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.

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