Оксидоредуктазы

Любой ферментный препарат прежде всего должен быть охарактеризован по его ферментативной активности. Комиссия по ферментам Международного Биохимического Союза рекомендует использовать следующие понятия и выражения единиц активности ферментов.

Химическая природа коферментов, их функции в ферментативных реакциях и механизм действия чрезвычайно разнообразны. Так, например, в качестве коферментов могут выступать витамины и их производные.

Многие ферменты являются двухкомпонентными, то есть состоят из белковой части - апофермента и связанного с ним небелкового компонента - кофермента, участвующего в действии фермента в качестве обязательного кофактора. В результате ферментативных реакций коферменты, как правило, не подвергаются изменениям, однако при ряде последовательно протекающих реакций кофермент может представлять собой субстрат для отдельных ферментов, хотя и регенерируется в конечном счете в исходной форме.

Лабильность. Они подвержены влиянию различных факторов и могут изменять свою активность под действием рН, температуры, присутствия активаторов и ингибиторов и др. Лабильность (или, иными словами, изменчивость) ферментов обусловлена их белковой природой, сложной пространственной конфигурацией (структурой).

Специфичность действия ферментов. Они катализируют строго определенные реакции. Только благодаря тончайшей специфичности ферментативного катализа возможна строгая упорядоченность и теснейшая взаимосвязь отдельных ферментативных реакций, лежащих в основе биологического обмена веществ.

ОБЩИЕ СВОЙСТВА ФЕРМЕНТОВ

В настоящее время многие отрасли промышленности - хлебопечение, виноделие, пивоварение, производство спирта, сыроделие, производство органических кислот, чая, аминокислот, витаминов, антибиотиков - основаны на использовании различных ферментативных процессов.

Ферменты − биологические катализаторы белковой природы. Они значительно повышают скорость химических реакций, которые в отсутствие ферментов протекают очень медленно. При этом ферменты не расходуются и не претерпевают необратимых изменений.

Ферменты, являясь по своей природе белками, обладающими третичной или четвертичной структурой, имеют ряд особенностей, которые отличают их от неорганических катализаторов:

1) огромная сила каталитического действия. Ферменты в 10⁸- 10²⁰ раз повышают скорость катализируемых ими реакций.

По степени специфичности отдельные ферменты довольно сильно различаются между собой. Выделяют следующие основные типы специфичности:

− абсолютная специфичность − фермент катализирует превращение только одного субстрата;

− групповая специфичность − фермент действует на группу родственных субстратов, обладающих определенными структурными особенностями;

− специфичность по отношению к определенным типам реакций − такие ферменты обнаруживают наименьшую специфичность, они действуют независимо оттого, какие группы присутствуют вблизи той связи, на которую направлено действие фермента;

− стереохимическая специфичность - фермент катализирует превращение только одной стереохимической формы субстрата.

− Стандартная единица фермента - это такое количество фермента, которое катализирует превращение одного микромоля данного субстрата за одну минуту при заданных условиях. Стандартная единица фермента обозначается буквой E (от русского слова "единица") или буквой U (от английского слова "unit").

− Удельная активность- это число единиц (E или U), отнесенное к одному миллиграмму белка в ферментном препарате. Количество белка в препарате фермента может быть определено любым известным методом определения белка (метод Кьельдаля, метод Лоури и др.).

− Молекулярная активность - число молекул данного субстрата или эквивалентов затронутых групп, превращаемых за одну минуту одной молекулой фермента при оптимальной концентрации субстрата. Это понятие соответствует числу оборотов, введенных Варбургом. Число оборотов по Варбургу - это число молей превращенного субстрата, приходящееся на моль фермента за минуту. Для определения молекулярной активности фермента нужно знать его молекулярную массу.

− Катал - каталитическая активность, способная осуществлять реакцию со скоростью равной 1 молю в секунду в заданной системе измерения активности. Каталитическая активность в 1 катал (кат) при практическом применении оказывается слишком большой величиной, по этому в большинстве случаев каталитические активности выражают в микрокаталах (мккат), нанокаталах (нкат) или пикокаталах (пкат). Стандартная единица фермента находится с каталом в следующем соотношении: 1 E (U) = 16,67 нкат.

