Гидролизы – Ферменты

Гидролитические ферменты;

В разных странах разработаны и запатентованы способы улучшения качества хлеба, основанные на использовании препаратов липоксигеназы (главным образом, липоксигеназы соевой муки). Все они требуют очень точного дозирования фермента, так как даже небольшая передозировка приводит к резко отрицательному эффекту и вместо улучшения качества хлеба происходит его ухудшение.

Липоксигеназе принадлежит важная роль в процессах созревания пшеничной муки, связанных с улучшением ее хлебопекарных достоинств. Образующиеся под действием фермента продукты окисления жирных кислот способны вызывать сопряженное окисление ряда других компонентов муки (пигментов, SH-групп клейковинных белков, ферментов и др.). При этом происходит осветление муки, укрепление клейковины, снижение активности протеолитических ферментов и другие положительные изменения.

Самым богатым источником фермента является мука соевых бобов. Значительная часть липоксигеназы пшеницы прочно связана с клейковинными белками и освобождается при обработке клейковинного комплекса раствором восстановленного глутатиона.

Однако основное количество жирных кислот превращаются в гидроперекиси, обладающие сильными окислительными свойствами, и именно на этом основано использование липоксигеназы в пищевой промышленности.

Хорошим источником для получения промышленных препаратов каталазы являются культуры микроорганизмов и печень крупного рогатого скота.

Каталаза (Н.Ф. 1.11.1.6). Этот фермент катализирует разложение пероксида водорода.

Каталаза находит свое применение в пищевой промышленности при удалении избытка Н₂О₂ при обработке молока в сыроделии, где последняя используется в качестве консерванта; а также совместно с глюкозооксидазой применяется для удаления кислорода и следов глюкозы.

Пероксидаза (Н.Ф. 1.11.1.7). Пероксидаза − двухкомпонентный фермент, представляющий собой сочетание гема и гликопротеида. Углеводная часть придает белку большую специфичность; предполагают, что углеводы стабилизируют трехмерную структуру фермента.

Липоксигеназа (Н.Ф.1.13.11.12). Этот фермент катализирует окисление полиненасыщенных высокомолекулярных жирных кислот (линолевой и линоленовой) кислородом воздуха с образованием высокотоксичных гидроперекисей. Ниже приведена реакция, катализируемая этим ферментом:

R . СН₂-СН=СН-СН=СН-С(ООН)Н-СН₂ . СООН

Глюкозооксидаза (Н.Ф. 1.1.3.4). Высокоочищенные препараты глюкозооксидазы получают из плесневых грибов рода Aspergillus и Penicillium. В последние годы препараты глюкозооксидазы нашли применение в пищевой промышленности как для удаления следов глюкозы, так и для удаления следов кислорода. Первое − необходимо при обработке пищевых продуктов, качество и аромат которых ухудшаются из-за того, что в них содержатся восстанавливающие сахара; например, при получении из яиц сухого яичного порошка. Здесь имеется в виду реакция Майяра, т. к. глюкоза при сушке и хранении яичного порошка, особенно при повышенной температуре, легко вступает в реакцию с аминными группами аминокислот и белков. Порошок темнеет, и образуется ряд веществ с неприятным вкусом и запахом. Второе − необходимо при обработке продуктов, в которых длительное присутствие небольших количеств кислорода приводит к изменению аромата и цвета (пиво, вино, фруктовые соки, майонез). Внесение пакетиков, содержащих смесь воды, глюкозы, фермента и буфера, способствует удалению кислорода из воздушного пространства. Во всех подобных случаях в ферментную систему включают каталазу, разлагающую Н₂О₂, которая образуется при реакции глюкозы с кислородом. Этот метод нашел широкое применение в США для удаления кислорода из банок с сухим молочным порошком.

Роль ферментов класса гидролаз в пищевых технологиях очень велика. Для технологов наибольший интерес представляют три подкласса ферментов класса гидролаз. Это ферменты, действующие на сложноэфирные связи − эстеразы (Н.Ф.3.1); действующие на гликозидные соединения − гликозидазы (Н.Ф.3.2) и действующие на пептидные связи − протеазы (Н.Ф.3.4).

