Введение
Учебное пособие «Биосинтез ферментов и получение ферментных препаратов» предназначено для освоения материалов одноименной дисциплины магистрантами, обучающимися по направлению «Продукты питания из растительного сырья» в рамках программы «Биокаталитические процессы в пищевых технологиях». Данная дисциплина базируется на знаниях, полученных при изучении курсов «Основы микробиологии», «Биохимия», «Пищевая химия». При этом магистранты приобретают теоретические знания, навыки и умения в области биохимии ферментов, получения и использования ферментных препаратов в современной пищевой биотехнологии.
Объектами изучения являются ферменты и препараты на их основе, пути их биосинтеза и метаболизма, а также области практического применения в производстве продуктов питания. Учебным планом по курсу предусмотрены лекции, лабораторные занятия и самостоятельная работа студентов.
В пособии представлены термины и определения, этапы и направления современной биотехнологии, показаны пути биосинтеза и биотрансформаций ферментов, достаточно подробно изложены вопросы, касающиеся их получения, выделения и иммобилизации.
1. Активность ферментов в клетках и общие представления о процессе их биосинтеза
1.1. Активность ферментов в клетках тканей млекопитающих
В клетках тканей млекопитающих, как и у простейших, индукция ферментов может осуществляться субстратами и продуктами реакции. Однако, в отличие от одноклеточных, у высших животных индукторы синтеза ферментов могут вырабатываться в клетках эндокринных желез; гормонам принадлежит важная роль в координации скоростей синтеза ферментов в клетках [1]. Выяснение механизмов регулирования активности и синтеза ферментов у высших организмов имеет огромное значение. В последнее время накопились убедительные доказательства о зависимости индукции синтеза ферментов в клетках организма не только от концентрации субстратов, метаболитов или гормонов, но также от реактивности клеток. Так, в клетках ткани, лишенных нервного контроля, реактивность регуляции синтеза ферментных белков претерпевает существенные изменения.
Аргументированные положения относительно гормональной регуляции синтеза ферментов в печени выдвинул Weber [1]. Он представил доказательства регуляторной интеграции синтеза ферментов гормонами в организме, согласно которым молекулярные механизмы интеграции обмена клеток следует анализировать на уровне генетической системы.
Weber разделяет все ферменты гликолиза и глюконеогенеза на три группы:
– ключевые ферменты глюконеогенеза – глюкозо-6-фосфатаза, фруктозо- 1,6-дифосфатаза; синтез этих ферментов индуцируется глюкокортикоидами (структурные формулы некоторых из них представлены на рис 1.1).
– бифункциональные – фосфогексоизомераза и другие ферменты, находящиеся в избытке в клетке и участвующие как в гликолизе, так и в глюконеогенезе;
Рис. 1.1. Структурные формулы некоторых глюкокортикоидов
– ключевые ферменты гликолиза – глюкокиназа (ГЛК), 6-фосфофруктокиназа (ФФК) и фосфопируваткиназа (ФПК), определяющие скорость гликолиза; синтез их индуцируется инсулином.
Убедительные данные были получены в опытах на животных с инсулярной недостаточностью (с диабетом и голодающих).
Активность ферментов при голодании (и особенно – при диабете) резко снижена. При кормлении или введении глюкозы голодающим или введении инсулина страдающим диабетом животным восстанавливалась активность ГЛК в их печени. Так, на рис. 1.2 представлены результаты изучения активности ФПК в печени животных с диабетом. Эти данные показывают, что снижение активности ферментов в печени страдающего диабетом организма является результатом угасания их синтеза, а повышение активности ФПК вызывается процессом индукции.
Рис. 1.2. Активность ФПК в печени крыс при диабете и индукции инсулином. Активность фермента по оси ординат имеет размерность [мкмоль субстрата/клетка ∙ ч] × 107, по оси абсцисс – указано время в часах
Установлено, что при голодании индукция ФПК, а также ФФК вызывается откармливанием пищей, богатой углеводами. Это может быть истолковано как результат индукции синтеза указанных ферментов глюкозой или метаболитами ее обмена.