Просто о ферментах. Почему они так полезны?

Это очень активный белок, который преимущественно расщепляет пептидные связи, расположенные посередине полипептидной цепи (можно провести отдаленную аналогию с альфа-амилазой), но в отличие от многих ферментов пепсин не обладает узкой субстратной специфичностью. С наибольшей скоростью пепсин расщепляет пептидные связи, образованные ароматическими аминокислотами – тирозином и фенилаланином, однако «не привередничает» и расщепляет и другие пептидные связи.

Внимательный читатель может задуматься, а не опасно ли содержать такой агрессивный фермент в желудке? Не расщепит ли он белки, которые выполняют в нем структурные функции?

Природа предусмотрела защитный механизм: в клетках желудка пепсин вырабатывается в неактивной форме пепсиногена. Это в некотором смысле «намордник», который сдерживает гидролитическую активность фермента. Под действием гормона гастрина и блуждающего нерва пепсиноген попадает в кислую среду желудка. «Намордник» отщепляется. Ведь это всего лишь фрагмент полипептидной цепочки в 44 аминокислотных остатка. Соляная кислота желудка способствует процессу отщепления, а затем уже «высвободившиеся» молекулы пепсина помогают своим «товарищам». Это явление, когда продукт ускоряет реакцию, называется автокатализ – «сам себя ускоряю».

Пепсин легко выделяется и кристаллизуется, обладает высокой активностью и встречается во многих организмах. Это делает его привлекательным ферментом для биотехнологии. Сегодня пепсин используется в сыроделии, а также в некоторых медицинских целях.

В желудке интенсивный процесс пищеварения длится до трех часов, а затем пищевой комок попадает в кишечник. Там его встречает сок поджелудочной железы – панкреатический сок. Через главный проток поджелудочной железы в двенадцатиперстную кишку попадает настоящий коктейль ферментов: в первую очередь амилазы (и других ферментов, нацеленных на расщепление углеводов), протеазы и липазы. Помимо ферментов панкреатический сок содержит гидрокарбонат-ионы, который нейтрализуют соляную кислоту желудка.

В кишечнике, в отличие от желудка, поддерживается практически нейтральный или слабощелочной уровень кислотности. В этих условиях очень высока активность панкреатической альфа-амилазы. Она завершает работу, начатую своей коллегой – слюнной амилазой. Кроме того, за расщепление углеводов отвечают ферменты амило‑1,6‑глюкозидаза и олиго‑1,6‑глюкозидаза, которые расщепляют связи в участках ветвления крахмала. Для расщепления дисахаридов – продуктов распада крахмала – в кишечнике также присутствует фермент мальтаза, расщепляющий мальтозу. Для расщепления сахарозы (белого сахара) в кишечнике также присутствует сахараза, способствующая образованию глюкозы и фруктозы.

Если в желудке ключевой протеазой был пепсин, то в кишечнике трудно выделить одну «приму», здесь выступает целый «ансамбль» различных ферментов, которые фундаментально можно разделить на две группы. Эндопротеазы расщепляют пептидную связь внутри цепи, и это может напомнить вам эффект от альфа-амилазы. Экзопротеазы отщепляют по одному аминокислотному остатку с конца полипептидной цепи. Поджелудочная железа выделят экзопротеазы, отщепляющие остатки с С-конца, которые называются карбоксипептидазы, а клетки тонкого кишечника высвобождают ферменты, отщепляющие с N-конца, называемые аминопептидазы.

К самым известным кишечным эндопротеазам относят такие ферменты, как трипсин, хипотрипсин и эластазу. Эти ферменты – сестры, поскольку относятся к семейству сериновых протеаз. Активный центр устроен у них одинаково: в нем расположена так называемая каталитическая триада, остатки серина, гистидина и аспарагиновой кислоты. Важной особенностью является образование промежуточного ковалентного соединения – ацилфермента, в котором появляется полноценная химическая связь между гидроксильной группой серина, фермента и расщепляемого белка.

Главные отличия между ферментами кроятся в строении сорбционного центра. Трипсин преимущественно расщепляет пептидные связи, образованные остатками аргинина или лизина. В то время как химотрипсин специфичен по отношению к связям, образованным крупными гидрофобными остатками аминокислоты, например триптофана и фенилаланина. Эластаза же имеет сродство со связями, образованными остатками аминокислот с незаряженными заместителями, например глицина, аланина и валина.