Поняття і біологічна роль ферментів

Змісту

Введення

1. Ферменти

1.1 Термін В«ферментиВ», біологічна роль ферментів

1.2 Особливості будови простих і складних ферментів.Переваги перед хімічними каталізаторами

1.3 Методи виділення ферментів

1.4 Класифікація і номенклатура ферментів за типомкаталізуються реакції

1.5 Область застосування

2. Біокаталізу

2.1 Принцип дії ферментів

2.2 Фактори, що впливають на реакції ферментації

3. Особливості биомиметика

Висновок

Список використаних джерел

фермент каталізаторреакція

Введення

Я вибрала тему В«Ферменти. Біокаталізу.Можливості биомиметика В», тому що останнім часом в якості лікарськихзасобів стали широко застосовувати препарати, що роблять спрямований вплив наферментні процеси організму. Як відомо в нашому організмі діє багатоферментів, які сприяють здійсненню обмінних процесів (дихання,травлення, м'язову скорочення, фотосинтез), які і визначають сам процесжиття. Тому препарати стали широко застосовуватися при лікуванні захворювань,супроводжуються гнійно-некротичними процесами, при тромбозах ітромбоемболіях, порушеннях процесів травлення. Ферментні препарати стализнаходити також застосування при лікуванні онкологічних захворювань.

Ферменти відіграють важливу роль і впроведенні багатьох технологічних процесів. Ферменти високої якостідозволяють покращити технологію, скоротити витрати і навіть отримати новіпродукти.

В даний час ферментизастосовуються більш ніж в 25 галузях промисловості: це і харчова промисловість,і фармацевтична, целюлозно-паперова, легка, а так само в сільському господарстві.

Метою мого реферату є:докладне дослідження понять ферменту і ферментативного каталізу(Биокатализа).

У цьому зв'язку мені стало цікаводізнатися історію появи перших ферментів, особливості будови, їх властивості,класифікацію, принцип дії, методи виділення ферментів.

1. Ферменти

1.1 Термін В«ферментиВ», біологічнароль ферментів

Протягом усієї своєї історіїіснування людина користувалася ферментами, часто не маючи на увазі про це.

Термін фермент запропонований вXVII столітті хіміком Ван Гельмонтом при обговоренні механізмів травлення. В кін.ХVIII - поч. XIX ст. вже було відомо, що м'ясо перетравлюється шлунковимсоком, а крохмаль перетворюється на цукор під дією слини. Однак механізм цихявищ був невідомий. У XIX в. Луї Пастер, вивчаючи перетворення вуглеводівв етиловий спирт під дією дріжджів, прийшов до висновку, що цей процес (бродіння)каталізується якоюсь життєвою силою, що перебуває в дріжджових клітинах. Термін ензим (Від грец. бј?ОЅ-- в-і О¶ПЌОјО· - дріжджі, закваска) був запропонований у 1876 році.

Перший кристалічний фермент(Уреаза) виділено американським біохіміком Д. Самнером в 1926 р.

Отже, що ж таке ферменти? Ферменти(Від лат. Fermentum - бродіння, закваска) або ензими -органічні речовини білкової природи, які синтезуються в клітинахі у багато разів прискорюють що протікають в них реакції,не піддаючись при цьому хімічним перетворенням.

На сьогоднішній день відомо понад 3000ферментів. Всі вони володіють рядом специфічних властивостей, що відрізняють їх віднеорганічних каталізаторів. Тільки в людському організмі щомитівідбуваються тисячі ферментативних реакцій. Ферменти грають найважливішу роль увсіх процесах життєдіяльності, скеровуючи та регулюючи обмін речовинорганізму.

Потрібно також відзначити, що вся живаприрода існує виключно завдяки біокаталізу. Недарма великий російськийфізіолог, нобелівський лауреат І.П. Павлов назвав ферменти носіями життя.

1.2 Особливості будови простих іскладних ферментів. Переваги перед хімічними каталізаторами

За будовою ферменти можуть бутиоднокомпонентними, простими білками, і двокомпонентними, складними білками. Піддругому випадку у складі ферменту виявляється не тільки білковий компонент - апофермент( Apoenzyme ), алеі додаткова група небілкової природи - кофермент (coenzyme) . Останніречовини, на відміну від білкового компонента ферменту (апофермента), маютьпорівняно невелику молекулярну масу і, як правило, термостабільність.

