фермент

Ленточная модель фермента триозофосфат-изомеразы (TIM) гликолиза , стилизованное представление структуры белка, полученное с помощью анализа кристаллической структуры . ТИМ считается каталитически совершенным ферментом .
Ферменты обеспечивают точные сайты связывания субстратов и кофакторов. (Структурный разрез митохондриальной аконитазы : каталитический центр с кластером Fe4S4 (внизу в центре) и связанный изоцитрат (ICT). Следующие аминокислоты фермента вокруг него.)

Фермента , ранее известный как брожение , это вещество , которое состоит из гигантских биологических молекул и действует в качестве катализатора для ускорения в химическую реакцию. Большинство ферментов представляют собой белки , за исключением каталитически активной РНК ( рибозима ), такой как. B. мяРНК или (не встречающаяся в природе, искусственно полученная) каталитически активная ДНК (дезоксирибозим). Как и другие белки, они образуются в клетке путем биосинтеза белка на рибосомах . Ферменты имеют важные функции в обмене веществ в организмах : Они контролируют большинство биохимических реакций - от переваривания в транскрипции ( РНК - полимеразы ) и репликации ( ДНК - полимеразы ) из генетической информации .

Происхождение слова и история исследования ферментов

Люди использовали ферменты, такие как дрожжи и бактерии, в течение нескольких тысяч лет ; так что известно, что шумеры еще 3000 г. до н.э. Варка пива , выпечка хлеба и изготовление сыра . Для использования пивных или пекарских дрожжей , таких как затирание или в дрожжевом тесте , и процессов ферментации, инициированных им , термин «ферментация» был создан без знания существования бактерий (или микробных дрожжей) и их воздействия через ферменты.

Слова « ферментация» и « фермент» вошли в немецкий язык в 15 веке, они восходят к латинскому слову fermentum . Колумелла также использовал это выражение около 60 г. н.э. для разрыхления и набухания почвы, в то время как Сенека использовал его примерно в то же время в своих эпистулах, чтобы описать процесс ферментации, который он считал необходимым для образования меда . Слово « фермент », означающее «агент ферментации» или « закваска », было заимствовано из латинского языка , и от него произошли ферментация , ферментация и ферментер .

Первые процессы ферментации были описаны Парацельсом и Андреасом Либавиусом . Первые попытки объяснить это были сделаны Иоганном Баптистом ван Гельмонтом и Георгом Эрнстом Шталем . После того, как Рене Реомюр исследовал пищеварение птиц в 1752 году и обнаружил, что у хищных птиц нет желудков, которые измельчают зерно, а скорее выделяют жидкость в желудке, Лаззаро Спалланцани смог доказать в 1783 году, что одного их желудочного сока достаточно для разжижать мясо . Это опровергло теорию чисто механического процесса пищеварения .

Первое прямое использование ферментов без участия микроорганизмов было сделано немецким фармацевтом Константином Кирхгофом в 1811 году, когда он обнаружил, что большее количество сахара может быть получено путем нагревания крахмала с добавлением серной кислоты . Французский химик Ансельм Пайен усовершенствовал этот процесс в 1833 году; поскольку в то время считалось, что сахар отделяется только от крахмала, этот процесс был назван «диастазой» (по-гречески «отдельный»); сегодня термин «диастаза» используется как синоним амилазы . За этим последовало открытие Эрхарда Фридриха Лейхса в 1831 году, что человеческая слюна явно осахаривает крахмал. В 1833 году Эйльхард Митчерлих использовал термин «фермент» в связи с веществом, которое не трансформируется во время реакции, но необходимо для вступления реакции в контакт. В 1835 году шведский химик Йенс Якоб Берцелиус подозревал, что диастаза - это химический процесс, в котором действуют каталитические силы.

В 1837 году трое ученых Шарль Каньяр де ла Тур , Теодор Шванн и Фридрих Трауготт Кютцинг независимо друг от друга обнаружили, что дрожжи состоят из микроорганизмов. Луи Пастер продемонстрировал в 1862 году, что микроорганизмы ответственны за ферментацию; Он пришел к выводу, что ферментация происходит за счет жизненной силы, присутствующей в ячейке плесени, которую он назвал «ферментами», которые не теряют своей эффективности с гибелью ячейки плесени.

В 1878 году Вильгельм Фридрих Кюна представила сегодня неоклассической выдуманный слово фермент ( древнегреческий ἔνζυμον énzymon ), полученный из ἐν- ен- , «инверсия», и ζύμη Zyme , что также означает «закваску» или « дрожжи », так смысл в том, что «то, что содержится в закваске / дрожжах» (а именно, вещество, которое запускает или влияет на брожение ). Затем этот термин нашел свое применение в международной науке и теперь также является частью современного греческого языка .

