11244 (Белки и ферменты), страница 2

В 1814г русский химик Кирхгоф открыл ферментативное действие водных вытяжек из проросшего ячменя, расщеплявших крахмал до сахара. Можно считать, что эти работы положили начало ферментологии, как самостоятельному разделу биологической химии. В 1833г французскими химиками Пайеном и Персо впервые был выделен из солода препарат фермента амилазы, что способствовало развитию препаративной химии ферментов. В середине 19 века разгорелась дискуссия о природе брожения. Пастер говорил о том, что брожение вызывается лишь живыми микроорганизмами и что процесс их брожения неразрывно связан с их жизнедеятельностью. Либих и его сторонники отстаивали химическую природу брожения и считали, что оно является следствием образования в клетках микроорганизмов растворимых ферментов. Однако все попытки выделить из дрожжевых клеток растворимый фермент, способный вызвать брожение, не удавались. Эта дискуссия была разрешена в 1897г Бухнером, который, растирая дрожжи с инфузорной землей, выделил из них бесклеточный растворимый ферментный препарат, вызывавший спиртовое брожение. Открытие Бунхера утвердило материалистическое понимание природы брожения и имело большое значение для развития, как ферментологии, так и всей биохимии.

С середины 20 века благодаря развитию методов физико-химического анализа и методов белковой химии расшифрована первичная структура многих ферментов. Так, работами американских биохимиков Мура, Стайна, Анфинсена показано, что фермент рибонуклеаза из поджелудочной железы быка представляет собой полипептидную цепочку, состоящую из 124 аминокислотных остатков, соединенных в 4 местах дисульфидными связями.

С помощью рентгеноструктурного анализа расшифрована вторичная и третичная структура ряда ферментов. Так, методом рентгеноструктурного анализа английский ученый Филипс в 1965 установил трехмерную структуру лизоцима. Показано, что многие ферменты обладают также четвертичной структурой, то есть их молекула состоит из нескольких идентичных или различных по составу и структуре белковых субъединиц.

Общая характеристика ферментов:

Все ферменты разделяются на две большие группы:

• Однокомпонентные, то есть состоящие исключительно из белка

• Двухкомпонентные, состоящие из белка, называемым апоферментом (или белковых носителей), и небелковой части, называемой простетической группой (или активной группой).

Благодаря работам Варбурга, Теореля, Линена, Липмана и Лелуара установлено, что простетические группы многих ферментов представляют собой производные витаминов и нуклеотидов. Таким образом была открыта важнейшая функциональная связь между ферментами, витаминами и нуклеотидами, являющимися строительными «кирпичиками» нуклеиновых кислот.

Многие ферменты содержат металлы, без которых фермент не активен. Эти металлы, называют кофакторами. Так, пероксидаза и каталаза содержат железо, аскорбинатоксидаза, катализирующая окисление аскорбиновой кислоты, - медь, алкогольдегидрогенеаза, окисляющая спирты и соответствующие альдегиды, - цинк.

Условия действия ферментов:

Действие ферментов зависит от ряда факторов, прежде всего от температуры и реакции среды (pH). Оптимальная температура, при которой активность ферментов наиболее высока, находится обычно в пределах 40 – 50˚С. При более низких температурах скорость ферментативных реакций снижается, а при температурах близких к 0˚С практически полностью прекращается. При повышении температуры, скорость также снижается и, наконец, полностью прекращается. Снижение интенсивности ферментов при повышении температуры, объясняется главным образом разрушением входящего в состав фермента белка. Поскольку белки в сухом состоянии денатурируются значительно медленнее, чем оводненные (в виде белкового геля или раствора), инактивирование ферментов в сухом состоянии происходит гораздо медленнее, чем в присутствии влаги. Поэтому сухие споры бактерий или сухие семена могут выдержать нагревание до гораздо более высоких температур, чем семена и споры более увлажненные.

