книги из ГПНТБ / Кизеветтер И.В. Биохимия сырья водного происхождения учеб. пособие

Витамин Р входит в состав ферментных систем, участвующих во многих окислительно-восстановительных процессах, и в частности в процессах окисления и вос­ становления адреналина и аскорбиновой кислоты. Вита­ мин Р инактивирует фермент галуронидазу, расщепляю­ щий галуроновую кислоту, входящую в состав стенок сосудов. Поэтому при отсутствии витамина Р галуронидаза расщепляет галуроновую кислоту, в результате чего повышается проницаемость стенок кровеносных сосудов и возникают кровоизлияния.

Витамин Р накапливается в тканях высших растений: в картофеле, моркови (10—40 мг%), капусте, салате, шпинате (60—130 мг%), фруктах (300—-500 мг%), яго­ дах (240—680 мг%).

Исследования причин возникновения Другие витамины различных нарушений в обмене ве- и витаминоподобные ществ привело к открытию веществ, вещества которые проявляют свойства вита­ минов только для ограниченного числа видов или для микробов. Часть из этих веществ

является витаминами и для человека, дефицит их вызы­ вает типичные авитаминозы.

Из этой многочисленной группы наибольший интерес

сильный восстановитель, поэтому предотвращает в орга­ низме окисление витаминов Е и С, чем сокращает их потребность. Для некоторых видов микроорганизмов липоновая кислота является фактором роста.

В и т а м и н В13. Был выделен из молочной сыворотки и является 4-карбооксиурацилом или оротовой кислотой, которая участвует в синтезе специфических нуклеотидов.

собой эфир глюконовой кислоты. Наличие в молекуле восьми лабильных метальных групп делает пангамовую кислоту активным донатором метальных групп во многих биохимических реакциях.

Кроме витаминов были открыты Антивитамины природные вещества, способные сни­ мать биологическое действие, прису-

щее тем или иным витаминам. Такие вещества были названы антивитаминами.

Антивитамины по своему химическому строению сходны с соответствующими витаминами, но не обла­ дают присущей этим витаминам биологической актив­ ностью. Механизм действия антивитаминов схемати­ чески сводится к следующему. Попадая в организм, они могут соединяться со специфическими белками, образуя при этом биологически неактивные комплексы, а не ферменты. В результате такого «вытеснения» витаминов из ферментных систем образующиеся соединения исклю­ чаются из сферы активного участия в биологических процессах, что влечет нарушение обмена веществ и, как следствие, — появление признаков, характерных для авитаминозов."

Для каждого витамина существует свой антивита­ мин. Например, для биотина антивитамином является белок авидин, который связывает биотин и образует соединение, которое неспособно всасываться в кишеч­ нике и выводится из организма.

Для тиамина (витамин Ві) антагонистами являются пиритамин и окситиамин, вытесняющие тиамин из бел­ ковых соединений, в результате чего прекращается обра­ зование активного фермента.

Для витамина К антагонистами являются гепарин и дикумарин. При введении в организм эти соединения снижают концентрацию протромбина в крови, что вызы­ вает внутренние кровоизлияния (геморрагия).

Антагонистом для никотиновой кислоты является пиридин — ß-сульфоновая кислота, а для пиридоксина (витамин В6) — дезоксипиридоксин.

Парааминобензойная кислота инактивируется суль­ фаниламидом (белый стрептоцид), прекращая синтез фолиевой кислоты.

Для аскорбиновой кислоты антагонистом является глюкоаскорбиновая кислота.

У пантотеновой кислоты имеется не менее шести антагонистов, и в частности весьма активный в этом отношении пантоилтаурин.

Рибофлавин (витамин Вг) инактивируется люмифлавином и 6,7-дихлоррибофлавином, а инозит — геммексатом (гексохлоран).

Для фолиевой кислоты антагонистом является амино-

птерин, а для витамина D — кортизон (гормон над­ почечников); продукты окисления высокомолекулярных непредельных жирных кислот действуют в организме как активные антивитамины D и Е.

Биохимические свойства антивитаминов позволяют их использовать в качестве лечебных средств в терапии.

