Загальні властивості ферментів

 

Ферменти - біологічні каталізатори білкової природи. Вони значно підвищують швидкість хімічних реакцій, які за відсутності ферментів протікають дуже кволо. При цьому ферменти не витрачаються і не зазнають необоротних змін.

Яким чином ферменти підвищують швидкість реакцій? Вони прискорюють хімічні реакції, знаходячи "обхідні шляхи", що дозволяють молекулам долати активаційний бар'єр на нижчому енергетичному рівні. Це стає можливим тому, що ферментативна реакція складається з 2-х стадій: на першій стадії відбувається утворення фермент-субстратного комплексу, перехідному стану якого відповідає значно нижча енергія активації; на другій стадії цей комплекс розпадається на продукти реакції та вільний фермент, який може взаємодіяти з новою молекулою субстрата. Це можна виразити таким рівнянням:

E + S → ES → P + E

де E - фермент, S - субстрат, ES - фермент-субстратний комплекс, P - продукти реакції.

Особливості ферментів. Ферменти за своєю природою є білками, що мають третинну або четвертинну структуру, тому мають низку особливостей, які відрізняють їх від неорганічних каталізаторів:

1) величезна сила каталітичної дії. Ферменти в 108 - 1020 разів підвищують швидкість реакцій, що каталізуються ними;

2) специфічність дії ферментів. Вони каталізують строго певні реакції. Тільки завдяки якнайтоншій специфічності ферментативного каталізу можлива строга впорядкованість і щонайтісніший взаємозв'язок окремих ферментативних реакцій, які лежать в основі біологічного обміну речовин.

За ступенем специфічності окремі ферменти досить сильно розрізняються між собою. Виділяють такі основні типи специфічності:

Ø абсолютна специфічність - фермент каталізує перетворення тільки одного субстрата;

Ø групова специфічність - фермент діє на групу споріднених субстратів, що мають певні структурні особливості;

Ø специфічність щодо певних типів реакцій - такі ферменти виявляють найменшу специфічність, вони діють незалежно від того, які групи присутні поблизу того зв'язку, на який направлена дія ферменту;

Ø стереохімічна специфічність - фермент каталізує перетворення тільки однієї стереохімічної форми субстрата.

3) лабільність. На активність ферментів впливають різні чинники (можуть змінювати свою активність при зміні рН, температури, присутності активаторів і інгібіторів та ін. Лабільність (або мінливість) ферментів обумовлена їх білковою природою, складною просторовою конфігурацією (структурою).

Багато ферментів є двокомпонентними, тобто складаються з білкової частини - апофермента і пов'язаного з ним небілкового компонента - кофермента. У результаті ферментативних реакцій коферменти, як правило, не піддаються змінам.

 

Класифікація та номенклатура ферментів

 

Хімічна реакція, що каталізується, є тією специфічною ознакою, за якою один фермент відрізняється від іншого. Тому природно і логічно, що класифікація і номенклатура ферментів грунтується на цьому принципі. Сучасна класифікація ферментів розроблена спеціальною Комісією Міжнародного Біохімічного Союзу і викладена в книзі "Номенклатура ферментів".

У основі класифікації лежать три положення:

а) усі ферменти діляться на 6 класів за типом реакції, яку вони каталізують;

б) кожен фермент одержує систематичну назву, що містить назву субстрата, тип реакції, що каталізується, і закінчення "аза"; крім того, Комісією були збережені та узаконені тривіальні назви. Таким чином, виникла подвійна система найменування ферментів;

в) кожному ферменту привласнюється чотиризначний шифр (код). Перше число зазначає клас ферментів, друге - підклас, третє - підпідклас, четверте, - порядковий номер ферменту в підпідкласі.

Наприклад, алкогольдегідрогеназа (Н.Ф.1.1.1.1): перша цифра - 1 - означає клас оксидоредуктаз, друга цифра - 1 - підклас дегідрогеназ (діє на СН - ОН-групу донорів), третя цифра - 1 - підпідклас анаеробні дегідрогенази (акцептором служить НАД+ або НАДФ+), четверта цифра - 1 - конкретний фермент алкогольдегідрогеназа.

Або α-амілаза (Н.Ф.3.2.1.1): перша цифра - 3 - клас гідролаз, друга цифра - 2 - підклас карбогідраз, третя цифра - 1 - підпідклас поліаз, четверта цифра - 1 - конкретний фермент α-амілаза.

