Будова активного центру ферментів

Структура активного центру є комплементарною до просторової будови субстрату (теорія Е.Фішера про відповідність ферменту і субстрату як „ключа і замка”). Пізніші теорії ферментативного каталізу (Д.Кошленд) враховують можливі взаємні зміни просторових конформацій ферменту і субстрату під час їх взаємодії („теорія індукованої відповідності ферменту і субстрату”). Активний центр ферменту складається з 2-ділянок.

• ділянка, що зв’язує субстрат, або контактна („якірна”) ділянка; вона містить радикали полярних (зв’язують молекули субстрату за рахунок водневих зв’язків або дипольних взаємодій) або неполярних амінокислотних залишків (створюють в активному центрі гідрофобні зони, що взаємодіють із відповідними радикалами в субстраті).

• каталітично активна ділянка, до складу якої входять хімічні групи, що беруть безпосередню участь у перетворенні субстрату (групи -ОН, -SH, -NH₃^-, -СОО).

Активність ферменту

Особливі властивості ферментів: Висока каталітична активність (амілаза за 1хв. перетворює 1100000 молекул субстрату). При пророщуванні зерна різко зростає дія ферментів зерна, починається процес гідролітичного розщеплення, відкладених в ендоспермі, складних речовин з утворенням більш простих речовин – розчинних у воді, доступних для подачі у паросток. Сильно збільшується дихальний газообмін зерна. Характерною особливістю пророщеного зерна є збільшення активності всіх гідролаз і оксидоредуктаз, що проявляється ще до появи зовнішніх ознак проростання. Проте спричиняє зміну технологічних і хлібопекарських властивостей зерна. Каталітична дія ферменту (ферментативна активність) визначається за стандартних умов за збільшенням швидкості (фіолетовий колір на схемі) каталітичної реакції (оранжевий колір) порівняно з некаталітичною (жовтий колір). Швидкість реакції визначають за зміною концентрації субстрату або продукту за одиницю часу (моль/(л·с)). Каталітична активність не залежить від об’єму розчину, в якому відбувається реакція. Каталітична активність ферментів виражається у каталах, млкаталах, мккаталах. Катал – це каталітична активність ферменту, який здійснює хімічне перетворення 1 моль субстрату за 1с. Іншою одиницею активності є міжнародна одиниця (E) — кількість ферменту, що перетворює 1 мкмоль субстрату за 1 хвилину (1 E = 16,7 нкат). На активність ферментів впливають: температура, значення рН середовища, активатори та інгібітори.

• Чутливість до температури (термочутливі та термолабільні).

При підвищенні температури каталітична активність ферментів збільшується, але до певної межі. При t>80⁰С – денатурація білкового компонента, втрата активності ферментів. При низьких температурах – дія ферментів припиняється (не руйнуються);

Оптимальна активність ферментів спостерігається при t = 37 – 40⁰С (збільшення швидкості ферментативної реакції). Якщо при захворюванні температура тіла людини підвищилась до 39,5 С, то це свідчить про прискорення біохімічних процесів у 1,13 – 1,39 рази (13-19%). Підвищення температури до 40 ‑ 42⁰С призводить до швидкого зниження біохімічного процесу у зв’язку з денатурацією та інактивацією ферментів.

Дія ферментів тваринного походження оптимальна при t = 40 – 50 С; для ферментів рослинного походження t = 50 – 60 С.

• Чутливість до рН середовища (зумовлена іонізацією активного центру, субстрату і кофакторів, що впливає на формування активного фермент ‑ субстратного комплексу).

Кожний фермент має свій рН-оптимум, тобто значення рН середовища, при якому його каталітична активність максимальна.

Оптимальні значення рН для:

• пепсину 1,5–2,5;

• трипсину 7,5-8,5;

• хімозину 6,0;

• кишкової мальтази 5,8-6,1;

• амілази слини 6,8-7,0;

• панкреатичної ліпази 7,0-8,5.

  • Активатори ферментів підвищують активність ферментів – мінеральні кислоти (НСІ) і жовчні кислоти, катіони металів (Са²⁺, Mg²⁺, Со²⁺, Сu²⁺), аніони (СІ^-), деякі сполуки з функціональними групами (цистеїн, глутатіон), ферменти (ентерокіназа, трипсин).

