Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Ферменты в технологиях кожи и меха. Учебное пособие
.pdf
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное го сударственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Казанский национальный исследовательский
технологический университет»
В. А. Сысоев
ФЕРМЕНТЫ
В ТЕХНОЛОГИЯХ КОЖИ
И МЕХА
Учебное пособие
Казань
Издательство КНИТУ
2020
УДК 675.02(075)
ББК 37.252я7
С95
С95
Сысоев В. А.
Ферменты в технологиях кожи и меха : учебное пособие / В. А. Сысоев; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2020. – 144 с.
ISBN 978-5-7882-2891-4
ISBN 978-5-7882-2891-4
©
Сысоев В. А., 2020
©
Казанский национальный исследовательский
технологический университет, 2020
УДК 675.02(075)
ББК 37.252я7
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Казанского национального исследовательского технологического университета
Рецензенты:
канд. техн. наук Л. М. Хайдарова
канд. техн. наук С. Ю. Грузкова
Представлены сведения о строении и свойствах гидролитических ферментов, входящих в состав ферментных препаратов, используемых в технологических процессах получения кожи и меха.
Предназначено для бакалавров, обучающихся по направлению подготовки 29.03.01 «Технология изделий легкой промышленности». Может быть
полезно магистрантам, аспирантам и научным работникам.
Подготовлено на кафедре плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов.
Оглавление
Список сокращений
Введение ...................................................................................................... 6
1. Особенности строения ферментов ........................................................ 8
2. Классификация и номенклатура ферментов ...................................... 15
3. Термодинамика химических реакций ................................................. 22
4. Катализаторы в химических реакциях .............................................. 26
5. Особенности ферментов как катализаторов ..................................... 30
6. Кинетика ферментативных реакций ................................................... 35
6.1. Термолабильность ферментов ...................................................... 35
6.2. Влияние рН среды на активность ферментов .............................. 37
6.3. Концентрация реагентов и константа равновесия ...................... 39
6.4. Концентрация фермента ................................................................ 41
6.5. Концентрация субстрата ............................................................... 42
6.6. Уравнение Михаэлиса–Мэнтен .................................................... 43
6.7. Активаторы и ингибиторы ферментов ......................................... 51
7. Характеристика гидролитических ферментов ................................... 58
7.1. Протеолитические ферменты ........................................................ 58
...............................................
................................
......5
7.1.1. Сериновые протеиназы (3.4.21) ............................................. 61
7.1.2. Тиоловые (цистеиновые) протеиназы (3.4.22) ...................... 65
7.1.3. Карбоксильные протеиназы (3.4.23) ...................................... 66
7.1.4. Металлосодержащие протеиназы (3.4.24) ............................. 67
7.2. Эстеразы (КФ 3.1) .......................................................................... 68
7.3. Гликозидазы (3.2.1) ........................................................................ 69
8. Выделение и очистка ферментов ........................................................ 74
9. Микробиологические ферментные препараты сырья ....................... 78
10. Оценка действия ферментов и активность ферментных
препаратов ................................................................................................. 84
3
11. Действие ферментов на основные компоненты шкуры .................. 87
11.1. Основные компоненты шкуры .................................................... 87
11.2. Действие ферментов на волокнообразующие белки шкуры ....... 92
11.2.1. Строение и структура коллагена .......................................... 93
11.2.2. Синтез коллагена ................................................................... 97
11.2.3. Действие ферментов на коллаген....................................... 100
11.3. Строение и структура кератина ................................................ 103
11.4. Свойства кератина ..................................................................... 104
11.5. Действие ферментов на кератин ............................................... 106
11.6. Эластин ....................................................................................... 107
12. Применение ферментных препаратов в кожевенном
производстве ........................................................................................... 112
12.1. Отмока кожевенного сырья ....................................................... 114
12.2. Обезволашивание ....................................................................... 118
12.3. Мягчение голья .......................................................................... 123
12.4. Обработка дубленого кожевенного полуфабриката ............... 124
13. Ферментативные процессы мехового производства ..................... 127
13.1. Отмока мехового сырья ............................................................. 129
13.2. Обезжиривание мехового сырья ............................................... 130
13.3. Мягчение меховых шкур ........................................................... 132
13.4. Обработка мехового полуфабриката ........................................ 134
14. Переработка белковых отходов ....................................................... 136
15. Перспективные направления применения ферментов
в технологиях кожи и меха .................................................................... 139
Библиографический список ................................................................... 142
4
С п и с о к с о к р а щ е н и й
IUB – International Union of Biochemistry (Международный био-
логический конгресс);
КРС – крупный рогатый скот;
КФ – классификация ферментов;
МЕ (Е) – международная единица активности ферментных пре-
паратов;
нПАВ – неионогенные поверхностно активные вещества;
ХПК – химическое потребление кислорода;
ПААГ – полиакриламидный гель;
ПАВ – поверхностно-активные вещества;
ПРК – продукты растворения коллагена;
ПТН – протеолетические ферментные препараты;
ФРК – ферментно растворимый коллаген.