Кюне отделил термин « ферменты» , которые используются для описания биокатализаторов, действующих вне живых клеток, от ферментов, которые, по мнению Пастера, могут проявлять свое действие только в живых клетках.

Еще одним важным этапом являются исследования по ферментативной специфичности в Эмиля Фишера . Он предположил , в 1890 году , что ферменты и ее субстрат , как замок и ключ согласование поведения. В 1897 году Эдуард Бюхнер на основе спиртовой ферментации обнаружил, что ферменты могут иметь каталитический эффект и без живой клетки; В 1907 году он получил Нобелевскую премию за демонстрацию бесклеточной ферментации. В 1903 году Эдуарду Бюхнеру и Якобу Майзенгеймеру удалось убить микроорганизмы, которые запускали ферментацию молочной и уксусной кислоты, не влияя на их ферментативное действие. Немецкий химик Отто Рем впервые выделил ферменты в 1908 году и разработал процессы для ферментативного дубления кожи , очистки фруктового сока и ряда диагностических приложений.

В начале 20 века химический состав ферментов был еще неизвестен. Было высказано предположение, что ферменты состоят из белка и что их ферментативная активность связана с их структурой. Однако другие ученые, такие как Ричард Вильштеттер, утверждали, что белки являются только носителями «настоящих ферментов» и что они неспособны инициировать каталитическую реакцию сами по себе. Джеймс Б. Самнер показал в 1926 году, что фермент уреаза представляет собой чистый белок, и смог его кристаллизовать. Последние сомнения относительно состава ферментов развеяли Джон Х. Нортоп и Венделл М. Стэнли, когда они продемонстрировали в 1930 году, что пепсин , трипсин и химотрипсин состоят из чистого белка. Нортроп и Стэнли получили за это Нобелевскую премию по химии в 1946 году.

Знание того, как кристаллизовать ферменты, теперь позволило исследователям использовать анализ кристаллической структуры, чтобы прояснить структуру и функцию ферментов на атомном уровне. В период с 1930 по 1939 годы были обнаружены кристаллические структуры еще одиннадцати ферментов. Первая аминокислотная последовательность, которая была полностью расшифрована ферментом, - это рибонуклеаза . Этого шага достигли Стэнфорд Мур и Уильям Ховард Штайн . В 1969 году Роберт Брюс Меррифилд синтезировал всю последовательность рибонуклеазы, используя метод, названный в его честь ( синтез Меррифилда ). В то же время это удалось сделать Р.Г. Денкевальтеру и Р. Хиршманну .

В 1980-х годах Ричард Лернер обнаружил каталитические антитела , которые когда-то имели ферментативную активность против переходного состояния, смоделированного на основе молекулярной иммунизации . Еще в 1948 году Линус Полинг подозревал, что ферменты особенно хорошо связывают молекулы, аналогичные переходному состоянию. В конце 1980-х было обнаружено, что РНК также может проявлять каталитическую (ферментативную) активность в организме ( рибозим ). В 1994 году был разработан первый дезоксирибозим GR-5 .

Такие исследователи, как Леонор Михаэлис и Мод Ментен, первыми начали изучение кинетики ферментов, сформулировав теорию Михаэлиса-Ментен .

Номенклатура и классификация согласно IUPAC и IUBMB

номенклатура

IUPAC и МСБХМБЫ присоединились к так называемая номенклатуре разработаны ферменты , которые они однородна и многочисленная , содержащей группа представителей молекул объявления . Для этого ИЮПАК разработал принципы номенклатуры:

Кроме того, была разработана кодовая система, система номеров ЕС , в которой ферменты классифицируются под цифровым кодом, состоящим из четырех цифр. Первая цифра указывает на один из семи классов ферментов. Списки всех обнаруженных ферментов позволяют быстрее найти указанный код фермента, например Б. в BRENDA . Хотя коды основаны на свойствах реакции, которую катализирует фермент, на практике числовые коды оказываются громоздкими. Систематические названия, основанные на приведенных выше правилах, используются чаще. Проблемы с номенклатурой возникают, например, с ферментами, катализирующими несколько реакций. Поэтому иногда для них есть несколько названий. Некоторые ферменты имеют банальные названия, которые не указывают на то, что указанное вещество является ферментом. Поскольку названия традиционно использовались широко, они были частично сохранены (примеры: пищеварительные ферменты трипсин и пепсин у человека).

классификация

Ферменты делятся на семь классов ферментов в зависимости от реакции, которую они катализируют:

Некоторые ферменты способны катализировать несколько, иногда очень разных реакций. В этом случае их относят к нескольким классам ферментов.

