вертикальную линию через пупок и грудную клетку , то примерно 3/4 желудка окажется слева от нее. У взрослого человека объем желудка в среднем составляет 2-3 л. При потреблении большого количества пищи он увеличивается, а если человек голодает - уменьшается.
Эти реакции гидролиза катализируются ферментами, обычно называемыми гидролитическими ферментами. Пищеварительные ферменты являются биологическими катализаторами, высвобождаемыми в органах пищеварительной системы и способствующими химическим реакциям, которые уменьшают молекулы, меньшие органические соединения, присутствующие в пищевых продуктах , позволяя им поглощаться и использоваться организмом.
Пищеварительные ферменты называются в соответствии с субстратом, на котором они действуют, будь то углеводы, липиды или белки. Протеаза карбогидраза Липаза Нуклеаза Мальтаза Амилаза. . Ферменты представляют собой очень большие и сложные белковые молекулы, которые действуют как катализаторы в биохимических реакциях. На крахмале они действуют путем выпуска различных продуктов, включая декстрины и постепенно малые полимеры, состоящие из единиц глюкозы. Производятся в слюне и поджелудочной железе, амилаза также производится различными грибами, бактериями и овощами.
Форма желудка может изменяться в соответствии с его заполненностью пищей и газами, а также в зависимости от состояния соседних органов: поджелудочной железы, печени, кишечника. На форму желудка оказывает влияние и тонус его стенок.
Желудок представляет собой расширенную часть пищеварительного тракта. На входе находится сфинктер (заслонка привратника) - порционно пропускающий пищу из пищевода в желудок. Часть, прилегающая к месту входа в пищевод, называется кардиальной. Слева от нее располагается дно желудка. Средняя часть носит название "тело желудка".
Амилазы делятся на две группы: эндоамилазы и экзоамилазы. Эндоамилазы катализируют случайный гидролиз в молекуле крахмала. Экзоамилазы исключительно гидролизуют -1, 4 гликозидные связи, такие как α-амилаза или оба α-1, 4 и α-1, 6-связи, такие как амилоглюкозидаза и гликозидаза. Амилаза, как и все другие ферменты, действует как катализатор, то есть она не изменяется реакцией, а облегчает ее, уменьшая количество энергии, необходимое для ее достижения. Амилаза переваривает крахмалы, катализируя гидролиз, который является разрушением добавлением одной молекулы воды.
Между антральным (конечным) отделом органа и двенадцатиперстной кишкой находится еще один привратник. Его открытие и закрытие контролируют химические раздражители, выделяющиеся из тонкого кишечника.
Особенности строения стенки желудка
Стенку желудка выстилают три слоя. Внутренний слой - это слизистая оболочка. Она образует складки, а вся ее поверхность покрыта железами (всего их около 35 миллионов), которые выделяют желудочный сок, пищеварительные ферменты, предназначенные для химической обработки пищи. Деятельность этих желез определяет, какая среда в желудке - щелочная или кислая - установится в определенный период.
Таким образом, крахмал плюс вода образуется в мальтозе. Другие ферменты затем разрушают мальтозу в глюкозу, которая абсорбируется через стенки тонкой кишки, а после приема в печень используется в качестве энергии. В дополнение к каталитическому расщеплению молекул крахмала грибковая альфа-амилаза представляет собой мультифермент, способный выполнять более 30 ферментативных функций, включая расщепление жировых и белковых молекул. Он также способен превращать количество крахмала в мальтозу в 450 раз больше, чем собственный вес. -Амилаза катализирует гидролиз жиров, превращая их в глицерин и жирные кислоты , белки в протеосы и производные крахмала в декстрин и более простые сахара.
Подслизистая оболочка имеет довольно толстую структуру, пронизанную нервами и сосудами.
Третий слой представляет собой мощную оболочку, которая состоит из гладкомышечных волокон, необходимых для обработки и проталкивания пищи.
Снаружи желудок покрыт плотной оболочкой - брюшиной.
Он имеет рН активности, близкий к 7. Показания:? -Амилаза ускоряет и облегчает переваривание крахмала, жиров и белков. Таким образом, он может увеличить использование продуктов питания организмом и использоваться для лечения дефицита секреции поджелудочной железы и хронического воспаления поджелудочной железы, среди других преимуществ.
Противопоказания: Не следует назначать пациентам с известной гиперчувствительностью к грибному ферменту. Побочные реакции: возможность аллергических реакций у лиц с гиперчувствительностью к грибному ферменту. Липазы могут иметь растительное, свиное или микробное происхождение, а последнее имеет существенное преимущество. Полезно, когда дефицит продукции происходит в поджелудочной железе, липаза - это фермент, добавка которого может быть полезной в случаях расстройства желудка, целиакии, кистозного фиброза и болезни Крона.
Желудочный сок: состав и особенности
Основную роль на этапе пищеварения играет желудочный сок. Железы желудка разнообразны по своему строению, но основную роль в образовании гастрической жидкости играют клетки, секретирующие пепсиноген, соляную кислоту и мукоидные вещества (слизь).
Липаза отвечает за распад и поглощение жиров в кишечнике. Фермент, необходимый для абсорбции и переваривания питательных веществ в кишечнике, ответственный за распад липидов, особенно триглицеридов, липаза позволяет организму легче поглощать пищу, сохраняя питательные вещества на соответствующих уровнях. В организме человека липаза вырабатывается в основном поджелудочной железой, но также выделяется полостью рта и желудка. Большинство людей производят достаточное количество липазы поджелудочной железы.