  • Інгібітори – речовини, що знижують активність ферментів і спричиняють гальмування ферментативних процесів.

• оборотне гальмування (утворення слабкого комплексу, який має здатність розпадатися з вивільненням ферменту);

• необоротне гальмування (міцний комплекс, поступове зв’язування і вилучення ферменту із середовища).

Специфічність дії ферментів, зумовлена конформаційною та електростатичною компліментарністю між молекулами ферменту; субстрату і структурою активного центру ферменту. Суттєва особливість каталітичної дії ферментів полягає у специфічності, тобто дія ферменту направлена на строго визначені хімічні зв’язки. Поняття специфічності належить до типів каталітичних реакцій (реакційна специфічність), до природи сполук ‑ субстратів (субстратна специфічність). На схемі наведені ферменти, які розщеплюють хімічний зв’язок. Високоспецифічні ферменти типу А (верхня строчка таблиці) каталізують розщеплення тільки одного типу зв’язку в субстратах певної структури. Ферменти типу Б (середня строчка) виявляють обмежену реакційну специфічність, проте широку субстратну специфічність. Ферменти типу В з низькою реакційною та низькою субстратною специфічностями (нижня строчка) зустрічаються рідко. Специфічність: • абсолютна (каталізують лише одну реакцію – фермент уреаза каталізує гідролітичне розщеплення сечовини на СО2 і NH3); • абсолютна групова (каталізують певний тип реакції – пепсин, трипсин, хімотрипсин каталізують розщеплення пептидних зв’язків у білках і пептидах); • відносна групова (каталізують розщеплення окремого типу хімічного зв’язку – фермент ліпаза гідролізує складноефірний зв’язок в будь-яких жирах); • стереоізомерна, просторова (дія на цис-трансізомери або оптично активні сполуки – фермент дипептидаза прискорює гідроліз дипептидів, утворених залишками L-амінокислот).

Застосування ферментів в технології виробництва харчових продуктів

• Ферменти протеїнази використовуються у хлібопеченні. Здійснюють розщеплення крохмалю і гідроліз білкових речовин, що сприяє покращенню структури хлібної м’якушки та збільшенню виходу випеченого виробу. Препарати амілази використовують при випіканні хліба для прискорення дозрівання тіста, зменшення витрат цукру на виготовлення булочного виробу.

• Фермент інвертаза використовується у кондитерському виробництві як добавка до цукеркової маси для запобігання продукції від черствіння.

• Фермент пектиназу додають до винограду або до інших фруктів під час пресування з метою одержання підвищеного виходу соку на 15-20%. Виноградні вина, оброблені цим ферментом мають хороший смак і колір, стають більш прозорими.

• При одержанні глюкози з крохмалю використовують фермент глюкозооксидазу. Також глюкозооксидаза використовується при зберіганні м’яса, фруктових соків та інших продуктів. Що швидко псуються.

• Ферменти, що спричиняють молочнокисле бродіння, застосовують при виготовленні молочних продуктів – кефіру, ряжанки і просто кваші. Фермент хімозин (виділяють із слизової оболонки сичуга), зумовлює зсідання білків молока і використовується в сироварінні для виготовлення твердих сичужних сирів.

• У м’ясній промисловості застосовують протеолітичні ферменти, які частково розщеплюють білки і прискорюють дозрівання м’яса (замість 10 – 14 днів до 1 – 2 днів): роблять його більш м’яким і ніжним, поліпшують смак, аромат, підвищують його соковитість. З такого м’яса виготовляють високоякісні продукти: напівфабрикати, ковбаси, консерви.

• Різні види ферменту амілази використовують у пивоварінні і при виробництві спирту, що дає можливість зекономити 165г ячменю при виробництві кожного декалітра пива.

• У медицині застосовують такі ферменти, як пепсин, трипсин, лізоцим, фібринолізин, стрептокіназа, урокіназа, гіалуронідаза.

• Ферменти використовують в біохімічному аналізі. В біологічних матеріалах (рідинах організму) за допомогою визначення каталітичної активності можна визначити ферменти в дуже малих концентраціях. Ферменти використовують як реагенти для визначення концентрація метаболітів (рівня глюкози в крові. У більшості ферментативних аналізів використовують фотометрію (спектрофотометрію).