Учеба  ->  Универсальное  | Автор: Никита Сидоренко | Добавлено: 2014-11-21

Все о ферментах

Учение о ферментах выделено в самостоятельную науку – энзимологию. Термин «энзим» , так же как «фермент» , означает процесс, связанный с выделением газов, брожением.

Энзимология решает две главные неразрывно связанные между собой проблемы, касающиеся с одной стороны, структурной молекулярной организацией ферментов, с другой – природы химических взаимодействий, лежащих в основе ферментативного катализа. Изучение ферментов имеет огромное значение для любой фундаментальной и прикладной области биологии, а также для многих практических отраслей химической, пищевой, фармацевтической индустрии, занятых приготовлением катализаторов, антибиотиков, витаминов и многих других биологически активных веществ, используемых в медицине и хозяйстве.

Краткая история развития учения о ферментах

Явление брожения и переваривания известно с незапамятных времен. Но первое научное представление относится к первой половине XIX века, в 1814 г. петербургский ученый К.С. Кирхгоф показал, что не только проросшие семена ячменя, но и экстракты из солода способны осахаривать крахмал до мальтозы. Это вещество получило название амилазы.

Ю. Либих и Ф. Велер открыли амигдамин, содержащийся в эфирном масле горького миндаля. Затем были открыты другие ферменты: пепсин, трипсин, которые вызывают гидролиз белков в желудочно-кишечном тракте.

Значительный вклад в ферментологию или энзимологию внесли как отечественные ученые , так и зарубежные .

Наибольшее внимание исследователей привлекали процессы окисления в организме. В организме в процессе превращения глюкозы до СО2 и Н2О последовательно участвует около 15 различных ферментов. Биологические катализаторы не вызывают каких-либо побочных реакций.

Современные направления исследования энзимологии.

  • Исследование молекулярного действия механизма действия и принципы работы ферментов. Разработка теории ферментативного катализа. Изучение ферментов в соответствии с законами классической органической химии.
  • Изучение ферментов на более высоких уровнях , но несколько отдельных ферментов, сколько ферментных комплексов сложных систем.
  • Исследование механизмов регуляции активности и синтеза ферментов.
  • Создание искусственных низкомолекулярных ферментов .
  • Исследование в области инженерной энзимологии , создание «гибридных» катализаторов, сочетающих свойства ферментов, антител, рецепторов, ценных для медицины и народного хозяйства.

Химическая природа ферментов

Ферменты имеют белковую природу – это неопровержимые данные.

В 1926 г. Р. Вальштеттер отрицал принадлежность ферментов к белкам или к какому либо известному классу органических веществ. Поводом для сомнений явились опыты, в которых, хотя и были получены ферментативно-активные растворы, но белок не обнаруживался при помощи качественных цветных реакций. Объясняется это тем, что концентрация фермента при высокой удельной активности оказывается ниже пороговой чувствительности химического теста на белок.

О белковой природе ферментов говорит факт потери активности ферментов брожения при кипячении, установленный ещё Л. Пастером. При кипячении наступает необратимая денатурация белка-фермента. Они теряют свои биологические свойства – антигенные, гормональные, каталитические. Под влиянием различных физических и химических факторов происходит денатурация ферментов как и белков.

Строение и классификация ферментов

В зависимости от химической природы ферменты делятся на простые и сложные :

Для ферментов характерно наличие активного центра .

Активный центр фермента – уникальная комбинация аминокислотных остатков, обеспечивающая непосредственно взаимодействие с молекулой субстрата и прямое участие в акте катализа. У сложных ферментов в состав активного центра входит и простатическая группа.

В 1961 г. специальной комиссией Международного биохимического союза была предложена номенклатура ферментов. Согласно этой номенклатуре ферменты поделены на шесть групп в соответствии с общим типом реакции, которую они катализируют . В свою очередь, каждый класс подразделяется на подклассы и подподклассы.

Механизм действия ферментов

Механизм каталитического действия ферментов является слитным. Слитный механизм каталитического действия заключается в том, что переход от исходных веществ к продуктам переходит постепенно через образование активированных комплексов с участием катализатора, которые невозможно выделить в свободном состоянии, но иногда можно зафиксировать с помощью физических методов исследования.

