Общая характеристика. Все разнообразные и многочисленные биохимические реакция, протекающие в живом организме в связи с его обменом веществ

Все разнообразные и многочисленные биохимические реакция, протекающие в живом организме в связи с его обменом веществ, ростом и развитием, совершаются при участии ферментов – биологических катализаторов, вырабатываемых клетками организма.

Ферменты «есть в полном смысле возбудители жизни»,– писал академик И. П. Павлов.

Структура и свойства ферментов.Ферменты представляют собой белки простые (протеины) или сложные (протеиды), состоящие из белка и небелкового компонента, называемого π ρ о -стетической (активной) группой. Таким образом, есть ферменты однокомпонентные и двухкомпонентные.

В состав простетической группы ферментов входят витамины или их производные, различные металлы (Fe, Co, Си), азотистые основания и др.

Простетическая группа ферментов обусловливает их каталитическую способность, а белковая часть – специфические свойства, избирательную способность действовать на определенный субстрат.

Прочность связи простетической группы с белком у разных ферментов неодинакова. У некоторых простетическая группа легко может отделяться от белковой части и вступать во временную связь с другими белками. Такие простетические группы называют коферментами.

В однокомпонентных ферментах роль активной группы выполняют определенные химические группировки в молекуле белка, составляя активный центр фермента. Такими группировками могут быть SH-группа, остатки отдельных аминокислот и др.

Ферменты обладают очень высокой активностью. Ничтожно малого количества фермента достаточно, чтобы вовлечь в реакцию значительную массу реагирующего вещества (субстрата). Например, грамм амилазы при благоприятных условиях может превратить в сахар тонну крахмала.

Ферменты действуют чрезвычайно быстро, резко ускоряя реакцию. Молекула фермента за минуту может вызвать превращение десятков и сотен тысяч молекул соответствующего субстрата.

Характерной особенностью ферментов, отличающей их от неорганических катализаторов, является субстратная специфичность и специфичность действия – каждый фермент взаимодействует лишь содним определенным веществом и катализирует лишь одно из тех превращений, которым может подвергаться данное вещество. Например, фермент лактаза вызывает расщепление только молочного сахара (лактозы) на глюкозу и галактозу и не действует на другие углеводы; фермент каталаза – только перекись водорода с образованием воды и свободного кислорода и т. д.

Специфичность ферментов обусловлена структурными особенностями молекул фермента и субстрата. Субстрат и фермент подходят друг к другу, как ключ к замку.

Катализируемая ферментом реакция начинается со связывания субстрата с белковой частью фермента в определенном участке ее – активном центре. Образуется комплекс фермент-субстрат. По окончании реакции образовавшийся комплекс фермента с продуктами реакций распадается с освобождением исходного фермента и конечных продуктов ферментативного процесса (рис. 18).

Ферменты отличаются неустойчивостью (лабильностью) к воздействию ряда факторов внешней среды. Эта неустойчивость во многом объясняется белковой природой ферментов и выражается в том, что они теряют свою активность (инактивируются).

Рис. 18. Схема взаимодействия фермента с субстратом

Условия действия ферментов.Важнейшим фактором, определяющим активность ферментов, является температура. По мере повышения температуры возрастает начальная скорость ферментативной реакции. Однако при достижении известного предела дальнейшее повышение температуры вызывает денатурацию ферментного белка. Концентрация активного фермента в субстрате непрерывно уменьшается, и чем выше температура, тем быстрее происходит деструкция фермента. Эта сложная зависимость ферментных реакций от температуры показана на рис. 19.

Ход ферментативной реакции при различных значениях температуры практически характеризуется кривой ОМС, как некоторой результирующей двоякое действие повышения температуры: с одной стороны, ускорение химической реакции, с другой – повышение скорости инактивации фермента.

Оптимальная температура, при которой данный фермент наиболее активен, для разных ферментов различна и в известной мере характеризует каждый фермент. У холодолюбивых микроорганизмов температурный оптимум ферментов значительно ниже, чем у теплолюбивых. Однако оптимальная температура действия каждого фермента не является постоянной величиной и зависит от условий, в частности от продолжительности реакции.

Некоторые ферменты после тепловой инактивации восстанавливают свою каталитическую активность (в случае обратимого процесса денатурации белка).