Хімічна природа найважливіших коферментівбула з'ясована в 30-і роки нашого століття завдяки працям О. Варбурга, Р. Куна,П. Каррера і ін Виявилося, що роль коферментів в двокомпонентних ферментахграють більшість вітамінів (Е, К, Q, В1, В2, В6 В12, С, Н та ін) або з'єднань,побудованих за участю вітамінів, саме тому вониповинні надходити в організм з їжею. Багатоферменти з великою молекулярною масою проявляють каталітичну активністьтільки в присутності специфічних низькомолекулярних речовин, які називаютьсякоферментами (або кофактором).

Характерною особливістюдвокомпонентних ферментів є те, що ні білкова частина, ні додатковагрупа окремо не володіють помітною каталітичної активністю. Тільки їхкомплекс проявляє ферментативні властивості. При цьому білок різко підвищуєкаталітичну активність додаткової групи, притаманну їй у вільному станів дуже малому ступені; додаткова ж група стабілізує білкову частину іробить її менш вразливою до денатуруючих агентів.

Однокомпонентні ферменти представляютьсобою прості білки. У однокомпонентних ферментів, немають додаткової групи, яка могла б входити в безпосередній контактз перетворюваної з'єднанням. Цю функцію виконує частину білкової молекули,звана каталітичним центром. Припускають, що каталітичний центроднокомпонентного ферменту являє собою унікальне поєднання декількохамінокислотних залишків, що розташовуються в певній частині білкової молекули.Амінокислотні залишки, що утворюють каталітичний центр однокомпонентного ферменту,розташовані в різних точках єдиної поліпептидного ланцюга. Тому каталітичнийцентр виникає в той момент, коли білкова молекула набуває притаманну їйтретинну структуру. Отже, зміна третинної структури ферменту підвпливом тих чи інших факторів може призвести до деформації каталітичногоцентру і зміни ферментативної активності.

Крім каталітичного центру,утвореного поєднанням амінокислотних радикалів чи приєднанням коферменту,у ферментів розрізняють ще два центри: субстратної і аллостерічеський. Підсубстратною центром розуміють ділянку молекули ферменту, відповідальний заприєднання речовини (субстрату), яке зазнає ферментативному перетворенню.Часто ця ділянка називають "якірній майданчиком" ферменту, де, як судно наякір, стає субстрат. Поняття про каталітичному і субстратном центрі неслід абсолютизувати. У реальних ферментах субстратної центр можезбігатися (або перекриватися) з каталітичним центром. Більш того,каталітичний центр може остаточно формуватися в момент приєднаннясубстрату. Тому часто говорять про активному центрі ферменту, що представляє поєднанняпершого і другого.

аллостеріческого центр являєсобою ділянку молекули ферменту, в результаті приєднання до якого певногонизькомолекулярного (а іноді - і високомолекулярного) речовини змінюєтьсятретинна структура білкової молекули. Внаслідок цього змінюється конфігураціяактивного центру, супроводжується або збільшенням, або зниженнямкаталітичної активності ферменту.

Ферменти як біологічнікаталізатори мають ряд особливостей, які відрізняються їх від каталізаторівнеорганічної природи:

В·ферментативніреакції протікають в фізіологічно нормальних для живого організму умовах іне вимагають жорстких умов - підвищеної температури, високої кислотності середовища,надлишкового тиску;

В·ферменти яккаталізатори строго специфічні, вони каталізують лише певнібіохімічні реакції, діючи лише на певний субстрат;

В·ферментативніреакції в живих організмах йдуть послідовно, таким чином, що субстратомдля кожного наступного ферменту є кінцевий продукт попередній йомуфе...рментативної реакції;

В·швидкістьферментативних реакцій висока, але вона залежить від певних чинників. Прискорюютьреакцію в 10 8 -10 20 раз. Ферментативні реакції йдуть зі100%-вим виходом і не дають побічних продуктів. Для вираження каталітичноїактивності відповідно до рекомендацій Міжнародного біохімічного союзувикористовується катав. Катав (кат) - це каталітична активність, здатназдійснити реакцію зі швидкістю, рівної 1 моль в секунду;

В·всі ферментиє білками. Молекулярна маса ферментів коливається в широких межах від12 * 10 3 до 10 * 10 6 Так.

