Травлення - це складний багатоступінчастий фізіологічний процес, протягом якого їжа (джерело енергії та поживних речовин для організму), що надійшла в травний тракт, зазнає механічної та хімічної обробки.
Особливості процесу травлення
Перетравлення їжі включає механічну (зволоження і подрібнення) і хімічну переробку. Хімічний процес включає ряд послідовних етапів розщеплення складних речовин на простіші елементи, які потім всмоктуються в кров.
Типи коагулянтних сирів та ферментів
Існує три типи ферментів.
Хімозин, отриманий ферментацією
Процес активації відбувається моно- або бимолекулярною реакцією, залежно від ферменту та умов. Це вказує на те, що в більшості випадків принаймні необхідно, щоб 85% амінокислот були ідентичні з перехресними імунохімічними реакціями.Фермент, в основному має ендопептидну активність і дуже низьку екзопептидну активність, це пов'язано з тим, що активний сайт є великим і може містити сім залишкових амінокислот. Тому він має складну специфічність, і фермент здається неспецифічним. Деякі існуючі аспарагінові протеази мають молекулярні варіанти, що містять більш менш ферментативні композиції, причому мікрогетерогенність більш-менш виражена набором ферментів коагулянту. Мікрогетерогенність є причиною гліколізу, фосфорилювання, дезамідування або часткового протеолізу.
Це відбувається за обов'язкову участьферментів, що прискорюють процеси в організмі. Каталізатори виробляються і входять до складу соків, що виділяються ними. Утворення ферментів залежить від того, яке середовище в шлунку, ротовій порожнині та інших ділянках травного тракту встановлюється в той чи інший момент.
Пройшовши рот, глотку і стравохід, їжа потрапляє у шлунок у вигляді суміші рідких та подрібнених зубами. Ця суміш під впливом шлункового соку переходить у рідку та напіврідку масу, яка ретельно перемішується за рахунок перистальтики стінок. Далі надходить у дванадцятипалу кишку, де відбувається її подальша обробка ферментами.
Специфічні молекулярні аспекти
Він характеризується високою специфічністю коагуляції молока та, як правило, низькою протеолітичною активністю. Квімоген, також званий прохімозин, перетворюється на активний фермент кислотною обробкою. Це відбувається через проміжну форму псевдохімозину при рН 2 коли швидкість активації протікає швидко, що перетворюється на хімозин при високому рН. Вони характеризуються високим ступенем протеолітичної активності та стійкістю до термічної обробки. Ці ферменти є гомологічними, але мають різну специфічність. . Перетравлення їжі відбувається в результаті реакції, яка називається гідролізом, яка полягає в розриві певних речовин за участю молекул води.
Від характеру їжі залежить, яке середовище в роті та шлунку встановиться. У нормі в ротової порожнинислаболужне середовище. Фрукти та соки викликають зниження pH ротової рідини(3,0) та утворення кислого середовища. Продукти, що містять амоній та сечовину (ментол, сир, горіхи), здатні привести реакцію слини до лужної (pH 8,0).
Будова шлунка
Шлунок - порожнистий орган, у якому їжа накопичується, частково перетравлюється та всмоктується. Орган знаходиться у верхній половині черевної порожнини. Якщо провести вертикальну лінію через пупок і грудну клітину, то приблизно 3/4 шлунка виявиться зліва від неї. У дорослої людини обсяг шлунка в середньому становить 2-3 л. При споживанні великої кількості їжі він збільшується, а якщо людина голодує – зменшується.
Ці реакції гідролізу каталізуються ферментами, які зазвичай називають гідролітичними ферментами. Травні ферменти є біологічними каталізаторами, що вивільняються в органах травної системи та сприяють хімічним реакціям, які зменшують молекули, менші органічні сполуки, присутні в харчових продуктах, дозволяючи їм поглинатися та використовуватися організмом.
Травні ферменти називаються відповідно до субстрату, на якому вони діють, будь то вуглеводи, ліпіди або білки. Протеаза карбогідразу Ліпаза Нуклеаза Мальтаза Амілаза. . Ферменти є дуже великі і складні білкові молекули, які діють як каталізатори у біохімічних реакціях На крохмалі вони діють шляхом випуску різних продуктів, включаючи декстрини та поступово малі полімери, що складаються з одиниць глюкози. Виробляються в слині та підшлунковій залозі, амілаза також виробляється різними грибами, бактеріями та овочами.
Форма шлунка може змінюватися відповідно до його заповненості їжею та газами, а також залежно від стану сусідніх органів: підшлункової залози, печінки, кишечника. На форму шлунка впливає і тонус його стінок.
Шлунок є розширеною частиною травного тракту. На вході знаходиться сфінктер (заслінка воротаря) - який пропускає порційно їжу зі стравоходу в шлунок. Частина, що прилягає до місця входу в стравохід, називається кардіальною. Зліва від неї розташовується дно шлунка. Середня частина зветься "тіло шлунка".
Амілази поділяються на дві групи: ендоамілази та екзоамілази. Ендоамілази каталізують випадковий гідроліз у молекулі крохмалю. Екзоамілази виключно гідролізують -1, 4 глікозидні зв'язки, такі як α-амілаза або обидва α-1, 4 і α-1, 6-зв'язки, такі як амілоглюкозидаза та глікозидаза. Амілаза, як і інші ферменти, діє як каталізатор, тобто вона змінюється реакцією, а полегшує її, зменшуючи кількість енергії, необхідне її досягнення. Амілаза перетравлює крохмалі, каталізуючи гідроліз, що є руйнуванням додаванням однієї молекули води.
Між антральним (кінцевим) відділом органу та дванадцятипалою кишкою знаходиться ще один воротар. Його відкриття та закриття контролюють хімічні подразники, що виділяються з тонкого кишечника.
