Применение ферментов

/

Министерство общего и профессионального образования

Свердловской области

Управление образования Администрации

Белоярского Городского округа

МОУ 'Косулинская СОШ №8'

Контрольная работа по химии:

Применение ферментов

Оглавление

• Введение
• Ферменты, что это такое
• Ферменты, они такие разные
• Ферменты, что же с ними делать
• Заключение
• Список используемых источников

Введение

фермент белковый катализатор

Ферменты - энзимы, специфические белковые катализаторы, присутствующие во всех живых клетках. Почти все биохимические реакции, протекающие в любом организме и в своём закономерном сочетании составляющие его обмен веществ, катализируются соответствующими ферментам. Направляя и регулируя обмен веществ, ферменты играют важнейшую роль во всех процессах жизнедеятельности.

На сегодняшний день, человек применяет ферменты во множественных структурах жизни, этот факт и заставил нас выбрать эту тему для создания проекта. Мы знаем, что при помощи ферментов производятся хлеб, кондитерские изделия, спирты, детское питание, глюкоза и т.д., но мы не знаем, как происходят данные процессы.

Цель нашей работы: узнать самим и дать представление своим одноклассникам, о веществах данной темы.

Задачи:

Найти информацию по теме.

а) основная информация;

б) химическое строение подобных веществ;

в) физические и химические свойства.

Изучить найденную информацию.

Представить главное по теме, наглядным и доступным способом.

Ферменты, что это такое

Для начала нам нужно узнать, что же такое ферменты. Поэтому мы решили обратиться к истории. В 1814 году русский химик, академик Петербургской Академии Наук Константин Готлиб Сигизмунд Кирхгоф открыл ферментативное действие водных вытяжек из проросшего ячменя, расщеплявших крахмал до сахара. Также, еще раньше (в конце ХVIII -- начале XIX вв.) уже было известно, что мясо переваривается желудочным соком, а крахмал превращается в сахар под действием слюны. Таким образом, мы поняли, что ферменты - это вещества, под воздействием которых происходит преобразование одних веществ в другие. В XIX в. Между учеными разгорелись дискуссии о природе брожения. Л. Пастер развивал представление о том, что брожение вызывается лишь живыми микроорганизмами, а Ю. Либих и его сторонники отстаивали химическую природу брожения. Их споры разрешил в 1897 году Э. Бухнер, который, растирая дрожжи с инфузорной землёй, выделил из них бесклеточный растворимый ферментный препарат (названный им зимазой). Этот препарат вызвал спиртовое брожение. Открытие Бухнера утвердило материалистическое понимание природы брожений и имело большое значение для дальнейшего развития, как энзимологии, так и всей биохимии.

В начале XX века Р. Вильштеттер с сотрудниками стал широко применять для выделения и очистки ферментов метод адсорбции. Работы Вильштеттера, имевшие большое значение для характеристики свойств отдельных ферментов, привели вместе с тем к принципиально неправильному выводу о том, что ферменты не принадлежат ни к одному из известных классов органических соединений. Выдающимся успехом в выяснении химической природы ферментов были исследования американских биохимиков Дж.Самнера, выделившего в 1926 году в кристаллическом виде фермент уреазу из семян канавалии, и Дж. Нортропа, получившего в 1930 кристаллы протеолитического фермента пепсина. Работы Самнера и Нортропа указали путь получения высокоочищенных кристаллических препаратов ферментов и вместе с тем неопровержимо доказали их белковую природу.

С середины XX века, благодаря развитию методов физико-химического анализа и методов белковой химии, расшифрована первичная структура многих ферментов. Так, работами американских биохимиков С. Мура, У. Стайна и К. Анфинсена показано, что фермент рибонуклеаза из поджелудочной железы быка представляет собой полипептидную цепочку, состоящую из 124 аминокислотных остатков, соединённых в 4 местах дисульфидными связями.

С помощью рентгеноструктурного анализа расшифрована вторичная и третичная структура ряда ферментов. Так, методом рентгеноструктурного анализа английский учёный Д. Филлипс в 1965 установил трёхмерную структуру фермента Лизоцима. Показано, что многие ферменты обладают также четвертичной структурой, т. е. их молекула состоит из нескольких идентичных или различных по составу и структуре белковых субъединиц. Теперь, после того, как мы знаем основную историю и определение ферментов, можно перейти к их описанию и характеристике.