Эстеразы (Н.Ф.3.1). Этот подкласс включает большое число ферментов (около 150), которые разделены на семь подподклассов: ферменты, действующие на эфиры карбоновых кислот (3.1.1); эстеразы тиоловых эфиров (3.1.2); гидролазы фосфорных моноэфиров или фосфатазы (3.1.3); гидролазы фосфорных диэфиров (3.1.4); гидролазы моноэфиров олигофосфорных кислот (3.1.5); сульфатазы (3.1.6); эстеразы моноэфиров дифосфорных кислот (3.1.7).

Наиболее важными с точки зрения участия в различных биохимических процессах, имеющих место при хранении и переработке пищевого сырья, являются ферменты подподкласса 3.1.1.

Липаза (Н.Ф.3.1.1.3). Липаза или триацилглицероллипаза широко распространена в природе и играет важную роль в процессах, протекающих при переработке и хранении пищевых продуктов.

Зерновая липаза участвует в процессе порчи зерновых продуктов при хранении. Особенно это касается продуктов, содержащих повышенное количество жира, например, овсяной муки или крупы, пшена. Накопление свободных жирных кислот под действием липазы (рост кислотного числа жира) − признак ухудшения качества продукта. Свободные жирные кислоты, особенно ненасыщенные, легко подвергаются окислению под воздействием разных факторов: липоксигеназы, тепловой обработки, кислорода воздуха, солнечного света и др. Таким образом, липазы могут инициировать процесс прогоркания и ограничивать сроки хранения пищевых продуктов.

Класс 3. Гидролазы

Гидролазы — это ферменты, катализирующие реакции гидролиза, заключающиеся в расщеплении сложных органических соединений с присоединением молекулы воды по месту расщепляемой связи. К этому классу относятся многие ферменты, имеющие промышленное значение, а также большинство пищеварительных ферментов.

Тривиальные наименования ферментов данного класса имеют одну особенность: в большинстве случаев они образуются непосредственно от названия гидролизуемого субстрата путем замены его окончания на «-аза», при этом название типа катализируемой реакции в состав тривиального наименования ферментов гидролаз не включается.

Гидролазы подразделяют на подклассы в зависимости от химической природы расщепляемой связи. Среди них наибольшее значение имеют три подкласса — эстеразы, гликозидазы и протеазы.

1. Эстеразы (КФ 3.1) образуют подкласс ферментов, катализирующих реакции гидролиза сложных эфиров в соответствии с уравнением:

Среди эстераз наибольшее практическое значение имеют два фермента — липаза и пектинэстераза.

Липаза (КФ 3.1.1.3) катализирует гидролитический распад жиров:

Действие липазы имеет большое значение при переработке и хранении пищевого сырья и продуктов, особенно богатых жирами.

Пектинэстераза (КФ 3.1.1.11) катализирует гидролитическое расщепление растворимого пектина (см. п. 4.10.5).

2. Гликозидазы (КФ 3.2) катализируют реакции гидролитического расщепления гликозидных связей в олиго- и полисахаридах и гли- козидах.

К числу важнейших представителей ферментов этого подкласса принадлежит (3-фруктофуранозидаза (инвертаза, или сахараза) (КФ 3.2.1.26), катализирующая гидролиз сахарозы и рафинозы. Так, в результате воздействия этого фермента на сахарозу образуется смесь эквимолярных количеств oc-d-глюкозы и p-D-фруктозы, получившая название «инвертный сахар»:

Большое практическое значение среди гликозидаз имеют также ферменты амилазы (КФ 3.2.1.1—3), катализирующие расщепление крахмала и гликогена, ферменты целлюлазы (КФ 3.2.1.4, КФ 3.2.1.74), ускоряющие расщепление клетчатки, фермент Р-галактозидаза (КФ 3.2.1.23), катализирующий гидролиз лактозы, и др.

3. Протеазы (пептид-гидролазы, протеолитические ферменты) (КФ 3.4) представляют собой большую группу ферментов, катализирующих реакции гидролитического расщепления пептидных связей в белках и пептидах в соответствии с уравнением:

Процесс гидролиза белков и пептидов, катализируемый ферментами данного подкласса, называют протеолизом. Поэтому, согласно систематической номенклатуре ферментов, протеазы называют пеп- тид-гидролазами, а также протеолитическими ферментами.

Классификация пептид-гидролаз затруднена, так как эти ферменты обладают относительной субстратной специфичностью. Избирательность действия протеолитических ферментов определяется совокупностью факторов: 1) местоположением гидролизуемой пептидной связи в полипептидной цепи; 2) химической природой радикала аминокислоты, участвующей в образовании пептидной связи, гидролиз которой катализирует фермент; 3) химической природой радикалов остатков аминокислот, удаленных от гидролизуемой пептидной связи; 4) общей пространственной конформацией молекулы белка, делающей определенные пептидные связи доступными для воздействия фермента. Таким образом, классификация пептид-гидролаз основана на ряде различных критериев.

