Биотехнология негіздері

Нан пісіру өндірісіндегі қолданылатын негізгі препарат амилорезин П10Х болып табылады. Ол амилолитикалық және протиыволитикалық белсенділікке ие. ГОСТ қа сәйкес препарат келесі талаптарға сәйкес келу керек: препараттың амилолитикалық қабілеттілігі – 200 ед/г; препараттың осахаривалық  қабілеттілігі – 150 ед/г; препараттың проеолитикалық белсенділігі – 7ед/г.

Ферменттік препараттардың тұрақтылығына стандартизация негізгі  қатаң талаптарыдың  бірі болып  табылады. Шет елдерде осы мақсатта әртүрлі толықтырғыштар қолданылады  – қант, крахмал, декстриндер. Біздің елімізде осы толықтырғыштармен қатар П10Х амилорезиннің құрамына кіретін аммоний күкірт қышқылы қолданылады. Ұнда қанттың қолданылуына.

Қанттың көлемі ашу процесімен ғана шектелмейді. Нан құрамында  қант бояғыш және хош иісті заттар мелоноидино тәрізді реакциялар жүргізу үшін қатысады.

Нан пісіру кезінде қамыр  илеу және қамырды толықсыту кезінде  ұнның ақуыздық кешенін міндетті түрде ескеру керек. Ұнның ақуызды кешені және ферментативті өзгерістері қамырдың физикалық қасиеттерін анықтайды. Қамырдың илеу мен толықсыту және дайын нанның сапасы, оның көлемі, кеуектілігі, жұмсағының құрылымы ақуыздық құрылысына байланысты.

 

 

 

4 Тақырып Ферменттер

Барлық тірі ағзаларға  қажетті ферменттерді алу үшін бастапқы энзимнің көлемі 1% жетеді. Көп көлемде  осындай ферменттерді алу үшін өсімімдік  ағзалары мен жануарлардың мүшелері және басқа да ткандері қолданылады.

Тамақ өнеркәсібінде  осындай ферменттерді қолдану технологиялық үрдісті қарқындандыруға, дайын өнімнің сапасын жақсартуға, оның көлемін ұлғайтуға және шикізаттың тағамдық құндылығын үнемдейді.

Ферментті перепараттар ұсынылған негізгі технологиялық талаптарға ғана емес сонымен қатар катализаторлық реакциялар мен олардың қозғалыс шарттары: рН, температура, тұрақтылығы, активаторлар мен ингибиторлардың қатысуы және басқа да факторлар препараттың берілген ортадағы тиімділігін және оның технологиялық қолдану режимдерінің дұрыс анықтығы қанағаттандыру керек.

Химиялық, микробиологиялық және токсикологиялық мұқият бақылау  бірінші кезекте микробты ферменті препараттардың және ферменттік препараттардың негізгі қауіпсіздік бағасын  берудегі басты моменттердің бірі болып  табылады. Генетикалық модифицирленген  микроорганизмдерден алынған препараттардың алатын орны ерекше.

Қазіргі уақытта әлемде тамақ өндірісі саласында әртүрлі  технологиялық процестер сатысында  көптеген ферменттік препараттар өндіріледі. Көптеген фирмалар ферменттік препараттарды әртүрлі коммерциялық атаулармен шығарады.

 

Ферменттердің биосинтезі және клеткадағы шоғырлануы

Әр клеткадағы фермент молекунасының биосинтзі  әдеттегі белоктың биосинтезі сияқты өтеді.

Ферменттер  клетканың тек белгілі бір  аудандарында ғана шоғырланған. Мысалы, май қышқылдарының ß тотығуының және клетканың тыныс алу ферменттері митохондрияда; белоктың биологиялық түзілуіне қатысы бар ферменттер либосомаларда; гюкозаға, май қышқылдрының түзілуіне қатысатын және амин қышқылдарын активтендіретін ферменттер гиалоплазмада шоғырланған.

Компартментализацияның  ортасында ферменттер арасындағы бәсеке жойылады.

 

Ферменттерді  алу және тазалау әдістері 

Ферменттер  белок тектес заттар болғандықтар, белоктарды алу әдістерін ферменттергеде қолданады.