Особливості будови стінки шлунка
Стінку шлунка вистилають три шари. Внутрішній шар – це слизова оболонка. Вона утворює складки, а вся її поверхня покрита залозами (загалом їх близько 35 мільйонів), які виділяють шлунковий сік, травні ферментипризначені для хімічної обробки їжі. Діяльність цих залоз визначає, яке середовище в шлунку - лужне або кисле - встановиться у певний період.
Таким чином, крохмаль плюс вода утворюється у мальтозі. Інші ферменти потім руйнують мальтозу в глюкозу, яка абсорбується через стінки тонкої кишки, а після прийому в печінку використовується як енергія. На додаток до каталітичного розщеплення молекул крохмалю грибкова альфа-амілаза є мультиферментом, здатним виконувати більше 30 ферментативних функцій, включаючи розщеплення жирових і білкових молекул. Він також здатний перетворювати кількість крохмалю на мальтозу в 450 разів більше, ніж власна вага. -Амілаза каталізує гідроліз жирів, перетворюючи їх на гліцерин і жирні кислоти, білки в протеоси та похідні крохмалю на декстрин та простіші цукру.
Підслизова оболонка має досить товсту структуру, пронизану нервами та судинами.
Третій шар являє собою потужну оболонку, яка складається з гладких волокон, необхідних для обробки і проштовхування їжі.
Зовні шлунок покритий щільною оболонкою – очеревиною.
Він має рН активності, близький до 7. Показання:? -Амілаза прискорює та полегшує перетравлення крохмалю, жирів та білків. Таким чином, він може збільшити використання продуктів харчування організмом та використовуватися для лікування дефіциту секреції підшлункової залози та хронічного запалення підшлункової залози, серед інших переваг.
Протипоказання: Не слід призначати пацієнтам із відомою гіперчутливістю до грибного ферменту. Побічні реакції: можливість алергічних реакцій в осіб із гіперчутливістю до грибного ферменту. Ліпази можуть мати рослинне, свиняче або мікробне походження, а останнє має суттєву перевагу. Корисно, коли дефіцит продукції відбувається в підшлунковій залозі, ліпаза - це фермент, добавка якого може бути корисною у випадках розладу шлунка, целіакії, кістозного фіброзута хвороби Крона.
Шлунковий сік: склад та особливості
Основну роль етапі травлення грає шлунковий сік. Залози шлунка різноманітні за своєю будовою, але основну роль в утворенні шлункової рідини відіграють клітини, що секретують пепсиноген, соляну кислоту та мукоїдні речовини (слиз).
Ліпаза відповідає за розпад та поглинання жирів у кишечнику. Фермент, необхідний абсорбції та перетравлення поживних речовин у кишечнику, відповідальний за розпад ліпідів, особливо тригліцеридів, ліпаза дозволяє організму легше поглинати їжу, зберігаючи поживні речовини на відповідних рівнях. В організмі людини ліпаза виробляється переважно підшлунковою залозою, але також виділяється порожниною рота та шлунка. Більшість людей виробляють достатню кількість ліпази підшлункової залози.
Використання добавок ліпази може бути бажаним у випадках хронічного розладушлунку. У дослідженні, в якому брали участь 18 осіб, добавки, що містять ліпазу та інші ферменти підшлункової залози, показали здатність зменшувати друкування на шлунку, сльозотечу, газ та почуття дискомфорту після їжі з високим вмістом жиру. Оскільки деякі з цих симптомів пов'язані з синдромом подразненої товстої кишки, деякі люди з цим станом можуть зазнавати поліпшення при використанні ферментів підшлункової залози.
Травний сік є незабарвленою рідиною без запаху і визначає, яке середовище має бути в шлунку. Він має виражену кислу реакцію. При проведенні дослідження на виявлення патологій фахівцю нескладно визначити, яке середовище існує в порожньому (натще) шлунку. При цьому враховується, що в нормі кислотність соку натще відносно невисока, але при стимуляції секреції вона набагато зростає.
Дослідження показують, що ліпаза може бути корисна у випадках целіакії, стан, при якому глютена з їжі викликає пошкодження кишечника. Симптоми включають біль у животі, втрату ваги та втому. У дослідженні, присвяченому 40 дітям з целіакією, ті, хто одержав терапію підшлункової залози, показали невелике збільшення ваги порівняно з групою плацебо. Люди з панкреатичною недостатністю та кістозним фіброзом часто потребують добавки ліпази та інших ферментів. Люди з целіакією, хворобою Крона та страждаючими від розладу травлення можуть відчувати нестачу в ферментах підшлункової залози, включаючи ліпазу.
У людини, яка дотримується нормального харчового раціону, протягом доби виробляється 1,5-2,5 л шлункової рідини. Основний процес, що відбувається у шлунку, – це початкове розщеплення білків. Так як шлунковий сік впливає на секрецію каталізаторів процесу перетравлення, стає зрозуміло, в якому середовищі активні ферменти шлунка – у кислому.
Показання: У випадках дефіциту ферментів підшлункової залози, диспепсії, кістозного фіброзу та целіакії, хвороби Крона. Протипоказання: у довідниках немає посилань. Побічні реакції: немає повідомлень про побічні ефекти з використанням запропонованої вище дози.
Запобіжні заходи: Ліпаза не слід приймати одночасно з бетаїном гідрохлоридом або соляною кислотою, яка може зруйнувати фермент. Поговоріть з лікарем, якщо пацієнт приймає орлістат, тому що це заважає активності добавок ліпази, блокуючи їх здатність руйнувати жири.
Ферменти, що виробляються залозами слизової оболонки шлунка
Пепсин - найважливіший фермент травного соку, що у розщепленні білків. Він виробляється під впливом соляної кислоти зі свого попередника - пепсиногену. Дія пепсину становить близько 95 % соку, що розщеплює. Про те, наскільки висока його активність, свідчать фактичні приклади: 1 г цієї речовини достатньо для того, щоб за дві години переварити 50 кг яєчного білка і 100000 л молока.
