Химия. Предмет и задачи пищевой химии. Химический состав продуктов питания
 Скачать 0.62 Mb.
|
|
Тема «Каталитическая функция белков. Ферменты пищевой промышленности» Наука о питании основывается на точном знании поэтапного расщепления питательных веществ под действием пищеварительной системы, на количественный и качественный состав которых влияет характер нутриентов, которые поступают. Много наследственных заболеваний человека обусловлено нарушением или отсутствием синтеза специфических ферментов. Введение их в комплекс лечебных средств компенсирует их недостаток. В основе всех процессов жизнедеятельности организма лежат тысячи химических реакций, которые катализируются особенными белками – ферментами (энзимами). Название «фермент» происходит от лат. fermentum (закваска); другой термин «энзим» - от греч. en – в середине, zyme – дрожжи. Именно с процессов брожения начинается наука о ферментах. Благодаря ферментам в живых организмах происходят такие дивные превращения, которые в других условиях не всегда возможны даже при условии использования наиболее современных достижений науки и техники. Так, например, для расщепления молекул пероксида водорода на молекулярный кислород и воду в присутствии железа необходимо 300 лет, тогда как фермент каталаза осуществляет этот процесс в живой клетке за одну секунду. Ферменты характеризуются очень высокой активностью. Ферментативная реакция происходит в 106-1012 раз быстрее, чем спонтанная реакция в водном растворе, которая не катализируется. В живых организмах в присутствии ферментов за доли секунд могут происходить сложные упорядоченные во времени и пространстве реакции, для проведения которых в лабораторных условиях необходимы были бы дни, недели и даже месяцы. Так, 1 г пепсина, фермента желудочного сока, который катализирует переваривание белков, за 1 час может гидролизовать 100 кг яичного белка. Реакции, которые катализируются ферментами, в отличие от многих химических реакций органических веществ, осуществляемых в лабораторных условиях, протекают без образования побочных продуктов, почти со 100-процентным выходом. Ферменты в клетке жестко локализованы. Четкое соответствие биохимических процессов органоидам клетки обуславливает локализацию в них тех или иных индивидуальных ферментов, мультиферментных комплексов – полиферментных блоков. Например, в митохондриях сосредоточены комплексы окислительно-восстановительных ферментов, в рибосомах – ферменты, которые принимают участие в биосинтезе белка, в лизосомах – гидролазы, в протоплазме – ферменты, которые активируют аминокислоты, в ядерном аппарате клетки – в основном ферменты, которые осуществляют биосинтез нуклеиновых кислот. Благодаря такой локализации ферментных систем процесс катализа является серией последовательных элементарных превращений веществ, максимально скоординированных и организованных в пространстве и времени. Обменные реакции, которые протекают в клетке под действием ферментов, жестко регламентированны: синтезируется только то количество разных видов простых молекул, которое необходимо для биосинтеза белков, нуклеиновых кислот, липидов, полисахаридов и т.п. Такая саморегуляция обеспечивает определенное стационарное состояние живых структур даже в случаях значительных изменений внешней среды. По химическому строению ферменты представляют собой простые и сложные белки. Простые ферменты состоят только из белков, поэтому их называют однокомпонентными. Сложные ферменты, кроме белковой, содержат и небелковую часть, поэтому они получили название двукомпонентных. Белковую часть сложного фермента называют апоферментом (носитель), небелковую – дополнительной, простетической группой, коэнзимом или коферментом (активная часть). Общее название сложного фермента – холофермент (от греч. holos – целое). Роль коферментов в сложных ферментах выполняют большинство витаминов (В1, В2, В3, В4, В5, В6, В12, Вс, Н и др.) или соединения, в состав которых входят витамины, ионы металлов и др. Например, витамин Н входит в состав кокарбоксилаз, которые катализируют биосинтез высших жирных кислот, потому что он способствует ассимиляции оксида углерода. В состав кофермента А, или коэнзима А (KoA и HSKoA), входит пантотеновая кислота (витамин В3). Действующие ныне номенклатура и классификация ферментов были утверждены в 1961 году на V Международном биохимическом конгрессе в Москве. В основу номенклатуры были положены