Использование добавок липазы может быть желательным в случаях хронического расстройства желудка. В исследовании, в котором участвовали 18 человек, добавки, содержащие липазу и другие ферменты поджелудочной железы, показали способность уменьшать печатание на желудке, слезотечение, газ и чувство дискомфорта после еды с высоким содержанием жира. Поскольку некоторые из этих симптомов связаны с синдромом раздраженной толстой кишки, некоторые люди с этим состоянием могут испытывать улучшение при использовании ферментов поджелудочной железы.
Пищеварительный сок представляет собой неокрашенную жидкость без запаха и определяет, какая среда должна быть в желудке. Он обладает выраженной кислой реакцией. При проведении исследования на обнаружение патологий специалисту несложно определить, какая среда существует в пустом (натощак) желудке. При этом учитывается, что в норме кислотность сока натощак относительно невысока, но при стимуляции секреции она намного возрастает.
Исследования показывают, что липаза может быть полезна в случаях целиакии, состояние, при котором глютен из пищи вызывает повреждение кишечного тракта . Симптомы включают боль в животе, потерю веса и усталость. В исследовании, посвященном 40 детям с целиакией, те, кто получил терапию поджелудочной железы, показали небольшое увеличение веса по сравнению с группой плацебо. Люди с панкреатической недостаточностью и кистозным фиброзом часто нуждаются в добавке липазы и других ферментов. Люди с целиакией, болезнью Крона и страдающими от расстройства пищеварения могут испытывать недостаток в ферментах поджелудочной железы, включая липазу.
У человека, придерживающегося нормального пищевого рациона, в течение суток вырабатывается 1,5-2,5 л гастрической жидкости. Основной процесс, происходящий в желудке, - это начальное расщепление белков. Так как желудочный сок влияет на секрецию катализаторов процесса переваривания, становится понятно, в какой среде активны ферменты желудка - в кислой.
Показания: В случаях дефицита ферментов поджелудочной железы, диспепсии, кистозного фиброза и целиакии, болезни Крона. Противопоказания: в справочниках нет ссылок. Побочные реакции: нет сообщений о побочных эффектах с использованием предложенной выше дозы.
Меры предосторожности: Липаза не следует принимать одновременно с бетаином гидрохлоридом или соляной кислотой, которая может разрушить фермент. Взаимодействия: поговорите с врачом, если пациент принимает орлистат, так как это мешает активности добавок липазы, блокируя их способность разрушать жиры.
Ферменты, вырабатывающиеся железами слизистой оболочки желудка
Пепсин - важнейший фермент пищеварительного сока, участвующий в расщеплении белков. Он вырабатывается под действием соляной кислоты из своего предшественника - пепсиногена. Действие пепсина составляет около 95 % расщепляющей сока. О том, насколько высока его активность, говорят фактические примеры: 1 г этого вещества достаточно для того, чтобы за два часа переварить 50 кг яичного белка и створожить 100000 л молока.
Это фермент, секретируемый поджелудочной железой, который участвует в деградации белков, возникающих в результате действия желудочного пепсина. Протеаза секретируется как проэнзим и активируется кишечным соком. Он вводится вместе с другими панкреатическими амилазами и пропанцинами липазы, когда происходит снижение выделения поджелудочной железы.
Протеазы представляют собой ферменты, которые разрушают пептидные связи между аминокислотами белков. Этот процесс называется протеолитическим расщеплением, общим механизмом активации или инактивации ферментов, в основном участвующих в пищеварении и свертывании крови.
Муцин (желудочная слизь) представляет собой сложный комплекс веществ белковой природы. Он покрывает слизистую желудка по всей поверхности и предохраняет ее как от механических повреждений, так и от самопереваривания, поскольку способен ослабить действие соляной кислоты, другими словами - нейтрализовать.
В желудке также присутствует липаза - Желудочная липаза малоактивна и в основном оказывает воздействие на жиры молока.
Протеазы встречаются естественным образом во всех организмах и соответствуют 1-5% их генетического содержимого. Эти ферменты вовлечены в широкий спектр метаболических реакций, от простого переваривания пищевых белков до сильно регулируемых каскадов. Протеазы встречаются в различных микроорганизмах, таких как вирусы, бактерии, простейшие, дрожжи и грибы. Неспособность растительных и животных протеаз удовлетворить мировой спрос на ферменты привела к все большему интересу к протеазам микробного происхождения.
Микроорганизмы представляют собой отличный источник протеаз из-за их большого биохимического разнообразия и легкости генетических манипуляций. Многочисленные протеиназы продуцируются отдельными микроорганизмами, в зависимости от вида или даже разными штаммами одного и того же вида. Различные протеиназы также могут продуцироваться одним и тем же штаммом, изменяя условия культивирования.
Еще одно вещество, которое заслуживает упоминания, - это способствующий всасыванию витамина В 12 , внутренний фактор Касла. Напомним, что витамин В 12 необходим для переноса гемоглобина кровью.
Роль соляной кислоты в пищеварении
Соляная кислота активирует ферменты желудочного сока и способствует перевариванию белков, поскольку вызывает их набухание и разрыхление. Кроме того, она убивает бактерии, попадающие в организм вместе с пищей. Соляная кислота выделяется в малых дозах, независимо от того, какая среда в желудке, есть ли в нем пища или он пуст.
