История развития учения о ферментах кратко

Обновлено: 11.07.2024

Энзимология решает две главные неразрывно связанные между собой проблемы, касающиеся с одной стороны, структурной молекулярной организацией ферментов, с другой – природы химических взаимодействий, лежащих в основе ферментативного катализа. Изучение ферментов имеет огромное значение для любой фундаментальной и прикладной области биологии, а также для многих практических отраслей химической, пищевой, фармацевтической индустрии, занятых приготовлением катализаторов, антибиотиков, витаминов и многих других биологически активных веществ, используемых в медицине и хозяйстве.

Краткая история развития учения о ферментах

Явление брожения и переваривания известно с незапамятных времен. Но первое научное представление относится к первой половине XIX века, в 1814 г. петербургский ученый К.С. Кирхгоф показал, что не только проросшие семена ячменя, но и экстракты из солода способны осахаривать крахмал до мальтозы. Это вещество получило название амилазы.

Ю. Либих и Ф. Велер открыли амигдамин, содержащийся в эфирном масле горького миндаля. Затем были открыты другие ферменты: пепсин, трипсин, которые вызывают гидролиз белков в желудочно-кишечном тракте.

Значительный вклад в ферментологию или энзимологию внесли как отечественные ученые , так и зарубежные .

Наибольшее внимание исследователей привлекали процессы окисления в организме. В организме в процессе превращения глюкозы до СО2 и Н2О последовательно участвует около 15 различных ферментов. Биологические катализаторы не вызывают каких-либо побочных реакций.

Современные направления исследования энзимологии.

Химическая природа ферментов

Ферменты имеют белковую природу – это неопровержимые данные.

В 1926 г. Р. Вальштеттер отрицал принадлежность ферментов к белкам или к какому либо известному классу органических веществ. Поводом для сомнений явились опыты, в которых, хотя и были получены ферментативно-активные растворы, но белок не обнаруживался при помощи качественных цветных реакций. Объясняется это тем, что концентрация фермента при высокой удельной активности оказывается ниже пороговой чувствительности химического теста на белок.

О белковой природе ферментов говорит факт потери активности ферментов брожения при кипячении, установленный ещё Л. Пастером. При кипячении наступает необратимая денатурация белка-фермента. Они теряют свои биологические свойства – антигенные, гормональные, каталитические. Под влиянием различных физических и химических факторов происходит денатурация ферментов как и белков.

Строение и классификация ферментов

В зависимости от химической природы ферменты делятся на простые и сложные :

Для ферментов характерно наличие активного центра .

Активный центр фермента – уникальная комбинация аминокислотных остатков, обеспечивающая непосредственно взаимодействие с молекулой субстрата и прямое участие в акте катализа. У сложных ферментов в состав активного центра входит и простатическая группа.

В 1961 г. специальной комиссией Международного биохимического союза была предложена номенклатура ферментов. Согласно этой номенклатуре ферменты поделены на шесть групп в соответствии с общим типом реакции, которую они катализируют . В свою очередь, каждый класс подразделяется на подклассы и подподклассы.

Механизм действия ферментов

Механизм каталитического действия ферментов является слитным. Слитный механизм каталитического действия заключается в том, что переход от исходных веществ к продуктам переходит постепенно через образование активированных комплексов с участием катализатора, которые невозможно выделить в свободном состоянии, но иногда можно зафиксировать с помощью физических методов исследования.

Свойства ферментов

Активность ферментов.

Под активностью ферментов понимают начальную скорость химической реакции, катализируемой ферментами, например в мкмолях превращающегося субстрата в 1 мин или мкмолях образующегося продукта в 1 мин.

В настоящее время используют две единицы ферментативной активности:

a) Стандартная единица U

Единица активности фермента – это такое его количество, которое при определенных условиях катализирует превращение 1 мкмоль субстрата в 1 мин, или если атаке подвергается более, чем одна связь в молекуле субстрата, 1мкэкв в 1 мин.

1 катал – это такая каталитическая активность, которая увеличивает скорость реакции на 1 моль/с в определенной тест-системе.

В обоих случаях оговариваются условия, т.е. температура, рН, концентрация субстрата.