такие положения: 1) окончание –аза следует использовать только для простых ферментов; для мультиферментных комплексов рекомендован термин «система» (например, пируватдегидрогеназная система); 2) в названии должен быть отражен механизм реакции, название субстрата и кофермента, тип реакции, которая катализируется. С учетом этих правил вместо бывшего названия, например, «лактатдегидрогеназа» рекомендуют систематическое название лактат-НАД-оксидоредуктаза, которое содержит три позиции: субстратом является лактат (молочная кислота), коферментом – НАД (никотинамидадениндинуклеотид), фермент оксидоредуктаза катализирует перенос водорода от субстрата к акцептору, т.е. указанный тип реакции. Все ферменты подразделяются на шесть классов: оксидоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы, лигазы (синтетазы). Каждый класс имеет подклассы. 1. Оксидоредуктазы. К этому классу отнесены все ферменты (дегидрогеназы, оксидазы и др.), которые катализируют окислительно-восстановительные реакции. Эти реакции осуществляются цепью ферментов и промежуточных переносчиков водорода или электронов от первичного субстрата к конечному акцептору – кислороду. Особенностью оксидоредуктаз является их способность ускорять большое количество разнообразных окислительно-восстановительных реакций, что обеспечивает соединение кофермента с многими апоферментами. При этом каждый раз образуется оксидоредуктаза, специфична относительно того или иного субстрата. Оксидоредуктазы принимают участие в химических реакциях, связанных с освобождением энергии. 2. Трансферазы. Ферменты этого класса осуществляют внутренний и межмолекулярный перенос отдельных функциональных групп. В зависимости от характера группировок, которые переносятся, различают метилтрансферазы – переносят метильные группы – СН3, аминотрансферазы – осуществляют перенос аминных груп – NH2, фосфотрансферазы – транспортируют остаток фосфорной кислоты. 3. Гидролазы. Ферменты этого класса обеспечивают расщепление внутримолекулярных связей органических соединений при участии воды. К этому классу принадлежит большая группа ферментов, в том числе почти все энзимы желудочно-кишечного тракта: эстеразы, фосфатазы, пептидазы и др. 4. Лиазы. К этому классу принадлежат ферменты, которые катализируют обратимые реакции отщепления разных групп от субстратов негидролитическим путем. Расщепление идет по связи С-С, С-N, С-О и т.д. К таким ферментам принадлежат, например, декарбоксилазы, которые отщепляют СО2 от карбоновых кислот. 5. Изомеразы. Эти ферменты катализируют разные типы реакций изомеризации. Они также катализируют процессы внутримолекулярнных превращений: переноса водорода, фосфатных и ацильных групп, изменения пространственного расположения атомных группировок, перемещения двойных связей и т.д. Например, L-изомеры превращаются в D-изомеры, глюкоза – в фруктозу и т.п. 6. Лигазы, или синтетазы. Ферменты этого класса принимают участие во всех реакциях синтеза разных соединений. Они ускоряют реакции образования органических соединений. Одним из таких природных донаторов энергии является аденозинтрифосфат (АТФ). Энергия, которая выделяется при отщеплении остатков фосфорной кислоты, используется для процессов биосинтеза. В пищевой промышленности ферменты используются для получения продуктов с заданными свойствами. При этом могут использоваться микробные ферменты; ферменты, выделенные из некоторых органов, например, из печени, поджелудочной железы, желудка. Более удобным и эффективным является использование иммобилизированных ферментов. Иммобилизация ферментов – это включение объекта (фермента) в изолированную фазу, которая отделена от фазы свободного раствора, но способна обмениваться с ней молекулами. Иммобилизированные ферменты получают путем связывания с носителями растворимых ферментов или клеток, которые имеют ферментативную активность, т.е. делают сорбцию фермента на носители и включения в структуру носителей-гелей. Иммобилизация приближает условия их функционирования к природному. Преимущество их использования состоит в том, что их можно удалять из реакционной среды, т.