Понятие и биологическая роль ферментов

Но в процессе всё большего развития науки гипотеза Кошланда постепенно вытесняется гипотезой топохимического соответствия. Сохраняя основные положения гипотезы взаимоиндуцированной настройки субстрата и фермента, она фиксирует внимание на том, что специфичность действия ферментов объясняется в первую очередь узнаванием той части субстрата, которая не изменяется при катализе. Между этой частью субстрата и субстратным центром фермента возникают многочисленные точечные гидрофобные взаимодействия и водородные связи[9].

2. Факторы, влияющие на реакции фермента

На активность ферментов, а, следовательно, и на скорость реакций ферментативного катализа оказывают влияние различные факторы.

Концентрация  и доступность субстрата. При  постоянном количестве фермента скорость возрастает с увеличением концентрации субстрата. Эта реакция подчинена  закону действующих масс и рассматривается  в свете теории Михаэлиса – Ментона[8].

Концентрация  ферментов всегда относительно невелика. Скорость любого ферментативного процесса в значительной степени зависит  от концентрации фермента. Для большинства  пищевых применений скорость реакций  пропорциональна концентрации ферментов. Исключение составляют те случаи, когда  реакции доводят до очень низких уровней субстрата.

Температура реакции. До некоторого значения температуры (в среднем до 50°С) каталитическая активность растет, причем на каждые 10°С примерно в 2 раза повышается скорость преобразования субстрата. В общем для ферментов животного происхождения он лежит между 40 и 50°С, а растительного - между 50 и 60°С. Самой оптимальной температурой является 37 ^oС, при которой в живом организме процессы протекают быстро, сберегая большое количество энергии. Однако есть ферменты с более высоким температурным оптимумом, например, у папаина оптимум находится при 80°С. В то же время у каталазы оптимальная температура действия находится между 0 и минус 10°С.

Значение  рН реакции. Для каждого фермента характерна определённая область значения рН, при которых фермент проявляет максимальную активность. Однако наилучшими условиями их функционирования являются близкое к нейтральному значение величины рН. В резко кислой или резко щелочной среде хорошо работают лишь некоторые ферменты. Влияние рН среды на действия ферментов основано на том, что происходит изменение заряда различных групп белка в активном центре фермента, вызывающее существенное изменение конформации полипептидной цепи.

Продолжительность процесса. Для реакции ферментативного  катализа первого порядка скорость реакции со временем уменьшается, так  как уменьшается доступность субстрата. Такие реакции ферментативного катализа требуют достаточно много времени для её завершения.

Наличие ингибиторов  или активаторов. Химические вещества, способные оказывать вредное  воздействие на реакцию ферментации, получили названия «ингибиторы». В  качестве таких веществ могут  выступать металлы (медь, железо, кальций) или соединения из субстратов. Некоторые  вещества способны активировать или  стабилизировать ферменты. Присутствие  в реакционной среде некоторых  ионов может активировать образование  активного субстрат ферментного  комплекса, и в этом случае скорость ферментативной реакции будет увеличивается. Такие вещества получили название активаторов[7].

 

3.  Методы выделения  ферментов

Долгое время вполне обоснованно  считали, что все ферменты - тела белковой природы. Однако в начале 80-х годов была неожиданно открыта способность низкомолекулярных рибонуклеиновых кислот ускорять реакцию превращения предшественников РНК в функционально значимый продукт, т. е. возникло представление о полирибонуклеотидной природе некоторых ферментов, названных рибозимами.

Хотя уже осуществлен  лабораторный синтез ряда ферментов - рибонуклеазы, лизоцима, ферредоксина и цитохрома с, трудно ожидать, что синтетическое получение ферментов получит широкое распространение в ближайшие десятилетия ввиду его сложности и дороговизны, поэтому единственный реальный в настоящее время способ получения ферментов - это выделение их из биологических объектов.

Выделяют ферменты так  же, как и другие белки, хотя есть приемы, применяемые преимущественно  для ферментов. Из них можно отметить экстракцию глицерином, в котором сохраняются нативные свойства ферментов, а также метод ацетоновых порошков, состоящий в осаждении и быстром обезвоживании при температуре не выше -10°С тканей или вытяжек из них, содержащих ферменты. К их числу относится также получение ферментов путем адсорбции с последующей элюцией (снятием) садсорбента. Этот метод был введен в химию ферментов А. Я. Данилевским и дал мощный толчок развитию ферментологии. Сейчас адсорбционный метод выделения и очистки ферментов разработан детально. Наряду с ним широко применяют метод ионообменной хроматографии, метод молекулярных сит, электрофорез и особенно изоэлектрофокусирование. Одна из модификаций адсорбционного метода - афинная хроматография, где адсорбентом служит вещество, с которым фермент взаимодействует избирательно. В результате лишь один этот фермент задерживается на колонке, а все сопутствующие ему выходят с током проявителя. Изменяя характер проявителя, исследуемый фермент элюирует с колонки. Этим методом достигают очистки фермента в несколько тысяч раз, применяя всего лишь одноэтажную (аффинная сорбция - элюция) схему выделения.

