Введение
После того как стало возможным исследование ферментов в бесклеточной среде, была окончательно установлена их химическая природа. Было выявлено, что все они представляют собой вещества белковой природы и как все белки, могут быть простыми и сложными в зависимости от сопутствующего компонента небелкового характера (простетической группы).
Ферменты отличаются от обычных катализаторов своей большей специфичностью, а также способностью ускорять течение химических реакций в условиях нормальной жизнедеятельности организма.
Ферменты присутствуют во всех живых клетках — животных, растительных, бактериальных. Большинство ферментов находится в тканях в ничтожных концентрациях, однако известны случаи, когда ферментативной активностью обладает белок, составляющий значительную часть клеточной плазмы, например миозин в мышечной ткани.
Представления о природе микробных токсинов получены благодаря исследованиям патогенных бактерий.К 1890 г. были обнаружены первые токсины двух патогенных микроорганизмов: Corynebacterium diphtheriae и Clostridium tetani.
Ряд живых организмов в качестве защиты от потенциальных врагов вырабатывают сильно ядовитые вещества - токсины. Многие из них являются белками, однако, встречаются среди них и сложные низкомолекулярные органические молекулы. Токсичность – способность патогенного микроба вырабатывать и выделять ядовитые вещества, вредно действующие на организм. Микробы, способные образовывать токсины, получили название токсигенных.
Токсины бактерий – продукты метаболизма, оказывающие непосредственное токсическое воздействие на специфические клетки макроорганизма, либо опосредованно вызывающие развитие симптомов интоксикации в результате индукции ими образования биологически активных веществ.
Открытие ферментов
Науку составляет не только достигнутый результат, но и путь ведущий к результату путь от незнания к знанию, медленный, извилистый, скачкообразный, в каждой области зависящий от достижений смежных наук и общего развития мировоззрения. Ещё в незапамятные времена, на заре возникновения цивилизации, люди в своей практической деятельности сталкивались с различными ферментативными процессами и использовали их для своих целей. Это спиртовое и молочнокислое брожение, применение сычуга для приготовления сыров, солода и плесневых грибов- для осахаривания продуктов.
Вероятно, первым, кто попытался создать общее представление о химических процессах в живом организме, был врач и ученый Парацельс, родившийся в Швейцарии в конце XV века. Несмотря на наивность (с совершенной точки зрения), взгляды Парацельса во многом были прогрессивными, так как для понимания жизненных явлений он пытался привлечь реальные силы природы. Именно с этих позиций Парацельс и его последователи подошли к рассмотрению сущности ферментации, давно известного понятия обозначавшего разного рода брожения, главным образом спиртовое и молочнокислое.
В XVI и начале XVII века уже делались попытки рассматривать ферментации как химические процессы. И Василий Валентин (первая половина XVI века), и Андрей Либавий (1550-1616 годы) считали ферменты (или дрожжи) особым веществом, хотя и подчиняли его действия неким не материальным силам. Другим последователем Парацельса был знаменитый голландский химик Иоганн Баптиста Ван Гельмонт (577-1644 годы). Именно он охарактеризовал фермент как агент, вызывающий химические процессы в организме и управляющий ими. Качественный скачок в развитии учения о ферментациях произошёл в связи с исследованиями великого французского химика Антуана Лавуазье, совершившего переворот в химии и впервые внедрившего в химические исследования строгие количественные методы. К концу XVIII века уже было известно, что встречаются химические процессы, протекающие с участием какого-то агента, без которого процесс практически не идёт.
Первые успехи были достигнуты при изучении превращения крахмала в сахар. Решающая роль в этих исследованиях принадлежит работам петербургского академика К. С Кирхгофа, которые открыли новую страницу в истории и химия ферментов. В начале XIX века было открыто немало химических реакций, среди них были и некоторые ферментативные реакции. Юстус Либих был одним из наиболее крупных авторитетов среди химиков XIX века. В это время было открыто ещё несколько ферментов. В 1836 году Т.Шванн впервые обнаружил в желудочном соке фермент животного происхождения, названный им пепсином. Несколько позже, в 1857 году, А.Корвизар описал другой фермент, переваривающий белки - трипсин. В XIX веке (1897 год) Эдуард Бухнер убедительно доказал химическую природу ферментов. В 1907 году - Эдуард Бухнер был удостоен Нобелевской премии по химии.
Состав ферментов
После того как стало возможным исследование ферментов в бесклеточной среде, была окончательно установлена их химическая природа. Было выявлено, что все они представляют собой вещества белковой природы и как все белки, могут быть простыми и сложными в зависимости от сопутствующего компонента небелкового характера (простетической группы).
