Общие свойства ферментов

Количество фермента, присутствующего в тканях в любой данный момент времени, определяется относи­тельными скоростями его синтеза и распада, а также кон­центрациями различного рода ингибиторов и активаторов. Как правило, распад ферментов и снижение их количества в среде происходят медленно. Ингибирование и активация ферментов могут осуществляться довольно быстро – в те­чение секунд.

Существует много методов для определения и выражения активности отдельных ферментов. Это обус­ловлено многообразием ферментов, наличием и использованием для определения их активности различных суб­стратов.

Международный биохимический союз предложил сле­дующее определение единицы фермента: «За единицу лю­бого фермента принимается то его количество, которое катализирует превращение одного микромоля субстрата в минуту при заданных стандартных условиях». Число микромолей и будет равно числу стандартных единиц. Международная комис­сия предложила, если это возможно, проводить опре­деление активности фер­ментов при 30 °С и при оптимальных для фермен­тативной активности зна­чениях рН и концентра­ции субстрата.

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

При повышении температуры до определенных преде­лов активность ферментов усиливается. При достижении оптимальной для фермента температуры его каталитическая активность бывает наиболее высокой. Оптимальная температура для многих ферментов лежит чаще всего в пределах от 40 до 50 °С (оптимальная для растительных ферментов – 50 – 60 °С, а для ферментов животного происхождения – 40 – 50 °С). Однако оптимальная температура не является строго постоянной и зависит от многих при­чин, и в частности от продолжительности нагревания. Чем продолжительнее действие фермента, тем оптимальная температура должна быть ниже.

В интервале температур от 0 до 50 °С при повышении или понижении температуры на каждые 10 °С активность ферментов возрастает или соответственно падает 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 (потери активности) у разных ферментов неоди­накова. Так, инактивация фермента амилазы в растворе происходит при 70 °С, сахаразы – при 59, трипсина и пепсина – при 65 °С. В сухом состоянии ферменты могут переносить нагревание до более высоких температур. Но при очень высоких температурах инактивация фер­ментов наступает мгновенно. При пастеризации, стерилизации, бланшировке и кипячении фермен­ты разрушаются.

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

При температурах ниже 0 °С каталитическая деятель­ность ферментов резко снижается, но все же сохраняется даже при замораживании продуктов.

Реакция среды оказывает существенное влияние на ка­талитическую активность ферментов. Ферменты 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 активность ферментов снижается.

Большинство ферментов бывают наиболее активными в нейтральных, слабощелочных или слабокислых средах. По мере сдвига значения рН от оптимальной в кислую или щелочную среду активность ферментов падает.

Активаторы и ингибиторы (парализаторы) ферментов могут соответственно усиливать или ослаблять и даже прекращать их деятельность. Активаторами ферментов являются ионы металлов: Na⁺, K⁺, Rb⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Cu²⁺, Fe²⁺ и соединения, содержащие сульфгидрильные группы: SH, HCN, H₂S. Наличие в растворе указанных металлов или соединений в определенной концентрации способствует проявлению полной активности некоторых фер­ментов.

Все ферменты подвержены ингибированию в ре­зультате денатурации или разрушения ферментного белка.

Сущность действия ингибиторов в большинстве слу­чаев состоит в том, что они соединяются с активными группами или активными центрами молекулы ферментов. 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 или медь. Синильная кислота вступает в соединение с металлами, и фермент теряет активность.

В живой клетке регулирование действия ферментов осуществляется не только с помощью специфических акти­ваторов и ингибиторов, но также путем связывания фер­ментов на различных коллоидных структурах прото­плазмы. Такое связывание ферментов приводит к потере ими активности. Освобождение фермента из соединения вновь восстанавливает его каталитическую активность.

Ферменты инактивируются при очень высоких давлениях. Однако после снятия давления ферменты восста­навливают свою каталитическую активность.

Действие ферментов сильно замедляется в сухих про­дуктах, однако полностью не прекращается. Результаты активности ферментов могут проявляться в изменении качества продукта – его потемнении, ухудшении аро­мата, вкуса, консистенции и т. д.

Скорость большей части ферментальных реакций про­порциональна концентрации фермента, по крайней мере, на самых ранних стадиях. За пределами начальных ста­дий скорость ферментативных реакций падает.

Фермент образует с субстратом комплекс, который диссоциирует на свободный фермент и конечный продукт реакции:

Е + S ↔ ЕS;

ЕS↔ Е + Р,

где Е – фермент; S – субстрат; ЕS – ферментно-субстратный комплекс; Р – конечный продукт.

Количество субстрата очень велико по сравнению с ко­личеством фермента, и поэтому концентрация субстрата сильно влияет на скорость ферментативных реакций. Если субстрат содержится в значительном избытке, то коли­чество образующегося продукта пропорционально вре­мени. По мере уменьшения концентрации субстрата ко­личество образующегося в единицу времени конечного продукта (Р) снижается.

О наличии в растворе фермента судят по его действию. Так, о наличии амилазы в слюне можно судить по спо­собности слюны осахаривать крахмал, о наличии желу­дочного пепсина – по его способности растворять с до­статочной быстротой яичный белок или фибрин.

Регулируя активность ферментов созданием соответствующей реакции среды, можно управлять скоростью катализируемых ими реакций, а также деятельностью ферментов, содержащихся в пищевых продуктах, что позволяет осуществлять мероприятия по хранению зерна, картофеля, плодов и овощей, производству ряда продуктов (вина, чая и т. д.).

Номенклатура и классификация ферментов

В начальный период развития учения о ферментах им давали названия без определенной системы, по случай­ным признакам, по названию субстрата или типу катали­зируемой реакции. Так, фермент пепсин получил назва­ние от греческого слова «пепсис» – перевариваю, папаин – от сока растения папайи, богатого ферментом. Случалось, что отдельные авторы одному и тому же фер­менту давали разные названия.