Ферменты, они такие разные

Соотнеся, рекомендации Международного биохимического союза и международную номенклатуру ферментов, мы составили их классификацию.

1. Оксидоредуктазы. К ним относятся ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции. Ферменты этого типа переносят атомы H или электроны. Многие оксидоредуктазы являются ферменты дыхания и окислительного фосфорилирования.

Согласно международной классификации и номенклатуре ферментов оксидоредуктазы относятся к 1 классу, в пределах которого выделяют двадцать два подкласса:

КФ 1.1 включает ферменты, взаимодействующие с CH--OH группой доноров;

КФ 1.2 включает ферменты, взаимодействующие с альдегидной или оксо-группой доноров;

КФ 1.3 включает ферменты, взаимодействующие с CH--CH группой доноров;

КФ 1.4 включает ферменты, взаимодействующие с CH--NH2 группой доноров;

КФ 1.5 включает ферменты, взаимодействующие с CH--NH группой доноров;

КФ 1.6 включает ферменты, взаимодействующие с НАД · H или НАДФ · H;

КФ 1.7 включает ферменты, взаимодействующие с другими азотосодержащими соединениями в качестве доноров;

КФ 1.8 включает ферменты, взаимодействующие с сероусодержащей группой доноров;

КФ 1.9 включает ферменты, взаимодействующие с гемовой группой доноров;

КФ 1.10 включает ферменты, взаимодействующие с дифенолами и родственными соединениями в качестве доноров;

КФ 1.11 включает ферменты, взаимодействующие с пероксидом в качестве акцептора (пероксидазы);

КФ 1.12 включает ферменты, взаимодействующие с водородом в качестве донора;

КФ 1.13 включает ферменты, взаимодействующие с одиночными донорами со встраиванием молекулярного кислорода (оксигеназы);

КФ 1.14 включает ферменты, взаимодействующие с парными донорами со встраиванием молекулярного кислорода;

КФ 1.15 включает ферменты, взаимодействующие с супероксид-радикалами в качестве акцепторов;

КФ 1.16 включает ферменты, окисляющие ионы металлов;

КФ 1.17 включает ферменты, взаимодействующие с CH или CH2 группами;

КФ 1.18 включает ферменты, взаимодействующие с железосерными белками в качестве доноров;

КФ 1.19 включает ферменты, взаимодействующие с восстановленным флаводоксином в качестве донора;

КФ 1.20 включает ферменты, взаимодействующие с фосфором или мышьяком в качестве донора;

КФ 1.21 включает ферменты, взаимодействующие с молекулами вида X--H и Y--H с образованием связи X--Y;

КФ 1.97 включает другие оксидоредуктазы.

2. Трансферазы катализируют перенос функциональных групп (CH3, COOH, NH2, CHO и др.) от одной молекулы к другой.

Трансферазы относятся ко 2 классу, в пределах которого выделяют девять подклассов:

КФ 2.1 включает ферменты, переносящие одноуглеродные группы;

КФ 2.2 -- ферменты, переносящие альдегидные и кетонные группы;

КФ 2.3 -- переносящие ацильные остатки (ацилтрансферазы);

КФ 2.4 -- переносящие остатки сахаров (гликозилтрансферазы);

КФ 2.5 -- переносящие алкильные и арильные группы за исключеним метильного остатка;

КФ 2.6 -- переносящие группы атомов, содержащие азот;

КФ 2.7 -- переносящие фосфор-содержащие остатки;

КФ 2.8 -- переносящие группы, содержащие серу;

КФ 2.9 -- переносящие группы, содержащие селен.

3. Гидролазы катализируют гидролитическое расщепление связей (пептидной, гликозидной, эфирной, фосфодиэфирной и др)

Классификация

По международной классификации ферментов гидролазы отнесены к классу (КФ3). Класс в свою очередь подразделяется на 13 подклассов в зависимости от типа гидролизуемой связи.