Ферменты - простые белки - построены только из аминокислот, и их каталитические свойства обусловлены свойством самой белковой молекулы. К этой группе ферментов относится большинство гидролитических ферментов.
Ферменты- сложные белки - содержат в своём составе, помимо белкового компонента, ещё и небелковый- например, нуклеотиды, геминовую группу, витамины, атомы (катионы) металла. К таким ферментам обычно относятся ферменты окислительно-восстановительного действия. Прочность связи между белковым компонентом и простетической группой в сложных ферментах может быть различной. В некоторых случаях связь прочная, в других - простетическая группа довольно легко отделяется, например при диализе. Легко диссоциирующие простетические группы ферментов получили название коферментов. При отделении простетической группы от белковой части фермента - последний теряет свою активность.
В простых ферментах активный центр образуется непосредственно группировкой аминокислотных остатков в спиральной цепи белковой молекулы. В сложных ферментах он образуется простетической группой и некоторыми прилегающими к ней остатками. Размер активных центров значительно меньше самой молекулы фермента. На один активный центр приходится масса молекулы с молекулярным весом 30000.
В простых ферментах пространственная группировка этих аминокислотных остатков сама по себе определяет структуру активного центра и каталитическую активность фермента. В сложных ферментах структура активного центра определяется простетической группой и боковыми группами некоторых аминокислотных остатков, пространственная структура которых оказывает существенное влияние на специфичность и каталитическую активность небелкового компонента. Среди таких аминокислотных остатков наибольшее значение имеют SH- группы цистеина, OH- группы серина, несколько меньшее значение имеет индольная группа триптофана, карбонильные группы дикарбоновых аминокислот. Компоненты активного центра нельзя представлять последовательно расположенными на каком - либо участке цепи. По- видимому, активный центр формируется из компонентов, удалённых в первичной структуре полипептидной цепи, но пространственно сближенных благодаря специфической укладке полипептидной цепи.
Ферменты отличаются от обычных катализаторов своей большей специфичностью, а также способностью ускорять течение химических реакций в условиях нормальной жизнедеятельности организма.
Ферменты присутствуют во всех живых клетках — животных, растительных, бактериальных. Большинство ферментов находится в тканях в ничтожных концентрациях, однако известны случаи, когда ферментативной активностью обладает белок, составляющий значительную часть клеточной плазмы, например миозин в мышечной ткани.
Ферменты, обладающие одинаковым каталитическим действием, но отличающиеся по своим физико-химическим свойствам, называются изоферментами (изоэнзимами).
Ферменты обладают строгой специфичностью по отношению к субстрату (т. е. избирательно взаимодействует с теми или иными химическими веществами и соединениями). Например, лактаза (находится в кишечном соке) расщепляет только дисахарид-лактозу и производные лактозы (лактобионовую кислоту, лактоуреиды и др.) с образованием смеси глюкозы и галактазы; мальтаза расщепляет мальтозу на две молекулы глюкозы, а амилаза действует только на крахмал, гликоген и другие полисахариды.
В результате последовательного действия перечисленных, а также других ферментов углеводы пищевых продуктов превращаются в моносахариды и всасываются кишечной стенкой. Специфичность ферментов определяется тем, что они вступают во взаимодействие с определенной химической группировкой субстрата. Например,пепсин действует на белки, расщепляет связи, находящиеся внутри полипептидной цепи молекулы белка, при этом молекула белка расщепляется на полипептиды, которые затем под действием других ферментов —трипсина, химотрипсина и пептидаз могут расщепляться до аминокислот.
Специфичность ферментов играет, таким образом, важную биологическую роль; благодаря ей в организме достигается последовательность течения химических реакций. Неорганические ионы активируют ряд ферментов; некоторые ферменты (металлоферменты) вообще неактивны, если отсутствует тот или иной, специфичный для данного фермента ион. Участки ферментов, ответственные за локализацию и активацию субстрата в ферментативном процессе, называют активными центрами ферментов. В образовании активного центра участвуют специфические аминокислотные остатки белковой молекулы, сульфгидрильные группы и простетические группы, если они имеются.