В ведение
Обмен веществ в организме можно определить как совокупность всех химических превращений, которым подвергаются соединения, поступающие извне. Эти превращения включают все известные
виды химических реакций: межмолекулярный перенос функциональных групп, гидролитическое и негидролитическое расщепления химических связей, внутримолекулярную перестройку, новообразование химических связей и окислительно-восстановительные реакции. Такие
реакции протекают в организме с чрезвычайно большой скоростью
только в присутствии катализаторов. Все биологические катализаторы
представляют собой вещества белковой природы и носят названия ферменты или энзимы.
Термин «ферментация» в переводе с латинского fermentum –
брожение, закваска. Термин «энзим», являющийся в настоящее время
синонимом термина «фермент», обозначает ту же закваску, но в переводе с греческого. В русском языке наиболее распространен последний
вариант, от которого происходят названия всех процессов с участием
этих катализаторов (ферментативные процессы). Однако научное
направление, занятое изучением ферментов, называется энзимологией.
Таким образом, ферменты можно определить как специфические
белки с молекулярной массой от 15 000 до нескольких миллионов дальтон, которые образуются в клетках животных и растительных организмов и выполняют функции катализаторов биохимических реакций.
Практически все биохимические реакции катализируются ферментами.
В процессе реакции катализа в контакт с субстратом вступает
не вся молекула фермента, а определенный ее участок, который называется активным центром. Эта зона молекулы не определяется простой
последовательностью аминокислотных остатков, а формируется при
скручивании белковой молекулы в третичную структуру. Отдельные
участки аминокислот сближаются между собой, образуя определенную
конфигурацию активного центра.
Эффективность действия ферментов определяется значительным снижением энергии активации катализируемой реакции в результате образования промежуточных фермент-субстратных комплексов.
Присоединение субстратов (веществ, на которые действует фермент)
происходит в активных центрах, которые обладают сходством только с
определенными субстратами, чем достигается высокая специфичность
6
(избирательность) действия ферментов. В отличие от небелковых катализаторов (Н+, ОН─, ионы металлов), каждый фермент способен катализировать очень небольшое число реакций, часто только одну. Таким
образом, ферменты представляют собой реакционно-специфические
катализаторы.
Промышленностью выпускаются чистые ферменты и ферментные препараты, представляющие собой смеси, содержащие основной
целевой фермент с высокой активностью, менее активные ферменты
и балластные вещества. Часто для повышения стабильности фермента
и увеличения срока его действия используют неподвижный нерастворимый носитель. Ферменты, применяемые в такой форме, называются
иммобилизованными. В кожевенном и меховом производстве ферменты используются в водных растворах. Их применяют для ускорения
и более качественного проведения таких процессов, как отмока, мягчение голья, обезволашивание, квашение и киселевание шкур, при утилизации и переработке отходов.
В процессах хранения сырья необходимо решение обратной задачи, а именно, максимально снизить активность ферментов, вырабатываемых микроорганизмами шкуры или содержащихся в самой шкуре, поскольку они могут способствовать ее разрушению. Поэтому своевременное консервирование шкур и их хранение в определенных условиях, вызывающих инактивацию разрушающих сырье ферментов, также является важной задачей для кожевенного и мехового производства.
7
1. ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ ФЕРМЕНТОВ
Будучи белками, ферменты обладают всеми их свойствами.
