Однією зі специфічних особливостей живої клітини є її здатність здійснювати складні реакції за дуже короткий час і при порівняно низькій температурі. Це досягається завдяки утворенню в живих організмах особливо активних каталізаторів, які називаються ферментами.
Ферменти - це біологічні каталізатори білкової природи, що впливають на швидкість хімічної реакції, але не входять до складу її кінцевих продуктів.
Термін «ферменти» виник від латинського слова «Fermentum», що означає «дріжджі». Синонімом є термін «ензими». Перекладається з грецької - в дріжджах. Ці терміни рівнозначні.
Наука про вивчення ферментів називається ферментології або ензимологія.
Ферменти мають і велике практичне значення в усіх галузях харчової промисловості: у виноробстві (бродіння), пивоваріння (виробництво солоду та розщеплення крохмалю), виробництво спирту (гідроліз крохмалю і бродіння), хлібопечення (бродіння), сироваріння (згортання білків під дією сичужного ферменту) , виробництво чаю і тютюну (ферментація ароматичних речовин), виробництво вітамінів, антибіотиків і т.д.
Ферменти можуть перебувати в сировину в природному стані або можуть додаватися в нього у вигляді ферментних препаратів.
Дія природних ферментів може бути:
1. Бажаним. Наприклад, присутність пектолітіческіх ферментів в яблуках призводить до освітлення яблучного соку;
2. Небажаним. Присутність в тих же яблуках поліфенолоксідази призводить до потемніння яблучного пюре.
Існують два шляхи використання ферментів:
1. Направлене регулювання дії ферментів знаходяться в сировині.
Дозволяє покращувати цінні властивості продуктів, смак, аромат зовнішній вигляд. Прискорювати процеси дозрівання, процеси обробки. Наприклад, створюючи оптимальні умови для дії природних ферментів прискорюється дозрівання м'яса, фаршу, риби, ферментація соків, чаю і тютюну. Інактивація ферментів, особливо окисно-відновних, застосовується при виробництві томатного соку, фруктових соків, виробництві овочевих консервів.
2. Виділення потрібних ферментів, очищення їх і використання в якості ферментних препаратів.
Другий шлях більш перспективний і зараз ферментні препарати все більш і більш впроваджуються у виробництво.
Особливості ферментів як біологічних
Ферменти як біологічні каталізатори мають ряд особливостей, які відрізняють їх від каталізаторів неорганічної природи:
3.1 Ферментатівниє реакції протікають в фізіологічно нормальних для живого організму умовах і не вимагають жорстких умов - підвищеної температури, високої кислотності середовища, надлишкового тиску;
3.2 Ферменти як каталізатори строго специфічні, вони каталізують тільки певні біохімічні реакції, діючи лише на певний субстрат;
3.3 Ферментатівниє реакції в живих організмах йдуть послідовно, таким чином, що субстратом для кожного наступного ферменту є кінцевий продукт попередньої йому ферментативної реакції;
3.4 Швидкість ферментативних реакцій висока, але вона залежить від кількості або активності ферменту, концентрації субстрату, рН та складу розчину, температури, присутності активаторів та інгібіторів;
3.5 Ферментатівниє реакції йдуть зі 100% -ним виходом і не дають побічних продуктів реакції;
3.6 Всі ферменти є білками. Молекулярна маса ферментів коливається в широких межах від 12 · 10 3 до 10 · 10 6 Та;
3.7 Ферменти утворюють в клітці Мультиферментний системи, як правило, пов'язані з клітинними структурами. Вони не токсичні.
Механізм дії ферментів
Швидкість хімічної реакції залежить від концентрації реагуючих речовин і від температури, так як ці фактори призводять до збільшення частоти і енергії зіткнення реагуючих молекул. Чим вище температура - міра кінетичної енергії молекул, тим частіше вони можуть стикатися і тим, отже, вище швидкість реакції.
Але швидкість реакції залежить не тільки від концентрації і температури. Загальна кількість зіткнень молекул реагуючих речовин значно більше, ніж число прореагировавших молекул, так як індивідуальні молекули при постійній температурі сильно розрізняються за кількістю що міститься в них енергії. Вступають в реакцію тільки ті молекули, які знаходяться в активному стані, т. Е. Мають енергію, необхідної для подолання активаційного бар'єру реакції. Молекули будуть активовані, якщо отримають додаткову кількість енергії, зване енергією активації.
Енергія активації - це кількість енергії Е. яке необхідно повідомити молекулам реагентів, щоб перевести їх в активний стан, відповідне вершині енергетичного (активационного) бар'єру. Цю енергію молекули можуть отримати шляхом підвищення температури реагуючих речовин. Як правило, підвищення температури на 10 ° С прискорює хімічну реакцію приблизно в 2 рази.
