> Энциклопедический словарь Гранат, страница > Ферменты

Ферменты

Ферменты (син. энзимы, диастазы) представляют собой вещества, которые ускоряют процессы расщепления и превращения химических соединений, входящих в состав растительного и животного организма.

Историческое-развитиепонятия о ф., как химических телах. Практическое использование процессов, которые мы тсперьназываем ферментативными, восходит к самой глубокой древности и во все времена играло большую роль в хозяйстве человечества. Приготовление вина и других спиртных напитков, уксуса, кислого теста, сыра, выделки кож—все эти производства основаны на применении процессов брожения. Термин Ф., ферментация встречается впервые в сочинениях средних веков и происходит от латинского глагола fer-vere—кипеть, бурлить—и прилагался вначале к процессам, сопровождающимся выделением газа. Начало научному изучению химической стороны процессов брожения было положено в конце XVIII века Лавуазье, который показал, что при сбраживании сахара винными дрожжами он распадается количественно на спирт и углекислоту;

С тех пор удалось выяснить те превращения, которые различные химические соединения, входящие в состав растительного и животного организма, претерпевают под действием Ф., но о внутреннем механизме ферментативных процессов мы знаем еще очень мало. Первая серьезная попытка проникнуть в сущность явлений брожения и выяснить, что такое Ф., была сделана Либихом в 50-х гг. прошлого века. Основываясь на некоторых наблюдениях и аналогиях, Либих пришел к мысли, что брожение вызывается химическим разложением того материала, который мы считаем Ф. Это разложение, которое он рассматривает как сотрясение молекул этого материала, передается Ф. веществам, способным к брожению. Разлагающийся белок может привести в гниение прибавленные к нему сведено белковые вещества; разложение пивных дрожжей вызывает сбраживание сахара и так далее Следующий пример лучше всего выясняет мысль Либиха. Известно, что серебро легко растворяется в азотной кислоте, тогда как платина в ней нерастворима. Но если сплавить серебро с платиной, то сплав растворяется без остатка в азотной кислоте. Получается такая видимость, что серебро, переходя в раствор, как бы вовлекает платину в круг тех изменений, которые оно само претерпевает. Из этого видно, что Либих рассматривает брожение, как химический процесс, вызываемый колебательными движениями молекул Ф. Последние представляют собою определенные химические тела, их действия лежат в области чисто химических процессов. Мы теперь знаем, что основная мысль Либиха—Ф., как химические тела—верна, но его объяснение механизма ферментативных процессов лишено основания. Опыт показал, что ф. не разлагаются в процессе брожения, так как минимальное количество ф. может вызвать превращение огромного количества субстрата. В спиртовом брожении дрожжи не только но разлагаются, но значительно увеличиваются в весе. Конечно, из этих фактов нельзя еще было сделать вывод, что ф. не являются химическими телами. Но против Либиха выступил, опираясь на свои ставшие классическими опыты, Пастер, и выдвинутая им виталистическая теория оттеснила на задний план химическую теорию брожения.

Многочисленными и вполне убедительными опытами Пастер показал, что спиртовое и молочнокислое брожение сахара, так лее как и другие процессы брожения, вызываются оюивыми клетками. Без участия живых микроорганизмов но может состояться ни один процесс брожения. Отсюда Пастером был сделан общий вывод, что брожение является результатом (жизнедеятельности клетки. Пастер пошел дальше и на примере пивных дрожжей попытался выяснить ближе взаимоотношения между жизнедеятельностью и брожением. Известно, что дрожжи принадлежат к анаэробным, т. е. могущим жить в бескислородной среде, существам. Но так как всякому лсивому существу кислород необходим, то, по мнению Пастера, дрожжи извлекают необходимый им кислород из сахара, вследствие чего последний распадается на спирт и углекислоту. Свой взгляд он формулировал в знаменитом предложении: la fermentation est le resultat do la vie sans air—брожение есть результат бескислородного существования

Однако, в эпоху, когда Пастер выступил со своей теорией, были уже известны ферментативные процессы, которые не могли улолшться в рамки защищаемых им взглядов. Превращения белковых веществ под действием пепсина, крахмала под действием диастазы, тростникового сахара под действием инвертина, которые с полным основанием рассматривались, как ферментативные процессы, но стояли ни в какой прямой зависимости от жизнедеятельности клеток, так как эти агенты все растворимы в воде и могут проявлять свои специфические действия вне живого организма. Поэтому пришлось провести грань между ферментативными процессами, которые вызываются живыми клетками („организованными“ Ф.), и теми процессами, которые вызываются растворимыми („неорганизованными“) Ф., получившими впоследствии название энзим. Мелсду химической теорией Либиха и виталистической теорией Пастера возгорелся спор, в котором победа осталась за последней. Не мало содействовало этой победе то, что Либих упорно закрывал глаза на неотразимые факты, установленные Пастером, и далсо позволил себе высмеять их в довольно грубом памфлете. Несмотря на то, что с виталистическим объяснением этих фактов но были согласны такие выдающиеся исследователи, как Вертело, Гоппо-Зей-лер и Траубе, теория Пастера господствовала в науко вплоть до конца прошлого века. Высказывались взгляды, что и внутри клеток ферментативные процессы обусловливаются действием таких же химических ферментов, какинвертин, пепсин и так далее Но только в 1897 г. Бухнеру удалось высоким давлением получить из пивных дрожжей сок, который не содержал ясивых клеток, но энергично сбраживал сахар. В дальнейшем было доказано, что можно умертвить организованные Ф. (дрожжи, молочные бактерии, уксусные и так далее) действием ацетона или других органических растворителей, не нарушая этим их специфических ферментативных функций. Таким образом, виталистическая теория Пастера, которая рассматривала ферментативные процессы, как неразрывно связанные с жизнью, как результат жизненных функций клетки, оказалась несоответствующей фактам. Если дрожжи | и молочнокислые бактерии сбраживают сахар,а уксуснокислые бактерии спирт, то это происходит но потому, что они сами Ф., а потому что они содержат Ф., химические тела, вызывающие определенные химические превращения, независимо потому, живет клетка или нет.