Дозировка: доза варьируется от 600 единиц до 500 единиц. Противопоказания: Не следует назначать пациентам с известной гиперчувствительностью к бактериальному ферменту. Побочные эффекты : возможность аллергических реакций у лиц с гиперчувствительностью к бактериальному ферменту.
Принимайте от 1 до 2 капсул во время каждого приема пищи. Пепсиноген представляет собой неактивную форму фермента. Этот предшественник секретируется слизистой оболочкой желудка и, чтобы быть активным, его необходимо обработать соляной кислотой. Около 1% пепсиногена может проникать в кровоток и может быть полезным показателем заболеваний желудка. В частности, его значения учитываются с целью.
Но ее секреция зависит от времени суток: установлено, что минимальный уровень желудочной секреции наблюдается в период с 7 до 11 утра, а максимальный - ночью. При поступлении пищи в желудок секреция кислоты стимулируется благодаря увеличению активности блуждающего нерва, растяжению желудка и химическому воздействию компонентов пищи на слизистую оболочку.
Пепсиноген и пепсин: биологическая роль и переваривание белка
Контролировать состояние здоровья и функциональность слизистой оболочки желудка; Оценить риск развития гастрита; Установите часть пострадавших в результате определенных патологических состояний . Пепсин выделяется как зимоген, то есть в неактивной форме, которая приобретает функциональную емкость только после точного структурного изменения. В частности, соляная кислота, выделяемая париетальными клетками желудка, превращает пепсиноген, его предшественник в пепсин, через протеолитический разрез, что приводит к удалению около сорока аминокислот.
Какая среда в желудке считается стандартной, норма и отклонения
Говоря о том, какая среда в желудке здорового человека , следует учитывать, что разные отделы органа имеют различные значения кислотности. Так, наибольшее значение составляет 0,86 pH, а минимальное - 8,3. Стандартный показатель кислотности в теле желудка натощак равняется 1,5-2,0; на поверхности внутреннего слизистого слоя показатель pH 1,5-2,0, а в глубине этого слоя - 7,0; в конечном отделе желудка варьирует 1,3-7,4.
Заболевания желудка развиваются в результате дисбаланса кислотопродукции и нейолизации и напрямую зависят от того, какая среда в желудке. Важно, чтобы pH значения всегда были в норме.
Продолжительная гиперсекреция соляной кислоты или неполноценная кислотонейтрализация приводит к увеличению кислотности в желудке. При этом развиваются кислотозависимые патологии.
Пониженная кислотность характерна для (гастродуоденита), рака. Показатель при гастрите с пониженной кислотностью составляет 5,0 pH и более. Заболевания в основном развиваются при атрофии клеток слизистой желудка либо их дисфункции.
Гастрит с выраженной секреторной недостаточностью
Патология встречается у пациентов зрелого и пожилого возраста. Чаще всего она бывает вторичной, то есть развивается на фоне другого, предшествующего ей заболевания (например, доброкачественной язвы желудка) и является результатом того, какая среда в желудке, - щелочная, в данном случае.
Для развития и протекания болезни характерно отсутствие сезонности и четкой периодичности обострений, то есть время их возникновения и продолжительность непредсказуемы.
Симптомы секреторной недостаточности
- Постоянная отрыжка с тухлым привкусом.
- Тошнота и рвота в период обострения.
- Анорексия (отсутствие аппетита).
- Ощущение тяжести в эпигастральной области.
- Чередование поносов и запоров.
- Метеоризм, урчание и переливания в животе.
- Демпинг-синдром: ощущение головокружения после приема углеводной пищи, возникающее из-за скорого поступления химуса из желудка в двенадцатиперстную кишку, при снижении желудочной активности.
- Похудение (снижение массы составляет до нескольких килограммов).
Гастрогенная диарея может быть вызвана:
- плохо переваренной пищей, поступающей в желудок;
- резким дисбалансом в процессе переваривания клетчатки;
- ускоренным опорожнением желудка при нарушении замыкательной функции сфинктера;
- нарушением бактерицидной функции;
- патологиями поджелудочной железы.
Гастрит с нормальной или повышенной секреторной функцией
Это заболевание чаще отмечается у молодых людей. Оно имеет первичный характер, то есть первые симптомы появляются неожиданно для больного, поскольку до этого он не ощущал сколь-нибудь выраженного дискомфорта и субъективно считал себя здоровым. Заболевание протекает с чередованием обострений и передышек, без ярко выраженной сезонности. Для точного определения диагноза нужно обратиться к врачу, для того чтобы он назначил обследование, в том числе и инструментальное.
В фазе обострения преобладает болевой и диспептический синдромы. Боли, как правило, четко связаны с тем, какая среда в желудке человека на момент приема пищи. Болевой синдром возникает практически сразу после еды. Реже беспокоят тощаковые поздние боли (через некоторое время после приема пищи), возможно их сочетание.
Симптомы при повышенной секреторной функции
- Боли обычно умеренные, иногда сопровождаются давлением и тяжестью в эпигастральной области.
- Поздние боли имеют интенсивный характер.
- Диспептический синдром проявляется отрыжкой "кислым" воздухом, неприятным привкусом во рту, нарушениями вкусовых ощущений, тошнотой, облегчающей боль рвотой.
- Больные испытывают изжогу, иногда мучительную.
- Синдром кишечной диспепсии проявляется запорами или поносами.