Свойства ферментов

Ферменты обладают свойствами, отличными от неорганических катализаторов. См. табл. 2 «Различия между неорганическими катализаторами и ферментами»

Активность ферментов.

Под активностью ферментов понимают начальную скорость химической реакции, катализируемой ферментами, например в мкмолях превращающегося субстрата в 1 мин или мкмолях образующегося продукта в 1 мин.

В настоящее время используют две единицы ферментативной активности:

a) Стандартная единица U

b) Катал .

Единица активности фермента – это такое его количество, которое при определенных условиях катализирует превращение 1 мкмоль субстрата в 1 мин, или если атаке подвергается более, чем одна связь в молекуле субстрата, 1мкэкв в 1 мин.

1 катал – это такая каталитическая активность, которая увеличивает скорость реакции на 1 моль/с в определенной тест-системе.

В обоих случаях оговариваются условия, т.е. температура, рН, концентрация субстрата.

Удельная активность в первых двух случаях выражается соответственно мкмоль/мин*мг или ед. акт/мг. Если ферментативная активность выражается в каталах, удельная активность должна быть представлена в кат/кг.

1мкмоль/мин = 1 ед. акт. = 16,67 мкат.

Факторы, влияющие на активность ферментов.

Т.е. факторы, определяющие скорость реакций, катализируемых ферментами.

Со временем скорость реакции уменьшается. Это может быть объяснено угнетающим действием на фермент продуктов реакции, уменьшение количества субстрата, инактивацией фермента, влиянием скорости обратной реакции, которая может оказаться существенной по мере накопления продуктов реакции. Поэтому, учитывая эти обстоятельства при исследовании скорости химических реакций в тканях, биологических жидкостях, определяют начальную скорость реакции.

Влияние концентрации субстрата

При постоянной концентрации фермента скорость реакции постепенно увеличивается, достигает определенного максимума. Дальнейшее повышение концентрации субстрата практически не влияет на скорость. В этих случаях принято считать, что субстрат находится в избытке, и фермент полностью насыщен.

Скорость любой ферментативной реакции зависит от концентрации фермента. Скорость реакции прямо пропорциональна количеству фермента.

Активирование и ингибирование ферментов

Активаторы повышают активность фермента. Соляная кислота активирует действие пепсина; желчные кислоты – панкреатической липазы. Активатором может быть витамин С. Особенно часто активатором могут являться ионы двухвалентных металлов:

Анионы при физиологических концентрациях оказывают небольшое активирующее действие на ферменты. Исключение составляет пепсин, некоторые оксидоредуктазы, активизируемые анионами, а также амилаза слюны, катализирующая гидролиз крахмала, активность которой повышается при действии ионов хлора Cl-, аденилатциклаза, которая активируется анионами галогенов.

Ингибиторы

Вещества, вызывающие частичное торможение или полное торможение реакции.

Ферменты имеют белковую природу, поэтому любые агенты, вызывающие денатурацию белка , приводят к инактивации ферментов.

Термолабильность.

Термолабильность – это чувствительность к изменению температуры. Однако вследствие белковой природы тепловая денатурация фермента уменьшает эффективную денатурацию фермента.

Обычно в температурном интервале 40 – 50 ºC скорость ферментативных реакций максимальна. Выше 50 ºC скорость снижается, т.к. начинает сказываться денатурация. При температуре 100 ºC почти все ферменты утрачивают свою активность. Оптимальной температурой для действия фермента животного происхождения является tº= 37 – 40 ºC. При 0 ºC оптимальная активность ферментов падает почти до 0, но фермент при этом не разрушается. На Термолабильность оказывает влияние концентрация субстрата, рН-среда и другие факторы.

Зависимость от рН-среды.

Как показывают литературные данные, рН-оптимум действия фермента лежит в пределах физиологических значений. Исключение составляет пепсин. рН-оптимум равен 2,0 , это связано с тем, что он входит в состав желудочного сока, где есть свободная соляная кислота.

рН-оптимум аргиназы лежит в сильно щелочной среде , в клетках печени такой среды нет, поэтому in vivo аргиназа функционирует не в своей оптимальной среде. «Оптимальное значение рН-среды для ферментов».

