Класифікація і номенклатура ферментів

Спочатку назву ферментам давали за випадковими ознаками (тривіальна но­менклатура), за назвою субстрату (раціональна), і за хімічним складом ферменту І в останній час за типом реакцій', яку вони каталізують і характером субстрату.

Наприклад, за тривіальної номенклатури деякі ферменти мали такі назви: пе­псин (від грец. пепсис - шлункове травлення), трипсин (від грец. трипсис - розрі­джую) і папаїн (від назви дерева із соку якого він виділений), Усі ці ферменти є протеолітичними, тобто каталізують гідроліз протеїнів (білків).

Назви багатьох ферментів утворені із назви субстрату з добавкою суфікса -аза. Так, фермент, який прискорює реакцію гідролізу крохмалю, має назву амілаза (від грец. амилон - крохмаль), гідролаза жирів - ліпаза (від грец. ліпос - жир), протеї­нів - протеаза, сечовини - уреаза (від грец. уреа - сечовина), фосфатаза - каталізує гідроліз ефірів фосфорної кислоти та ін.

Зустрічаються також назви ферментів, які вказують на характер субстрату і на тип реакції, що каталізується. Наприклад, сукциндегідрогеназа, фермент, що відні­має два атоми водню від молекули янтарної кислоти:

Комісія з ферментів Міжнародного біохімічного союзу в 1961 р. розробила нову систематичну класифікацію і номенклатуру реакцій, які каталізуються ферме­нтами.

В основу класифікації ферментів покладений тип реакції, яку вони каталізу­ють. За сучасною класифікацією всі ферменти поділяють на шість основних кла­сів: 1) оксидоредуктази; 2) трансферази; 3) гідролази; 4) ліази; 5) ізомерази; 6) ліга-зи (синтетази).

Відповідно до наукової номенклатури (1961 р.) назва ферменту складається із хімічної назви субстрату і назви тієї реакції, яка каталізується ферментом. Так, уре­аза (тривіальна назва), яка прискорює реакцію гідролізу карбаміду на діоксид вуг­лецю й аміак, за науковою номенклатурою називається карбамідамідогїдролазою:

У цій назві є хімічне найменування субстрату і вказано, що фермент каталізує реакцію гідролізу амідогрупи.

За цим принципом трагелаза має назву трегалоза - 1 - глюкогідролаза.

Нова номенклатура допускає збереження поряд з новими старих робочих назв ферментів. Систематичні назви ферментів використовують тоді, коли потрібна то­чна ідентифікація ферменту: в наукових статтях, в оглядах і рефератах, у різних покажчиках. Більшість систематичних назв громіздка і тому Міжнародною комісі­єю складений детальний список усіх відомих ферментів, де поряд з новою система­тичною назвою кожного ферменту присвоєну стару, а також вказаний хімізм ката­лізованої реакції і в деяких випадках природа ферменту. Цим самим виключається можливість плутанини у назві ферментів,

Кожний фермент має у списку свій ідентифікаційний номер (шифр) і система­тичну назву, яка вказує на природу хімічної реакції, яку каталізує даний фермент.

У наукових публікаціях прийнято при першому згадуванні ферменту вказува­ти в дужках його шифр. Наприклад, шифр уреази пишуть цифрами 3.5.1.5. Шифр абсолютно точно вказує місце ферменту в загальному списку.

Для прикладу наведено ключ до класифікації найбільш поширених ферментів -гідролаз (назву класів, кодові номери та типи реакцій, які каталізуються):

3. ГІдролази (реакції гідролізу).

3.1. Діють на складні ефірні зв'язки.

3.2. Діють на глікозидні зв'язки.

3.3. Діють на пептидні зв'язки.

3.4. Діють на С - N - зв'язки, які відрізняються від пептидних зв'язків.

3.5. Діють на кислотноангідрідні зв'язки.

Кожний клас ферментів підрозділяється на підкласи і підпідкласи в залежнос­ті від природи індивідуальних перетворень.

Перше число шифру ферменту показує, до якого із шести класів належить фермент; друге і третє вказують підклас і підпідклас відповідно; четверте число -

порядковий номер ферменту в даному підпідкласі. Такий спосіб класифікації ілюст­рує табл. 4.2. (із списку ферментів, який опублікований Комісією з ферментів Між­народного біохімічного союзу).

