Файл: Технология гидролизных производств учебник..pdf

Глава VIII

БИОХИМИЯ В ГИДРОЛИЗНЫХ ПРОИЗВОДСТВАХ

1. ФЕРМЕНТЫ МИКРООРГАНИЗМОВ

Ферментами, или энзимами, называются специфические белко­ вые вещества с высокой молекулярной массой, входящие в состав клеток и тканей живых организмов и значительно ускоряющие био­ химические реакции. Поэтому они называются биологическими катализаторами. Живая клетка не может существовать без фер­ ментов. Ферменты определяют течение, скорость и последователь­ ность биохимических процессов в живых микроорганизмах, а сле­ довательно, и весь обмен веществ. Свойственный данному организму характер обмена веществ определяется его генетической при­ родой, от которой зависит специфический для него набор ферментов и соотношение скоростей отдельных ферментативных процессов, неразрывно связанных между собой. Ферменты вырабатываются живыми клетками, но осуществлять свое действие они могут и вне клеток.

Ферменты были открыты в начале XIX в. Русский исследова­ тель К. С. Кирхгоф в 1814 г. обнаружил, что под действием

В настоящее время известно свыше 875 ферментов, которые ускоряют многочисленные реакции в живых организмах, в част­ ности в микроорганизмах.

Свойства ферментов. 1. Ферменты обеспечивают протекание

различных реакций с достаточной скоростью в обычных условиях давлений и температур или при слабоповышенной температуре (оптимальная температура 30—40° С) и прекращают свое дей­ ствие при кипячении. При охлаждении эта способность не вос­ станавливается. С помощью химических катализаторов такие реакции можно проводить лишь при высоких температурах и давлениях.

Ферменты термофильных микроорганизмов сохраняют свою природу и активность при повышенных температурах.

Низкие температуры не влияют отрицательно на ферменты; при температурах ниже нуля они не проявляют никакой деятель­ ности, но и не инактивируются.

2. Действие ферментов избирательно и специфично. Высокая специфичность — одно из замечательных свойств ферментов. Она связана со структурными особенностями самого фермента и суб­ страта. Под специфичностью подразумевают способность фермента

183

только одного определенного химического соединения и неактивен даже по отношению к родственным соединениям. Например, уреаза расщепляет только мочевину; б) абсолютная групповая специфичность — ферменты действуют на группу близких друг другу химических веществ, имеющих общий тип строения, причем имеет значение не только определенный тип связи, но и опреде­ ленная структура прилегающего к ней радикала. Так, мальтаза катализирует гидролиз не только мальтозы, но и других субстра­ тов, имеющих а-глюкозидную связь, образованную глюкозидным гидроксилом а-глюкозы и гидроксилом другой монозы; в) относи­ тельная групповая специфичность — фермент специфичен только в отношении связи, которой соединены части молекулы, и безраз­ личен к химической структуре самой молекулы. Эстеразы, на­ пример, катализируют расщепление не только триглицеридов, но

в очень малых количествах по сравнению с большим количеством веществ, на которЬіе они действуют. Так, 1 г фермента амдлазы при определенных условиях может превратить в сахар тонну крахмала.

их не бесконечно. Тормозящим фактором является накопление больших количеств конечных продуктов ферментативной реакции. После удаления последних каталитическое действие фермента восстанавливается.

5. Ферменты способны с высокой эффективностью катализиро­ вать биохимические реакции, но не могут вызывать их и изменять направление.

6 . Концентрация водородных ионов, или активная кислотность

среды, играет большую роль при действии ферментов. Для каждого фермента есть свое оптимальное значение pH, при кото­ ром каталитическая активность проявляется наиболее полно. Так, для амилазы pH равно 5,2; для мальтазы — 6 ,6 ; для сахаразы —

4,6.

7. Ферменты растворяются в воде, в водных растворах ней­ тральных солей, в глицерине; осаждаются спиртом, ацетоном.

8 . Ферменты катализируют многообразные по своему химизму

реакции, идущие в прямом и обратном направлении, например реакции гидролиза, синтеза, окислительно-восстановительные, конденсации, изомеризации.

9. Под влиянием различных факторов внешней среды соотно­ шение ферментов в микроорганизме может измениться, могут

превышает активность химических, так как ферменты значительно сильнее понижают энергию активации, чем неорганические

184

катализаторы. Они различаются также по степени специфичности

иизбирательности действия.

Химическая природа ферментов. Ферменты по своей химической

природе делятся на две группы: 1) однокомпонентные ферменты — протеины, представляющие собой простые белки; к ним относится большинство гидролитических ферментов; ферментативная актив­

комплекс, состоящий из собственно фермента и связанного с ним кофермента.

Кофермент — это термостабильное органическое соединение не­ белковой природы, необходимое для действия фермента. Кофер­ менты сравнительно легко удаляются через полупроницаемую перегородку при диализе. Коферменты, которые сравнительно прочно связаны с ферментами, называют простетической (от греч. prosthesis— дополнение) или активной группой.

В результате изучения химической природы коферментов выяснилось, что многие из них являются витаминами или произ­ водными витаминов. Ряд ферментов в качестве кофермента со­ держат биотин. Это очень важный кофермент, который входит в состав ферментов, катализирующих реакции карбоксилирования и декарбоксилирования. Кофермент, участвующий в синтезе нуклеиновых оснований и переносе одноуглеродных радикалов, содержит витамин В12- Один и тот же кофермент, например

никотинамиддинуклеотид, соединяясь с различными белками, образует самые разнообразные ферменты, различающиеся по ха­ рактеру катализируемых ими реакций.

Вторым компонентом оказалась термолабильная часть, имею­ щая специфическую белковую природу и получившая название коллоидного носителя. Белковую часть двухкомпонентного фермента называют также апоферментом.

