Воздействие внешних факторов на ферментативную систему человека

Воздействие внешних факторов на ферментативную систему человека

Министерство общего и профессионального образования

Свердловской области

Департамент муниципального образования «город Нижний Тагил»

Образовательное учреждение МОУ СОШ № 10

Направление: научно-техническое

Воздействие внешних факторов на ферментативную систему человека

Исполнители: учащиеся 10 «А» класса

Чиркова Татьяна

Цыпушкина Татьяна

Научный руководитель: Балбашова Ю. А.,

МОУ СОШ №10, учитель химии I категории

Нижний Тагил

2006

Эксперт-рецензия

Авторы исследовательского проекта: Чиркова Татьяна, Цыпушкина Татьяна, МОУ СОШ № 10

Тема исследовательского проекта: Воздействие внешних факторов на ферментативную  систему человека

Направление: научно-техническое

Тема проекта актуальна, хорошо осмыслена и разработана учащимися.

В оформлении проекта четко выделены 4 раздела:

1. Введение, где выражена аргументация и актуальность решаемой проблемы. Четко сформулированы цели и задачи.

2. Теоретический раздел представлен анализом литературы и периодики по проблеме исследования.

3. Практический раздел представлен в виде отчета о проделанных в большом количестве химических экспериментов.

4. В заключении подведены итоги, выводы, дана самооценка собственных действий по достижению цели, определена перспектива и дальнейшее направление исследования.

Проект сопровождается иллюстрациями, фотографиями. Оформление достойного уровня.

Проблема, которая затрагивается в исследовательской работе, актуальна для человечества, т.к. непосредственно касается его здоровья.

Выводы, сделанные в ходе работы, еще раз подтверждают вредное воздействие ионов тяжелых металлов, алкоголя, самолечения. К исследованию проблемы авторы подошли творчески: ими разработан и выполнен эксперимент по изучению активности фермента под действием биологически активных веществ. Действительно, многие люди относятся к пищевым добавкам легкомысленно, что иной раз приводит к нарушению здоровья.

Полученные и представленные в виде таблиц и графиков результаты, можно считать достоверными, т.к. опыты проводились по несколько раз, и высчитывалось среднее значение.

В изложении исследовательского проекта присутствует логика, убедительность, рассуждения аргументированы.

Данная тема взаимосвязана с различными областями знаний: химия, биология, математика, английский язык, экология.

Авторы проекта проявили логику мышления, способность к самостоятельному анализу, умение вычленить главное и определить пути решения проблем.

Данный проект отличает то, что его исследования осуществимы в школьной лаборатории, доступные реактивы позволяют повторять эксперимент несколько раз и тем самым добиваться достоверных результатов.

Рекомендации: рекомендовать данную работу к участию в научно-практической конференции – 2006.

ШМО СОШ № 10.

02.02.06.

Эксперт-рецензия

Авторы исследовательского проекта: Чиркова Татьяна, Цыпушкина Татьяна, МОУ СОШ № 10

Тема исследовательского проекта: Воздействие внешних факторов на ферментативную  систему человека

Направление: научно-техническое

Авторы проекта провели широкий обзор литературы и современной периодики по данной проблеме; воспользовались статьями иностранных издательств (переводы предложены в приложении). В изложении материала присутствует логика, рассуждения аргументированы.

Практическая часть исследовательского проекта представлена в виде отчета о результатах экспериментов, которые отражают степень воздействия внешних факторов на активность амилазы. Опыты поставлены в соответствии четкой инструкции, полученные достоверные результаты проанализированы и представлены в виде таблиц, графиков.

Содержание демонстрационных материалов исчерпывающе демонстрирует ход практической работы.

В своих исследованиях авторы затронули актуальные проблемы: экология (воздействие катионов тяжелых металлов на здоровье человека), вредные привычки (употребление алкоголя), самолечение (применение биологически активных добавок).

Очевидны собственные достижения юных исследователей: разработка методики изучения активности фермента под действием БАДов. Полученные результаты подтвердили гипотезу, заявленную во введении.

Проект обладает такими характеристиками, как перспективность и направленность на результат. В дальнейшем объектом пристального изучения станут и другие ферменты.

Комплекс выполненных работ позволяет судить о заинтересованности авторов данной темой.

К изучению активности фермента амилазы учащиеся подошли творчески, предложили новые методики изучения и соотнесли их к существующим.

  Установленная взаимосвязь темы исследования с областями знаний: химии, биологии, экологии, социологии, истории.

 В проектной работе предложен тезаурус, свидетельствующий о внимательном отношении к научной терминологии.

Выбор специальной научно-популярной литературы широкий, использовались Интернет, иностранные издания, перевод которых осуществился самостоятельно.

Желательно, чтобы авторы не останавливались на достигнутом, а продолжали свои исследования по данном вопросу.

Содержание

Введение. 3

Глава I. Теоретическая часть

1.1.  История открытия ферментов. 5

1.2. Природа ферментов. 6

1.3. Специфичность ферментов. 8

1.4. Состав ферментов. 10

1.5. Классификация ферментов. 11

1.6. Номенклатура ферментов. 12

1.7. Активность ферментов. 14

1.8. Значение ферментов. 18

Глава II. Практическая  часть. Воздействие внешних факторов на амилазу слюны

2.1. Характеристика объекта исследования…………………………………………………    24

2.2. Исследование воздействия внешних факторов на амилазу слюны.. 25

Заключение. 32

Список литературы.. 34

Приложение. 35

Тезаурус. 44

Введение

Человек, являясь неотъемлемой частью природы по химическому составу своего организма,  представляет собой отображение химического состава окружающей среды (почвы, воздуха, воды, флоры и фауны). В течение миллионов лет формировалась ферментативная система, которая устанавливает связь между химическим составом употребляемых человеком в пищу продуктов и нормальной работой всех его органов и систем.

Ферменты являются двигателями жизни! Катализируя биохимические реакции, обеспечивающие жизнедеятельность, увеличивают их скорость в тысячи раз. Все ферменты по своей химической природе являются полипептидами (белками) – очень сложной структурой. Многие факторы могут вызвать изменение их строения и, тем самым, свести их функциональную значимость к нулю. Это может привести к нежелательным последствиям. Прекращение одного химического процесса по цепочке нарушает работу всего органа, системы и, наконец, жизнедеятельности всего организма. Неблагоприятная экология, вредные привычки, неправильное питание приводит к серьёзным проблемам здоровья. Многие люди, прислушиваясь к рекламе, видят выход из создавшегося положения в ежедневном употреблении искусственных биологически активных добавок (БАДы). Компании, их производящие, обещают людям идеальный, безопасный и надёжный путь к укреплению здоровья, увеличению продолжительности жизни.

Парафармацевтики – это группа БАДов, получаемых из лекарственных растений, поэтому в большинстве случаев их состав не  идентифицирован. БАДы продают в аптеках без рецепта врача, распространяют среди населения через рекламных агентов. Люди охотно покупают «безвредные» лекарства в надежде на выздоровление или поднятие общего тонуса организма. А по своей сути биодобавки являются мощным фактором воздействия на организм человека,  в том числе, и на ферментативную систему.

Гипотеза: ферментативная система человека подвергается изменениям под действием факторов внешней среды.

Объект исследования: фермент пищеварительной системы – амилаза.

Предмет исследования: влияние факторов на активность амилазы.

Цель: изучить влияние различных внешних факторов на активность амилазы слюны.

Задачи:

- изучить научную литературу по проблеме исследования;

- подобрать методические указания для постановки опытов;

- провести опыты и проанализировать их в диаграммах и таблицах.

Методы исследования:

- анализ литературы;

- проведение химического эксперимента;

- анализ результатов, полученных в ходе поставленных химических экспериментов.

База исследования: кабинет химии МОУ СОШ № 10.

Глава I. Теоретическая часть

1.1.  История открытия ферментов

Науку составляет не только достигнутый результат, но и путь, ведущий к результату, путь от незнания к знанию, медленный, извилистый, скачкообразный, в каждой области зависящий от достижений смежных наук и общего развития мировоззрения.