Ф. как катализаторы. Аналогия между действием Ф. и так называемых „контактных“ веществ была подмечена давно. Берцелиусвпервые объединил обе категории в одно общее понятие „катализа“ (смотрите), который он рассматривал, как проявление свойства некоторых тел „однимсвоим присутствием пробуждать дремлющие сродства между другими телами“. Но взгляды Берцелиуса но давали еще никакого подхода к экспериментальной разработке этого вопроса, и до начала текущего века наши знания о катализе и механизме действия Ф. были весьма скудны. Только в 1902г.Оствальд далвпервыострогонаучное определение катализа, которое указало новые пути к экспериментальному исследованию этой важной области. По Оствальду катализ есть изменение скорости самопроизвольно протекающей реакции под влиянием посторонних химических веществ, которые не входят в состав окончательных продуктов реакции. В лаборатории Оствальда вопрос о катализе был подвергнут систематическому исследованию с точки зрения кинетики реакции, и наиболее талантливому из его учеников. Бредигу, удалось доказать, что между чисто химическими катализаторами („неорганическими Ф.“)

и настоящими Ф. пет никакой принципиальной разницы. По этой причине общепринятое теперь определение Ф. гласит: Ф. есть каталитически действующее химическое вещество, вырабатываемое живой клеткой.

Из определения катализа вытекает, что ф., как и прочие катализаторы, остаются неизменными по окончании реакций, протекающих под их влиянием. Другими словами, данное количество ф. может превратить неограниченное количество субстрата, на который он действует. Одна весовая часть Ф. сычуга, например, может створожить 30 миллионов частей казеина молока; одна весовая часть Ф. инвертазы может расщепить 200.000 частей тростникового сахара, и так далее В теории предпосылка эта верна, но на практике действие ферментов ограничено, потому что, будучи веществами сравнительно нестойкими, Ф. легко разрушаются под влиянием различных побочных реакций.

Ф., как и другие катализаторы, могут ускорять совершающиеся уже реакции, но не в состоянии вызвать реакции, которые без их содействия протекали бы качественно иначе или далее вообще не совершались бы. Другими словами, они ускоряют достижение равновесия в реагирующей системе, но не в состоянии изменить положения этого равновесия. В случае обратимых реакций, т. о., когда конечные продукты одной реакции являются исходным пунктом для противоположной, достигается одно и то же положение равновесия независимо от того, идет ли реакция в одном направлении или в обратном. Напр., если смешать уксусный эфир с водою, то по прошествии некоторого времени в смеси получатся определенные количества уксусного эфира, спирта, уксусной кислоты и воды. Но те яге количественные взаимоотношения получатся, если смешать спирт, уксусную кислоту и воду. В первом случае идет разложение эфира на спирт и кислоту, во втором образованi е эфира из спирта и кислоты. В такого рода обратимых реакциях Ф. доллены одинаково ускорять как процесс разложения, так и процесс образования. На этом основано синтетическое действие Ф„ предусмотренное теориейи подтвержденное опитом. По сравнению с неорганическими катализаторами Ф. отличаются большой специфичностью. Раствор кислот, правильнее, содержащиеся в них ионы водорода действуют как катализаторы и одинаково расщепляют белки, жиры и углеводы (сахаристые вещества). Иначе обстоит дело с Ф. Те из них, которые ускоряют разлолсенне белков, никакого действия не оказывают на углеводы и жиры, и наоборот. Специфичность идет еще дальше, так как в пределах одной группы Ф., действующий на крахмал, не оказывает влияния на мальтозу, Ф., действующий на молочный сахар, не оказывает влияния на тростниковый сахар и так далее Это явление специфичности можно объяснить только предположением. что мелсду Ф. и субстратом, на который он действует, существует определенное химическое сродство. Это значит, что ферментативное действие может проявиться лишь в том случае, если Ф. и субстрат вступают мелсду собой в химическое соединение, которое затем распадается на Ф. и измененный субстрат. Такой взгляд на характер ферментативных реакций находит свое подтверлсденио в изученной до этих пор кинетике их.