Це фермент, що секретується підшлунковою залозою, який бере участь у деградації білків, що виникають внаслідок дії шлункового пепсину. Протеаза секретується як проензим та активується кишковим соком. Він вводиться разом з іншими панкреатичними амілазами та пропанцинами ліпази, коли відбувається зниження виділення підшлункової залози.
Протеази є ферментами, які руйнують пептидні зв'язки між амінокислотами білків. Цей процес називається протеолітичним розщепленням, загальним механізмом активації або інактивації ферментів, які переважно беруть участь у травленні та зсіданні крові.
Муцин (шлунковий слиз) є складним комплексом речовин білкової природи. Він покриває слизову оболонку шлунка по всій поверхні і оберігає її як від механічних пошкоджень, так і від самоперетравлення, оскільки здатний послабити дію соляної кислоти, тобто - нейтралізувати.
У шлунку також присутня ліпаза - шлункова ліпаза малоактивна і в основному впливає на жири молока.
Протеази зустрічаються природним чином у всіх організмах і відповідають 1-5% їхнього генетичного вмісту. Ці ферменти залучені до широкого спектру метаболічних реакцій, від простого перетравлення харчових білків до сильно регульованих каскадів. Протеази зустрічаються в різних мікроорганізмах, таких як віруси, бактерії, найпростіші, дріжджі та гриби. Нездатність рослинних і тварин протеаз задовольнити світовий попит на ферменти призвела до дедалі більшого інтересу до протеаз мікробного походження.
Мікроорганізми є відмінним джерелом протеаз через їх велику біохімічну різноманітність і легкість генетичних маніпуляцій. Численні протеїнази продукуються окремими мікроорганізмами, залежно від виду або навіть різними штамами того самого виду. Різні протеїнази також можуть продукуватися тим самим штамом, змінюючи умови культивування.
Ще одна речовина, яка заслуговує на згадку, - це сприяє всмоктуванню вітаміну В 12 , внутрішній факторКасла. Нагадаємо, що вітамін В 12 необхідний переносу гемоглобіну кров'ю.
Роль соляної кислоти у травленні
Соляна кислота активує ферменти шлункового соку та сприяє перетравленню білків, оскільки викликає їх набухання та розпушування. Крім того, вона вбиває бактерії, які потрапляють в організм разом із їжею. Соляна кислота виділяється в малих дозах, незалежно від того, яке середовище в шлунку, чи є в ньому їжа, чи він порожній.
Дозування: доза варіюється від 600 до 500 одиниць. Протипоказання: Не слід призначати пацієнтам із відомою гіперчутливістю до бактеріального ферменту. Побічні ефекти: можливість алергічних реакцій у осіб із гіперчутливістю до бактеріального ферменту.
Приймайте від 1 до 2 капсул під час кожного їди. Пепсиноген є неактивною формою ферменту. Цей попередник секретується слизовою оболонкою шлунка і, щоб бути активним, його необхідно обробити соляною кислотою. Близько 1% пепсиногену може проникати у кровообіг і може бути корисним показником захворювань шлунка. Зокрема його значення враховуються з метою.
Але її секреція залежить від часу доби: встановлено, що мінімальний рівень шлункової секреціїспостерігається у період з 7 до 11 ранку, а максимальний – уночі. При надходженні їжі в шлунок секреція кислоти стимулюється завдяки збільшенню активності блукаючого нерва, розтягування шлунка та хімічному впливукомпонентів їжі на слизову оболонку
Пепсиноген та пепсин: біологічна роль та перетравлення білка
Контролювати стан здоров'я та функціональність слизової оболонки шлунка; Оцінити ризик розвитку гастриту; Встановіть частину постраждалих внаслідок певних патологічних станів . Пепсин виділяється як зимоген, тобто в неактивній формі, яка набуває функціональної ємності тільки після точної структурної зміни. Зокрема, соляна кислота, що виділяється парієтальними клітинами шлунка, перетворює пепсиноген, його попередник на пепсин, через протеолітичний розріз, що призводить до видалення близько сорока амінокислот.
Яке середовище в шлунку вважається стандартним, норма та відхилення
Говорячи про те, яке середовище в шлунку здорової людини слід враховувати, що різні відділи органу мають різні значення кислотності. Так, найбільше значеннястановить 0,86 pH, а мінімальне – 8,3. Стандартний показник кислотності в тілі шлунка натще дорівнює 1,5-2,0; на поверхні внутрішнього слизового шару показник pH 1,5-2,0, а в глибині цього шару - 7,0; у кінцевому відділі шлунка варіює 1,3-7,4.
Захворювання шлунка розвиваються в результаті дисбалансу кислотопродукції та нейолізації і безпосередньо залежать від того, яке середовище у шлунку. Важливо, щоб значення pH завжди були в нормі.
Тривала гіперсекреція соляної кислоти чи неповноцінна кислотонейтралізація призводить до збільшення кислотності у шлунку. При цьому розвиваються кислотозалежні патології.
Знижена кислотність характерна для (гастродуоденіту), раку. Показник при гастриті зі зниженою кислотністю становить 5,0 рН і більше. Захворювання в основному розвиваються при атрофії клітин слизової оболонки шлунка або їх дисфункції.
Гастрит із вираженою секреторною недостатністю
Патологія зустрічається у пацієнтів зрілого та похилого віку. Найчастіше вона буває вторинною, тобто розвивається на тлі іншого, що передує їй захворювання (наприклад, доброякісної виразки шлунка) і є результатом того, яке середовище в шлунку - лужне, в даному випадку.
Для розвитку та перебігу хвороби характерна відсутність сезонності та чіткої періодичності загострень, тобто час їх виникнення та тривалість непередбачувані.
Симптоми секреторної недостатності
- Постійна відрижка із тухлим присмаком.
- Нудота та блювання в період загострення.
- Анорексія (відсутність апетиту).
- Відчуття тяжкості в епігастральній ділянці.
- Чергування проносів та запорів.