Ещё в незапамятные времена, на заре возникновения цивилизации, люди в своей практической деятельности сталкивались с различными ферментативными процессами и использовали их для своих целей. Это спиртовое и молочнокислое брожение, применение сычуга для приготовления сыров, солода и плесневых грибов. Вероятно, первым, кто попытался создать общее представление о химических процессах в живом организме, был врач и ученый Парацельс, родившийся в Швейцарии в конце XV века. Несмотря на наивность (с совершенной точки зрения), взгляды Парацельса во многом были прогрессивными, так как для понимания жизненных явлений он пытался привлечь реальные силы природы. Именно с этих позиций Парацельс и его последователи подошли к рассмотрению сущности ферментации, давно известного понятия обозначавшего разного рода брожения, главным образом спиртовое и молочнокислое.

В XVI и начале XVII века уже делались попытки рассматривать ферментации как химические процессы. И  Василий Валентин (первая  половина XVI века), и Андрей Либавий (1550-1616 гг.) считали ферменты (или дрожжи) особым веществом, хотя и подчиняли его действия неким нематериальным силам. Другим последователем Парацельса был знаменитый голландский химик Иоганн Баптиста Ван Гельмонт (577-1644 гг.). Именно он охарактеризовал фермент как агент, вызывающий химические процессы в организме и управляющий ими. Качественный скачок в развитии учения о ферментациях произошёл в связи с исследованиями великого французского химика Антуана Лавуазье, совершившего переворот в химии и впервые внедрившего в химические исследования строгие количественные методы. К концу XVIII века уже было известно, что встречаются химические процессы, протекающие с участием какого-то агента, без которого процесс практически не идёт.

Первые успехи были достигнуты при изучении превращения крахмала в сахар. Решающая роль в этих исследованиях принадлежит работам петербургского академика  К.С. Кирхгофа, который открыл новую страницу в истории и химии ферментов. В начале XIX века было открыто немало химических реакций, среди них были и некоторые ферментативные реакции. Юстус Либих был одним из наиболее крупных авторитетов среди химиков XIX века. В это время было открыто ещё несколько ферментов. В 1836 г. Т. Шванн впервые обнаружил в желудочном соке фермент животного происхождения, названный им пепсином. Несколько позже, в 1857 г., А.Корвизар описал другой фермент, переваривающий белки - трипсин. В XIX веке (1897 г.) Эдуард Бухнер убедительно доказал химическую природу ферментов. В 1907 г.  был удостоен Нобелевской премии по химии. [1]

1.2. Природа ферментов

 После того как стало возможным исследование ферментов в бесклеточной среде, была окончательно установлена их химическая природа. Было выявлено, что все они представляют собой вещества белковой природы и, как все белки, могут быть простыми и сложными в зависимости от сопутствующего компонента небелкового характера (простатической группы).

Так мы подчёркивали, что свойство каждого белка определяется последовательностью расположения остатков аминокислот в их молекуле. Эта последовательность называется первичной структурой белка. В последние годы разработаны очень надёжные, и даже автоматизированные методы изучения первичной структуры, что дало возможность определить полную аминокислотную последовательность для многих белков, в том числе и для ферментов.

Помимо первичной структуры, определяемой последовательностью расположения аминокислот, для проявления специфических свойств белка (в том числе ферментативной активности) важную роль играют более высокие уровни - вторичная и третичная структуры, сущность которых заключается в определённом расположение полипептидных цепей в пространстве. Вторичная и третичная структуры белков поддерживаются сравнительно слабыми внутримолекулярными связями, и поэтому легко могут быть разрушены разными физическими и химическими  воздействиями. Такое нарушение высших структур белка без повреждения его первичной структуры составляет сущность денатурации. При денатурации белок нередко утрачивает свои биологические свойства, в случае ферментов исчезает ферментативная активность. Современные методы исследования позволяют получить представление не только о первичной структуре белков. Есть ферменты, для которых полностью выяснено пространственное расположение атомов, составляющее их молекулу, то есть, расшифрованы вторичная и третичная структуры. Это достигнуто благодаря применению исключительно тонкого и сложного метода, так называемого рентгеноструктурного анализа.

Некоторым белкам свойственен ещё более высокий уровень структуры - четвертичная структура. Это уже надмолекулярный уровень: функционирование такого белка нуждается не в одной, а в нескольких молекулах (чаще всего в двух или четырёх), которые вместе образуют комплекс, обладающий всеми специфическими свойствами. Каждая отдельная молекула такого белка, составляющая четвертичный комплекс, называется субъединицей. Многие ферменты построены из субъединиц. В одних случаях субъединицы сами обладают активностью, в других - субъединицы по отдельности неактивны. Субъединицы, сопоставляющие молекулу фермента, могут быть одинаковыми, но могут и отличатся друг от друга.

 Представление о молекуле фермента как структуре, состоящей из субъединиц,  позволяет нам объяснить одно очень интересное и практически важное явление. Существуют ферменты, различающиеся по строению, но катализирующие одну и ту же реакцию, они называются изоферментами. Такие ферменты довольно широко распространены в организме, и их выявление имеет большое значение в медицине. [2]

1.3. Специфичность ферментов

Одно из наиболее поразительных свойств ферментов их специфичность. Специфичность ферментов проявляется по-разному и может быть выражена в разной степени. Прежде всего, следует различать специфичность по отношению к субстрату и к типу химической реакции, катализируемой ферментом.

Специфичность по отношению к типу химической реакции.

Каждый фермент катализирует одну химическую реакцию или группу реакций одного типа. Наиболее ярким проявлением этого вида специфичности могут служить довольно частые случаи, когда одно и то же химическое соединение выступает как субстрат действия нескольких ферментов, причём каждый из них катализирует специфическую для него реакцию, приводит к образованию совершенно различных  продуктов.

Специфичность по отношению к субстрату.

Наряду,  с только что описанной формой специфичности фермента по отношению к катализируемой им реакции существует и другая, тесно связанная с первой, форма специфичности, выражающаяся в способности фермента атаковать субстрат только определённого химического строения. Иногда фермент способен действовать только на один единственный субстрат. Тогда говорят, что он обладает абсолютной специфичностью. Значительно чаще фермент влияет на группу субстратов, имеющих сходное строение. Такую специфичность называют групповой. Особый интерес представляет так называемая стереохимическая специфичность, состоящая в том, что фермент действует на субстрат или группу субстратов, отличающихся особым расположением атомов в пространстве.

Абсолютная специфичность встречается редко. Хорошим примером фермента, обладающего очень высокой, практически абсолютной специфичностью, может служить уреаза, катализирующая  гидролиз мочевины.

Долгое время считалось, что мочевина является единственным субстратом уреазы. Но не так давно было показано, что кристаллическая уреаза может действовать и на близкого родственника мочевины - оксимочевину, отличающуюся  наличием в молекуле одного атома кислорода.

Правда, реакция гидролиза мочевины под влиянием уреазы протекает в 120 раз медленнее, чем гидролиз мочевины.

Таким образом, понятие "абсолютная специфичность" является в известной мере  относительным.

Групповая специфичность характеризует подавляющее большинство ферментов и состоит в том, что фермент, проявляя свойственную ему специфичность по отношению к реакции, способен действовать не на один, а на несколько, иногда на большое число субстратов со сходным химическим строением. Например, три разных фермента, действующие на аминокислоты, обладают групповой специфичностью, так как действуют не на какую-нибудь одну аминокислоту, а на многие, иногда на все аминокислоты.

Относительно групповая специфичность проявляется тогда, когда фермент безразличен к структуре соединения и имеет значение лишь тип связи. Примером служит химотрипсин, расщепляющий только пептидную связь.