Сучасна міжнародна класифікація ферментів ділить всі ферменти на 6 основних класів:

1 клас - оксидоредуктази - ферменти, що каталізують окиснювально-відновні реакції (приєднання О₂, відщеплення та перенесення Н₂, перенесення електронів);

2 клас - трансферази - ферменти перенесення. Каталізують перенесення цілих груп атомів з однієї сполуки до іншої (наприклад, залишків моносахаридів, амінокислот, залишків фосфорної кислоти, метильних та амінних груп та ін.);

3 клас - гідролази - ферменти, що каталізують реакції гідролізу, тобто розщеплювання складних органічних сполук на простіші за участю води. Ці реакції можуть бути виражені таким рівнянням:

RR₁ + НОН → R - OH + R₁ - H;

4 клас - ліази - ферменти, що каталізують реакції негідролітичного відщеплення яких-небудь груп від субстрата з утворенням подвійного зв'язку або приєднання угрупувань за місцем розриву подвійного зв'язку (наприклад, відщеплення Н₂О, СО₂, NH₃ та ін.);

5 клас - ізомерази - ферменти, що каталізують реакції ізомеризації, тобто внутрішньомолекулярного перенесення хімічних груп та утворення ізомерних форм різних органічних сполук;

6 клас - лігази (синтетази) - ферменти, що каталізують реакції синтезу, зв'язані з розривом високоенергетичного зв'язку АТФ та інших нуклеозідтрифосфатів (при цьому можливо утворення С-С-; C-S-; С-О-; і C-N- зв'язків).

Увагу технологів, що переробляють біологічну сировину, привертають перш за все ферменти 1-го класу - оксидоредуктази, а також 3-го класу - гідролази, оскільки при переробці харчової сировини відбувається руйнування клітинної структури біологічного матеріалу, підвищується доступ кисню повітря до подрібнених тканин і створюються сприятливі умови для дії ферментів типу оксигеназ, а також вивільняються гідролітичні ферменти, які активно розщеплюють всі основні структурні компоненти клітини (білки, ліпіди, полісахариди), у зв'язку з чим різко прискорюються процеси розпаду клітинного вмісту (процеси автолізу, самопереварювання).

 

Контрольні запитання та завдання:

 

1. Яка роль білків у харчуванні людини? Що таке азотистий баланс і які його види можуть спостерігатися в організмі?

2. Які рекомендовані норми білка в харчуванні і від яких чинників вони залежать?

3. Надайте характеристику проблеми дефіциту білка і які шляхи її рішення? Яка роль нетрадиційної рослинної і тваринної сировини для поповнення ресурсів харчового білка?

4. Що таке синдром квашіоркора і які його наслідки?

5. Що включають поняття харчова і біологічна цінність білків? Як визначається біологічна цінність білків?

6. Які властивості характерні для амінокислот?

7. Яка специфічна роль окремих амінокислот (цистеїна, тірозина, фенілаланіна, метіоніна, глутамінової та аспарагинової) в організмі?

8. Які хімічна природа і особливості ферментів як біологічних каталізаторів?

9. Що таке ферментні препарати і як їх відмінність від ферментів?

10. Які ферменти найширше застосовуються в харчовій промисловості?

11. За якими критеріями оцінюються ферментні препарати з погляду їх використання в тій або іншій харчовій технології?

12. Що таке імобілізовані ферменти?

13. Гідроліз білків. Назвати проміжні і кінцеві продукти гідролізу.

14. Що таке поліпептиди, де вони зустрічаються, значення. Привести схему утворення змішаного трипептиду з аланіну, гліцину, фенілаланіну.

15. Знаючи властивості білків, пояснити, чому посуд із-під молочних продуктів слід мити спершу холодною водою, а потім гарячою, а не навпаки? Що таке кольорові реакції білків. Значення цих реакцій.

 

 

РОЗДІЛ ІІІ. ВУГЛЕВОДИ

 

Вуглеводи - обов'язковий компонент їжі, що повинний бути присутнім у раціоні харчування людини. Вуглеводи складають по масі найбільшу частину раціону. Кількість і співвідношення вуглеводних компонентів в їжі відіграють важливу роль у харчуванні, у збереженні здоров'я і профілактиці основних захворювань сучасної людини.

Вуглеводи – біохімічні сполуки, які утворюються в рослинах як первинні продукти фотосинтезу та є важливою складовою частиною живих організмів.

