Fermentai – Biologiniai Katalizatoriai

Fermentai, dar vadinami enzimais (lot. *fermentum* - rūgimas), yra specifiniai baltymai, esantys visose gyvosiose ląstelėse ir atliekantys biologinių katalizatorių vaidmenį. Jie tapo būtini daugelyje sričių dėl savo veiksmingumo, saugumo ir ekologiškumo.

Kas yra Fermentai?

Fermentai yra baltymai, turintys biologinį katalizinį aktyvumą. Tai junginiai, greitinantys organizme vykstančias chemines reakcijas. Beveik visos cheminės reakcijos organizme vyksta, dalyvaujant biologiniams katalizatoriams. Jei ląstelėse šių katalizatorių nebūtų, cheminės reakcijos vyktų labai lėtai (keliolika valandų, mėnesių) arba netgi visai nevyktų, todėl tokios ląstelės negalėtų egzistuoti.

Fermentų pagalba realizuojama genetinė informacija ir vykdoma medžiagų bei energijos apykaita gyvuosiuose organizmuose. Fermentai, kaip biologiniai katalizatoriai, padeda išskirti didesnį sulčių kiekį ir geriau nuskaidrinti sultis. Jie spartina chemines reakcijas ir yra naudojami norint suardyti pektiną, natūralų rūgštinį polisacharidą, kuris randamas daugelyje vaisių ir daržovių. Pektino suardymas padeda stabilizuoti vyną ir suteikti jam skaidrumo.

Fermentų sandara

Fermentai gali būti paprastieji ir sudėtiniai. Sudėtinių fermentų sudėtyje, be baltyminio komponento (apofermento), yra dar ir nebaltyminė dalis - kofermentas. Kai kurie fermentai, be aktyviųjų centrų, turi ir papildomų, vadinamų alosteriniais reguliuojančiais centrais. Daugelis fermentų yra globulės (gumulėlio) struktūros ir turi specifinę 3D formą, kurią lemia jo pirminė, antrinė ir tretinė struktūros.

Fermentų Savybės

Kadangi fermentai yra baltymai, jiems būdingos visos baltymų savybės. Tačiau biokatalizatoriai pasižymi ir eile specifinių savybių, kurios skiria fermentus nuo paprastų katalizatorių:

• Fermentai reakcijos metu nei sunaudojami, nei pagaminami, tik didina reakcijos greitį, bet nekeičia jos pusiausvyros.
• Greitina tik tam tikrą cheminę reakciją ir negamina šalutinių reakcijos produktų.
• Yra specifiški substratams. Tam tikri fermentai yra griežtai specifiški substratui, o kiti gali katalizuoti keleto junginių virsmus.
• Jautrūs temperatūros ir terpės rūgštingumo (pH) pokyčiams.
• Aktyvumas yra reguliuojamas, t. y. jis priklauso nuo tam tikrų junginių kiekio ląstelėje.

Termolabilumas

Fermentų termolabilumas paaiškinamas tuo, kad temperatūra veikia fermento baltyminę dalį. Aukšta temperatūra lemia baltymo denatūraciją ir katalitinės funkcijos sumažėjimą. Kita vertus, temperatūra lemia fermentų-substratų komplekso susidarymo reakcijos greitį ir visus sekančius substrato kitimo etapus, kas lemia katalizės sustiprėjimą.

Fermento katalitinio aktyvumo priklausomybė nuo temperatūros išreiškiama tipine kreive. Iki tam tikros atžymos (vidutiniškai iki 50°C) katalitinis aktyvumas auga, kas 10°C apytikriai 2 kartus išauga substrato kitimo greitis. Tuo tarpu palaipsniui auga inaktyvuoto fermento kiekis, jo baltyminės dalies denatūracijos sąskaita. Esant virš 50°C temperatūrai smarkiai padidėja fermentinio baltymo denatūracija, ir, nors substrato kitimų reakcijų greitis kyla, fermento aktyvumas, išreikštas pakitusio substrato kiekiu, krenta.

Temperatūra, prie kurios fermento katalitinis aktyvumas yra maksimalus, vadinama temperatūriniu optimumu. Skirtingų fermentų temperatūrinis optimumas yra nevienodas. Gyvulinės kilmės fermentų jis yra 40°-50°C, tačiau egzistuoja ir turintys aukštesnį temperatūrinį optimumą.