ФЕРМЕНТЫ

К ферментам, или энзимам, относят многочисленные биологически активные, растворимые в воде белковые вещества, которые создаются живой клеткой в тканях животных и растений и обладают способностью уско­ рять (катализировать) биохимические процессы, проте­ кающие в живой клетке.

Впервые в 1811 г. на существование ферментов ука­ зал Киргоф, обнаруживший в водной вытяжке из со­ лода биокатализатор (фермент амилаза), вызвавший осахаривание крахмала. В 1836 г. Шван и в 1862 г. Д. И. Данилевский обнаружили ферменты, расщепляю­ щие белки (пепсин, трипсин) и липиды (липаза). В 1897 г. И. П. Павлов указывал, что ферменты имеют белковую природу и являются в полном смысле возбуди­ телями жизни. Либих и Манассен показали, что фермен­ ты сохраняют свою биохимическую активность и после отделения от живых клеток. Открытые возможности получения чистых ферментов путем кристаллизации (Самнер, 1926) значительно облегчило изучение хими­ ческого состава и свойств ферментов.

В своих исследованиях К. А. Тимирязев, В. А. Эн­ гельгардт, М. Н. Любимова, В. Л. Кретович и другие показали, что многие белки, которые ранее считались двигательными (миозин) или инертными питательными белками (альбумин, глобулин), обладают явно выражен­ ными свойствами ферментов.

Во многих прижизненных биохимических процессах участвуют разнообразные ферменты, обеспечивающие развитие взаимно согласованных биохимических реак­ ций обмена веществ.

Исследования ферментов и процессов, в которых они участвуют, являются важнейшим разделом работ совре­ менной биохимии. Учение о ферментах (ферментология, или энзимология) приобрело значение самостоятельной отрасли биохимии.

тов она оказалась очень прочно связанной с белковой частью и не отделялась при диализе.

Таким образом, ферменты были подразделены' на однокомпонентные (белки) и двухкомпонентные — сое­ динения белка (апофермента) с небелковой частью — простетической группой, или коферментом.

Свойства энзимов обусловлены наличием активных центров, расположенных на поверхности белковой мо­ лекулы. Такие активные центры создаются у однокомпо­ нентных ферментов за счет определенного расположения

Апофермент лишен каталитических свойств, а кофермент обладает очень слабым каталитическим дей­ ствием, только при их соединении образуется биологи­ чески активный катализатор, или холофермент, актив­ ность которого возрастает в десятки и сотни миллионов раз. Следовательно, коферменты являются активной частью ферментов. В состав простетических групп вхо- \У дят сложные органические вещества (нуклеотиды, фла­ вины, витамины, порфирины и т. д.), содержащие атомы металлов (железо, медь, цинк, марганец, кальций, ко­ бальт и др.).

Действие ферментов в зависимости от их химичес­ кого состава проявляется весьма специфично, но во всех случаях коферменты реагируют с субстратом, чем об­ легчают каталитическое действие апофермента.

Например, у анаэробных дегидрогеназ кофермент играет роль переносчика водорода. Коферменты, содер­ жащие сульфидные группы (SHKoA), участвуя в ре­ акции окисления альдегидов или кетокислот, являются акцепторами образующейся уксусной кислоты. Они об­ разуют соединения типа SOCCH3K0A, от которых аце­ тильная группа (—ОССНз) передается на другие сое­ динения.

Катализирующее действие ферментов объясняется следующим образом. Реакция между веществами А и В

возникает, когда молекулы этих веществ находятся в возбужденном (активном) состоянии. Для начала ре­ акции важно, чтобы запас энергии у молекул любого из реагирующих веществ был бы достаточным для пре­ одоления энергетического барьера.

Для приведения молекул в активное состояние не­ обходимо затратить некоторую энергию (энергия акти­ визации). Действие же ферментов, как биокатализато­ ров, проявляется в том, что они снижают энергию активизации, чем облегчают начало реакции.

Если к веществам А и В добавить фермент (Ф), причем запас энергии у одного из этих веществ окажет­ ся достаточным для того, чтобы произошло соединение этого вещества с ферментом, то вновь образованное соединение будет иметь более высокий запас свободной энергии и уже легко соединится со вторым веществом, выделяя при этом свободный фермент по схеме

А + В + Ф -» А Ф + В A B + Ф .