КЛАССИФИКАЦИЯ И НОМЕНКЛАТУРА ФЕРМЕНТОВ

Катализируемая химическая реакция представляет собой тот специфический признак, по которому один фермент отличается от другого. Поэтому естественно и логично, что классификация и номенклатура ферментов основывается на этом принципе. Современная классификация ферментов разработана специальной Комиссией Международного Биохимического Союза и изложена в книге "Номенклатура ферментов", которая вышла в русском переводе в 1979 г.

В основе классификации лежат три положения:

а) все ферменты делятся на 6 классов по типу катализируемой реакции;

б) каждый фермент получает систематическое название, включающее название субстрата, тип катализируемой реакции, и окончание "аза"; кроме того, Комиссией были сохранены и узаконены тривиальные названия. Таким образом, возникла двойная система наименования ферментов;

в) каждому ферменту присваивается четырехзначный шифр (код). Первое число указывает класс ферментов, второе − подкласс, третье − подподкласс, четвертое − порядковый номер фермента в подподклассе.

Например, алкогольдегидрогеназа (Н.Ф.1.1.1.1): первая цифра − 1 − означает класс оксидоредуктаз, вторая цифра − 1 − подкласс дегидрогеназ (действует на СН − ОН-группу доноров), третья цифра − 1 − подподкласс анаэробные дегидрогеназы (акцептором служит НАД⁺ или НАДФ⁺), четвертая цифра − 1 − конкретный фермент алкогольдегидрогеназа.

Или α-амилаза (Н.Ф.3.2.1.1): первая цифра − 3 − класс гидролаз, вторая цифра − 2 − подкласс карбогидраз, третья цифра − 1 − подподкласс полиаз, четвертая цифра − 1 − конкретный фермент α-амилаза.

Современная международная классификация ферментов делит все ферменты на 6 основных классов:

1 класс − оксидоредуктазы − ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции (присоединение О₂, отнятие и перенос Н₂, перенос электронов);

2 класс − трансферазы − ферменты переноса. Катализируют перенос целых атомных группировок с одного соединения на другое (например, остатков моносахаридов, аминокислот, остатков фосфорной кислоты, метальных и аминных групп и т.д.);

3 класс − гидролазы − ферменты, катализирующие реакции гидролиза, то есть расщепления сложных органических соединений на более простые с участием воды. Эти реакции могут быть выражены следующим уравнением:

RR₁ + НОН → R — OH + R₁ — H;

4 класс − лиазы − ферменты, катализирующие реакции негидролитического отщепления каких-либо групп от субстрата с образованием двойной связи или присоединение группировок по месту разрыва двойной связи (например, отщепление Н₂О, СО₂, NH₃ и т.д.);

5 класс − изомеразы − ферменты, катализирующие реакции изомеризации, то есть внутримолекулярного переноса химических группировок и образование изомерных форм различных органических соединений;

6 класс − лигазы (синтетазы) − ферменты, катализирующие реакции синтеза, сопряженные с разрывом высокоэнергетической связи АТФ и других нуклеозидтрифосфатов (при этом возможно образование С-С-; C-S-; С-О-; и C-N- связей).

В табл. 8.2 представлены шифры, принятые для различных ферментов, их систематические и тривиальные названия. В таблицу включены лишь ферменты, имеющие принципиальное значение при хранении, переработке сырья и в производстве пищевых продуктов. В дальнейшем, везде где это возможно, будут применяться тривиальные названия.