- Метеоризм, бурчання та переливання в животі.
- Демпінг-синдром: відчуття запаморочення після прийому вуглеводної їжі, що виникає через швидке надходження хімусу зі шлунка в дванадцятипалу кишку, при зниженні шлункової активності.
- Схуднення (зниження маси становить кілька кілограмів).
Гастрогенна діарея може бути викликана:
- погано перетравленою їжею, що надходить у шлунок;
- різким дисбалансом у процесі перетравлення клітковини;
- прискореним випорожненням шлунка у разі порушення замикальної функції сфінктера;
- порушенням бактерицидної функції;
- патологіями підшлункової залози.
Гастрит із нормальною або підвищеною секреторною функцією
Це захворювання найчастіше відзначається у молодих людей. Воно має первинний характер, тобто перші симптоми з'являються несподівано для хворого, оскільки до цього він не відчував будь-якого вираженого дискомфорту і суб'єктивно вважав себе здоровим. Захворювання протікає з чергуванням загострень та перепочинків, без яскраво вираженої сезонності. Для точного визначення діагнозу слід звернутися до лікаря, щоб він призначив обстеження, зокрема і інструментальне.
У фазі загострення переважає больовий та диспептичний синдроми. Болі, як правило, чітко пов'язані з тим, яке середовище в шлунку людини на момент їди. Больовий синдром виникає практично відразу після їди. Рідше турбують тощакові пізні болі (через деякий час після їди), можливе їх поєднання.
Симптоми при підвищеній секреторній функції
- Болі зазвичай помірні, іноді супроводжуються тиском та тяжкістю в епігастральній ділянці.
- Пізні болі мають інтенсивний характер.
- Диспептичний синдром проявляється відрижкою "кислим" повітрям, неприємним присмакому роті, порушеннями смакових відчуттів, нудотою, що полегшує блювоту.
- Хворі відчувають печію, іноді болісну.
- Синдром кишкової диспепсії проявляється запорами чи проносами.
- Зазвичай виражений агресивністю, змінами настрою, безсонням і перевтомлюваністю.
Е) гастрогенної недостатності при резекції шлунка, гастроктомії, атрофічному гастриті.
2. Порушення пристінкового травлення при дефіциті дисахаридаз (вроджена, набута лактазна або інша дисахаридазна недостатність), при порушенні внутрішньоклітинного транспорту компонентів їжі внаслідок загибелі ентероцитів (хвороба Крона, глютенева ентеропатія, саркоїдоз, радіаційний).
3. Порушення відтоку лімфи від кишечника - обструкція лімфатичних проток при лімфангектазії, лімфомі, туберкульозі кишки, карциноїдів.
4. Поєднані порушення при цукровому діабеті, лямбліозі, гіпертиреозі, гіпогаммаглобулінемії, амілоїдозі, СНІДі, сепсисі.
Усі перелічені вище стану, тією чи іншою мірою є показаннями до призначення ферментної терапії.
Незважаючи на різноманіття причин, що викликають порушення травлення, найбільш виражені розлади викликають захворювання підшлункової залози, що супроводжуються екзокринною недостатністю. Вона виникає при захворюваннях підшлункової залози, що поєднуються із недостатністю її зовнішньосекреторної функції (хронічний панкреатит, фіброз підшлункової залози тощо). Екзокринна недостатність підшлункової залози залишається однією з найбільш актуальних проблемв сучасної медицини. Щорічно в Росії понад 500 тисяч осіб звертаються до медичних установ у зв'язку з різною патологією підшлункової залози, що супроводжується зовнішньосекреторною недостатністю. Крім того, навіть незначні відхилення у хімічній структурі їжі призводять до розвитку екзокринної недостатності підшлункової залози. При хронічному панкреатиті зовнішньосекреторна недостатність підшлункової залози розвивається більш пізніх стадіяхзахворювання у зв'язку з прогресуючою втратою функціонально активної паренхіми органу та його атрофії. При цьому на перший план виступають клінічні ознаки мальдігестії зі втратою маси тіла, які також можуть розвиватися. системні ускладнення(Імунодефіцит, інфекційні ускладнення, неврологічні розлади та ін.). У деяких випадках пацієнтів із хронічним панкреатитом больовий симптомне турбує і захворювання маніфестує екзокринною та/або ендокринною недостатністю. Багаторічний анамнез хронічного панкреатиту значно підвищує ризик розвитку раку підшлункової залози. На сьогоднішній день встановлено, що основною причиною розвитку хронічного панкреатитуіз зовнішньосекреторною недостатністю є токсико-метаболічні впливи на підшлункову залозу. У розвинених країнах зловживання алкоголем є основною причиною розвитку хронічного панкреатиту, особливо у поєднанні з високим вмістом білків і жирів у дієті, що п'ють. У 55–80% хворих на хронічний панкретит із зовнішньосекреторною недостатністю підшлункової залози визначається алкогольна етіологія захворювання. Також є дані, що вказують на генетичну схильністьдо розвитку хронічного панкреатиту Крім того, в Останнім часому розвитку хронічного панкреатиту почало розглядатися куріння цигарок. Клінічні ознаки екзокринної недостатності підшлункової залози включають метеоризм, стеаторею, нудоту, втрату маси тіла, м'язову атрофію, дефіцит жиророзчинних вітамінів. Симптом абдомінального болю при зовнішньосекреторній недостатності підшлункової залози може бути обумовлений не тільки супутнім панкреатитом, а й перерозтягуванням кишкової стінки внаслідок надмірного скупчення газів, прискореного пасажу калових мас. За даними деяких авторів, больовий симптом при зовнішньосекреторній недостатності підшлункової залози може бути обумовлений тим, що знижена секреція панкреатичних ферментів при зовнішньосекреторній недостатності призводить до гіперстимуляції підшлункової залози високими рівнями холецистокініну в плазмі крові і, отже, до больового абдомінального. Для діагностики зовнішньосекреторної недостатності застосовують і лабораторно-інструментальні методи дослідження. Копрологічне дослідженнядосі не втратило своєї актуальності і є доступним інформативним методом визначення наявності зовнішньосекреторної недостатності підшлункової залози. При функціональній недостатності з'являється поліфекалія, калові маси набувають сірого відтінку, мають «сальний» вигляд, з'являються смердючий, гнильний запах, стеаторея, креаторея, рідко амілорея. Копрологічне дослідження не завжди є інформативним при легких порушеннях зовнішньосекреторної функції. Визначення вмісту еластази-1 у калі є одним із сучасних методів оцінки вираженості зовнішньосекреторної недостатності підшлункової залози, оскільки панкреатична еластаза не змінює своєї структури в міру проходження через шлунково-кишковий тракт. Також незамінними методами для діагностики причини, що послужила розвитку зовнішньосекреторної недостатності підшлункової залози, є ультразвукове дослідженняпідшлункової залози, комп'ютерна томографія та ін.