Вуглеводи за хімічною будовою - це поліоксиальдегіди, поліоксикетони, їх полімери та похідні. Назва «Вуглеводи» не відповідає хімічний будові і поряд з нею вживаються інші: "Цукри", "Сахариди", “Глікани”. Вуглеводи поділяють на моносахариди (прості цукри), олігосахариди (олігомери, що складаються з кількох залишків моносахаридів) та полісахариди (полімери, що складаються з багатьох залишків моносахаридів).

Вуглеводи - це обширний клас органічних сполук.

У клітинах рослин на частку вуглеводів припадає до 90% всіх сухих речовин.

Вуглеводи утворюються в рослинах у ході фотосинтезу, завдяки асиміляції хлорофілом вуглекислого газу повітря під дією сонячного випромінювання. Кисень, що утворюється при цьому, виділяється в атмосферу.

Вуглеводи були першими речовинами харчових продуктів, хімічна структура яких була розшифрована хіміками.

Оскільки вуглеводи легше за інші харчові речовини піддаються перетворенням із звільненням відповідної кількості енергії, вони особливо важливі у харчуванні як джерела енергії у разі інтенсивної фізичної праці.

Під час великого м'язового напруження у тренованих людей до 50% енергетичних витрат покривається за рахунок вуглеводів, а у нетренованих - майже виключно за рахунок вуглеводів.

Важливу роль відіграють вуглеводи у діяльності центральної нервової системи, оскільки вони є основним джерелом енергії для нервової тканини. Тканина головного мозку споживає глюкози у середньому у 2 рази більше, ніж м'язи, і в 3 рази більше, ніж нирки. Про важливу роль вуглеводів у діяльності мозку свідчить і той факт, що запаси глікогену у мозковій тканині порівняно стабільні, вони витрачаються лише у надзвичайних випадках.

Фізіологічні функції вуглеводів:

Ø Енергетична. Джерело енергії для людини. Під час окиснення 1г виділяється 16,9 кДж (4ккал) енергії.

Ø Пластична. З вуглеводів синтезуються органічні кислоти.

Ø Регуляторна. Регулюють осмотичні процеси; протидіють накопленню кетонових тіл під час окиснення жирів.

Ø Опорна. У комплексі з білками входять до складу хрящових тканин.

Ø Захисна. Важлива роль вуглеводів в захисних реакціях організму, особливо, які відбуваються в печінці. Взаємодіють в печінці з багатьма отруйними сполуками, переводячи їх в нешкідливих і легко розчинних речовини. Глюкуронова кислота сполучаючись із токсичними речовинами, утворює нетоксичні складні ефіри. Захисна функція – в’яжучі секрети, які виділяються різними залозами і багаті на мукополісахариди, захищають стінки деяких порожнистих органів від механічних пошкоджень і від проникнення патогенних бактерій та вірусів.

Ø Спеціалізована. Деякі вуглеводи та їх похідні мають біологічну активність, виконуючи в організмі спеціалізовані функції. Гепарин попереджає зсідання крови в судинах, гіалуронова кислота запобігає прониканню бактерій через клітинну оболонку. Вуглеводи виконують (окремі представники) в організмі особливі функції, наприклад, беруть участь у проведенні нервових імпульсів, утворенні антитіл, забезпечують специфічність груп крові, нормальну діяльність центральної нервової системи.

Вуглеводневі запаси людини дуже обмежені, під час інтенсивної праці швидко витрачаються, тому вуглеводи повинні надходити в організм є їжею кожен день. Добова потреба 400-500г.

Моносахариди класифікують, зважаючи на дві ознаки:

Ø характер оксогрупи (альдегідна або кетонна);

Ø довжину карбонового ланцюга (рис.5)

Залежно від наявності в структурі моносахаридів альдегідної або кетонної групи розрізняють альдози (глюкоза) та кетози (фруктоза).

Моносахариди не підлягають гідролітичному розщепленню з утворенням менших молекул вуглеводів. Їх загальна формула С_nН_2nO_n. За кількістю атомів карбону в молекулі моносахариди поділяються на групи. Найбільш поширеними є гексози (6 С) та пентози (5 С). Під час їх перетворення в живих організмах утворюються тріози (З С), тетрози (4 С), гептози (7 С).

 

Рис. 5. Класифікація вуглеводів

 

За розміщенням карбонільної групи моносахариди поділяють на ряди структурних ізомерів: альдози та кетози. Найпростішими їх представниками є альдотріоза гліцериновий альдегід і кетотріоза діксиацетон: