Понятие и биологическая роль ферментов

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет»

Факультет технологии пищевых производств

Кафедра технологии пищевых производств

 

 

 

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Пищевая химия»

на тему:

«Понятие и биологическая роль ферментов»

 

 

 

 

 

 

 

 

  Выполнила: 

студентка группы ПП-452

Сухова М. В.

 Проверила:

ст. преподаватель кафедры ТПП

Короткова А. А.

 

 

 

 

Волгоград, 2013

Содержание

Введение 3

1. Общие сведения о ферментах 4

1.1.  Термин «ферменты», биологическая роль ферментов 4

1.2.  Особенности строения ферментов 5

1.3.  Классификация и номенклатур ферментов 7

2. Биокатализ 8

2.1 . Принцип действия ферментов 8

2.2. Факторы, влияющие на реакции ферментов 10

3.  Методы выделения ферментов 12

4  Область  применения ферментов 15

Заключение 16

Список использованных источников 17

 

 

Введение

В настоящее  время ферменты применяются более  чем в 25 отраслях промышленности: это  и пищевая промышленность, и фармацевтическая, целлюлозно-бумажная, лёгкая, а так  же в сельском хозяйстве и др.

Ферменты  играют немаловажную роль и в проведении многих технологических процессов. Ферменты высокого качества позволяют  улучшить технологию, сократить затраты  и даже получить новые продукты.

Целью моего  реферата является: подробное исследование понятий фермента и ферментативного  катализа (биокатализа).

Для осуществления  обозначенной цели необходимо узнать историю появления первых ферментов, особенности строения, их свойства, классификацию, принцип действия, методы выделения ферментов.

 

1. Общие сведения о ферментах

1. Термин «ферменты», биологическая роль ферментов

В течение  всей своей истории существования  человек пользовался ферментами, зачастую не подразумевая об этом.

Термин фермент  предложен в XVII веке химиком Ван  Гельмонтом при обсуждении механизмов пищеварения. В кон. ХVIII — нач. XIX вв. уже было известно, что мясо переваривается желудочным соком, а крахмал превращается в сахар под действием слюны. Однако механизм этих явлений был неизвестен. В XIX в. Луи Пастер, изучая превращение углеводов в этиловый спирт под действием дрожжей, пришел к выводу, что этот процесс – брожение - катализируется некой жизненной силой, находящейся в дрожжевых клетках. Термин энзим (от греч. ἐν- — в- и ζύμη — дрожжи, закваска) был предложен в 1876 году[1].

Первый кристаллический  фермент (уреаза) выделен американским биохимиком Д. Самнером в 1926 г.

Итак, что  же такое ферменты? Ферменты (от лат. fermentum - брожение, закваска) или энзимы - органические вещества белковой природы, которые синтезируются в клетках и во много раз ускоряют протекающие в них реакции, не подвергаясь при этом химическим превращениям.

В настоящее время известно более 20000 различных ферментов, из которых  многие выделены из живых клеток и  получены в индивидуальном состоянии. Для ряда ферментов изучена последовательность аминокислот и выяснено расположение полипептидных цепей в трёхмерном пространстве. В лабораторных условиях осуществлен искусственный химический синтез фермента рибонуклеазы. Ферменты используют для количественного определения и получения различных веществ, для модификации молекул нуклеиновых кислот методами генной инженерии, диагностики и лечения ряда заболеваний, а также в ряде технологических процессов, применяемых в лёгкой, пищевой и фармацевтической промышленностях.

Нужно также  отметить, что вся живая природа  существует исключительно благодаря  биокатализу. Недаром великий русский физиолог, нобелевский лауреат И.П. Павлов назвал ферменты носителями жизни[2].

2. Особенности строения ферментов

По строению ферменты могут  быть однокомпонентными, простыми белками, и двухкомпонентными, сложными белками. Во втором случае в составе фермента обнаруживается не только белковый компонент  – апофермент, но и добавочная группа небелковой природы – кофермент. Последние вещества, в отличие от белкового компонента фермента, имеют сравнительно небольшую молекулярную массу и, как правило, термостабильны.