1.3 Методи виділення ферментів

Процес виділення якого-небудь білкапочинається з переведення білків тканини в розчин. Для цього тканину (матеріал), зякої отримують фермент, ретельно подрібнюють в гомогенизаторе в присутностібуферного розчину. Для кращого руйнування клітин до матеріалу додаютькварцовий пісок, якщо матеріал розтирають у ступці. У результаті отримують кашку- Гомогенат. Якщо не проводилося попереднє фракціонування органоїдівклітини, гомогенат містить уривки клітин, ядра, хлоропласти та інші органоїдиклітин, розчинні пігменти та білки.

При виділенні ферментів з тканинживих організмів, у тому числі рослинних, необхідно дотримувати умови, невикликають денатурацію білка. Всі роботи проводять при зниженій температурі (4 0 С)і при оптимальних для даного ферменту значеннях pH середовища буферного розчину.

Після переведення ферментів з тканини врозчинений стан гомогенат піддають центрифугированию для відділеннянерозчинної частини матеріалу, а потім в окремих фракціяхекстрат-центрифугата виділяють належної ферменти.

Так як всі ферменти єбілками, то для отримання очищених препаратів ферментів застосовуються ті жспособи виділення, що і при роботі з білками.

Методи виділення:

В·осадження білкаорганічними розчинниками;

В·висолювання;

В·методелектрофорезу;

В·методіонообмінної хроматографії;

В·методцентрифугування;

В·методгельфільтраціі;

В·метод афінноїхроматографії, або метод хроматографії по спорідненості;

В·виборчаденатурація.

1.4 Класифікація та номенклатураферментів за типом каталізуються реакції

Класифікація та номенклатураферментів базується на типі реакції, яку вони каталізують, так яккатализируемая реакція - це той специфічний ознака, за яким одинфермент відрізняється від іншого.

У 1961 р. спеціальною комісієюМіжнародного біохімічного союзу була запропонована систематичнаноменклатура ферментів. Ферменти були поділені на 6 груп або класів уВідповідно до загальним типом реакції, яку вони каталізують: оксидоредуктаз,трансферази, гідролази, ліази, ізомерази, лігази. [1]

Кожен фермент при цьому отримавсистематичне назву, точно описує каталізуються їм реакцію. Однакоскільки багато з цих систематичних назв виявилися дуже довгими іскладними, кожному ферменту було також присвоєно і тривіальне, робоченазву, призначене для повсякденного вживання. У більшості випадківвоно складається з назви речовини, на яке діє фермент, вказівки на типкаталізуються реакції і закінчення-аза.

Міжнародна комісія з ферментамрозробила систему присвоєння кодових чисел (шифрів) індивідуальним ферментам.Шифр кожного ферменту містить чотири числа, розділені крапками. Вінскладається за наступним принципом:

А. Перше число показує, до якогокласу належить даний фермент.

Б. Друге число, яке присвоюється ферменту покласифікації, позначає підклас. У оксидоредуктаз воно вказує на природутієї групи в молекулі донора, яка піддається окисленню (1 - позначаєспиртову групу-CH-OH; 2-альдегідну або кетонів групу іт.д.); у трансфераз - природу транспортується групи; біля гідролаз - тип гідролізуемойзв'язку; біля ЛіАЗ - тип зв'язку, що піддається розриву; біля ізомераз - типкаталізуються реакції ізомеризації; біля лігази - тип знов утвореною зв'язку.

В. третє число позначаєподподкласс. У оксидоредуктаз воно вказує для кожної групи донорів типбере участь акцептора (1 позначає кофермент NAD + або NASP + ; 2 -цитохром; 3 - молекулярний кисень і т.д.); у трансфераз третє числопозначає тип транспортується групи; біля гідролаз це число уточнює типгідролізуемой зв'язку, а у ЛіАЗ - тип відщеплюється групи; біля ізомераз воно уточнюєхарактер перетворення субстрату, а у лігази - природу створюючого з'єднання.

Г. Четверте число позначаєпорядковий номер ферменти в цьому підкласі.

Шіфровая класифікація має дужеважлива перевага - вона дозволяє виключити необхідність при включенні всписок знову відкритих ферментів міняти номери всіх наступних. Новий ферментможе бути поміщений в кінці відповідного підкласу без порушення всій рештінумерації.