Ең алдымен  ферментті алуға арналған материалды түрлі қоспалардан босатады. Сонан соң материалды гомогенизаторға немесе ультра дыбыс, автолиз және т.б. әдістермен  төменгі температурада (2-8°C) ұсақтайды. Ұсақталған гомогенизацияланған материалды центрифугалайды. Сұық бөлігіне « центрфугат» ферменттер өтеді, ал тұнбаны алып тастайды.

Ферменттерді  тұнбаға түсіру үшін центрифугатқа  амони сульфатын немесе органикалық  еріткіштерді (этил спирті, ацетон ) қосады. Сол кезде барлық белоктар сонымен  қатар ферменттер де тұнбаға түседі. Ферменттерді бөлу үшін  ион алмасу  хроматографиясы, немесе электрофорез (полиакриламид, крахмал, агар­агар гелі).

Ферменттерді  тазалау үшін диолиз әдісін пайдаланады.

 

Ферменттердің химиялық табиғаты және құрылысы. Коферменттер

Ферменттер  химиялық табиғаты жағынан ­ белоктық заттар. Ферменттің тездеткіштік қызметі оның малекуласында белок барлығына байланысты. Совет ғалымдары көптеген белоктардың ферментативтік қасиетке ие екендігін дәлеледеді. Мысалы, бұлшық өттердің миозині (В.А.Энгельгардт). Бұл жөнінде К.А.Тимирязевтің өзі былай деп айтқан болатын: «Белок затының бір шеңгелінде бүкіл ­тірі дененің механизмі берілген». Олай болса ферменттер де, молекуласының құрлысына  қарай, белоктар сияқты қарапайым және күрделі болып екі топқа бөліпнеді.

Қарапайым ферменттердің  молекуласы тек қана белоктардан тұратын бір компонентті ферменттер болып келеді. Яғни, қарапайым ферменттер дегеніміз бұл қарапайым белоктар. Гидролиздегенде тек амин қышқылдарына ғана ыдырайды. Оған жататындар: рибонуклеаза,пепсин, химотрипсин, папаин, амилалар және т.б. гидролазалар.

Күрделі ферменттер деп күрделі белоктарды айтады.олардың  молекуласы белоктық жәнк белосыз заттаодан  тұратын екі компоненті ферментер. Белоктың бөлігін апофермент, ал белоксыз бөлігін кофермент немесе простетикалық  топ деп атайды. Диализ кезінде белоктық бөлігі диализаторда қалады да, ал белок емес бөлігі емес бөлігі жартылай өткізгіш мембранадан өтіп кетеді. Апоферментсіз коферменсіз активсіз, дәл солай кофермент апоферментсіз активсіз. Металдардың иондары немесе белок емес органикалық заттар күрделі ферменттердің кофакторлары болып келеді. Көптеген ферменттер өзінің активтігін демеуге екі кофактордың да қатысуын керек етеді. Көптеген металдрдың иондары ферменттердің жақсы активаторлары:

Na⁺, K⁺, Ca²⁺,Mg²⁺, Zn²⁺, Cu²⁺, Mn²⁺, Fe²⁺ т.т.

Кофакторды (протетикалық топ) әдетте кофермент деп атайды.

Кофферменттер (латын сөзінен «ко» бірге және ферменттер) ферменттің белокты бөлігімен  әлсіз байланысқан белок емес органикалық қосылыстардан тұратын  бөлігі. Бұған дегидрогеназалар мысал  бола алады.

Простетикалық топ деп ферменттің белокты бөлігмен берік байланысқан кофакторын айтады. Мәселен, гемоглобиндегі темірпорфирин комплексі (гем) белокпен берік байланысқан.

Биохимиялық реакцияларда коферментін 2 міндет атқарады: олар күрделі  ферменттің активтік орталығын қалыптастыра отырып, ферментті субстрат малекуласымен түйістіреді. Сөйтіп, соңғысының катализдік өзгеруін іске асырады.

Коферменттер  катализдік процестің барысында  электрондарды, протондары, жекелеген  атомдары және олардың  топтарын бір  субстраттан екіншісіне тасымалдауға қатысады.

Жалпы айтқанда, катализдік процесті фермент өзінің бүкіл молекуласымен жүзеге асырады. Оның белоктық бөлігі ферменттің талдаушылық (іріктеушілік) қасиетін және реакцияның жылдамдығын  аңықтайды.

