Понятие о ферментах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

§1. Ферменты

§2. Особенности структуры

§3. Факторы, влияющие на ферментативную активность

§4. Особенности регуляции активности

Заключение

Список литературы

Введение

Познание роли ферментов для всего живого на Земле послужило основой для становления и развития технологии ферментных препаратов как науки и для создания промышленного производства наиболее широко используемых ферментных препаратов. Применение этих препаратов помогло существенно изменить, интенсифицировать и усовершенствовать многие существующие технологии или даже создать принципиально новые высокоэффективные процессы. Применение ферментных препаратов различной степени очистки позволило не только улучшить показатели и выходы в различных биотехнологических процессах, но позволило усовершенствовать кормопроизводство, повысить усвояемость кормов, сделать более целенаправленным и эффективным действие синтетических моющих средств, улучшить качество косметических препаратов, создать целый арсенал специфических, чувствительных и точных аналитических методов, наладить производство лекарственных и профилактических средств для медицинской промышленности и т. д.

Большим и неоспоримым достоинством ферментов перед химическими катализаторами является то, что они действуют при нормальном давлении, при температурах от 20 до 70 °С и рН в диапазоне от 4 до 9 и имеют в большинстве случаев исключительно высокую субстратную специфичность, что позволяет в сложной смеси биополимеров направленно воздействовать только на определенные соединения. Все это свидетельствует о том, что производство ферментных препаратов является одним из перспективных направлений в биотехнологии, которое будет и далее интенсивно развиваться и расширяться.

§1. Ферменты

Ферменты (от лат. fermentum -- брожение, закваска), специфические белки, присутствующие во всех живых клетках и играющие роль биологических катализаторов. Через их посредство реализуется генетическая информация и осуществляются все процессы обмена веществ и энергии в живых организмах. Ферменты бывают простыми или сложными белками, в состав которых наряду с белковым компонентом (апоферментом) входит небелковая часть -- кофермент Власова З.А. Биология. Справочник школьника. М., Всероссийское сло-во, 1995 г..

Эффективность действия ферментов определяется значительным снижением энергии активации катализируемой реакции в результате образования промежуточных фермент-субстратных комплексов. Блум Ф., Лейзерсон А., Хофстедтер Л. Мозг, разум и поведение / Пер. с англ. - М.: Мир, 1988. - 248 с.

Присоединение субстратов происходит в активных центрах, которые обладают сходством только с определенными субстратами, чем достигается высокая специфичность (избирательность) действия ферментов. Одна из особенностей ферментов -- способность к направленному и регулируемому действию. За счёт этого контролируется согласованность всех звеньев обмена веществ Хомченко Г.Л. Химия для поступающих в ВУЗы. Учебное пособие. М., Высшая школа, 1993 г.

Эта способность определяется пространственность структурной молекулы ферментов. Она реализуется через изменение скорости действия ферментов и зависит от концентрации соответствующих субстратов и кофакторов, рH среды, температуры, а также от присутствия специфических активаторов и ингибиторов (например, адениловых нуклеотидов, карбонильных, сульфгидрильных соединений и др.). Биологический энциклопедический словарь. Под ред. Гилярова М.С. М., Советская энциклопедия, 1987 г

Некоторые ферменты помимо активных центров имеют дополнительные, т.н. аллостерические регуляторные центры. Биосинтез ферментов находится под контролем генов. Различают конститутивные ферменты, постоянно присутствующие в клетках, и индуцируемые ферменты, биосинтез которых активируется под влиянием соответствующих субстратов. Некоторые функционально взаимосвязанные ферменты образуют в клетке структурно организованные полиферментные комплексы. Многие ферменты и ферментные комплексы прочно связаны с мембранами клетки или её органоидов (митохондрий, лизосом, микросом и т.д.) и участвуют в активном транспорте веществ через мембраны Бэйрд Д.Т. Яичник Гормональная регуляция размножения у млекопитающих. - М.: Мир. - 1987. - С. 118-144..

Известно более 20000 различных ферментов, из которых многие выделены из живых клеток и получены в индивидуальном состоянии. Первый кристаллический фермент (уреаза) выделен американским биохимиком Д. Самнером в 1926 г. Вернигора А.Н., Генгин М.Т. Протеолитические ферменты: субклеточная локализация, свойства и участие в обмене нейропептидов // Биохимия. - 1996. - 61, № 5. - С. 771-785.