Согласно классификации пептид-гидролазы подразделяют на протеиназы и пептидазы. Протеиназы могут катализировать гидролиз непосредственно белков, воздействуя на глубинные пептидные связи, в результате чего белковая молекула распадается до пептидов. Пептидазы катализируют гидролитическое расщепление пептидов, воздействуя на наружные пептидные связи в субстрате, в результате чего образуется смесь свободных аминокислот.

Таким образом, гидролиз белков в организме при участии протеолитических ферментов протекает в два этапа. Вначале молекула белка атакуется протеиназами по глубинным пептидным связям, в результате чего образуются пептиды, а затем последние расщепляются пептидазами до аминокислот:

Вышеописанные различия между протеиназами и пептидазами свидетельствуют об избирательном действии пептид-гидролаз.

3.1. Протеиназы (КФ 3.4.21—25, 99) разделены на несколько подподклассов на основании различий в механизме катализа, обусловленных особенностями строения их активных центров. Важнейшими подподклассами протеиназ являются сериновые, тиоловые, кислые протеиназы и металлопротеиназы.

Сериновые протеиназы (КФ 3.4.21) содержат в активном центре ОН-группу остатка аминокислоты серина и имидазольную группу остатка аминокислоты гистидина. Типичным представителем сериновых протеиназ является фермент трипсин (КФ 3.4.21.4).

Трипсин содержится в соке, выделяемом поджелудочной железой, и действует в двенадцатиперстной кишке. Оптимальная зона pH для действия трипсина — 7,5—9,0. Этот фермент обладает высокой специфичностью действия, он катализирует гидролиз в белках только таких пептидных связей, в образовании которых участвуют остатки карбоксильных групп лизина или аргинина:

В пищеварительном соке поджелудочной железы трипсин содержится в неактивной форме в виде трипсиногена, который в кишечнике превращается в активный фермент трипсин путем отщепления короткого пептида от N-конца трипсиногена под воздействием фермента энтерокиназы (энтеропептидазы) (КФ 3.4.21.9). Так, например, происходит активация бычьего трипсиногена:

Отщепление N-концевого пептида от трипсиногена вызывает конформационные изменения в оставшейся части белковой молекулы, обусловливающие формирование активного центра трипсина.

Тиоловые (цистеиновые) протеиназы (КФ 3.4.22) содержат в активном центре SH-группу остатка аминокислоты цистеина. Типичным представителем данной группы протеолитических ферментов является папаин (КФ 3.4.22.2).

Папаин был выделен из плодов тропического растения Carica papaya (дынное дерево). Область оптимальных значений pH для его действия колеблется в зависимости от природы гидролизуемого белка в интервале от 5,0 до 7,5. По сравнению с трипсином папаин обладает менее выраженной избирательностью действия в отношении гидролизуемых пептидных связей. Преимущественно он катализирует гидролиз в субстратах второй пептидной связи, лежащей за остатком карбоксильной группы фенилаланина:

Все тиоловые ферменты активируются веществами, обладающими свойствами восстановителей — цистеином, восстановленным глутатионом и т.п. Например, активирование папаина восстановленным глутатионом происходит следующим образом:

Таким образом, каталитически активной является восстановленная форма папаина, а окисление сульфгидрильной группы (—SH) в активном центре фермента приводит к исчезновению его активности.

Кислые (карбоксильные, аспартильные) протеиназы (КФ 3.4.23) содержат в активном центре СООН-группы двух остатков аспарагиновой кислоты, вследствие чего величина оптимальных значений pH для их действия не превышает 5. Типичным представителем ферментов данного подподкласса является пепсин (КФ 3.4.23.1).

Пепсин вырабатывается слизистой оболочкой желудка и действует в полости желудка в сильнокислой среде. Оптимальная зона pH для его действия находится в интервале от 1,5 до 2,0. Пепсин обладает широкой субстратной специфичностью. Преимущественно он катализирует расщепление в белках тех пептидных связей, которые образованы при участии остатков аминных групп ароматических аминокислот — фенилаланина или тирозина:

Желудочный сок имеет величину pH от 1,5 до 2,5. В условиях таких значений pH глобулярные белки подвергаются денатурации, их молекулы разворачиваются и вследствие этого внутренние пептидные связи полипептидных цепей становятся более доступными для ферментативного гидролиза пепсином.