Стереохимическая и оптическая специфичность имеет особое значение. Проявляется только в случае оптически активных веществ, и фермент активен только по отношению к одной стереоизомерной форме соединения. Например, L-аргиназа разлагает L-аргинин на L-орнитин и мочевину, но не действует на А-аргинин. Известным примером служит d и L-специфичность оксидаз аминокислот. Стереохимическая и оптическая активность так же может быть абсолютной и относительной. Например, карбоксипептидаза, расщепляющая карбобензокси-глицил-L-фенилаланин совсем не действует на субстрат с А-фенилаланином; с другой стороны, эстераза свиной печени разлагает метиловый эфир L-миндальной кислоты лишь вдвое быстрее, чем его А-изомер. [3]

1.4. Состав ферментов

После того, как стало возможным исследование ферментов в бесклеточной среде, была окончательно установлена их химическая природа. Было выявлено, что все они представляют собой вещества белковой природы и как все белки, могут быть простыми и сложными в зависимости от сопутствующего компонента небелкового характера (простатической группы).

Ферменты - простые белки - построены только из аминокислот, и их каталитические свойства обусловлены свойством самой белковой молекулы. К этой группе ферментов относится большинство гидролитических ферментов. 

Ферменты - сложные белки - содержат в своём составе, помимо белкового компонента, ещё и небелковый. Например, нуклеотиды, витамины, атомы (катионы) металла. К таким ферментам обычно относятся ферменты окислительно-восстановительного действия. Прочность связи между белковым компонентом и простатической группой в сложных ферментах может быть различной. В некоторых случаях связь прочная, в других - простатическая группа довольно легко отделяется, например при диализе. Легко диссоциирующиеся простатические группы ферментов получили название коферментов. При отделении простатической группы от белковой части фермента - последний теряет свою активность.

В простых ферментах активный центр образуется непосредственно группировкой аминокислотных остатков в спиральной цепи белковой молекулы. В сложных ферментах он образуется простатической группой и некоторыми прилегающими к ней остатками. Размер активных центров значительно меньше самой молекулы фермента. На один активный центр приходится масса молекулы с молекулярным весом 30000. В простых ферментах пространственная группировка этих аминокислотных остатков сама по себе определяет структуру активного центра и каталитическую активность фермента. В сложных ферментах структура активного центра определяется простатической группой и боковыми группами некоторых аминокислотных остатков, пространственная структура которых оказывает существенное влияние на специфичность и каталитическую активность небелкового компонента. Среди таких аминокислотных остатков наибольшее значение имеют SH-группы цистеина, несколько меньшее значение имеют карбонильные группы дикарбоновых аминокислот.

1.5. Классификация ферментов

Известно около 2 тысяч ферментов, но список этот не закончен. В зависимости от типа катализируемой реакции все ферменты подразделяются на 6 классов:

ОКСИДОРЕДУКТАЗЫ – ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные процессы в организме. Они осуществляют перенос водорода и электронов и под своим  тривиальным названием известны как дегидрогеназы, оксидазы и пероксидазы. Эти ферменты отличаются тем, что имеют специфические коферменты и простатические группы.

ТРАНСФЕРАЗЫ – ферменты, переносящие атомные группы (в зависимости от того, перенос какой группы они осуществляют, их соответственно называют). Среди них известны ферменты, осуществляющие транспорт больших остатков, например гликозилтрансферазы и другие. Трансферазы благодаря разнообразию переносимых ими остатков принимают участие в промежуточном обмене веществ.

ГИДРОЛАЗЫ – ферменты, катализирующие гидролитическое расщепление различных субстратов (при участии молекул воды). В зависимости от этого среди них различают эстеразы, расщепляющие сложноэфирную связь между карбоновыми кислотами  (липаза) тиоловых эфиров, фосфоэфирную связь и так далее; гликозидазы, расщепляющие гликозидные связи, пептид - гидролазы, действует на пептидную связь и другие.

ЛИАЗЫ - к этой группе относятся ферменты, способные отщеплять различные группы от субстрата негидролитическим путём с образованием двойных связей или, напротив, присоединять группы с двойной связью. При расщеплении образуется Н2О или СО2 или большие остатки - например ацетил. Лиазы играют весьма важную роль в процессе обмена веществ.

ИЗОМЕРАЗЫ – ферменты, катализирующие превращение изомерных форм друг в друга, то есть, осуществляющие внутримолекулярное превращение различных групп.

ЛИГАЗЫ - раньше эти ферменты не отделяли от лиаз, так как реакция последних часто идёт в двух направлениях, однако недавно было выяснено, что синтез и распад в большинстве случаев происходит под влиянием различных ферментов, и на этом основании выделен отдельный класс лигаз (синтетаз). Ферменты, обладающие двойным действием, получили название бифункциональных. Лигазы принимают участие в реакции соединения двух молекул, то есть синтетических процессах, сопровождающихся расщеплением макроэнергитических связей АТФ или других макроэргов. [5]

1.6. Номенклатура ферментов

Ферментология очень долго не располагала строгой научной номенклатурой ферментов. Наименования ферментам давали по случайным признакам (тривиальная номенклатура), по названию субстрата (рациональная), по химическому составу фермента, наконец, по типу катализируемой реакции и характеру субстрата.

Примерами тривиальной номенклатуры могут служить названия таких ферментов, как пепсин (от греч. пепсин - пищеварение), трипсин (от греч. трипсис - разжижаю) и папаин (от названия дынного дерева Carica papaja, из сока которого он выделен). По действию все эти ферменты являются протеолитическими, т. е. ускоряют гидролиз протеинов (белков). Характерное название было дано группе окрашенных внутриклеточных ферментов, ускоряющих окислительно-восстановительные реакции в клетке, - цитохромы (от лат. citos - клетка и chroma - цвет).

Наибольшее распространение получила рациональная номенклатура, согласно которой название фермента составляется из названия субстрата характерного окончания - аза. Она была предложена более столетия тому назад, в 1883 г. Э. Дюкло - учеником Л. Пастера. Так, фермент, ускоряющий реакцию гидролиза крахмала, получил название амилаза (от греч. амилон - крахмал), гидролиза жиров - липаза (от греч. липос - жир), белков (протеинов) - протеаза, мочевины - уреаза (от греч. уреа - мочевина) и т. п.

Когда методами аналитической химии были достигнуты известные успехи в расшифровке химической природы простатических групп, возникла новая номенклатура ферментов. Их стали именовать по названию простатической группы, например, геминфермент (простатическая группа - гем), пиридоксаль-фермент (простатическая группа - пиридоксаль) и т.п.

 Затем в названии фермента стали указывать как на характер субстрата, так и на тип катализируемой реакции. К  примеру, фермент, отнимающий водород от молекулы янтарной кислоты, называют сукцинатдегидрогеназой, подчеркивая этим одновременно и химическую природу субстрата, и отнятие атомов водорода в процессе ферментативного действия:

                                               - 2Н

НООС - СH2 – СН2 – CООН             НООС - СН = СН – СООН

Янтарная кислота                     Дегидрирование              Малеиновая кислота

В 1961 г. Международная комиссия по номенклатуре ферментов представила V Международному биологическому конгрессу проект номенклатуры, построенный на строго научных принципах. Проект был утвержден конгрессом, и новая номенклатура прочно вошла в ферментологию. Согласно этой (Московской) номенклатуре название ферментов составляют из химического названия субстрата и названия той реакции, которая осуществляется ферментом. Если химическая реакция, ускоряемая ферментом, сопровождается переносом группировки атомов от субстрата к акцептору, название фермента включает также химическое наименование акцептора. Например, пиридоксальфермент, катализирующий реакцию переаминирования между L-аланином и кетоглутаровой кислотой, называется L-аланин: 2-оксоглутарат аминотрансфераза. В этом названии отмечены сразу три особенности: 1) субстратом является L-аланин; 2) акцептором служит 2-окcоглутаровая кислота; З) от субстрата к акцептору передается аминогруппа. Названия ферментов по научной номенклатуре неизмеримо выигрывают в точности, но становятся в ряде случаев гораздо сложнее старых, тривиальных. Так, уреаза (тривиальное название), ускоряющая реакцию гидролиза - мочевины на оксид углерода (IV) и аммиак, по научной номенклатуре именуется карбамид - амидогидролазой:

Н2N - СО – NН2 + Н2О            2NН3 + СО2

В этом названии дано точное химическое наименование субстрата и указано, что фермент катализирует реакцию гидролиза аминогруппы. Трегалаза, ускоряющая реакцию гидролиза трегалозы, называется трегалоза-1-глюко-гидролазой.. В связи со значительным усложнением научных названий в новой номенклатуре допускается сохранение наряду с новыми старых тривиальных, рабочих названий ферментов. Международной комиссией был составлен детальный список всех известных в то время ферментов, существенно дополненный в 1972 г. при пересмотре, как классификации, так и номенклатуры некоторых ферментов, где рядом с новым научным названием каждого фермента приведено старое, а также указан химизм катализируемой ферментом реакции и в некоторых случаях природа фермента. Таким образом, исключается возможность путаницы в наименовании ферментов. В 1964 г. список включал 874 фермента; в последующее время он был существенно дополнен и возрос до 1770 ферментов в 1972 г. и до 2003 ферментов в 1979 г.