4. Лиазы катализируют негидролитическое отщепление групп от субстрата с образованием двойной связи и обратные реакции. Эти ферменты могут отщеплять CO2, H2O, NH3 и др.

По международной классификации и номенклатуре ферментов лиазы принадлежат к 4 классу, в пределах которого выделяют семь подклассов:

КФ 4.1 включает ферменты, которые расщепляют углерод-углеродные связи, например, декарбоксилазы (карбокси-лиазы);

КФ 4.2 -- ферменты, расщепляющие углерод-кислородные связи, например, дегидратазы;

КФ 4.3 -- ферменты, расщепляющие углерод-азотные связи (амидин-лиазы);

КФ 4.4 -- ферменты, расщепляющие углерод-серные связи;

КФ 4.5 -- включает ферменты, расщепляющие связи углерод -- галоген, например, ДДТ-дегидрохлориназа;

КФ 4.6 -- ферменты, расщепляющие фосфор-кислородные связи, например, аденилатциклаза;

КФ 4.99 -- включает другие лиазы.

5. Изомеразы катализируют образование изомеров субстрата, в том числе цис-, транс-изомеризацию, перемещение кратных связей. а также групп атомов внутри молекулы.

Изомеразы имеют собственную классификацию, КФ 5 и имеют следующие подклассы:

КФ 5.1 включает ферменты, катализирующие рацемизацию (рацемазы) и эпимеризацию (эпимеразы)

КФ 5.2 включает ферменты, катализирущие геометрическую изомеризацию (цис-транс изомеразы)

КФ 5.3 включает внутримолекулярные оксидоредуктазы

КФ 5.4 включает трансферазы (мутазы)

КФ 5.5 включает внутримолекулярные лиазы

КФ 5.99 включает другие изомеразы, в том числе, топоизомеразы

6. Лигазы - ферменты, катализирующие присоединение двух молекул с образованием новых связей (С -- С, С -- S, С -- О, С -- N и др.), как правило, сопряженное с расщеплением пирофос-фатной связи, например у АТФ

КФ 6.1 включает лигазы, образующие связи между кислородом и углеродом

КФ 6.2 включает лигазы, образующие связи между серой и углеродом

КФ 6.3 включает лигазы, образующие связи между азотом и углеродом

КФ 6.4 включает лигазы, образующие связи между углеродом и углеродом

КФ 6.5 включает лигазы, образующие фосфодиэфирные связи

КФ 6.6 включает лигазы, образующие связи между азотом и металлами.

Но также мы знаем, что общей характеристике все ферменты разделяются на две большие группы:

· однокомпонентные, состоящие исключительно из белка

· двухкомпонентные, состоящие из белка, называемого апоферментом, и небелковой части, называемой простетической группой.