Для ряда ферментов изучена последовательность аминокислот и выяснено расположение полипептидных цепей в трёхмерном пространстве. В лабораторных условиях осуществлен искусственный химический синтез фермента рибонуклеазы Власова З.А. Биология. Справочник школьника. М., Всероссийское сло-во, 1995 г..

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.

§2. Особенности структуры

Структурные особенности ферментов, необходимые для их функционирования, легко утрачиваются. Так, при нагревании происходит перестройка белковой цепи, сопровождающаяся потерей каталитической активности. Важны также щелочные или кислотные свойства раствора. Большинство ферментов лучше всего «работают» в растворах, pH которых близок к 7, когда концентрация ионов H+ и OH- примерно одинакова. Связано это с тем, что структура белковых молекул, а следовательно, и активность ферментов сильно зависят от концентрации ионов водорода в среде.Вернигора А.Н., Генгин М.Т. Протеолитические ферменты: субклеточная локализация, свойства и участие в обмене нейропептидов // Биохимия. - 1996. - 61, № 5. - С. 771-785.

Не все белки, присутствующие в живых организмах, являются ферментами. Так, иную функцию выполняют структурные белки, многие специфические белки крови, белковые гормоны и т.д Власова З.А. Биология. Справочник школьника. М., Всероссийское сло-во, 1995 г..

Коферменты и субстраты. Многие ферменты с большой молекулярной массой проявляют каталитическую активность только в присутствии специфических низкомолекулярных веществ, называемых коферментами (или кофакторами). Роль коферментов играют большинство витаминов и многие минеральные вещества; именно поэтому они должны поступать в организм с пищей. Витамины РР (никотиновая кислота, или ниацин) и рибофлавин, например, входят в состав коферментов, необходимых для функционирования дегидрогеназ. Цинк - кофермент карбоангидразы, фермента, катализирующего высвобождение из крови диоксида углерода, который удаляется из организма вместе с выдыхаемым воздухом. Железо и медь служат компонентами дыхательного фермента цитохромоксидазы.

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. Этот процесс представляют следующим образом:

Продукт тоже можно считать субстратом, поскольку все ферментативные реакции в той или иной степени обратимы. Правда, обычно равновесие сдвинуто в сторону образования продукта, и обратную реакцию бывает трудно зафиксировать.

Ферменты выполняют и множество других функций. Они катализируют разнообразные реакции синтеза, включая образование тканевых белков, жиров и углеводов. Для синтеза всего огромного множества химических соединений, обнаруженных в сложных организмах, используются целые ферментные системы. Для этого нужна энергия, и во всех случаях ее источником служат фосфорилированные соединения, такие, как АТФ Вернигора А.Н., Генгин М.Т., Никишин Н.Н. Множественность молекулярных форм растворимых карбоксипептидазо-В-подобных ферментов головного мозга кошки // Укр. биохим. журн. - 1993.- 65, № 4. - С. 17-21..

Ферменты и пищеварение. Ферменты - необходимые участники процесса пищеварения. Только низкомолекулярные соединения могут проходить через стенку кишечника и попадать в кровоток, поэтому компоненты пищи должны быть предварительно расщеплены до небольших молекул. Это происходит в ходе ферментативного гидролиза (расщепления) белков до аминокислот, крахмала до сахаров, жиров до жирных кислот и глицерина. Гидролиз белков катализирует фермент пепсин, содержащийся в желудке. Ряд высокоэффективных пищеварительных ферментов секретирует в кишечник поджелудочная железа. Это трипсин и химотрипсин, гидролизующие белки; липаза, расщепляющая жиры; амилаза, катализирующая расщепление крахмала. Пепсин, трипсин и химотрипсин секретируются в неактивной форме, в виде т.н. зимогенов (проферментов), и переходят в активное состояние только в желудке и кишечнике. Это объясняет, почему указанные ферменты не разрушают клетки поджелудочной железы и желудка. Стенки желудка и кишечника защищает от пищеварительных ферментов и слой слизи. Некоторые важные пищеварительные ферменты секретируются клетками тонкого кишечника.

§3. Факторы, влияющие на ферментативную активность

фермент биотехнологический кормопроизводство

Активность ферментных препаратов. Содержание фермента в данном препарате условно выражается в стандартных единицах активности фермента на 1 мл ферментного раствора или 1 г препарата. Активность ферментного препарата выражается в микромолях субстрата, прореагировавшего в присутствии 1 мл ферментного раствора или 1 г препарата в заданных условиях за 1 мин. Число микромолей и будет равно числу стандартных единиц. Если фермент гомогенен, то его удельная активность может быть выражена в стандартных единицах на 1 мг фермента: если же препарат содержит балласт в виде неактивного белка, его удельная активность выражается в стандартных единицах на 1 мг белка в ферментном препарате. Молекулярная активность представляет собой число миллимолей субстрата или эквивалентов затронутой реакцией групп, прореагировавших в течение 1 мин с 1 ммоль фермента при оптимальных концентрациях субстрата, или число стандартных единиц, содержащихся в 1 ммоль фермента. Бэйрд Д.Т. Яичник / Гормональная регуляция размножения у млекопитающих. Мир. - 1987. - С. 118-144.

Если фермент содержит характерную простетическую группу или несколько каталитических центров, которые поддаются измерению, его активность можно выразить в величинах активности каталитического центра. Такая активность будет соответствовать молекулярной активности, если молекула фермента имеет один активный центр; если же число каталитических центров п, то активность одного центра будет в п раз меньше молекулярной. Вернигора А.Н., Генгин М.Т., Никишин Н.Н. Об участии некоторых ферментов нейропептидов в механизмах эмоционального стресса // Физиол. журн.-1995.- т.81.- №5.- С.1025-1028

Активность условного препарата. В технологии ферментов помимо общепринятых понятий об активности ферментных препаратов принято пользоваться понятием активности условного ферментного препарата. Это необходимо для оценки работы предприятия, сравнения его с другими аналогичными заводами, т. е. для сопоставления показателей по всем видам выпускаемой продукции. Для осуществления этого пересчета предполагают, что предприятие выпускает товарную продукцию в виде стандартного препарата с точно определенной активностью, измеряемой по основному ферменту в стандартных единицах в препарате на единицу массы препарата. Активность основного фермента в таком стандартном условном препарате устанавливается нормативами и называется активностью условного препарата.

За 1 усл, т ферментного препарата принимается 1 т препарата со стандартной активностью. Для пересчета выработанной товарной продукции в условные тонны можно пользоваться формулой

где  - количество условного препарата, т;  - количество товарного препарата, т;  - фактическая активность товарного препарата, ед./г;  - активность условного препарата, ед./г. Вернигора А.Н., Генгин М.Т., Никишин Н.Н. Об участии некоторых ферментов нейропептидов в механизмах эмоционального стресса // Физиол. журн.-1995.- т.81.- №5.- С.1025-1028

§4. Особенности регуляции активности

Ферментные препараты с гемицеллюлазвой активностью действуют на нерастворимые высокомолекулярные пентозаны, содержащиеся в пшеничном тесте, увеличивают долю низкомолекулярных пентозанов, что способствует образованию более прочного клейковинного каркаса. Внесение препаратов с гемицеллюлазной активностью способствует увеличению доли связанной влаги в тесте. Это приводит к увеличению водопрглотительной способности полуфабрикатов и, следовательно, к улучшению структурно-механических свойств теста. Вернигора А.Н., Никишин Н.Н., Генгин М.Т. О взаимосвязи между активностью карбоксипептидазы Н и ангиотензинпревращающего фермента // Биохимия. - 1995. - 60, N 1. - С. 144-149.

Отечественный цитолитический ферментный препарат, продуцентом которого является хультура гриба Trichothecium rozeum, обладает гемицеллюлазной, целлобиазной, пентозаназной активностью. В результате исследований по поиску возможностей использования в хлебопекарной промышленности Цитороземина ПЮХ, который отличается высокой цитолитической и незначительной амилолитической и протеолитической активностью, было сделано следующее заключение: добавление его в тесто в диапазоне концентраций от 0,01 до 0,1% к массе муки способствует дополнительному обогащению теста редуцирующими сахарами, приводит к значительному накоплению в нем водорастворимых пентозанов, изменению упруго-пластических свойств клейковины, способствует улучшению реологических свойств геста, что приводит к увеличению объемного выхода хлеба. Бэйрд Д.Т. Яичник / Гормональная регуляция размножения у млекопитающих. Мир. - 1987. - С. 118-144.