Прискорити хімічну реакцію можна також шляхом додавання до реагує речовин каталізатора. Сутність дії каталізаторів полягає в тому, що каталізатор знижує енергію активації, направляючи реакцію «обхідним» шляхом, що дозволяє молекулам долати енергетичний (активаційний) бар'єр на більш низькому рівні (рис. 1).
Мал. 1. Зміна енергії активації реагуючих речовин в реакції АВ ® A + В в присутності каталізатора і в його відсутності:
Ннач. Нкон - енергія відповідно вихідних речовин і кінцевих продуктів; DН - тепловий ефект реакції; Еакт. Е1акт - енергія активації відповідно некаталізіруемой і катализируемой реакцій
Як видно з рис. 1, каталізатор знижує енергію активації Еакт реагуючих речовин, не впливаючи при цьому на зміну вільної енергії (DН) в ході реакції і на кінцевий стан рівноваги. Реакція АВ ® А + В у присутності каталізатора До йде наступним чином:
Тому в присутності каталізаторів, що знижують енергію активації, набагато більша частка молекул вступає в реакцію в одиницю часу.
Так, наприклад, при гідролізі сахарози на глюкозу і фруктозу в водному середовищі потрібно 133,9 кДж / моль. У присутності іонів Н + енергія активації знижується до 107,1 кДж / моль, а при дії ферменту b-фруктофуранозидази вона становить 39,3 кДж / моль.
Ферменти, так само як і каталізатори іншої природи, утворюють комплекси з субстратами, які потім в ході каталізу розпадаються на фермент і продукти реакції.
Зниження енергії активації реакції гідролізу сахарози під впливом ферменту відбувається внаслідок деякої деформації молекул субстрату. Ця деформація послаблює внутрішньо-молекулярні зв'язки і робить молекулу значно більш здатної до реакції.
Попереднім подією при виконанні будь-якої біологічної функції білка є зв'язування його з іншим з'єднанням - субстратом. При зв'язуванні проявляється одна з найважливіших властивостей ферменту - його специфічність. Для зв'язування необхідні контакт субстрату з активним центром ферменту - контактною поверхнею білка, утвореної декількома специфічними R-групи амінокислот, розташованих певним чином в просторі.
Ферменти поділяють на дві групи:
5.1 Однокомпонентні, що складаються тільки з білкової молекули;
5.2 Двокомпонентні, до складу яких крім білкової входить небілкова (непептідние) частину.
Коферменти - це органічні речовини, як правило, не амінокислотної природи. Вони беруть участь в перенесенні функціональних груп субстрату - атомів водню, ацетил, аміногрупи та ін. Фермент, що містить кофермент, називають холоферменту. а білкову частину його - апоферментом або Ферон. Відповідає за специфічність ферментів (каталаза і пероксидаза). Небілкова - агон або простетичної група. Відповідає за активність ферменту. Якщо простетичної група відокремлюється від білка, вона носить назву коферменту. Реакція освіти холоферменту оборотна:
Кофермент + Апофермент «холоферменту.
Коферменти, як правило, входять до складу активного центру ферменту.
Коферменти в своєму складі містять вітаміни і не можуть синтезуватися організмом людини і тварин. У ряду ферментів коферментами є вітаміни В1. В 2. О 6. О 12. РР, біотин, пантотенова кислота і деякі інші.
Розглянемо як приклад фермент піруватдекарбоксилази. Це типовий двокомпонентний фермент, що каталізує розщеплення піровиноградної кислоти на діоксид вуглецю і ацетальдегід:
Хімічна природа активної групи піруватдекарбоксилази є з'єднанням молекули тіаміну - вітаміну В1 і двох молекул фосфорної кислоти. Ця активна група - тіамінпірофосфат, з'єднуючись із специфічним білком, утворює фермент піруватдекарбоксилази.
Вітамін В2 (рибофлавін) входить до складу ФМН (FMN) і флавінаденіндінуклеотіда (FAD), які є коферментами аеробних дегідрогеназ. Вітамін РР (Амід нікотинової кислоти) - складова частина коферментів анаеробних дегідрогеназ: NAD + (нікотинамід-аденіндінуклеотіда) і NADР + (нікотінамідаденіннукле-отідфосфата).
Коферменти термостабільним, а білкова частина ферменту (апофермент) термолабільних і легко денатурує при несприятливих зовнішніх впливах.
До складу активного центру багатьох ферментів входять гідроксильні групи амінокислоти серину, карбоксильні групи аспарагінової і глутамінової кислот, амінниє групи амінокислоти лізину, сульфгідрильні групи амінокислоти цистеїну.