Апофермент двухкомпонентных ферментов называют также белковым носителем, а простетическую группу - активной группой. Благодаря работам О. Варбурга, А. Теорелля, Ф.Линена, Ф. Липмана и Л. Лелуара установлено, что простетические группы многих ферментов представляют собой производные витаминов или нуклеотидов. Таким образом была открыта важнейшая функциональная связь между ферментами, витаминами и нуклеотидами, являющимися строительными 'кирпичиками' нуклеиновых кислот. Примером двухкомпонентного Ф. является Пируватдекарбоксилаза, катализирующая расщепление пировиноградной кислоты на двуокись углерода и уксусный альдегид: CH₃COCOOH > CH₃CHO + CO₂. Простетическая группа пируватдекарбоксилазы (тиаминнирофосфат) образована молекулой тиамина (витамина B₁) и двумя остатками фосфорной кислоты. Простетические группы ряда важных окислительно-восстановительных ферментов - дегидрогеназ содержат производное амида никотиновой кислоты (ниацина), или же рибофлавина (витамина B₂); в состав простетических группы т. н. пиридоксалевых ферментов, катализирующих перенос аминогрупп (-NH₂) и декарбоксилирование и ряд др. превращений аминокислот, входит пиридоксальфосфат - производное витамина B₆; активная группа ферментов, катализирующих перенос остатков различных органических кислот (например, ацетила CH₃CO-), включает витамин пантотеновую кислоту. К двухкомпонентным ферментам относятся также важные окислительные ферменты - Каталаза (катализирует реакцию разложения перекиси водорода на воду и кислород) и пероксидаза (окисляет перекисями различные соединения, например полифенолы с образованием соответствующего хинона и воды). Каталитическое действие этих ферментов может быть воспроизведено с помощью ионов трёхвалентного железа. Эти ионы обладают, однако, очень малой каталитической активностью, которая может быть усилена, если атом железа входит в состав Гема. Хотя гем обладает уже значительным каталазным действием, его каталитическая активность всё же в несколько миллионов раз меньше активности каталазы, в которой гем в качестве простетической группы этого фермента связан со специфическим белком. Гем обладает также слабым пероксидазным действием, однако это действие проявляется в полной мере только после соединения гема со специфическим белком в целостный фермент - пероксидазу. Таким образом, соединение простетической группы с белком приводит к резкому возрастанию её каталитической активности. Вместе с тем от природы белка зависит не только каталитическая активность, но и специфичность действия ферментов. Прочность связи простетической группы и апофермента различна у разных ферментов. У некоторых, например у дегидрогеназ, катализирующих окисление различных субстратов путём отщепления водорода, эта связь является непрочной. Такие ферменты легко диссоциируют (например, при диализе) и распадаются на простетическую группу и апофермент. Простетические группы, легко отделяющиеся от белковой части фермента, называются коферментами.

Многие ферменты содержат металлы, без которых фермент не активен. Эти металлы называются кофакторам. Так, пероксидаза и каталаза содержат железо, аскорбинатоксидаза, катализирующая окисление аскорбиновой кислоты - медь, алкогольдегидрогеназа, окисляющая спирты в соответствующие альдегиды - цинк.

Теперь, после классификации и характеристики ферментов мы хотим перейти к главному этапу нашей работы - применению ферментов.

Ферменты, что же с ними делать

Обладая высокой степенью избирательности, ферменты используются живыми организмами для осуществления, с высокой скоростью, огромного разнообразия химических реакций. Они сохраняют свою активность не только в микропространстве клетки, но и вне организма. Ферменты нашли широкое применение в таких отраслях промышленности, как хлебопечение, пивоварение, виноделие, чайное, кожевенное и меховое производства, сыроварение, кулинария (для обработки мяса) и т.д. В последние годы ферменты стали применять в тонкой химической индустрии для осуществления таких реакций органической химии, как окисление, восстановление, дезаминирование, декарбоксилирование, дегидратация, конденсация, а также для разделения и выделения изомеров аминокислот L-ряда (при химическом синтезе образуются рацемические смеси L- и D-изомеров), которые используют в промышленности, сельском хозяйстве, медицине. Овладение тонкими механизмами действия ферментов, несомненно, предоставит неограниченные возможности получения в огромных количествах и с большой скоростью полезных веществ в лабораторных условиях почти со 100% выходом.

В настоящее время развивается новая отрасль науки - промышленная энзимология, являющаяся основой биотехнологии. Фермент, ковалентно присоединенный ('пришитый') к любому органическому или неорганическому полимерному носителю (матрице), называют иммобилизованным. Техника иммобилизации ферментов допускает решение ряда ключевых вопросов энзимологии: обеспечение высокой специфичности действия ферментов и повышения их стабильности, простоту в обращении, возможность повторного использования, применение их в синтетических реакциях в потоке. Применение подобной техники в промышленности получило название инженерной энзимологии. Ряд примеров свидетельствует об огромных возможностях инженерной энзимологии в различных областях промышленности, медицины, сельского хозяйства. В частности, иммобилизованную в-галактозидазу, присоединенную к магнитному стержню-мешалке, используют для снижения содержания молочного сахара в молоке, т.е. продукта, который не расщепляется в организме больного ребенка с наследственной непереносимостью лактозы. Обработанное таким образом молоко, кроме того, хранится в замороженном состоянии значительно дольше и не подвергается загустеванию.