Терапія порушень травної функції заснована на застосуванні ферментних препаратів, вибір яких повинен проводитися з урахуванням виду, вираженості, оборотності патологічних змін та моторних порушень органів шлунково-кишкового тракту. Зазвичай ферментні препарати є багатокомпонентними лікарськими засобами, основу яких складає комплекс ензимів тваринного, рослинного або грибкового походження. чистому виглядіабо у комбінації з допоміжними компонентами (жовчними кислотами, амінокислотами, геміцелюлазою, симетиконом, адсорбентами та ін.).
У клінічній практицівибір та дозування ферментних препаратів визначаються такими основними факторами:
- складом та кількістю активних травних ферментів, що забезпечують розщеплення нутрієнтів;
- формою випуску препарату: що забезпечує стійкість ферментів до дії хлористоводневої кислоти; що забезпечує швидке вивільнення ферментів у дванадцятипалій кишці; що забезпечує вивільнення ферментів в інтервалі 5-7 од. рН;
- гарною переносимістю та відсутністю побічних реакцій;
- тривалий термін зберігання.
Розглянемо докладніше препарат Юніензим із МПС із його унікальним комплексним ферментним складом (табл. 1).
До ферментів також застосовні три основних критерії, характерних для неорганічних каталізаторів. Зокрема, вони залишаються відносно незмінними після реакції, т. е. знову звільняються і можуть реагувати з новими молекулами субстрату (хоча не можна виключити побічних впливів умов середовища на активність ферменту). Ферменти надають свою дію в мізерно малих концентраціях (наприклад, одна молекула ферменту ренніну, що міститься в слизовій оболонці шлунка теляти, створює близько 10 6 молекул казеїногену молока за 10 хв при 37°С). Наявність або відсутність ферменту або будь-якого іншого каталізатора не впливає як на величину константи рівноваги, так і на зміну вільної енергії (G). Каталізатори лише підвищують швидкість, з якою система наближається до термодинамічної рівноваги, не зрушуючи точки рівноваги. Хімічні реакції з високою константою рівноваги та негативною величиною ΔG прийнято називати екзергонічними. Реакції з низькою константою рівноваги і відповідно до позитивної величини ΔG (вони зазвичай не протікають спонтанно), називаються ендергонічними. Для початку та завершення цих реакцій необхідний приплив енергії ззовні. Однак у живих системах екзергонічні процеси пов'язані з ендергонічними реакціями, забезпечуючи останні необхідною кількістю енергії.
Ферменти, будучи білками, мають низку характерних цього класу органічних сполук властивостей, які від властивостей неорганічних каталізаторів.
Термолабільність ферментів
Оскільки швидкість хімічних реакцій залежить від температури, реакції, які каталізуються ферментами, також чутливі до змін температури. Швидкість хімічної реакції підвищується вдвічі при підвищенні температури на 10°С. Однак через білкову природу ферменту теплова денатурація білка-ферменту при підвищенні температури знижуватиме ефективну концентраціюферменту з подальшим зниженням швидкості реакції Так, приблизно до 45-50°С переважає ефект підвищення швидкості реакції, передбачуваний теорією хімічної кінетики. Вище 45°С важливішою стає теплова денатурація білка-ферменту та швидке падіння швидкості реакції (рис. 51).
Таким чином, термолабільність, або чутливість до підвищення температури є однією з характерних властивостей ферментів, що різко відрізняють їх від неорганічних каталізаторів. У присутності останніх швидкість реакції зростає експоненційно у разі підвищення температури (див. рис. 51).
При 100°С майже всі ферменти втрачають свою активність (виняток становить, очевидно, лише один фермент м'язової тканини- Міокіназа, яка витримує нагрівання до 100 ° С). Оптимальною температурою дії більшості ферментів теплокровних тварин є 37-40°С. За низьких температур (0° або нижче) ферменти, як правило, не руйнуються (не денатуруються), хоча активність їх падає майже до нуля. В усіх випадках має значення час впливу відповідної температури. В даний час для пепсину, трипсину та інших ферментів доведено існування прямої залежності між швидкістю інактивації ферменту і ступенем денатурації білка. Вкажемо також, що на термолабільність ферментів певний вплив мають концентрація субстрату, pH середовища та інші фактори.
Залежність активності ферментів від pH середовища
Ферменти зазвичай найбільш активні у межах вузької зони концентрації водневих іонів, відповідної тваринних тканин переважно виробленим у процесі еволюції фізіологічним значенням pH середовища (pH 6,0-8,0). При графічному зображенні на кривій дзвоноподібної форми є певна точка, при якій фермент виявляє максимальну активність; цю точку називають оптимумом pH середовища для дії даного ферменту (рис. 52). При визначенні залежності активності ферменту від концентрації водневих іонів проводять реакцію при різних значеннях pH середовища, зазвичай при оптимальній температурі і за наявності досить високих концентрацій субстрату. У табл. 17 наводяться оптимальні межі pH середовища для ряду ферментів.