1.7. Активность ферментов

Для исследования или практического работника, занимающегося ферментами, определение активности ферментов - это постоянная, повседневная работа, потому что 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. Попытаемся рассмотреть поближе эти условия.

ВЛИЯНИЕ РЕАКЦИЙ СРЕДЫ

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. Например, пепсин расщепляет белки яйца при РН 1,5- 2,0, синтетические субстраты - при РН 4,0. 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.

ВЛИЯНИЕ ДРУГИХ ХИМИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

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.

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.

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

Температура – один из важнейших факторов внешней среды, который независимо от состояния равновесия реакции меняет её скорость. Поэтому при ферментативных реакциях при повышении температуры на 100 С процесс ускоряется в 1,5 – 2 раза. При дальнейшем повышении температуры присоединяются денатурационные процессы, характерные для всех белков и в том числе для ферментов, поэтому наблюдается затухание скорости реакции. Температурным оптимумом реакции называют температуру, при которой одно её действие вызывает ускорение реакции, катализируемой данным ферментом. Для большинства ферментов животного происхождения он равен 400 – 500 С, для растительного происхождения он равен 500 – 600 С. Почти все ферменты разрушаются при температуре 800 С. Но для некоторых ферментов в настоящее время доказана возможность восстановления их каталитической активности в случае обратимого процесса денатурации белка. Известны и такие ферменты, максимальная активность которых проявляется при более низких температурах. Например, каталаза, температурный оптимум которой лежит в пределах между 00-100 С. Понижение температуры снижает скорость ферментативных реакций. Большинство ферментов при 00 С ещё не утрачивают своих каталитических свойств, но при замораживании химические реакции прекращаются. При последующем оттаивании, если соблюдается определённые условия, ферментативная активность клеток может быть восстановлена.

ВЛИЯНИЕ ДАВЛЕНИЯ

  При изучении действия давления на скорость ферментативных реакций необходимо, прежде всего, учитывать, как и при изучении других факторов, возможность денатурации ферментов при высоком давлении. Если константа скорости ферментативной реакции растёт с повышением давления, то образование активного комплекса происходит с уменьшением объёма и наоборот, если при увеличении давления образование активного комплекса сопровождается увеличением объёма, то константа скорости реакции снижается.

ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ФЕРМЕНТА И ЕГО СУБСТРАТА

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. [8]

1.8. Значение ферментов

Постоянный обмен нуклеиновыми кислотами, составляет основную часть генетического материала клетки. В ходе обмена нуклеиновых кислот наряду с синтезом происходит и распад. Этот процесс катализирует большая группа ферментов, объединенных названием нуклеаз. Цепочка нуклеиновых кислот образованна фосфорной кислотой и углеводородом; азотистые основания служат боковыми группами. Поэтому разрушение нуклеиновых кислот – это разрыв связей между остатками фосфорной кислоты и углевода. Все нуклеазы могут быть разделены на две группы: экзонуклеазы и эндонуклеазы. Экзонуклеазы действуют с одного из концов полинуклеотидной цепи и на каждом этапе отсекают по одному нуклеотиду, постепенно укорачивая цепочку. В отличие от этого эндонуклеазы сразу во многих местах разрывают связи внутри молекулы нуклеиновых кислот и поэтому приводят к быстрой деградации молекулы. Весь комплекс ферментов обмена нуклеиновых кислот выполняет важную биологическую задачу: сохранение в целостности генетического материала клетки и репарации (исправления) тех повреждений структуры ДНК, которые могут возникнуть в результате радиоактивного или ультрафиолетового облучения и других вредных воздействий.

Известно, что все проявления жизнедеятельности связаны с затратой энергии. Эта энергия освобождается при химических превращениях в клетке тех веществ, которые в виде пищи поступают в наш организм. Задача пищеварения сводится к тому, чтобы превратить главные пищевые вещества: белки, углеводы и жиры, - в такие продукты, которые непосредственно смогут быть использованы во внутриклеточном обмене. Свой путь в организме пища начинает, попадая в рот, и уже на этом этапе она сталкивается с ферментами. В слюне содержится фермент амилазы, катализирующий разложения крахмала и превращение его в сахар. Разжёванная и смоченная слюной пища проглатывается и через пищевод попадает в желудок. Слизистая оболочка желудка вырабатывает желудочный сок. В желудочном соке есть соляная кислота, придающая желудочному содержимому кислую среду. Так же в желудочном соке имеется протеолитический (расщепляющий белки) фермент – пепсин. Он как раз лучше всего действует в кислой среде. Пепсин не расщепляет белки до конца, он только ''раскладывает'' крупную белковую молекулу на части, доступные для действия пищеварительных ферментов кишечника. Из желудка пищевая кашица поступает в двенадцатиперстную кишку, где на неё изливаются соки двух самых крупных желёз человеческого организма: печени и поджелудочной железы. Сок поджелудочной железы содержит большой набор ферментов, действующих на все важнейшие пищевые вещества.

Ферменты: трипсин и химотрипсин (расщепляющие белки) расщепляют пептидные цепи в разных местах. Комбинированная атака протеолитических ферментов желудочного и поджелудочного соков приводят к распаду белков на мелкие пептиды, содержащие небольшое количество аминокислотных остатков. В поджелудочном соке содержится чрезвычайно активная амилаза, она практически полностью завершает расщепление крахмала, начатое слюной. В результате крахмал превращается  в солодовый сахар – мальтозу – дисахарид, состоящий из двух остатков глюкозы. Третий главный компонент пищи – жиры тоже расщепляются под влиянием поджелудочного сока. Для этой цели там содержится специальный фермент – липаза. Простейшая и наиболее распространённая форма жиров – триглицериды. Под действием липазы молекула триглицерида присоединяет три молекулы воды и распадается на составляющие его глицерин и жирные кислоты. Но заключительную работу в области пищеварения совершает кишечный сок, вырабатываемый клетками слизистых оболочек тонких кишок. Он содержит много ферментов, заканчивающих процесс окончательного разложения пищевых веществ. Осколки белковых молекул распадаются на отдельные аминокислоты; мальтоза, образовавшаяся из крахмала, и другие сложные углеводы превращаются в простые углеводы – моносахариды – вроде глюкозы. На этом заканчивается процесс пищеварения.

Одна из защитных реакций – свёртывание крови, происходит с участием ферментов. Как же происходит свертывание крови? Кровь, как известно, состоит из жидкой части – плазмы и так называемых ферменных элементов, которые в ней плавают. Это кровяные клетки: эритроциты (красные кровяные тельца) и тромбоциты (кровяные пластинки). Плазма представляет собой сложный раствор многих веществ, в том числе самых разнообразных белков. Из белков плазмы для нас сейчас особый интерес представляет один – фибриноген. Пока кровь течёт по кровеносным сосудам, с фибриногеном ничего не происходит. Но стоит поранить сосуд настолько, чтобы кровь вытекала из него, как фибриноген очень быстро превращается в другой белок – фибрин. Фибрин, в отличие от фибриногена, не растворяется в плазме. В виде тонких нитей, переплетённых в густую сетку, он выпадает в осадок. В этой сетке застревают кровяные клетки, и образуется плотный сгусток – тромб, препятствующий дальнейшему кровотечению. Превращение фибриногена в фибрин – процесс ферментативный, катализируемый ферментом тромбином. Тромбин – протеолитический  фермент, подобный трипсину и химотрипсину. Но это фермент очень специфичный. Он действует только на фибриноген, отщепляя от его молекулы два сравнительно небольших полипептида. Оставшаяся часть молекулы фибриногена перестраивается и превращается в нерастворимый фибрин.

