Файл: Технология гидролизных производств учебник..pdf

симо от состава среды. Способность синтезировать тот или иной фермент зависит от наследственной природы данного микроорга­ низма и определяется прежде всего генетическими факторами.

Индуцируемые ферменты синтезируются в клетке лишь в ответ на действие того или иного внешнего фактора и в том случае, когда в среде находится индуктор (например, сахар).

При изучении процессов, происходящих в живой клетке, неяс­ ным оставался вопрос, каким образом в ней находятся в близком соседстве, не взаимодействуя, ферменты и вещества, на которые они могут действовать. По-видимому, в клетке имеется какое-то пространственное разделение ферментов и веществ, поэтому они не взаимодействуют друг с другом. На роль структурной органи­ зации цитоплазмы как важнейшего фактора, от которого зависит действие ферментов в живой клетке, впервые в 1934 г. указал академик А. И. Опарин. По его мнению, ферменты в живых клет­ ках могут адсорбироваться на поверхностях макрогетерогенных систем, например на липопротеидных образованиях цитоплазмы клетки, теряя при этом свою гидролитическую способность. Но при переходе фермента в гомогенный раствор эта способность восстанавливается.

Таким образом, основным фактором, определяющим гидролити­ ческую активность ферментов в живых клетках, является гетеро­ генность клеточной структуры, что обусловливает переход фермента в адсорбированное состояние. В этом случае ферменты не могут осуществлять гидролитические процессы. Подтвержде­ нием правильности этой теории является наличие большого фактического материала. Так, при адсорбции ферментов на активированном угле или других веществах гидролитическая активность .теряется, но это не связано с изменением самих ферментов, а только лишь с переходом их из раствора в осадок. Если такие ферменты перевести опять в раствор, то их гидроли­ тическая способность восстанавливается.

Наряду с процессами гидролиза и распада в живой клетке всегда происходят синтетические процессы. В процессах синтеза сложных органических соединений участвуют те же самые фер­ менты, которые вызывают их распад. Это отвечает требованиям термодинамики, иначе ферменты могли бы смещать химическое равновесие.

По данным А. И. Опарина, синтетическое действие ферментов осуществляется в адсорбированном состоянии, т. е. на структур­ ных поверхностях цитоплазмы. При переходе тех же ферментов в раствор протекают гидролитические реакции. Следовательно, процессы гидролиза и синтеза в клетке пространственно разобщены. Для нахождения благоприятных условий в клетке, при которых ферменты производили бы синтезирующее действие, было применено уравнение Вант-Гоффа, на котором был теорети­ чески обоснован принцип обратимого действия ферментов. По мнению А. И. Опарина, способность к синтезирующему действик> приобретают ферменты, адсорбированные на структурных образо­

188

ваниях клетки, так как в этом случае создается безводная среда, большая концентрация избирательно адсорбированного продукта, а также удаление синтезируемого продукта, т. е. имеются все условия, которые согласно уравнению Вант-Гоффа необходимы для синтеза.

Таким образом, цитоплазма живой клетки регулирует синте­ зирующее или гидролизующее действие ферментов. Большой экспериментальный материал, накопленный в последнее время, свидетельствует о решающей роли субклеточных структур как фактора, от которого зависит действие ферментов. Познание закономерностей действия ферментов в живой клетке дает воз­ можность управлять ферментативными процессами, регулировать и изменять обмен веществ в желательном направлении. Так как для синтетических процессов необходима энергия, то каталитиче­ ское действие ферментов связано с превращением аденозинтрифосфорной кислоты и других соединений, содержащих богатые энергией макроэргические связи.

Выделять ферменты в чистом виде довольно трудно. В настоя­ щее время существует несколько методов выделения ферментов, основанных на осаждении различными органическими раствори­ телями (спирт, ацетон), на экстрагировании их из микроорга­ низмов водой или глицерином, на извлечении путем изменения pH среды под влиянием растворов нейтральных солей (метод высаливания).

Для удаления посторонних примесей, загрязнений и получения чистых ферментов применяют метод диализа и электродиализа, а также иониты, способные избирательно сорбировать ферменты. Особенно хорошим способом разделения ферментов оказалась ионообменная хроматография на колонках из различных ионо­ обменных смол или производных целлюлозы (карбоксиметилцеллюлоза). Для выделения и разделения ферментов применяют также электрофорез. Смысл его заключается в разделении находя­ щихся в растворе веществ в электрическом поле на основе раз­ личий их электрических зарядов.

Для извлечения *ферментов из дрожжей используют процесс автолиза (саморазложения и растворения клеток). Под автолизом понимают сложный процесс разрушения основных составных частей клетки — белков, углеводов, жиров, происходящий под дей­ ствием собственных ферментов клетки. Дрожжевая клетка теряет внутриклеточную воду, нарушается ее тургор. Дрожжи приобре­ тают жидкую консистенцию и погибают. Кислоты, образующиеся при автолизе, нейтрализуются, так как они разрушают фер­ менты. Автолизу подвергаются лишь отмершие или ослабленные клетки.