Иногда энергетический барьер между веществами А и В оказывается настолько значительным, что реакция

На каждой ступени величина энергетического барьера между А и В снижается и доходит до уровня, при ко­ тором начинается реакция соединения А и В.

Поэтому ферменты, снижая энергию активизации, вызывают резкое ускорение течения реакции даже без повышения температуры. Ферменты оказывают ката­ литическое влияние не только своим присутствием — они активно участвуют в промежуточных реакциях, не­ прерывно регенерируются и не входят в состав конеч­ ных продуктов.

Биохимическая роль ферментов в организме необы­ чайно разнообразна и велика и для обеспечения нор­ мального хода процессов обмена в организме присутст­ вует определенный «набор» ферментов, который обес­ печивает требуемую последовательность и интенсивность ферментативных реакций.

В 1886 г. А. Я. Данилевский на примере протеолити­ ческих ферментов (пепсин) показал, что в зависимости

от условий, в которых протекает реакция, они могут катализировать гидролиз протеинов или ускорять син­ тез белков. Сейчас известно много обратимых биохи­ мических реакций, вызываемых одним и тем же фермен­ том или комплексом ферментов. Например, фермент липаза при избытке воды катализирует расщепление триглицеридов на глицерин и жирные кислоты, а при недостатке воды липаза выступает как биокатализатор синтеза триглицеридов из жирных кислот и глицерина.

Иначе говоря, ферменты не определяют направления реакции, а только ускоряет ее ход. Разные ферменты локализованы в различных структурных элементах кле­ ток, что связано с типом реакций обмена в тканях и необходимо для обеспечения последовательности био­ химических реакций в живом организме. Например, в тканях зеленых растений образуются ферменты, ускоря­

В печени животных продуцируется много ферментов, необходимых для катализа процессов окисления жирных кислот, зато в мышцах таких ферментов мало и т. д.

В 1922 г. Н. Д. Зелинский установил, что в состав многих ферментов в качестве простетических групп вхо­ дят некоторые витамины. Сейчас установлено, что тиамйн (витамин Ві) входит в состав фермента карбо- ^

ста трансацилаз и т. д. Эта связь ферментов и витами­ нов имеет большое значение, ибо недостаток в организме некоторых витаминов исключает возможность биосин­ теза соответствующих ферментов, что ведет к глубоким нарушениям обмена веществ и заболеваниям.

В клетках живого организма идет непрерывный рас­ пад и синтез ферментов, поэтому в составе пищи дол­ жны поступать в достаточном количестве «строительные материалы»: аминокислоты, простетические группы, ко­ ферменты, витамины, минеральные элементы (железо, магний, марганец, медь, цинк, калий, кальций, кобальт),

входящие в состав ферментов. Биохимическая сущность синтеза ферментов в клетках организмов очень сложна и процесс их образования еще не вполне ясен. Ферменты имеют высокие молекулярные массы, которые приведе­ ны ниже.

Ферменты как биокатализаторы способны проявлять

усвою активность при чрезвычайно малых концентрациях (1 часть фермента на 5—10 и даже 200—560 млн. частей

воды) и обеспечивать участие в реакции огромных коли­ честв субстрата.

Важнейшим биохимическим свойством ферментов

Vявляется специфичность их действия. Есть ферменты, которые способны участвовать в синтезе или распаде только одного определенного вещества.

Например, для расщепления смеси близких по со­

ставу трех дисахаридов (сахароза, мальтоза и лактоза) требуются три специализированных фермента (сахара-

/за, мальтаза и лактаза), причем каждый из них дейст­ вует только на «свой» дисахарид и если одного из трех ферментов не будет, то в смеси останется нетронутым соответствующий дисахарид.

Фермент уреаза ускоряет гидролиз мочевины, но не действует на метилмочевину; аргиназа гидролизует ар­

гинин с образованием мочевины и орнитина, но совер­ шенно не действует на метиларгинин. Для веществ, имеющих стериоизомеры, имеются ферменты, избира­ тельно действующие на каждый изомер. Например, фермент сбраживающий глюкозу, слабо действует на галактозу и не сбраживает талозу.

