Что такое ферменты и как они работают?

Ферменты — это биологические молекулы (обычно белки), которые значительно ускоряют скорость практически всех химических реакций, происходящих внутри клеток. Они жизненно важны для жизни и выполняют широкий спектр важных функций в организме, таких как помощь в пищеварении и обмене веществ.

Благодаря процессу ферментации у нас есть и чаи, и соленья-варенья.

Некоторые ферменты помогают расщеплять большие молекулы на более мелкие части, которые легче усваиваются организмом. Другие ферменты помогают связать две молекулы вместе, чтобы произвести новую молекулу. Ферменты являются высокоселективными катализаторами, а это означает, что каждый фермент ускоряет только определённую реакцию.

Учёные создали самовосстанавливающийся бетон с помощью ферментов, содержащихся в человеческой крови.

Молекулы, с которыми работает фермент, называются субстратами. Субстраты связываются с областью фермента, называемой активным центром.

Существуют две теории, объясняющие взаимодействие «фермент-субстрат».

Активный центр фермента имеет точную форму, чтобы удерживать определённые субстраты. В модели индуцированного соответствия активный центр и субстрат не идеально подходят друг к другу — вместо этого они оба изменяют свою форму, чтобы соединиться.

Как бы то ни было, протекающие реакции значительно ускоряются — более чем в миллион раз, — как только субстраты связываются с активным центром фермента. В результате химических реакций образуется новый продукт или молекула, которая затем отделяется от фермента, катализирующего другие реакции.

Вот пример: когда слюнный фермент амилаза связывается с крахмалом, он запускает процесс гидролиза (расщепление соединения из-за реакции с водой), в результате чего образуется мальтоза или солодовый сахар.

Unsplash

Как ферменты помогают переваривать алкоголь

Алкоголь расщепляется в печени в два этапа. На первом этапе фермент алкогольдегидрогеназа превращает алкоголь в довольно неприятное химическое вещество, называемое ацетальдегидом. Накопление этого токсичного химического вещества является одной из причин, по которой вы чувствуете себя плохо утром и у вас похмелье.

Затем второй фермент, альдегиддегидрогеназа, превращает ацетальдегид в уксусную кислоту (безвредный кислый компонент уксуса).

Дефицит альдегиддегидрогеназы распространён, в частности, среди китайцев, корейцев и японцев. Некоторые наследуют две копии дефектного гена этого фермента — по одному от каждого родителя. Их печень производит неисправную версию фермента.

Другие наследуют дефектный ген только от одного родителя и производят как нормальный, так и дефектный фермент. Однако этот частичный дефицит приводит только к 1 проценту полной активности фермента, а не к 50 процентам, как можно было бы ожидать.

Это связано с тем, что неисправная версия менее стабильна, а несколько копий фермента должны работать вместе как единое целое.

Если вы унаследовали полный или частичный дефицит альдегиддегидрогеназы, очень скоро после употребления алкоголя у вас будет наблюдаться высокий уровень ацетальдегида — и все неприятные ощущения, которые с этим связаны. Представьте себе: тошнота, потливость, головная боль, учащённое сердцебиение, головокружение, покраснение лица — и это всё длится долго-долго-долго...

Что это значит?

Хорошей новостью является то, что из-за дефицита альдегиддегидрогеназы алкоголизм и рак, связанный с алкоголем, гораздо менее распространены среди населения Восточной Азии. Это потому, что люди чувствуют себя настолько плохо после употребления алкоголя, что пьют очень мало, если вообще пьют.

Теперь о плохих новостях. Если у вас есть дефицит альдегиддегидрогеназы, но вы продолжаете пить, вы подвергаетесь более высокому риску рака, вызванного  алкоголем: например, рака пищевода (трубки между вашим ртом и желудком).

Риск наиболее высок для людей с частичным дефицитом. Это связано с тем, что их низкая остаточная ферментативная активность позволяет им выработать некоторую толерантность к неприятным последствиям употребления алкоголя, но они всё ещё подвергаются воздействию высоких уровней ацетальдегида.

А ещё учёные открыли фермент, разлагающий пластик!

Может показаться неожиданным, что любой человек с дефицитом альдегиддегидрогеназы вообще хоть когда-то в жизни будет пить. Но причины, по которым мы любим алкоголь, сложны. Некоторые из них связаны с метаболизмом, некоторые — с химией мозга, а некоторые — с социальными обстоятельствами.

Некоторые люди испытывают более сильное удовольствие, чем другие, при употреблении алкоголя, и это может способствовать развитию зависимости.

Исследования привычек употребления алкоголя американскими студентами азиатского происхождения показали, что социальные факторы, такие как влияние культуры употребления алкоголя, давление сверстников и отношение семьи к алкоголю, могут помочь преодолеть неприятные физические эффекты, связанные с дефицитом альдегиддегидрогеназы.