(Enzymen, ungeformte Fermente). — Э. называются органические соединения, в большинстве случаев близкие по составу к белкам, вырабатываемые живой клеткой и обладающие свойствами, будучи выделенными из клетки, вызывать в органических соединениях те же химические процессы, которые происходят в них и под влиянием жизнедеятельности клетки. Э. выделяются как растительными, так и животными клетками. Примером первого рода Э. могут служит диастаз, инвертин и зимаза: диастаз выделяется из солода, образуется в большом количестве при прорастании семян злаков, разлагает крахмал в мальтозу и декстрин; инвертин добывается из дрожжей, превращает тростниковый сахар на d-глюкозу и d-фруктозу; зимаза получается также из дрожжей и вызывает распадение виноградного сахара на спирт и углекислоту. Как пример Э. животного происхождения можно привести пепсин и трипсин; пепсин, выделяемый желудочным соком, превращает белки в пептоны, трипсин, получаемый из панкреатического сока, переводит пептоны в амиды, диамидо-кислоты и аммиак. Основателем учения об Э., если не считать работ Реомюра и Спалацани, еще в XVI в. показавших, что желудочный сок действует точно так же вне организма, как и в организме, следует считать Kirchhoff'a, Dubrunfaut, Payen'a и Possoz'a. Kirchhoff в 1814 г. в мемуаре, опубликованном в "Записках С.-Петербургской Академии Наук", показал, что свежеполученная клейковина обладает способностью при известных условиях превращать крахмал в сахар; Dubrunfant, повторяя его опыты, заметил, что это действие клейковины обусловливается присутствием в ней особого вещества, растворимого в воде, заключающегося в семенах, и что содержание этого вещества при прорастании семян значительно увеличивается; далее он определил наилучшие условия действия его; Payen и Possoz выделили это вещество осаждением спиртом солодовой вытяжки и показали, что полученное твердое тело обладает тем же свойством, как и сама вытяжка, превращать крахмал в мальтозу и декстрин; Payen назвал это вещество диастазом. Получение свободного неорганизованного фермента — Э. — дало толчок к попыткам получения других подобных веществ методом Payen'a, который в результате оказался применимым для добывания почти всех Э.; посредством этого метода были выделены пепсин, трипсин, инвертин и пр. В настоящее время большинство Э. приготовляется тем же методом Payen'a, для каковой цели клетки, в которых предполагается существование Э., убиваются тем или иным способом, затем экстрагируются водой, из раствора Э. выделяется прибавлением спирта и очищается повторными последовательными растворениями и осаждениями. Количество прибавляемого спирта для осаждения того или другого Э. различно: одни выпадают при прибавлении 10—15% спирта, другие 30%, что зависит всецело от растворимости данного Э. в слабых спиртовых растворах. При работе по этому методу нужно избегать оставлять Э. под действием спирта продолжительное время, так как под влиянием спирта большинство Э. утрачивает способность вызывать реакции. Очень часто для осаждения Э. пользуются их способностью выпадать из раствора вместе с образующимся осадком некоторых неорганических соединений, как-то: фосфорно-кальциевой соли, углекислой магнезии, гидрата глинозема и т. п. Э. обладают некоторыми общими свойствами, именно: 1) все они растворимы в воде: числа растворимости характерны для Э.; 2) водные растворы их, будучи нагреты до 100°, утрачивают способность вызывать реакции; 3) в сухом состоянии Э. теряют свои свойства при температуре около 70°; 4) действие всех. Э. зависит от температуры: при повышении температуры до некоторого предела скорость реакции возрастает, при дальнейшем повышении за этот предел начинает падать. Температура наилучшего действия для различных Э. разная и характерна для них; 5) действие Э. приблизительно пропорционально употребленному количеству их. Химический состав Э. точно не определен, так как анализы, произведенные различными исследователями, не дают согласующихся между собой цифр, что указывает на то, что они в чистом состоянии не получаются, что непосредственно вытекает и из самого метода их получения, так как при осаждении спиртом необходимо выпадают вместе с Э. и другие соединения. В общем, состав Э. в большинстве случаев приближается к составу белковых тел. В виду того, что химическим составом отдельные Э. не могут быть охарактеризованы, их классифицируют по их химическому действию. Названия Э. образуются прибавлением суффикса "аза" к корню того вещества, на которое они действуют. По своему химическому действию Э. распадаются на две большие группы; первая заключает Э., которые вызывают распадение более сложной частицы на простейшие, реакций протекает с присоединением воды, это — так назыв. гидролитирующие Э., вторая группа Э. оказывает окисляющее действие на те вещества, с которыми приходит в соприкосновение. Это суть оксидазы. Действие Э. первой группы аналогично гидролизу, вызываемому кислотами при действии на крахмал, сахар. I. Э. гидратизирующие A) Действующие на углеводы
