7. Як працюють ферменти

Швидкість реакцій, які протікають під дією ферментів в 10 млн. разів (min) — 100 тис млрд. разів (max) вища, ніж реакцій, що каталізуються звичайними хімічними каталізаторами. Так, гідроліз складних ефірів N-ацетиламінокислот під дією хімотрипсину проходить в 10⁷ разів швидше ніж під дію такої ж концентрації НCl, а для гідролізу сечовини під дією уреази — в 10¹⁴.

Що зрозуміти у чому справа необхідно уточнити уявлення про хімічні реакції.

Частинки реагують одна з одною, якщо вони володіють достатньою енергією і правильно орієнтовані у просторі при зближуванні. Суть каталізу і полягає в тому, що каталізатор «допомагає» частинкам набути необхідної енергії, або зблизитись і правильно зорієнтуватись.

Хімічні каталізатори в більшості допомагають енергетично. Перевага ферментів у тому, що вони використовують і енергетичні і просторові шляхи прискорення (приклад з гайками і болтами в банці порівняти з руками). Таким чином «молекулярні щипці» — найпростіша форма ферментів.

Що являє собою молекула ферменту і яким чином в його функціях реалізується принцип «молекулярних щипців»? Сьогодні є можливість не лише виділити будь-який фермент в абсолютно чистому вигляді, але і чітко встановити його повну молекулярну структуру в тривимірному зображенні. Для цього використовують метод рентгеноструктурного аналізу.

Було встановлено, що в основі молекули будь-якого ферменту лежить білкова глобула з молекулярною вагою від 10 000 до сотень тисяч дальтон (1Д — вага 1 атома водню), форма близька до еліпсоїда з розмірами 25-200 Ангстрем (1/100 000 000 см). Поліпептидний ланцюг складається з залишків a-амінокислот, які можуть існувати в L і D-формах. У природних білках амінокислоти майже виключно L-форми. До складу білків будь-яких живих організмів на Землі входить 20 природних амінокислот. Вони можуть взаємодіяти між собою, утворюючи пептиди, добре розчинні у воді. Якщо кількість залишків амінокислот велика (n > 50 -100) то поліпептид згортається в глобулу і утворюється білок. Частина білків виконує інші фізіологічні функції і не являється каталізаторами. Наприклад, альбумін, глобулін крові та ін.

У ферментах структура глобули така, що на її поверхні з бокових груп амінокислот формується так званий активний центр. Цей центр захоплює молекули реагуючих речовин, активує їх і орієнтує в просторі тобто виконує функції «молекулярних щипців». Вбудовуватись такі «щипці» можуть лише в молекули певної структури. Цим забезпечується дуже висока специфічність ферментативного каталізу.

Застосування ферментних препаратів Протеїнази

Давно застосовуються в харчовій промисловості. Першим ферментом, що застосовується в промисловості була a-амілаза з Aspergillus oryzae, виробництво якої почалось у 1890 р. Препарати рекомендували використовувати, як засіб, що сприяє травленню. Але виробництво обмежене до 60-х років, коли їх стали використовувати у складі детергентів. Про таку можливість було відомо за 50 р. до цього, ще в 1913 р. продавався засіб для замочування білизни, що містив соду і панкреатинові ферменти.

У кінці 60-х років приблизно 50% всіх детергентів у Європі і США уже містили протеази (для їх виробництва використовувалися Bacillus subtilis). Постійно ведеться робота по збільшенню активності ферментів (особливо їх здатності видаляти плями) і стабільності в миючих розчинах.

Ще одна галузь де широко застосовуються протеаз — це виробництво сиру. Тут всі зусилля були направлені на пошук мікробних замінників сичуга телят.

Для виробництва протеаз у промисловому масштабі необхідні штамми мікроорганізмів, які синтезують зовнішньоклітинні протеази з високим виходом. Ці ферменти поділяють сьогодні на три групи: серинові, кислі і металопротеази.

Серед серинових на першому місці — субтилізин За участю Bacillus licheniformis виробляється » 500 т очищеного фермента на рік. Серинові проотеази не гідролізують білки до амінокислот. У пральні порошки додають 0,5% препарату, що містить 3% активного ферменту. Кількість ферменту мала, але він концентрується на плямах білкової природи із-за спорідненості. Менше застосовуються протеази алкалофільних видів Bacillus і вони активні при рН = 9 — 12 і t > 50 °C.

До складу металопротеаз входить атом металу (звичайно Zn), без якого фермент не активний. У промисловості металопротези одержуються за допомогою Bacillus amyloliguefaciens і B. thermoprotealytiсus. Специфічність дії більша ніж у серинових протеаз, але не можна використовувати як «мікробний сичуг» так як рівень неспиціфічного протеолізу в них все ж дуже високий. Вони застосовуються у пивоварінні при гідролізі білків ячменю, так як серинові протеази інгібіруються речовинами солоду. Видалення з їх допомогою білків виключає потемніння пива при охолодженні, яке відбувається у результаті взаємодії білків з танінами. З цією метою використовують протеази рослин папаїн і бромелаін.

Кислі протеази синтезуються грибами. За властивостями вони схожі на травні ферменти тварин пепсин і ренін. Застосовують їх для гідролізу соєвого білка при виробництві соєвого соусу, в хлібопеченні (змінюють клейковину щоб одержати пишні бісквіти), як засіб що сприяє травленню або ж зберігає пиво від потемніння. Специфічність кислих проотеаз термофільних грибів Mucor pusillus і Mucor miehei схожа на ферменти сичуга і широко застосовується для створожування молока (інші надмірно гідролізують казеїн ). Розробляється інший підхід на основі технології рекомбінантних ДНК, проведено клонування і одержана експресія гена реніну телят в мікроорганізмах (наприклад E. coli). Синтезований таким способом фермент успішно пройшов випробування при дослідному виробництві сиру.

Протеази застосовуються і в шкіряній промисловості при видаленні шерсті і пом‘якшенні шкіри, вона стає м’якою і еластичною.