Удельная активность в первых двух случаях выражается соответственно мкмоль/мин*мг или ед. акт/мг. Если ферментативная активность выражается в каталах, удельная активность должна быть представлена в кат/кг.

1мкмоль/мин = 1 ед. акт. = 16,67 мкат.

Факторы, влияющие на активность ферментов.

Т.е. факторы, определяющие скорость реакций, катализируемых ферментами.

Со временем скорость реакции уменьшается. Это может быть объяснено угнетающим действием на фермент продуктов реакции, уменьшение количества субстрата, инактивацией фермента, влиянием скорости обратной реакции, которая может оказаться существенной по мере накопления продуктов реакции. Поэтому, учитывая эти обстоятельства при исследовании скорости химических реакций в тканях, биологических жидкостях, определяют начальную скорость реакции.

Влияние концентрации субстрата

При постоянной концентрации фермента скорость реакции постепенно увеличивается, достигает определенного максимума. Дальнейшее повышение концентрации субстрата практически не влияет на скорость. В этих случаях принято считать, что субстрат находится в избытке, и фермент полностью насыщен.

Скорость любой ферментативной реакции зависит от концентрации фермента. Скорость реакции прямо пропорциональна количеству фермента.

Активирование и ингибирование ферментов

Активаторы повышают активность фермента. Соляная кислота активирует действие пепсина; желчные кислоты – панкреатической липазы. Активатором может быть витамин С. Особенно часто активатором могут являться ионы двухвалентных металлов:

Анионы при физиологических концентрациях оказывают небольшое активирующее действие на ферменты. Исключение составляет пепсин, некоторые оксидоредуктазы, активизируемые анионами, а также амилаза слюны, катализирующая гидролиз крахмала, активность которой повышается при действии ионов хлора Cl-, аденилатциклаза, которая активируется анионами галогенов.

Ингибиторы

Вещества, вызывающие частичное торможение или полное торможение реакции.

Ферменты имеют белковую природу, поэтому любые агенты, вызывающие денатурацию белка , приводят к инактивации ферментов.

Термолабильность.

Термолабильность – это чувствительность к изменению температуры. Однако вследствие белковой природы тепловая денатурация фермента уменьшает эффективную денатурацию фермента.

Обычно в температурном интервале 40 – 50 ºC скорость ферментативных реакций максимальна. Выше 50 ºC скорость снижается, т.к. начинает сказываться денатурация. При температуре 100 ºC почти все ферменты утрачивают свою активность. Оптимальной температурой для действия фермента животного происхождения является tº= 37 – 40 ºC. При 0 ºC оптимальная активность ферментов падает почти до 0, но фермент при этом не разрушается. На Термолабильность оказывает влияние концентрация субстрата, рН-среда и другие факторы.

Зависимость от рН-среды.

Как показывают литературные данные, рН-оптимум действия фермента лежит в пределах физиологических значений. Исключение составляет пепсин. рН-оптимум равен 2,0 , это связано с тем, что он входит в состав желудочного сока, где есть свободная соляная кислота.

Специфичность ферментов.

Пепсин расщепляет белки животного и растительного происхождения, которые могут отличаться по аминокислотному составу, физико-химическим свойствам. Пепсин не расщепляет жиры, углеводы. Место его действия – пептидные связи −CO−NH− .

Местом действия для липазы, катализирующей гидролиз жиров до глицерина и высших карбоновых кислот, является сложно эфирная связь.

Аналогичной групповой специфичностью обладают трипсин, химотрипсин, пептидаза, ферменты, которые гидролизируют α-гликозидные связи в полисахаридах.

Имеются экспериментальные данные о стереохимической специфичности, обусловленных существованием оптически изомерных L- и D-форм или геометрических изомеров химических веществ.

Фумараза действует на фумаровую кислоту. Однако не действует на малеиновую.

Таким образом, благодаря специфичности действия ферменты обеспечивают протекание с высокой скоростью лишь определенных реакций из огромного разнообразия возможных превращений в микропространстве клеток и целостном организме, регулируя тем самым обмен веществ.

Химико-биологическая характеристика фермента амилазы.