Priklausomybė nuo pH

Fermento priklausomybė nuo pH terpės reikšmės buvo nustatyta daugiau kaip prieš 50 metų. Kiekvienas fermentas turi savo optimalų pH, prie kurio pasireiškia jo maksimalus aktyvumas. Daugumos fermentų maksimalus aktyvumas pastebimas pH zonoje netoli neutralaus taško. Labai rūgščioje ar šarminėje terpėje gerai veikia tik kai kurie fermentai.

Perėjimas prie didesnės ar mažesnės (palyginus su optimalia) vandenilinių jonų koncentracijos sukelia fermento aktyvumo kritimą. Vandenilinių jonų koncentracijos įtaka katalitiniam fermentų aktyvumui pasireiškia jo aktyvaus centro poveikiu. Prie skirtingų pH reikšmių reakcinėje terpėje aktyvusis centras gali būti stipriau ar silpniau jonizuotas, daugiau ar mažiau priklausomas nuo kaimyninių polipeptidų grandinės fermentų baltyminių dalių ir t.t. Terpės pH įtakoja substrato, fermentų-substratų komplekso, reakcijos produktų jonizacijos laipsnį, įtakoja fermento būseną, nustatant jame katijoninių ir anijoninių centrų sąveiką, kas veikia baltyminės molekulės struktūrą.

Specifiškumas

Specifiškumas - viena ypatingų fermentų savybių, atrasta dar 19 a., kai buvo pastebėta, kad labai artimos struktūros substancijos - erdviniai izomerai (α- ir β-metilgliukozidai) yra skaidomi dviem visiškai skirtingais fermentais. Tokiu būdu fermentai gali atskirti cheminius junginius, besiskiriančius vieni nuo kitų nereikšmingomis struktūrinėmis detalėmis. Fermentų specifiškumas atsiranda dėl jų struktūros. Kiekvienas fermentas valdo tik tam tikrą cheminę reakciją, t. y., katalizuoja tik vieną reakciją.

1950-aisiais metais statiškas įsitikinimas, kad fermento ir substrato atitikimas yra tikslus ir nekintantis, buvo pakeistas D. Košlando hipoteze apie indukuotą substrato ir fermento atitikimą. Jos esmė yra tame, kad erdvinis substrato ir fermento aktyvaus centro atitikimas susikuria jų tarpusavio sąveikos momentu, kas gali būti išreikšta formule: „pirštinė-ranka“. Tuo tarpu substrate jau deformuojasi kai kurie valentiniai ryšiai, ir jis ruošiasi tolesniam katalitiniam kitimui, o fermento molekulėje įvyksta konformaciniai persitvarkymai.

Košlando hipotezė, paremta aktyvaus fermento centro lankstumo teze, patenkinamai aiškino fermentų veikimo aktyvavimą ir inhibiciją bei jų aktyvumo reguliavimą veikiant įvairiems faktoriams. Šiuo metu Košlando hipotezė yra išstumiama topocheminio atitikimo hipotezės. Išsaugodama pagrindines Košlando teorijos tezes, ji fiksuoja tai, kad fermentų veikimo specifiką galima paaiškinti visų pirma tos substrato dalies, kuri nesikeičia vykstant katalizei, pažinimu. Tarp šios substrato dalies ir fermento substratinio centro įvyksta įvairios taškinės hidrofobinės sąveikos ir vandeniliniai ryšiai.

Fermentų Veikimo Mechanizmas

Fermentai didina reakcijos greitį mažindami aktyvacijos energiją, kuri būtina reakcijai vykti. Cheminė reakcija vyksta savaime, kai susidariusių produktų laisvoji energija yra mažesnė už substratų energiją. Norint pradėti cheminę reakciją, reikia aktyvinti reaguojančias molekules - turi susidaryti pereinamoji būsena. Cheminės reakcijos greitis priklauso nuo energijos barjero, kurį turi įveikti produktu virstantis substratas.

Fermentų veikimo efektyvumą lemia žymus katalizuojamos reakcijos energijos aktyvacijos sumažėjimas tarpinių fermentų-substratinių kompleksų susidarymo rezultate. Substratų prisijungimas vyksta aktyviosiose centruose, kurie yra panašūs tik į tam tikrus substratus, kuo pasiekiama išskirtinė fermentų veikimo specifika.

Fermentai prisijungia substratus taip, kad jų erdvinė padėtis būtų palankiausia reakcijai įvykti. Taigi fermentas sumažina aktyvacijos entropijos neigiamą dydį, t. y. ∆S didėja. Reakcijos pusiausvyros konstanta nepriklauso nuo to, kokia yra reakcijos energijos užtvara (t.y., aktyvacijos energija) ir greitis, bet priklauso nuo reaguojančių medžiagų pradinės būsenos ir produktų galinės būsenos laisvosios energijos skirtumų.

