Классификация ферментов
Ферменты пищеварения представляют собой биологические катализаторы,
участвующие в гидролизе макромолекул пищи до низкомолекулярных
соединений, способных к всасыванию в кишечнике. Основная классификация
основана на типе субстрата:
- Протеолитические ферменты – катализируют
расщепление белков до пептидов и аминокислот (пепсин, трипсин,
химотрипсин, карбоксипептидазы).
- Липолитические ферменты – гидролизуют липиды до
жирных кислот и глицерина (панкреатическая липаза, желудочная липаза,
фосфолипаза А₂).
- Амилазные ферменты – расщепляют полисахариды до
олигосахаридов и моносахаридов (слюнная амилаза, панкреатическая
амилаза, мальтаза, лактаза, сахараза).
- Нуклеазы – гидролизуют нуклеиновые кислоты до
нуклеотидов (дезоксирибонуклеаза, рибонуклеаза).
Локализация и активность
ферментов
Ферменты пищеварения синтезируются различными органами
пищеварительной системы:
- Слюнные железы – секретируют α-амилазУ, начинающую
расщепление крахмала уже в ротовой полости.
- Желудок – главный источник пепсина, активируемого
из пепсиногена под действием HCl; также выделяет желудочную липазу,
способствующую гидролизу триглицеридов с короткими жирными
кислотами.
- Поджелудочная железа – основной источник
большинства ферментов тонкого кишечника: трипсин, химотрипсин,
карбоксипептидазы, панкреатическая амилаза, липаза, нуклеазы. Эти
ферменты секретируются в неактивной форме (зимогенах) для предотвращения
самопереваривания ткани железы.
- Кишечный эпителий – мембранные ферменты, такие как
дисахаридазы (лактаза, мальтаза, сахараза), пептидазы (дипептидазы,
аминопептидазы), обеспечивают финальную деградацию макромолекул.
Механизмы действия
Ферменты пищеварения действуют по принципу катализа за счёт
стабилизации переходного состояния субстрата и снижения энергии
активации реакции гидролиза.
Протеазы разделяются на три группы по механизму
действия:
- Сериновые протеазы (трипсин, химотрипсин) используют сериновый
остаток в активном центре для нуклеофильной атаки пептидной связи.
- Аспартатные протеазы (пепсин) используют два аспартатных остатка для
активации молекулы воды, которая гидролизует пептидную связь.
- Металлопротеазы (карбоксипептидазы) требуют ион металла, чаще Zn²⁺,
для поляризации пептидной связи.
Липазы катализируют гидролиз сложных эфиров
триглицеридов с образованием диглицеридов, моноглицеридов и свободных
жирных кислот. Ферменты действуют на поверхности липидных эмульсий,
используя так называемый механизм «интерфейсного активационного
раскрытия».
Амилазы расщепляют α-1,4-гликозидные связи в
полисахаридах, формируя мальтозу и мальтотрирозу, после чего мембранные
дисахаридазы завершают гидролиз до глюкозы.
Нуклеазы гидролизуют фосфодиэфирные связи
нуклеиновых кислот, образуя нуклеотиды, которые затем разлагаются
нуклеозидазами и фосфатазами до оснований, сахаров и фосфатов.
Регуляция активности
ферментов
Активность ферментов пищеварения регулируется на нескольких
уровнях:
- Нейрогуморальная регуляция – ацетилхолин, гастрин,
секретин и холецистокинин стимулируют секрецию ферментов.
- Ферментативная активация – многие протеазы
выделяются в неактивной форме и активируются только в просвете кишечника
(например, трипсиноген активируется энтерокиназой до трипсина).
- pH и ионная среда – каждый фермент имеет
оптимальное значение pH; пепсин активен в кислой среде желудка (pH
1,5–2), а панкреатические ферменты оптимальны при щелочном pH 7–8.
- Обратная связь продуктами гидролиза – некоторые
ферменты ингибируются или активируются продуктами переваривания,
обеспечивая адаптацию к составу пищи.
Клиническое значение
Нарушения секреции или активности ферментов приводят к нарушениям
пищеварения и всасывания:
- Панкреатическая недостаточность – дефицит липазы,
амилазы и протеаз приводит к стеаторее, мальабсорбции белков и
углеводов.
- Лактазная недостаточность – недостаток мембранной
ферментной активности вызывает непереносимость лактозы.
- Гипо- или гиперсекреция желудочных ферментов –
ассоциирована с гастритами, язвенной болезнью, нарушениями белкового
обмена.
Молекулярные особенности
Ферменты пищеварения характеризуются сложной трёхмерной структурой,
включающей активные центры, кофакторы и субъстратоспецифические участки
связывания. Их стабильность обеспечивается водородными связями,
дисульфидными мостиками и гидрофобными взаимодействиями.
Посттрансляционные модификации (гликозилирование, протеолитическая
активация) критичны для транспорта и функциональной активности
ферментов.
Ферменты пищеварения являются примером строго координированной
системы биокатализа, обеспечивающей эффективное расщепление пищи до
биодоступных низкомолекулярных соединений и поддержание гомеостаза
организма.