Амилазы - ферменты класса гидролаз, катализирующие гидролиз крахмала, гликогена и других родственных олиго- и полисахаридов, главным образом, по 1,4глюкозидной связи. Различают несколько типов амилаз:

Амилазы применяются в пивоваренной, текстильной промышленности, в хлебопекарном производстве. Например, α-амилаза используется в пивоварении для осахаривания содержащегося в солоде крахмала, γ-Амилаза используется для производства глюкозы.

Ферменты, или энзимы, представляют собой высокоспециализированный класс веществ белковой природы, используемый живыми организмами для осуществления с высокой скоростью многих тысяч взаимосвязанных химических ре-

акций, включая синтез, распад и взаимопревращение огромного множества разнообразных химических соединений.

Первые данные, указывающие на то, что в живых клетках содержатся вещества, катализирующие определённые реакции, были получены в 1897г. немецким учёным Э.Бухнером. В 1814г. К.С. Кирхгоф впервые получил препарат фермента (в виде раствора), вызывающего превращение крахмала в более простые сахара.

В 30-х годах XX в. некоторые ферменты были получены в кристаллическом состоянии. Так, в 1926 г. Самнер сообщил о выделении из бобов фермента уреазы, предположительно имеющего белковую природу. Однако отнесение уреазы к белкам сочли вначале нелепым. Последующие исследования Самнера и независимо Нортропа и Стенли привели к выделению ещё нескольких ферментов, и, наконец, в 1935 г. белковая природа ферментов стала общепризнанной. Большое значение этого открытия, в частности, отражено в факте присуждения Нобелевской премии в1946 г. Самнеру, Нортропу и Стенли.

Дальнейшие исследования подтвердили, что по химической природе ферменты являются белками.

2 Общие свойства ферментов и химических катализаторов небелковой природы

1. Ферменты не входят в состав конечных продуктов реакции и не расходуются в процессе катализа, выходя из реакции в неизменном виде, т.е. освобождаясь, могут снова реагировать с новыми молекулами субстрата.

2. Ферменты только ускоряют реакции, протекающие и без них, они не могут возбудить реакции, противоречащие законам термодинамики.

3. Ферменты не смещают положение равновесия, а лишь ускоряют его достижение.

3 Отличительные признаки ферментативного и химического катализа

1. Скорость ферментативного катализа намного выше, чем небиологического. Например, энергия активации реакции разложения перекиси водорода

H 2 O 2 → H 2 O + ½O 2

равна 75,3 кДж/моль, поэтому самопроизвольное разложение протекает настолько медленно, что выделяющийся кислород визуально незаметен. При добавлении неорганического катализатора – железа или платины – энергия активации снижается до 54,1 кДж/моль, реакция ускоряется в тысячи раз и становится заметной по выделению пузырьков кислорода. Фермент катализа, разлагающий перекись водорода, снижает энергию активации более чем в 4 раза и ускоряет реакцию разложения в миллиард раз. Реакция протекает настолько бурно, что раствор от выделяющегося кислорода буквально вскипает. Наконец, одна-единственная молекула фермента может катализировать при обычной температуре превращение от тысячи до миллиона молекул вещества в минуту. Эта скорость катализа недостижима для небиологических катализаторов.

2. Ферменты обладают высокой специфичностью, направляя превращение вещества в строгое русло.

3.Ферментативные процессы не дают побочных реакций, для них характерен 100 %-ный выход целевого продукта.

4. Ферменты катализируют реакции в мягких условиях (физиологических), т.е. при обычном давлении, небольшой температуре и значениях pH, более близких к нейтральным, однако весьма чувствительна к сдвигам pH среды и изменению температуры.

5. Ферменты регулируемы. То есть они могут изменять свою активность под воздействием ряда факторов, изменяя количественные выходы продуктов. Регуляция ферментативных систем лежит в основе координации всех процессов метаболизма во времени и пространстве, что обеспечивает воспроизведение живой материи и стабилизацию внутриклеточной среды.

6. Скорость ферментативных реакций прямо пропорциональна количеству фермента, поэтому недостаток фермента в организме означает низкую скорость превращения какого-либо соединения, и наоборот, одним из путей приспособления организма является увеличение количества требуемого фермента.

4 Строение ферментов

Как и другие белки, ферменты имеют первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры. Им присущи все физико-химические свойства белков, и лишь одна отличительная особенность у них – это способность катализировать химические реакции.