строительство

Ферменты можно дифференцировать по их структуре. В то время как многие ферменты состоят только из одной полипептидной цепи , так называемые мономеры , другие ферменты, олигомеры , состоят из нескольких субъединиц / белковых цепей. Некоторые ферменты объединяются с другими ферментами с образованием так называемых мультиферментных комплексов и взаимодействуют или регулируют друг друга. И наоборот, существуют отдельные белковые цепи, которые могут проявлять несколько различных ферментативных активностей ( многофункциональные ферменты ). Другая возможная классификация по структуре учитывает наличие кофакторов :

Комплексы белок-РНК или комплексы белок-рибозим образуют особую группу, примерами которой являются теломеразы . В рибосомы также такие комплексы.

функция

Ферменты - это биокатализаторы . Они ускоряют биохимические реакции за счет снижения энергии активации, которую необходимо преодолеть для преобразования вещества. Это увеличивает скорость реакции (см. Теорию переходного состояния ). Теоретически ферментативное превращение обратимо, т.е. Это означает, что продукты можно превратить обратно в исходные материалы. Исходные материалы (исходные материалы) ферментативной реакции, субстраты , связываются в так называемом активном центре фермента, образуется комплекс фермент-субстрат . Теперь фермент позволяет субстратам превращаться в продукты реакции, которые затем высвобождаются из комплекса. Как и все катализаторы, после реакции фермент возвращается в исходную форму. Ферменты характеризуются высокой субстратной и реакционной специфичностью ; из множества веществ они выбирают только подходящие субстраты и катализируют ровно одну из многих мыслимых реакций.

Энергетические основы катализа

Энергетическая диаграмма ферментативной реакции: энергия активации (свободная энтальпия активации) снижена по сравнению с некаталитической реакцией за счет стабилизации переходного состояния. С другой стороны, свободная энтальпия реакции остается неизменной.

Большинство биохимических реакций протекали бы с незначительной скоростью без ферментов в живых существах. Как и в случае любой спонтанной реакции, свободная энтальпия реакции ( ) должна быть отрицательной. Фермент ускоряет установление химического равновесия, не меняя его. Каталитическая эффективность фермента основана исключительно на его способности снижать энергию активации в химической реакции : это количество энергии, которое необходимо сначала вложить, чтобы запустить реакцию. При этом подложка все больше меняется, она принимает энергетически невыгодное переходное состояние . Энергия активации теперь представляет собой количество энергии, необходимое для перевода подложки в переходное состояние. Здесь проявляется каталитический эффект фермента: за счет нековалентного взаимодействия с переходным состоянием он стабилизирует его, так что для перевода субстрата в переходное состояние требуется меньше энергии. Субстрат гораздо быстрее может превратиться в продукт реакции, так как для него, так сказать, «проложен» путь.

Активный центр - структурная основа катализа и специфики

Активный центр (каталитический центр) отвечает за каталитическую эффективность фермента . В этот момент он связывает субстрат и затем «активно» превращается. Активный центр состоит из свернутых частей полипептидной цепи или реактивных небелковых частей (кофакторов, простетических групп) молекулы фермента и обуславливает специфичность ферментативного катализа. Эта специфичность основана на комплементарности пространственной структуры и возможных поверхностных взаимодействиях между ферментом и субстратом. Фермент-субстратный комплекс формируются .

Пространственная структура активного центра означает, что связать можно только конструктивно подходящую подложку. Например, определенный субстрат соответствует соответствующему ферменту, как ключ в соответствующем замке ( принцип «ключ-замок» ). В этом причина высокой субстратной специфичности ферментов. В дополнение к блокировки и ключ-модели, есть нежестких индуцированное подходят модели : Так как ферменты являются гибкие структуры, активный центр может быть изменена за счет взаимодействия с подложкой.

Графическое представление модели « индуцированная подгонка » (англ. Induced fit )

Даже небольшие структурные различия в пространственной структуре или распределении заряда фермента могут означать, что вещество, похожее на субстрат, больше не распознается как субстрат. Глюкокиназа, например, принимает глюкозу в качестве субстрата, но ее стереоизомер, галактоза , нет. Ферменты могут иметь различную субстратную специфичность, поэтому алкогольдегидрогеназы расщепляют другие спирты в дополнение к этанолу, а гексокиназа IV принимает в качестве субстратов не только глюкозу, но и другие гексозы.

Субстрат распознается и связывается нековалентными взаимодействиями ( водородными связями , электростатическими взаимодействиями или гидрофобными эффектами ) между частями фермента и субстратом. Связывание фермента должно быть достаточно сильным, чтобы связывать часто плохо концентрированный субстрат (от микро- до миллимолярных концентраций), но оно не должно быть слишком сильным, поскольку реакция не заканчивается связыванием субстрата. Важна еще более прочная связь между переходным состоянием реакции и ее стабилизацией. Нередко в реакции принимают участие два субстрата; тогда фермент должен гарантировать правильную ориентацию партнеров по реакции друг относительно друга. Эти последние механистические особенности ферментативной реакции лежат в основе специфики действия фермента. Он всегда катализирует только одну из многих возможных реакций субстратов. Активность ферментов частично регулируется псевдоферментами (вариантами ферментов без ферментативной активности).

