Ферменты ака энзимы.

Ферменты или энзимы, – сложные белки, биологические катализаторы, ускоряющие химические реакции. Молекулы, на которые могут действовать ферменты, называются субстратами, а новые молекулы, возникающие в результате реакций – продуктами.

Почти все метаболические процессы в клетке нуждаются в ферментативном катализе, чтобы происходить со скоростью, достаточной для поддержания жизни. Ферменты катализируют более 5000 типов биохимических реакций. Некоторые ферменты могут ускорить превращение субстрата в продукт в миллионы раз. Ферменты подобны любому катализатору не потребляются в химических реакциях, а также не изменяют равновесие реакции. Ферменты отличаются от большинства других катализаторов тем, что они более специфичны, т.е. для превращения определенного субстрата требуется определенный фермент.

На активность фермента могут влиять другие молекулы:

ингибиторы – это молекулы, которые снижают активность фермента, и активаторы – это молекулы, которые увеличивают активность.

Название ферментов производят от того вещества (субстрата), которое он разлагает, присоединяя к корню его названия окончание «аза». Например энзим, или фермент, разлагающий мальтозу, называется мальтазой; энзим, разлагающий крахмал, или амилозу, называется амилазой, и т. д.

КФ 1: Оксидоредуктазы, катализируют реакции окисления и восстановления; Перенос атомов или электронов H и O из одного вещества в другое Пример: каталаза, алкогольдегидрогеназа.

КФ 2: Трансферазы, катализирующие перенос функциональной группы из одного вещества в другое.. Среди трансфераз особо выделяют киназы, переносящие фосфатную группу, как правило, с молекулы АТФ.

КФ 3: Гидролазы, катализирующие образование двух продуктов из субстрата гидролизом. Пример: эстеразы, пепсин, трипсин, амилаза, липопротеинлипаза.

КФ 4: Лиазы, катализирующие негидролитическое добавление или удаление групп из субстратов.

КФ 5: Изомеразы, катализирующие внутримолекулярные перегруппировки, т.е. изомеризация изменяется в пределах одной молекулы.

КФ 6: Лигазы, катализирующие объединение двух молекул путем синтеза новых связей C-O, C-S, C-N или C-C с одновременным разложением АТФ. Пример: лигаза

КФ 7: Транслоказы, катализируют движение ионов или молекул через мембраны или их разделение внутри мембран.

История открытия ферментов связана с одним из основных технологических процессов винокурения, – осахаривание крахмала, иначе, как нам сегодня известно, расщепление длинной молекулы полисахарида на фрагменты.

Краткий исторический экскурс от М. Меркера из его книги “Руководство к винокуренному производству” 1904 год

В 1811 году Вокелэн наблюдал, что крахмал при нагревании превращается в вещество, похожее на гумми; в 1812 году Кирхгоф сообщил в журнале Швейгера, что крахмал, при кипячении с разбавленной серной кислотою, переходить в кристаллический сахар, а вслед за тем Фогель наблюдал образование, рядом с сахаром, упомянутого гуммиобразнаго вещества. Наконец, в 1814 году Кирхгоф установил, что подобный процесс вызывается также белковым веществом, содержащимся в хлебных зернах, и что предварительное соложение значительно усиливает эту способность, присущую зернам. Таким образом, мы вправе сказать, что Кирхгоф выяснил основы диастатического процесса.

В 1833 году ученые Bиo и Перэоц исследовали этот белок и дали ему название “диастаз”, а промежуточный продукт, полученный при действии его на крахмал, назвали “декстрином”. То же название дали и продукту воздействия на крахмал разбавленных кислот, в виду его способности отклонять плоскость поляризации луча вправо. Таким образом, действие диастаза или разбавленных кислот на крахмал толковали, как перевод его в декстрин, переходящий далее, путем присоединения воды, в декстрозу, т. е. на декстрин смотрели, как на промежуточный продукт между крахмалом и сахаром; насчет количественного выхода декстрина, однако, мнения резко расходились.
Вскоре против такого объяснения диастатического процесса, как постепенного перехода крахмальной молекулы в сахар, высказался Мускулус, утверждавший, что сущность этого процесса состоит в расщеплении крахмала на сахар и декстрин, которое происходить по равенству:

3C6H1005 + H2 0 = 2C6H1005 + C6H12O6
крахмал, декстрин, декстроза.

Однако, вскоре против этого появились возражения, особенно после того, как Пайэн получил выход сахара в 53%, т. е. значительно больший, чем полагается по этой теории. По мнению Пайэна, при диастатическом процессе образуется смесь, содержащая приблизительно одну треть декстрина и две трети сахара; дальнейший переход декстрина в сахар невозможен, пока образовавшейся сахар остается в неизменном виде, а по удалении его декстрин полностью превращается в сахар.

