10.1 Загальні відомості про ферменти

Ферменти використовувалися упродовж віків у дубленні шкір, виготовленні сиру, у виробництві солоду для пивоваріння, в заквасках для хліба і т.д. У цих процесах ферменти застосовувалися у складі тваринних і рослинних тканин або цілих мікроорганізмів. Початок застосування промислових ферментів у вигляді частково очищених препаратів відноситься до кінця XIX століття.

Із понад 2000 відомих в наш час ферментів в промисловості використовується приблизно 30. Основна частина ферментів, що надходять на світовий ринок, припадає на частку гідролаз, з яких 60% складають пептидогідролази (в основному лужні і нейтральні протеази), що використовуються як детергенти у виробництві синтетичних миючих засобів, а 30% – глікозидази, що застосовуються у виробництві кондитерських виробів, фруктових і овочевих соків. Ферменти знаходять застосування в текстильній, шкіряній, целюлозно-паперовій, медичній, хімічній промисловості (таблиця 10.1). 

Серед основних споживачів ферментів є харчова промисловість. Головне місце серед ензимів, які використовуються в харчовій промисловості займають глікоізомераза і глюкоамілаза, що застосовуються для приготування збагачених фруктозою кукурудзяних сиропів і становлять приблизно 50% ринку харчових ензиматичних препаратів.

Багато галузей промисловості – хлібопечення, виноробство, пивоваріння, виробництво спирту, сироваріння, виробництво органічних кислот, чаю, амінокислот, вітамінів, антибіотиків – засновано на використанні різних ферментативних процесів. У зв'язку з цим виникла і розвивається нова галузь промисловості – виробництво ферментних препаратів.

Ферменти властиві усім живим істотам, проте для їх виділення використовують ті природні продукти, в яких вміст необхідного ензиму складає не менше 1%. Для великомасштабного одержання ферментів придатні тільки деякі рослинні організми на певній фазі їх розвитку (пророслі зерно різних злаків і бобових, латекс і сік зеленої маси ряду рослин), а також окремі тканини і органи тварин (підшлункова залоза, слизова оболонка шлунково-кишкового тракту, сичуг великої рогатої худоби, насінники статевозрілих тварин).

Ферменти – біологічні каталізатори білкової природи. Вони значно підвищують швидкість хімічної реакції, яка за відсутності ферментів відбувається дуже повільно. Ферменти не витрачаються під час реакції, яку каталізують і не зазнають безповоротних змін.

Таблиця 10.1 – Застосування ферментів

Ферментативна реакція складається з 2-х стадій: на першій стадії відбувається утворення фермент-субстратного комплексу, перехідному стану якого відповідає значно нижча енергія активації; на другій стадії цей комплекс розпадається на продукти реакції і вільний фермент, який може взаємодіяти з новою молекулою субстрату. Це можна виразити наступним рівнянням: 

E + S D ES → P + E

де E – фермент, S – субстрат, ES – фермент-субстратний комплекс, P – продукти реакції. 

Особливості ферментів

Ферменти за своєю природою є білками, що мають третинну або четвертинну структуру, але мають ряд особливостей, які відрізняють їх від неорганічних каталізаторів, а саме:

1) ферменти мають велику силу каталітичної дії, вони в 108...1020 разів підвищують швидкість каталізованих ними реакцій;

2) для ферментів характерна специфічність дії – вони каталізують чітко конкретні реакції; завдяки найтоншій специфічності ферментативного каталізу можлива чітка впорядкованість і найтісніший взаємозв'язок окремих ферментативних реакцій, що лежать в основі біологічного обміну речовин. В міру специфічності окремі ферменти досить сильно відрізняються між собою, тому виділяють наступні основні типи специфічності: 

– абсолютна специфічність – фермент каталізує перетворення тільки одного субстрату (відомі також ферменти широкої субстратної специфічності, такі як ліпази, естерази, фосфатази); 