Уровень температуры, вызывающий денатурацию различных ферментов, неодинаков. Для одних ферментов это 40– 50 °С, для других (термоустойчивых) – только 70 °С, но при температуре около 100 °С почти все ферменты полностью инак-тивируются.

При температуре ниже оптимальных пределов скорость ферментативных процессов уменьшается. В условиях температур, близких к нулю, и особенно ниже нуля, эти реакции значительно замедляются, а некоторые приостанавливаются, хотя при таких температурах ферменты заметно не разрушаются. Имеются исследования, показывающие, что ферменты сохраняют свою активность в замороженных продуктах.

Лучистая энергия (ультрафиолетовые лучи, радиоактивные излучения) инактивирует ферменты.

Большое влияние на ход ферментативных процессов оказывает pH среды. Для одних ферментов лучшей является среда со слабокислой реакцией, для других – со слабощелочной реакцией. Для действия каждого фермента имеется свое оптимальное значение рН среды. При значении pH выше или ниже оптимальной величины активность ферментов снижается.

На активность ферментов влияет и присутствие в среде некоторых химических веществ. Одни из них ускоряют ферментативную реакцию (активаторы), другие способны снижать ее или полностью приостановить (ингибиторы). Действие многих активаторов и ингибиторов специфично.

Активаторами ферментов являются металлы (Си, Ni, Mg, Co) и некоторые органические вещества, например витамины.

Ингибиторами ферментов служат соли тяжелых металлов, антибиотики, H₂S и др. Сущность действия ингибиторов состоит в том, что они соединяются с активными группами или активными центрами ферментов, парализуя тем самым связывание с ними субстрата.

Концентрация субстрата, т. е. вещества, на которое действует фермент, и концентрация фермента также влияют в известной мере на скорость процессов. При малых концентрациях субстрата, когда фермент оказывается в избытке, скорость ферментативной реакции падает; уменьшение скорости реакции наблюдается и при избытке субстрата.

Рис. 19. Действие температуры на активность ферментов:

0А – скорость реакции; DB – скорость инактивирования ферментов; ОМС – ход ферментативной реакции

Биохимические процессы, протекающие в микробных клетках,- регулируются ферментами, поэтому любой фактор, действующий на активность фермента, будет действовать и на микроорганизм.

Каждый микроорганизм обладает комплексом разнообразных ферментов, своеобразием и активностью которых определяется их биохимическая деятельность, избирательность в отношении питательных веществ, роль микроорганизмов в круговороте веществ в природе, в процессах порчи пищевых продуктов.

Многие ферменты микроорганизмов аналогичны ферментам растений и животных, но существуют и такие, которые не встречаются ни в растениях, ни у животных.

Ферменты, присущие данному микроорганизму, входящие в число компонентов его клетки, называют конститутивными. Существуют ферменты индуцируемые (адаптивные), которые вырабатываются клеткой только при добавлении к среде вещества (индуктора), стимулирующего синтез данного фермента. Например, микроорганизм, не ассимилирующий мальтозу, можно приучить к использованию ее, культивируя в среде с этим сахаром как единственным источником углерода. В этих условиях микроорганизм синтезирует фермент мальтазу, которым ранее он не обладал.

В живой клетке действие ферментов происходит упорядочение, строго согласованно. Ферменты локализованы в различных клеточных структурах (в мезосомах, митохондриях, цито-плазматической мембране и др.).

Некоторые ферменты выделяются микроорганизмами наружу (в среду); их принято называть экзоферментами. Они играют большую роль в подготовке пищи к ее поступлению в клетку. Происходит внеклеточное «переваривание» пищи – расщепление сложных веществ субстрата (крахмала, белков и др.) на более простые, способные проникать в клетку. Ферменты, не выделяющиеся при жизни клетки в окружающую среду, называют эндоферментами (внутриклеточными). Они участвуют во внутриклеточных процессах обмена веществ.

Хотя ферменты вырабатываются клеткой, но и после ее смерти временно остаются в активном состоянии и может произойти автолиз (от греч. autos – сам, lysis – растворение) – саморастворение, или самопереваривание, клетки под влиянием внутриклеточных ферментов. При разрушении клеток ферменты поступают в среду – в субстрат, в котором развивались микроорганизмы. При хранении пищевых продуктов, значительно обсемененных микроорганизмами, даже в условиях, исключающих их развитие, возможно снижение качества продуктов за счет ферментов автолизированных микробных клеток.