Ферменты и превращение веществ

В процессе жизни в клетках и тканях растений непрерывно происходят разнообразные химические реакции превращения одних веществ в другие. Они протекают в растениях легко и быстро, тогда как вне организма подобные реакции идут с трудом и требуют значительной затраты энергии. Это объяснятся тем, что в протоплазме и ядрах клеток имеются специфические органические катализаторы, называемые ферментами, или энзимами.

Ферменты – сложные вещества белковой природы. Они ускоряют ход химических превращений, а сами при этом почти не расходуются. В отличие от неорганических катализаторов ферменты нередко сами участвуют в химических превращениях веществ, образуя промежуточные нестойкие соединения с теми веществами, на которые они воздействуют. Состояние раздробления в коллоидном растворе, где находятся ферменты, создает огромную поверхность соприкосновения их с веществом, подвергающимся превращению. Ферменты обеспечивают согласованность и
последовательность реакций обмена веществ.

По особенностям строения ферменты разделяют на однокомпонентные и двухкомпонентные. Однокомпонентные ферменты состоят целиком из вещества белковой природы. Это ферменты амилаза, пепсин и др. Двухкомпонентные ферменты более распространены и состоят из более крупной части белкового характера (апофермент, или носитель) и более мелкой части из низкомолекулярного специфического вещества небелкового характера (кофермент, или простетическая группа). Ряд ферментов содержит в качестве простетической группы тот или иной витамин (В₁, В₂, РР и др.).

Количество того или иного фермента трудно определить, поэтому при исследованиях обычно имеют дело с так называемой активностью фермента, которую определяют по скорости ферментативного превращения вещества.

На скорость ферментных реющий наибольшее влияние оказывают температура и кислотность среды. Для каждого фермента существует оптимальная температура и оптимальное рН среды. Обычно оптимальная температура находится в пределах 40-50°. Ферменты способны действовать и при температурах ниже 0°. При высоких температурах (около 100°) ферменты окончательно становятся недеятельными из-за денатурации белкового компонента.

Особенностью ферментов является специфичность их действия (крахмал осахаривается только амилазой, клетчатка – только цитазой и т. п.). Название фермента обычно составляют из названия расщепляемого вещества с добавлением суффикса аза. Например, мальтоза – мальтаза, целлюлоза – целлюлаза. Исключение составляют названия только некоторых ферментов: диастаз, инвертаза, пепсин и др.

Ферменты распространены во всех живых клетках разнообразных растений. Они встречаются в корнях, стеблях, листьях, цветках, плодах. Особенно много их в растущих клетках, например в прорастающих семенах, в пыльцевых зернах и др. Издавна известно применение солода в пивоваренном производстве. (Солодом называют продукт из проросших и смолотых зерновок ячменя.) Не только высшие растения богаты ферментами, но и все низшие. Бактерии и грибы вырабатывают разнообразные ферменты и иногда те же самые, что и высшие растения. Дрожжевые грибы используют в хлебопечении, черная плесень (Аsрегgillus niger) вырабатывает до 30 различных ферментов.

В настоящее время известно около 450 различных ферментов. В зависимости от характера действия все ферменты относят к следующим пяти основным группам.

Гидролазы и фосфорилазы. К гидролазам относится наиболее обширная группа ферментов, которые расщепляют сложные органические соединения на более простые при участии воды (диастаз, липаза, целлюлаза; инулиназа, инвертаза, протеаза, папаиназа, танназа и др.). Фосфорилазы расщепляют сложные органические соединения на более простые при участии фосфорной кислоты (крахмальная фосфорилаза и сахарозная фосфорилаза).

Ферменты расщепления. Эти ферменты ускоряют реакции отщепления воды, или отщепления углекислого газа, или аммиака (каталаза, угольная ангидраза, карбоксилаза и др.).

Окислительно-восстановительные     ферменты. Ферменты этой группы осуществляют окислительно-восстановительные реакции в процессе дыхания и при брожениях (дегидразы, оксидазы и пероксидаза).

Ферменты переноса, или феразы. Ферменты переноса с одних органических соединений на другие аминных и метильных групп, аминокислот, остатков фосфорной кислоты и остатков моносахаридов (аминофераза, фосфофераза и др.).

Ферменты изомеризации. Ферменты этой группы способствуют превращению различных органических соединений в их изомеры (изомераза фосфотриоз, фосфорибоизомераза).

Из множества ферментов подробнее рассмотрим лишь некоторые.

Диастаз, или амилаза, превращает крахмал в декстрины и мальтозу, а другой фермент – мальтаза – превращает мальтозу в глюкозу. В семенах, находящихся в состоянии покоя, количество диастаза ничтожно. Образование его происходит в клетках щитка и в алейроновом слое (у аланов). В первые же дни прорастания семени количество диастаза удваивается и утраивается. Диастаз диффундирует в ближайшие клетки эндосперма и осахаривает находящиеся в них крахмальные зерна, которые оказываются как бы изъеденными и постепенно распадающимися на мелкие части. Действие диастаза постепенно распространяется на все более отдаленные от зародыша участки запасной ткани. Диастаз встречается также в листьях, стеблях, корнях, клубнях – словом, всюду, где идет превращение крахмала в сахар.