Активаторы и ингибиторы. Каталитическая активность фермен­

тов, а также скорость ферментативной реакции зависят от специ­ фических активаторов и ингибиторов (парализаторов). Так, дей­ ствие многих ферментов активируется в присутствии незначитель­ ных количеств сульфгидрильных соединений. Существует большая

группа ферментов, для проявления активности которых необхо­ димо наличие ионов металла. Активаторами многих ферментов являются двухвалентные катионы кальция, магния, марганца, кобальта, а также одновалентные катионы калия, натрия. Например, активность ДНК — полимеразы зависит от присутствия Mg++ или Мп++. Некоторые аденозинтрифосфатазы активируются Na+ и К+. Химические соединения, которые угнетают, задержи­ вают действие ферментов, снижают их активность, получили название ингибиторов. Торможение действия ферментов может быть либо обратимым, либо необратимым. В первом случае после удаления ингибитора фермент восстанавливает свою активность, во втором — нет.

Ингибиторами ферментов являются: соли тяжелых металлов (свинца, ртути, серебра), синильная кислота и ее соли, сернистый водород, фтористый натрий, сильные окислители (хлор, бром). Ингибиторами рибонуклеазы и других ферментов являются неко­ торые металлы, например медь, цинк, бор, действующие на конформацию белка фермента. Сильные ингибиторы — продукты ферментативной реакции. Если удалить их из сферы реакции, то ферменты восстанавливают свою активность.

Угнетение и торможение каталитических функций ферментов основано на связывании ингибиторов с определенными химиче­ скими группировками в активном центре фермента. Так, синиль­ ная кислота является ингибитором ряда окислительных фермен­ тов, содержащих в функциональной группе железо или медь. Соединяясь с этими металлами, синильная кислота блокирует функциональную группу, в результате чего фермент теряет свою активность. Действие на ферменты специфических активаторов и ингибиторов имеет большое значение для регулирования фермен­ тативных процессов, происходящих в микроорганизме, а также при практическом их использовании.

Номенклатура и классификация ферментов. Открываются все

новые ферменты, и случайные названия, которые раньше давались ферментам, стали неудобны. Было принято правило Дюкло — название фермента составлять из корня слова, обозначающего соединение, на которое данный фермент оказывает каталитическое действие, с добавлением к нему суффикса аза (например, фер­ мент, действующий на сахар лактозу, называют лактазой, на сахарозу — сахаразой). Некоторым ферментам давались названия по характеру их действия (дегидратаза). Сохранились и произ­ вольные названия ферментов, например пепсин.

Комиссия Международного биохимического союза по ферментам предложила в 1961 г. новую классификацию и номенклатуру фер­ ментов.

Согласно современным представлениям все ферменты по типу катализируемых ими реакций и по специфичности их действия разделены на шесть главных классов, из которых каждый в свою очередь делится на ряд подклассов, а подклассы — на более

190

мелкие группы. Каждый фермент имеет свой четырехзначный шифр. Первая цифра обозначает класс, вторая подкласс, третья

принятое в настоящее время название фермента, основанное на фактически установленном направлении реакции.

Ниже приведена сокращенная классификация, включающая в основном ферменты, которые чаще всего встречаются у микро­ организмов и имеют для них наиболее важное значение.

1. Оксидоредуктазы — катализируют биологические окисли­ тельно-восстановительные процессы (перенос атомов водорода и электронов), происходящие при брожении и дыхании. Эти фер­ менты имеют особое значение, так как они связаны с реакциями, дающими энергию. Сюда входят дегидрогеназы, которые делятся на две группы: 1) анаэробные дегидрогеназы и 2) аэробные дегидрогеназы.

Анаэробные дегидрогеназы катализируют реакции дегидриро­ вания, переносят водород на те или иные акцепторы. Кофермен­ тами ряда дегидрогеназ являются НАД (никотинамидадениндинуклеотид) и НАДО (никотинамидадениндинуклеотидфосфат), или, по ранее принятой классификации, кодегидраза I и кодегидраза II. Функцией этих коферментов является акцептирование ионов водорода субстрата, активированного дегидрогеназой. При этом коферменты переходят в восстановленную форму.

Аэробные дегидрогеназы передают отнятый от окисляемого субстрата водород кислороду воздуха. Активной группой этих ферментов является ФАД (флавинадениндинуклеотид). Аэроб­ ные дегидрогеназы, для которых акцептором водорода является только кислород, называются оксидазами, ферменты, катализиру­ ющие присоединение кислорода к молекуле субстрата, — оксиге­ назами.

2.Трансферазы (ферменты переноса)— катализируют переме­ щение атомных группировок, или радикалов, от одного соединения

кдругому. Например, фосфотрансфераза (гексокиназа) катали­ зирует перенос остатка фосфорной кислоты во время брожения от аденозинтрифосфата (АТФ) на моносахарид.

3.Гидролазы — катализируют процессы расщепления и синтеза

сложных органических соединений по типу гидролитических реак­

группы: 1) эстеразы, 2) гликозидазы и 3) протеиназы.

Эстеразы катализируют гидролиз сложных эфиров на спирт и кислоту. К ним относятся фосфатазы, расщепляющие сложные эфиры фосфорной кислоты при биологических процессах; липазы, расщепляющие жиры на глицерин и жирные кислоты.

191