Рисунок 1

Химическая  природа важнейших коферментов  была выяснена в 30-е годы нашего столетия благодаря трудам О. Варбурга, Р. Куна, П. Каррера и др. Оказалось, что роль коферментов в двухкомпонентных ферментах играют большинство витаминов (Е, К, Q, В1, В2, В6 В12, С, Н и др.) или соединений, построенных с участием витаминов, именно поэтому они должны поступать в организм с пищей. Многие ферменты с большой молекулярной массой проявляют каталитическую активность только в присутствии специфических низкомолекулярных веществ, называемых коферментами (или кофакторами).

Характерной особенностью двухкомпонентных ферментов  является то, что ни белковая часть, ни добавочная группа в отдельности  не обладают заметной каталитической активностью. Только их комплекс проявляет  ферментативные свойства. При этом белок резко повышает каталитическую активность добавочной группы, присущую ей в свободном состоянии в  очень малой степени; добавочная же группа стабилизирует белковую часть  и делает ее менее уязвимой к денатурирующим агентам.

Однокомпонентные  ферменты представляют собой простые  белки. У однокомпонентных ферментов нет добавочной группы, которая могла бы входить в непосредственный контакт с преобразуемым соединением. Эту функцию выполняет часть белковой молекулы, называемая каталитическим центром. Предполагают, что каталитический центр однокомпонентного фермента представляет собой уникальное сочетание нескольких аминокислотных остатков, располагающихся в определенной части белковой молекулы. Аминокислотные остатки, образующие каталитический центр однокомпонентного фермента, расположены в различных точках единой полипептидной цепи. Поэтому каталитический центр возникает в тот момент, когда белковая молекула приобретает присущую ей третичную структуру. Следовательно, изменение третичной структуры фермента под влиянием тех или иных факторов может привести к деформации каталитического центра и изменению ферментативной активности[3].

Кроме каталитического  центра, образованного сочетанием аминокислотных радикалов или присоединением кофермента, у ферментов различают еще  два центра: субстратный и аллостерический.

Под субстратным  центром понимают участок молекулы фермента, ответственный за присоединение  вещества (субстрата), подвергающегося  ферментативному превращению. Часто  этот участок называют “якорной площадкой” фермента, где, как судно на якорь, становится субстрат. Понятие о каталитическом и субстратном центре не следует  абсолютизировать. В реальных ферментах  субстратный центр может совпадать (или перекрываться) с каталитическим центром. Более того, каталитический центр может окончательно формироваться  в момент присоединения субстрата. Поэтому часто говорят об активном центре фермента, представляющем сочетание  первого и второго.

Аллостерический центр представляет собой участок молекулы фермента, в результате присоединения к которому определенного низкомолекулярного (а иногда - и высокомолекулярного) вещества изменяется третичная структура белковой молекулы. Вследствие этого изменяется конфигурация активного центра, сопровождающаяся либо увеличением, либо снижением каталитической активности фермента[4].

3. Классификация и номенклатура ферментов

Классификация и номенклатура ферментов основана на типе реакции, которую они катализируют, так как катализируемая реакция  – это тот специфический признак, по которому один фермент отличается от другого.

В 1961 г. специальной  комиссией Международного биохимического союза была предложена систематическая  номенклатура ферментов. Ферменты были подразделены на 6 групп или классов  в соответствии с общим типом  реакции, которую они катализируют: оксидоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы, лигазы. Описание функций групп этих ферментов представлено в таблице 1, приложение А.

Каждый фермент  при этом получил систематическое  название, точно описывающее катализируемую им реакцию. Однако поскольку многие из этих систематических названий оказались  очень длинными и сложными, каждому  ферменту было также присвоено и  тривиальное, рабочее название, предназначенное  для повседневного употребления. В большинстве случаев оно  состоит из названия вещества, на которое  действует фермент, указания на тип  катализируемой реакции и окончания  –аза.

Международная комиссия по ферментам разработала  систему присвоения кодовых чисел (шифров) индивидуальным ферментам. Шифр каждого фермента содержит четыре числа, разделенные точками. Он составляется по следующему принципу:

А) Первое число показывает, к какому классу принадлежит данный фермент.

