Редкие и охраняемые птицы Ярославской области
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.
. 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.
. 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.
. 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.
Гидролизуемая связь
|
Важнейшие представители
|
|
КФ 3.1
|
сложноэфирная связь
|
эстеразы: нуклеаза,
фосфодиэстераза, липаза, фосфатаза
|
|
КФ 3.2
|
сахара
|
гликозидазы: амилаза,
гиалуронидаза, лизоцим и др.
|
|
КФ 3.3
|
простая эфирная связь
|
|
|
КФ 3.4
|
пептидная связь
|
протеазы: трипсин,
химотрипсин, эластаза, тромбин, ренин и др.
|
|
КФ 3.5
|
непептидная углерод-азотная
связь
|
|
|
КФ 3.6
|
кислотный ангидрид
|
кислотный
ангидрид-гидролаза (хеликаза, ГТФаза)
|
|
КФ 3.7
|
углерод-углеродная связь
(C-C)
|
|
|
КФ 3.8
|
галогенная связь
|
|
|
КФ 3.9
|
азотно-фосфорная связь
(P-N)
|
|
|
КФ 3.10
|
азотно-серная связь (S-N)
|
|
|
КФ 3.11
|
углеродно-фосфорная связь
(C-P)
|
|
|
КФ 3.12
|
дисульфидная связь (S-S)
|
|
|
КФ 3.13
|
серо-углеродная связь (C-S)
|
|
. 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.
. 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
. 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 β-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 СО₂; 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, α1-,
β-, γ-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.
· 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.