Резко выраженное избирательное действие фермен­ тов можно объяснить тем, что фермент входит в очень тесный контакт с веществом, на которое он действует. Такой контакт может быть достигнут только в том слу­ чае, когда строение активной части фермента будет совпадать со строением вещества, на которое он дейст­ вует. Э. Фишер образно сравнил фермент с ключом,

ских процессов как в живых организмах и растениях, так и при использовании ферментов для переработки животного и растительного сырья.

Биохимическая активность ферментов зависит от температуры. Понижение температуры тормозит и даже прекращает деятельность ферментов, однако кофермен­ ты при охлаждении не разрушаются и при нагревании начинают проявлять нормальную активность. Есть группа ферментов, которые сохраняют биохимическую актив­ ность и при отрицательных температурах.

Повышение температуры до определенного предела усиливает активность ферментов. Для каждого фермен­ та существует определенный температурный оптимум (для амилазы 50—60° С, пепсина и трипсина 37—40° С, температура 37—40° С является оптимальной для боль­ шинства ферментов животного происхождения), выше которого активность ферментов затухает. При нагрева­ нии в присутствии влаги до 100° С ферменты разру­ шаются, а при 70—80° С большинство ферментов необра­ тимо инактивируется. Инактивация ферментов вызы­ вается тепловой денатурацией белковой части фермен­ тов, а необратимая денатурация некоторых белков в растворах начинается уже при 30° С.

Внастоящее время обнаружены ферменты (напри­ мер мышечный фермент миокиназа), которые при крат­ ковременном нагреве до 100° С не теряют своей био­ химической активности.

Ввысушенном виде ферменты более устойчивы к нагреву: инактивация происходит медленнее и при более

высоких температурах. Ферменты очень чувствительны к химическому составу окружающей среды. Некоторые вещества (активаторы) усиливают активность фермен­ тов, другие же (парализаторы или ингибиторы) тормо­ зят или прекращают их деятельность. Одно и то же вещество для одних ферментов может быть активато­ ром, а для других — ингибитором. Например, соляная кислота парализует деятельность амилазы, но активи­ рует пепсин.

Многие ферменты вырабатываются живыми клетка­ ми в форме неактивных соединений — проферментов или зимогенов. Из проферментов при наличии соответствую­ щего активатора в организме образуются биологически активные ферменты. Активаторами ферментов являются

специфические белковые вещества, или кианазы, ионы металлов (натрий, кальций, магний, марганец, кобальт и цинк), а также реакция среды. Например, в желудке вырабатывается неактивный пепсиноген, который только в присутствии соляной кислоты превращается в актив­ ный пепсин; в кишечнике вырабатывается неактивный трипсиноген, который превращается в активный трипсин при действии энтерокиназы. Липаза поджелудочной железы становится активной только в присутствии желч­ ных кислот и т. д.

Ферменты очень чувствительны к ингибиторам (фер­ ментные яды), которые обладают способностью связы­ вать активные группы ферментов и таким образом ли­ шать фермент биологической активности. К ферментным ядам относят ионы меди, свинца, ртути, олова, соли синильной кислоты, а также некоторые органические вещества.

Чрезвычайно важное свойство ферментов —• способ­ ность проявлять в тканях биохимическую активность после гибели организмов. В результате этого в тканях погибших животных или растений развиваются фермен­ тативные посмертные процессы, сопровождаемые глубо­ кими изменениями химического состава и технохимических свойств сырья животного и растительного проис­ хождения.

Исключительно большое значение имеет способность ферментов сохранять свои специфические биохимические свойства после извлечения из тканей. Это позволяет ; использовать их для превращения веществ животного и растительного происхождения в пищевые или техниче­ ские продукты.

Используя чувствительность ферментов к действию различных веществ, можно влиять на развитие биохи­ мических процессов путем введения необходимых акти­ ваторов или ингибиторов.

До сих пор не разработаны методы прямого опреде­ ления количества ферментов: об их присутствии и актив­ ности судят либо по количеству веществ, образующихся в результате ферментативной реакции, либо по остаточ­ ному количеству вещества, на которое данный фермент действует во время реакции. Активность ферментов выражают в условных единицах, которые характеризу­ ются количеством вещества, израсходованного или обра­