α. Химична природа и механизъм на действие на ензимите.
- Химична природа на ензимите.
След изолирането на редица ензими в кристално състояние (уреаза, трипсин, пепсин ) и изследване на техните свойства, е доказанa по неоспорим начин белтъчната им природа. Усъвършенстването на методите за пречистване на ензимите дава възможност да се установи, че те невинаги са изградени само от белтъци. Значителна част от тях ( над 50 % ) включват в състава си и небелтъчен компонент. Следователно съществуват две групи ензими: еднокомпонентни – изградени само от белтъци, и двукомпонентни – включват освен белтък и други нискомолекулни термостабилни вещества (кофактори).
Връзката между двете части в ензимния комплекс може да бъде с различна здравина. Когато тя е слаба и се разрушава дори чрез диализа, небелтъчният компонент се означава като коензим. При наличие на здрава връзка, често ковалентна, небелтъчната част се нарича простетична група. За обозначаване на двукомпонентните ензими се използва терминът холоензим, с белтъчна съставка – апоензим.
В резултат на изучване на химичната природа на небелтъчните компоненти е изяснено, че много от тях са витамини и тяхното биологично действие се свежда до участието им в различни ензимни реакции като кофактори. Понастоящем са известни 13 витамина, които трябва да се съдържат в храната, за да се осигури нормалното развитие на организма. Между тях са витамините от група В – В1 (тиамин), В2 (рибофлавин), В6 (пиридоксин), В12, витамин РР, биотин, пантотенова киселина, фолиева киселина и др.
Втора група кофактори са нуклеотидите. Те са изградени най – често от азотна база, пентоза и остатък фосфорна киселина.
Много от двукомпонентните ензими включват в състава си и метални йони (Mg2+, Zn2+, Cu2+, Fe2+, Ca2+, Co2+ и др.).
Спецификата на ензимното действие винаги се определя от белтъчната съставка.
- Механизъм на ензимното действие.
Известно е, че за да протече една химична реакция, е необходимо реагиращите молекули да се срещнат и ударят помежду си. Ако всички удари са резултатни, то реакцията би трябвало да протече с взрив, което на практика рядко се случва. Причината за това е различната кинетична енергия, която притежават молекулите в една реакционна система.
Болшинството от тях имат някаква средна кинетична енергия, а друга част са с по- голяма или по – малка стойност от нея. Молекулите реагират помежду си само в случаите, когато са енергетично богати и притежават енергия, по – голяма от средната кинетична енергия. Тя се означава като активираща.[1]
Скоростта на всяка химична реакция е пропорционална на концентрацията на молекулите, способни да преодолеят бариерата на активиращата енергия. Съществуват два основи пътя за повишаване скоростта на химичните реакции. Първият от тях е чрез повишаване на температурата, а при вторият се използва катализатор.
С помощта на последния се понижава значително активиращата енергия, което позволява по – голяма част от молекулите да преодолеят енергийния праг и да се повиши многократно скоростта на реакцията.
Още през 1902 г. Браун и Анри изказват предположението, че ензимите действат чрез образуването на междинни комплекси със субстратите. По – късно Михаелис и Ментен доразвиват тази идея. Според тях, отначало ензимът (Е) се свързва обратимо и сравнително бързо със субстрата (S) в ензимно – субстратен комплекс (ES). В него субстратът преминава в по – реактивоспсобно състояние и претърпява химично превръщане до продукт на реакцията. Той временно остава свързан с ензима, като ензим – продуктен комплекс (ЕР). Накрая продуктът се освобождава от ензима, който е в състояние да се свърже с нова молекула субстрат. В най – общ вид, протичането на ензимната реакция може да се представи по следния начин:
Активиращата енергия за получаване на междинните съединения е по – ниска от тази без участие на катализатор. Образуването на (ES) – комплекси лежи в основата на ензимната катализа.[2]
- Активен център
При изучаване на комплекси възниква въпроса за характера на взаимодействието между ензимната молекула и субстрата, който в много случаи има значително по-малка молекулна маса от ензима. Постепенно се оформя идеята, че само малка част от ензимната повърхност взима непосредствено участие във формирането на комплексите. Тази част се нарича активен център. Той се изгражда от малък брой радикали на аминокиселините, участващи в белтъчната молекула. Обикновено те са разположени на различни места по дължината на полипептидната верига, понякога много отдалечени един от друг, но пространствено сближени, за да могат да взаимодействат със субстратните молекули.