В клетках слизистой оболочки желудка пепсин синтезируется в неактивной форме в виде пепсиногена, который в полости желудка превращается в активный пепсин в результате отщепления от него N-концевой части молекулы, включающей около 40 аминокислотных остатков. Отщепление данной части пепсиногена, которая служит своеобразным экраном, прикрывающим активный центр пепсина, приводит к тому, что из оставшейся части молекулы пепсиногена образуется каталитически активный фермент. Превращение пепсиногена в пепсин вначале происходит под воздействием соляной кислоты, содержащейся в желудочном соке, а затем и самого пепсина. Так, например, происходит активация свиного пепсиногена:

Существование неактивных форм ряда ферментов, называемых зимогенами (трипсиноген, пепсиноген), — это защитный механизм, созданный природой для предотвращения нежелательного воздействия ферментов на ткани самого организма (поджелудочной железы, желудка).

Механизм активации ферментов путем избирательного гидролиза определенных пептидных связей в их зимогенах носит название активации путем ограниченного протеолиза. Этот механизм имеет первостепенное значение для регуляции обмена веществ в организме. Его преимуществами являются быстрота и высокая экономичность, так как в результате гидролиза всего одной или нескольких пептидных связей, что не требует больших энергетических затрат, из зимо- гена легко образуется каталитически активный фермент.

Таким образом, участие в полном гидролизе белков в организме не является единственной функцией протеиназ. Не менее важной функцией этих ферментов является их участие в процессе регуляции обмена веществ путем активации многих ферментов с помощью механизма ограниченного протеолиза.

Металлопротеиназы (КФ 3.4.24) образуют группу протеиназ, которые содержат в активном центре ионы металлов (Zn 2+ , Са 2+ ), необходимые для проявления их каталитической способности.

3.2. Пептидазы (КФ 3.4.11, 13—19), как и протеиназы, разделены на несколько подподклассов. В основу классификации пептидаз положена избирательность их действия, которая определяется местоположением гидролизуемой пептидной связи в субстрате. Важнейшими подподклассами пептидаз являются аминопептидазы, карбок- сипептидазы и дипептидазы.

Аминопептидазы (КФ 3.4.11) — ферменты, для действия которых необходимо наличие вблизи гидролизуемой пептидной связи свободной аминной группы. Следовательно, аминопептидазы катализируют последовательное отщепление свободных аминокислот от N-конца полипептидной цепочки:

Таким образом, аминопептидазы катализируют отщепление от субстрата N-концевых аминокислот.

Карбоксипептидазы (КФ 3.4.16—19) — ферменты, катализирующие гидролиз в субстрате пептидной связи, находящейся вблизи свободной карбоксильной группы. При этом последовательно отщепляются свободные аминокислоты от С-конца полипептидной цепочки:

Таким образом, карбоксипептидазы катализируют отщепление от субстрата С-концевых аминокислот.

Дипептидазы (КФ 3.4.13) — ферменты, катализирующие гидролиз в субстрате пептидной связи, находящейся одновременно вблизи как свободной аминной, так и свободной карбоксильной группы:

Таким образом, дипептидазы катализируют гидролитическое расщепление дипептидов на свободные аминокислоты.

гидролазы

ГИДРОЛАЗЫ

класс ферментов, катализирующих гидролиз. Могут действовать на сложноэфирные и гликозидные связи, на связи C—O в простых эфирах, С—S в сульфидах, С—N в пет идах, и др.

Г., катализирующие гидролиз сложноэфирных связей (эстеразы), действуют на сложные эфиры карбоновых и тио-карбоновых кислот, моноэфиры фосфорной кислоты и др. К этому подклассу относятся, в частности, ферменты, играющие важную роль в метаболизме липидов, нуклеиновых кислот и нуклеозидов, напр. арилсульфатазы, ацетилхолинэстераза, дезоксирибонуклеазы, липазы, фосфатазы, фосфолипазы и эндодезоксирибонуклеазы.

Наиб. группу ферментов, расщепляющих гликозидные связи, представляют те, которые катализируют гидролиз олиго- и полисахаридов, напр. амилазы, лизоцим и нейраминидаза. Многие Г. этого подкласса специфичны к положению гликозидной связи и к конфигурации аномерного атома С углевода.

