Fermentai
5 (100%) 1 vote

Fermentai

Fermentai

Įvadas

Vystantis chemijos ir fizikos mokslams, vis nauji metodai taikomi ir popieriaus konservavimo srityje. Viena naujausių mokslo šakų – biotechnologija atvėrė galimybę išskirti iš mikroorganizmų, augalinės ir gyvulinės kilmės medžiagų gamtinius biokatalizatorius – fermentus. Tai, kad iš organizmo išskirti fermentai išlaiko specifinę katalitinę funkciją, leido juos plačiai naudoti chemijos, maisto, farmacijos ir kitose pramonės šakose. Ši naujovė taikoma ir konservuojant popierių.

Kaip pagrindinė popieriaus klijavimo medžiaga šimtmečiais buvo naudojami krakmolo ir baltyminės kilmės klijai. Šiuolaikiniuose archyvuose ir bibliotekose, grafikos rinkiniuose gausu šiais klijais suklijuotų ar sumontuotų (originalo lapą paklijuojant tvirtesniu popieriaus ar kartono lapu) bei pataisytų (išplyšusiose vietose įklijuojant naują, atstatantį popieriaus lopinį) objektų.

Šiandien nemažai krakmolo ar baltyminės kilmės klijais klijuotų objektų yra labai pakenkti. Sendama klijinė medžiaga praranda elastingumą, todėl popieriuje gali atsirasti deformacijų, lūžių ir net išplėšimų. Be to, senėjimo procesas gali sukelti popieriaus spalvos pokyčius, atsirasti įvairaus intensyvumo dėmių. Pakenkimo vietose popierius pasidaro trapus.

XX amžiaus septintojo dešimtmečio pabaigoje popieriaus konservatoriai pastebėjo fermentų naudą šalinant senų baltyminių klijų ir kleisterių likučius. 1969 metais Paulas Blanksas kaip priemonę, padedančią greitai pašalinti gyvulinių klijų apnašas, paminėjo kalogenazę, kalogeną ardantį fermentą. 1970 metais Otto Wendelbo aprašė vandens pažeisto rankraščio konservavimo procesą, kurio metu buvo naudojamas proteinus skaldantis fermentas tripsinas. Šio fermento dėka rankraščio lapai, sulipę į kietą bloką dėl ištirpusių ir vėliau sukietėjusių klijų, buvo sėkmingai atskirti. 1977 metais Segalas, Cooperis ir Hattonas sukūrė naujus popieriaus konservavimo metodus, kuriuose buvo panaudota iš mikroorganizmo Streptomyces griseus išgauta proteazė ir iš mikroorganizmo Bacillus subtilis gauta a-amilazė. Eksperimentais buvo nustatyta, kad, esant optimalioms temperatūros ir pH reikšmėms, fermento kiekis gali būti minimalus. Autoriai pabrėžė fermento tirpalo rūgštingumo ir temperatūros svarbą.

Mokslininkai konservatoriai studijavo enzimologinę literatūrą, ieškodami naujų eksperimentinių metodų fermentų poveikio efektyvumui nustatyti bei jų panaudojimo saugumui įvertinti. Burgessas ir Carette’as ištyrė gyvulinės proteazės ir a-amilazės, gautos iš mikrogrybo Aspergillus oryzae, poveikį įvairių dailės kurinių popieriui bei dažams. Buvo paskelbta straipsnių, kuriuose aprašyti įvairūs fermentų panaudojimo konservuojant popierių aspektai.

Popieriaus konservavime galima išskirti tris sritis, kur dar reikia išsamesnių tyrimų. Pirma: fermentinių reakcijų produktų prigimtis ir galimas jų žalingas poveikis objektui reakcijos metu. Antra: ar galima saugiai ir efektyviai pašalinti šiuos produktus iš objekto. Trečia: ar kokios nors fermentinių reakcijų liekanos gali padaryti žalos objektui, praėjus tam tikram laikui.

1. Fermentai

Fermentais vadinami specifiniai baltymai – biologiniai katalizatoriai, susidarantys bet kurioje gyvoje ląstelėje ir katalizuojantys įvairiausius cheminius procesus tiek ląstelėje, tiek ir išskirti iš jos.

