БСЭ БСЭ - Большая Советская Энциклопедия (ФЕ)
Высокая специфичность Ф. к. объясняется строгим геометрическим и электронным соответствием структуры субстрата структуре активного центра фермента, на котором субстрат сорбируется и далее претерпевает химические превращения. Допускается, что соответствие (комплементарность) геометрического и электронного строения активного центра и реагирующих с ним участков молекулы субстрата (субстратов) достигается в момент сближения субстрата с активным центром (гипотеза индуцированного соответствия Д. Э. Кошленда, США). Активный центр фермента, представляющий собой ансамбль химически активных группировок (функциональных групп аминокислот), формируется из остатков аминокислот, нередко расположенных далеко друг от друга в полипептидной цепи, но сближенных в пространстве в результате глобулярной структуры белка. Часто в построении активных центров участвуют низкомолекулярные вещества (ионы металлов, органические кофакторы). В молекуле a-химотрипсина, катализирующего гидролиз белков и полипептидов и имеющего цепь длиной в 246 аминокислотных остатков, активный центр образован остатками серина (порядковый номер остатка в цепи 195), гистидина (№ 57), изолейцина (№ 16) и аспарагиновой кислоты (№ 102 и № 194). Активный центр рибонуклеазы, катализирующей расщепление РНК и построенной из 124 аминокислот, образован остатками лизина (№ 7 и № 41), аргинина (№ 39) и гистидина (№ 12 и № 119). Активные центры мн. ферментов функционируют с участием низкомолекулярных веществ – кофакторов Ф. к. К ним относятся производные витаминов, коферменты , а также ионы некоторых металлов (Na, К, Ca, Mg, Zn, Fe, Сu, Со, Mo и др.).
Общая теория Ф. к. не разработана, однако результаты исследования механизма действия ферментов позволяют качественно, а в отдельных случаях и количественно объяснить высокую активность Ф. к. Её главные причины: 1) сближение реагентов при сорбции их в активном центре, этот фактор эквивалентен повышению концентрации реагирующих веществ; 2) специфическая ориентация сорбированного в активном центре субстрата, благоприятная для взаимодействия с каталитическим участком активного центра; 3) образование химических связей между субстратом и каталитическим участком активного центра, направляющее реакцию по энергетически наиболее лёгкому пути; 4) осуществление всех основных химических превращений субстрата «внутримолекулярно» – в составе фермент-субстратного комплекса; 5) исключительная гибкость молекулы фермента, позволяющая активному центру принимать на каждой стадии превращения фермент-субстратного комплекса строение, способствующее достижению максимальной скорости данной стадии реакции. Каждая предшествующая стадия подготавливает наилучшие условия для последующей. Ориентировочная оценка суммарного эффекта всех перечисленных факторов Ф. к. позволяет теоретически предсказать возможное ускорение реакции в 1010 –1013 раз, что во многих случаях совпадает с найденной экспериментально величиной.
Механизмы регуляции активности Ф. к. связаны с особенностями белковой структуры ферментов. Глобулярное строение ферментов, поддерживаемое относительно слабыми химическими связями между отдельными участками полипептидной цепи, легко нарушается при изменении кислотности среды, температуры, концентрации солей в клетках и т.п. Поскольку для Ф. к. необходима строго заданная структура фермента, все эти факторы оказывают воздействие на его активность. Каждый фермент максимально активен при определённой температуре, pH среды и т.п. Изменение условий среды в обе стороны от оптимума снижает активность Ф. к.; нередко она саморегулируется продуктом реакции. Для обратимых процессов, когда фермент катализирует прямую и обратную реакции, скорость прямой реакции (активность Ф. к.) уменьшается при образовании избытка продукта реакции.
Важную роль в Ф. к. играет т. н. аллостерическая регуляция активности ферментов. В живой клетке совершается множество последовательных химических реакций, катализируемых соответствующими ферментами E 1 , E 2 и т.п.
Обнаружены многочисленные реакции, когда образующийся в избытке против физиологически необходимых количеств продукт Р способен снижать активность первого фермента E 1 и тем самым уменьшать скорость всей цепи реакций. Такой механизм называется регуляцией по принципу обратной связи. При этом регулятор Р (в общем случае носит наименование эффектор) воздействует на специальный регуляторный центр фермента E 1 , расположенный вдали от активного центра. Однако вследствие подвижности структуры белковой молекулы фермента в целом реакция с регуляторным центром приводит к изменению строения и свойств активного центра. Такой участок получил, по предложению Ф. Жакоба и Ж. Моно , наименование аллостерического центра, а сами ферменты типа E 1 называется аллостерическими ферментами. В качестве аллостерических эффекторов часто выступают нуклеотиды (например, адениловая кислота, аденозинтрифосфат и т.п.) и аминокислоты (в реакциях биосинтеза др. аминокислот).