Ферменты, катализирующие гидролиз связи С—N в пептидах и белках (пептидгидролазы),- самая многочисленная группа Г. К ним относятся ферменты, отщепляющие одну или две аминокислоты с N- или С-конца полипептидной цепи (напр., аминопептидазы, карбоксипептидазы), а также эндопептидазы, или протеиназы, расщепляющие цепь вдали от концевых остатков. Последние классифицируют не по специфичности к субстрату, как остальные Г., а по типу каталитически активных групп в активном центре. В соответствии с этим различают сериновые, тиоловые, карбоксильные и металлзависимые протеиназы. Пептидгидролазы играют важную роль не только в катаболизме белков и пептидов, но и в биол. регуляции (гормональной регуляции, активации проферментов, регуляции кровяного давления и солевого обмена и т. д.).

Ферменты, катализирующие гидролиз связей С—N в амидах, амидинах и нитрилах, играют важную роль в метаболизме амидов α-аминокислот (напр., аспарагина и глутамина), мочевины и ее производных (напр., барбитуратов), пуринов и пиримидинов и др. К Г. этого подкласса относятся, напр., аспарагиназы и уреаза.

Г., расщепляющие связь элемент-кислород в ангидридах неорг. кислот, действуют гл. обр. на фосфоангидридные связи в нуклеозиддифосфатах и нуклеозидтрифосфатах. В эту группу входят, напр., аденозилтрифосфатазы.

Разрыв связи C—C в 3-оксокарбоновых кислотах катализируется, напр., оксалоацетазой, превращающей ацетилщавелевую кислоту в щавелевую и уксусную. Др. подклассы Г. известны своими очень немногочисленными представителями.

Г. — белки с мол. м. от 10–15 тыс. до 200–300 тыс. Они проявляют свою каталитич. активность, как правило, в отсутствие к.-л. кофакторов; лишь в некоторых случаях необходимы ионы металлов — гл. обр. Zn 2+ , Co 2+ , Ca 2+ , Mg 2+ . Для небольшого числа Г. известна первичная, а для некоторых и пространств. структура молекулы (напр., для лизоци-ма, пепсина, трипсина, химотрипсина). Отмечено значит. сходство структуры ферментов одного подкласса, особенно в области активного центра. Так, мн. протеиназы имеют в активном центре одинаковую последовательность аминокислот: Gly Asp Ser Gly Gly Pro (обозначения см. в ст. аминокислоты). Близкое строение имеет и активный центр ряда эстераз.

Каталитически активными группами в Г. являются: группа OH остатка серина в химотрипсине, панкреатич. липазе, щелочной фосфатазе, аспарагиназе и др.; группа SH остатка цистеина, напр. в папаине; группа COOH остатков аспарагиновой и глутаминовой кислот в пепсине, лизоциме, карбоксипептидазе и др.; имидазольная группа остатка гистидина, напр. в рибонуклеазе, глюкозо-6-фосфатазе. Эти группы могут функционировать как нуклеоф. катализаторы, образуя с субстратом ковалентное промежут. соед., или как кислотно-основные катализаторы, способствуя отщеплению протона от молекулы H₂O, атакующей расщепляемую связь, и протонируя уходящую группу субстрата. Атомы металла в металлсодержащих Г. поляризуют расщепляемую связь, включая в свою координац. сферу молекулу H₂O, способствуя ее ионизации. Активность Г. подавляется многими специфич. ингибиторами. Так, сериновые протеиназы и эстеразы инактивируются фосфорорг. соед. (напр., диизопропилфторфосфатом, зарином, зоманом), тиоловые гидролазы — реагентами на SH-группу (напр., N-этилимидом малеиновой кислоты), металлсодержащие ферменты — хелатообразующими реагентами (напр., этилендиаминтетрауксусной кислотой).

Г. находят применение в промышленности, медицине и сельском хозяйстве, напр. для получения сахарных сиропов из крахмала и целлюлозы, осветления и стабилизации соков и виноматериалов, лечения ожогов, заболеваний желудочно-кишечного тракта, тромбозов.

Источники:

http://studopedia.su/9_105385_gidroliticheskie-fermenti.html
http://studref.com/595160/ekologiya/klass_gidrolazy
http://gufo.me/dict/chemistry_encyclopedia/%D0%B3%D0%B8%D0%B4%D1%80%D0%BE%D0%BB%D0%B0%D0%B7%D1%8B