Pagrindinės fermentų savybės yra didelis katalitinis aktyvumas, poveikio specifiškumas, termolabilumas ir grįžtamasis veikimas. Fermentų veikimas ir reakcijų greitis priklauso nuo temperatūros, terpės rūgštingumo (pH), pašalinių medžiagų ir reakcijos produktų buvimo reakcijos terpėje, fermento kiekio ir aktyvumo, substrato koncentracijos.

Reakcijos metu fermentas daug kartų jungiasi su vis naujomis substrato molekulėmis, dėl to mažas fermentų kiekis katalizuoja didelio atitinkamų substratų kiekio pokyčius, pavyzdžiui, 1 dalis pepsino – 10 mln. dalių substrato (baltymo).

Būdinga fermentų savybė – ryškus poveikio specifiškumas, t.y. kiekvienas fermentas veikia tam tikrą substratą (išimtiniais atvejais – ribotą substratų skaičių) arba tam tikrą jungtį molekulėje. Substrato struktūra ir fermento aktyvusis centras turi tiksliai atitikti vienas kitą.

Vieni fermentai yra paprastieji, kiti – sudėtiniai baltymai. Pirmieji vadinami vienkomponenčiais, antrieji – dvikomponenčiais fermentais.

Vienkomponenčiai fermentai – tai globulinės struktūros baltymai. Tiek visų baltymų, tiek fermentų savybės priklauso nuo to, kokios aminorūgštys sudaro polipeptidinę grandinę, kaip ši grandinė susisukusi, t.y. nuo pirminės ir antrinės struktūros. Be abejo, ir tretinė fermento, kaip baltymo, struktūra turi labai didelę reikšmę jo katalitinėms savybėms. Net ir nežymiai pakitus jo baltyminės dalies struktūrai, labai pasikeičia fermento funkcinės savybės.

Gana daug fermentų sudaryta ne iš vienos polipeptidinės grandinės, o iš kelių ar keliolikos. Tokie subvienetai – protomerai – jungiasi į multimerus įvairiomis jungtimis. Fermento, skylančio į protomerus, aktyvumas labai sumažėja, pakinta specifiškumas. Vadinasi, katalitinei fermentų funkcijai didelę reikšmę turi ir ketvirtinė baltymo molekulės struktūra.

Vykstant katalitinei reakcijai substratas jungiasi su tam tikra fermento dalimi, kuri vadinama
aktyviuoju fermento centru.

Įsivaizduokime, kad fermentas ir substratas sąveikauja per kelis aminorūgščių radikalus, kurie yra įvairiose fermento polipeptidinės grandinės vietose. Formuojantis tretinei baltymo struktūrai, šie radikalai suartėja. Denatūruojanti baltymui, fermentas praranda katalitinį aktyvumą. Taip yra todėl, kad denatūruojantis suyra jo trimatė erdvinė struktura, ir arti vieni kitų buvę aminorūgščių radikalai, per kuriuos sąveikaujama su substratu, nutolsta, pasiskirsto fermento molekulėje.

Biologiškai aktyvaus fermento konfigūracija turi būti tokia, kad substratas ant fermento galėtų būti fiksuojamas reakcijai vykti reikalingoje vietoje, t.y. „fermentas turi atitikti substratą, kaip raktas spyną“ (E. Fischerio 1896 m. paskelbta hipotezė).

Vadinasi, aktyvusis vienkomponenčio fermento centras yra sankaupa amiorūgščių radikalų, per kurių funkcines grupes sąveikaujama su substratu.

Dvikomponentis fermentas, dar vadinamas halofermentu, sudarytas iš baltyminės dalies – apofermento ir prostetinės grupės – kofermento. Kofermentas atsparesnis šilumai nei apofermentas, o halofermento atsparumas šilumai didesnis nei jo apofermento. Kofermentai yra nebaltyminiai junginiai, su apofermentais susijungę nevienodo stiprumo jungtimis. Kartais šios jungtys yra gana šilumos ir kofermentas nuo baltyminės dalies atskyla lengvai. Tada jį gali pririsijungti naujas baltymas ir susidaro naujas halofermentas.

Kofermentas sudaro labai mažą halofermento masės dalį (apie 1%). Kofermentai gali būti klasifikuojami taip: 1) nukleotidų tipo junginiai; 2) vitaminai ir 4 dariniai; 3) metalai ir metalų turintys junginiai; 4) kiti junginiai.