1.5 Область застосування [2]

Ферменти знайшли широке застосування втаких галузях промисловості, як хлібопечення, пивоваріння, виноробство,чайне, шкіряна та хутрова виробництва, сироваріння, натуральнихсоків, кави, кулінарія (для обробки м'яса) і т.д. В останні роки ферментистали застосовувати в тонкої хімічної індустрії для здійснення таких реакцій органічноїхімії, як окислення, відновлення, дезамінування, декарбоксилювання, дегідратація,конденсація, а також для поділу та виділення ізомерів амінокислот L-ряду(При хімічному синтезі утворюються рацемічної суміші L-і D-ізомерів), яківикористовують у промисловості, сільському господарстві, медицині. Оволодіння тонкимимеханізмами дії ферментів, безсумнівно, надасть необмеженіможливості отримання у величезних кількостях і з великою швидкістю корисних речовинв лабораторних умовах майже з 100% виходом.

Ферменти використовуютьсяу виробництві миючих засобів і паперу, а такожв технологічних процесах з виробництва шкіри і текстилей,фармацевтичної промисловості (фестал, мезімфорте). В даний часстало можливим їх застосування в кормах тварин.

Використовувані в харчовій промисловостіферменти мають широкий спектр застосування, що включає функції синтезу ірозкладання (деградації). При виборі ферменту для конкретного харчового процесуслід брати до уваги його джерело й біохімічні характеристики, щоважливо при сертифікації.

Подібно іншим харчовим добавкамвикористання ферментів у харчових продуктах нормується законом.

2. Біокаталізу

біокаталізу(Ферментативний каталіз), прискорення хімічних реакцій під впливом ферментів.В основі життєдіяльності лежать багаточисельні хімічні реакції розщепленняпоживних речовин, синтезу необхідних організму хімічних сполук ітрансформації їх енергії в енергію фізіологічних процесів (робота м'язів,нирок, нервова діяльність і т.п.). Всі ці реакції не могли бвідбуватися з необхідною для живих організмів швидкістю, якби в ході еволюціїне виникли механізми їх прискорення за допомогою биокатализа.

2.1 Принцип дії ферментів

Речовина, що піддаєтьсяперетворенню в присутності ферменту, називають субстратом. Субстратприєднується до ферменту, який прискорює розрив одних хімічних зв'язків вйого молекулі та створення інших; утворюється в результаті продукт від'єднуєтьсявід ферменту.

Ферменти не піддаються зносу підчас реакції. Вони вивільняються по завершенню реакції і відразу ж готовірозпочати наступну реакцію. Теоретично це може тривати нескінченно, поПринаймні, до тих пір, поки вони не витратять весь субстрат. На практицівнаслідок їх сприйнятливості й органічного складу, тривалістьіснування ферментів обмежена.

За образним висловом,употребляемому в біохімічній літературі, фермент підходить до субстрату, якВ«Ключ до замкаВ». Це правило було сформульовано Е. Фішером в 1894 р. виходячи зтого, що специфічність дії ферменту зумовлюється суворимвідповідністю геометричної структури субстрату і активного центру ферменту. Фермент з'єднується з субстратом з утвореннямкороткоживучого фе...рмент-субстратного комплексу (утворення проміжногокомплексу). Однак, хоча ця модель пояснює високу специфічність ферментів,вона не пояснює явища стабілізації перехідного стану, якийспостерігається на практиці. У 50-і роки нашого століття це статичнаподання було замінено гіпотезою Д. Кошланда про індукованийВідповідно субстрату і ферменту. Сутність її зводиться до того, що просторовевідповідність структури субстрату і активного центру ферменту створюється в моментїх взаємодії один з одним, що може бути виряджаючи формулою "рукавичка-рука".Ферменти, в основному, - не жорсткі, а гнучкімолекули. Активний центр ферменту може змінити конформацію після зв'язуваннясубстрату. Бічні групи амінокислот активного центру приймають таке положення,яке дозволяє ферменту виконати свою каталітичну функцію. У деякихвипадках молекула субстрата також міняє конформацію після зв'язування в активномуцентрі. На відміну від моделі В«ключ-замокВ», модель індукованої відповідностіпояснює не тільки специфічність ферментів, але і стабілізацію перехідногостану.

Але в процесі все більшого розвиткунауки гіпотеза Кошланда поступово витісняється гіпотезою топохіміческоговідповідності.ферменту

В·При постійному

В·Дляферментів.

В·кількість енергії.

В·рН.ферменти.

В·Для

В·

3.