Геррэн-Варри получил еще большие выходы сахара, а именно—до 86,91%, а Дюбрэнфо далее—90—-95% по весу крахмала. Далее, Шварцер, весьма обстоятельно исследовавший диастатический процесс, пришел к заключению, что выходы сахара значительно разнятся в зависимости от температуры, при которой происходить процесс: ниже 60 С. неизменно получалось из двух частей крахмала (+вода) по 1 части декстрина и сахара, а выше 60° С— значительно меньше сахара, а именно, лишь одна часть сахара на две части декстрина; эти данные Шварцера приводят к неоспоримому заключению, что повышенная температура благоприятствует выходу декстринов и препятствует сахарообразованию. Скоро было доказано, что при диастатическом процессе получаются два, а не одно видоизменение декстрина, из которых одно окрашивается йодом в краснобурый цвет, другое же окрашивания не дает; общепринятое название их: перваго — эритродекстрин, а второго – ахродекстрин, было предложено впервые Брюкке на основании упомянутого отношении их к йоду.

Сегодня известно что процесс осахаривания крахмала происходит благодаря действию ферментов называемых амилолитическими или амилазами, которые содержаться в солоде. Механизм действия этих ферментов в заторе подробно описан в учебнике для ВУЗов “Технология спирта” Д.Н. Климовский, В.А. Смирнов, В.Н. Стабников. 1967 год.

Ферментативный гидролиз, так же как и кислотный, заключается в разрыве глюкозидных связей амилозы и амилопектина и присоединении по месту разрыва молекулы воды. В химическое взаимодействие вступают только активные молекулы, обладающие определенной избыточной энергией по сравнению со средней энергией всех молекул. Эта избыточная энергия называется энергией активации (Е) и выражается в кал/моль.
Молекулы активируются при повышении температуры. Однако в отсутствии катализаторов этот путь малоэффективен; даже при относительно высоких температурах разваривания крахмал гидролизуется незначительно.
Молекулы активируются также при воздействии лучистой энергии определенной частоты и другими способами, но наиболее эффективно — при понижении энергии активации, в чем и состоит суть катализа. Катализаторы не биологической природы снижают энергию активации на 4000—7000, ферменты — на 16000—18000 кал/моль.
Ферменты — это глобулярные белки, для которых характерна не только специфичная последовательность расположения отдельных аминокислот в полипептидной цепи, но и разнообразие химических связей между отдельными звеньями этих цепей, определяющих уникальную для каждого фермента структуру. Многие ферменты двухкомпонентны и состоят из активной простетической группы (агон), вступающей в химическое взаимодействие с субстратом, и белкового носителя (ферон). Типичным, представителем двухкомпонентных ферментов является α-карбоксилаза, катализирующая расщепление пировиноградной кислоты на углекислый газ и уксусный альдегид.

Амилолитические ферменты однокомпонентны, и роль агона в них выполняют отдельные группы белка. Изучение амилаз ячменного солода показало, что α-амилаза обладает свойствами глобулина, а β-амилаза — альбумина. Установлены и некоторые функциональные группы, проявляющие каталитическую активность. В α-амилазе ими являются сульфгидрильные (—SH) группы остатков цистеина, ε-NH2-группы остатков лизина, а в β-амилазе — сульфгидрильные, карбоксильные (—СООН) и имидазольный цикл остатков гистидина. В состав α-амилазы входит кальций.
Механизм ферментативного гидролиза детально не изучен, но известно, что вначале образуется промежуточное соединение, представляющее собой очень лабильный фермент — субстратный комплекс, в результате превращения которого возникают продукты реакции и освобождается фермент для последующих повторяющихся циклов. Образование комплекса амилаза — крахмал происходит, по-видимому, вследствие хемосорбционного взаимодействия нескольких гидрофильных полярных групп (—СООН, —ОН, —СНО, —СО, —NH2, —SH) фермента и субстрата, приводящего к уменьшению поверхностной энергии и деформации в отдельных частях макромолекул амилозы и амилопектина, а в конце-концов к разрыхлению глюкозидных связей. При этом несколько полярных групп удерживают комплекс, а одна или несколько групп фермента участвует в разрыве глюкозидных связей. Согласно Кошлэнду, каталитически активная конформация фермента, т. е. соответствующая ориентация каталитических групп относительно разрываемой связи, индуцируется субстратом.
Образование комплекса происходит значительно быстрее, чем его последующее превращение, поэтому скорость реакции гидролиза крахмала определяется главным образом скоростью этого превращения.