Все ферменты делятся на две большие группы – однокомпонентные и двухкомпонентные. Однокомпонентные ферменты состоят из одного белка, обладающего каталитическим действием. Двухкомпонентные состоят из белковой части – называемой апоферментом, и небелковой части, называемой кофактором. Оба компонента в отдельности лишены ферментативной активности.

Апофермент и кофактор образуют холофермент, т.е. функционально действенный энзим. Прочность связи между кофактором и апоферментом может быть различной. Если эта связь прочная и постоянная, то такой кофактор называют простетической группой. Если связывание белка и кофактора происходит в момент катализа, то такой кофактор называется коферментом.

Роль кофактора сводится либо к изменению трёхмерной структуры белка, способствующей лучшему связыванию фермента с субстратом, либо к непосредственному участию в реакции в качестве ещё одного субстрата. Соединение в холофермент осуществляется любыми типами связей, кроме ковалентных.

Роль кофактора выполняет какой-либо ион (Zn +2 , Mg +2 , Mn +2 , Fe +2 , Cu +2 , K + , Na + ) или органическое соединение, чаще всего производное витаминов.

Таблица 1 – Некоторые кофакторы

(протонов и электронов)

Рибофлавин – витамин B 2

(протонов и электронов)

Активация и перенос

Пиридоксин – витамин B 6

Тиамин – витамин B 1

Как правило, именно коферменты выступают в качестве дополнительных субстратов. Они обычно играют роль промежуточных переносчиков, электронов или химических групп, которые в результате ферментативной реакции переносятся от одного соединения на другое.

Кофакторы термостабильны, тогда как белковая часть фермента денатурирует при нагревании. Кофактор ответственен за каталитическую активность фермента, белковая же часть усиливает каталитическое действие и определяет специфичность фермента. Один и тот же кофактор может функционировать в составе разных ферментов. Например, одна и таже NAD + (никатинамидадениндинуклеотид) является коферментом многих дегидрогеназ (окислительно-восстановитель- ных ферментов), отличие – в апоферментной части (белке).

При изучении взаимодействия фермента и субстрата было обращено внимание на то, что молекула фермента по размеру во много раз больше молекул субстрата. Это дало основание полагать, что субстрат взаимодействует не со всей молекулой фермента, а с каким-то небольшим участком, расположенным на его поверхности. Этот участок называется активным центром. Он находится в углублении поверхности белковой молекулы. У однокомпонентных ферментов активный центр образуется при формировании третичной структуры белка в результате сближения и определённой ориентации аминокислотных остатков, расположенных в различных концах полипептидной цепи. В двухкомпонентных ферментах активный центр представляет собой комплекс кофактора и нескольких примыкающих к нему аминокислотных остатков.

Чаще всего в активном центре содержатся остатки аминокислот гистидина, глутамина, аспарагина, цистеина, треонина. В активном центре фермента условно различают место, к которому прикрепляется субстрат – связующий или субстратный центр и каталитический центр, непосредственно вступающий в химическое взаимодействие с субстратом. Сказанное может быть представлено в следующей общей форме:

Ферменты, или энзимы, представляют собой высокоспециализированный класс веществ белковой природы, используемый живыми организмами для осуществления с высокой скоростью многих тысяч взаимосвязанных химических реакций, включая синтез, распад и взаимопревращение огромного множества разнообразных химических соединений.

Первые данные, указывающие на то, что в живых клетках содержатся вещества, катализирующие определённые реакции, были получены в 1897г. немецким учёным Э.Бухнером. В 1814г. К.С. Кирхгоф впервые получил препарат фермента (в виде раствора), вызывающего превращение крахмала в более простые сахара.

В 30-х годах XX в. некоторые ферменты были получены в кристаллическом состоянии. Так, в 1926 г. Самнер сообщил о выделении из бобов фермента уреазы, предположительно имеющего белковую природу. Однако отнесение уреазы к белкам сочли вначале нелепым. Последующие исследования Самнера и независимо Нортропа и Стенли привели к выделению ещё нескольких ферментов, и, наконец, в 1935 г. белковая природа ферментов стала общепризнанной. Большое значение этого открытия, в частности, отражено в факте присуждения Нобелевской премии в1946 г. Самнеру, Нортропу и Стенли.

