Основы биохимической инженерии Часть 1 - Бейли Дж., Оллис Д. 1989

Применение реакций, катализируемых ферментами
Применение гидролитических ферментов

Катализируемые гидролитическими ферментами реакции лежат в основе не только таких очевидных макроскопических процессов, как порча пищевых продуктов, ожижение крахмала или обработка сточных вод, но и в химии процессов дозревания неспелых плодов, лизисе (автолизе) отмерших клеток, созревания мяса, производства сыра, предотвращении образования осадка в пиве, текстурировании кондитерских изделий, обработке ран или расшлихтовке текстиля. Настоящий раздел будет посвящен изучению ферментов, применяемых в указанных и других производствах, а также источников их выделения.

В табл. 4.2 приведена общая классификация важнейших гидролитических ферментов. Три основные группы гидролаз расщепляют сложноэфирные, гликозидные и различные связи с участием атома азота соответственно. Широко применяется и более детальная классификация ферментов внутри каждой из этих трех групп. Для наших целей достаточно указать, что, например, некоторые ферменты катализируют гидролиз самых разнообразных гликозидных связей, а другие могут расщеплять только один-единственный олигомер глюкозы. Таким образом, название фермента само по себе еще не определяет его субстратную специфичность.

Здесь следует еще раз подчеркнуть, что названия большинства ферментов связаны с катализируемыми ими реакциями, а не с их химической структурой*. Поскольку в этом случае не существует правила «один фермент — одна реакция», то катализирующие одну и ту же реакцию ферменты, выделенные из различных растительных или животных источников, не всегда будут иметь одну и ту же структуру, и поэтому кинетика соответствующих реакций также может быть различной. Отсюда следует, что максимальная скорость реакции, константа Михаэлиса, pH оптимума стабильности и активности и другие свойства фермента будут определяться его природой и, следовательно, источником его выделения.

Многие гидролазы компартментализованы в тех или иных структурных элементах клетки, отделенных от цитоплазмы мембранами. Очевидно, что такая локализация гидролаз защищает важные биополимеры цитоплазмы от деструкции. Грамположительные бактерии выделяют в среду множество гидролаз. У грамотрицательных бактерий надежным хранилищем для различных гидролаз служит ограниченное двумя мембранами периплазматическое пространство наружной оболочки. В клетках эукариот гидролазы могут локализоваться в ограниченных мембраной особых органоидах — лизосомах, в периплазме (в микроорганизмах типа дрожжей) или выделяться в среду. Большинство используемых в промышленности гидролитических ферментов представляет собой внеклеточные продукты жизнедеятельности микроорганизмов.

* Классификация ферментов в соответствии с рекомендациями Комиссии по ферментам приведена в табл. 3.1. Более подробно вопросы классификации ферментов изложены в книге: Диксон М., Уэбб Э., Ферменты, т. 1—3, гл. 5, М.: Мир, 1982.

Таблица 4.2. Гидролитические ферменты^a

^а Weiser Н. И., Practical Food Microbiology and Technology, p. 37, Avi Publishing Co., Westport, Conn., 1962.

В то же время некоторые гидролазы обнаружены и в цитоплазме. Здесь они участвуют в метаболических циклах и тем самым выполняют важную функцию, помогая клетке полностью использовать ее внутренние ресурсы. Внутриклеточные гидролазы играют большую роль в методах генетической инженерии (гл. 6).

Поскольку вода является универсальным субстратом, концентрация которого составляет около 55 М, и поскольку гидролитические ферменты обычно катализируют реакции деградации, например превращение крахмала в сахара, белков в полипептиды, липидов в глицерин, жирные кислоты и фосфат, то основой для последующего изложения нам послужат различные типы полимерных субстратов. Следует отметить, однако, что в некоторых разработанных недавно методах синтеза полипептидов в средах с низким содержанием воды природные протеазы использовались в качестве конденсирующих агентов. Очевидно, в специфических условиях протеазы могут иногда катализировать и обратную реакцию синтеза.