Табл. 4.2 Приклад класифікації і номенклатури реакцій, які каталізуються ферментами

Номер (шифр)	Систематична назва	Тривіальна назва	Реакція
1 . Оксидоредуктази 1.1. Діють на СН - ОН - групу донорів 1.1.1. Акцептором є НАД або Н АДФ
1.1.1.1.	Алкоголь: НАД-оксидоредуктаза	Алкогольдегідрогеназа	Алкоголь+ НАД=Альдегід або кетон+ відновлений НАД
3. Гідролази 3.5. Діють на С - N - зв'язки, які відрізняються від пептидних зв'язків 3.5.1. В лінійних амідах
3.5.1.5.	Карбамід- амідогідролаза	Уреаза

Оксидоредуктази

До класу оксидоредуктаз належать ферменти, які каталізують окисно-віднов­ні реакції. У них проходить перенос електронів або атомів водню від молекули, яка окислюється (донора) до молекули, яка відновлюється (акцептора). До оксидореду­ктаз належать ферменти з тривіальними назвами дегідрогеназ, редуктаз, оксидаз, пероксидаз, оксигеназ, гідроксилаз, каталази та ін.

Характерними особливостями дії оксидоредуктаз є такі: перша полягає в тому, що вони утворюють системи (так звані ланцюги окисно-відновних ферментів), у яких здійснюється багатоступеневий перенос атомів водню або електронів від пер­винного субстрату до кінцевого акцептора, яким є, як правило, кисень. У результаті атоми водню переносяться на кисень і утворюється вода. Ті оксидоредуктази, які переносять водень або електрони безпосередньо на атоми кисню, називаються ае­робні дегідрогенази, або оксидази. Із них важливе значення мають глюкозооксидаза і поліфенолоксидаза. На відміну від них, анаеробні дегідрогенази переносять ато­ми водню й електрони від одного компонента окислювального ланцюга ферментів до іншого без передачі їх на кисневі атоми.

Друга особливість оксидоредуктаз полягає в тому, що вони є двокомпонент­ними ферментами з дуже обмеженим набором активних груп (коферментів), але

здатні прискорювати багато різноманітних окисно-відновних реакцій. Це досяга­ється за рахунок того, що один і той же кофермент здатний з'єднуватися з багатьма апоферментами.

Третя особливість оксидоредуктаз як особливого класу ферментів полягає в тому, що вони прискорюють хімічні реакції, пов'язані з вивільненням енергії, яка використовується для біохімічних процесів.

Відомо більше двохсот індивідуальних оксидоредуктаз. Найбільш поширені оксидоредуктази, які мають у своєму складі в якості активної групи нікотинаміда-деніндикуклеотид (НАД) або нікотинамідаденіндинуклеотидфосфат (НАДФ). Утво­рений фермент-протеїд здатний віднімати від субстратів (спиртів, альдегідів, дика-рбонових і кетокислот та ін.) атоми водню, окислюючи таким чином названі сполу­ки. Такі фермент-протеїди (піридинпротеїди) є анаеробними дегідрогеназами.

Розглянемо механізм дії одного із піридинпротеїдів - алкогольдегідрогенази. Він складається з двох субодиниць, кожна із яких має молекулу НАД і атом цинку. У процесі відняття атому водню від спирту утворюється потрійний апофермент -кофермент-субстратний комплекс, який утримується атомом цинку. Безпосередньо від молекули спирту до НАД переходить один атом водню H⁺. Другий атом вод­ню, який віднімається від молекули спирту, втрачає електрон і перетворюється в протон ( ) і поступає в реакційне середовище. Рівняння реакції окислення спирту з участю НАД має такий вигляд -

Найбільш складний і найпоширеніший варіант окислювально-відновлюваль-ного процесу в клітині полягає в окисленні атомів водню, які зняті з субстрату пе­рвинними дегідрогеназами з участю цитохромної системи. Цитохромну систему утворюють декілька оксидоредуктаз, які мають в якості простетичних груп залізо-порфірини. З'єднуючись з білками різної побудови, залізопорфірини 4 типів дають початок родині хромопротеїдів, які об'єднують загальною назвою - цитохроми. Ві­домо декілька десятків цитохромів. Вони є переносниками електронів.

Оксидоредуктази окислюють спирти до відповідних альдегідів, альдегідів або кетонів - до кислот, відщеплюють атоми водню від - груп з утворенням

подвійного зв'язку, окислюють групи або . До них належать ката-

лаза, яка розкладає перекис водню, і піроксидаза, яка окислює за допомогою поліфеноли.

Трансферази

Ці ферменти прискорюють реакції переносу атомних груп і молекулярних за­лишків від одних сполук до інших. У цей клас входять більше 200 індивідуальних ферментів. У залежності від тих груп, які переносяться, розрізняють фосфотранс-ферази, амінотрансферази, глікозилтрансферази, трансферази, метилтрансферази та ін. До цього класу ферментів належать також фосфорилази, пірофосфорилази, кінази. Трансферази каталізують реакції переносу метильних, альдегідних або ке-тонних, ацильних, алкільних і глікозильних залишків, аміногруп, а також залишків фосфорної кислоти і сульфатної групи від однієї молекули до іншої.

Фосфотрансферази, які прискорюють реакцію переносу залишку фосфорної кислоти, мають виключно важливе значення для життєдіяльності організмів, бо вони забезпечують перетворення органічних сполук у фосфорні ефіри, які більш легко вступають у наступні реакції.

Трансферази беруть участь у багатьох реакціях обміну речовин.

Гідролази

До складу гідролаз відносять ферменти, які прискорюють реакції гідролізу -розщеплення складних органічних сполук за участю води, її приєднанням (катабо­лізм) або виділенням. Ферментативне розщеплення вуглеводів, білків, жирів про­ходить через ряд послідовних реакцій, які називають катаболітичним шляхом. Ка­таболізм супроводжується виділенням вільної енергії із складних органічних моле­кул, яка запасається у формі енергії фосфатних зв'язків АТФ.

Катаболізм і анаболізм проходять у клітинах одночасно, це дві сторони одного процесу - обміну речовин.

До гідролаз належать амілази, протеази, целюлази і геміцелюлази, пектинази, амідази, естерази, карбогідази, -галактозидиза, -галактозидаза, -фруктофура-нозидаза та ін.

Важливе виробниче значення мають амілази - ферменти, які каталізують гід­роліз крохмалю. Ці гідролази ще називають глікозидазами, бо вони беруть участь у розщепленні глікозидних зв'язків поліцукридів.

-аміліза (К.Ф.З.2.1.1., -1,4 -глюкан -4 глюканогідролаза) каталізує розрив -1,4 -глюкозидних зв'язків в амілозі й амілопектині. Утворені декстрини є порів­няно низькомолекулярними декстринами (5-8 глюкозних залишків). Це зумовлено тим, що фермент не діє на - 1,6 - глюкозидні зв'язки в місцях розгалуження аміло­пектину. У результаті дії -амілази на амілозу й амілопектин утворюються низько­молекулярні декстрини, які не забарвлюються йодом, і невелика кількість олігоцу­кридів, мальтози і глюкози. У зв'язку з характером дії, - амілазу називають дек-стриногенною або ендогенною амілазою.

Дія - амілази на амілозу призводить до швидкого зменшення в'язкості середовища І збільшенню відновлювальної здатності.

- Амілаза (К.Ф. 3.2.1.2, - 1,4 - глюкан-мальтогідролаза) гідролізує -1,4 -глюкозидні зв'язки з нередукуючих кінців ланцюга амілози й амілопектину, послі-

довно відщеплюючи молекули мальтози. Амілоза цим ферментом повністю розще­плюється до мальтози, амілопектин - на 50 - 55%.

- амілази не гідролізують -1,6 -глюкозидні зв'язки в амілопектині. При їх спільній дії на крохмаль залишаються розгалужені декстрини з 5-8 глюкозидни-ми залишками, які називають граничними декстринами. У них зосереджені всі 1,6 - глюгозидні зв'язки крохмалю.

В амілазах мікробного походження - амілаза відсутня , разом з тим - аміла­за мікроміцетів і бактерій сприяє утворенню уже на початку гідролізу значної кіль­кості глюкози і мальтози.

Оліго - 1,6-глюкозидаза {КФ 3.2.1.10; декстрин - 6 - глкжаногідролаза; дек-стриназа) присутня в солоді, каталізує розщеплення -1,6 - глюкозидних зв'язків в кінцевих декстринах, пентозах, ізомальтозі. Особливо велика кількість цих ферме­нтів накопичується в просяному солоді.