Дальнейшие исследования подтвердили, что по химической природе ферменты являются белками.

МОГИЛЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ ПРОДОВОЛЬСТВИЯ

Кафедра химической технологии

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

БИОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

для студентов специальностей

49 01 01, 49 01 02, 91 01 01

ФЕРМЕНТЫ-ВИТАМИНЫ

Рассмотрен и рекомендован к изданию кафедрой

химической технологии высокомолекулярных соединений

Протокол № __ от ___________ 2005 г.

Рассмотрен и рекомендован к изданию секцией выпускающих кафедр

Протокол № _ от ____________2005 г.

Составитель доцент Макасеева О.Н.

графического материала доцент Баранов О.М.

Рецензент доцент Шуляк Т.Л.




Содержание

1 Краткая история развития учения о ферментах. ..4

2 Общие свойства ферментов и химических катализаторов небелковой природы 4

3 Отличительные признаки ферментативного и химического катализа. 4

4 Строение ферментов. 5

5 Механизм действия ферментов. 7

6 Единицы ферментативной активности. 8

7 Специфичность ферментов. 8

8 Термолабильность ферментов. 10

9 Влияние кислотности среды.. 11

10 Концентрация фермента. 12

11 Концентрация субстрата. 13

12 Активаторы и ингибиторы ферментов. 14

13 Аллостерические ферменты.. 16

14 Изоферменты.. 17

15 Классификация и номенклатура ферментов. 18

16 Использование ферментных препаратов. 22

17 Иммобилизованные ферменты.. 22

19 Классификация витаминов. 25

20 Жирорастворимые витамины.. 26

20.1 Витамины группы А. 26

20.2 Витамины группы D (кальциферол). 28

20.3 Витамины группы Е. 30

20.4 Витамины группы К. 32

21 Водорастворимые витамины.. 34

21.1 Общая характеристика витаминов группы B. 34

21.1.1 Витамин B1 (тиамин; антиневритный). 34

21.1.2 Витамин B2 (рибофлавин). 36

21.1.3 Витамин B3 (пантотеновая кислота). 38

21.1.4 Витамин B6. 39

21.1.5 Витамин B12. 42

21.2 Витамин РP (ниацин). 44

21.3 Витамин C. 46

21.4 Биотин (витамин H). 48

21.5 Витамин P (Цитрин). 49

21.6 Фолиевая кислота. Витамин Bc птероилглутаминовая кислота.. 50

21.7 Витамин U. 51

22 Витаминоподобные вещества. 52

22.1 Парааминобензойная кислота.. 52

22.2 Витамин В15. 53

22.5 Антивитамины. 55

Рекомендуемая литература. 56

Краткая история развития учения о ферментах

Ферменты, или энзимы, представляют собой высокоспециализированный класс веществ белковой природы, используемый живыми организмами для осуществления с высокой скоростью многих тысяч взаимосвязанных химических реакций, включая синтез, распад и взаимопревращение огромного множества разнообразных химических соединений.

Первые данные, указывающие на то, что в живых клетках содержатся вещества, катализирующие определённые реакции, были получены в 1897г. немецким учёным Э.Бухнером. В 1814г. К.С. Кирхгоф впервые получил препарат фермента (в виде раствора), вызывающего превращение крахмала в более простые сахара.

В 30-х годах XX в. некоторые ферменты были получены в кристаллическом состоянии. Так, в 1926 г. Самнер сообщил о выделении из бобов фермента уреазы, предположительно имеющего белковую природу. Однако отнесение уреазы к белкам сочли вначале нелепым. Последующие исследования Самнера и независимо Нортропа и Стенли привели к выделению ещё нескольких ферментов, и, наконец, в 1935 г. белковая природа ферментов стала общепризнанной. Большое значение этого открытия, в частности, отражено в факте присуждения Нобелевской премии в1946 г. Самнеру, Нортропу и Стенли.

Дальнейшие исследования подтвердили, что по химической природе ферменты являются белками.

Изучение ферментов представляет особый интерес, так как эта область знания находится на стыке биологических и физических наук. С одной стороны, ферменты имеют исключительное значение в биологии. Жизнь зависит от сложной совокупности химических реакций, осуществляемых специфическими ферментами, и любое изменение действия ферментов может повлечь за собой серьезные последствия для живого организма.