Также ферменты играют важную роль во всех проявлениях жизни. Успехи учения о ферментах внесли весомый вклад в развитие всех направлений человеческой практики.

Ферменты нашли широкое применение в медицине. Это, прежде всего, изучение таких болезней причина, которых лежит в недостаточности тех или иных ферментов. Далее это использование определения активности ферментов в биологических жидкостях и тканях для диагностики различных заболеваний. И, наконец, это применение ферментов в качестве лекарственных средств. Генетически обусловленные нарушения. Время от времени в бесконечно длинных цепях ДНК, где записаны все инструкции по синтезу белков, вдруг появляются случайные замены: вместо одного нуклеотида становится другой. Такие замены называются мутациями. Чаще всего конкретные причины мутации неизвестны. А последствия их нередко бывают роковыми. Приведем такой пример. Люди отличаются друг от друга цветом кожи, волос и глаз. Причина этого – разные пигменты, меланины, синтезируемые из некоторых аминокислот под влиянием определённых ферментов. Если образование этих пигментов не происходит из-за отсутствия одного из участвующих в реакции ферментов, возникает альбинизм – отсутствие окраски. Люди альбиносы имеют очень белые волосы и светлые глаза. Альбиносы по здоровью не уступают людям с нормальной окраской. Гораздо более тяжёлым заболеванием, нередко приводящим к гибели новорождённых, является непереносимость простых углеводов – моносахаридов (галактозы и фруктозы). Здесь речь идёт о невозможности нормального обмена веществ в клетках из-за отсутствия необходимых ферментов. Достаточно подробно изучены врождённые болезни, связанные с недостатком ферментов, катализирующих разложение гликогена. В результате нарушения этого процесса гликоген начинает накапливаться в тканях в избыточном количестве и препятствует нормальному течению обмена веществ. Такие болезни получили название гликогенозов. Болезни, связанные с отсутствием витаминов, называют авитаминозом. Но по существу они являются ферментозами. Давно известна и когда–то была широко распространена болезнь ''бери – бери ''(сейчас её называют полиневритом – множественное воспаление нервов, в некоторых слаборазвитых странах она и теперь встречается нередко). Причина её отсутствие в пище витамина  В1. Этот витамин – тиамин – в соединении с фосфорной кислотой представляет собой небелковую часть фермента декарбоксилазы. Декарбоксилаза разрушает карбоксильную группу (СООН) некоторых органических кислот, отщепляя от неё углекислоту (СО2). В отсутствии витамина В1 декарбоксилаза образоваться не может, реакция прекращается и в нервной ткани наступают нарушения, типичные для полиневрита: параличи конечностей, боли в мышцах, слабость, контрактуры. Тяжёлое заболевание – пеллагра – связано с отсутствием в пище витамина РР – никотиновой кислоты. Упомянем ещё об одном витамине. Он называется витамином  В2, а по химической природе представляет собой довольно сложную циклическую структуру – рибофлавин. Авитаминоз В2 связан с тяжёлым поражением кожи лица и глаз. Причина -  недостаток фермента.

Ферменты также используются в диагностике. Определение активности ферментов в биологических жидкостях и тканях стало неотъемлемым средством лабораторной диагностики различных заболеваний. Для диагностических целей ферментативную активность определяют почти исключительно в крови, значительно реже в моче и лишь в отдельных случаях в тканях. Не все ткани в одинаковой мере синтезируют разные ферменты. Для печени, например, типична высокая активность одних ферментов, для почек или скелетных мышц – других. Это явление называют органоспецифичностью ферментов. Иногда органоспецифичность выражена очень чётко: фермент содержится только в каком–нибудь одном органе и отсутствует в других. Таким образом, врач получает возможность по повышению активности некоторых ферментов в плазме выявить заболевание, связанные с нарушением функций совершенно определенных органов. [9]

 В последнее время предпринимаются всё более успешные попытки использовать ферменты и для лечения некоторых болезней. Уже давно некоторые ферменты применяют для так называемой заместительной терапии – для возмещения дефицита ферментов, возникающего при некоторых заболеваниях. Особенно успешна такая терапия при нарушениях функций желудочно-кишечного тракта, связанных с недостаточной выработкой пищеварительных ферментов. С успехом применяют ферменты в тех случаях, когда лечение требует разрушить накопившиеся в большом количестве белковые образования, мешающие нормальному функционированию тканей. Это бывает при ожогах, гнойных ранах, гнойно-воспалительных  заболеваниях лёгких, когда в бронхах скапливается густая масса, препятствующая прохождению воздуха.  Наметился очень перспективный путь применения ферментов для рассасывания сгустков крови, образовавшихся внутри кровеносных сосудов. Такие сгустки называются тромбами, они закупоривают сосуд и нарушают кровообращение.

 Велико значение ферментов в пищевой промышленности и сельском хозяйстве. Сыроварение, виноделие, производство кисломолочных продуктов, пивоварение, производство колбасных продуктов, хлебопечение, производство животных жиров, чая, уксуса, лимонной кислоты – всё это и многое другое – технологические процессы пищевой промышленности, в которых главным действующим лицом являются ферменты. Одна из важнейших проблем пищевой промышленности – это развитие комплексной переработки сырья и отходов пищевой промышленности и повышение эффективности этой переработки. Ферментные препараты могут сказать здесь решающее слово. Серьёзной проблемой в консервной промышленности, переработки плодов и овощей является использование семян и косточек, главная трудность которого состоит в необходимости разрушать прочную оболочку косточек. И здесь реальную пользу могут принести препараты ферментов. С помощью ферментных препаратов удаётся уменьшить расход сырья растительного и животного происхождения, идущего на приготовления пищевых продуктов. Использование ферментов в сельском хозяйстве необычайно широко и разнообразно. В растениеводстве селекция многих сельскохозяйственных культур направлена на создание сортов, обогащённых определёнными ферментами. Это имеет значение и для скорости созревания культур, и для получения более высококачественной продукции, и для повышения устойчивости растений к изменению погодных условий, к болезням, к действию вредных насекомых. Специальный интерес представляет использования ферментов в кормопроизводстве. Агрономы заботятся о том, чтобы получить полноценный растительный корм, содержащий все существенные составные части, необходимые для обеспеченья потребностей животного организма. Вот здесь роль ферментов оказалась особенно значительной, как в пищевой промышленности. Ферментативные препараты для производства кормов получают из плесневых грибов и бактерий, но задачи здесь ставят иные. Для повышения усвояемости грубых кормов необходим фермент целлюлоза, гидролизирующий клетчатку и повышающий возможность её переваривания и усвоения, особенно у таких животных, как свиньи, которые переваривают клетчатку хуже, чем крупный рогатый скот. [10]

Мы познакомились с некоторыми аспектами практического использования ферментов в медицине, пищевой промышленности и сельском хозяйстве.

Глава II. Практическая  часть.