- Обычно выражен характеризующийся агрессивностью, переменами настроения, бессонницей и переутомляемостью.
Е) гастрогенной недостаточности при резекции желудка, гастрэктомии, атрофическом гастрите.
2. Нарушение пристеночного пищеварения при дефиците дисахаридаз (врожденная, приобретенная лактазная или другая дисахаридазная недостаточность), при нарушении внутриклеточного транспорта компонентов пищи в результате гибели энтероцитов (болезнь Крона, глютеновая энтеропатия, саркоидоз, радиационный, ишемический и другие энтериты).
3. Нарушение оттока лимфы от кишечника – обструкция лимфатических протоков при лимфангэктазии, лимфоме, туберкулезе кишки, карциноиде.
4. Сочетанные нарушения при сахарном диабете , лямблиозе, гипертиреозе, гипогаммаглобулинемии, амилоидозе, СПИДе, сепсисе.
Все перечисленные выше состояния, в той или иной степени являются показаниями к назначению ферментной терапии.
Несмотря на многообразие причин, вызывающих нарушение пищеварения, наиболее выраженные расстройства вызывают заболевания поджелудочной железы, которые сопровождаются экзокринной недостаточностью. Она возникает при заболеваниях поджелудочной железы, сочетающихся с недостаточностью ее внешнесекреторной функции (хронический панкреатит, фиброз поджелудочной железы и т.д.). Экзокринная недостаточность поджелудочной железы остается одной из наиболее актуальных проблем в современной медицине. Ежегодно в России более 500 тысяч человек обращаются в медицинские учреждения в связи с различной патологией поджелудочной железы, сопровождаемой внешнесекреторной недостаточностью. Кроме того, даже незначительные отклонения в химической структуре пищи приводят к развитию экзокринной недостаточности поджелудочной железы. При хроническом панкреатите внешнесекреторная недостаточность поджелудочной железы развивается на более поздних стадиях заболевания в связи с прогрессирующей потерей функционально активной паренхимы органа и его атрофии. При этом на первый план выступают клинические признаки мальдигестии с потерей массы тела, также могут развиваться системные осложнения (иммунодефицит, инфекционные осложнения, неврологические расстройства и т.д.). В некоторых случаях пациентов с хроническим панкреатитом болевой симптом не беспокоит и заболевание манифестирует экзокринной и/или эндокринной недостаточностью. Многолетний анамнез хронического панкреатита значительно повышает риск развития рака поджелудочной железы. На сегодняшний день установлено, что основной причиной развития хронического панкреатита с внешнесекреторной недостаточностью являются токсико–метаболические воздействия на поджелудочную железу. В развитых странах злоупотребление алкоголем служит основной причиной развития хронического панкреатита, особенно в сочетании с высоким содержанием белков и жиров в диете пьющих. У 55–80% больных хроническим панкретитом с внешнесекреторной недостаточностью поджелудочной железы определяется алкогольная этиология заболевания. Также имеются данные, указывающие на генетическую предрасположенность к развитию хронического панкреатита. Кроме того, в последнее время в развитии хронического панкреатита стало рассматриваться курение сигарет. Клинические признаки экзокринной недостаточности поджелудочной железы включают метеоризм, стеаторею, тошноту, потерю массы тела, мышечную атрофию, дефицит жирорастворимых витаминов. Симптом абдоминальной боли при внешнесекреторной недостаточности поджелудочной железы может быть обусловлен не только сопутствующим панкреатитом, но и перерастяжением кишечной стенки вследствие избыточного скопления газов, ускоренного пассажа каловых масс. По данным некоторых авторов, болевой симптом при внешнесекреторной недостаточности поджелудочной железы может быть обусловлен тем, что сниженная секреция панкреатических ферментов при внешнесекреторной недостаточности приводит к гиперстимуляции поджелудочной железы высокими уровнями холецистокинина в плазме крови и, следовательно, к болевому абдоминальному синдрому . Для диагностики внешнесекреторной недостаточности применяются и лабораторно–инструментальные методы исследования. Копрологическое исследование до настоящего времени не потеряло своей актуальности и является доступным информативным методом определения наличия внешнесекреторной недостаточности поджелудочной железы. При функциональной недостаточности появляется полифекалия, каловые массы приобретают сероватый оттенок, имеют «сальный» вид, появляются зловонный, гнилостный запах, стеаторея, креаторея, редко амилорея. Копрологическое исследование не всегда информативно при легких нарушениях внешнесекреторной функции. Определение содержания эластазы–1 в кале является одним из современных методов оценки выраженности внешнесекреторной недостаточности поджелудочной железы, так как панкреатическая эластаза не меняет своей структуры по мере прохождения через желудочно–кишечный тракт. Также незаменимыми методами для диагностики причины, послужившей развитию внешнесекреторной недостаточности поджелудочной железы, являются ультразвуковое исследование поджелудочной железы, компьютерная томография и др. .
Терапия нарушений пищеварительной функции основана на применении ферментных препаратов , выбор которых должен проводиться с учетом вида, выраженности, обратимости патологических изменений и моторных нарушений органов желудочно–кишечного тракта. Обычно ферментные препараты являются многокомпонентными лекарственными средствами, основу которых составляет комплекс энзимов животного, растительного или грибкового происхождения в чистом виде или в комбинации со вспомогательными компонентами (желчными кислотами, аминокислотами, гемицеллюлазой, симетиконом, адсорбентами и др.).