Специфичность ферментов.

Ферменты обладают высокой специфичностью. Это свойство существенно отличает их от неорганических катализаторов. Так мелко измельченная платина и палладий могут катализировать восстановление с участием молекулярного водорода десятки тысяч химических соединений различной структуры. Высокая специфичность фермента обусловлена конформационной и электростатической комплементарностью между молекулами субстрата и фермента, уникальной структурой его активного центра фермента, который обеспечивает «узнавание», высокое сродство и избирательность протекания какой-либо одной реакции из тысяч других реакций, осуществляющихся в живых клетках. Учитывая высокую специфичность ферментов, ещё в начале XX века была выдвинута гипотеза «ключа и замка», т.е. точного соответствия молекул фермента и субстрата . Однако фермент и субстрат – это гибкие структуры, а «ключ-замок» предполагает жесткость структуры, поэтому гипотеза неточно отражала действие ферментов. В середине XX века была высказана мысль о динамическом влиянии между ферментом и субстратом. Эту идею назвали гипотезой индивидуального соответствия. Ее называют «рука-перчатка».

Пепсин расщепляет белки животного и растительного происхождения, которые могут отличаться по аминокислотному составу, физико-химическим свойствам. Пепсин не расщепляет жиры, углеводы. Место его действия – пептидные связи −CO−NH− .

Местом действия для липазы, катализирующей гидролиз жиров до глицерина и высших карбоновых кислот, является сложно эфирная связь.

Аналогичной групповой специфичностью обладают трипсин, химотрипсин, пептидаза, ферменты, которые гидролизируют α-гликозидные связи в полисахаридах.

Имеются экспериментальные данные о стереохимической специфичности, обусловленных существованием оптически изомерных L- и D-форм или геометрических изомеров химических веществ.

Фумараза действует на фумаровую кислоту. Однако не действует на малеиновую.

Таким образом, благодаря специфичности действия ферменты обеспечивают протекание с высокой скоростью лишь определенных реакций из огромного разнообразия возможных превращений в микропространстве клеток и целостном организме, регулируя тем самым обмен веществ.

Химико-биологическая характеристика фермента амилазы.

Амилазы - ферменты класса гидролаз, катализирующие гидролиз крахмала, гликогена и других родственных олиго- и полисахаридов, главным образом, по 1,4глюкозидной связи. Различают несколько типов амилаз:

  • α-Амилаза участвует в гидролизе cахаров, содержащих подряд три или более остатков глюкозы. Расщепление связей может происходить между любыми остатками глюкозы, причем остатки моносахаридов в месте разрыва имеют конфигурацию мономеров. Α-Амилаза превращает амилозу крахмала в глюкозу и мальтозу. Находящийся в крахмале амилопектин, содержащий в молекуле 1,6 связи, полностью не гидролизуется – остается разветвленный полисахарид, т. наз. «остаточный декстрин». Α-Амилаза обладает слабокислыми свойствами. Ионы Са2+ и Cl- активируют ее. Присутствует во всех тканях животных и растений, а также в микроорганизмах. По каталитической активности ферменты из разных источников значительно отличаются друг от друга. Α-Амилаза слюны, поджелудочной железы и слизистой кишечника участвуют в переваривании пищи, α-Амилаза печени расщепляет гликоген.
  • β-Амилаза последовательно отщепляет остатки мальтозы от невосстанавливающего конца цепи полисахаридов. Под действием β-Амилазы из амилозы образуется мальтоза, а из амилопектина также "остаточный декстрин". Содержится β-Амилаза в солоде.
  • γ-Амилаза последовательно отщепляет концевые остатки альфа-D-глюкозы от невосстанавливающих концов цепей полисахаридов с образованием бета-D-глюкозы. Способна также расщеплять 1,6 альфа-связь, если следующие за ней моносахариды соединены в положениях 1 и 4. Содержится в плесневых грибах.

Амилазы применяются в пивоваренной, текстильной промышленности, в хлебопекарном производстве. Например, α-амилаза используется в пивоварении для осахаривания содержащегося в солоде крахмала, γ-Амилаза используется для производства глюкозы.

Комментарии


Войти или Зарегистрироваться (чтобы оставлять отзывы)