Внимание технологов, перерабатывающих биологическое сырье, привлекают прежде всего ферменты 1-го класса − оксидоредуктазы, а также 3-го класса − гидролазы, поскольку при переработке пищевого сырья происходит разрушение клеточной структуры биологического материала, повышается доступ кислорода воздуха к измельченным тканям и создаются благоприятные условия для действия ферментов типа оксигеназ, а также высвобождаются гидролитические ферменты, которые активно расщепляют все основные структурные компоненты клетки (белки, липиды, полисахариды), в связи с чем процессы распада клеточного содержимого (процессы автолиза, самопереваривания) становятся преобладающими.

Таблица. 8.2. Номенклатура ферментов, имеющих значение в пищевой промышленности ["Номенклатура ферментов", Рекомендации 1972 г. − М., 1979 (под ред. акад. А. Е Браунштейна)]

Шифр	Систематическое название	Тривиальное название
Оксидоредуктазы
1.1.3.4	β-D-глюкоза: О2-оксидоредуктаза	Глюкозооксидаза
1.11.1.6	Н2О2: Н2О2-оксидоредуктаза	Катал аза
1.14.18.1	Монофенол, дигидрооксифенилаланин: О2-оксидоредуктаза	Монофенолоксидаза, полифенолоксидаза, тирозиназа, фенолаза
Гидролазы
3.1.1.3	Триацилглицерол — ацилгидролаза	Липаза, триацилглицероллипаза
3.1.1.11	Пектин-пектилгидролаза	Пектинэстераза
3.2.1.1	1,4-α-О-глюкан глюканогидролаза	α-Амилаза
3.2.1.2	1,4-α-О-глюкан мальтогидролаза	β-Амилаза
3.2.1.3	1,4-α-О-глюкан глюкогидролаза	γ-Амилаза, глюкоамилаза
3.2.1.4	1,4-β-О-глюкан-4-глюкангидролаза	Целлюлаза
3.2.1.15	Поли-α- 1,4-галактуронид-гликаногидролаза	Полигалактуроназа
3.2.1.20	α-D-глюкозид глюкогидролаза	α-Гликозидаза
3.2.1.21	D-глюкозид глюкогидролаза	β-Гликозидаза
3.2.1.23	β-D-глюкозид галактогидролаза	Лактаза, β-галактозидаза
3.4.23.1	—	Пепсин
3.4.23.4	—	Химозин (реннин)
3.4.21.4	—	Трипсин
3.4.21.1	—	Химотрипсин
3.4.22.5	—	Эластаза
3.4.21.1	—	Папаин
3.4.21.6	—	Химопапаин
3.4.22.6	—	Фицин
3.4.22.3	—	Бромелаин
3.4.22.14	—	Субтилизин
3.4.23.6	—	Кислая протеиназа
3.4.24.3	—	Коллагеназа
Изомеразы
5.3.1.9	D-глюкозо-6-фосфат-кетолизомераза	Глюкозоизомераза, глюкозофосфат-изомераза

Полифенолоксидаза (Н.Ф. 1.14.18.1). Этот фермент известен под различными тривиальными названиями: о-дифенолоксидаза, тирозиназа, фенолаза, катехолаза и др. Фермент может катализировать окисление моно-, ди- и полифенолов.

С действием этого фермента связано образование темноокрашенных соединений − меланинов при окислении кислородом воздуха аминокислоты − тирозина. Потемнение срезов картофеля, яблок, грибов, персиков и других растительных тканей в большей степени или полностью зависит от действия полифенолоксидазы. В пищевой промышленности основной интерес к этому ферменту сосредоточен на предотвращении ферментативного потемнения, которое имеет место при сушке плодов и овощей, а также при производстве макаронных изделий из муки с повышенной активностью полифенолоксидазы. Эта цель может быть достигнута путем тепловой инактивации фермента (бланшировка), добавлением ингибиторов (NaHSO₃, SO₂, NaCl) или связыванием субстрата посредством метилирования.

Положительная роль фермента проявляется при некоторых ферментативных процессах: например, при ферментации чая. Окисление дубильных веществ чая под действием полифенолоксидазы приводит к образованию темноокрашенных и ароматических соединений, которые определяют цвет и аромат черного чая.

Дата добавления: 2014-01-07