– групова специфічність – фермент діє на групу споріднених субстратів, що мають певні структурні особливості; так, α-амілаза гідролізує лінійні і розгалужені полімери α-1,4-зв’язаної глюкози, хімотрипсин – пептидні зв'язки у білках, утворені залишками ароматичних амінокислот;

– специфічність по відношенню до певних типів реакцій – такі ферменти виявляють найменшу специфічність, вони діють незалежно від того, які групи є присутніми поблизу того зв'язку, на який спрямована дія ферменту; 

– стереохімічна специфічність – фермент каталізує перетворення тільки однієї стереохімічної форми субстрату (перетворює тільки L- або тільки D- форму субстрату); стереоспецифічність проявляється також у відношенні цис- і транс-форми ізомерів);

3) ферменти характеризуються лабільністю: вони схильні до впливу різних чинників і можуть змінювати свою активність під дією рН, температури, присутності активаторів і інгібіторів та ін. Лабільність (або, іншими словами, мінливість) ферментів зумовлена їх білковою природою, складною просторовою конфігурацією (структурою). 

Багато ферментів є двокомпонентними, тобто складаються з білкової частини – апофермента і зв'язаного з ним небілкового компонента – кофермента, що бере участь у дії ферменту в якості обов'язкового кофактора. В результаті ферментативних реакцій коферменти, як правило, не піддаються змінам, проте в ряду реакцій, що відбуваються послідовно кофермент може бути субстратом для окремих ферментів, хоча і регенерується під кінець в початковій формі. 

Хімічна природа коферментів, їх функції у ферментативних реакціях і механізм дії є надзвичайно різноманітними. Так, наприклад, коферментами можуть виступати вітаміни та їх похідні. 

Відповідно до хімічної будови коферменти поділяють на наступні групи:

а) коферменти аліфатичного ряду (глутатіон, ліпоєва кислота);

б) коферменти ароматичного ряду (коензим Q – убіхінон);

в) коферменти – гетероциклічні сполуки (похідні вітамінів B6, B1, біотин – вітаміну H, похідні фолієвої кислоти);

г) коферменти – нуклеотиди і нуклеозиди (коензим А, НАД/НАДФ, ФАД/ФАДФ).

Одиниці активності ферментів

Будь-який ферментний препарат передусім має бути охарактеризований за своєю ферментативною активністю. Комісія з ферментів Міжнародного Біохімічного Союзу рекомендує використати наступні поняття і вирази одиниць активності ферментів. 

– Стандартна одиниця ферменту – це така кількість ферменту, яка каталізує перетворення одного мікромоля цього субстрату за одну хвилину за заданих умов. Стандартна одиниця ферменту позначається буквою E/О (від російського слова "единица"/від укр. "одиниця") або буквою U (від англійського слова "unit"). 

– Питома активність – це число одиниць (E/О або U), віднесене до одного міліграма білку у ферментному препараті. Кількість білку в препараті ферменту може бути визначена будь-яким відомим методом визначення білку (метод Кьельдаля, метод Лоурі та ін.). 

– Молекулярна активність – число молекул цього субстрату або еквівалентів груп задіяних груп, що перетворюються за одну хвилину однією молекулою ферменту за оптимальної концентрації субстрату. Це поняття відповідає числу оборотів, введених Варбургом. Число оборотів за Варбургом – це число молей перетвореного субстрату, що припадає на моль ферменту за хвилину. Для визначення молекулярної активності ферменту треба знати його молекулярну масу. 

– Катав – каталітична активність, здатна здійснювати реакцію зі швидкістю рівну 1 моль/с в заданій системі виміру активності. Каталітична активність в 1 катав (кат) за практичного застосування виявляється занадто великою величиною, тому у більшості випадків каталітичні активності виражають в мікрокаталах (мккат), нанокаталах (нкат) або пікокаталах (пкат). Стандартна одиниця ферменту знаходиться з каталом в наступному співвідношенні: 1 E = 16,67 нкат.