Липаза содержится в семенах злаков и масличных культур. Она осуществляет гидролиз жиров в прорастающих семенах. Липаза действует и в обратном направлении, ускоряя синтез жиров.

Целлюлаза, гидролизирующая целлюлозу, кроме прорастающих семян содержится в грибах, разрушающих древесину, а также в бактериях, поселяющихся в желудке травоядных животных.

Инулиназа – фермент, превращающий инулин в сахар фруктозу (у сложноцветных растений).

Инвертаза, или сахараза, расщепляет тростниковый сахар на глюкозу и фруктозу. Этот фермент скопляется в большом количестве в дрожжах спиртового брожения, но постоянно встречается также в клетках других растений и в пищеварительных соках животных. Высчитано, что 1 г инвертазы может разложить 1 млн. г сахарозы (то есть 1 т).

Протеазы, или протеолитические ферменты, расщепляют белки до аминокислот. Сложные белковые вещества в растении подвергаются разложению на более простые соединения.

В прорастающих семенах находят те же самые продукты расщепления белковых веществ, которые образуются в кишечнике животных при расщеплении белков ферментом трипсином. У насекомоядных растений найден фермент протеаза, состоящий из трипсина и пепсина; у насекомоядного растения росянки протеаза выделяется наружу волосками, покрывающими листья.

Более распространена в растениях внутриклеточная протеаза – папаин, или папаиназа, найденная сперва в плодах дынного дерева (Carica papaya) и расщепляющая белки до аминокислот в слабокислой или нейтральной среде. В настоящее время известно, что папаиназа вместе с другими внутриклеточными ферментами широко распространена в прорастающих семенах и в других органах растений. Папаин получен в кристаллическом состоянии.

Фосфорилаза превращает сахар в крахмал, то есть ее действие противоположно действию диастаза. Фосфорилаза действует в присутствии фосфорной кислоты и встречается всюду, где есть запасающая ткань, а также в ассимиляционной паренхиме.

Легко обнаруживаемыми продуктами фотосинтеза в зеленых растениях являются сахар и крахмал.

В хлорофилловых зернах зеленого листа в дневные часы (на свету) накопляется крахмал, За ночь крахмал исчезает из клеток листа. Крахмал, находящийся в коллоидном состоянии, может быстро исчезать из листа только потому, что в зеленых клетках листа все время происходит превращение крахмала в сахар. Сахар, проникая через клеточную оболочку, устремляется в другие плетки и в проводящие ткани. Такое подвижное вещество свободно циркулирует по растению, питает все клетки растения, а в случае избытка откладывается в запас. У большинства растений сахар при этом вновь превращается в крахмал.

Каталаза способствует чрезвычайно интенсивному разложению в растениях перекиси водорода на воду и молекулярный кислород (2Н₂О₂ → 2Н₂О + O₂). Роль каталазы в растениях заключается в том, что она разрушает ядовитую для клетки перекись водорода, образующуюся в процессе дыхания.

Окислительно-восстановительные ферменты (дегидразы, оксидазы, пероксидаза, гемин-фермент и др.) способствуют окислительно-восстановительным реакциям, происходящим при дыхании и брожении.

Дегидразы окисляют (дегидрируют) тот или иной дыхательный субстрат, и отнятый водород передают либо кислороду воздуха (аэробные дегидразы), или другому ферменту, или промежуточному переносчику водорода. Дегидразы являются двухкомпонентными ферментами и в активной группе содержат витамин РР или витамин В₂.

Оксидазы (цитохромоксидаза, полифенолоксидаза) активируют кислород воздуха, который становится способным соединяться с активированным водородом дыхательного субстрата. Видимую деятельность оксидаз мы постоянно наблюдаем при побурении излома свежего яблока или картофеля и при почернении листьев, побитых морозом. Содержимое поврежденных клеток при этом под влиянием окислительных ферментов подвергается окислению, вследствие чего накопляются окрашенные пигменты; в неповрежденных клетках окисление сопровождается восстановительным процессом, и потому в живых клетках видимых изменений мы не наблюдаем.

Пероксидаза окисляет органические соединения (полифенолы, ароматические амины) с помощью перекиси водорода или каких-либо органических перекисей. Пероксидаза, окисляя полифенолы, играет важную роль в дыхании растений.

Процессы превращения веществ и дыхания особенно энергично совершаются в прорастающих семенах и растущих частях растений.


Смотрите также:
Фитогормоны и гены
Строение семени
Грибы, как ценный продукт питания
Питание паразитных, полупаразитных, сапрофитных и насекомоядных растений