В отличие от кислот амилолитические ферменты действуют на крахмал специфично.
α- и β-амилазы солода действуют только на α-1,4-глюкозидные связи. α-Амилаза разрывает эти связи в любом месте, но преимущественно в середине цепей амилозы и амилопектина, образуя вначале менее вязкие, чем крахмал, декстрины, а затем олигосахариды и даже глюкозу. β-Амилаза отщепляет от амилозы и амилопектина по два остатка глюкозы (мальтозу), причем действует с нередуцирующих концов цепей. Она не может обойти в амилопектине места разветвления молекулы (α-1,6-глюкозидные связи), поэтому прекращает гидролиз на предпоследней α-1.4-глюкозидной связи. Амилоза расщепляется β-амилазой почти полностью, амилопектин —на 50—55% В результате α- и β-амилолиза образуется смесь углеводов состоящая из мальтозы, небольшого количества глюкозы и предельных декстринов, в которых сосредоточены все α-1,6-глюкозидные связи.

В солоде находится третий фермент олиго-1,6-глюкозидаза (декстриназа), разрывающий в предельных декстринах α-1,6-глюкозидную связь. Действие этого фермента изучено недостаточно. В зерновых амилопектинах нет химически связанной фосфорной кислоты, поэтому действие декстриназы направлено непосредственно на α-1,6-глюкозидную связь. В картофельном амилопектине она есть, но какой из гидроксилов остатков глюкозы этерифицирован — окончательно не установлено. Одни исследователи считают, что этерифицирован гидроксил при С1 в конце цепи, другие — при С6, но в обоих случаях остается неясным, какое влияние может оказать фосфорная кислота в этих положениях на действие амилолитических ферментов.
Весьма возможно, что фосфорная кислота в местах ветвления амилопектина образует более сложную связь:

Тогда характер действия декстриназы на картофельный амилопектин будет иным, чем на зерновые амилопектины; по Д. Н. Климовскому и В. И. Родзевич, декстриназа солода относится к типу фосфатаз.
Солод содержит также α-глюкозидазу (мальтазу), фосфорилазу и инвертазу.

Амилолитический комплекс культур плесневых грибов отличается от комплекса солода. В него входят глюкамилаза, α-амилаза, α-глюкозидаза, олиго-1,6-глюкозидаза и изомальтаза.
Глюкамилаза расщепляет α-1,4-глюкозидные связи, начинает свое действие с нередуцирующих концов цепей амилозы и амилопектина, отделяя по одному звену и образуя в качестве единственного продукта глюкозу. По новейшим исследованиям В. И. Родзевич и Г. М. Добролинской, препарат глюкамилазы из Asp. awamori, свободный от трансглюкозилазы, расщепляет также α-1,6-глюкозидные связи в амилопектине и предельных декстринах, гидролизуя крахмал полностью.

Сведения о действии α-амилазы плесневых грибов весьма противоречивы. По мнению одних исследователей, α-амилаза, например, Asp. oryzae образует только мальтозу и конечные декстрины, т.е. ее действие идентично солодовой β-амилазе; по мнению других,— образует смесь углеводов, содержащую декстрины различного молекулярного веса, глюкозу, мальтозу и другие олигосахариды.
Олиго-1,6-глюкозидаза разрывает α-1,6-глюкозидную связь в предельных декстринах, изомальтаза разрывает эту связь только в дисахариде — изомальтозе.

Кроме амилаз для биохимических процессов связанных с винокуреним не меньшее значение имеет действие ферментов дрожжей, например инвертазы ( β-фруктофуранозидазы ) и мальтазы (α-глюкозидазы) с участием которых дисахариды расщепляются до глюкозы которая задействована в процессе спиртового брожения, который в свою очередь так же не обходится без соответствующих ферментов.

Фермент глюкозидаза превращает сахарную мальтозу в два сахара глюкозы . Остатки активного центра – в красном, мальтозный субстрат – в черном, а кофактор NAD – в желтом. ( PDB : 1OBB )
Thomas Shafee [CC BY-SA]

Полнота превращений и скорость реакций происходящих при участии ферментов выступающих в качестве катализаторов зависит от многих факторов в том числе от концентрации субстрата и продуктов, температуры среды ее pH, и др. Созданию оптимальных условий в которых реакции протекают максимально быстро и полно будут посвящены статьи рассказывающие о конкретных приемах позволяющих на практике добиваться максимально возможных выходов продукта заданного качественного состава.

H₂O

Международная классификация энзимов по КФ, EC — Enzyme Comission code

Превращение крахмала в сахар. 1811 – 1814 годы.

Диасатаз и декстрин. 1833 год.

Борьба за выход. 1833 год.

Установлена связь между выходом и температурой осахаривания. Йодная проба. 1870 год.

Ферментативный гидролиз крахмала.

Амилолитические ферменты однокомпонентны .

Действие амилаз солода .

Действие амилаз культур плесневых грибов .

Post Author: Andrey