Разработаны проекты получения пищевых продуктов из целлюлозы, превращения ее с помощью иммобилизованных ферментов - целлюлаз - в глюкозу, которую можно превратить в пищевой продукт - крахмал. С помощью ферментной технологии в принципе можно также получить продукты питания, в частности углеводы, из жидкого горючего (нефти), расщепив его до глицеральдегида, и далее при участии ферментов синтезировать из него глюкозу и крахмал. Несомненно, имеет большое будущее моделирование при помощи инженерной энзимологии процесса фотосинтеза, т.е. природного процесса фиксации СО?; помимо иммобилизации, этот жизненно важный для всего человечества процесс потребует разработки новых оригинальных подходов и применения ряда специфических иммобилизованных коферментов.

В качестве примера иммобилизации ферментов и использования их в промышленности приводим схему непрерывного процесса получения аминокислоты аланина и регенерации кофермента (в частности, НАД) в модельной системе. В этой системе исходный субстрат (молочная кислота) подается при помощи насоса в камеру-реактор, содержащий иммобилизованные на декстране НАД+ и две НАД-зависимые дегидрогеназы: лактат- и аланиндегидрогеназы; с противоположного конца реактора продукт реакции - аланин - удаляется с заданной скоростью методом ультрафильтрации.

Подобные реакторы нашли применение в фармацевтической промышленности, например при синтезе из гидрокортизона антиревматоидного препарата преднизолона. Кроме того, они могут служить моделью для применения с целью синтеза и получения незаменимых факторов, поскольку при помощи иммобилизованных ферментов и коферментов можно направленно осуществлять сопряженные химические реакции (включая биосинтез незаменимых метаболитов), устраняя тем самым недостаток в веществах при наследственных пороках обмена. Таким образом, при помощи нового методологического подхода наука делает свои первые шаги в области 'синтетической биохимии'.

Не менее важными направлениями исследований являются иммобилизация клеток и создание методами генотехники (генного инженерного конструирования) промышленных штаммов микроорганизмов - продуцентов витаминов и незаменимых аминокислот. В качестве примера медицинского применения достижений биотехнологии можно привести иммобилизацию клеток щитовидной железы для определения тиреотропного гормона в биологических жидкостях или тканевых экстрактах. На очереди - создание биотехнологического способа получения некалорийных сластей, т.е. пищевых заменителей сахара, которые могут создавать ощущение сладости, не будучи высококалорийными. Одно из подобных перспективных веществ - аспартам, который представляет собой метиловый эфирдипептида - аспартилфенилаланина (см. ранее). Аспартам почти в 300 раз слаще сахара, безвреден и в организме расщепляется на естественно встречающиеся свободные аминокислоты: аспарагиновую кислоту (аспар-тат) и фенилаланин. Аспартам, несомненно, найдет широкое применение, как в медицине, так и в пищевой промышленности (в США, например, его используют для детского питания и добавляют вместо сахара в диетическую кока-колу). Для производства аспартама методами генотехники необходимо получить не только свободную аспарагиновую кислоту и фе-нилаланин (предшественники), но и бактериальный фермент, катализирующий биосинтез этого дипептида.

Значение инженерной энзимологии, как и вообще биотехнологии, возрастет в будущем. По подсчетам специалистов, продукция всех биотехнологических процессов в химической, фармацевтической, пищевой промышленности, в медицине и сельском хозяйстве, полученная в течение одного года в мире, будет исчисляться десятками миллиардов долларов к 2000 г. В нашей стране уже к 2000 г. будет налажено получение методами генной инженерии L-треонина и витамина В2. Уже к 1998 г. предполагается производство ряда ферментов, антибиотиков, б1-, в-, г-интерферонов; проходят клинические испытания препараты инсулина и гормона роста. Гибридомной техникой в стране налажен выпуск реактивов для иммуноферментных методов определения многих химических компонентов в биологических жидкостях.

Заключение

В результате проведенной нами работы, мы выполнили поставленные перед нами задачи и достигли цели.

· Мы нашли и обработали огромное количество информации

· Выяснили область применения ферментов

· Подготовили защиту проекта

Теперь мы с уверенностью можем сказать, что ферменты - это очень важные вещества, использующиеся практически везде. Ферменты - неотъемлемая часть любой промышленной отрасли.