е. контролировать ход реакции и многоразово его использовать. Использование иммобилизированных ферментов позволяет осуществлять каждый процесс непрерывно, пропуская раствор субстратов через реакторы с иммобилизированными ферментами. Иммобилизированные ферменты имеют высокую каталитическую активность, ее можно изменять, изменяя способ связывания и вид носителя. Продукты реакции не загрязняются кристаллическими ферментами. С помощью иммобилизированных ферментов получают аминокислоты, ароматические кислоты, сахара, органические растворители, антибиотики, их используют для очистки сточных вод и водоемов. В промышленности применяют ферменты микробного происхождения: протеолитические, липолитические, амилолитические, гидролазы, которые расщепляют пектин, целлюлозу и гемицеллюлозу. Практическое занятие № 2 «Классификация ферментов; строение коферментов и простетических групп их каталитических центров» Вопросы к семинарскому занятию: 1. Роль ферментов в организме. 2. Строение ферментов и их активных центров. 3. Свойства ферментов. 4. Влияние физических и химических факторов на активность ферментов. 5. Специфичность действия ферментов. Виды специфичности. 6. Номенклатура и классификация ферментов. 7. Классы ферментов. 8. Процессы пищевых производств, которые основаны на действии ферментов. 9. Ферменты консервной промышленности. 10. Ферменты мясоперерабатывающей промышленности. 11. Ферменты крахмалопатоковой промышленности. Лабораторная работа № 2 «Изучение механизма действия витаминзависимых ферментов на примере оксидоредуктаз» Присутствие окислительно-восстановительных ферментов в растительных и животных тканях и биологических жидкостях может быть обнаружено по их действию на соответствующие субстраты. Задание 1. Окисление тирозина молекулярным кислород в присутствии тирозиназы (катехолоксидазы). Тирозиназа относится к группе оксидаз и катализирует окисление одноатомных и многоатомных фенолов (орто-дифенолы) и родственных им соединений (групповая специфичность) кислородом воздуха. По химической природе тирозиназа является металлопротеидом, содержащим медь в количестве 0,20-0,25%. Медь является необходимым компонентом активного центра фермента и действует как переносчик электронов в процессе окисления и восстановления. Тирозиназа находится в отдельных тканях и органах и широко распространена в растениях и грибах. В организме животных и человека тирозиназа катализирует превращение адреналина в физиологически неактивный пигмент адренохром. Последний, конденсируясь, превращается в бурый пигмент меланин. Бронзовый цвет кожи при заболевании надпочечников (аддисонова болезнь) обусловлен образованием избыточного количества меланина. Ход работы. Мелкоизмельченный картофель в количестве 0,5-1 г растирают в фарфоровой ступке с 3 мл дистиллированной воды и фильтруют через два слоя марли. Фильтрат содержит фермент тирозиназу. В две пробирки наливают по 1 мл вытяжки из картофеля, содержащей фермент тирозиназу. Содержимое одной пробирки кипятят 1-2 минуты и охлаждают в стакане с холодной водой. В обе пробирки добавляют по 0,5 мл насыщенного раствора тирозина, перемешивают и помещают в водяную баню при температуре 40-45 оС. Каждые 5 минут пробирки вынимают и содержимое их сильно встряхивают для лучшего соприкосновения жидкости в пробирках с воздухом. Жидкость в пробирке с активным ферментом постепенно принимает сначала розовую, красную, а через 1-2 часа – бурую и черную окраску. В контрольной пробе с прокипяченной вытяжкой цвет жидкости не изменяется (почему?). Реакция обусловлена окислением тирозина кислородом воздуха и протекает благодаря каталитическому действию тирозиназы. В процессе окисления из тирозина образуется красный пигмент галахром, который затем превращается в темный пигмент, родственный естественным меланинам. Задание 2. Окисление формальдегида метиленовой синью в присутствии альдегиддегидрогеназы (ксантиноксидазы) молока. Альдегиддегидрогеназа, или ксантиноксидаза, относится к аэробным дегидрогеназам (акцептором электронов и протонов служит кислород) и катализирует окисление гидратированной формы гипоксантина в ксантин, а также ксантина в мочевую кислоту. По химической природе ксантиноксидаза является флавопротеидом, содержащим металл молибден. В отличие от оксидаз геминовой природы (цитохромоксидаза) и тирозиназы, катализирующих окисление субстрата молекулярным кислородом с образованием молекул воды, при действии на субстрат оксидаз флавиновой природы конечным продуктом реакции является перекись водорода. При определенных условиях альдегиддегидрогеназа может передавать электроны не только кислороду воздуха, но и цитохромной системе. В анаэробных условиях фермент способен окислять субстрат за счет