Глюкоамілаза (КФ 3.2.1.3; - 1,4 - глюкан - глюкогідролаза; синонім - амілог-люкозидаза) містяться в мікроорганізмах, каталізує розрив -1,4 – і -1,6- глюкози­дних зв'язків у крохмалі. Від нередукуючих кінців амілози й амілопектину послі­довно відщеплюються по одному глюкозидному залишку, тобто глюкоза. Під дією цього ферменту крохмаль може гідролізуватися повністю.

Целюлаза (КФ 3.2.1.4; -1,4 - глюкан - 4 глюканогідролаза каталізує розщеп­лення - глюкозидних зв'язків у целюлозі до целодекстринів і целобіози.

Геміцелюлаза. Під цією назвою об'єднані ферменти, які каталізують розщеп­лення геміцелюлоз з утворенням різних моноцукридів і уронових кислот. Ксилана-за (КФ 3.2.1.8; ксилан- 4 - ксиланогідролаза) розщеплює ксилан до ксилози.

Протеїназа (3.4.4; пептидилпептидгідролаза, пептидгідролаза, або протеаза, протеолітичні ферменти) каталізує гідролітичне розщеплення білків І поліпептидів, тобто розрив зв'язків , До цієї групи ферментів належать пепсин (3.4.4.1),

трипсин (3.4.4.4), папаїн (3.4.4.10). Кінцевий продукт гідролізу-амінокислоти.

Пектинази. Ця група ферментів каталізує процеси розщеплення складних пектинових речовин. Найбільш вивчені два види пектолітичних ферментів; пекти-нестераза І полігалактуроназа.

Пектинестераза (КФ 3.1.1.11; пектин - пектилгідролаза) гідролізує метоксиль-ні групи молекули розчинного пектину. У результаті розщеплення складное-

фірних зв'язків утворюється полігалактуронова кислота і метиловий спирт. Діє та­кож на нативний пектин,

Полігалактуроназа (КФ 3.2.1.15; полі- -1,4 -галактуронід - гліканогідрола-за) каталізує гідроліз - -1,4 -Д -галактуронідні звязки в пектинах та інших поліга-лактуронидах з утворенням вільних - галактуронових кислот.

У склад пектолітичного комплексу входять й інші ферменти, детально не вивчені.

Інвертаза (КФ 3.2.1.26; -Д-глюкуронид-глюкуроногідролаза; -фруктофура-нозидиза; сахараза) каталізує гідроліз цукрози до глюкози і фруктози.

Дезамідази (3.5) утворюють групу гідролаз, які каталізують гідроліз лінійних або циклічних амідів (амідогідролази або амідази) і деяких інших ферментів, які роз-

щеплюють звязки Із амідаз найбільше розповсюдження має аспарагіиаза (КФ

3.5.1.1; -глютамін-амідогідролаза). У результаті гідролізу цими ферментами ліній­них амідів виділяється аміак і відповідні амінокислоти. Уреаза каталізує розпад сечо­вини (карбаміду) на аміак і вугільну кислоту. До лінійних амідіназ (3.5.3) відносить­ся аргіназа ( -аргінін-урогідролаза), що каталізує гідролітичне розщеплення аргініну до орнітину і сечовини. До циклічних амідиназ (3.5.4) відносяться цитозин - дезамі­наза, аденін-дезаміназа, аденозин-дезаміназа, АМФ-дезаміназа. Вони каталізують гі­дроліз (дезамінування) піридинових або пуринових основ, також нуклеотидів.

Пірофосфатази (3.6) каталізують розщеплення ангідридного зв'язку, напри­клад зв'язки фосфорної кислоти. До них належать неорганічна пірофосфатаза (3.6.1.1), аденозинтрифосфатаза або АТФ-аза (3.6.1.3), яка звільнює із молекули АТФ кінцевий залишок фосфорної кислоти з утворенням АДФ.