Важным фактором, от которого зависит действие ферментов, как установил впервые Сёренсен является активная реакция среды – pH. Отдельные ферменты различаются по оптимальной для их действия величине pH. Так, например пепсин, содержащийся в желудочном соке, наиболее активен в сильнокислой среде

(pH 1 – 2);трипсин – протеолитический фермент , выделяемый поджелудочной железой, имеет оптимум действия в слабощелочной среде (pH 8 – 9); папаин, фермент растительного происхождения, оптимально действует в слабокислой среде

(pH 5 – 6).

Действие ферментов также зависит от присутствия специфических активаторов или ингибиторов. Так фермент поджелудочной железы энтерокиназа превращает неактивный трипсиноген в активный трипсин. Подобные неактивные ферменты, содержащиеся в клетках и в секретах различных желез, называются проферментами. Фермент может быть конкурентным и неконкурентным. При конкурентном ингибировании ингибитор и субстрат конкурируют между собой, стремясь вытеснить один другого из фермент – субстратного комплекса. Действие конкурентного ингибитора снимается высокими концентрациями субстрата, в то время как действие неконкурентного ингибитора в этих условиях сохраняется. Действие на фермент специфических активаторов и ингибиторов имеет большое значение для регулирования ферментативных процессов в организме.

Классификация и номенклатура ферментов:

По рекомендации Международного биохимического союза ферменты разделяют на 6 классов:

1. оксидоредуктазы: включает в себя ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции, и разделяется на 14 подклассов в зависимости от природы той группы в молекуле субстрата, которая подвергается окислению.

2. трансферазы: объединяет ферменты, катализирующие реакции переноса групп, подразделяется на 8 подклассов в зависимости от природы переносимых групп, которыми могут быть одноуглеродные или гликозильные остатки, азотистые или содержащие серу группы и т.д.

3. гидролазы: принадлежат ферменты, катализирующие гидролитическое расщепление различных соединений.

4. лиазы: отщепляющие от субстрата ту или иную группу с образованием двойной связи или, наоборот присоединяющие группы к двойным связям. Имеют 5 подклассов.

5. изомеразы: катализирующие реакции изомеризации, разделяют на 5 подклассов, в зависимости от типа катализируемой реакции.

6. лигазы (синтетазы): ферменты, которые катализируют соединение двух молекул, сопряженное с расщеплением пирофосфатной связи в молекуле аденозинтрифосфорной кислоты.

Практическое значение ферментов:

Ферментативные процессы являются основой многих производств: хлебопечения, виноделия, пивоваренная, сыроделия, производства спирта, чая, уксуса. С начала 20 века по предложению японского ученого Такамине в спиртовой и других отраслях промышленности началось применение ферментных препаратов, получаемых из плесневых грибов или бактерий. В ряде стран этот способ широко используется для осахаривания, с помощью амилаз крахмалистого сырья с целью получения кристаллической глюкозы или его сбраживания на спирт. Концентрированные амилолитические препараты ферментов из плесневых грибов при добавке в тесто приводят к улучшению качества хлеба и ускорению технологического процесса. Препараты протеолитических ферментов, получаемых из микроорганизмов, применяются в кожевенной промышленности для удаления волос и смягчения сырья, а в сыродельной промышленности для замены дефицитного сычужного фермента (ренина). Препараты микробных пектологических ферментов широко используют при производстве соков (выход сока повышается на 10 – 20%).

Заключение

Изучение ферментов и белков, ферментов и ферментативных процессов позволит в дальнейшем расширить сферу их применения и откроет дополнительные возможности, а в дальнейшем, возможно, поможет избавиться от многих болезней и разгадать сложнейшую машину, придуманную природой – человеческий организм.

Список использованной литературы

1. Большая советская энциклопедия, т.27

2. Общая биология, учебник для 10 – 11 классов под ред. Беляева, М., Просвещение, 2002г.

3. Ферментные препараты в пищевой промышленности. М., 1975