восстановления метиленовой сини и других красок, например, индиго, индофенола и др. Ксантиноксидаза содержится в молоке, печени, а также в других тканях растительного и животного происхождения. Ход работы. В две пробирки наливают по 1 мл свежего молока, в третью – прокипяченного и охлажденного молока. В первую и третью пробирки добавляют по 1 капле смеси 0,4%-ного раствора формальдегида и 0,02%-ного раствора метиленовой сини, во вторую – 1 каплю 0,02%-ного водного раствора метиленовой сини. Жидкость во всех трех пробирках должна быть окрашена одинаково в негустой голубой цвет. Во все три пробирки добавляют по 5 капель вазелинового масла для предохранения жидкости от соприкосновения с кислородом воздуха (создание анаэробных условий) и помещают в водяную баню при температуре 40 оС. Через некоторое время жидкость в первой пробирке обесцвечивается. Реакция обусловлена восстановлением метиленовой сини в лейкоформу за счет окисления формальдегида в муравьиную кислоту и протекает благодаря каталитическому действию фермента альдегиддегидрогеназы. Вследствие отсутствия активного фермента в прокипяченной пробе (третья пробирка) и субстрата в одной из некипяченых проб (вторая пробирка) обесцвечивания метиленового синего не происходит. Реакцией на альдегиддегидрогеназу можно отличить сырое молоко от кипяченого. Задание 3. Окисление пирогаллола перекисью водорода в присутствии пероксидазы. Пероксидазами называются ферменты, которые катализируют окисление некоторых фенолов, полифенолов и ароматических аминов перекисью водорода или органическими перекисями. Участвующая в реакции перекись водорода образуется в организме в результате действия некоторых оксидаз флавиновой природы (ксантиноксидаза). Органические перекиси возникают при окислении кислородом воздуха легко окисляющихся веществ, например, терпенов, каротиноидов и непредельных жирных кислот. По химической природе пероксидаза является геминовым ферментом (в состав простетической группы входит железопорфирин) и содержит одну гематиновую (Fe3+) группу на молекулу фермента. Пероксидаза широко распространена почти во всех растительных клетках. В организме человека и животных слабой пероксидазной активностью обладает гемоглобин, миоглобин, цитохромы. Ход работы. В четыре пронумерованные пробирки наливают по 0,5 мл 2%-ного водного раствора пирогаллола и добавляют: в первую – 0,5 мл свежей вытяжки из хрена (содержит фермент пероксидазу) и 2 капли 1%-ного раствора перекиси водорода, во вторую – 0,5 мл прокипяченной и охлажденной вытяжки из хрена и 2 капли 1%-ного раствора перекиси водорода, в третью – 0,5 мл дистиллированной воды и 2 капли 1%-ного раствора перекиси водорода, в четвертую – 0,5 мл свежей вытяжки из хрена. Содержимое всех пробирок взбалтывают и наблюдают, что красный (возможно желто-бурый) осадок пурпургаллина образуется только в той пробирке (первая пробирка), где присутствуют донатор (пирогаллол) и акцептор водорода (перекись водорода) и активный фермент – пероксидаза. Реакция обусловлена окислением пирогаллола перекисью водорода с образованием пурпургаллина – нерастворимого вещества красного цвета. Задание 4. Разложение перекиси водорода каталазой крови. Каталаза катализирует разложение перекиси водорода на молекулярный кислород и воду. При этом одна молекула перекиси водорода окисляется и служит донором электронов, а другая восстанавливается и является акцептором электронов. По химической природе каталаза является геминовым ферментом и содержит четыре гематиновые группы на молекулу фермента. Каталаза содержится во всех тканях и жидкостях организма, в большом количестве находится в эритроцитах. Биологическая роль каталазы заключается в обезвреживании перекиси водорода путем разрушения ее на воду и молекулярный кислород. Следует отметить, что если перекись водорода не удаляется из сферы окислительно-восстановительной реакции, то действие флавиновых оксидаз прекращается. В разрушении перекиси водорода принимает участие и пероксидаза. Ход работы. В пробирку наливают 0,5 мл 1%-ного раствора перекиси водорода и добавляют 1 каплю крови. Происходит бурное выделение кислорода: жидкость вспенивается, и пена заполняет всю пробирку. Таблица Окислительно-восстановительные ферменты