Според Кошланд условно може да се приеме , че активният център е изграден от два участъка – каталитичен, в който протичат реакциите на превръщане на субстрата в продукт, и контактичен – чрез него се реализира специфичното сродство и връзката между ензима и субстрата, в резултат на което той заема най – благоприятно положение за протичане на ензимната катализа. [3]
Функционалните групи на ензимния център не са изолирани, а се намират в тясна връзка и взаимодействие с останалата част на ензимната молекула. Съществуват т.нар. „спомагателни” (помощни) групи, които подържат и фиксират вторичната и третичната структура на ензима и улесняват формирането на активния център. Това са групи, чрез които се реализират дисулфидните мостове, водородни и други вторични връзки, необходими за изграждане на специфичната конформация за ензимната молекула. Разрушаването на тези връзки при денатурация нарушава разположението на групите в активния център и предизвиква намаляване или загуба на ензимната активност.
В някои ензими с позната пространствена структура е доказано че активният център е разположен в специални образувания, наричани вдлъбнатини (бразда, джоб и др.), достъпът до които е ограничен само за определен брой субстратни молекули.
По – късно обаче се оказва, че активните част на ензимите не са стабилна и неизменна структура. Според Кошланд, тяхната форма е динамична и се променя при свързване със субстрата, става комплементарна на него. Този процес се означава като индуцирано съответствие.
β. Класификация на ензимите.
- Общи принципи.
В първите години след откриване на ензимите техният брой се увеличава сравнително бавно и те получават произволни наименувания, дадени от откривателите им. В средата на миналия век предложената от Дюкло номенклатура се оказва неподходяща, а нарасналият брой новооткрити ензими създава терминологични затруднения и безпорядък. Често един и същ ензим получава различни наименования, а други названия не дават почти никаква представа за характера на тяхното действие или субстрата, който превръщат – „жълт дихателен фермент”. [4]
Началото на въвеждането на ред в номенклатурата на ензимите се поставя през 1955 г. на Третия международен конгрес по биохимия в Брюксел когато се създава международна комисия по ензимите. Предложената от нея нова класификация и номенклатура на ензимите се обсъжда и публикува през 1961 г. В следващите години тя претърпява редица поправки и изменения и в сравнително завършен вид през 1978 г. и 1984 г . се отпечатват две издания от нея.
По настояще са известни над 3 300 ензима с уточнени наименования.
Класификацията и номенклатурата на ензимите (КНЕ) е изградена върху три общи принципа:
- Първият общ принцип гласи, че наименованията, предназначени за обозначаването на ензими, особено тези, които окончават на „-аза”, трябва де се използват само за индивидуални ензими, но не и за системи, съдържащи повече от един ензим.[5]
- Вторият общ принцип е, че ензимите се класифицират и наименуват според вида на реакцията, която катализират. Механизмът на реакцията и образуването на междинни комплекси не се взема предвид, а само сумарната реакция, изразена чрез съответното уравнение. Систематичното наименование се дава не на индивидуален ензимен белтък, а на група белтъци с еднакво каталитично действие. При някои ензими е възможно да се направи изключение, когато има голяма разлика в механизма на реакцията или субстратната специфичност.[6]
- Третият общ принцип гласи, че ензимите се разделят на групи в съответствие с типа на катализираната от тях реакция и това заедно с наименованието на субстрата служи като основа за формиране наименованието на всеки ензим.[7]
Всеки ензим получава според класификацията четирицифров шифър (код). Първата цифра показва към кой от шестте главни класове принадлежи ензима. Втората цифра показва подкласа, третата – подподкласа, а четвъртата цифра обозначава поредния номер на ензима в неговия подподклас.
- Шест основни класа на ензимната класификация.
- Оксидоредуктази.
- Трансферази.