Ліази каталізують негідролітичне (безпосереднє) розщеплення субстратів на декілька компонентів. При зворотній реакції з окремих компонентів утворюється речовина. Ліази поділяють на п'ять підкласів. Карбоксиліази (карбоксилази і дика-рбоксілази) каталізують відщеплення або фіксацію із молекул амінокислот і оксикислот. Піруватдекарбоксилаза або карбоксилаза (КФ 4.1.1.1; карбоксиліаза - 2 - оксокислот) каталізує розщеплення піровиноградної кислоти на ацетальдегід і , що є важливою реакцією під час спиртового бродіння. Альдолаза (КФ 4.1.2.7; кетозо - 1 - фосфат – альдегід - ліаза) каталізує розщеплення кетозо - 1 - фосфата на діоксиацетонфосфат і відповідний альдегід. Значна кількість Із цих ферментів має важливе значення в реакціях циклу Кребса.

Ізомерази

Ферменти цієї групи змінюють положення атома або групи атомів у межах однієї молекули або змінюють просторову будову молекул. До ізомераз належать також ферменти, які здійснюють внутрішньомолекулярні процеси різних типів: оки-сно-відновлювальні процеси (шифр 5.3), ті, що супроводжуються перебудовою мо­лекули субстрату, внутрішньомолекулярним транспортом ацильних, фосфориль-них та інших груп (шифр 5.4).

Ізомерази (5) каталізують ізомерацію органічних сполук, підтримують рівно­вагу в організмах між двома ізомерами. Ці ферменти включають чотири підкласи.

Лігази (6) або синтази каталізують синтез нових речовин з утворенням зв'язку атома вуглецю з іншими атомами - киснем, азотом, сіркою або вуглецем і одночас­ним розривом макроергічного зв'язку АТФ або іншого нуклеозидфосфату.

Фосфорні складні ефіри в живих системах підлягають ізомерації, яка каталі­зується специфічними ферментами ізомеразами. Із гексоз утворюються фосфорні складні ефіри глюкози або фруктози - глюкозо - 6 - фосфат і фруктозо - 6 - фосфат. У результаті каталітичної дії глюкозофосфатізомерази (фосфоглюкомутази) вста­новлюється рівновага між глюкозо - 6 - фосфатом і глюкозо - 1 - фосфатом.

АКТИВНІСТЬ ФЕРМЕНТІВ

Наявність ферментів солоду або ферментних препаратів мікробного похо­дження визначають з кількості утворених продуктів реакції або зменшення вихід­ного субстрату. Активність ферментів умовно визначають за початковою швидкіс­тю ферментативної реакції. В оцукрюючих матеріалах визначають амілолітичну, оцукрюючу, глюкоамілазну, протеолітичну й інвертазну активність і виражають їх в умовних одиницях.

Амілолітичну активність (здатність) (A3), яка характеризує дію а-амІлази в ферментних препаратах і та -амілази в солоді, визначають з швидкості фермента­тивної реакції гідролізу крохмалю, яку встановлюють з кількості крохмалю, що про-гідролізована в процесі цієї реакції. За одиницю амілолітичної активності прийма­ють таку кількість ферменту, яка в строго визначених умовах (температура 30° С, рН 4,7-4,9 і час дії 10 хвилин) каталізує гідроліз до незабарвлених декстринів 1 г розчинного крохмалю.

Оцукрююча активність (ОА) характеризує здатність усіх амілолітичних фе­рментів каталізувати гідроліз крохмалю до редукуючих речовин. Активність оцук­рюючих матеріалів характеризують числом одиниць оцукрюючих ферментів, що містяться в 1 г солоду, в 1 г ферментного препарату, або в 1 мл глибинної культури.

За одиницю оцукрюючої активності приймають таку кількість ферментів, яка в строго визначених умовах (температура 30° С, рН 4,7-4,9, термін дії 60 хв) каталізує гідроліз 1 г крохмалю, який не перевищує 30 % введеного в ферментати­вну реакцію.

Глюкоамілазна активність (Г_ЛА) характеризується кількістю одиниць акти­вності в 1 г сухого ферментного препарату або в 100 мл глибинної культури. За одиницю глюкоамІлазної активності приймають таку кількість ферменту, яка при температурі 30°С і рН 4,7 протягом 1 хв звільнює 1 мкмоль глюкози.

Протеолітична активність (ПА) - здатність протеаз гідролІзувати білок. За одиницю ПА приймають таку кількість ферменту, яка каталізує гідроліз 1 г казеїну в прийнятих стандартних умовах (температура 30° С, рН 7,0, термін дії 30 хв), що складає 50 % від уведеного в ферментативну реакцію.