Апофермент  субстратты уақытша қосып алады, ал коферменттерді, олардың қызметтері бойынша үш топқа бөлуге болады:

1. оксидоредуктаза коферменті сутегін және электрондарды тасымалдаушылыр.
2. трансфераза коферменттері атомдар тобының тасымалдаушылары.
3. изомераза, лиаза және легаза (синтетаза) коферменттері. Коферменттердің тізімі үш кестеде көрсетілген.

Бұл кестеден көптеген коферменттердің құрамына витаминдер немесе олардың туындылары кіретіндігін байқап отырмыз. Бұдан, витаминдердің  жетіспеуі коферменттің түзілуін тежейтіндігін, яғни фермент синтезінің бұзылуына алып келетінін түсінуге болады. Осыдан барып организмде зат алмасуының бұзылуы пайда болады.

 

Ферменттердің жалпы қасиеттері

Ферменттердің аса тұрақсыздығына байланысты әсері  де көптеген факторларға тәуелді  келеді.

Температураның әсері. Ферменттің жоғары активтігі 36-40ºС байқалады. Папаин бұған жатпайды. Оның активтігі 80º та да білінеді, ал каталазаға деген қолайлы температура 0 және 10ºС арасында жатыр. Температура 80-100ºС қа жеткенде фермент өзінің катализдік қабілетін жоғалтады (инактивацияланады) , денатурацияға ұшырайды. Инактивация реакцияның ұзақтығына және табиғатына байланысты.

Кебір ферменттер құрғақ күйінде 120-190ºС салқындыққа  дейінгі температураға төзімді  келеді. Температураны біртіндеп 37ºС қа дейін жоғарылатса, олардың активтігі қалпына келеді. Ферменттің бұл қасиетін малды қолдан ұрықтандыруға арналған ұрық сұйығын (сперма) сақтау үшін пайдаланады.

Ортаның рН ның  әсері.әрбір ферменттің өте жоғары активтік көрсететін қолайлы рН аймағы бар. Мысалы, пепсин рН 1,5-2,5; трипсин рН 8-9; сілекей амилазасы рН 6,9-7; уреаза  pH 7,2-8; болғанда ең жоғары активтік көрсетеді.

Талғампаздығы (іріктеушілігі). Әрбір фермент, құылысы  жағынан ұқсас тек белгілі  бір субстратқа, немесе заттар тоына  ғана әсер етеді. Яғни, қайдай да бір басқа заттарға емес, тап сол берілген затқа әсе етуге бейімділігін айтды. Әрбір фермент тек белгілі бір реакцияны ғана катализдейді. Мәселен, уреаза ферменті бір ғана несеп нәрінің ыдырау реакциясын катализдейді. Сахараза тек сахарозаны ыдыратады.

Талғаушылықтың үш негізгі түрін айырады:

Топтық талғаушылық  деп ферменттің белгілі бір химиялық байланыстарды үзе отырып заттар тобына әсер етуін айтады. Мысалы, пепсин, трипсин белоктардағы пептидтік  байланыстарды гидролиздейді:

Жекелеген талғаушылық  деп фрмент тек белгілі бір затқа ғана әсер етеді. Мәселен, каталаза сутек асқын оксидін суға жән оттегіне ыдыратады.

Құрылымдық  талғаушылық деп ферменттің тек  бір ғана кеңістік изомеріне әсер етіп, оның оптикалық антиподтарын катализдемеуін  айтады. Мәселен, фермент моносахаридтердің Д қатарын, табиғи амин қышқылдарының a қатарын ғана ыдырата алады.

Ферменттің  тағаушылық қасиетінің биологиялық  маңызы өте зор, өйткені ферменттер осындай қасиетінің арасында зат  алмасу процесін реттеп отырады. Олар рекцияның жылдамдығын қай заттар, қандай бағытта өзгертетінін, өзгеру жолдары белгілейді.