-
| Названия энзимов | Вещества, на которые | Продукты действия |
| | действуют | |
| - - - |
| Амилаза или диастаз | Крахмал. | Мальтоза и декстрин |
| Инвертин или сюкраза. | Тростниковый сахар | d-глюкоза и d-фруктоза |
| Мальтаза | Мальтоза | d-глюкоза |
| Цитаза | Целлюлоза | Глюкозы |
| Инулиназа | Инулин | Фруктоза |
| Семиназа | Галактан и маннан | Манноза и галактоза |
| Пектиназа | Пектин, мелитриоза или рафиноза | Продукты гидратации |
| Мелибиаза | Мелибиоза | d-галактоза и d-глюкоза |
| Трегалаза | Трегалоза | d- глюкоза |
| Лактаза | Лактоза (молочный сахар) | d-глюкоза и d-галактоза |
| Корубиназа | Корубин | Корубиноза, идентичная с d- |
| | | маннозой |
- B) Энзимы глюкозидов
-
| Названия энзимов | Вещества, на которые | Продукты действия |
| | действуют | |
| - - - |
| | | d-глюкозы и другой компонент |
| Амигдалин и другие | Эмульсин | (для амигдалина — горько-миндальное |
| глюкозиды | | масло и синильная кислота; |
| | | для арбутина — гидрохинон и т. д.). |
| - - - |
| Гаултераза или бетулаза | Гаултерин | d-глюкоза и гаултеровое масло |
| | | (метилсалициловый эфир) |
| - - - |
| Мирозин | Мироново-калиевая соль | d-глюкоза |
| | | и аллилово-горчичное масло |
| - - - |
| Рамназа | Ксанторамнин | Рамнетин и d-глюкоза |
- C) Э. ж и p о в
-
| Названия энзимов | Вещества, на которые | Продукты действия |
| | действуют | |
| - - - |
| Липаза | Жиры | Жирные кислоты и глицерин |
- D) Э. м о ч и
-
| Названия энзимов | Вещества, на которые | Продукты действия |
| | действуют | |
| - - - |
| Ураза | Мочевина | Углекислый аммоний |
- Е) Э. б е л к о в
-
| Названия энзимов | Вещества, на которые | Продукты действия |
| | действуют | |
| - - - |
| Энзим сычуга | Казеин | Параказеин |
| (Labferment) | | |
| - - - |
| Пепсин | Альбуминоиды | Пептоны и альбумозы |
| - - - |
| Трипсин | Альбуминоиды | Амидо-, диамидокислоты и аммиак |
| - - - |
| Папаин | Альбуминоиды | Амидо-, диамидокислоты и аммиак |
| - - - |
| Пектаза | Пектиновые вещества | Пектиновокислый кальций |
| - - - |
| Тромбаза | Фибриногены | Фибрин |
- II. Оксидазы
-
| Названия энзимов | Вещества, на которые | Продукты действия |
| | действуют | |
| - - - |
| | Ароматические | |
| Лакказа | многоатомные фенолы | Продукты окисления |
| | и их производные | |
| - - - |
| Оксидин | Красящее вещество | Продукты окисления |
| | злаков | |
| - - - |
| Олеазы | Оливковое масло | Продукты окисления |
| - - - |
| Эноксидаза | Красящее вещество вина | Продукты окисления |
| - - - |
| Тирозиназа | Тирозин | Продукты окисления |
| - - - |
| Зимаза | Глюкоза | Спирт и углекислота |
- Несмотря на все разнообразие как самих Э., так и веществ, на которые они действуют, реакции, вызываемые Э., протекают по одним и тем же законам, и почти все одного и того же порядка, при реакции всегда получаются продукты, сумма теплот горения которых меньше, чем исходного вещества. Химическое действие Э. изучено очень хорошо, особенно для Э., производящих гидролиз; для других, как, напр., оксидаз, оно исследовано еще с недостаточной полнотой. Вода как таковая оказывает гидролитическое действие даже при низких температурах, нагревание усиливает действие воды; по опытам Мунка глюкозиды при 150°—160° подвергаются полному гидролизу. Прибавление кислот к воде производит значительное ускорение реакции гидролиза. Э. действуют таким же образом, как кислоты, но оба фактора действуют совершенно различно. Кислоты действуют более или менее одинаково во всех случаях, со всеми соединениями, которые подвергаются гидролизу, каждый же из Э. только с определенными, в этом и заключается важнейшее различие. Реакции ферментов не идут до конца: в конце опыта всегда остается часть нераспавшегося первоначального вещества, как показал Тамман: кажущееся исключение из этого правила представляет Э. сычуга, который нацело превращает казеин в параказеин. Неполнота реакции при действии Э. не есть следствие наступления химического равновесия между двумя противоположными реакциями, разложением под влиянием Э. и новым образованием из продуктов распада исходного вещества, так как Э. возбуждают реакции, идущие только в одном направлении. Предел реакции при Э. наступает вследствие того, что Э. теряют свойство возбуждать реакции, когда концентрация продуктов распада достигнет известной степени; фермент сычуга потому и реагирует до конца, что образовавшийся