З табл. 17 видно, що рН-оптимум дії ферментів лежить у межах фізіологічних значень. Винятком є пепсин, pH-оптимум якого дорівнює 2,0 (при pH 6,0 він не активний і не стабільний). Пояснюється це функцією пепсину, оскільки у шлунковому соку міститься вільна соляна кислота, що створює середовище приблизно цього значення pH. З іншого боку, pH-оптимум аргінази лежить у лужній зоні (близько 10,0); такого середовища немає в клітинах печінки, отже, in vivo аргіназа функціонує, мабуть, не у своїй оптимальній зоні pH середовища.
Згідно з сучасними уявленнями, вплив змін pH середовища на молекулу ферменту полягає у впливі на стан або ступінь іонізації кислотних та основних груп (зокрема, СООН-групи дикарбонових амінокислот, SH-групи цистеїну, імідазольного азоту гістидину, NН 2 -групи лізину та ін. ). При різних значеннях pH середовища активний центр може перебувати в частково іонізованій або неіонізованій формі, що позначається на третинній структурі білка і на формуванні активного фермент-субстратного комплексу. Має значення, крім того, стан іонізації субстратів та кофакторів.
Специфіка ферментів
Ферменти мають високу специфічність дії. За цією властивістю вони часто суттєво відрізняються від неорганічних каталізаторів. Так, дрібноподрібнені платина та паладій можуть каталізувати відновлення (за участю молекулярного водню) десятків тисяч хімічних сполук різної структури. Висока специфічність ферментів зумовлена, як було згадано вище, конформаційною та електростатичною комплементарністю між молекулами субстрату та ферменту та унікальною структурою активного центру ферменту, що забезпечують "впізнавання", високу спорідненість і вибірковість протікання однієї будь-якої реакції з тисячі інших хімічних реакцій, що здійснюються одночасно живі клітини.
Залежно від механізму дії розрізняють ферменти з відносною або груповою специфічністю та абсолютною специфічністю. Так, для дії деяких гідролітичних ферментів найбільше значення має тип хімічного зв'язку у молекулі субстрату. Наприклад, пепсин розщеплює білки тваринного та рослинного походження, хоча вони можуть суттєво відрізнятися один від одного як по хімічної будовита амінокислотного складу, так і за фізикохімічними властивостями. Проте пепсин не розщеплює вуглеводи чи жири. Пояснюється це тим, що місцем дії пепсину є пептидна – СО-NH-зв'язок. Для дії ліпази, що каталізує гідроліз жирів на гліцерин та жирні кислоти, таким місцем є складноефірний зв'язок. Аналогічною груповою специфічністю володіють трипсин, хімотрипсин, пептидази, ферменти, гідролізуючі α-глікозидні зв'язки (але не β-глікозидні зв'язки, наявні в целюлозі) в полісахаридах і т. д. Зазвичай ці ферменти беруть участь у процесі травлення, і всього, має певний біологічний зміст. Аналогічну відносну специфічність мають також деякі внутрішньоклітинні ферменти, наприклад гексокіназа, що каталізує в присутності АТФ фосфорилювання майже всіх гексоз, хоча одночасно в клітинах є і специфічні для кожної гексози ферменти, що виконують таке ж фосфорилювання.
Абсолютною специфічністю дії називають здатність ферменту каталізувати перетворення лише єдиного субстрату. Будь-які зміни (модифікації) у структурі субстрату роблять його недоступним для дії ферменту. Прикладом таких ферментів можуть бути аргіназа, що розщеплює в природних умовах (в організмі) аргінін, уреаза, що каталізує розпад сечовини, та ін. (див. Обмін простих білків).
Є експериментальні докази існування так званої стереохімічної специфічності, обумовленої існуванням оптично ізомерних L- та D-форм або геометричних (цис- та транс-) ізомерів хімічних речовин. Так, відомі оксидази L-і D-амінокислот, хоча в природних білках виявлено лише L-амінокислоти. Кожен із видів оксидази діє лише на свій специфічний стереоізомер 1 . (1 Є, проте, невелика група ферментів - рацемази, що каталізують зміну стеричної конфігурації субстрату. Так, бактеріальна аланін-рацемаза оборотно перетворює як L-, так і D-аланін в оптично неактивну суміш обох ізомерів: DL-аланін (рацемат).)
Наочним прикладом стереохімічної специфічності є бактеріальна аспартатдекарбоксилаза, що каталізує відщеплення СО 2 тільки від L-аспарагінової кислоти з перетворенням її на L-аланін. Стереоспецифічність виявляють ферменти, що каталізують та синтетичні реакції. Так, з аміаку та α-кетоглутарату у всіх живих організмах синтезується L-ізомер глутамінової кислоти, що входить до складу природних білків. Якщо якесь з'єднання існує у формі цис-і транс-ізомерів з різним розташуванням груп атомів навколо подвійного зв'язку, то, як правило, тільки один з цих геометричних ізомерів може служити субстратом для дії ферменту.
Наприклад, фумараза каталізує перетворення тільки фумарової кислоти (трансізомер), але не діє на малеїнову кислоту (цисізомер).
Таким чином, завдяки специфічності дії ферменти забезпечують протікання з високою швидкістюлише певних реакцій з величезної різноманітності можливих перетворень у мікропросторі клітин і цілісному організмі, регулюючи цим інтенсивність обміну речовин.
Чинники, що визначають активність ферментів
Тут будуть коротко розглянуті фактори, що визначають швидкість реакцій, що каталізуються ферментами, і більш детально буде викладено питання про активування та інгібування дії ферментів.
Як відомо, швидкість будь-якої хімічної реакції зменшується з часом, проте крива перебігу ферментативних реакцій у часі (див. рис. 53) не має тієї загальної форми, яка характерна для гомогенних хімічних реакцій. Зниження швидкості ферментативних реакцій у часі може бути обумовлено пригніченням продуктами реакції, зменшенням ступеня насичення ферменту субстратом (оскільки в міру протікання реакції концентрація субстрату знижується), частковою інактивацією ферменту при заданій температурі та pH середовища.