Каталитические механизмы

Хотя подробные механизмы ферментативных реакций различны, ферменты обычно используют один или несколько из следующих каталитических механизмов.

Предпочтительная привязка переходного состояния
Связывание переходного состояния сильнее связывания субстратов и продуктов, что приводит к стабилизации переходного состояния.
Ориентация и подход субстратов
Связывание двух субстратов в соответствующей ориентации и конформации может значительно увеличить скорость реакции, поскольку реакционноспособные группы молекул занимают правильное положение по отношению друг к другу и конформации молекул, благоприятные для реакции, стабилизируются.
Общий кислотно-щелочной катализ
Аминокислотные остатки, например, из гистидина, реагируют как кислота или основание , поглощая или высвобождая протоны ( ионы H + ) во время реакции .
Ковалентный катализ
Аминокислотные остатки или коферменты образуют ковалентные связи с субстратом и образуют короткоживущий промежуточный продукт . Обычно в таких реакциях участвуют боковые цепи нуклеофильных аминокислот (например, боковые цепи лизина с аминогруппой ) или коферменты, такие как пиридоксальфосфат .
Катализ ионами металлов
Ионы металлов могут поддерживать катализ в качестве стабилизирующих структуру координационных центров , окислительно-восстановительных партнеров (часто ионы железа или меди ) или как кислоты Льюиса (часто ионы цинка ). Они могут стабилизировать или экранировать отрицательные заряды или активировать молекулы воды.

Кинетика ферментов

Кинетика ферментов касается протекания ферментативных реакций во времени. Здесь решающим фактором является скорость реакции . Это мера изменения концентрации субстрата с течением времени, то есть количества субстрата, которое превращается в определенном реакционном объеме за единицу времени (единица измерения: моль / (л · с)). Помимо условий реакции, таких как температура , концентрация соли и значение pH раствора, это зависит от концентраций фермента, субстратов и продуктов, а также эффекторов (активаторов или ингибиторов).

Активность фермента связана со скоростью реакции. Он показывает, сколько активного фермента содержится в ферментном препарате. Единицами активности фермента являются единицы (U) и катал (kat), где 1 U определяется как количество фермента, которое превращает один микромоль субстрата в минуту при определенных условиях: 1 U = 1 мкмоль / мин. Катал используется редко, но это единица измерения активности фермента в системе СИ : 1 катал = 1 моль / с. Другой важной величиной для измерения ферментов является удельная активность (активность на единицу массы, Ед / мг). Это показывает, сколько всего белка в растворе действительно является ферментом, который вы ищете.

Измеренная активность фермента пропорциональна скорости реакции и, таким образом, сильно зависит от условий реакции. Он увеличивается с температурой в соответствии с правилом RGT : повышение температуры примерно на 5–10 ° C приводит к удвоению скорости реакции и, следовательно, активности. Однако это относится только к ограниченному диапазону температур. При превышении оптимальной температуры происходит резкое падение активности из-за денатурации фермента. Изменения pH раствора часто сильно влияют на активность фермента, так как это может повлиять на заряд отдельных аминокислот в ферменте, которые важны для катализа. За пределами оптимального значения pH активность фермента снижается и в какой-то момент останавливается. То же самое относится к концентрации соли или ионной силе в окружающей среде.

Теория Михаэлиса-Ментен

Гипербола насыщенности

Модель для кинетического описания простых ферментативных реакций - теория Михаэлиса-Ментен (теория ММ). Он обеспечивает взаимосвязь между скоростью v ферментативной реакции и концентрацией фермента и субстрата [E 0 ] и [S] . В основе лежит предположение, что фермент образует комплекс фермент-субстрат с молекулой субстрата, который либо распадается на фермент и продукт, либо на его исходные компоненты. Что происходит быстрее, зависит от соответствующей константы скорости k .

Кинетика фермента: k 2 = k cat

Модель утверждает, что чем выше концентрация субстрата, тем выше скорость реакции. Вначале это происходит линейно, а затем выравнивается до тех пор, пока дальнейшее увеличение концентрации субстрата не перестанет влиять на скорость фермента, поскольку он уже работает с максимальной скоростью V max . Уравнение ММ выглядит следующим образом:

Параметры K m ( константа Михаэлиса ) и k cat ( число оборотов ) подходят для кинетической характеристики ферментов, т.е. То есть сделать заявления об их каталитической эффективности . Например, если K m очень низкое, это означает, что фермент достигает максимальной скорости даже при низкой концентрации субстрата и, таким образом, работает очень эффективно. При низких концентрациях субстрата константа специфичности k cat / K m является более подходящей мерой каталитической эффективности. Если она достигает значений более чем от 10 8 до 10 9 M -1 с -1 , скорость реакции ограничивается только диффузией молекул субстрата и фермента. Любой случайный контакт между ферментом и субстратом приводит к реакции. Ферменты, которые достигают такого уровня эффективности, называются «каталитически совершенными».