Інвертазна активність (ІА) - здатність ферменту -фруктофуранозидази ка­талізувати гідроліз цукрози. За одиницю активності прийнято таку кількість фер­менту, яка за 1 хв гідролізує 1,25 г цукрози при рН 4,6 і температурі 30° С, що складає не більше 50 % субстрату. Активність препарату виражають в одиницях редукуючих речовин на 1 г препарату або 1 мл розчину ферменту.

ВИРОБНИЦТВО СОЛОДУ

Солод - це зерно хлібних злаків, пророщене для утворення в ньому гідроліти­чних ферментів, в основному амілолітичних і протеолітичних. На вітчизняних спир­тових заводах для оцукрювання розвареної маси сировини використовують сирий, свіжопророщений солод. Тому його постійно пророщують під час роботи спирто­вого заводу.

У деяких країнах (США, Німеччина та ін.) використовують сухий ячмінний солод.

Основні вимоги до солоду в спиртовому виробництві: здатність швидко і по­вністю оцукрювати крохмаль сировини та частково білкові речовини до амінокис­лот. Останні використовуються дріжджами як джерело азоту і частково вуглецю. Тому при наявності амінокислот на утворення біомаси дріжджів менше витрача­ється цукрів, які перетворюються під час зброджування сусла в спирт.

Для нормального ведення технології спирту з солодом потрібно внести такі ферменти: -амілазу, -амілазу, декстриназу і протеолітичні ферменти. Солод із зерна різних злаків містить неоднакову кількість цих ферментів. У зв'язку з цим для вирощування солоду використовують культури зерна ячменю, проса і вівса. Вимоги до зерна для приготування солоду наведені в таблиці 4.3.

Табл. 4.3 Характеристика зерна на солод

Назва показника	Ячмінь ДСТУ 3769-98	Просо ГОСТ 22983-88	Овес ГОСТ 28673-90	Жито ГОСТ 16990-88
Вологість, %, не більше	15,5	15,0	16,0	15,5
Натура, г/дм3, не менше		не нормується
Засміченість, %, не більше	2,0	3,0	2,0	2,0
Зернові домішки, %, не більше	3,0	4,0	3,0	не нормується
Здатність до проростання на 5 добу, %, не менше
Зараженість шкідниками	не допускається, крім зараженості кліщем, не вище 1 ступеня

Дуже важливим показником якості зерна на солод є його схожість, яку виража­ють кількістю зерна в процентах, що проросло на 5-ту добу. Крохмаль непророс­лих зерен погано оцукрюється в технологічному процесі і складає втрати вуглево­дів з дозрілою бражкою. Низьку схожість має свіжезібране зерно.

Ячмінний солод має високу - і -амілолітичну активність і низьку дектрино-літичну активність.

Просяний солод має слабу -амілолітичну, середню -амілолітичну і високу декстринолітичну ативність.

Вівсяний солод має невисоку амілолітичну, але значну протеолітичну актив­ність. У ньому накопичується значна кількість амінокислот, у зв'язку з чим цей солод бажано використовувати в основному для приготування сусла для дріжджів.

Технологія солоду спиртового виробництва включає такі стадії: замочування зерна, пророщування зерна і приготування солодового молока.

----------------------------------------- Одержання солоду та мікробних ферментних препаратів---

В.О. Маринченком, В.М. Ісаєнко, Р.І. Чіпчаром розроблена матеріале- і енер­гозберігаюча технологія солоду, яка дозволяє майже в 2 рази скоротити термін ви­рощування і витрати солоду. Проте традиційні способи ще використовують на ба­гатьох спиртових заводах. Тому спочатку розглянемо їх.

ЗАМОЧУВАННЯ ЗЕРНА

Мета замочування - збільшити вологість зерна до 40-48%, відділити його від пилу, видалити легкі зернові і незернові домішки і дезинфікувати зерно. Для під­тримання життєдіяльності зерна і прискорення процесів його миття зерно з водою аерують. Переважно використовують повітряно-водяне замочування, при якому зе­рно почергово знаходиться то під шаром води, то без нього.

Під час замочування проходять фізико-хімічні та біохімічні процеси, що ви­кликають значні зміни в зерні.