К аллостерическим относят также механизмы регуляции действия фермента, содержащего несколько активных центров, при которых связывание субстрата в активном центре вызывает изменение (уменьшение или увеличение) активности фермента. Аллостерическими свойствами обладают ферменты, построенные из нескольких (чётного числа) молекул, каждая из которых имеет активный и регуляторный центры. Воздействие эффектора на регуляторный центр одной из молекул вызывает общее (кооперативное) изменение строения в др. молекулах и активности фермента в целом. Возможны также регуляторные механизмы, при которых воздействие эффектора на аллостерический фермент приводит к изменению степени ассоциации составляющих его субъединиц, что также сопровождается изменением общей активности фермента. Такого рода механизмы играют важную роль в регуляции сложной системы химических реакций (обмена веществ ) в живом организме.
Лит.: «Журнал Всес. химического общества им. Д. И. Менделеева», 1971, т. 16, № 4; Дженке В, П., Катализ в химии и энзимологии, пер. с англ., М., 1972: Структура и функции активных центров ферментов. Сб., посвященный 70-летию со дня рождения А. Е. Браунштейна, М., 1974.
В. А. Яковлев.
Ферментёр
Ферментёр, аппарат для глубинного выращивания (культивирования) микроорганизмов в питательной среде в условиях стерильности, интенсивного перемешивания, непрерывного продувания стерильным воздухом и постоянной температуры. Ф. представляет собой герметичный цилиндрический сосуд – корпус, снабженный барботером для подачи стерильного воздуха и мешалкой с электроприводом. Внутри Ф. вдоль его корпуса и перпендикулярно к нему закрепляют узкие металлические полосы – отбойники для повышения эффективности перемешивания. Объём Ф., предназначенных для лабораторных исследований, чаще до 30 л , для полузаводских экспериментов – 0,05–5 м 3 , промышленного использования – 50–100 м 3 . Лабораторные Ф. могут изготовляться из термостойкого стекла (их стерилизуют в автоклавах), Ф. больших размеров – из нержавеющей стали (они имеют паровую рубашку для стерилизации и поддержания температуры). Ф., как правило, оборудуются устройствами для измерения и регулирования температуры, количества продуваемого воздуха и давления внутри Ф. В случае необходимости Ф. дополнительно снабжается устройствами для измерения и регулирования pH среды, концентрации растворённого кислорода в культуральной жидкости, углекислого газа в выходящем воздухе, сигнализатором уровня пены и приспособлениями для механического или химического пеногашения. При непрерывном процессе культивирования микроорганизмов Ф. дополнительно оборудуются стерилизуемыми резервуарами для хранения компонентов питательной среды и насосами для их непрерывной подачи в Ф. Используют Ф. в промышленности при микробиологическом синтезе антибиотиков, ферментов, витаминов, аминокислот, нуклеотидов, белково-витаминных концентратов и т.д., в научных исследованиях в области микробиологии, биохимии и др. родственных дисциплин.
Лит.: Уэбб Ф., Биохимическая технология и микробиологический синтез, пер. с англ., М., 1969; Производство антибиотиков, М., 1970.
М. А. Гильзин.
Ферментёр: 1 — корпус; 2 — паровая рубашка; 3 — барботёр; 4 — мешалка; 5 — отбойник; 6 — электропривод; 7 — загрузочный люк.
«Ферментная и спиртовая промышленность»
«Ферме'нтная и спиртова'я промы'шленность», научно-технический и производственный журнал, орган министерства пищевой промышленности СССР и центрального правления научно-технического общества пищевой промышленности. Периодичность 8 номеров в год. Издаётся в Москве с 1924: название менялось (в частности, с 1953 по 1963 назывался «Спиртовая промышленность»). Освещает достижения науки и техники в спиртовой, пивобезалкогольной, ликёро-водочной, ферментной и ацетонобутиловой промышленности, опыт передовых предприятий. Тираж (1975) 4600 экз.