Так, в состав ферментов, носящих групповое название флавопротеидов, в качестве простетической группы входит флавиновое производное (обычно это флавинадениндинуклеотид — ФАД). Легко окисляясь и восстанавливаясь, флавиновые простетические группы выполняют функцию биологических переносчиков водорода, например при дегидрировании аминокислот с участием кислорода или при дегидрировании с участием цитохромов в митохондриях начальных компонентов дыхательной цепи (таких, как сукцинат, холин, саркозин и др.). Аналогичные функции выполняют и другие дыхательные пигменты (гемоглобин и миоглобин — у высших животных и человека, а также гемэритрин, эритрокруокрин, гемоцианин и другие — у низших животных). Все эти ферменты объединяет наличие в составе активного центра атомов металла (железа или меди).
Ферменты микроорганизмов и их классификация
Использование ферментов микробов в практической деятельности человека.
Ферменты — биологические катализаторы. Они катализируют тысячи химических реакций, из которых слагается метаболизм микроорганизма. В настоящее время известно около двух тысяч ферментов.
Ферменты представляют собой белки с i молекулярной массой от 10000 до нескольких миллионов. Название ферменту дается по веществу, на которое он действует с изменением окончания на «аза». Например, целлюлаза катализирует гидролиз целлюлозы до целлобиозы, уреаза катализирует гидролиз мочевины (urea) до аммиака и С02 и т. п. Однако чаще фермент получает название, которое указывает на природу катализируемой им химической реакции.
Ферменты синтезируются самой микробной клеткой и имеют сложное строение. Некоторые состоят из белка – протеина, а другие представляют собой протеиды, состоящие из белка – апофермента и структуры небелковой природы – кофермента. В этом случае апофермент соединяется с активной группой изменяемого вещества, а кофермент способствует течению реакции.
Современная классификация ферментов также строится с учетом природы катализируемых ими реакций. Согласно разработанной комиссией по ферментам Международного биохимического союза классификации, они подразделяются на шесть главных классов.
Оксидоредуктазы — это ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции. Они играют большую роль в процессах биологического получения энергии. К ним относятся дегидрогеназы (НАД, НАДФ, ФАД), цитохромы (Ь, с, сь а, а), ферменты, участвующие в переносе водорода, электронов и кислорода, и др.
Трансферазы катализируют перенос отдельных радикалов, частей молекул или целых атомных группировок от одних соединений к другим. Например, ацетилтрансферазы переносят остатки уксусной кислоты — СН3СО, а также молекул жирных кислот; фосфотрансферазы, или киназы, обусловливают перенос остатков фосфорной кислоты Н2Р 0 3 2 _. Известны многие другие трансферазы (аминотрансферазы, фосфорилазы и т. д.).
Гидролазы катализируют реакции расщепления и синтеза таких сложных соединений, как белки, жиры и углеводы, с участием воды. К этому классу относятся протеолитические ферменты (или пептидгидролазы), действующие на белки или пептиды; гидролазы глюкозидов, осуществляющие каталитическое расщепление углеводов и глюкозидов (р-фруктофуранозидаза, а-глюкозидаза, а- и р-амилаза, р-галактозидаза и др.); эстеразы, катализирующие расщепление и синтез сложных эфиров (липазы, фосфатазы).
Лиазы включают в себя ферменты, катализирующие отщепление от субстратов определенных химических групп с образованием двойных связей или присоединение отдельных групп или радикалов к двойным связям. Так, пируватдекарбоксилаза катализирует отщепление С02 от пировиноградной кислоты.
К лиазам относится также фермент альдолаза, расщепляющий шестиуглеродную молекулу фруктозо-1,6-дифосфата на два трех-углеродных соединения. Альдолаза имеет большое значение в процессе обмена веществ.
Изомеразы осуществляют превращение органических соединений в их изомеры. При изомеризации происходит внутримолекулярное перемещение атомов, атомных группировок, различных радикалов и т. п. Изомеризации подвергаются углеводы и их производные, органические кислоты, аминокислоты и т. д. Ферменты этой группы играют большую роль в ряде процессов метаболизма. К ним относятся триозофосфатизомераза, глюкозофосфатизомера-за и др.
Лигазы катализируют синтез сложных органических соединений из простых. Например, аспарагинсинтетаза осуществляет синтез амида аспарагина из аспарагиновой кислоты и аммиака с обязательным участием аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), дающей энергию для этой реакции.
К группе лигаз относятся также карбоксилазы, катализирующие присоединение С02 к различным органическим кислотам. Например, фермент пируваткарбоксилаза катализирует синтез щаве-левоуксусной кислоты из пировиноградной и С02.
Каждый класс ферментов обозначается цифрами. Первая цифра означает класс фермента; вторая – подкласс, указывающий соединение, на который действует фермент; третья – подподкласс; четвёртая – номер фермента. Все цифры разделяются точками. Так, каталаза обозначается 1.11.1.6.