Слід враховувати, крім того, значення швидкості зворотної реакції, яка може виявитися суттєвішою при підвищенні концентрації продуктів ферментативної реакції. Враховуючи ці обставини, при дослідженні швидкості ферментативних реакцій у тканинах та біологічних рідинах зазвичай визначають початкову швидкість реакції в умовах, коли швидкість ферментативної реакції наближається до лінійної (у тому числі за досить високої для насичення концентрації субстрату).
ВПЛИВ КОНЦЕНТРАЦІЇ СУБСТРАТУ І ФЕРМЕНТУ
НА ШВИДКІСТЬ ФЕРМЕНТАТИВНОЇ РЕАКЦІЇ
З наведеного вище матеріалу випливає важливий висновокпро те, що одним із найбільш суттєвих факторів, що визначають швидкість ферментативної реакції, є концентрація субстрату. При постійній концентрації ферменту швидкість реакції поступово підвищується, досягаючи певного максимуму (рис. 54), коли подальше збільшення кількості субстрату вже не впливає на швидкість реакції або в окремих випадках навіть гальмує її. Як видно з кривої залежності між швидкістю ферментативної реакції та концентрацією субстрату, при низьких концентраціях субстрату існує пряма залежність між цими показниками, проте при високих концентраціях швидкість реакції стає залежною від концентрації субстрату; у випадках прийнято вважати, що субстрат перебуває надлишку, а фермент повністю насичений. Обмежує швидкість реакції фактором в останньому випадку стає концентрація ферменту.
Швидкість будь-якої ферментативної реакції безпосередньо залежить від концентрації ферменту. На рис. 55 представлена залежність між швидкістю реакції і підвищуються кількостями ферменту в присутності надлишку субстрату. Видно, між цими величинами існує лінійна залежність, т. е. швидкість реакції пропорційна кількості присутнього ферменту.
Будь-яке вивчення властивостей ферментів, будь-яке застосування їх у практичній діяльності - у медицині та народному господарстві- завжди пов'язані з необхідністю знання, з якою швидкістю протікає ферментативна реакція. Щоб зрозуміти і правильно оцінити результати визначення ферментативної активності, потрібно цілком виразно уявити, від яких чинників залежить швидкість реакції, які на неї впливають. Таких умов багато. Насамперед, це співвідношення концентрації самих реагуючих речовин: ферменту та субстрату. Далі, це різні особливості того середовища, в якому протікає реакція: температура, кислотність, наявність солей або інших домішок, здатних як прискорювати, так і уповільнювати ферментативний процес, і так далі.
Дія ферментів залежить від ряду факторів, насамперед від температури та реакції середовища (pH). Оптимальна температура, коли активність ферментів найбільш висока, перебуває зазвичай у межах 37 – 50˚С. При нижчих температурах швидкість ферментативних реакцій знижується, а при температурах близьких до 0С практично повністю припиняється. При підвищенні температури швидкість також знижується і, нарешті, повністю припиняється. Зниження інтенсивності ферментів при підвищенні температури, пояснюється головним чином руйнуванням білка, що входить до складу ферменту. Оскільки білки в сухому стані денатуруються значно повільніше, ніж оводнені (у вигляді білкового гелю або розчину), інактивування ферментів у сухому стані відбувається набагато повільніше, ніж у присутності вологи. Тому сухі суперечки бактерій або сухе насіння можуть витримати нагрівання до набагато більше. високих температур, ніж насіння та суперечки більш зволожені.
Для більшості відомих в даний час ферментів визначено оптимум РН, при якому вони мають максимальну активність. Ця величина - важливий критерій, що служить для показників ферменту. Іноді цю властивість ферментів використовують для їх препаративного поділу. Наявність оптимуму РН можна пояснити тим, що ферменти є поліелектролітами та їх заряд залежить від значення РН. Іноді супутні речовини можуть змінити оптимум РН, наприклад, буферні розчини. У деяких випадках, залежно від субстратів, ферменти з неяскраво вираженою специфічністю мають кілька оптимумів.
Важливим фактором, від якого залежить дія ферментів, як встановив вперше Серенсен, є активна реакція середовища – pH. Окремі ферменти розрізняються за оптимальною для їхньої дії величиною pH. Так, наприклад, пепсин, що міститься в шлунковому соку, найбільш активний у сильнокислому середовищі (pH 1 - 2); трипсин – протеолітичний фермент, що виділяється підшлунковою залозою, має оптимум дії у слаболужному середовищі (pH 8 – 9); папаїн, фермент рослинного походження, оптимально діє у слабокислому середовищі (pH 5 – 6).
Звідси випливає, що величина (РН-оптимум) - дуже чутлива ознака для даного ферменту. Вона залежить від природи субстрату, складу буферного розчину і тому не є справжньою константою. Потрібно мати на увазі також властивості ферментів як білкових тіл, здатних до кислотно-лужної денатурації. Кислотно-лужна денатурація може призвести до незворотних змін структури ферменту зі втратою його каталітичних властивостей.
Швидкість будь-якого ферментативного процесу значною мірою залежить від концентрації як субстрату, так і ферменту. Зазвичай швидкість реакції прямо пропорційна кількості ферменту, за умови, якщо вміст субстрату в межах оптимуму або трохи вище. При постійній кількості ферменту швидкість зростає із збільшенням концентрації субстрату. Ця реакція підпорядкована закону мас і розглядається у світлі теорії Міхаеліса – Ментона, тобто,
V=K(F) ,
V - швидкість реакції
K – константа швидкості
F – концентрація ферменту.