Содержание

Введение
История изучения
Заключение
Список литературы

Вложенные файлы: 1 файл

Ферменты.doc

Министерство здравоохранения Республики Беларусь

УО “Витебский государственный ордена Дружбы народов

Реферат на тему:

Подготовила: студентка 5 группы 2 курса

Проверил: Яцкевич В.В.

Изучение ферментов представляет особый интерес, так как эта область знания находится на стыке биологических и физических наук. С одной стороны, ферменты имеют исключительное значение в биологии. Жизнь зависит от сложной совокупности химических реакций, осуществляемых специфическими ферментами, и любое изменение действия ферментов может повлечь за собой серьезные последствия для живого организма. С другой стороны, ферменты как катализаторы все больше и больше привлекают внимание физикохимиков. Изучение механизма действия ферментов представляет собой одну из самых увлекательных областей современного научного исследования.

В настоящее время наука о ферментах — энзимология — превратилась в обширную бурно развивающуюся отрасль знания с многочисленными ответвлениями, тесно связанную со многими науками, особенно с биохимией и молекулярной биологией, физической химией, бактериологией и микробиологией, генетикой, ботаникой и сельским хозяйством, фармакологией и токсикологией, физиологией, медициной и химической технологией. Кроме того, она имеет важное практическое значение. Многие исследователи в различных странах сосредоточивают свои усилия на решении проблем энзимологии; созданы специальные институты для изучения ферментов. Все большее число журналов печатает статьи по энзимологии, и литература по различным разделам этой ветви науки в настоящее время очень обширна.

Науку составляет не только достигнутый результат, но и путь ведущий к результату,-результату путь от незнания к знанию, медленный, извилистый, скачкообразный, в каждой области зависящий от достижений смежных наук и общего развития мировоззрения. Ещё в незапамятные времена, на заре возникновения цивилизации, люди в своей практической деятельности сталкивались с различными ферментативными процессами и использовали их для своих целей. Это спиртовое и молочнокислое брожение, применение сычуга для приготовления сыров, солода и плесневых грибов, для осахаривания продуктов.

Вероятно, первым, кто попытался создать общее представление о химических процессах в живом организме, был врач и ученый Парацельс, родившийся в Швейцарии в конце XV века. Несмотря на наивность (с совершенной точки зрения), взгляды Парацельса во многом были прогрессивными, так как для понимания жизненных явлений он пытался привлечь реальные силы природы. Именно с этих позиций Парацельс и его последователи подошли к рассмотрению сущности ферментации, давно известного понятия обозначавшего разного рода брожения, главным образом спиртовое и молочнокислое.

В XVI и начале XVII века уже делались попытки рассматривать ферментации как химические процессы. И Василий Валентин (первая половина XVI века), и Андрей Либавий (1550-1616 годы) считали ферменты или дрожжи) особым веществом, хотя и подчиняли его действия неким не материальным силам. Другим последователем Парацельса был знаменитый голландский химик Иоганн Баптиста Ван Гельмонт (577-1644 годы). Именно он охарактеризовал фермент как агент, вызывающий химические процессы в организме и управляющий ими. Качественный скачок в развитии учения о произошёл в связи с исследованиями великого французского химика Антуана Лавуазье, совершившего переворот в химии и впервые внедрившего в химические исследования строгие количественные методы.