Для успешного выделения  ферментов из клеточного содержимого  необходимо очень тонкое измельчение  исходного материала, вплоть до разрушения субклеточных структур: лизосом, митохондрий, ядер и др., которые несут в  своем составе многие индивидуальные ферменты. Особое внимание при выделении  ферментов уделяют проведению всех операций в условиях, исключающих  денатурацию белка, так как она  всегда связана с потерей ферментативной активности. Этому способствует проведение операций в присутствии защитных добавок, в частности HS-содержащих соединений (цистеина, глутатиона, меркаптоэтанола, цистеамина, дитиотреитола и др.):

HS ¾ CH2 ¾ СН2 ¾ NН Цистеамин

HS¾CH2¾CH(ОН) ¾ СН (ОН) ¾ СH2 ¾ SH Дитиотреитол

Очень важно поддерживать на всех этапах выделения ферментов  низкую температуру, так как некоторые из них даже при минус 80°С теряют активность[10].

Для оценки гомогенности ферментного препарата прибегают к обычным методам белковой химии. Переломным моментом в усовершенствовании методов получения высокоочищенных, гомогенных препаратов ферментов было открытие способности их кристаллизоваться, осуществленное впервые в 1906 г. А. Д. Розенфельдом (им была получена в виде кристаллов оксидаза из корней редьки) и приобретшее с 1926 г. широкую известность после работы Д. Самнера по получению кристаллической уреазы из бобов канавалии. Нередко о степени чистоты ферментного препарата судят по его биологической активности; если активность при дальнейшей очистке не возрастает, препарат можно считать гомогенным. Из 2003 включенных в список ферментов более 1500 выделено и в той или иной мере очищено, третья часть их закристаллизована, у нескольких сотен выяснена первичная, а у нескольких десятков - третичная структура.

 

 

4. Область применения ферментов

Ферменты  нашли широкое применение в таких  отраслях промышленности, как хлебопечение, пивоварение, виноделие, чайное, кожевенное и меховое производства, сыроварение, натуральных соков, кофе, кулинария (для обработки мяса) и т.д. В последние годы ферменты стали применять в тонкой химической индустрии для осуществления таких реакций органической химии, как окисление, восстановление, дезаминирование, декарбоксилирование, дегидратация, конденсация, а также для разделения и выделения изомеров аминокислот L-ряда (при химическом синтезе образуются рацемические смеси L- и D-изомеров), которые используют в промышленности, сельском хозяйстве, медицине. Овладение тонкими механизмами действия ферментов, несомненно, предоставит неограниченные возможности получения в огромных количествах и с большой скоростью полезных веществ в лабораторных условиях почти со 100% выходом.

Ферменты  используются в производстве моющих средств и бумаги, а также в технологических процессах по производству кожи и текстилей, фармацевтической промышленности (фестал, мезимфорте). В настоящее время стало возможным их применение в кормах животных.

Используемые  в пищевой промышленности ферменты имеют широкий спектр применения, включающий функции синтеза и  разложения (деградации), примеры приведены в таблице 2, приложение Б. При выборе фермента для конкретного пищевого процесса следует принимать во внимание его источник и биохимические характеристики, что важно при сертификации.

Подобно другим пищевым добавкам использование  ферментов в пищевых продуктах  нормируется законом.

 

Заключение

В данной работе рассмотрено одно из биологически активных веществ, а именно - ферменты. Ферменты являются биологическим катализатором  белковой природы, ускоряющим химические реакции в живых организмов и  вне их. Ферменты обладают уникальными свойствами, которые отличают их от обычных органических катализаторов. Это, прежде всего, необычно высокая каталитическая активность. Другое важнейшее свойство ферментов - это избирательность их действия.

Важным свойством  ферментов, которое необходимо учитывать  при их практическом пользовании, является стабильность, т.е. их способность сохранять  каталитическую активность.

Благодаря высокой  специфичности ферментов в организме  не воцаряется хаос: каждый фермент  выполняет строго отведённые ему  функции, не влияя на течение многих десятков и сотен других реакций, происходящих в его окружении. Роль ферментов в жизнедеятельности  организмов велика.

Будущее ферментов  очень интересно. Они широко применяются в различных отраслях промышленности. В настоящее время, благодаря новым исследованиям в области производства и выделения новых ферментов, намечается перспектива получения ферментов, применяемых в узкоспецифических реакциях.

 

Список использованных источников

 

1. Основы биохимии: Учебник для  студ. биол. спец. ун-тов/под ред. А.А. Анисимова.- М.: Выс.шк., 1986. - с.133-140
2. Биохимия растительного сырья/ под ред. Щербакова В.Г - М.: Мир, 1999. – с. 131
3. Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия: Учебник.- М.: Медицина, 1990.- с.115
4. Биологический энциклопедический словарь/под ред. Гилярова М.С. М.: Советская энциклопедия, 1987 г. – с. 458
5. Власова З.А. Биология. Справочник школьника. М.: Всероссийское слово, 1995 г. – с. 104
6. Диксон М., Уэбб Э. Ферменты: пер.англ.- М.: Мир, 1982.- т.1.- с. 370-375
7. Кочетов Г.А. Практическое руководство по энзимологии.- М., 1989
8. Нечаев А.П., Кочеткова А.А, Зайцев А.Н. Пищевые добавки. - М., 2001. – с. 235
9. Фёршт Э. Структура и механизм действия ферментов.- М.: Мир., 1980.- с. 373-388
10. Хомченко Г.Л. Химия для поступающих в ВУЗы. Учебное пособие. - М.: Высшая школа, 1993 г. – с. 166