Раздел III. Ферменты и витамины

Одним из наиболее сложных в биохимии является раздел ферменты. Для более полного усвоения сущности ферментативного катализа необходимо вспомнить параметры неорганического катализа, скорость и порядок реакции, понятие энергии активации, влияние факторов окружающей среды на химическое превращение.

Известно, что химическая реакция между взаимодействующими веществами произойдет только в том случае, если будет преодолен энергетический барьер. Роль катализаторов заключается в снижении энергии активации химической реакции, т.е. энергии, необходимой для преодоления энергетического барьера реакции. В живой природе функции катализаторов выполняют сложные высокомолекулярные вещества белковой природы ферменты. Поскольку ферменты по химической структуре главным образом являются белками, им присущи все характерные для белков свойства такие, как способность к денатурации, термолабильность зависимость свойств от температуры и рН среды.

Участок молекулы фермента, непосредственно осуществляющий химическое превращение, получил название активного центра. Вещество, подвергаемое ферментативному превращению, т.е. то, на которое действует фермент, называется субстратом. Для глубокого понимания сущности и тонкого механизма ферментативного катализа, необходимо знание структуры субстрата, а также структуры и аминокислотного состава активною центра фермента.

В зависимости от химической природы активного центра все ферменты условно можно разделить на две группы: простые и сложные. Молекула простого фермента, включая его активный центр, построена только из аминокислот, т.е. имеет исключительно белковую природу. В состав сложных ферментов помимо белковой части, названной апоферментом, входит небелковый компонент, названный коферментом, необходимый для проявления активности фермента. В качестве коферментов могут выступать нуклеотиды (NAD, NADP, FAD), водорастворимые витамины, гемы, ионы металлов и т.д. У таких двухкомпонентных ферментов коферменты, связанные с апоферментом, непосредственно участвуют в акте ферментативного катализа. Важная роль в осуществлении ферментативной реакции принадлежит ионам металлов, таких как Mg²⁺, Mn²⁺, Cu²⁺ и др. Они могут являться активаторами или ингибиторами многих ферментативных процессов, или непосредственно выполнять каталитические функции, принимая участие во взаимодействии апофермента с коферментом.

При изучении раздела «Ферменты» студент должен ознакомиться и с основными понятиями ферментативной кинетики, в которых рассматривается зависимость скорости реакции; катализируемой ферментом, от различных факторов: концентрации фермента и субстрата, рН среды, температуры, состава среды, действия активаторов и ингибиторов.

Рассмотрение вопроса о номенклатуре и классификации ферментов целесообразней начать с усвоения принципов классификации, и лишь затем перейти к разбору отдельных классов. Характеристику каждого класса ферментов необходимо иллюстрировать примерами реакций, катализируемых представителями данного класса ферментов, следует полностью записывать уравнения реакций, называть субстраты и продукты реакций, а также соответствующие ферменты.

Применение ферментативных препаратов в пищевой промышленности. Ферменты широко используются в пищевой промышленности в пивоварении, производстве фруктовых соков, хлеба, вина, молочных продуктов и т.д. Поскольку ферменты представляют собой макромолекулы, активность которых зависит не только от их первичной, структуры, т.е. от последовательности аминокислот но и от высших структур, в частности – третичной структуры, крупномасштабный химический синтез их не всегда возможен и не позволяет получить активные препараты. Поэтому большинство ферментов, используемых в пищевой промышленности, имеют микробное происхождение. Так амилаза из Bacillus и Aspergillus часто применяются, заменяя амилазы пшеничного и ячменного солода, в пивоварении и хлебопечении. Амилазы действуют на крахмал, подвергая его гидролитическому расщеплению. Конечным продуктом гидролиза крахмала является мальтоза, необходимая для спиртового брожения. Интенсивное спиртовое брожение необходимо в процессе тестоприготовления и в первый период выпечки для получения хлеба наилучшего качества, поскольку количество углекислого газа, образовавшегося в ходе брожения, определяет важнейшие показатели качества хлебобулочных изделий, как объем и пористость. На спиртовом брожении основаны технологические процессы получения всех алкогольных напитков.

Пpи выполнении контрольной работы необходимо дать подробную характеристику ферментам, используемым в хлебопекарной промышленности и виноделии, описать механизм их действия с написанием уравнений соответствующих реакций.

Витамины. Витамины - это группа низкомолекулярных органических соединений различнейшего химического происхождения. Они абсолютно необходимы (хотя и в микро количествах) для нормального функционирования всех органов и систем, роста и развития организма в целом. В организме человека большинство витаминов не синтезируется, поэтому они должны поступать из внешних источников в готовом виде.

Для витаминов характерны следующие особенности:

1. биосинтез витаминов осуществляется в основном растениями, а также некоторыми микроорганизмами. В организм человека и животных витамины поступают главным образом с пищей;

2. витамины биологически активны и необходимы для жизнедеятельности в малых количествах;

3. недостаток витаминов или нарушение их усвоения приводит к развитию патологических процессов таких как гиповитаминозы, авитаминозы и гипервитаминозы.

Гиповитаминозы - болезни, обусловленные недостаточным

поступлением витаминов с пищей или плохим их усвоением. Авитаминозы - болезни, возникающие при полном отсутствии какого-либо витамина или при полном нарушении его усвоения. Гипервитаминозы - болезни, связанные с поступлением в организм человека чрезвычайно больших количеств витаминов. Избыток витаминов для человека хуже, чем недостаток.

Современная классификация витаминов основана на их растворимости, согласно которой различают жирорастворимые и водорастворимые витамины. Наряду с буквенными обозначениями витаминов используются названия, связанные с их биологическим эффектом, зачастую с приставкой анти-, указывающей на способность данного витамина предотвращать развитие соответствующего заболевания.

1. Жирорастворимые витамины:

1) витамин А (ретинол, антиксерофтальмический);

2. витамин D (кальциферол, антирахитический);

3. витамин К (нафтохинон, антигеморрагический);

2. витамин Е (токоферол, витамин, способствующий плодовитости).

2. Водорастворимые витамины:

1 ) витамин В₁ (тиамин, антианевритный);

2. витаминВ₂ (рибофлавин);

3. витамин В₆ (пиридоксин, антидерматитный);

4. витамин В₁₂ (цианокобаламин, антианемический);

5. витамин РР (никотиновая кислота, антипеллагрический);

6. фолиевая кислота (витамин В₉, антианемический);

7. пантотеновая кислота витамин В₃, (антидерматитный);

8. биотин (витамин Н, витамин В₇, антисеборейный) ^с)) витамин С (аскорбиновая кислота, антицинготный).

При характеристике витаминов студент должен раскрыть химическое строение, биохимическую и физиологическую роль, суточную потребность в каждом из витаминов, а также указать продукты, наиболее богатые тем или иным витамином. Рассматривая водорастворимые витамины особое внимание необходимо уделить на их коферментную роль. При этом необходимо указать ферменты, в состав которых в качестве коферментов входят те или иные витамины, а также привести примеры биохимических реакций с написанием соответствующих уравнений, катализируемых данными ферментами.