Белковая часть фермента обусловливает его специфичность, т. е. возможность его воздействия на определенные вещества, так как установлено, что специфичность ферментов зависит прежде всего от порядка чередования аминокислот в белковой молекуле фермента. Небелковая часть — кофермент определяет каталитиче­ скую способность фермента. Но это разграничение условно; каталитическая активность фермента и его специфичность пред­ ставляют собой единство.

В катализе принимает участие как кофермент, так и некоторые группы коллоидного носителя, входящие в активный центр фер­ мента.

К группе двухкомпонентных ферментов принадлежат в основ­ ном ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные процессы.

Механизм ферментативного катализа. В настоящее время суще­

ствует ряд теорий, объясняющих механизм действия ферментов. Большинство исследователей считают, что ферменты вступают в промежуточное соединение с субстратом, на который они

185

каталитически действуют. При этом образуется нестойкое и лабильное соединение фермент-субстратный комплекс. Связи, участвующие в образовании этого соединения, разнообразны и

в субстрате имеются заряженные группы, образование соединения фермент-субстратный комплекс происходит благодаря электро­ статическому взаимодействию и возникновению ионных связей между отрицательно заряженными группами субстрата и положи­ тельно заряженными группами фермента и, наоборот, между положительно заряженными группами субстрата и отрицательно заряженными группами фермента. Если субстрат не содержит заряженных групп, что имеет место, например, в случае углеводов, то присоединение фермента к субстрату происходит благодаря образованию водородных связей. При воздействии фермента на углеводородные цепи субстрат соединяется с ферментом благо­ даря гидрофобным взаимодействиям.

Механизм каталитического действия разных ферментов раз­ личен, так как он зависит от химической природы кофермента или активной группы.

В основе всех теорий, объясняющих механизм действия фер­ ментов, лежит представление о том, что фермент снижает энергию активации, необходимую для протекания данной химической реакции. Фермент изменяет молекулу субстрата таким образом, что энергия, которую нужно придать этой молекуле для того, чтобы она прореагировала, понижается. Снижение энергии акти­ вации происходит благодаря изменению конфигурации его молекулы.

Под влиянием соединенного с субстратом фермента происходит как бы деформация молекулы. Молекула субстрата поляризуется, электроны перераспределяются в ней, что и приводит к измене­ нию расположения электрических зарядов, т. е. к изменению электронной структуры и ее разрыву.

Особенностью ферментативного катализа является высокая эффективность действия ферментов. В настоящее время установ­ лено, что активность фермента характеризуется не одной хими­ ческой группировкой, а несколькими специфическими группами, расположенными строго определенным образом в молекуле фермента.

Изучение этих функциональных групп привело к представлению об активном центре фермента, т. е. той комбинации различных химических группировок в молекуле фермента, благодаря которой осуществляется его каталитическое действие. Следовательно, часть молекулы фермента, непосредственно участвующая в связы­ вании субстрата и осуществляющая каталитическое действие, на­ зывается активным центром. Химические группировки активного центра обеспечивают специфическое сродство и образование со­ единения фермент-субстратный комплекс. Так, действие ферментов можно представить следующим образом: А + В + Ф АФ+ В+*

186

=<=ьАВ + Ф, где Ф — фермент, А и В — реагирующие вещества. Вначале фермент со вступающим в реакцию веществом образует нестойкое промежуточное соединение фермент-субстратный комп­ лекс (АФ). Затем образовавшееся соединение при каталитическом действии фермента распадается с образованием конечных продук­ тов ферментативной реакции, причем фермент непрерывно регене­ рируется, и количество его с течением времени не изменяется. Следовательно, действие фермента осуществляется благодаря образованию с участием активного центра ооединения ферментсубстратный комплекс и последующем перераспределении элек­ тронов в этом соединении, приводящем к реакциям гид­ ролиза, окисления, восстановления и другим химическим превра­ щениям.

Различные физико-химические данные указывают на то, что образование соединения фермент-субстратный комплекс сопровож­ дается изменением конформации молекулы фермента, а следова­ тельно, и активного центра. Причем эти данные были получены для одно- и двухкомпонентных ферментов.

Для большинства ферментов в настоящее время установлены активные центры-и функциональные группы, однако за каталити­ ческую активность фермента ответственна вся структура его молекулы, а не только активный центр или функциональные группы.

Решающим фактором высокой эффективности и специфичности ферментативного катализа является сложная пространственная структура белковой молекулы, обеспечивающая возможность строго согласованного и направленного воздействия определенных функциональных групп фермента на субстрат и образование со­ единения фермент-субстратный комплекс.

Действие ферментов в живой клетке. Ферменты вырабатыва­

ются цитоплазмой живой клетки, они являются продуктами ее жизнедеятельности и с нею связаны. Каждый микроорганизм вырабатывает особый комплекс разнообразных и многочисленных ферментов, отвечающих его физиологическим особенностям и по­ требностям. Одни ферменты действуют только внутри клетки, прочно связаны со структурой цитоплазмы, в этом случае их на­ зывают внутриклеточными, или зндоферментами. Они катализи­ руют процессы дыхания, брожения и синтеза веществ цитоплазмы. Другие ферменты не связаны со структурой цитоплазмы, могут выделяться живыми клетками во внешнюю среду и там расщеплять сложные вещества субстрата на более простые, до­ ступные для усвоения клеткой. Такие ферменты называются вне­ клеточными, или экзоферментами. Они ускоряют процессы гидролиза. Но резкой границы между этими двумя группами фер­ ментов провести нельзя.

Ферменты подразделяются на конститутивные и индуцируемые. Конститутивные ферменты необходимы для жизни микробных клеток, входят в число обязательных их компонентов и образу­ ются под действием присутствующих в клетках веществ, незави­

187