- Хидролази
- Лиази
- Изомерази
- Лигази (синтетази).
γ. Ензими и ензимни препарати във винопроизводството.
Във винопроизводството се използват следните групи ензими: пектолитични, протеолитични и цитолитични.
- Пектолитични ензими
Пектолитичните ензими основно се отнасят към хидролазите. От тях протопектиназата (ПП) разгражда протопектина до пектин, пектинестеразата (ПЕ) – разтворимия пектин до полигалактуронова киселина и метанол, полигалактуроназата (ПГ) – полигалактуроновите киселини до галактуронова киселина.
Доказано е, че полигалактуроназна активност има не само полигалактуроназата, а и група ензими, които действат специфично в зависимост от степента на метоксилиране – полиметилгалактуронази (ПМГ) и в зависимост от това дали разкъсват вътрешни или външни (крайни) връзки, са съответно ендо- и екзоензими. Ендополигалактуроназата (ендоПГ) ендополиметилгалактуроназата (ендоПМГ) разграждат веригата на пектина до молекули полигалактуронови киселини. Това действие на ензима в гроздовата мъст води до намаляване на вискозитета й и до подобряване на бистротата и филтрирането на мъстта. [8]
Екзополигалактуроназата (екзоПГ) завършва разграждането на получените полигалактуронови киселини до моногалактуронова киселина.
Установено е и нехидролитично разграждане на пектина под действие на ензими – пектаттранселиминази, спадащи към лиазите. В зависимост от строежа на субстрата, който разграждат, те се делят на транселиминази на полигалактуроновите киселини (ТЕПГ) и транселиминази на полиметилгалактуроновите киселини (ТЕПМГ).
При преработката на гроздето най-активна от комплекса пектолитични ензими е пектинестеразата. Оптималната температура за действие на пектолитичните ензими е доста по-висока (35-45°С) от температурата на преработка на гроздето (20-25°С).[9]
- Протеолитични ендо- и екзоензими
В гроздето се съдържат също така протеолитични ендо- и екзо- ензими, които катализират разграждането на белтъчните вещества чрез хидролиза на пептидните връзки. Делят се на пептидази и протеинази. Последните разграждат белтъчните вещества до пептиди, а пептидазите – до аминокиселини.
- Цитолитични ензимни препарати
Цитолитичните ензимни препарати се използват за ускоряване екстракцията на фенолните вещества, а също така и за постигане на по-висок рандеман на виното с повишеното съдържание на общи екстрактни вещества.
Източници:
- Иванов, Тр. П., Технология на виното, Пловдив, 1972 г.
- Маринов, М., Технология на виното и високоалкохолните напитки, София,
1990 г.
- Неделчевъ, Н. – Пъленъ курсъ по Винарство. Плевенъ, 1926
- Нилов, В. И., Скурихин, И. М., Химия виноделия, Москва, 1967 г.
- Пищийски, Ив., Иванова, Т., Биохимия, Пловдив, 1998 г.
- Радулов, Л., Бабриков, Д., Георгиев, Ст., Ампелография с основи на винарството,София, 1992 г.
- Риберо-Гейон, Ж., Пейно, Е., Винарство, т. II, София, 1967 г.
- Янков, Ат., Технология на винопроизводството, София, 1992 г.
Снимка: Интернет
Автор: инж.-техн. Стефан Георгиев
www.vinarbg.com
[1] Пищийски, И., Т. Иванова – Биохимия. Пловдив, 1998
[2] Пищийски, И., Т. Иванова – Биохимия. Пловдив, 1998
[3] Пищийски, И., Т. Иванова – Биохимия. Пловдив, 1998
[4] Пищийски, И., Т. Иванова – Биохимия. Пловдив, 1998
[5] Пищийски, И., Т. Иванова – Биохимия. Пловдив, 1998
[6] Пищийски, И., Т. Иванова – Биохимия. Пловдив, 1998
[7] Пищийски, И., Т. Иванова – Биохимия. Пловдив, 1998
[8] Маринов, М. – Технология на виното и високоалкохолните напитки. София, 1990
[9] Маринов, М. – Технология на виното и високоалкохолните напитки. София, 1990
