Гидролазы. 
БИОХИМИЯ ДЛЯ ТЕХНОЛОГОВ в 2 ч. Часть 1.

Гид рол азы катализируют разрыв (иногда синтез) связей с участием молекулы воды.

Это единственный класс, в котором все ферменты однокомнонентные. Называя гидролазы, придерживаются принципа:

субстратютщепляемая группа-гидролаза.

Однако именно для ферментов этого класса сохраняются тривиальные названия. Часто название образуют, просто добавляя суффиксаза к названию субстрата: протеииаза, лактаза, липаза.

Гидролазы подразделяют на несколько подклассов в зависимости от субстрата, на который они действуют.

Эстеразы ускоряют гидролиз сложноэфирных связей. Важнейшие подклассы эстераз — гидролазы эфиров карбоновых кислот и фосфатазы. Примером гидролаз эфиров карбоновых кислот может служить липаза (рис. 6.32), которая катализирует разрыв внешних, так называемых а-сложноэфирных связей триглицеридов. Систематическое название ТАГ-липазы — триацилглицерол.ацил-гидролаза.

По такой схеме протекает гидролиз простых липидов при переваривании жиров у человека под влиянием липазы поджелудочной железы. Обра;

Рис. 632. Действие липазы.

зующиеся p-моноглицериды направляются на ресинтез жира в стенке кишечника либо полностью гидролизуются до глицерина и жирных кислот при участии эстеразы печени.

В производстве молочных продуктов липазы могут оказывать как положительное, так и незапланированное отрицательное воздействие. Продукты гидролиза молочного жира содержат низкомолекулярные жирные кислоты, обладающие характерным и часто неприятным резким вкусом и запахом. В значительных количествах они придают молоку, сливкам, маслу и другим молочным продуктам такие пороки вкуса, как несвежий, прогорклый и мыльный привкус. Эти нежелательные эффекты появляются, если липаза имеет контакт со свободным жиром, т. е. наиболее характерны для сливочного масла, а также в производстве любых молочных продуктов, поскольку повреждение оболочек жировых шариков может произойти при различных технологических операциях, связанных с быстрым перепадом температур, замораживанием, гомогенизацией, активным механическим воздействием.

Положительное действие липаза оказывает при созревании различных твердых, полутвердых сыров и сыров с плесенью, для которых наличие тех же самых продуктов гидролиза жира — низкомолекулярных жирных кислот является залогом характерного аромата.

В молоко липаза попадает двумя путями: из клеток, синтезирующих молоко, — нативная липаза, и из клеток микроорганизмов — бактериальная. Их особенности показаны в табл. 6.7.

Таблица 6.7

Сходство и различие нативной и бактериальной липазы.

Из табл. 6.7 ясно, что появление липолитических пороков в жидких и сухих молочных продуктах, а также продуктах, подвергнутых УВТ-обработке, — результат действия липаз бактериального происхождения или несоблюдения надлежащих режимов пастеризации.

Фосфатазы катализируют гидролиз фосфорноэфирных связей. Большое значение имеют фосфатазы, действующие на сложные эфиры фосфорной кислоты и углеводов (рис. 6.33).

В молоке обнаружены фосфатазы, отличающиеся pH оптимумом действия: кислая и щелочная. Кислая фосфатаза наиболее активна при pH 4,9, а щелочная — в диапазоне pH 9—10.

Оба фермента катализируют гидролиз фосфорных остатков от молекулы казеина. В результате ухудшается способность казеина связывать ионы Са^2н,.

Рис. 6.33. Дефосфорилирование глюкозо-1-фосфата:

реакция катализируется /3-глюкозо-1 -фосфат:фосфогидролазой, а следовательно, и возможность образовывать мультимерные комплексы казеина. Однако гидролитические свойства в молоке реализует только кислая фосфатаза, поскольку оптимум pH щелочной фосфатазы не достигается при получении или переработке молока. Тем не менее, щелочная фосфатаза играет значительную роль в производстве молочных продуктов. Это объясняется тем, что она разрушается при температурах несколько больших, чем температуры, обеспечивающие уничтожение патогенных микроорганизмов. Поэтому щелочная фосфатаза отсутствует в молоке, если режимы его пастеризации соблюдались.

Гликозидазы (гликозилгидролизы) ускоряют гидролиз гликозидов, например дии полисахаридов. В пищевых технологиях это одни из самых востребованных ферментов, поскольку в ценовом выражении на их долю приходится примерно 50% стоимости всех ферментов, применяемых в производстве продуктов питания. Они применяются для изготовления подсластителей, загустителей, модификации углеводов и пр. [291.

Ферменты высокоспецифичны и различают аи p-формы сахаров, как, например, малътаза на рис. 6.34, которая расщепляет только а-гликозидные связи. Систематическое название этого фермента — о., 0-шоко:шд:гдюкогидролаза (3.2.1.20).

Рис. 6.34. Гидролиз мальтозы мальтазой (а-глюкозидазой).

Гликозидазы достаточно хорошо изучены. По предложению Ш. Дамодарана их можно разделить на две разновидности: инвертирующие и удерживающие, в зависимости от того, в каком положении остается гликозидный гидроксил после гидролиза. Инвертирующие ферменты катализируют только гидролиз. Удерживающие гликозидазы катализируют и гидролиз, и перенос гликозильного остатка, сохраняя ту аномерную конфигурацию гидроксила, которая была при образовании гликозидной связи [291.

По месту действия гликозидазы делят на экзо-и эндоферменты. Экзогликозидазы обычно, но не всегда гидолизуют связи с нередуцирующей стороны полисахарида.