В клинической практике выбор и дозировка ферментных препаратов определяются следующими основными факторами:
- составом и количеством активных пищеварительных ферментов , обеспечивающих расщепление нутриентов;
- формой выпуска препарата: обеспечивающей устойчивость ферментов к действию хлористоводородной кислоты; обеспечивающей быстрое высвобождение ферментов в двенадцатиперстной кишке; обеспечивающей высвобождение ферментов в интервале 5–7 ед. рН;
- хорошей переносимостью и отсутствием побочных реакций ;
- длительным сроком хранения.
Рассмотрим подробнее препарат Юниэнзим с МПС с его уникальным комплексным ферментным составом (табл. 1).
К ферментам также применимы три основных критерия, характерных и для неорганических катализаторов. В частности, они остаются относительно неизменными после реакции, т. е. освобождаются вновь и могут реагировать с новыми молекулами субстрата (хотя нельзя исключить побочных влияний условий среды на активность фермента). Ферменты оказывают свое действие в ничтожно малых концентрациях (например, одна молекула фермента реннина, содержащегося в слизистой оболочке желудка теленка, створаживает около 10 6 молекул казеиногена молока за 10 мин при 37°С). Наличие либо отсутствие фермента или любого другого катализатора не оказывает влияния как на величину константы равновесия, так и на изменение свободной энергии (ΔG). Катализаторы лишь повышают скорость, с которой система приближается к термодинамическому равновесию, не сдвигая точки равновесия. Химические реакции с высокой константой равновесия и отрицательной величиной ΔG принято называть экзергоническими. Реакции с низкой константой равновесия и соответственно положительной величиной ΔG (они обычно не протекают спонтанно), называются эндергоническими. Для начала и завершения этих реакций необходим приток энергии извне. Однако в живых системах экзергонические процессы сопряжены с эндергоническими реакциями, обеспечивая последние необходимым количеством энергии.
Ферменты, будучи белками, обладают рядом характерных для этого класса органических соединений свойств, отличающихся от свойств неорганических катализаторов.
Термолабильность ферментов
Поскольку скорость химических реакций зависит от температуры, реакции, катализируемые ферментами, также чувствительны к изменениям температуры. Скорость химической реакции повышается в 2 раза при повышении температуры на 10°С. Однако из-за белковой природы фермента тепловая денатурация белка-фермента при повышении температуры будет снижать эффективную концентрацию фермента с последующим снижением скорости реакции. Так, примерно до 45-50°С преобладает эффект повышения скорости реакции, предсказуемый теорией химической кинетики. Выше 45°С более важной становится тепловая денатурация белка-фермента и быстрое падение скорости реакции (рис. 51).
Таким образом, термолабильность, или чувствительность к повышению температуры, является одним из характерных свойств ферментов, резко отличающих их от неорганических катализаторов. В присутствии последних скорость реакции возрастает экспоненциально при повышении температуры (см. рис. 51).
При 100°С почти все ферменты утрачивают свою активность (исключение составляет, очевидно, только один фермент мышечной ткани - миокиназа, которая выдерживает нагревание до 100°С). Оптимальной температурой для действия большинства ферментов теплокровных животных является 37-40°С. При низких температурах (0° или ниже) ферменты, как правило, не разрушаются (не денатурируются), хотя активность их падает почти до нуля. Во всех случаях имеет значение время воздействия соответствующей температуры. В настоящее время для пепсина, трипсина и ряда других ферментов доказано существование прямой зависимости между скоростью инактивации фермента и степенью денатурации белка. Укажем также, что на термолабильность ферментов определенное влияние оказывают концентрация субстрата, pH среды и другие факторы.
Зависимость активности ферментов от pH среды
Ферменты обычно наиболее активны в пределах узкой зоны концентрации водородных ионов, соответствующей для животных тканей в основном выработанным в процессе эволюции физиологическим значениям pH среды (pH 6,0-8,0). При графическом изображении на кривой колоколообразной формы имеется определенная точка, при которой фермент проявляет максимальную активность; эту точку называют оптимумом pH среды для действия данного фермента (рис. 52). При определении зависимости активности фермента от концентрации водородных ионов реакцию проводят при разных значениях pH среды, обычно при оптимальной температуре и при наличии достаточно высоких концентраций субстрата. В табл. 17 приводятся оптимальные пределы pH среды для ряда ферментов.
Из табл. 17 видно, что рН-оптимум действия ферментов лежит в пределах физиологических значений. Исключение составляет пепсин, pH-оптимум которого равен 2,0 (при pH 6,0 он не активен и не стабилен). Объясняется это функцией пепсина, поскольку в желудочном соке содержится свободная соляная кислота, создающая среду примерно этого значения pH. С другой стороны, pH-оптимум аргиназы лежит в сильно щелочной зоне (около 10,0); такой среды нет в клетках печени, следовательно, in vivo аргиназа функционирует, по-видимому, не в своей оптимальной зоне pH среды.
Согласно современным представлениям, влияние изменений pH среды на молекулу фермента заключается в воздействии на состояние или степень ионизации кислотных и основных групп (в частности, СООН-группы дикарбоновых аминокислот, SH-группы цистеина, имидазольного азота гистидина, NН 2 -группы лизина и др.). При разных значениях pH среды активный центр может находиться в частично ионизированной или неионизированной форме, что сказывается на третичной структуре белка и соответственно на формировании активного фермент-субстратного комплекса. Имеет значение, кроме того, состояние ионизации субстратов и кофакторов.