Сотрудничество и аллостерия

Некоторые ферменты не показывают гиперболическую кривую насыщения, как предсказывает теория Михаэлиса-Ментен, а скорее сигмовидное поведение насыщения. Это было впервые с описанием связывающих белков, таких как гемоглобин, и интерпретацией множественных сайтов связывания как положительной кооперативности : связывание лиганда (молекулы субстрата) влияло на большее количество сайтов связывания в том же ферменте (часто, но в других субъединицах ) в их сродстве . В случае положительной кооперативности связывающий белок со многими свободными сайтами связывания имеет более слабое сродство, чем в значительной степени занятый белок. Если один и тот же лиганд связывается со всеми центрами связывания, говорят о гомотропном эффекте . В ферментах кооперативность тесно связана с аллостерией . Под аллостерией понимается присутствие других участков связывания (аллостерических центров) в ферменте, помимо активного центра. Если эффекторы (не молекулы субстрата) связываются с аллостерическими центрами, возникает гетеротропный эффект . Аллостерию можно концептуально отличить от кооперации, но они часто встречаются вместе.

Мультисубстратные реакции

Предыдущие соображения применимы только к реакциям, в которых субстрат превращается в продукт. Однако многие ферменты катализируют реакцию двух или более субстратов или ко-субстратов. Также можно создать несколько продуктов. В случае обратимых реакций различие между субстратом и продуктом в любом случае относительное. Теория Михаэлиса-Ментен применима только к одному из нескольких субстратов, если фермент насыщен другими субстратами.

Фермент катализирует реакцию между двумя субстратами с образованием продукта. Если связывание субстрата 1 всегда происходит до связывания субстрата 2, то существует упорядоченный, последовательный механизм .

Возможны следующие механизмы реакций с несколькими субстратами:

Последовательный механизм
Субстраты последовательно связываются с ферментом. Если все субстраты связаны, возникает центральный комплекс . Здесь субстраты превращаются в продукты, которые затем выделяются из комплекса один за другим. Различают:
  • Случайный механизм (англ. Random ): порядок связывания субстрата случайный.
  • Родительский механизм (англ. Ordered ): Порядок привязки фиксирован.
Механизм пинг-понга
Связывание субстрата и высвобождение продукта происходит поочередно. Первый субстрат A связывается с ферментом, а первый продукт P отщепляется. Фермент модифицируется в процессе. Затем второй субстрат B поглощается и вступает в реакцию с образованием второго продукта Q. Фермент снова принимает свою первоначальную форму.

Подавление ферментов

Схема конкурентного ингибирования фермента : активный центр заблокирован. Реакции не может быть.
Ограничение производства путем ингибирования конечного продукта с использованием пример биосинтеза в аминокислоты изолейцина . Фермент 1 аллостерически ингибируется изолейцином.

Под ингибированием (ингибированием) фермента понимается снижение каталитической активности фермента конкретным ингибитором ( ингибитором ). Принципиальное различие проводится между необратимым ингибированием , при котором ингибитор вступает в связь с ферментом , необратимым в физиологических условиях (например, пенициллин с D-аланин-транспептидазой ), и обратимым ингибированием , при котором комплекс фермент-ингибитор, который имеет Сформированный восстанавливается, может распадаться на составные части. В случае обратимого торможения различают

Регуляция и контроль активности ферментов в организме

В живом организме ферменты работают вместе в сложной сети метаболических путей. Чтобы иметь возможность оптимально адаптироваться к изменяющимся внутренним и внешним условиям, необходима тонкая регуляция и контроль метаболизма и основных ферментов. Под регулированием понимаются процессы, которые поддерживают стабильные внутренние условия в изменяющихся условиях окружающей среды ( служат гомеостазу ). Под контролем понимаются изменения, происходящие на основе внешних сигналов (например, гормонов). В метаболизме различают быстрые / краткосрочные, среднесрочные и медленные / долгосрочные процессы регуляции и контроля:

Краткосрочная корректировка

Быстрые изменения активности ферментов происходят как прямая реакция ферментов на изменение концентраций продуктов метаболизма, таких как субстраты, продукты или эффекторы (активаторы и ингибиторы). Ферментные реакции, близкие к равновесным, чувствительны к изменениям концентрации субстрата и продукта. Накопление субстрата ускоряет прямую реакцию , накопление продукта тормозит прямую реакцию и способствует обратной реакции (конкурентное ингибирование продукта) . В целом, однако, необратимым ферментативным реакциям отводится большая роль в регуляции и контроле метаболизма.