 

Активаторлар  және ингибиторлар (бөгегіштер)

Ферменттің  активтігі ортада әр түрлі қоспалардың  болуына байланысты. Ферменттің активтігін жоғарылататын заттарды активаторлар, ал баяулататындарды немесе төжейтіндерді. Ингибиторлар (бөгегіштер) деп атайды. Активаторлар ферментативтік реакциялардың жылдамдығын арттырады. Активаторлар талғаулы (специфические), және талғаусыз (неспецифические) болып екіге бөлінеді. Мысалы: пепсиннің талғаулы активтісіне тұз қышқылы жатады. Ол пепсинді активтей отырып белоктың ыдырауын жылдамдатады. Әр түрлі бейорганикалық  катиондар, өте сирек түрде аниондар, талғаусыз активаторар қатарына кіреді.

Бөгегіштер  ферентативтік реакцияларды ішінара, немесе толық тежейді. Талғаулы бөгегіштерге антиферменттер антипепсин, антрипепсин және т.б. жатады.  Талғаусыз бөгегіштерге ферменттердің улы заттары (HCN, KCN, NaCN), ауыр металдардың иондары , олкалоидтер, сульфидтер және т.б. жатады. Бөгеушілік қайтымды және қайтымсыз болып екі топқа бөлінеді . Егер ортадан бөгегіштерді диализ арқылы ажыратқанда фермент алғашқы күйіне оралса, ло қайтымды бөгегіштер болып табылады. Мәселен, аниепсин тұз қышқылының әсерінен диссоциацияланып, активтілігін жоғалтады.

Қайтымсыз бөгегіштер ференттің активтік орталықтарымен, ондағы әрекетшіл топтарымен реакцияға түсіп оның активтігін мүлде жояды. Мысалы:Кантиноксидазаға цианид қайтымсыз бөгегіштік әсер етеді. Күшәлә, сынап, қорғаныс қосылыстарының да уытты әсерлерін осымен түсіндіруге болады. Пенициллиннің  дәрлік әсері де осы қайтымсыз бөгегіштікке негізделген. Ол белгілі бір ферменттің әсерін қайтымсыз түрде бөгейді. Бөгеушілік  бәсекелесуші және бәсекелеспейтін болып екіге бөлінеді. Бәсекелесуші бөегіштер құрлысы жағынан субстратқа ұқсас болғандықтан, фермент «алдынып» қалады. Бөгегіш ферменттің активтік орталығымен байланысып, оның қатынасын сырттан бөліп тастайды. Мысалы, сулфамидтер құрлысы жағынан пара аминобензой қышқылымен ұқсас:

 

                       NH₂                                              NH₂

                                                        

                                                                 

                 COOH                                             SO₂NH₂

пара-аминобензой                                         пара-аминосульфамид

қышқылы

 

Сульфамид (бөгегіш). Ферментпен байланысқа түсіп оның қызметін басып тастайды. Сульфамидтер, әдетте пара аминобензой қышқылы әрекеттесетін, микроорганизмдердің белктарымен (ферментімен) реакцияға түсіп олардың құруына себепкер болады.

Қайтымдылық әсері. Ферменттер субстраттың тек ыдырауына  ғана емес, оның сөл ыдырау өнімдерінен  қайта түзіліп шығуына да әсер ете алады. Мәселен, пепсин рН 0,5-2 мәнінде  белоктарды аминқышқылдарына ыдыратады. Ал, рН  5-6 мәнінде сол амин қышқылдарынан қайтадан белоктарды түзіп шығады.

Ферменттің активтігін өлшеу. Ферменттердің активтігі өте жоғары. Олардың шапшандатқыш активтігін сипаттау үшін, «айналым саны» деген ұғым қолданылады . «айналым саны» деп 1 мол ферменттің әсерінен 1 минут уақытта өзгеріске ұшырайтын субстраттың мөлшерін (мольсанымен есептегеде) айтады. Мысалы, кейбір таз ферменттің «айналым саны» манындай:

• каталаза - Н₂О₂ – 5000000;
• пепсин - казеин – 40000.

 

Энзимологияда ферменттің активтігін сипаттау үшін халықаралық өлшеу бірлігі деген ұғым қабылданды. Ферменттің халықаралық өлшеу бірлігі деп қалыпты жағдайда (рН, субстраттың концентрациясы, 25ºC), бір минуттың ішінде бір ғана микромоль (1 мкмоль 10 мольге тең) субстратты өзгерте алатын ферменттің санын айтады.