Специфичность ферментов
Ферменты обладают высокой специфичностью действия. По этому свойству они часто существенно отличаются от неорганических катализаторов. Так, мелкоизмельченные платина и палладий могут катализировать восстановление (с участием молекулярного водорода) десятков тысяч химических соединений различной структуры. Высокая специфичность ферментов обусловлена, как было упомянуто выше, конформационной и электростатической комплементарностью между молекулами субстрата и фермента и уникальной структурой активного центра фермента, обеспечивающими "узнавание", высокое сродство и избирательность протекания одной какой-либо реакции из тысячи других химических реакций, осуществляющихся одновременно в живых клетках.
В зависимости от механизма действия различают ферменты с относительной или групповой специфичностью и с абсолютной специфичностью. Так, для действия некоторых гидролитических ферментов наибольшее значение имеет тип химической связи в молекуле субстрата. Например, пепсин расщепляет белки животного и растительного происхождения, хотя они могут существенно отличаться друг от друга как по химическому строению и аминокислотному составу, так и по физикохимическим свойствам. Однако пепсин не расщепляет углеводы или жиры. Объясняется это тем, что местом действия пепсина является пептидная - СО-NH-связь. Для действия липазы, катализирующей гидролиз жиров на глицерин и жирные кислоты, таким местом является сложноэфирная связь. Аналогичной групповой специфичностью обладают трипсин, химотрипсин, пептидазы, ферменты, гидролизующие α-гликозидные связи (но не β-гликозидные связи, имеющиеся в целлюлозе) в полисахаридах и т. д. Обычно эти ферменты участвуют в процессе пищеварения, и их групповая специфичность, вероятнее всего, имеет определенный биологический смысл. Аналогичной относительной специфичностью обладают также некоторые внутриклеточные ферменты, например гексокиназа, катализирующая в присутствии АТФ фосфорилирование почти всех гексоз, хотя одновременно в клетках имеются и специфичные для каждой гексозы ферменты, выполняющие такое же фосфорилирование.
Абсолютной специфичностью действия называют способность фермента катализировать превращение только единственного субстрата. Любые изменения (модификации) в структуре субстрата делают его недоступным для действия фермента. Примером таких ферментов могут служить аргиназа, расщепляющая в естественных условиях (в организме) аргинин, уреаза, катализирующая распад мочевины, и др. (см. Обмен простых белков).
Имеются экспериментальные доказательства существования так называемой стереохимической специфичности, обусловленной существованием оптически изомерных L- и D-форм или геометрических (цис- и транс-) изомеров химических веществ. Так, известны оксидазы L- и D-аминокислот, хотя в природных белках обнаружены только L-аминокислоты. Каждый из видов оксидазы действует только на свой специфический стереоизомер 1 . (1 Имеется, однако, небольшая группа ферментов - рацемазы, катализирующие изменение стерической конфигурации субстрата. Так, бактериальная аланин-рацемаза обратимо превращает как L-, так и D-аланин в оптически неактивную смесь обоих изомеров: DL-аланин (рацемат). )
Наглядным примером стереохимической специфичности является бактериальная аспартатдекарбоксилаза, катализирующая отщепление СO 2 только от L-аспарагиновой кислоты с превращением ее в L-аланин. Стереоспецифичность проявляют ферменты, катализирующие и синтетические реакции. Так, из аммиака и α-кетоглутарата во всех живых организмах синтезируется L-изомер глутаминовой кислоты, входящий в состав природных белков. Если какое-либо соединение существует в форме цис- и транс-изомеров с различным расположением групп атомов вокруг двойной связи, то, как правило, только один из этих геометрических изомеров может служить в качестве субстрата для действия фермента.
Например, фумараза катализирует превращение только фумаровой кислоты (трансизомер), но не действует на малеиновую кислоту (цисизомер).
Таким образом, благодаря специфичности действия ферменты обеспечивают протекание с высокой скоростью лишь определенных реакций из огромного разнообразия возможных превращений в микропространстве клеток и целостном организме, регулируя тем самым интенсивность обмена веществ.
Факторы, определяющие активность ферментов
Здесь будут кратко рассмотрены факторы, определяющие скорость реакций, катализируемых ферментами, и более подробно будут изложены вопросы об активировании и ингибировании действия ферментов.
Как известно, скорость любой химической реакции уменьшается со временем, однако кривая хода ферментативных реакций во времени (см. рис. 53) не имеет той общей формы, которая характерна для гомогенных химических реакций. Снижение скорости ферментативных реакций во времени может быть обусловлено угнетением продуктами реакции, уменьшением степени насыщения фермента субстратом (поскольку по мере протекания реакции концентрация субстрата снижается), частичной инактивацией фермента при заданной температуре и pH среды.
Следует учитывать, кроме того, значение скорости обратной реакции, которая может оказаться более существенной при повышении концентрации продуктов ферментативной реакции. Учитывая эти обстоятельства, при исследовании скорости ферментативных реакций в тканях и биологических жидкостях обычно определяют начальную скорость реакции в условиях, когда скорость ферментативной реакции приближается к линейной (в том числе при достаточно высокой для насыщения концентрации субстрата).
ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ СУБСТРАТА И ФЕРМЕНТА
НА СКОРОСТЬ ФЕРМЕНТАТИВНОЙ РЕАКЦИИ
Из приведенного выше материала вытекает важное заключение о том, что одним из наиболее существенных факторов, определяющих скорость ферментативной реакции, является концентрация субстрата. При постоянной концентрации фермента скорость реакции постепенно повышается, достигая определенного максимума (рис. 54), когда дальнейшее увеличение количеству субстрата уже не оказывает влияния на скорость реакции или в отдельных случаях даже тормозит ее. Как видно из кривой зависимости между скоростью ферментативной реакции и концентрацией субстрата, при низких концентрациях субстрата существует прямая зависимость между этими показателями, однако при высоких концентрациях скорость реакции становится не зависящей от концентрации субстрата; в этих случаях принято считать, что субстрат находится в избытке, а фермент полностью насыщен. Ограничивающим скорость реакции фактором в последнем случае становится концентрация фермента.
Скорость любой ферментативной реакции непосредственно зависит от концентрации фермента. На рис. 55 представлена зависимость между скоростью реакции и повышающимися количествами фермента в присутствии избытка субстрата. Видно, что между этими величинами существует линейная зависимость, т. е. скорость реакции пропорциональна количеству присутствующего фермента.
Любое изучение свойств ферментов, любое применение их в практической деятельности - в медицине и в народном хозяйстве - всегда связано с необходимостью знания, с какой скоростью протекает ферментативная реакция. Чтобы понять и правильно оценить результаты определения ферментативной активности, нужно совершенно отчётливо представить себе, от каких факторов зависит скорость реакции, какие условия оказывают на неё влияние. Таких условий много. Прежде всего, это соотношение концентрации самих реагирующих веществ: фермента и субстрата. Далее, это всевозможные особенности той среды, в которой протекает реакция: температура, кислотность, наличие солей или других примесей, способных как ускорять, так и замедлять ферментативный процесс, и так далее.
Действие ферментов зависит от ряда факторов, прежде всего от температуры и реакции среды (pH). Оптимальная температура, при которой активность ферментов наиболее высока, находится обычно в пределах 37 – 50˚С. При более низких температурах скорость ферментативных реакций снижается, а при температурах близких к 0˚С практически полностью прекращается. При повышении температуры, скорость также снижается и, наконец, полностью прекращается. Снижение интенсивности ферментов при повышении температуры, объясняется главным образом разрушением входящего в состав фермента белка. Поскольку белки в сухом состоянии денатурируются значительно медленнее, чем оводненные (в виде белкового геля или раствора), инактивирование ферментов в сухом состоянии происходит гораздо медленнее, чем в присутствии влаги. Поэтому сухие споры бактерий или сухие семена могут выдержать нагревание до гораздо более высоких температур, чем семена и споры более увлажненные.
Для большинства известных в настоящее время ферментов определён оптимум РН, при котором они обладают максимальной активностью. Эта величина - важный критерий, служащий для характеристик фермента. Иногда это свойство ферментов используют для их препаративного разделения. Наличие оптимума РН можно объяснить тем, что ферменты представляют собой полиэлектролиты и их заряд зависит от значения РН. Иногда сопутствующие вещества могут изменить оптимум РН, например буферные растворы. В некоторых случаях в зависимости от субстратов ферменты с неярко выраженной специфичностью имеют несколько оптимумов.
Важным фактором, от которого зависит действие ферментов, как установил впервые Сёренсен является активная реакция среды – pH. Отдельные ферменты различаются по оптимальной для их действия величине pH. Так, например пепсин, содержащийся в желудочном соке, наиболее активен в сильнокислой среде (pH 1 – 2); трипсин – протеолитический фермент, выделяемый поджелудочной железой, имеет оптимум действия в слабощелочной среде (pH 8 – 9); папаин, фермент растительного происхождения, оптимально действует в слабокислой среде (pH 5 – 6).
Отсюда следует, что величина (РН оптимум) - весьма чувствительный признак для данного фермента. Она зависит от природы субстрата, состава буферного раствора и поэтому не является истинной константой. Нужно иметь в виду также свойства ферментов как белковых тел, способных к кислотно-щелочной денатурации. Кислотно-щелочная денатурация может привести к необратимым изменениям структуры фермента с утратой его каталитических свойств.
Скорость любого ферментативного процесса в значительной степени зависит от концентрации, как субстрата, так и фермента. Обычно скорость реакции прямо пропорциональна количеству фермента, при условии если содержание субстрата в пределах оптимума или немного выше. При постоянном количестве фермента скорость возрастает с увеличением концентрации субстрата. Эта реакция подчинена закону действующих масс и рассматривается в свете теории Михаэлиса – Ментона, то есть,
V=K(F) ,
V - скорость реакции
K - константа скорости
F - концентрация фермента.