Воздействие внешних факторов на амилазу слюны

2.1. Характеристика объекта исследования

Амилаза (син. диастаза — устар.) — общее название ферментов класса гидролаз, катализирующих гидролиз крахмала, гликогена и родственных поли - и олигосахаридов путем расщепления гликозидных связей между 1‑м и 4‑м атомами углерода.  α-Амилаза — фермент из группы А. (КФ 3.2.1.1), катализирующий расщепление полисахаридов в организме человека до низкомолекулярных углеводов; определение активности α-A. в сыворотке крови и моче используется в диагностике заболеваний поджелудочной железы, почек, печени, слюнных желез.  β-Амилаза — фермент из группы А. (КФ 3.2.1.2), отщепляющий от концов полисахаридных цепей остатки мальтозы с образованием β-мальтозы; используется в клинических исследованиях при диагностике гликогенозов.  γ-Амилаза (син. глюкоамилаза) — фермент из группы А. (КФ 3.2.1.3), расщепляющий гликоген и крахмал до глюкозы; играет важную роль во внутриклеточном обмене гликогена.

Процесс расщепления макромолекул крахмала водой идёт постепенно. Сначала образуются промежуточные продукты с меньшей молекулярной массой, чем у крахмала, - декстрины, затем изомер сахарозы – мальтоза, конечным продуктом гидролиза является глюкоза:

Реакцию превращения крахмала в глюкозу при каталитическом действии серной кислоты открыл в 1811 г. русский учёный К.Кирхгоф. Разработанный им способ получения глюкозы в принципе используется  и в настоящее время. [11]

2.2. Исследование воздействия внешних факторов на амилазу слюны

1. Специфичность амилазы слюны

Методика приготовления разбавленной слюны:

Рот ополаскивают 2-3 раза водой для удаления остатков пищи. Отмеряют цилиндром 50 мл дистиллированной воды и ополаскивают ею рот в течение 3-5 мин. в несколько приёмов. Собранную жидкость фильтруют через вату, и фильтрат используют для работы.

Методика:

В пробирку № 1 поместим 5 мл 5% раствор крахмала.

В пробирку № 2 поместим 5 мл 5% раствор сахарозы.

В обе пробирки добавим 5 мл слюны и 1-2 капли раствора йода.

Опыт повторить 4 раза.

Вывод: Ферменты обладают специфичностью. Амилаза катализирует гидролиз крахмала, сахароза не катализирует гидролиз крахмала.

2. Действие активаторов и ингибиторов на амилазу слюны

Методика:

В пробирку № 1 вносим 1 мл воды.

В пробирку № 2 - 1 мл  раствора HCl.

В пробирку № 3 – 1мл CuSO4.

В пробирку № 4 – 1 мл спирта.

Далее во все пробирки  приливаем по 1 мл 5% раствора крахмала, вносим по 1 мл слюны, капаем 1-2 капли раствора йода.

Вывод: Ионы Cl активирует амилазу, ионы Сu – ингибиторы для всех ферментов, т.к. типичный металл вызывает денатурацию белка.

3. Влияние концентрации на активность амилазы слюны

Методика:

Нумеруем 10 пробирок.

В пробирку № 1 вносим 1мл воды, в каждую последующую будем добавлять по 2 мл воды.

Далее во все пробирки добавляем по 2 мл 5% раствора крахмала, по 1 мл слюны, капаем по 1-2 капли раствора йода.

 Вывод: Чем меньше содержание слюны в растворе, тем медленнее проходит гидролиз.

4. Термолабильность

Методика:

В четыре пробирки наливаем по 5 мл 5% раствора крахмала.

В № 1 вносим кипящую воду.

В № 2 – воду, t = -3оС.

В № 3 – воду, t = 40оС. 

В № 4 – воду, t = 25оС.

Через 10 минут добавляем 0,5 мл разбавленной слюны, капаем 1-2 капли раствора йода.

Вывод: Наиболее активна амилаза при t = 40оС (нормальные условия).

5. Влияние pH среды на активность амилазы слюны

Методика:

В пробирку № 1 вносим 1мл раствора кислоты HCl.

В пробирку № 2 - 1мл  раствора NaOH.

В пробирку № 3 – 1 мл воды.

Далее в пробирки добавляем 5 мл 5% раствора крахмала, 1 мл слюны, 1-2 капли раствора йода.

Вывод: Наиболее активна амилаза при кислотной среде.

6. Влияние БАДов на активность амилазы слюны

Методика:

В пробирку № 1 вносим Лецитин.

В пробирку № 2 – Люцерну.

В пробирку № 3 - Листья черного ореха.

В пробирку № 4 – Ливирдокс.

В пробирку № 5 – Especially Yours.

Во все пробирки добавляем по 2 мл 5% раствора крахмала, 1 мл слюны и 1-2 капли раствора йода.

Список литературы

1. Биологический энциклопедический словарь. Под ред. Гилярова М.С. - М., 1987

2. Вайнбург В.М., Слесарь Л.Н. Справочник школьника. Химия. – СПб., 2003

3. Власова З.А. Биология: Справочник школьника. - М., 1995

4. Гиляров М.С. Энциклопедический словарь юного биолога. – М., 1991

5. Егоров А.С.  Репетитор по химии. – Ростов н/Дону:, 2005

6. Майсурян А.И. Энциклопедия для детей. Биология. – М., 1993

7. Мамонтов С.Г. Биология: Для поступающих в ВУЗы. - М., 1991

8. Пасынский А.Г. Биофизическая химия. -  М., 1993

9. Розенгарт В.И.  Ферменты – двигатели жизни. - СПб., 2001

10. Смирнова Г.А. Основы биохимии. -  М., 1995 

11. Филиппович Ю.Б., Егорова Т.А., Севастьянова Г.А. Практикум по общей биохимии. – М., 1982

12. Хомченко Г.Л. Химия для поступающих в ВУЗы: Учебное пособие. - М., 1993

13. Чекулаева Е.О. Я познаю мир. Биология. – М., 1999

14. #"#">#"#">http://www.tiensmed.ru/articles/correctfeed10.html

Приложение

Chemical Abstracts Service, November 2005

«Biologically active food additives»

In recently became as never actual problem of the reconstruction function organ and systems of the human organism responsible for adaptation to disadvantage factor surrounding ambiences and reconstruction to capacity to work. One of the most efficient ways of recovery of the population consists in broad using natural biological regulators, which are at present presented it is enough broad assortment biologically active food additives. Hereto practically new direction in clinical and preventive medicine is attracted attention scientist, specialist and companies-producers in all developed country of the world.

BAD present itself clearly dosage, produced in the manner of capsules, tablets, extract and others, suitable forms for receiving preparations, being good facility further to traditional product. They help the quick liquidation practically any deficit microelements, are leading facility of the maintenance of health of the population in ecological disadvantage regions, in extreme situations, as well as where high-priced medical help inaccessible.

BAD subdivides on nutricevtiki and рarafarmacevtiki.

Nutricevtiki - BAD, applicable for correcting the chemical composition of the food of the person. This sources vitamin, have eaten unsaturated fat acids, macro- and microelements, food filaments, other food material.

Parafarmacevtiki - BAD, applicable for preventive maintenance, auxiliary therapy and maintenances to functional activity organ and systems. The Physiological level of the contents acting began the many рarafarmacevtiks in hutch and fabrics organism not studied, is either as not explored in sufficient degree physiological need for them adult sound person. Besides, beside rather big amount BAD until active components are identified i.e. acting beginning. The Example of such join can serve the extracts, got from complex food and medicinal plants, the other type natural cheese.

For the last decennial event industry biologically active additives to food changed in one of most dynamics developing branches. An Unknown earlier notion "biologically active additives to food" now introduce; make familiar with practically each, and many their use.

The History BAD leaves their own root in deep antiquity. What show witness the ancient chinese, ancient greek and medieval medical disquisitions, on length many millennium by main medical facility for person served... the food! Yes, yes, exactly by means of different type of the food of the ancient person tried to adjust its health. However that to recall about our limit if and we themselves, in spite of the whole progress of the medical science, hitherto continue to use the natural food additives, which history counts the thousand of the years. This and "onion from seed ill", and garlic, and raspberry, and wild rose, and honey. Really, experience of the use medical-preventive characteristic of the food counts, to say the least, several millennium. However only on border 19 and 20 ages public wisdom has found power of the scientific fact. Exactly at that time, due to development of the chemical science, from the most different food-stuffs were chosen so named biologically active material, which and define medical-preventive effects of the food. Exactly at that time appeared first biologically active preparations, or, as we presently their name, biologically active additives to food. Chosen directly from food-stuffs or synthesized chemical way biologically active material and, first of all, vitamins have produced the persisting revolution in medicine begin 20 ages. Many diseases Were run, earlier scanned cureless. However, to great regret, as from 1950-h years, this perspective direction was forgotten. This is because hereto time were a synthesized first pharmacological preparations, which, what seemed, were in groups of ten once more efficient. The Persons have possessed the most complex pharmacological technology, began to create "medicine future" and became to look at biologically active material of the food as on instruments of the stone age.