Вместе с тем биокатализаторы характеризуются рядом специфических
качеств, тоже вытекающих из их белковой природы. Эти качества отличают ферменты от катализаторов обычного типа. Сюда относятся
термолабильность ферментов, зависимость их действия от значения рН
среды, специфичность, подверженность влиянию активаторов и ингибиторов.
Поскольку ферменты являются белковыми веществами, их
строение характеризуется различными уровнями организационной
структуры:
− последовательностью расположения аминокислотных остат-
ков в полипептидных цепях (первичная структура);
− конформацией полипептидных цепей (вторичная структура);
− взаимным расположением цепей и их упаковкой в молекуле
фермента (третичная и четвертичная структуры).
Основная роль в каталитической активности фермента принадлежит
третичной структуре.
По химическому строению различают простые ферменты, которые состоят только из аминокислотных остатков, и сложные, имеющие
наряду с белковой частью – апоферментом еще и небелковую часть,
или кофактор (от лат. co (cum) – вместе и factor – делающий) (рис. 1.1).
Функции кофактора следующие: участие в акте катализа, осуществление контакта между ферментом и субстратом, стабилизация молекулы
фермента в пространстве. Кофакторы подразделяют на:
− простетические группы;
− коферменты;
− металлокоферменты.
Простетическая группа – это органическое соединение небелковой природы, прочно связанное с белковой частью фермента
(апоферментом) и остающееся присоединенным к молекуле белка в течение всего каталитического акта (например, липоевая кислота, рибофлавин, биотин, гемы и др.). Этим простетическая группа отличается
от коферментов-переносчиков, действие которых связано с их переходом от одной молекулы фермента к другой.
Коферменты представляют собой органические соединения
небелковой природы, участвующие в ферментативной реакции
8
в качестве акцепторов отдельных атомов или атомных групп,
отщепляемых ферментом от молекулы субстрата. Кофермент соединен
с апоферментом непрочной связью, которая легко разрушается под
действием кислот, щелочей или при диализе, что приводит
к образованию каталитически неактивных компонентов. В общем
случае осуществлению ферментативного акта предшествует
образование комплекса между коферментом, субстратом
и апоферментом в составе активного центра фермента. В ходе
каталитического процесса кофермент не претерпевает необратимых
химических превращений и может многократно участвовать
в ферментативных реакциях. Огромное число известных
биохимических реакций протекает с участием ограниченного набора
коферментов. Большинство коферментов – производные витаминов
или содержат витамин в качестве компонента. Химическая природа
кофермента в значительной мере определяет тип и механизм
ферментативной реакции.
Рис. 1.1. Строение ферментов
Металлокоферменты представляют собой сравнительно легко
отделимые от апофермента неорганические кофакторы – ионы таких
металлов, как цинк, медь, калий, магний, кальций, железо, молибден.
9
Однако указанные различия кофакторов часто условно,
поскольку одно и то же соединение действует в одних случаях как
типичный диссоциирующий кофермент, в других – остается прочно
связанным с белком. Поэтому четкой границы между терминами
«кофактор», «кофермент» и «простетическая группа» нет.
Характерной особенностью сложных или двухкомпонентных
ферментов является то, что ни апофермент, ни кофактор в отдельности
не обладают заметной каталитической активностью. Только их комплекс проявляет ферментативные свойства. Этот каталитически активный молекулярный комплекс носит название холофермента (рис. 1.2).
При этом белок резко повышает каталитическую активность небелковой группы, присущую ей в свободном состоянии в очень малой степени. Кофактор же стабилизирует белковую часть и делает ее менее
уязвимой к денатурирующим агентам.
Рис. 1.2. Схема активного центра сложных ферментов
Представление о том, что в катализе участвует лишь ограниченная область молекулы фермента, возникло вследствие того, что размеры ферментов значительно превышают размеры многих, особенно
низкомолекулярных, субстратов. Область фермента, непосредственно
связанную с химическими превращениями, часто называют каталити-
ческим центром (участком).
Таким образом, хотя непосредственным исполнителем каталитической функции является кофактор, образующий каталитический центр,
его действие немыслимо без участия полипептидных фрагментов
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]