Механизм действия ферментов

Ферменты

 

Определение

Одной из специфических особенностей живой клетки является ее способность осуществлять сложнейшие реакции за очень короткое время и при сравнительно низкой температуре. Это достигается благодаря образованию в живых организмах особо активных катализаторов, называемых ферментами.

Ферменты – это биологические катализаторы белковой природы, оказывающие влияние на скорость химической реакции, но не входящие в состав ее конечных продуктов.

Термин «ферменты» возник от латинского слова «Fermentum», что означает «дрожжи». Синонимом является термин «энзимы». Переводится с греческого – в дрожжах. Эти термины равнозначны.

Наука об изучении ферментов называется ферментологией или энзимологией.

 

Значение ферментов

Ферменты имеют и большое практическое значение во всех отраслях пищевой промышленности: в виноделии (брожение), пивоварение (производство солода и расщепление крахмала), производство спирта (гидролиз крахмала и брожение), хлебопечение (брожение), сыроделие (свертывание белков под действием сычужного фермента), производство чая и табака (ферментация ароматических веществ), производство витаминов, антибиотиков и т.д.

Ферменты могут находиться в сырье в естественном состоянии или могут добавляться в него в виде ферментных препаратов.

Действие естественных ферментов может быть:

1. Желательным. Например, присутствие пектолитических ферментов в яблоках приводит к осветлению яблочного сока;

2. Нежелательным. Присутствие в тех же яблоках полифенолоксидазы приводит к потемнению яблочного пюре.

Существуют два пути использования ферментов:

1. Направленное регулирование действия ферментов находящихся в сырье.

Позволяет улучшать ценные свойства продуктов, вкус, аромат внешний вид. Ускорять процессы созревания, процессы обработки. Например, создавая оптимальные условия для действия естественных ферментов ускоряется созревание мяса, фарша, рыбы, ферментация соков, чая и табака. Инактивация ферментов, особенно окислительно-восстановительных, применяется при производстве томатного сока, фруктовых соков, производстве овощных консервов.

2. Выделение нужных ферментов, очистка их и использование в качестве ферментных препаратов.

Второй путь более перспективен и сейчас ферментные препараты все более и более внедряются в производство.

 

 

Особенности ферментов как биологических

Катализаторов

Ферменты как биологические катализаторы имеют ряд особенностей, которые отличают их от катализаторов неорганической природы:

3.1 Ферментативные реакции протекают в физиологически нормальных для живого организма условиях и не требуют жестких условий – повышенной температуры, высокой кислотности среды, избыточного давления;

3.2 Ферменты как катализаторы строго специфичны, они катализируют только определенные биохимические реакции, действуя лишь на определенный субстрат;

3.3 Ферментативные реакции в живых организмах идут последовательно, таким образом, что субстратом для каждого последующего фермента является конечный продукт предшествующей ему ферментативной реакции;

3.4 Скорость ферментативных реакций высока, но она зависит от количества или активности фермента, концентрации субстрата, рН и состава раствора, температуры, присутствия активаторов и ингибиторов;

3.5 Ферментативные реакции идут со 100%-ным выходом и не дают побочных продуктов реакции;

3.6 Все ферменты являются белками. Молекулярная масса ферментов колеблется в широких пределах от 12 · 10³ до 10 · 10⁶ Да;

3.7 Ферменты образуют в клетке мультиферментные системы, как правило, связанные с клеточными структурами. Они не токсичны.

 

Механизм действия ферментов

Скорость химической реакции зависит от концентрации реагирующих веществ и от температуры, так как эти факторы приводят к увеличению частоты и энергии столкновения реагирующих молекул. Чем выше температура – мера кинетической энергии молекул, тем чаще они могут сталкиваться и тем, следовательно, выше скорость реакции.

Но скорость реакции зависит не только от концентрации и температуры. Общее число столкновений молекул реагирующих веществ значительно больше, чем число прореагировавших молекул, так как индивидуальные молекулы при постоянной температуре сильно различаются по количеству содержащейся в них энергии. Вступают в реакцию только те молекулы, которые находятся в активном состоянии, т. е. обладают энергией, необходимой для преодоления активационного барьера реакции. Молекулы будут активированы, если получат дополнительное количество энергии, называемое энергией активации.

Энергия активации – это количество энергии Е, которое необходимо сообщить молекулам реагирующих веществ, чтобы перевести их в активное состояние, соответствующее вершине энергетического (активационного) барьера. Эту энергию молекулы могут получить путем повышения температуры реагирующих веществ. Как правило, повышение температуры на 10 °С ускоряет химическую реакцию приблизительно в 2 раза.

