Ферменты микроорганизмов и зерновых культур

Свойства ферментов и их производственное применение

Ферменты – биологические катализаторы белковой природы, способные несколько раз ускорять химические реакции, протекающие в живом организме, но сами не входящие в состав конечных продуктов реакций, вещества, на которые действуют ферменты, называют субстратами.

Все биохимические реакции, протекающие в микроорганизмах, растениях и животных, катализируются соответствующими ферментами. Исключительно велика роль ферментов в технологии пищевых продуктов. В основе производства любого пищевого продукта лежат либо биохимические (ферментативные), либо физико-химические процессы, либо эти процессы тесно взаимосвязаны. Режимы хранения сырья, его качество и выход продукта определяются действием ферментов и во многом зависят от инженера-технолога, способного умело управлять ферментативными процессами на той или иной стадии производства.

В отличие от неорганических катализаторов ферменты имеют свои особенности. Во-первых, скорость ферментативного катализа на несколько порядков выше (от 10³ до 10⁹), чем небиологического катализа. Во-вторых, действие каждого фермента высокоспецифично, т.е. каждый фермент действует только на свой субстрат или группу родственных субстратов. В-третьих, ферменты катализируют химические реакции в мягких условиях, т.е. при обычном давлении, невысокой температуре (20 – 50 °С) и при значениях рН среды, в большинстве близких к нейтральной.

С точки зрения локализации ферментов в клетке их подразделяют на внеклеточные и внутриклеточные.

Внеклеточные ферменты выделяются живой клеткой во внешнюю среду. Многие из них синтезируются микроорганизмами, вызывая расщепление биополимеров, продукты которых становятся доступными для транспорта из питательной среды через биологические мембраны и их дальнейшего превращения внутри микробной клетки. К ним относятся ферменты растений, способные мигрировать к местам локализации субстратов и там осуществлять их деструкцию.

Внутриклеточные ферменты находятся либо в клеточных органеллах, либо в комплексе с надмолекулярными структурами.

Структура ферментов

Химическая природа ферментов.Ферменты – высокомолекулярные белковые соединения.

Ферменты могут быть как простыми – однокомпонентными, так и сложными – двухкомпонентными. Первые построены из полипептидных цепей и при гидролизе распадаются только на аминокислоты; вторые состоят их белковой части – апофермента и небелковой части – кофактора. Оба компонента в отдельности лишены ферментативной активности. Только соединившись вместе и образовав так называемый холофермент, они приобретают свойства, характерные для биокатализаторов. Роль кофактора выполняют какой-либо ион или органическое соединение. В молекулу апофермента чаще всего входят двухвалентные ионы, например Zn²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺, Cu²⁺, реже – одновалентные K⁺ и Na⁺. К органическим кофакторам принадлежит примерно десяток соединений различной структуры. Большая часть их образуется из витаминов или представляет собой витамины, а также нуклеотиды.

Активный центр ферментов. Ферментативный катализ происходит на расстоянии длины химической связи, поэтому вполне понятно, что акт катализа должен совершаться на определенном участке белковой молекулы. Это локальный участок и носит название активный центр фермента. В однокомпонентных ферментах центр образуется в результате определенной ориентации аминокислотных остатков полипептидной цепи. Обычно в формировании этого центра принимает участие небольшое количество аминокислот, порядка 12 – 16. функциональные группы этих аминокислот могут принадлежать звеньям полипептидной цепи, весьма удаленным друг от друга. Их сближение связано с формированием третичной структуры фермента.

В двухкомпонентных ферментах активный центр представляет собой комплекс кофактора и некоторых примыкающих к нему аминокислотных остатков. Ион металла может либо находиться в активном центре апофермента и быть непосредственно связанным с какой-либо функциональной группой аминокислотного остатка, либо входить в состав более крупной молекулы кофактора (например, гена в цитохромах). В первом случае он способствует формированию каталитически активной конформации апофермента: во втором – служит мостиком между апоферментом и органической молекулой кофактора.

В активном центре различают контактный (якорный) участок, функция которого связывать, и каталитический участок, где происходит превращение субстрата в продукты реакции после его связывания контактным участком. В формировании контактного и каталитического участков активного центра ферментов принимают участие следующие функциональные группы: СООН-группы дикарбонатных аминокислот или концевые группы полипептидной цепи; имидозольная группа гистидина; ОН-группа серина; NH-группа лизина и концевые группы полипептидной цепи; фенольная группа тирозина и гидрофобные остатки алифатических аминокислот.

Субстратная специфичность действия ферментов. Важным свойством ферментов является способность избирательно действовать на субстрат, определять путь его превращения. Это свойство получило название субстратная специфичность ферментов.

По признаку специфичности действия все ферменты можно разделить на две группы: ферменты, обладающие абсолютной специфичностью, и ферменты, обладающие относительной. Абсолютная специфичность появляется тогда, когда фермент действует лишь на одно-единственное вещество и катализирует только определенное превращение этого вещества.

Ферменты, обладающие относительной специфичностью, действуют сразу на несколько субстратов, имеющих ряд общих структурных свойств. Для этих ферментов важны тип связи и химическая структура лишь одного из компонентов, образующих эту связь, тогда как структура другого компонента может измениться.

Следствием различных механизмов связывания субстратов с ферментами могут являться также разные продукты химической реакции. Типичным примером этому могут быть амилазы, гидролизующие крахмал. Действуя на один и тот же субстрат, они образуют различные продукты гидролиза: глюкомилаза – глюкозу; β-амилаза – мальтозу; α-амилаза – декстрины. Теория индуцированного соответствия в сочетании с гипотезой активной полости дает вполне удовлетворительное объяснение такой особенности специфичности катализа. Образование глюкозы при гидролизе крахмала глюкоамилазой можно объяснить возникновением в глобуле фермента активной полости, способной вместить в себя лишь один глюкозидный остаток. Аналогичную картину представляет гидролиз крахмала β-амилазой с той лишь разницей, что в глобуле возникает полость в размерах, необходимых для вмещения двух глюкозидных остатков. Важной контактной группой для обеих амилаз является R-группа, способная связываться с нередуцирующим концом молекулы крахмала.

Однако глюкоамилаза осуществляет полный гидролиз крахмала, расщепляя как α-1,4-, так и α-1,6-глюкозидные связи, в то время как a-амилаза и β-амилаза действуют лишь на α-1,4 глюкозидные связи.

Протеолитические ферменты трипсин, химотрипсин и эластаза расщепляют в белках пептидные связи. Однако действие каждого из них строго специфично: трипсин гидролизует пептидные связи, образованные лизином или аргинином; химотрипсин расщепляет полипептидную цепь по фенилаланину, триптофану и тирозину; специфичность эластазы проявляется в ее действии на такие небольшие гидрофобные молекулы, как аланин. Установление структуры кристаллических ферментов показало, что полипептидные основы трех ферментов при наложении друг на друга практически совмещаются. Разница же в специфичности этих ферментов обусловлена небольшими изменениями в строении «кармана», связывающего боковую цепь аминокислоты.

Субстратная специфичность – уникальная особенность ферментов. Она является основой направления биохимических процессов живой клетки в строго определенное русло; без нее немыслима стройная гармония обмена веществ в организме.

Специфичность действия ферментов имеет и большое прикладное значение. Она позволяет получить целевой продукт высокой степени чистоты и с высоким выходом. Она может быть широко использована в методах количественного определения того или иного химического соединения.