Kofermentų funkcijos yra: 1) dalyvauti katalizės procese; 2) užtikrinti kontaktą tarp fermento (baltymo) ir substrato; 3) stabilizuoti apofermentą. Tiesioginės katalitinės funkcijos vykdytojas yra lyg ir kofermentas, tačiau jis negali veikti be baltyminės dalies – apofermento. Proceso specifiškumą sąlygoja baltymas, o substratą prijungia kofermentas. Tas pats kofermentas, prisijungęs prie skirtingų apofermentų, katalizuoja visiškai skirtingus procesus. Dvikomponenčių fermentų kofermentai atlieka aktyviojo centro funkciją, panašiai kaip ją atlieka vienkomponenčių fermentų atitinkamų aminorūgščių radikalų funkcinių grupių sankaupos.

Fermentai pagreitina labai lėtai vykstančius savaiminius cheminius procesus, t.y. sumažina reakcijos aktyvacijos energiją. Svarbiausia yra tai, kad fermentas jungiasi su substratu ir susidaro nepatvarus fermento ir substrato kompleksas. Šis procesas susideda – iš kelių etapų: pirmame fermentas (F) jungiasi su substratu (S) ir susidaro jų kompleksas (FS), antrame substratas aktyvinamas (FS’), trečiame vyksta substrato pokyčiai (FP) ir ketvirtame reakcijos produktai atsiskiria nuo fermento:

F + S ↔ FS – FS’ – FP ↔ F + P

Susidarant fermento ir substrato kompleksui, keičiasi substrato molekulės struktūra, atsiranda jo pereinamosios formos. Fermentas su substratu jungiasi joninėmis, vandenilinė mis jungtimis. Gali susidaryti laikinos kovalentinės jungtys (kintant substratui). Fermento – substrato kompleksai yra itin labilūs: egzistuoja tik sekundės dalis. Vykstant fermento ir substrato sąveikai, substrate indukuojami ardomų jungčių įtempimai, vyksta jų deformacija ir destabilizacija. Šios jungtys tampa mažiau stabilios, negu buvo laisvame substrate, dėl to fermentinė reakcija vyksta greitai.

Fermentams būdingas specifinis katalitinis veikimas. Fermento – substrato kompleksas gali susidaryti dėl tam tikro fermento ir substrato giminingumo (jau minėta E. Fischerio hipotezė, kad fermentas turi atitikti substratą, kaip raktas spyną). Fermentinių reakcijų greitis visų pirma priklauso nuo fermento aktyvumo, tačiau jam turi įtakos ir kiti veiksniai.

Cheminės reakcijos greitis priklauso nuo temperatūros. Temperatūrai pakilus 10°C, cheminės reakcijos greitis padidėja maždaug dvigubai. Vykstant fermentinėms reakcijoms, šis dėsnis galioja tik iki tam tikros ribos. 0°C ir žemesnėje temperatūroje fermentiniai procesai beveik nevyksta. Kylant temperatūrai fermentiniai procesai suaktyvėja. Temperatūrai pakilus iki tam tikro lygio, prasideda fermento, kaip baltymo, denatūracija – fermentai deaktyvuojasi. Šiluminis daugumos baltymų denatūravimasis yra negrįžtamas procesas. Tačiau esama fermentų, kurių aktyvumas po kurio laiko iš dalies atsinaujina. Pavyzdžiui, tripsinas – kasos sulčių fermentas – šildomas deaktyvuojasi, bet po tam tikro laiko jo aktyvumas vėl atsistato.

Baltymų denatūracijos temperatūra priklauso nuo jų struktūros ypatybių. Kiekvienai fermentinei reakcijai būdinga optimali temperatūra. Daugumos gyvulinių fermentų optimali veikimo temperatūra yra 40-50°C, augalinių – 50-60°C. Aukštesnėje kaip 70°C temperatūroje daugumas fermentų netenka aktyvumo. Tačiau yra ir išimčių. Dideliu termostabilumu pasižymi termofilinių mikroorganizmų fermentai: kai kurių jų aktyvumas nepakinta net trumpai pavirinus.