Fermentai mažina reaguojančių medžiagų standartinę laisvąją aktyvacijos energiją ∆G°‡, t. y. reakcijos energijos užtvarą, nes jie didina skaičių tokių substrato molekulių, kurioms pakanka energijos pasiekti pereinamąją būseną. Todėl, esant fermentų, vienodai didėja ir tiesioginės, ir grįžtamosios reakcijų greičiai, bet nekinta substratų ir produktų standartinės laisvosios energijos pokytis ir reakcijos pusiausvyros konstanta.

Fermentų Klasifikacija ir Nomenklatūra

Fermentologijoje ilgą laiką nebuvo griežtai mokslinės fermentų nomenklatūros. Trivialinės nomenklatūros pavyzdžiais galime pavadinti pepsiną, tripsiną, papainą. Pagal savo veikimo principą šie fermentai vadinami proteolitiniais, t. y., jie greitina proteinų hidrolizę.

Racionalioji Nomenklatūra

Labiausiai paplitusi yra racionalioji nomenklatūra, pagal kurią fermento pavadinimas sudaromas iš substrato pavadinimo ir galūnės „-azė“. Ji buvo pasiūlyta 1883 m. E. Duclaux, Pastero mokinio. Fermentas, pagreitinantis krakmolo hidrolizės reakciją, buvo pavadintas amilaze, riebalų hidrolizę - lipaze.

Kai analitinės chemijos metodais buvo pasiekti tam tikri rezultatai prostetinių grupių iššifravimo srityje, atsirado nauja fermentų nomenklatūra. Juos ėmė vadinti pagal prostetinės grupės pavadinimą, pavyzdžiui, geminfermentas (prostetinė grupė - gem), piridoksal-fermentas (prostetinė grupė - piridoksal).

Vėliau fermento pavadinime imta nurodyti ne tik substrato charakterį, bet ir katalizuojamos reakcijos tipą. Pavyzdžiui, fermentas, atimantis iš gintaro rūgšties molekulės vandenilį, vadinamas sukcinato dehidrogenaze.

Tarptautinė Fermentų Nomenklatūra

1961 metais Tarptautinė fermentų nomenklatūros komisija pateikė nomenklatūros, grįstos griežtai moksliniais principais, projektą. Pagal ją fermento pavadinimas susideda iš cheminio substrato pavadinimo ir fermento vykdomos reakcijos pavadinimo. Pavyzdžiui, piridoksalfermentas, katalizuojantis peraminavimo reakciją tarp L-alanino ir α-ketoglutaro rūgšties, vadinasi L-alaninas: 2-oksoglutaro aminotransferazė.

Fermentų pavadinimai pagal mokslinę nomenklūrą yra kur kas tikslesni, bet kartais tampa sudėtingesni už senuosius trivialius. Dėl šios priežasties naujoje nomenklatūroje leidžiama vartoti ir senus trivialinius pavadinimus.

Tarptautinė komisija sudarė detalų visų tuo metu žinomų fermentų sąrašą, papildytą 1972 metais, peržiūrint kai kurių fermentų nomenklatūrą ir klasifikaciją, kur šalia mokslinio pavadinimo duodamas ir senasis, o taip pat nurodomas fermento katalizuojamos reakcijos chemizmas ir kai kuriais atvejais fermento prigimtis. Kiekvienam fermentui suteiktas individualus numeris (šifras). Pavyzdžiui, ureazės šifras - 3.5.1.5. Tai reiškia, kad ureazė yra 3 klasės fermentas (hidrolazės), kurie katalizuoja hidrolizės reakcijas. Antras skaičius - 5 reiškia, kad ureazė priklauso 5 poklasei tos klasės, kuriai priklauso visi fermentai, pagreitinantys C-N nepeptidinių ryšių hidrolizę. Laktatdehidrogenazė turi šifrą 1.1.1.27, tai yra priklauso 1 klasės fermentams (oksidoreduktazės), 1 poklasei (oksioreduktazės, veikiančios CH-OH grupes kaip vandenilio atomų donorai), 1 papoklasei (vandenilio atomų akceptorius yra NAD(P)).

Fermentų Panaudojimas

Fermentai plačiai naudojami maisto ir gėrimų pramonėje, siekiant padidinti gamybos efektyvumą ir pagerinti produktų kokybę bei stabilumą. Jie atlieka daugybę vaidmenų maisto ir gėrimų gamyboje, įskaitant reakcijų pagreitinimą, produktų kokybės ir skonio gerinimą bei galiojimo laiko pailginimą.