This became one of the reason that food ceased be considered as the source medical-preventive material. The Result were a sharp change (what turned out to be later, not in the best side) in ration of the feeding the population. Then all was believed that possibility to pharmacology boundless. Seemed that new high efficient pharmaceuticals will help quickly and without labour to win any disease.

However already to medium 1970-h years were realized that pharmacological preparations far from so mighty. Moreover, someone else organism person synthetics materials started to cause the large number of the complications and allergic reaction. But the most disheartening opening was that one of the main of the reasons of the most wide-spread diseases became sharp change the nature of the feeding and deficit majority biologically active component of the food.

As a result formed absolutely paradoxical situation. The Persons have to was now synthesize all new and new medicine only to cope the most important biologically active material with consequence of the deficit moreover far from always successfully and quite often price heavy side effect. Necessary was find output thereof vicious circle. However change the established ration and return to lost food tradition was already impossible on the strength of worked out habit, on the strength of employment of the modern person, on the strength of limited assortment of the available products and etc. Fortunately, modern technologies, and including unoriginal from pharmacology, allowed now to synthesize or select from food-stuffs majority irreplaceable biologically active material of the food directly.

So, on border 1970-80-h years were as one should begin new greater class medical-preventive facilities, which have got the name biologically active additives to food.

You will return to answer to question. Certainly, use BAD without consultation with physician can only sound people, not taking medicinal preparation since components BAD can interact with medicinal facility, changing their activity. The interaction BAD has Special importance with medicine. In such event, in order to avoid developments undesirable effect, consultation with physician is necessary. So, licorice enlarges the loss a potassium at combination with purgative linseed can delay suction a medicine. Previously than begin to take the рarafarmacevtiks of the facility, also necessary consultation of the physician for determination of the evidences and revealing the contraindications beside each concrete person, explanations recommendation on using depending on flap, age, presence of the accompanying diseases, dachas of the feature separate component, being included in BAD.

As a rule, spreading not always have such information. Moreover, they can recommend BAD only for removal some signs. For instance, for deliverance from spare weight to all obese people recommend to use so named "burnings of fat", acceptance which not always brings about expected result since factors obesities include not only surplus feeding. The Obesity can result from row endocrine frustration, and in this case necessary, first of all, it is correct to diagnose the main disease and conduct it treatment.

 So follows attentively to study manual an use BAD, check presence a certificate (all BAD are subjected to the obligatory expert estimation and hygienic certificate). And, certainly, consult with physician. Thereby, the new problems will too get up before physician since they must check use sick BAD and give the literate consultations upon their using. [17]

Chemical Abstracts Service, Ноябрь 2005

«Биологически активные пищевые добавки»

В последнее время стала как никогда актуальной задача восстановления функций органов и систем человеческого организма, ответственных за адаптацию к неблагоприятным факторам окружающей среды и восстановление работоспособности. Один из самых эффективных путей оздоровления населения состоит в широком применении природных биорегуляторов, которые в настоящее время представлены достаточно широким ассортиментом биологически активных пищевых добавок. К этому практически новому направлению в клинической и профилактической медицине привлечено внимание ученых, специалистов и фирм-производителей во всех развитых странах мира.

БАД представляют собой четко дозированные, производимые в виде драже, капсул, таблеток, экстрактов и других, удобных для приема формах препараты, являющиеся хорошими средствами в дополнение к традиционным продуктам. Они помогают быстрой ликвидации практически любого дефицита микроэлементов, являются ведущими средствами поддержания здоровья населения в экологически неблагополучных регионах, в экстремальных ситуациях, а также там, где дорогостоящая медицинская помощь недоступна.

БАДы подразделяются на нутрицевтики и парафармацевтики .

Нутрицевтики - БАД, применяемые для коррекции химического состава пищи человека. Это источники витаминов, полиненасыщенных жирных кислот, макро- и микроэлементов, пищевых волокон, других пищевых веществ.

Парафармацевтики - БАД, применяемые для профилактики, вспомогательной терапии и поддержания функциональной активности органов и систем. Физиологический уровень содержания действующих начал многих парафармацевтиков в клетках и тканях организма не изучен, равно как и не исследована в достаточной степени физиологическая потребность в них взрослого здорового человека. Кроме того, у довольно большого количества БАД пока не идентифицированы активные компоненты, т.е. действующие начала. Примером таких соединений могут служить экстракты, получаемые из сложных комплексов пищевых и лекарственных растений, других видов природного сырья.

За последнее десятилетие индустрия биологически активных добавок к пище превратилась в одну из самых динамично развивающихся отраслей. Неизвестное ранее понятие "биологически активные добавки к пище" теперь знакомо практически каждому, и многие их используют.

История БАД уходит своими корнями в глубокую древность. Как показывают свидетельствуют древнекитайские, древнегреческие и средневековые медицинские трактаты, на протяжении многих тысячелетий основным лечебным средством для человека служила... пища! Да, да, именно с помощью различных видов пищи древний человек пытался регулировать свое здоровье. Впрочем, что вспоминать о наших предках, если и мы сами, несмотря на весь прогресс медицинской науки, до сих пор продолжаем использовать естественные пищевые добавки, история которых насчитывает тысячи лет. Это и "лук от семи недуг", и чеснок, и малина, и шиповник, и мед. Действительно, опыт использования лечебно-профилактических свойств пищи насчитывает, по меньшей мере, несколько тысячелетий. Однако лишь на рубеже 19 и 20 веков народная мудрость обрела силу научного факта. Именно тогда, благодаря развитию химической науки, из самых различных пищевых продуктов были выделены так называемые биологически активные вещества, которые и обуславливают лечебно-профилактические эффекты пищи. Именно тогда появились первые биологически активные препараты, или, как мы сейчас их называем, биологически активные добавки к пище. Выделенные непосредственно из пищевых продуктов или синтезированные химическим путем биологически активные вещества и, прежде всего, витамины произвели настоящую революцию в медицине начала 20 века. Были побеждены многие болезни, ранее считавшиеся неизлечимыми. Однако, к великому сожалению, начиная с 1950-х годов, это перспективное направление было забыто. Дело в том, что к этому времени были синтезированы первые фармакологические препараты, которые, как казалось, были в десятки раз более эффективными. Человек овладел сложнейшими фармакологическими технологиями, начал создавать "лекарства будущего" и стал смотреть на биологически активные вещества пищи как на орудия каменного века.

Это стало одной из причин того, что пища перестала рассматриваться как источник лечебно-профилактических веществ. Результатом явились резкие изменения (как оказалось позже, не в лучшую сторону) в рационе питания населения. Тогда всем верилось, что возможности фармакологии безграничны. Казалось, что новые высокоэффективные фармацевтические препараты помогут быстро и без труда победить любые болезни.

Однако уже к середине 1970-х годов выяснилось, что фармакологические препараты далеко не столь могущественны. Более того, чужеродные организму человека синтетические вещества стали вызывать большое число осложнений и аллергических реакций. Но самым обескураживающим открытием явилось то, что одной из главных причин наиболее распространенных заболеваний стало резкое изменение характера питания и дефицит большинства биологически активных компонентов пищи.