Пеитидгидролазы катализируют гидролиз пептидных связей в пептидах и белках. Пеитидгидролазы разделяют, но месту действия на иротеиназы и пептидазы. Протеиназы расщепляют внутренние пептидные связи, т. е. являются эндопептидазами. Пептидазы действуют на внешние пептидные связи, и следовательно, являются экзопептидазами. Экзопептидазы, в свою очередь, делятся на аминои карбоксииеитидазы, в зависимости от того, с какого конца гидролизуют пептидную связь. Аминопептидазы отщепляют N-концевые аминокислоты, карбоксипептидазы ускоряют гидролиз С-концевых аминокислот (рис. 6.35).

Рис. 6.35. Область действия различных пептидаз.

С открытием экзопеитидаз связан большой прорыв в биохимии. Эти ферменты позволили устанавливать последовательность аминокислот в белках. До этого в результате гидролиза белков получалась смесь аминокислот и выяснить их чередование, т. е. первичную структуру белка, не представлялось возможным.

Например, за открытие первичной структуры гормона пептидной природы инсулина Ф. Сенгеру^[1] была присуждена Нобелевская премия.

Распад белков под действием всей этой группы ферментов называют протеолиз. Он сопровождается образованием пептидов разной длины цепи. Низкомолекулярные пептиды часто обладают горьким вкусом, что может привести к появлению органолептических пороков в пищевом продукте.

В молоке есть два вида протеиназ — нативные и бактериальные.

Нативные иротеиназы — плазмин и катепсин открыты сравнительно недавно, во второй половине XX в. Поводом к их исследованию служило сохранение протеолитических процессов, протекающих в молоке, несмотря на улучшение его санитарно-микробиологических показателей.

Наибольшее значение на технологические характеристики молока и молочных продуктов оказывает плазмин. Он выделяется в молоко из крови в виде неактивного предшественника плазминогена и связывается с казеиновыми коллоидными частицами. В состав плазминогена входят непосредственно плазмин, а также его активатор и ингибитор. В такой форме и под «защитой» казеина плазмин относительно стабилен в большом интервале pH — от 4 до 9 ед., но наибольшую активность проявляет при pH 7,5. Температурный оптимум плазмина 35 °C, но и при охлаждении до 5 °C его активность составляет 20% максимальной [26].

По характеру действия плазмин относится к эндоиротеиназам. Он специфичен к внутренним связям р-казеина (Лиз₂₈-Лиз₂₉, Лиз₁₀₅-Гис₁₀₆ и Лиз₁₀₇-Глу₁₀₈) и в меньшей степени действует на а-казеин. Сывороточные белки и к-казеин устойчивы к воздействию плазмина.

При сычужном сквашивании плазмин локализуется в сырном зерне в составе казеиновых частиц и проявляет свою активность в начальной стадии созревания сыров.

Вследствие того, что плазмин находится в составе казеиновых коллоидных частиц, он выдерживает высокотемпературный нагрев и полностью инактивируется лишь при 142 °C в течение 15 с. Поэтому в продуктах, прошедших высокотемпературную обработку и имеющих длительный срок хранения, например в УВТ-молоке, плазмин проявляет свою активность. Результатом его действия становится изменение консистенции с характерным гелеобразованием.

Прогеиназы бактериального происхождения по своим свойствам более разнообразны. Среди них есть и эндои экзопептидазы, вследствие чего гидролиз может происходить очень глубоко с образованием пептидов разной длины, дипептидов и свободных аминокислот. Такие процессы могут протекать как результат восстановления активности бактериальных ферментов или как результат непосредственного развития нежелательной микрофлоры в молоке и молочных продуктах. Последствиями обязательно являются пороки вкуса, запаха, а иногда и консистенции.

Регулируемый гидролиз белков протеиназами бактериального происхождения осуществляется в производстве сыров. Выбор чистых культур, создание различных комбинаций заквасок, направленное действие температур, контроль уровня pH и других технологических показателей — все эго выделяет сыроделие в крупнейшую отрасль молочной промышленности.

В молочной промышленности большое значение имеет сычужный фермент (пепсин или реннин^[2]) — нротеиназа, сычуга сельскохозяйственных животных, которая высокоспецифична по отношению к основному белку молока — к-казеину. И пепсин, и реннин избирательно действуют на связь, образованную 105-й и 106-й аминокислотами Фен и Мет. В результате гидролиза этой связи в к-казеине от него отщепляется большой гидрофобный фрагмент, казеин денатурирует и выпадает в осадок (рис. 6.36).

Рис. 636. Схема гидролиза казеина сычужным ферментом.

В производстве мясных продуктов, напитков, хлебопечении находят применение иротеиназы растительного происхождения. Для умягчения мяса используют папаш, выделенный из млечного сока дынного дерева, или бромелин (бромелайн), получаемый из сока стеблей ананасов. При брожении теста и пива большое значение имеют иротеиназы злаковых, под влиянием которых готовые продукты приобретают необходимые потребительские свойства.

Амидазы катализируют гидролиз С—N-связей, но не пептидных. Например, синтез мочевины в орнитиновом цикле протекает при участии L-аргинин'.урео-гидролизы (рис. 6.37).

Рис. 637. Действие амидазы.

• [1] Ф. Сснгср — дважды лауреат Нобелевской премии, но химии: 1958 г. «За установлениеструктур белков, особенно инсулина» и 1980 г. «За фундаментальные исследования биохимических свойств нуклеиновых кислот, в особенности рекомбинантных ДНК».
• [2] Пепсин — фермент взрослых животных; реннин (химозин) — фермент молодняка жвачных.