Žemesnėje ir neigiamoje temperatūroje daugumos fermentų aktyvumas išlieka. Grąžinti į palankias sąlygas, fermentai vėl tampa aktyvūs.

Fermentai yra jautrūs terpės pH pokyčiams. Kiekvienas fermentas gali būti maksimaliai aktyvus tik esant tam tikrai terpės vandenilio jonų koncentracijai. Daugeliui fermentų
optimalios pH reikšmės yra 5,0-8,0. Dauguma fermentų esti aktyviausi, kai terpės pH atitinka fermento izoelektrinį tašką. Nukrypus pH į vieną ar kitą pusę nuo optimalios reikšmės, fermento aktyvumas sumažėja [1,3].

Dažniausiai priklausomai nuo terpės pH gali jonizuotis ir atitinkamos substrato grupės.

Esant tam tikroms pH reikšmėms, gali pakisti fermento struktūra, susilpnėti jungtys tarp apofermento ir kofermento. pH turi įtakos fermento ir substrato sąveikai, kartu ir visam katalizės procesui.

2. Fermentų panaudojimas popieriaus konservavimui

Kalbant apie fermentų panaudojimą konservuojant popierių, optimalių temperatūros ir pH reikšmių svarba fermentinių reakcijų veiksmingumui neturėtų būti pervertinta. Daugeliu atvejų patys sudrėkinti klijų likučiai ar dejonizuotas vanduo, kuriame gaminami fermentų tirpalai, sukuria patenkinamą aplinką fermentui veikti. Temperatūrą galima kiek padidinti siekiant kompensuoti pH nukrypimus nuo optimalios reikšmės. Ir pagaliau, nors reakcijos greitis neabejotinai padidėja palaikant kurio nors vieno ar abiejų faktorių optimalias reikšmes, patenkinamus rezultatus galima gauti net ir griežtai nesilaikant šių reikalavimų.

Fermentų katalitiniam aktyvumui turi įtakos ir tirpale esančios medžiagos. Vienos jų aktyvuoja fermentų veikimą – tai aktyvatoriai, kitos silpnina arba visai sustabdo jų veikimą – inhibitoriai.

Fermentų veikimą kartais slopina fermentinės reakcijos produktai, sudarydami su fermentu kompleksinius junginius (lengviau nei pradinė medžiaga).

Didėjant substrato koncentracijai, reakcijos greitis didėja iki maksimalaus, tai reiškia, kad fermento molekulių aktyvieji centrai jau prisotinti substrato, vėliau reakcijos greitis nebepriklauso nuo substrato koncentracijos.

Jeigu fermentinė reakcija vyksta esant substrato pertekliui, jos greitis tiesiog proporcingas fermento kiekiui (jei reakcijos aplinkoje nėra inhibituojančių medžiagų).

Konservuojant popierių labai svarbūs yra hidrolazių klasei priskiriami, hidrolizės reakcijas katalizuojantys fermentai. Tai visų pirma amilazės, krakmolą skaldantys fermentai, kurie pagreitina senų krakmolo kleisterių ardymą, ir antra, proteazės, baltymą skaldantys fermentai, kurie paspartina senų baltyminių klijų ardymą.

Krakmolas sudarytas iš amilozės (apie 25%) ir amilopektino (apie 75%). Amilozėje α-gliukozės molekulės sujungtos α-(l,4)-glikozidine jungtimi, jos struktūra linijinė, molekulinė masė apie 60 000. Gerai tirpsta šiltame vandenyje.

Šiuo metu Jūs matote 30% šio straipsnio.
Matomi 1813 žodžiai iš 5960 žodžių.
Peržiūrėkite iki 100 straipsnių per 24 val. Pasirinkite apmokėjimo būdą:
El. bankininkyste - 1,45 Eur.
Įveskite savo el. paštą (juo išsiųsime atrakinimo kodą) ir spauskite Tęsti.
SMS žinute - 2,90 Eur.
Siųskite sms numeriu 1337 su tekstu INFO MEDIA ir įveskite gautą atrakinimo kodą.
Turite atrakinimo kodą?
Po mokėjimo iškart gausite atrakinimo kodą, kurį įveskite į laukelį žemiau:
Kodas suteikia galimybę atrakinti iki 100 straispnių svetainėje ir galioja 24 val.