В результате сложилась совершенно парадоксальная ситуация. Человек вынужден был теперь синтезировать все новые и новые лекарства только для того, чтобы справиться с последствиями дефицита важнейших биологически активных веществ, причем далеко не всегда успешно и нередко ценой тяжелых побочных эффектов. Необходимо было найти выход из этого порочного круга. Однако изменить сложившийся рацион и вернуться к утраченным пищевым традициям было уже невозможно в силу выработавшихся привычек, в силу занятости современного человека, в силу ограниченного ассортимента доступных продуктов и т.д. К счастью, современные технологии, и в том числе заимствованные из фармакологии, позволяли теперь синтезировать или выделять непосредственно из пищевых продуктов большинство незаменимых биологически активных веществ пищи.

Так, на рубеже 1970-80-х годов было положено начало новому большому классу лечебно-профилактических средств, которые получили название биологически активных добавок к пище.

Вернемся к ответу на вопрос. Безусловно, использовать БАД без консультации с врачом могут только здоровые люди, не принимающие лекарственных препаратов, поскольку компоненты БАД могут взаимодействовать с лекарственными средствами, изменяя их активность. Особое значение имеет взаимодействие БАД с лекарствами. В таком случае, во избежание развития нежелательных эффектов, консультация с врачом является необходимой. Так, солодка увеличивает потерю калия, при сочетании со слабительными льняное семя может задерживать всасывание лекарств. Прежде чем начать принимать парафармацевтические средства, также необходима консультация врача для определения показаний и выявления противопоказаний у каждого конкретного человека, объяснения рекомендаций по применению в зависимости от пола, возраста, наличия сопутствующих заболеваний, дачи характеристики отдельных компонентов, входящих в состав БАД.

Как правило, распространители не всегда имеют такую информацию. Более того, они могут порекомендовать БАД лишь для устранения каких-либо симптомов. Например, для избавления от лишнего веса всем тучным людям рекомендуют применять так называемые “сжигатели жира”, прием которых не всегда приводит к ожидаемому результату, поскольку этиологические факторы ожирения включают не только избыточное питание. Ожирение может быть следствием ряда эндокринных расстройств, и в этом случае необходимо, прежде всего, правильно диагностировать основное заболевание и проводить его лечение. Поэтому следует внимательно изучить руководство по использованию БАД, проверить наличие сертификатов (все БАД подвергаются обязательной экспертной оценке и гигиенической сертификации). И, конечно, посоветоваться с врачом. Таким образом, перед врачами тоже встают новые задачи, поскольку они должны контролировать использование больными БАД и давать грамотные консультации по их применению.

Лаборатория функциональной биохимии

Одним из приоритетных направлений деятельности является изучение структуры и функций основных ферментов обмена нейромедиатор холинергетической и моноаминергической систем - холинэстераз и моноаминоксидаз. В течение 30 лет в лаборатории используются и совершенствуются кинетические методы исследования. В  лаборатории впервые в мировой практике в сравнительно - энзимологическом аспекте применены методы теоретического конформационного анализа и многопрофильного статистического анализа, в результате чего была получена принципиально новая информация о структуре активного центра ферментативного семейства холинэстераз.

Российский университет дружбы народов

Возможно ли определение активности  в клетках организмов ферментов? Это очень сложная задача. Можно приблизительно судить об уровне внутриклеточной активности ферментов (в редких случаях), определяя в моче или сыворотке крови непосредственные или отдаленные продукты их деятельности (обычно продукты тут же подвергаются  превращениям, и определить их нельзя). Тогда используют такой прием. В организм вводят искусственный субстрат определенного фермента, подобранный с таким расчетом, чтобы продукт его каталитического превращения не подвергался дальнейшим превращениям и выводился из организма в неизменном виде. Часто в таких экспериментах используют изотопы Н, С, Р.

Выявление в клетке фермента, даже с нарушенной каталитической активностью, можно иммунными методами, получив предварительно высокоспецифичные для данного фермента антитела. Эта техника сейчас хорошо разработана. Также можно судить о наличии фермента по соответствующей данному белку нуклеотидной последовательности нуклеиновых кислот.

Путем сайт – специфического мутагенеза можно изменить функции фермента – повысит устойчивость к действию температуры, изменениям рН, присутствию денатурирующих агентов.

Основные успехи, позволившие широко использовать ферменты, связаны с получением ферментативных препаратов, стабильность которых повышена в сотни раз. Достигается такая стабильность в результате «обездвиживания» ферментов при присоединении с матрицей носителя. Иногда можно просто инкапсулировать фермент внутрь полимерного микроконтейнера, лизосомы, обволакивающего гелеобразного соединения.

Путем иммобилизации можно менять не только стабильность ферментов, но и их активность, специфичность и другое.

Появилось новое направление исследований – мицеллярная энзимология. Ферменты исследуют в гетерогенных модельных системах, в той или иной степени имитирующих ситуацию в живой клетке.

Тезаурус

Абсолютная специфичность – способность фермента действовать только на один субстрат.

Авитаминоз - болезни, связанные с отсутствием витаминов.

Активаторы – вещества, ускоряющие химические реакции.

Активный центр – определенный участок поверхности молекулы фермента, обладающий химически активной группой, за счет которой и происходит взаимодействие фермента с субстратом.

Амилаза - фермент, катализирующий разложения крахмала и превращение его в сахар.

Апофермент - белковый комплекс фермента.

АТФ – аденозинтрифосфорная кислота, главные источник энергии в клетке.

БАДы – биологически активные добавки.

Белки – нерегулярные полимеры, мономерами которых являются аминокислоты.

Гидролиз – реакция обменного разложения соединений с водой.

Гидрофильные вещества – растворимые в воде вещества.

Гидрофобные вещества – нерастворимые в воде вещества.

Голофермент – комплекс апофермента с кофактором.

Гидролазы – ферменты, разрывающие химические связи (пептидные, гликозидные, эфирные) с участием молекул воды.

Групповая специфичность - способность фермента действовать на группу субстратов, имеющих сходное строение.

Денатурация – изменение природной структуры белковой молекулы.

Изомеразы - ферменты, активирующие внутримолекулярные перестройки вещества, т.е. изменяющие архитектонику.

Изоферменты - ферменты, различающиеся по строению, но катализирующие одну и ту же реакцию.

Ингибиторы – вещества, замедляющие химические реакции.

Кофактор – небелковый комплекс фермента.

Кофермент – легко диссоциирующийся комплекс.

Лиазы - ферменты, отщепляющие или присоединяющие негидролитическим путем определенные группы с образованием двойной связи.

Номенклатура – названия веществ.

Нутрицевтики - БАДы, применяемые для коррекции химического состава пищи человека.

Оксидоредуктазы - окислительно-восстановительные ферменты, переносят атомы кислорода и водорода от одного вещества к другому.

Парафармацевтики - БАДы, применяемые для профилактики, вспомогательной терапии и поддержания функциональной активности органов и систем.

Пепсин – фермент желудочного сока животного происхождения.

Простатические группы – прочный комплекс кофактора с апоферментом.

Простые белки – белки, состоящие только из аминокислот, и их каталитические свойства обусловлены свойством самой белковой молекулы.

Протеолитические ферменты – ферменты, ускоряющие гидролиз протеинов (белков).

Рациональная номенклатура - номенклатура по названию субстрата.

Ренатурация – восстановление природной структуры белковой молекулы.

Синтетазы (лигазы) - ферменты, катализирующие соединения 2 молекул с образованием новой связи за счет энергии АТФ.

Сложные белки – белки, содержащие в своём составе, помимо белкового компонента, ещё и небелковый.

Стереохимическая специфичность - способность фермента действовать на субстрат или группу субстратов, отличающихся особым расположением атомов в пространстве.

Субстрат – вещество, подвергающееся воздействию фермента.

Температурный оптимум - температура, при которой одно её действие вызывает ускорение реакции, катализируемой данным ферментом.

Термолабильность – способность белков проявлять свою активность в узких температурных рамках. 

Трансферазы - ферменты, переносящие различные группы (карбоксильная, фосфатная, метильная, аминогруппа).

Тривиальная номенклатура - номенклатура по случайным признакам.

Трипсин - фермент, переваривающий белки.

Ферменты – биокатализаторы, ускоряющие химические реакции в миллионы раз.