Из зарубежных ферментных препаратов с гемицеллюлазной активностью применяют препарат Pentopan 500 BG (Пентопан 500 BG), представляющий очищенный препарат фермента, полученного при культивировании Humicola insolens и проявляющего пентозаназную активность (оптимальные условия рН 5-6 и 4° С). Применение этого препарата способствует стабилизации свойств теста, увеличению объема хлеба, улучшению структуры мякиша, продлению срока сохранения свежести готовых изделий.

Протеолитические ферментные препараты, катализирующие гидролитическое расщепление белковых веществ, целесообразно использовать при переработке муки с чрезмерно сильной клейковиной, так как ферменты этой группы, проявляя восстановительную активность, оказывают деструктурирующее действие на клейковину муки и улучшают реологические свойства теста. Крове того, ферментные препараты этой группы применяют при производстве затяжного печенья, крекеров, слоеных изделий из бездрожжевого теста.

К протеолитическим ферментным препаратам относятся Прото-субтилин ПОХ или Г20Х, продуцентом которого является Bacillus subtilis, а также Протозим, Neutrase (Novo Nordisk).

Ферментные препараты, обладающие лииолнтическои активность», в качестве основного фермента содержат активную липазу. Фермент липаза осуществляет гидролиз триацилглицеридов с образованием жирных кислот и глицерина. В качестве препарата с липолитической активностью применяют Новозим 677 BG (Novo Nordisk). Применение этого препарата позволяет увеличивать стабильность теста и объем хлеба, улучшать структуру пористости и цвет мякиша.

Наиболее целесообразно использовать ферментные препараты с липолитической активностью при производстве изделий, в рецептуру которых входят жировые продукты. Биологический энциклопедический словарь. Под ред. Гилярова М.С. М., Советская энциклопедия, 1987 г.

Заключение

В результате проделанной работы я узнала, что ферменты это белки, катализирующие определённые химические реакции, входящие в процессы обмена веществ, отличаются чрезвычайно высокой эффективностью и специфичностью своего действия.

По своему составу ферменты разделяют на простые ферменты, состоящие только из молекул белка, и сложные ферменты, состоящие из белка и небелкового компонента (простетические группы, коферменты). Каталитическое действие ферментов определяется главным образом, частью молекулы - активным центром.

Действие всех ферментов происходит через стадию образования промежуточного соединения с молекулой субстрата. Ферменты играют важную роль в организме, в науке, в хозяйственной деятельности человека. Открытие разнообразных наук позволяет шире использовать ферменты.

Список литературы

1. Власова З.А. Биология. Справочник школьника. М., Всероссийское сло-во, 1995 г.

2. Хомченко Г.Л. Химия для поступающих в ВУЗы. Учебное пособие. М., Высшая школа, 1993 г.

3. Биологический энциклопедический словарь. Под ред. Гилярова М.С. М., Советская энциклопедия, 1987 г.

4. Блум Ф., Лейзерсон А., Хофстедтер Л. Мозг, разум и поведение / Пер. с англ. - М.: Мир, 1988. - 248 с.

5. Бэйрд Д.Т. Яичник / Гормональная регуляция размножения у млекопитающих. - М.: Мир. - 1987. - С. 118-144.

6. Вернигора А.Н., Генгин М.Т. Механизм регуляции активности и биологическая роль карбоксипептидазы H - фермента процессинга нейропептидов // Биохимия - 1995. - 60, № 12. - С. 1491-1497.

7. Вернигора А.Н., Генгин М.Т. Протеолитические ферменты: субклеточная локализация, свойства и участие в обмене нейропептидов // Биохимия. - 1996. - 61, № 5. - С. 771-785.

8. Вернигора А.Н., Генгин М.Т., Никишин Н.Н. Об участии некоторых ферментов нейропептидов в механизмах эмоционального стресса // Физиол. журн.-1995.- т.81.- №5.- С.1025-1028

9. Вернигора А.Н., Генгин М.Т., Никишин Н.Н. Множественность молекулярных форм растворимых карбоксипептидазо-В-подобных ферментов головного мозга кошки // Укр. биохим. журн. - 1993.- 65, № 4. - С. 17-21.

10. Вернигора А.Н., Никишин Н.Н., Генгин М.Т. О взаимосвязи между активностью карбоксипептидазы Н и ангиотензинпревращающего фермента // Биохимия. - 1995. - 60, N 1. - С. 144-149.

Размещено на Allbest.ru