К концу XVIII века уже было известно, что встречаются химические процессы, протекающие с участием какого-то агента, без которого процесс практически не идёт. Уже был известен феномен химического катализа, означающий, что многие реакции in vitro протекают быстро и энергично в присутствии ничтожных количеств примесей, как будто не участвующих в реакции.(В 1837 г. Берцелиус сравнил ферменты с неорганическими катализаторами). В начале XIX века было открыто немало химических реакций, среди них были и некоторые ферментативные реакции Наибольшее внимание исследователей привлекали процессы окисления в организме. Работы Реомюра и Спалланцани о растворяющем влиянии желудочного сока хищных птиц на мясо показали, что растворение мяса есть химический, а не механический процесс. Первые успехи были достигнуты при изучении превращения крахмала в сахар. Решающая роль в этих исследованиях принадлежит работам петербургского академика К. С. Кирхгофа, которые открыли новую страницу в истории и химия ферментов Кирхгофом показал, что не только проросшие зерна ячменя, но и экстракты из солода способны осахаривать крахмал с превращением его в мальтозу. Вещество, извлекаемое из проросшего ячменя и обладающее способностью превращать крахмал в мальтозу, получило название амилазы. Позднее, в 1837г., Паен и Персо выделили это активное начало из экстракта солода в виде порошка и доказали его термолабильность, дали ему название дистаза за его способность отделять растворимый декстрин от нерастворимой оболочки крахмальных зерен. Название “дистаза” впоследствии было распространено на все ферменты как общее наименование (во французкой технической литературе оно сохранилось в указанном смысле до настоящего времени). В 1898 Дюкло предложил последние три буквы видового названия “дистаза” (суффикс “аза”) прибавлять к корню названия того вещества, на которое данный фермент действует. Этот принцип был положен в основу применяемой ныне номенклатуры, однако название пищеварительных ферментов, заканчивающиеся на “ин” сохранились. Поскольку число ферментов продолжает увеличиваться, в названии стали указывать тип катализируемой им реакции.

Сразу же после открытия ферментов многие исследователи обратили внимание на сходство между их действием и действием дрожжей при брожении. Так появился термин “фермент”. Во второй половине XIX в. разгорелся большой спор между Либихом, придерживавшегося того взгляда, что брожение и сходные процессы обусловлены действием химических веществ, и Пастером, утверждавшим, что брожение неотделимо от жизнедеятельности клеток. Отсюда возникло разделение ферментов на “организованные” и “неорганизованные”, т.е. на экстрагируемые ферменты и ферменты, функционирующие в живой клетке. Для того, чтобы избежать этих неудобных наименований, Кюне в 1878г. ввел в употребление термин “энзим”.

К концу XIXв. благодаря успехам в изучении структуры органических веществ, представляющих биологический интерес, стало возможным изучение пределов действия стало возможным изучение пределов действия ферментов, или их так называемой специфичности. Развитием представления о специфичности ферментов и близком стерическом соответствии между ферментом и субстратом мы обязаны Эмилю Фишеру. На основании своих наблюдений над субстратами известной структуры в 1894г Фишер выдвинул свое знаменитое положение о том, что субстрат подходит к ферменту так, как ключ подходит к замку. получившее название гипотезы “ключа и замка”(в 1958г. Дениел Кошланд предложил модификацию данной гипотезы). Изучение специфичности составляет в настоящее время очень важный раздел учения о ферментах, т.к. вследствие определенного соответствия между ферментом и субстратом фермент может действовать только на очень ограниченный ряд субстратов, и это является причиной существования множества различных ферментов. Надежное изучение специфичности ферментов, разумеется, невозможно без выделения индивидуальных ферментов в чистом виде.

Продолжали открывать новые ферменты. Юстус Либих (был одним из наиболее крупных авторитетов среди химиков XIX века) и Ф. Велер открыли агент, расщепляющий амигдалин, содержащийся в эфирном масле горького миндаля. Этот агент был назван эмульсином. В 1836 году Т.Шванн впервые обнаружил в желудочном соке фермент животного происхождения, названный им пепсином. Несколько позже, в 1857 году, А.Корвизар описал другой фермент, переваривающий белки - трипсин. В XIX веке (1897 год) Э.Бухнер убедительно доказал химическую природу ферментов. В 1907 году - Э.Бухнер был удостоен Нобелевской премии по химии.

В начале XXв. выдающийся русский физиолог И.П.Павлов, работая с ферментами пищеварения, впервые доказал, что ферменты могут существовать в живом организме в неактивной форме – в виде проферментов. Он показал превращение профермента трипсиногена в активный фермент трипсин с помощью энтерокиназы. Павлов предложил новые методы определения активности ферментов. Михаэлис и Ментен в 1913г. разработали теорию механизма действия ферментов и кинетику ферментативных реакций. В 1926г. Самнер впервые получил фермент в кристаллическом виде и установил его белковую природу. Виланд и Пфлейдерер в 1957г. доказали существование ферментов в виде молекулярных форм – изоферментов. Филлипс в 1960г. впервые расшифровал трехмерную структуру фермента лизоцима с помощью рентгеноструктурного анализа.