Присутність в реакційному середовищі деяких іонів може активувати утворення активного субстрату ферментного комплексу, і в цьому випадку швидкість ферментативної реакції збільшується. Такі речовини дістали назву активаторів. При цьому речовини, що каталізують ферментативні реакції, безпосередньої участі в них не беруть. На активність одних ферментів суттєво впливає концентрація солей у системі, інші ферменти не чутливі до присутності іонів. Однак деякі іони абсолютно необхідні нормального функціонування деяких ферментів. Відомі іони, які гальмують активність одних ферментів та є активаторами для інших. До специфічних активаторів відносяться катіони металів: Na +, K +, Rb +, Cs +, Mg2 +, Ca2 +, Zn2 +, Cd2 +, Cr2 +, Cu2 +, Mn2 +, Co2 +, Ni2 +, Al3 +. Відомо також, що катіони Fe2 + Rb + Cs тільки в присутності Mg діють як активатори, в інших випадках ці катіони не є активаторами. У більшості випадків один або два іони можуть активувати той чи інший фермент. Наприклад, Mg2+ - звичайний активатор для багатьох ферментів, що діє на фосфоримовані субстрати, майже у всіх випадках може бути замінений на Mn2+, хоча інші метали його замінити не можуть. Слід зауважити, що лужноземельні метали взагалі конкурують один з одним, зокрема, Са2+ пригнічує активність багатьох ферментів, що активуються Mg2+ та Zn2+. Причина цього досі не зрозуміла. Механізм впливу іонів металів – активаторів може бути різним. Насамперед метал може бути компонентом активного центру ферменту. Але може діяти як сполучний місток між ферментом і субстратом, утримуючи субстрат у активного центру ферменту. Є дані про те, що іони металів здатні пов'язувати органічна сполуказ білками і, нарешті, один із можливих механізмів дії металів як активаторів - це зміна константи рівноваги ферментативної реакції. Доведено, що аніони також впливають активність низки ферментів. Наприклад, дуже великий вплив СІ – на активність А – амілази тваринного походження.
p align="justify"> Дія ферментів також залежить від присутності специфічних активаторів або інгібіторів. Так фермент підшлункової залози ентерокіназу перетворює неактивний трипсиноген на активний трипсин. Подібні неактивні ферменти, що містяться в клітинах та секретах різних залоз, називаються проферментами. Фермент може бути конкурентним та неконкурентним. При конкурентному інгібуванні інгібітор та субстрат конкурують між собою, прагнучи витіснити один одного з ферментів – субстратного комплексу. Дія конкурентного інгібітора знімається високими концентраціями субстрату, тоді як дія неконкурентного інгібітора у умовах зберігається. Дія на фермент специфічних активаторів та інгібіторів має велике значеннярегулювання ферментативних процесів в організмі.
Поряд із існуванням активаторів ферментів відомий ряд речовин, присутність яких гальмує каталітичну дію ферментів або повністю інактивує його. Такі речовини називають інгібіторами. Інгібітори - це речовини, що діють певним хімічним шляхом на ферменти та за характером своєї дії, можуть бути поділені на оборотні та необоротні інгібітори. Для оборотного гальмування характерна рівновага між ферментом та інгібітором з певною константою рівноваги. Система такого типу характеризується певною мірою гальмування, що залежить від концентрації інгібітора, при цьому гальмування досягається швидко і після цього не залежить від часу. При видаленні інгібітору за допомогою діалізу активність ферменту відновлюється. Необоротне гальмування насамперед виявляється у тому, що діаліз не сприяє відновленню активності ферменту. І на відміну від оборотного гальмування посилюється з часом, так що може настати повне гальмування каталітичної активності ферменту за дуже низької концентрації інгібітору. У цьому випадку ефективність дії інгібітора залежить не від константи рівноваги, а від константи швидкості, що визначає частку ферменту, що зазнав гальмування в даному випадку.
Отже, щодо pH середовища травні ферменти риб переважно працюють не за оптимальних умов. Цей «недолік» у роботі травного тракту компенсується тим, що травлення у риби протікає при постійному перемішуванні їжі та ферментів шлунково-кишковий трактзавдяки перистальтиці останнього. Рухи шлунково-кишкового тракту важливі не тільки для постійного пересування їжі по тракту, але і для перемішування ферменту з субстратом (їжею), для подрібнення субстрату та кращого просочування його ферментом.
Фонк експериментально показав, що фібрин перетравлюється пак-креатичним соком приблизно в 2 рази швидше, якщо перетравлення в пробірках ведеться при постійному перемішуванні в порівнянні з темними пробірками, в яких перемішування не проводиться.
У процесі травлення відбувається постійне виділення нових: порцій ферментів у травний тракт, що, звичайно, посилює здатність варіації останнього.
У природних умовах продукти хімічної взаємодії: ферменту та субстрату видаляються зі сфери реакції і тим самим створюються умови для більш повного впливу ферменту на субстрат, тобто немає зворотного гальмівного впливу продукту хімічної реакції на вихідні речовини, що реагують.
Кожен фермент має свій специфічний активатор, у присутності якого фермент стає активним. У пепсину - соляна кислота, у трипсину - ентерокіназа та жовч, у ліпази - хлористий, магній та жовч.
Трипсин зазвичай перетравлює білки в слаболужному середовищі, а в кислому не перетравлює. Але він може перетравлювати фібрин і в слабокислому середовищі, якщо додати у значній кількості жовч.
Як видно, активування ферментів в організмі може здійснюватися різними шляхами, і кінцевий результат травлення, його повнота залежать не тільки від самого ферменту, але і від того середовища, в якому він діє, від активаторів, які виділяються в травний тракт і, крім того , ще залежать від перистальтики травного тракту.
Отже, інтенсивність перетравлення їжі залежить тільки від її якості, а й від самого ферменту. Припустимо, що концентрація ферменту досить висока і він діє на специфічний субстрат, тоді для успішного перетравлення їжі необхідна ще сприятливе середовище. Якщо середовище несприятливе для дії ферменту, то фермент може зовсім не діяти або слабо діяти на субстрат.