Parduodami fermentai dažniausiai naudojami maisto gamyboje, maisto ruošimui, maisto perdirbimui, krakmolo konversijai, maisto konservavimui, pieno produktams, asmens priežiūrai, popieriaus gamyboje ir biologiniams plovikliams.

Naujausiais skaičiavimais, didelė pramoninių fermentų produkcijos dalis yra skirta perdirbimui maisto pramonėje (45%), ploviklių pramonėje (35%), tekstilės pramonėje (10%) ir odos pramonėje (3%).

Maisto ir Gėrimų Pramonė

Įprasti maisto fermentai yra amilazės, proteazės, lipazės ir pektinazės. Jų pritaikymas apima:

• Amilazės yra pagrindinės krakmolo, įskaitant alfa-amilazę, beta-amilazę ir gliukoamilazę, apdirbime. Šie fermentai skaido krakmolą į gliukozę, maltozę ir kitas smulkesnes cukraus molekules.
• Maisto fermentai, tokie kaip invertazė ir laktazė, dažniausiai naudojami konditerijos gaminių gamyboje, taip pat pieno produktų gamyboje.
• Duonos gamyboje maisto fermentai pagerina tešlos savybes ir galutinio produkto kokybę.
• Lipazės plačiai naudojamos aliejų ir riebalų pramonėje, gerina mėsos produktų skonį ir pojūtį burnoje.
• Pektinazės, celiulazės ir hemiceliulazės yra svarbios sulčių ir daržovių perdirbimui. Pektinazės skaidrina vaisių sultis ir vynus.
• Gėrimų gamyboje maisto fermentai pirmiausia naudojami skaidrinimui ir stabilizavimui. Parduodamos proteazės sumažina baltymų nusėdimą aluje, pagerindamos jo stabilumą ir pojūtį burnoje.
• Maisto fermentai pagerina prieskonių skonį ir kokybę.
• Apdorojant mėsą, maisto fermentai pagerina švelnumą, skonį ir galiojimo laiką. Proteazės, tokios kaip papainas ir bromelainas, naudojamos mėsai minkštinti.

Fermentų Pasirinkimas Vyno Gamybai

Rinkoje galima rasti įvairių fermentų, kurie skiriasi pagal:

• Naudojamą žaliavą.
• Gaminamo vyno spalvą.
• Fermento paskirtį.
• Temperatūros ir laiko sąlygas.

Fermentų pasirinkimas priklauso nuo to, ko tikimasi iš fermento. Pavyzdžiui, fermentas Distizym FM-TOP Erbslöh padeda padidinti sulčių išeigą, paryškina uogų spalvą ir pagerina aromatą. Jis tinka obuoliams, kriaušėms, agrastams ir kitiems vaisiams bei uogoms.

Kiekvienas fermentas turi optimalią veikimo temperatūrą. Pavyzdžiui, Trenolin® Frio DF yra fermentas, veikiantis žemose temperatūrose (5-10°C), puikiai tinkantis vėlyvam rudens vynmedžių perdirbimui. Naudodami fermentus, ne tik padidinsite sulčių išeigą, bet ir užtikrinsite kokybę, nes fermentų veikimas padės efektyviai suardyti vaisių ląsteles.

Jei gaminate vyną iš raudonų uogų ir siekiate išgauti intensyvią spalvą, rekomenduojame fermentą Trenolin® Rouge DF. Tai fermentas, kuris išlaiko stabilią vyno spalvą ir pagerina skaidrumą.

Tuo tarpu, jei norite maksimaliai atskleisti vaisių ir uogų aromatus, galite rinktis Pektinazę Trenolin® BouquetPLUS, kuris puikiai tinka baltiems ir rožiniams vynams.

Fermentus geriausia dozuoti į traiškytą vaisių masę, tačiau jie gali būti naudojami ir sulčių skaidrinimui. Fermentų veikimo trukmė priklauso nuo temperatūros - kuo aukštesnė temperatūra, tuo fermento reikės mažiau, o jo veikimo laikas bus trumpesnis.

Fermentų Tiekėjai

CHEMSO korporacija yra žymus maisto fermentų srities tiekėjas, aprūpinantis įvairias pramonės šakas aukštos kokybės fermentų sprendimais. CHEMSO asortimente parduodami amilazė, proteazė, ksilanazė, lipazė, gliukozės oksidazė ir hemiceliulazė.

tags: #fermentai #biologinai #katalizatoriai #egzaminas