Присутствие в реакционной среде некоторых ионов может активировать образование активного субстрата ферментного комплекса, и в этом случае скорость ферментативной реакции будет увеличивается. Такие вещества получили название активаторов. При этом вещества, катализирующие ферментативные реакции, непосредственного участия в них не принимают. На активность одних ферментов существенно влияет концентрация солей в системе, другие ферменты не чувствительны к присутствию ионов. Однако некоторые ионы абсолютно необходимы для нормального функционирования некоторых ферментов. Известны ионы, которые тормозят активность одних ферментов и являются активаторами для других. К числу специфических активаторов относятся катионы металлов: Na + , K + ,Rb + ,Cs + ,Mg2 + , Ca2 + ,Zn2 + ,Cd2 + ,Cr2 + ,Cu2 + , Mn2 + ,Co2 + ,Ni2 + ,Al3 + . Известно также, что катионы Fe2 + ,Rb + ,Cs + только в присутствии Mg действуют как активаторы, в других случаях эти катионы не являются активаторами. В большинстве случаев один или два иона могут активировать тот или иной фермент. Например, Mg2 + - обычный активатор для многих ферментов, действующий на фосфоримированные субстраты, почти во всех случаях может быть заменён Mn2 + , хотя другие металлы его заменить не могут. Следует заметить, что щелочноземельные металлы вообще конкурируют друг с другом, в частности, Са2 + подавляет активность многих ферментов, активируемых Mg2 + и Zn2 + . Причина этого до настоящего времени не ясна. Механизм влияния ионов металлов - активаторов может быть различным. Прежде всего, металл может быть компонентом активного центра фермента. Но может действовать как связующий мостик между ферментом и субстратом, удерживая субстрат у активного центра фермента. Имеются данные о том, что ионы металлов способны связывать органическое соединение с белками и, наконец, один из возможных механизмов действия металлов как активаторов - это изменение константы равновесия ферментативной реакции. Доказано, что анионы также влияют на активность ряда ферментов. Например, очень велико влияние СI - на активность А - амилазы животного происхождения.
Действие ферментов также зависит от присутствия специфических активаторов или ингибиторов. Так фермент поджелудочной железы энтерокиназа превращает неактивный трипсиноген в активный трипсин. Подобные неактивные ферменты, содержащиеся в клетках и в секретах различных желез, называются проферментами. Фермент может быть конкурентным и неконкурентным. При конкурентном ингибировании ингибитор и субстрат конкурируют между собой, стремясь вытеснить один другого из фермент – субстратного комплекса. Действие конкурентного ингибитора снимается высокими концентрациями субстрата, в то время как действие неконкурентного ингибитора в этих условиях сохраняется. Действие на фермент специфических активаторов и ингибиторов имеет большое значение для регулирования ферментативных процессов в организме.
Наряду с существованием активаторов ферментов известен ряд веществ, присутствие которых тормозит каталитическое действие ферментов или полностью инактивирует его. Такие вещества принято называть ингибиторами. Ингибиторы – это вещества, действующие определённым химическим путём на ферменты и по характеру своего действия, могут быть подразделены на обратимые и необратимые ингибиторы. Для обратимого торможения характерно равновесие между ферментом и ингибитором с определённой константой равновесия. Система такого типа характеризуется определённой степенью торможения, зависящей от концентрации ингибитора, при этом торможение достигается быстро и после этого не зависит от времени. При удалении ингибитора с помощью диализа активность фермента восстанавливается. Необратимое торможение, прежде всего, выражается в том, что диализ не способствует восстановлению активности фермента. И в отличие от обратимого торможения усиливается со временем, так что может наступить полное торможение каталитической активности фермента при очень низкой концентрации ингибитора. В этом случае эффективность действия ингибитора зависит не от константы равновесия, а от константы скорости, определяющей долю фермента, подвергшегося торможению в данном случае.
Следовательно, в отношении pH среды пищеварительные ферменты рыб большей частью работают не при оптимальных условиях. Этот «недостаток» в работе пищеварительного тракта компенсируется тем, что пищеварение у рыбы протекает при постоянном перемешивании пищи и ферментов желудочно-кишечного тракта благодаря перистальтике последнего. Движения желудочно-кишечного тракта важны не только для постоянного передвижения пищи по тракту, но и для перемешивания фермента с субстратом (пищей), для размельчения субстрата и лучшего пропитывания его ферментом.[ ...]
Фонк экспериментально показал, что фибрин переваривается пак-креатическии соком примерно в 2 раза быстрее, если переваривание в пробирках ведется при постоянном перемешивании по сравнению с темн пробирками, в которых перемешивания не производится.[ ...]
В процессе пищеварения происходит постоянное выделение новых: порций ферментов в пищеварительный тракт, что, конечно, усиливает переваривающую способность последнего.[ ...]
В естественных условиях продукты химического взаимодействия: фермента и субстрата удаляются из сферы реакции и тем самым создаются условия для более полного воздействия фермента на субстрат, т. е. нет обратного тормозящего влияния продукта химической реакции на исходные реагирующие вещества.[ ...]
У каждого фермента есть свой специфический активатор, в присутствии которого фермент становится активным. У пепсина - соляная кислота, у трипсина - энтерокиназа и желчь, у липазы - хлористый, магний и желчь.[ ...]
Трипсин обычно переваривает белки в слабощелочной среде, а в кислой не переваривает. Но он может переваривать фибрин и в слабокислой среде, если прибавить в значительном количестве желчь.[ ...]
Как видно, активирование ферментов в организме может осуществляться разными путями, и конечный результат пищеварения, его полнота зависят не только от самого фермента, но и от той среды, в которой он действует, от тех активаторов, которые выделяются в пищеварительный тракт и, кроме того, еще зависят от перистальтики пищеварительного тракта.[ ...]
Итак, интенсивность переваривания пищи зависит не только от ее качества, но и от самого фермента. Допустим, что концентрация фермента достаточно высока и он действует на специфический субстрат, тогда для успешного переваривания пищи необходима еще благоприятная среда." Если среда неблагоприятна для действия фермента, то фермент может совсем не действовать или слабо действовать на субстрат.