Аллостерическая модуляция имеет большое значение . Субстратные или эффекторные молекулы, возникающие в процессе метаболизма, связываются с аллостерическими центрами фермента и изменяют его каталитическую активность. Аллостерические ферменты состоят из нескольких субъединиц (либо из одной, либо из разных белковых молекул). Связывание молекул субстрата или ингибитора с субъединицей приводит к конформационным изменениям всего фермента, которые изменяют сродство других сайтов связывания с субстратом. Окончательное ингибирование продукции ( обратная связь ингибирование ) возникает , когда продукт работает цепь реакций с ферментом в начале этой цепи аллостерического замедлителя. Это автоматически создает контур управления .

Среднесрочная корректировка

Распространенной формой метаболического контроля является ковалентная модификация ферментов, особенно фосфорилирования . Как и в случае с молекулярным переключателем, фермент можно включать или выключать, например, после гормонального сигнала ферментами, переносящими фосфаты ( киназами ). Введение отрицательно заряженной фосфатной группы приводит к структурным изменениям фермента и в принципе может способствовать как активным, так и неактивным конформациям. Расщепление фосфатной группы фосфатазами обращает этот процесс вспять, так что возможна гибкая адаптация метаболизма к изменяющимся физиологическим требованиям.

Долгосрочная корректировка

В качестве долговременной реакции на изменение метаболических требований ферменты специфически расщепляются или образуются заново. Формирование из новых ферментов находится под контролем экспрессии их генов. Такой тип генетической регуляции у бактерий описывает модель оперона на Иакове и Моно . Контролируемый распад ферментов в эукариотических клетках может быть реализован путем убиквитинирования . Присоединение полиубиквитиновых цепей к ферментам, катализируемое специфическими убиквитинлигазами, отмечает их деградацию в протеасоме , «мусоропроводе» клетки.

Биологическое значение

Ферменты имеют высокую биологическую значимость, которую они играют в центральную роль в обмене веществ всех живых организмов. Почти каждая биохимическая реакция вызывается и контролируется ферментами. Хорошо известными примерами являются гликолиз и цитратный цикл , дыхательная цепь и фотосинтез , транскрипция и трансляция, а также репликация ДНК . Ферменты не только действуют как катализаторы, они также являются важными регулирующими и контрольными точками в метаболическом процессе.

Важность ферментов не ограничивается метаболизмом, они также важны для поглощения и передачи раздражителей. При передаче сигнала , то есть обмене информацией внутри клетки, рецепторы часто участвуют в ферментативной функции. Также киназы, такие как тирозинкиназы и фосфатазы, играют решающую роль в передаче сигналов. Активация и деактивация носителей информации, то есть гормонов , осуществляется ферментами.

Кроме того, ферменты участвуют в защите собственного организма, например , различные ферменты , такие как сериновых протеаз на систему комплемента являются частью неспецифической иммунной системы человека.

Дефекты ферментов могут иметь фатальные последствия. В результате таких дефектов фермента активность фермента снижается или становится недоступной. Некоторые дефекты ферментов наследуются генетически; То есть ген, кодирующий аминокислотную последовательность соответствующего фермента, содержит одну или несколько мутаций или полностью отсутствует. Примерами наследственных дефектов ферментов являются фенилкетонурия и галактоземия .

Искусственные ферменты (например, в тесте для хлеба, которое не денатурируется в процессе выпечки) могут вызвать аллергию.

Использование и возникновение в повседневной жизни

Ферменты - ценные инструменты в биотехнологии . Их возможности применения варьируются от производства сыра ( сычужных ) до enzymatics и генной инженерии . Для некоторых приложений ученые сегодня специально разрабатывают более мощные ферменты с помощью белковой инженерии . Кроме того, была сконструирована новая форма каталитически активных белков - каталитические антитела , которые были названы абзимами из-за их сходства с ферментами . Также каталитически активными могут быть рибонуклеиновые кислоты (РНК); тогда они называются рибозимами .

Помимо прочего, ферменты нужны в промышленности. Липазы (ферменты , расщепляющие жир), протеазы ( ферменты, расщепляющие белок ) и амилазы ( ферменты, расщепляющие крахмал ), добавляются к моющим средствам и средствам для мытья посуды, чтобы повысить эффективность очистки, потому что эти ферменты разрушают пятна на одежде или остатки еды. блюда.

Ферменты также используются для изготовления некоторых лекарств и репеллентов от насекомых. В сыроварении действует сычужный фермент, полученный из желудков телят.

Многие ферменты теперь можно производить с помощью генетически модифицированных микроорганизмов .

Ферменты, содержащиеся в сырых ананасах , киви и папайе, предотвращают застывание желатина в пирогах , что является нежелательным эффектом, когда, например, фруктовый торт , содержащий сырые кусочки этих фруктов, должен быть покрыт твердым желатиновым покрытием. Начинка не остается мягкой при использовании фруктовых консервов , они пастеризованы , в результате чего ферменты, расщепляющие белок, деактивируются.

При очистке фруктов и овощей клетки растений повреждаются, и в результате выделяются ферменты. В результате очищенный продукт ( хорошо заметный в яблоках и авокадо ) может стать коричневым из-за ферментативно поддерживаемой реакции флавоноидов или других чувствительных ингредиентов с кислородом воздуха. Добавление лимонного сока действует как противоядие. Аскорбиновая кислота, содержащаяся в лимонном соке, предотвращает окисление или восстанавливает уже окисленные соединения (добавление аскорбиновой кислоты в качестве пищевой добавки ).

В медицине важную роль играют ферменты. Многие лекарства блокируют или усиливают действие ферментов, чтобы вылечить болезнь. Наиболее ярким представителем таких препаратов, вероятно, является ацетилсалициловая кислота , которая ингибирует фермент циклооксигеназу и, таким образом, среди прочего обладает обезболивающим действием.

Ферменты в технике

В следующей таблице представлен обзор областей применения ферментов. Посмотрите протеин, чтобы узнать, как его приготовить .

технический процесс Ферменты эффект
Обработка крахмала α- амилаза , глюкоамилаза Гидролиз крахмала
разрешение L- ацилаза Производство аминокислот
стиральный порошок Протеазы , липазы Гидролиз белков и жиров
Производство сыров Протеазы Свертывание молока
Продукция ликеро-водочного завода α-амилаза, глюкоамилаза Осахаривание крахмала
Пивоваренная промышленность α-амилаза, глюкоамилаза, протеазы Процесс затирания
Переработка фруктовых соков Пектиназы , α-амилаза Гидролиз пектинов или крахмала
Производство хлебобулочных изделий α-амилаза, протеазы, пентозаназа частичный гидролиз муки и ингредиентов теста
Обработка кожи Протеазы Смягчение, депиляция кожи
Текстильная промышленность α-амилаза Гидролиз крахмала, шлифовка

Использование ферментов для переработки пластика

Ферменты также используются для переработки пластика. Они должны быть достаточно термостойкими, т.е. То есть они должны выдерживать температуру около 70 градусов. Французская компания Carbios обнаружила фермент, расщепляющий полиэтилентерефталат (ПЭТ) на его мономеры ( этиленгликоль и терефталевую кислоту ). Перед нагреванием бутылки необходимо сначала уменьшить в размерах. В конце процесса получается пластиковый гранулят, который можно использовать для новых продуктов из ПЭТ. Несмотря на относительно большие усилия, процесс оценивается как стоящий, поскольку затраты составляют всего около 4% затрат, понесенных на производство новых пластиковых бутылок из сырой нефти.

Значение ферментов в медицинской диагностике

В диагностике используются ферменты для выявления заболеваний. Например, в тест-полосках для диабетиков есть ферментная система, которая под действием сахара в крови вырабатывает вещество, содержание которого можно измерить. Так косвенно измеряется уровень сахара в крови. Эта процедура называется «ферментативным измерением». Он также используется в медицинских лабораториях для определения глюкозы (сахара в крови) или алкоголя. Ферментативные измерения относительно просты и недороги. Один использует субстратную специфичность ферментов. К анализируемой жидкости организма добавляется фермент, который может специфически преобразовывать измеряемый субстрат. Затем по количеству образовавшихся продуктов реакции можно определить, сколько субстрата присутствовало в жидкости организма.

Ряд ферментов в крови человека также можно измерить непосредственно на основании их активности. Некоторые ферменты, циркулирующие в крови, поступают из определенных органов. Таким образом, выводы о повреждении определенных органов можно сделать на основании снижения или увеличения активности ферментов в крови. Воспаление поджелудочной железы можно распознать по значительно повышенной активности липазы и амилазы поджелудочной железы в крови.

литература

  • Джереми М. Берг, Джон Л. Тимочко, Люберт Страйер: Биохимия. 5-е издание. Издательство Spectrum Academic, Гейдельберг - Берлин, 2003 г., ISBN 3-8274-1303-6 .
  • Дэвид Фелл: Понимание контроля метаболизма . Portland Press Ltd, Лондон 1997, 2003, ISBN 1-85578-047-X .
  • Альфред Шелленбергер (ред.): Ферментный катализ. Введение в химию, биохимию и технологию ферментов . Густав Фишер Верлаг, Йена 1989, ISBN 3-540-18942-4 .
  • Дональд Воет, Джудит Г. Воет: Биохимия. 3. Издание. John Wiley & Sons Inc., Лондон 2004, ISBN 0-471-39223-5 .
  • Мария-Регина Кула: Ферменты в технике. Химия в наше время , 14 год 1980 г., № 2, стр. 61-70, DOI: 10.1002 / ciuz.19800140205
  • Бриджит Остерат, Нагарадж Рао, Стефан Лютц, Андреас Лизе: Техническое применение ферментов: белое белье и зеленая химия. Химия в наше время 41 (4), стр. 324-333 (2007), DOI: 10.1002 / ciuz.200700412
  • Отто Вестфаль , Теодор Виланд , Генрих Хюбшманн: регулятор жизни. Гормонов, витаминов, ферментов и других активных ингредиентов. Societäts-Verlag, Франкфурт-на-Майне, 1941 г. (= Франкфуртер Бюхер. Исследования и жизнь. Том 1), в частности, стр. 57–64 ( История исследований ферментов ).

веб ссылки

Commons : Enzyme  - коллекция изображений, видео и аудио файлов
Викисловарь: Энзим  - объяснение значений, происхождение слов, синонимы, переводы

Индивидуальные доказательства

  1. a b c d e f Вольф-Дитер Мюллер-Янке , Кристоф Фридрих , Ульрих Мейер: История медицины . 2-е, переработанное и дополненное издание. Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft mbH, Штутгарт 2005, ISBN 978-3-8047-2113-5 , стр. 106 .
  2. a b Этимологический словарь немецкого языка Клюге, 24-е издание.
  3. Словарь на in.gr, статья Enzyme. Проверено 29 мая 2013 года.
  4. Вольф-Дитер Мюллер-Янке : Ферменты. В: Werner E. Gerabek , Bernhard D. Haage, Gundolf Keil , Wolfgang Wegner (ред.): Enzyklopädie Medizingeschichte. Де Грюйтер, Берлин / Нью-Йорк 2005, ISBN 3-11-015714-4 , стр. 356 и далее, Здесь: стр. 356.
  5. ^ Нобелевская премия по химии 1946 В: nobelprize.org , доступ к 19 ноября 2016 года.
  6. ^ А. Трамонтано, К. Д. Янда, Р. А. Лернер: Каталитические антитела. В кн . : Наука. Том 234, номер 4783, декабрь 1986 г., стр. 1566-1570. PMID 3787261 .
  7. ^ RA Lerner, SJ Benkovic, PG Schultz: На перекрестке химии и иммунологии: каталитические антитела. В кн . : Наука. Volume 252, Number 5006, May 1991, pp. 659-667. PMID 2024118 .
  8. ^ Л. Полинг: Химические достижения и надежда на будущее. В кн . : Американский ученый. Том 36, номер 1, январь 1948 г., стр. 51-58. PMID 18920436 .
  9. Рональд Р. Брейкер, Джеральд Ф. Джойс: фермент ДНК, который расщепляет РНК . В: Chem Biol. Volume. 1 , вып. 4 , декабрь 1994 г., стр. 223-229 , DOI : 10,1016 / 1074-5521 (94) 90014-0 , PMID 9383394 .
  10. -ase - Дуден , 2016
  11. JCBN / NC-IUB Newsletter 1984: Synthases and Ligases (английский).
  12. ^ Номенклатурный комитет Международного союза биохимии и молекулярной биологии (NC-IUBMB) Номенклатура ферментов. Рекомендации: EC 7. Translocases (английский)
  13. архивной копии ( сувенир в оригинальной датированный 24 февраля 2016 в Internet Archive ) Info: архив ссылка автоматически вставляется и еще не проверен. Проверьте исходную и архивную ссылку в соответствии с инструкциями, а затем удалите это уведомление. @ 1@ 2Шаблон: Webachiv / IABot / www.biokurs.de
  14. Ульрих Вебер (Ред.): Полный том Biologie Oberstufe , Cornelsen Verlag Berlin 2001, ISBN 3-464-04279-0 , стр. 72.
  15. Функциональные ферменты (в хлебном тесте)
  16. Искусственные ферменты могут вызвать аллергию
  17. Роберт Эберманн, Ибрагим Эльмадфа: Учебник пищевой химии и питания. 2-е издание. Springer-Verlag Vienna New York, 2008 и 2011, ISBN 978-3-7091-0210-7 , стр. 594, страница в Интернете в Google Книгах .
  18. Искусственный фермент может разрушать пластик. Deutschlandfunk Nova , доступ на 27 января 2021 года .
  19. Мутировавший фермент расщепляет пластик в рекордно короткие сроки. ingenieur.de, доступ на 27 января 2021 года .
  20. Мутировавший фермент разрушает пластик за несколько часов. t-online.de , доступ на 27 января 2021 года .
  21. Фермент, поедающий пластик. Frankfurter Rundschau , доступ на 27 января 2021 года .
Эта статья была добавлена в список отличных статей 5 июля 2006 года в этой версии .