До 1920 г. сколько-нибудь серьезных работ по получению ферментов в чистом виде не было. Большинство ранних экспериментов такого рода проведены Вильштеттером и его сотрудниками между 1922 и 1928 гг. Несколько работ были выполнены в течение того же периода и другими исследователями (в качестве примера можно привести опыты Диксона и Кодама по очистке ксантиноксидазы, но ни в одном из этих случаев не удалось достичь полной очистки. Следующим важным шагом было получение ферментов в кристаллическом виде. Первым ферментом, полученным в кристаллическом виде, оказалась уреаза, кристаллы которой получил Самнер в 1926 г. Однако эти первые кристаллы были далеко не чистыми. За этой работой вскоре последовала серия классических работ Нортропа и его сотрудников по выделению в кристаллическом виде протеолитических ферментов. И хотя еще 35 лет назад число полученных в чистом виде ферментов было очень мало, в наше время число ферментов, полученных в чистом и кристаллическом виде, уже превышает 200, а число ферментов, очищенных до той или иной степени, превышает 1500.

Основное внимание в ранний период развития энзимологии было сосредоточено на изучении ферментов пищеварения и брожения; лишь значительно позднее была осознана важная роль внутриклеточных ферментов. Фактически серьезных работ по очистке внутриклеточных ферментов не было до 1937 г., несмотря на то, что в естественных условиях вне живых клеток встречается сравнительно мало ферментов. Однако с 1937 г. положение кардинально изменилось, и то громадное число ферментов, которые известны в настоящее время, обусловлено главным образом открытием новых внутриклеточных ферментов. Огромная информация, полученная при изучении этих ферментов, привела в свою очередь к значительно более глубокому пониманию механизма многих фундаментальных жизненных процессов, особенно лежащих в основе жизни процессов метаболизма, связанных с накоплением и использованием энергии. Наши знания о таких процессах, как фотосинтез, дыхание, биологическое окисление, брожение, синтез множества необходимых для роста органических веществ, выполнение механической или осмотической работы, значительно пополнились благодаря выделению и изучению ферментов, ответственных за эти процессы.

Наиболее фундаментальной проблемой энзимологии является установление механизма действия ферментов, выяснение вопроса о том, каким образом химическое строение ферментов обеспечивает их исключительно высокую и специфическую каталитическую активность. До сравнительно недавнего времени детальные данные о химическом строении ферментов отсутствовали и изучать указанную проблему можно было только непрямыми методами. Так, например, в результате исследования кинетики действия ферментов (это направление получило значительное развитие после классических исследований Брауна, Анри и Михаэлиса, опубликованных в начале века) оказалось возможным во многих случаях выявить последовательные стадии ферментативных реакций и высказать предположения относительно механизма действия ферментов. Другие методы (в первую очередь изотопные) внесли значительный вклад в наши представления о механизме действия ферментов.

Важная информация о природе участвующих в катализе химических групп молекулы фермента была получена как при исследовании уникальной специфичности ферментов, которая не свойственна другим катализаторам так и при изучении действия ингибиторов и реагентов, атакующих определенные химические группы.

Именно возможность получения ферментов в чистом виде привела к успешному развитию структурной энзимологии в последнее время. Исследование чистых ферментов с помощью специальных химических методов (в которых сами чистые ферменты используются в качестве инструментов) позволило определить полные последовательности аминокислот в полипептидных цепях молекул многих ферментов. Далее, с помощью метода рентгеноструктурного анализа была установлена детальная трехмерная структура молекул некоторых ферментов, полученных в кристаллическом состоянии. Была определена конформация пептидных цепей, расположение различных групп, образующих субстратсвязывающий участок, и характер взаимодействия последнего с молекулой субстрата. Естественно, что эти новые данные явились значительным вкладом в понимание механизма катализа. Располагая данными о полной структуре относительно простого фермента, оказалось даже возможным чисто химическими методами синтезировать в лаборатории каталитически активный фермент. Эти структурные исследования, которые из-за технических трудностей возможны пока только с немногими ферментами.

Читайте также: