Природа и свойства ферментов

Ферменты представляют собой высокоспециализированные катализаторы белковой природы, которые ускоряют химические реакции в животных и растительных организмах. Они вырабатываются только в клетках животных, растений и микроорганизмов, но проявляют свое действие не только в клетках, но и будучи выделенными из них. Практически все химические преобразования в живом веществе осуществляются с помощью ферментов. Можно сказать, что ферменты являются движущей силой биохимических процессов в живых организмах.

В зависимости от природы и назначения ферменты могут выделяться в окружающую среду или удерживаться внутри клетки. Т.к. они не утрачивают каталитической способности и после выделения из организма, они широко применяются в пищевой, легкой и медицинской промышленности, сельском хозяйстве и других отраслях народного хозяйства.

Все ферментативные реакции протекают легко и быстро. Катализируемые в организме ферментативные реакции не сопровождаются образованием побочных продуктов, в то время как в органических реакциях, проводимых с помощью искусственных катализаторов, всегда образуется хотя бы один или несколько таких продуктов.

В живых организмах ферменты находятся в упорядоченном состоянии. В отдельных структурных образованиях клетки ферментативные реакции протекают в строго определенном порядке. Будучи точно скоординированными друг с другом, отдельные циклы реакций обеспечивают жизнедеятельность клеток, органов, тканей и организма в целом. В отдельных частях клетки осуществляются строго определенные биохимические процессы.

Наряду с тем, что ферменты играют решающую роль в живых организмах, им принадлежит видное место в производстве пищевых продуктов и многих изделий других отраслей промышленности, а также в сельском хозяйстве. Производство этилового спирта, пива, вина, чая, хлеба, кисломолочных и многих других продуктов основано на действии ферментов. Ферменты участвуют в созревании и перезревании плодов и овощей, созревании и порче мяса и рыбы, сохраняемости зерна, муки, крупы и других продуктов.

В некоторых случаях присутствие ферментов в процессе переработки продуктов бывает нежелательным. Примером этого может служить реакция ферментативного потемнения плодов и овощей в результате воздействия фермента полифенолоксидазы или прогоркание жиров муки в результате действия присутствующих в зародыше зерна ферментов липазы и липооксидазы.

В настоящее время из биологических объектов выделено и изучено несколько сотен ферментов. Полагают, что живая клетка может содержать более 1000 различных ферментов.

Каждый живой организм непрерывно синтезирует ферменты. В живой клетке ферменты могут синтезироваться в разных структурных образованиях — ядре, цитоплазме, хлоропластах, митохондриях, цитоплазматической мембране и др.

Каталитическая активность ферментов во много раз превосходит активность неорганических катализаторов. Так, гидролиз белка до аминокислот в присутствия неорганических катализаторов при температуре 100°С и выше осуществляется за несколько десятков часов. Такой же гидролиз при участии специфических ферментов заканчивается за время меньше часа и протекает при температуре 30—40°С. Полный гидролиз крахмала с помощью кислоты происходит за несколько часов, тогда как на ферментативный гидролиз при комнатной температуре затрачивается несколько минут.

Важной характерной особенностью ферментов является специфичность их действия. Специфичность действия ферментов заключается в том, что каждый фермент действует на вещества определенного структурного, стереохимического характера, например фермент сахараза катализирует только на сахарозу.

По степени специфичности ферменты различаются между собой. Одни ферменты катализируют превращение только одного вещества, а другие катализируют превращения небольшой группы близких по свойствам веществ. Так, фермент глюкооксидаза катализирует окисление глюкозы, а трипсин гидролизует специфические пептидные связи в белках и простые эфиры аминокислот.

Ферменты, будучи специфическими катализаторами, ускоряют как прямую, так и обратную реакцию, т. е. гидролиз и синтез вещества, на которое они действуют. Направленность этого процесса зависит от концентрации исходных и конечных продуктов и условий, в которых протекает реакция.

Ферменты делят на два больших класса — однокомпонентные, состоящие только из белка, и двухкомпонентные, состоящие из белка и небелковой части, называемой простетической группой. Белки ферментов могут быть простыми (протеинами) и сложными (протеидами). Активную простетическую группу фермента называют агоном, а белковый носитель — фероном. Простетическая группа в составе фермента занимает примерно до 1 % его массы.

Прочность связи простетической группы (агона) с фероном у разных ферментов неодинакова. При слабой связи происходит диссоциация фермента на белковую и простетическую часть, которую называют коферментом. Каждая из образовавшихся групп проявляет каталитическую активность. Роль коферментов играют большинство витаминов—С, В₁, В₂, В₆, В₁₂, Н, Е, К и др., а также нуклеотиды, РНК, сульфгидрильные группы, глютатион и т. д. Многие ферменты обладают высокой каталитической способностью только в том случае, если фермент не распадается на ферон и агон.

Молекулярный вес ферментов колеблется в широких пределах — от нескольких тысяч до миллиона, но большинство ферментов имеют большой молекулярный вес.

В чистом виде все ферменты являются кристаллами.

Каталитические реакции осуществляются на поверхности молекул ферментов. Фермент-белок образует дисперсионную фазу, на поверхности которой происходят реакции между веществами, растворенными в дисперсной среде. Поверхность молекулы фермента-белка неоднородна; на поверхности молекулы имеются разнообразные химически активные группировки, легко связывающие другие соединения.

Свойства ферментов обусловлены в первую очередь наличием особо активных центров на поверхности белковой молекулы — радикалов аминокислот или прочно присоединенных к белку особых химических группировок.