Ускорить химическую реакцию можно также путем добавления к реагирующим веществам катализатора. Сущность действия катализаторов заключается в том, что катализатор снижает энергию активации, направляя реакцию «обходным» путем, что позволяет молекулам преодолевать энергетический (активационный) барьер на более низком уровне (рис. 1).

Рис. 1. Изменение энергии активации реагирующих веществ в реакции АВ ® A + В в присутствии катализатора и в его отсутствии:

Н_нач, Н_кон – энергия соответственно исходных веществ и конечных продуктов; DН – тепловой эффект реакции; Е_акт, Е_1акт – энергия активации соответственно некатализируемой и катализируемой реакций

 

Как видно из рис. 1, катализатор снижает энергию активации Е_акт реагирующих веществ, не влияя при этом на изменение свободной энергии (DН) в ходе реакции и на конечное состояние равновесия. Реакция АВ ® А + В в присутствии катализатора К идет следующим образом:

 

АВ + К ® АВК

АВК ® ВК + А

ВК ® В + К

Поэтому в присутствии катализаторов, снижающих энергию активации, гораздо большая доля молекул вступает в реакцию в единицу времени.

Так, например, при гидролизе сахарозы на глюкозу и фруктозу в водной среде требуется 133,9 кДж/моль. В присутствии ионов Н⁺ энергия активации снижается до 107,1 кДж/моль, а при действии фермента b-фруктофуранозидазы она составляет 39,3 кДж/моль.

Ферменты, так же как и катализаторы другой природы, образуют комплексы с субстратами, которые затем в ходе катализа распадаются на фермент и продукты реакции.

Снижение энергии активации реакции гидролиза сахарозы под влиянием фермента происходит вследствие некоторой деформации молекул субстрата. Эта деформация ослабляет внутримолекулярные связи и делает молекулу значительно более способной к реакции.

 

Строение ферментов

Предшествующим событием при выполнении любой биологической функции белка является связывание его с другим соединением – субстратом. При связывании проявляется одно из важнейших свойств фермента – его специфичность. Для связывания необходимы контакт субстрата с активным центром фермента – контактной поверхностью белка, образованной несколькими специфическими R-группами аминокислот, расположенных определенным образом в пространстве.

Ферменты подразделяют на две группы:

5.1 Однокомпонентные, состоящие только из белковой молекулы;

5.2 Двухкомпонентные, в состав которых кроме белковой входит небелковая (непептидная) часть.

Коферменты – это органические вещества, обычно не аминокислотной природы. Они участвуют в переносе функциональных групп субстрата – атомов водорода, ацетила, аминогруппы и др. Фермент, содержащий кофермент, называют холоферментом, а белковую часть его – апоферментом или фероном. Отвечает за специфичность ферментов (каталаза и пероксидаза). Небелковая – агон или простетическая группа. Отвечает за активность фермента. Если простетическая группа отделяется от белка, она носит название кофермента. Реакция образования холофермента обратима:

Кофермент + Апофермент « Холофермент.

Коферменты, как правило, входят в состав активного центра фермента.

Коферменты в своем составе содержат витамины и не могут синтезироваться организмом человека и животных. У ряда ферментов коферментами являются витамины В₁, В₂, В₆, В₁₂, РР, биотин, пантотеновая кислота и некоторые другие.

Рассмотрим в качестве примера фермент пируватдекарбоксилазу. Это типичный двухкомпонентный фермент, катализирующий расщепление пировиноградной кислоты на диоксид углерода и ацетальдегид:

Химическая природа активной группы пируватдекарбоксилазы представляет собой соединение молекулы тиамина – витамина В₁ и двух молекул фосфорной кислоты. Эта активная группа – тиаминпирофосфат, соединяясь со специфическим белком, образует фермент пируватдекарбоксилазу.

Витамин В₂ (рибофлавин) входит в состав флавинмононуклеотида (FMN) и флавинадениндинуклеотида (FAD), которые являются коферментами аэробных дегидрогеназ. Витамин РР (амид никотиновой кислоты) – составная часть коферментов анаэробных дегидрогеназ: NAD⁺ (никотинамид-адениндинуклеотида) и NADР⁺ (никотинамидадениннукле-отидфосфата).

Коферменты термостабильны, а белковая часть фермента (апофермент) термолабильна и легко денатурирует при неблагоприятных внешних воздействиях.

В состав активного центра многих ферментов входят гидроксильные группы аминокислоты серина, карбоксильные группы аспарагиновой и глутаминовой кислот, аминные группы аминокислоты лизина, сульфгидрильные группы аминокислоты цистеина.