В связи с бурным развитием науки о ферментах – фер­ментологии в 1961 г. постоянным комитетом по ферментам при Международном биохимическом союзе была разра­ботана современная номенклатура и классификация ферментов. В соответствии с этой классификацией название фермента составлялось из химического названия суб­страта и названия той реакции, которая осуществлялась ферментом. К латинскому названию корня субстрата, на который действует фермент (сахароза – сахараза), или к названию процесса, катализируемого данным ферментом (гидролиз – гидролазы), добавлялось окон­чание «аза». Наряду с новыми названиями для многих ферментов сохранились старые, прочно вошедшие в науч­ную литературу (пепсин, трипсин, папаин и др.).

По современной классификации все ферменты делят на шесть классов: оксидоредуктазы; трансферазы; гидро­лазы; лиазы; изомеразы; лигазы (синтетазы). Классифи­кация ферментов основана на характере их действия.

Каждый класс подразделяют на подклассы, а каждый подкласс – на группы.

Оксидоредуктазы

Это ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции, которые проис­ходят в живых организмах. Реакции окисления веществ в организмах всегда сопровождаются реакциями восста­новления. Оксидоредуктазы делят на 14 подклассов (наиболее обширный класс ферментов).

Окисление протекает как процесс отнятия водорода (электронов) от субстрата, а восстановление – как при­соединение атомов водорода (электронов) к акцептору. Эту реакцию схематично можно представить в следующем виде:

АН₂ + В = А + ВН₂,

где АН₂ – вещество, отдающее свой водород и называемое донатором; В – вещество, отнимающее водород и назы­ваемое акцептором.

Окислению могут подвергаться разнообразные веще­ства – углеводы, жиры, белки, аминокислоты, вита­мины и др.

Роль оксидоредуктаз в живых тканях выполняют об­ширные группы дегидрогеназ и оксидаз, которые носят название в зависимости от окисляемого ими субстрата. Так, фермент, дегидрирующий яблочную кислоту, назы­вается малатдегидрогеназой, дегидрирующий этиловый спирт – алкогольдегидрогеназой и т. д.

В классе оксидоредуктаз основное значение имеют дегидрогеназы, которые осуществляют реакцию дегидри­рования. Все дегидрогеназы делят на две группы: анаэроб­ные и аэробные, которые называют оксидазами.

Анаэробные дегидрогеназы представляют собой спе­цифические ферменты, катализирующие отщепление водо­рода от определенных химических веществ и передающие его другим ферментам – переносчикам водорода. Эти де­гидрогеназы являются двухкомпонентными ферментами, в которых кофермент легко отделяется от белковой части. В качестве кофермента в состав анаэробных дегидрогеназ могут входить два вещества – никотин-амид-аденин-нуклеотид (НАД) или никотин-амид-аделинин-нуклеотид-фосфат (НАДФ). Оба эти вещества обладают исключительно вы­сокой реакционной окислительно-восстановительной спо­собностью.

Известно очень много анаэробных дегидрогеназ, ката­лизирующих окисление различных органических соедине­ний. Так, лактатдегидрогеназа катализирует реакцию окисления молочной кислоты до пировиноградной, изоцитратдегидрогеназа – окисление изолимонной кислоты до щавелево-янтарной.

К группеаэробных дегидрогеназ (оксидаз) относят ферменты, в состав которых в качестве кофермента входит витамин В₂, (рибофлавин), поэтому такие ферменты назы­вают флавиновыми. Флавиновые ферменты способны отни­мать водород от окисляемого вещества и передавать его другим соединениям или кислороду воздуха:

,

2Н₂О₂ → 2Н₂О + О₂.

Отнимая водород от окисляемого вещества и передавая его кислороду воздуха, оксидаза может при этом образо­вывать воду или перекись водорода (Н₂О или Н₂О₂). К этой группе ферментов относятся полифенолоксидаза, аскорбинатоксидаза, глюкооксидаза.

Полифенолоксидаза представляет собой аэробную дегидрогеназу, для которой акцептором водо­рода является газообразный кислород.

Она действует на о-дифенолы, полифенолы, дубильные вещества и тирозин. Полифенолоксидаза широко распро­странена в грибах и высших растениях, особенно ее много в зеленом чайном листе. Действием полифенолоксидазы объясняется потемнение на разрезе мякоти плодов и ово­щей, картофеля, а также потемнение свежего чайного листа при его скручивании. Полифенолоксидаза играет большую роль в качестве промежуточного звена при дыха­нии растений.

Фермент пероксидаза наряду с полифенолоксидазой и цито­хромоксидазой активно участвует в процессах дыхания растений и защитных реакциях растений против фитопатогенных микроорганизмов растений.

Активная группа пероксидазы содержит железо. С по­мощью фермента пероксидазы за счет перекиси водорода и некоторых других органических перекисей происходит окисление органических соединений. Пероксидаза обра­зует комплексное органическое соединение, вследствие чего перекись активируется и приобретает способность действовать как акцептор водорода:

.

Многие органические соединения реагируют с кисло­родом воздуха и образуют перекиси. Особенно легко обра­зуются перекиси при окислении кислородом воздуха соединений, имеющих непредельные связи: каротиноидов, ненасыщенных жирных кислот, некоторых углеводородов.

Фермент каталаза катализирует процесс расщеп­ления перекиси водорода на воду и кислород:

.

В состав молекулы каталазы, как и пероксидазы, вхо­дит железо. Главное назначение каталазы в организме состоит в том, что она разрушает вредную для клеток перекись водорода, образующуюся в процессе дыхания.

Фермент липоксигеназа катализирует образо­вание перекисей и гидроперекисей при окислительной порче жиров.