было удовлетворительной стабильности, то есть неизменности строения и свойств во времени. И вот здесь возникают определенные проблемы. Ферменты функционируют в живых системах и не предназначены изначально для работы в условиях завода. Потеря стабильности приводит к необратимой инактивации фермента, то есть потери способности ускорять реакции.

Исследователи выделяют различные типы стабильности белков. В первую очередь мы говорим о стабильности ферментов внутри самой клетки. Глобулярные белки существенно различаются по времени жизни в организмах (обычно от 2 до 200 часов), и когда час пробил, все они подвергаются процессу протеолиза, то есть расщепления полипептидной цепи на части. К настоящему времени не выявлено корреляции между стабильностью белков в клетках и их молекулярными параметрами, например массой молекулы или структуры.

Зато было обнаружено, что в короткоживущих белках часто присутствуют специальные «метки» – так называемые сигнальные аминокислотные последовательности. По смыслу они напоминают наклейки «съешь меня» и передают сигнал специальным ферментам-«убийцам» – протеазам – о необходимости скорейшего расщепления «меченого» белка. Некоторые сигнальные последовательности обуславливают очень короткую жизнь белка, до 3 минут, в то время как другие последовательности служат «оберегом» от расщепления на долгие часы.

Если же мы вернемся из живой системы в реальный технологический процесс, то потеря активности фермента может подразумевать различные механизмы, среди которых:

1) агрегация;

2) нарушение сети химических связей (разрывы или наоборот образование новых связей);

3) потеря простетической группы или кофактора;

4) и даже «налипание», то есть сорбция[6] на стенках реактора!

Рассмотрим этот процесс на примере одного из самых распространенных механизмов – агрегации. На бытовом уровне агрегацию наблюдал всякий, кто решил сварить пельмени, не помешивая их как следует. Незадачливого повара ждет настоящий «ком» из слипшихся пельменей, и вид такого блюда вряд ли кого-либо обрадует. Для белков все примерно так же. На первом этапе под действием какого-то агрессивного внешнего фактора из нативной глобулы белка образуется промежуточный «развернутый» белок с искаженной структурой. На втором этапе «развернутые» молекулы образуют агрегаты, «слипшиеся» за счет слабых межмолекулярных взаимодействий. В агрегате могут присутствовать десятки, сотни и даже тысячи молекул. Да уж, представьте только ком из тысячи пельмешек… Лучше на себе не проверять!

Решение проблемы стабильности ферментов в технологических процессах остается актуальной задачей для многих исследователей. Здесь еще много пространства для открытий и достижений.

Глава 3

Ферменты пищеварения

В прошлых главах мы познакомились с основными биомолекулами, которые встречаются нам в пище, – белками, жирами, углеводами, и выяснили, что некоторые белки способы ускорять многие химические реакции. Одними из самых первых исследуемых ферментов стали ферменты пищеварения – и немудрено, ведь, как сказал академик Иван Павлов в своей нобелевской речи 1904 года: «Над всеми явлениями человеческой жизни господствует забота о насущном хлебе». Уже к этому времени было известно, что в составе пищеварительного сока помимо хорошо известных химических веществ, таких как соляная кислота, содержатся соединения-ферменты.

Павлов установил, что в желудочном соке содержится фермент, способный расщеплять белок, – пепсин, работающий в кислой среде. Выработка пепсина зависит от того, какую пищу предложат подопытному животному. В панкреатическом соке, то есть соке поджелудочной железы, который активируется уже в кишечнике, были обнаружены как минимум три фермента. Они были названы следующим образом: «белковый», «крахмальный» и «жировой» ферменты, и работа их происходит в слабощелочной среде. Итого 4 фермента были идентифицированы: протеазы (пепсин и некоторая кишечная протеаза), «крахмальный» фермент – амилаза и «жировой» фермент – липаза.

Если вы откусили крахмалистую пищу, будь то хлеб или богатые крахмалом овощи, их переваривание начнется незамедлительно, уже во рту. Слюна содержит фермент амилазу.

Фундаментальная задача амилазы – способствовать перевариванию углеводов. Образно говоря, амилаза – это ножницы, с помощью которых рассекаются длинные цепочки полисахаридов. Есть три варианта таких ножниц: альфа, бета и гамма-амилазы, которые отличаются получаемыми продуктами – «обрезками» полисахаридов.

Самая известная, альфа-амилаза рассекает (то есть ускоряет реакцию гидролиза на самом деле) полисахарид где-то посередине, способствуя гидролизу внутренних альфа‑1,4‑связей, поэтому ее иногда называют эндоамилазой. Для полноценной работы ей необходим ион кальция, который выступает кофактором. Именно альфа-амилаза начинает работать в слюне, расщепляя крахмал в пище. Ее работу подхватывает мальтаза слюны, расщепляющая дисахарид мальтозы на два остатка глюкозы. Вы наверняка замечали, что если долго-долго жевать кусочек черного хлеба, непременно появится сладкий вкус. Думали, что это неуказанный в составе хлеба добавленный сахар? Нет, это слюнная альфа-амилаза уже начала свою работу по снабжению организма базовым топливом – глюкозой!

Бета-амилаза обнаружена у высших растений, и ее задача – «отрезать» с конца по две глюкозы в виде дисахарида мальтозы от большого «рулона» крахмала. Как в магазине тканей продавец может отрезать небольшой кусочек материала по запросу покупателя, так и у растения при необходимости мобилизации резервного крахмала в дело вступит бета-амилаза.

Гамма-амилаза действует как конвейер, методично отщепляя один за другим остаток глюкозы от основной молекулы крахмала. У человека она действует в специальных органеллах клетки – лизосомах, микросомах и гиалоплазме и играет важную роль в расщеплении гликогена – запасного вещества у человека.

Но наивно было бы предполагать, что в слюне будет находиться лишь один фермент, ведь не зря ротовая полость – первые врата пищеварения. В слюне функционирует фермент липаза, которая, судя по названию, расщепляет липиды. Ее еще называют языковой (или лингвальной) липазой, потому что она выделяется специальными серозными железами языка в бороздки, расположенные рядом с рецепторами масляного вкуса. В отличие от своих коллег по цеху – панкреатических липаз языковая липаза прекрасно функционирует в слабокислой среде слюны, отщепляя от триацилглицеридов по одному остатку жирных кислот.

Языковая липаза особенно важна для новорожденных, чья поджелудочная железа, основной завод по производству панкреатических липаз, еще не полностью включена в работу. Переваривание жиров грудного молока у малышей действительно происходит буквально во рту!

Пищевой комок, смоченной слюной, из ротовой полости по пищеводу попадает в желудок. Здесь среда сильнокислая, буквально раствор соляной кислоты с рН 1,5–2,5 (для голодного желудка). Амилазы не приспособлены работать в такой агрессивной среде, следовательно, они инактивируются на поверхности пищевого комка. Правда, те удачливые молекулы, которые остались в самом центре комка, еще некоторые время успевают работать, но и им в скором времени наступает конец – необратимая инактивация. В желудке также еще успевают немного поработать молекулы языковой липазы, которые некоторое время сохраняют активность в агрессивной среде желудка.

Благодаря трудам клеток слизистой оболочки фундального отдела желудка секретируется специальная желудочная липаза, также способная работать в кислых средах. Вместе с языковой липазой их объединяют в группу кислых липаз в противовес панкреатическим, работающим лишь в нейтральных и слабощелочных средах. Языковые