Выводы:______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Тесты для самопроверки и контроля знаний: 1. Что такое ферменты? а) неорганические катализаторы клеток; б) органические соединения, которые могут возбуждать новые реакции; в) ингибиторы химических реакций; г) биологические катализаторы белковой природы. 2. Что такое энергия активации? а) энергия, необходимая для перевода всех молекул одного моля соединения в активное состояние при определенной температуре; б) энергия, необходимая для разрыва (синтеза) химических связей во взаимодействующих молекулах; в) энергия, необходимая для активации одной из взаимодействующих молекул; г) энергия, необходимая для взаимодействия електронейтральных молекул. 3. Что такое энергетический барьер реакции? а) минимальная энергия, необходимая для активации взаимодействующих молекул; б) запас энергии, достаточный для преодоления сил отталкивания между реагирующими молекулами; в) энергия, необходимая для запуска биоэнергетической реакции; г) энергия, ниже чем потенциальная энергия взаимодействующих молекул. 4. Каким образом фермент понижает энергию активации? а) увеличением количества свободных зарядов у взаимодействующих молекул; б) увеличением энергетического барьера реакции; в) образованием промежуточных субстрат-ферментных комплексов; г) увеличением количества активных молекул, которые становятся реакционноспособными на более низком энергетическом уровне. 5. Чем отличаются простые ферменты от сложных? а) простые ферменты состоят из полипептидных цепей и в последствии гидролиза расподаются только на АК, а сложные, кроме АК, содержат небелковый компонент; б) простые ферменты являются простыми белками, а сложные — сложными; в) простые ферменты являются термостабильными, а сложные — термолабильными; г) простые фементы содержат АК и НК, а сложные — также простетические другие группы. 6. Что такое апофермент? а) витамин; б) белковая часть сложных ферментов; в) гормоны; г) кофакторы ферментов. 7. Что такое простетическая группа двухкомпонентного фермента? а) небелковая часть фермента, которая легко диссоциирует с комплексом содержащим апофермент; б) витамины; в) белковая часть фермента; г) небелковая часть фермента, которая крепко связана с белком-носителем. 8. Какая часть фермента определяет его специфичность? а) апофермент и кофермент; б) кофермент; в) апофермент (белковая часть); г) в одинаковой степени апофермент и кофермент. 9. Какие основные функции апофермента? а) усиливает каталитическую активность небелковой части и определяет спецефичность действия фермента; б) определяет спецефичность фермента; в) принимает участие в акте катализа и стабилизирует кофермент; г) отвечает за связь между коферментом и субстратом. 10. Какие вещества и факторы являются активаторами ферментов? а) минеральные и органические кислоты; б) SH-содержащие соединения, ионы тяжелых металлов; в) оптимальная температура, буферные растворы, ионы одновалентных (ионы двухвалентных) металлов; г) ионы двухвалентных (ионы одновалентных) металлов, соляная кислота, желчные кислоты, SH-содержащие соединения. 11. Какая температура являетя оптимальной для действия большенства ферментов? а) 28-32 оС; б) 37-43 оС; в) 45-50 оС; г) 50-60 оС. 12. Как изменяется состояние ферментов при низких температурах (около 0 оС)? а) полностью разрушаются (денатурируется); б) частично денатурируются с дальнейшей инактивацией; в) не разрушаются, но практически полностью теряют активность; г) не денатурируются, но полностью теряют активность. 13. Что такое абсолютная спецефичность фермента? а) способность катализировать превращения только одного субстрата; б) способность катализировать разрыв одной первичной связи; в) способность катализировать превращения одной определенной группы субстратов, похожих по структуре коферментов; г) способность катализировать превращения всех субстратов. 14. Что такое относительная спецефичность ферментов? а) способность катализировать превращения одной определенной группы субстратов; б) способность катализировать превращения только одного субстрата; в) способность катализировать превращения группы близких по свойствам субстратов с определенным типом связи; г) способность катализировать превращения общей группы стереоизомеров. 15. Что такое стереохимическая спецефичность ферментов? а) способность катализировать превращения цис- или транс-стереоизомеров; б) способность катализировать превращения D- или L-стереоизомеров; в) способность катализировать превращения только одного стереоизомера; г) способность катализировать превращения соединений D-ряда. |