Ферментами называют высокоспецифичные белки, входящие в состав всех клеток и тканей живых организмов, играющие роль биологических катализаторов.
По характеру катализируемых реакций ферменты делят на шесть классов (табл. 7.1).
Таблица 7.1. Основные классы ферментов
| Наименование | Катализируемые реакции | Примеры |
| Оксидоредуктазы | Восстановительные и окислительные процессы | Глюкозооксидаза, каталаза, алкогольдегидрогеназа |
| Трансферазы | Перенос различных химических групп от одного субстрата
к другому | Протеинкиназа, гликоген-фосфорилаза, пируваткиназа |
| Гидролазы | Гидролитическое расщепление химических связей субстратов | Протеазы, амилазы, целлюлазы |
| Лиазы | Отщепление химической группы с образованием двойной связи или, например, присоединение химической группы по двойной связи | Аспартаза, фумараза |
| Изомеразы | Изменения в пределах молекулы субстрата | Глюкозоизомераза, триозофосфатизомераза |
| Лигазы (синтетазы) | Соединение молекул субстрата
с использованием высокоэнергетических соединений | ДНК-лигаза, триптофансинтетаза |
Благодаря ферментам, биологическим катализаторам у живых организмов осуществляются, направляются и регулируются все превращения веществ, необходимые для их жизнедеятельности.
Подсчитано, что живая клетка может содержать до 2000–2500 различных ферментов, каждый из которых ускоряет ту или иную биохимическую реакцию.
Биологические катализаторы (ферменты) по ряду признаков отличаются от неорганических катализаторов.
Основные различия состоят в том, что ферменты «работают» в очень мягких условиях (низкая температура, нормальное давление, невысокие значения рН). Например, гидролиз крахмала до моносахаридов происходит при нагревании в растворе кислоты при 100 °С в течение нескольких часов. При участии соответствующего фермента этот процесс осуществляется при комнатной температуре всего за несколько минут.
Кроме того, ферменты обладают высокой специфичностью по типу катализируемой реакции и по отношению к структуре субстрата. Каждый фермент каталитически ускоряет, как правило, одну-единственную реакцию или группу реакций одного типа. Без специфичности ферментов был бы невозможен упорядоченный обмен веществ в клетках и, следовательно, сама жизнь. Ферменты обладают высокой способностью «отзываться» на регуляторное воздействие тонких изменений в свойствах и составе среды.
Важно отметить, что выделенные из организма ферменты не утрачивают свою способность осуществлять каталитическую функцию. На этом основано их практическое применение в химической, пищевой, легкой, фармацевтической промышленности и медицине.
Источники получения ферментов
У человека и высших млекопитающих ферменты выделяются клетками ПЖЖ в кишечник, где белки и полисахариды разлагаются на моносахара и аминокислоты и легко усваиваются клетками макроорганизма.
Из ПЖЖ свиньи выделен «секрет» (комплекс ферментов), который в высушенном и измельченном виде стали применять при нарушении пищеварения. Выделение этого комплекса ферментов из органа животного считают первым примером выделения и практического использования ферментов.
Первыми источниками сырья, из которых стали выделять ферменты, являются различные органы животных (ПЖЖ, слизистые оболочки желудка и тонких кишок свиней, сычуги крупного рогатого скота, сычужки молочных телят и ягнят, семенники половозрелых животных).
ПЖЖ содержит большое количество разнообразных ферментов: химотрипсин, коллагеназу, эластазу, трипсин, амилазу, липазу и др. Слизистая оболочка желудка свиней и сычуг крупного рогатого скота служат источником пепсина и липазы. Из сычужков молочных телят и ягнят получают реннин (сычужный фермент). Семенники половозрелого скота содержат фермент гиалуронидазу.
На всех крупных мясокомбинатах имеются цеха по сбору и заморозке органов убойных животных для последующего получения из них ферментных препаратов.
Безусловно, большое количество ферментов содержится и в клетках растений. Однако выделение из них ферментов в промышленном масштабе экономически невыгодно, поскольку носит сезонный характер и требует затрат на переработку большого количества сырья. В то же время в США, например, до сих пор ежегодно перерабатывают до 100–200 т плодов дынного дерева (папайи) для получения папаина. Этот фермент используют для обработки — тендеризации (от англ. tender — нежный), размягчения мяса при изготовлении сырокопченых колбас.
За последние 30 лет в области промышленного производства и использования ферментов произошли существенные изменения. Это связано с использованием в качестве источников ферментов микроорганизмов. Этот процесс следует считать вполне закономерным, если учесть основные свойства и особенности ферментных систем микроорганизмов.
Источниками получения ферментов являются:
- различные органы животных;
- клетки растений;
- клетки микроорганизмов.
Из перечисленных источников получения ферментов наиболее предпочтительными являются клетки микроорганизмов.
Преимущества микроорганизмов как источника ферментов
Главная причина объясняется легкостью, с которой удается увеличить количество синтезируемых ферментов микробной клеткой. Этого можно достичь как с помощью генетических манипуляций с микроорганизмом, так и путем изменения окружающих условий. Микробная клетка может за сутки переработать такое количество субстрата, которое в 30–40 раз превышает ее собственную массу, так как она обладает высокой скоростью ферментативных реакций.