Б) Второе число, которое присваивается ферменту по классификации, обозначает подкласс. У оксидоредуктаз оно указывает на природу той группы в молекуле донора, которая подвергается окислению (1- обозначает спиртовую группу –CH-OH; 2-альдегидную или кетонную группу и т.д.); у трансфераз – природу транспортируемой группы; у гидролаз - тип гидролизуемой связи; у лиаз – тип связи, подвергающийся разрыву; у изомераз – тип катализируемой реакции изомеризации; у лигаз – тип вновь образуемой связи.

В) Третье число обозначает подподкласс. У оксидоредуктаз оно указывает для каждой группы доноров тип участвующего акцептора (1 обозначает кофермент NAD+ или NASP+; 2 - цитохром; 3- молекулярный кислород и т.д.); у трансфераз третье число обозначает тип транспортируемой группы; у гидролаз это число уточняет тип гидролизуемой связи, а у лиаз – тип отщепляемой группы; у изомераз оно уточняет характер превращения субстрата, а у лигаз – природу образующего соединения.

Г) Четвёртое число обозначает порядковый номер ферменты в данном подклассе[5].

Шифровая  классификация имеет очень важное преимущество – она позволяет  исключить необходимость при  включении в список вновь открытых ферментов менять номера всех последующих. Новый фермент может быть помещен  в конце соответствующего подкласса  без нарушения всей остальной  нумерации.

2. Биокатализ

Биокатализ или ферментативный катализ – это ускорение химических реакций под влиянием ферментов. В основе жизнедеятельности лежат многочисленные химические реакции расщепления питательных веществ, синтеза необходимых организму химических соединений и трансформации их энергии в энергию физиологических процессов (работа мышц, почек, нервная деятельность и т.п.). Все эти реакции не могли бы происходить с необходимой для живых организмов скоростью, если бы в ходе эволюции не возникли механизмы их ускорения с помощью биокатализа.

1. Принцип действия ферментов

Вещество, подвергающееся превращению в присутствии фермента, называют субстратом. Субстрат присоединяется к ферменту, который ускоряет разрыв одних химических связей в его  молекуле и создание других; образующийся в результате продукт отсоединяется  от фермента.

Ферменты  не подвергаются износу во время реакции. Они высвобождаются по завершению реакции  и сразу же готовы начать следующую реакцию. Теоретически это может продолжаться бесконечно, по крайней мере, до тех пор, пока они не израсходуют весь субстрат. На практике вследствие их восприимчивости и органического состава, продолжительность существования ферментов ограничена[6].

По образному  выражению, употребляемому в биохимической  литературе, фермент подходит к субстрату, как «ключ к замку» в соответствии с рисунком 1.

Рисунок 1 - Строение активного центра фермента

А - присоединение  субстрата к ферменту в активном центре; Б - положение аминокислотных остатков, формирующих активный центр  фермента, в первичной структуре  белка; В - активный центр фермента условно  разделяется на участок связывания и каталитический участок. 

 Это правило  было сформулировано Э. Фишером  в 1894 г. исходя из того, что  специфичность действия фермента  предопределяется строгим соответствием  геометрической структуры субстрата  и активного центра фермента. Фермент соединяется с субстратом  с образованием короткоживущего  фермент-субстратного комплекса  (образования промежуточного комплекса). Однако, хотя эта модель объясняет  высокую специфичность ферментов,  она не объясняет явления стабилизации  переходного состояния, которое  наблюдается на практике. В 50-е  годы нашего столетия это статическое  представление было заменено  гипотезой Д. Кошланда об индуцированном соответствии субстрата и фермента. Сущность ее сводится к тому, что пространственное соответствие структуры субстрата и активного центра фермента создается в момент их взаимодействия друг с другом, что может быть выряжено формулой “перчатка-рука”.

 Ферменты, в основном, — не жесткие, а  гибкие молекулы. Активный центр  фермента может изменить конформацию после связывания субстрата. Боковые группы аминокислот активного центра принимают такое положение, которое позволяет ферменту выполнить свою каталитическую функцию. В некоторых случаях молекула субстрата также меняет конформацию после связывания в активном центре. В отличие от модели «ключ-замок», модель индуцированного соответствия объясняет не только специфичность ферментов, но и стабилизацию переходного состояния.