Общие свойства ферментов вытекают из их белковой природы. Ферменты термолабильны, их активность зависит от величины рН среды и влажности, в которой они действуют, а также от влияния активаторов и ингибиторов.

Для каждого фермента существует оптимальная температура. Для большинства ферментов благоприятной является температура 30...50°С. В интервале температур от 0 до 50°С при повышении температуры на каждые 10°С активность ферментов возрастает в 1,4—2 раза. При дальнейшем нагревании активность ферментов снижается, и при 80—100°С ферменты обычно полностью теряют каталитические свойства в связи с денатурацией белка.

Температура инактивации у разных ферментов неодинакова. Так, инактивация фермента амилазы в растворе происходит при 70°С, сахаразы — при 59 ° С, трипсина и пепсина — при65°С. В сухом состоянии ферменты могут переносить нагревание до более высоких температур. Но приочень высоких температурах инактивация ферментов наступает мгновенно.

После тепловой инактивации некоторые ферменты восстанавливают свою каталитическую активность. Примером этого может служить пероксидаза, которая даже при нагревании в течение 60 секунд до 150°С не полностью теряет каталитические свойства. Поэтому перокси-дазу считают самым термостабильным ферментом.

При температурах ниже 0°С каталитическая деятельность ферментов резко снижается, но все же сохраняется даже при замораживании продуктов. Поэтому скоропортящиеся продукты (мясо, рыбу, яйца и др.) сохраняют в охлажденном и замороженном состоянии. При низких минусовых температурах ферменты действуют, если не вся вода продукта превратилась в лед. Например, липаза не теряет активности при —2°С. После размораживания активность ее значительно выше первоначальной (до замораживания). Очевидно, плохая сохраняемость размороженных продуктов происходит в результате активизации ферментов.

Действие ферментов прекращают путем кратковременного нагревания (бланширования) или замедляют, понижая температуру хранения продуктов. В процессе длительного хранения количество ферментов в продуктах уменьшается, их активность снижается.

Реакция среды оказывает существенное влияние на каталитическую активность ферментов. Ферменты как белки изменяют свою растворимость, осмотическое давление, вязкость и другие свойства под влиянием рН среды. Полагают, что изменение ферментативной активности в зависимости от рН среды связано с изменением ионизации ферментов, субстрата или фермент-субстратного комплекса.

Ферменты проявляют оптимальную активность только в определенных, свойственных им пределах рН. Так, пепсин, который выделяется в сильнокислую среду желудка, имеет оптимум активности при рН 1,5 и 2,5, в то же время протеазы, которые выделяются поджелудочной железой в двенадцатиперстную кишку, имеют оптимальную активность в щелочной зоне рН, а оптимум действия трипсина лежит в пределах рН 8—9. При значении рН выше или ниже оптимальной величины активность ферментов снижается.

На активность ферментов влияет присутствие в растворах некоторых химических веществ. Одни из них повышают активность ферментов и называются активаторами, другие понижают или даже прекращают активность ферментов и называются ингибиторами — парализаторами. Например, этилен ускоряет, а углекислый газ замедляет ферментативные процессы дозревания яблок, груш, томатов. Активаторами ферментов являются ионы металлов — Na⁺, K⁺, Rb⁺, Mg⁺⁺, Ca⁺⁺, Cu⁺⁺, Fe⁺⁺ и соединения, содержащие сульфгидрильные группыSН, HCN H₂S. К активаторам ферментов относятся восстановители: аминокислота цистеин и трипептид глютатион (в них имеется группа SН). Наличие в растворе указанных металлов или соединений в определенной концентрации способствует проявлению полной активностинекоторых ферментов. Ингибиторами ферментов являются соли тяжелых металлов, осаждающие ферменты, и вещества, ослабляющие действие ферментов, например окислители — перекись водорода и бромат калия, тормозящие действие протеаз. Все ферменты подвержены ингибированию в результате денатурации или разрушения ферментного белка.

Различают ингибиторы общего и специфического характера. К общим ингибиторам, которые подавляют действие всех ферментов, относят соли тяжелых металлов (свинца, серебра, ртути), трихлоруксусную кислоту и танин. Часто торможение или прекращение действия ферментов под влиянием тяжелых металлов носит обратимый характер, и если в среду добавить вещества, образующие соединения с этими металлами, то активность ферментов восстанавливается.

Специфические ингибиторы действуют только на определенные ферменты. Так, синильная кислота действует только на окислительные ферменты, содержащие в активном центре железо илимедь. Синильная кислота вступает в соединение с металлами, и фермент теряет активность.

Механизм действия белковых ингибиторов связан со специфическим взаимодействием с ферментом и образованием устойчивого неактивного комплекса "фермент-ингибитор".

В настоящее время показано, что ингибиторы протеиназ в растениях представлены группой разнообразных белков. Многие их них хорошо изучены. Расшифрована их первичная структура, идентифицирован активный центр, взаимодействующий с активным центром фермента и блокирующий его, определены другие характеристики. Обычно это белки с небольшой молекулярной массой и значительным количеством дисульфидных связей, придающих повышенную стабильность их структурной организации. Среди них встречаются белки, выдерживающие нагревание до 100°С без потери активности.

Белки-ингибиторы снижают пищевую ценность растительных продуктов. Так, белки бобовых, содержащие высокоактивные ингибиторы пищеварительных ферментов, нельзя включать в пищевой рацион без предварительной интенсивной тепловой обработки.