параказеин нерастворим и выходит из круга реакции. Такое влияние продуктов реакции на ход её доказывается тем, что остановившуюся реакцию можно снова возбудить посредством некоторых факторов, влияющих именно на концентрацию продуктов распада. Остановившееся действие может быть возбуждено: 1) через возвышение температуры; так, напр., если действовать эмульсином на амигдалин при 5°, то через некоторое время реакция прекращается; если же смесь нагреть до 40°, реакция снова возобновляется и опять идет до некоторого предела. Возвышение температуры не должно, однако, доходить до предельной, при которой сам Э. разрушается; 2) через разбавление смеси; 3) через введение нового субстрата в действие, так если в то время, когда реакция между амигдалином и эмульсином достигнет предела, прибавить к смеси салицин, то реакция возобновляется; 4) через прибавление нового количества Э. Действие Э. зависит от количества его в реакции, хотя вообще можно сказать, что малым количеством его можно превратить очень большие количества веществ, так одна часть Э. сычуга свертывает до 400000 частей казеина, одна часть инвертазы превращает до 100000 частей тростникового сахара. Конец таких реакций наступает через очень продолжительное время, продолжительность реакции до наступления предела зависит от количества введенного в нее Э. Влияние количества Э. на скорость изучено для многих из них, как то: для пепсина, птиалина, диастаза, инвертина, эмульсина и многих др. В общем, разными исследователями доказано, что время реакции уменьшается, но не точно обратнопропорционально количеству Э. Тамман показал, что кривая, показывающая скорость действия инвертазы на тростниковый сахар, совершенно отличается от таковой же кривой, полученной для кислот. Для некоторых Э., как, напр., эмульсина, замечено, что при увеличении количества его скорость возрастает только до известного предела, а затем при дальнейших прибавках эмульсина скорость не увеличивается. Концентрация субстрата сильно влияет на начальную скорость, понижая ее в начале так, что в разные промежутки времени в слабых растворах образуется больше продуктов действия Э., чем в концентрированных. Возвышение температуры увеличивает скорость реакции, но опять-таки, как нашел Тамман, не по тому закону, как для кислот: именно он нашел, что инвертаза имеет при 40° ту же начальную скорость, что и при 50°; температуры выше 50° увеличивают начальную скорость, которая потом сильно падает, что является следствием того, что Э. при высших температурах скоро разрушается, вследствие чего концентрация деятельного Э. в смеси уменьшается. Для объяснения химического действия Э. было предложено много теорий, но все они, хотя более или менее объясняют явление, далеки от полноты и совершенства. Одни авторы пытаются объяснить действие Э. их контактным влиянием, подобным тому, которое оказывает платиновая чернь на некоторые вещества; другие тем, что Э. вступают в химическое взаимодействие с теми телами и образуют непрочное соединение с ними, которое под влиянием воды разлагается так, что Э. делается свободным, а вещество, с которым Э. был в соединении, вступает в реакцию с водой и дает соответствующие данному Э. продукты. Эти две теории наиболее согласуются с фактами. Изложив общие условия, в которых протекают реакции, возбуждаемые Э., прежде чем перейдем к описанию отдельных Э., нужно сказать несколько слов о значении, которое имеют Э. в природе, об их биологической роли. Э. играют большую роль в процессах усвоения питательных веществ организмами, как животными, так и растительными. Большинство питательных веществ поступает в организмы в состоянии, не удобном для усвоения, т. е. для постройки новых тканей. Под влиянием Э. они так изменяются, что становятся легко усвояемыми. Так, крахмал в пище сначала подвергается действию Э. слюны — птиалина, затем Э. панкреатического сока, которые переводят его в мальтозу и виноградный сахар; белки претерпевают также превращение под влиянием Э. желудочного и панкреатического сока. В растениях аналогичные процессы наблюдаются во время прорастания зерен, в которых под влиянием Э. крахмал, клетчатка, белки и жиры, служащие строительным материалом для постройки тканей, для этой цели превращаются в удобоусвояемое состояние; зерна крахмала, что можно наблюдать под микроскопом, при прорастании мало-помалу разжижаются и переходят в глюкозу. Кроме того, Э. переводят потенциальную энергию в кинетическую, так как все реакции, возбуждаемые ими, суть реакции экзотермические, т. е. сопровождающиеся выделением тепла; так, виноградный сахар, разлагаясь на спирт и углекислоту, выделяет 71 ед. тепла, трипалмитин, превращаясь в жирные кислоты и глицерин — 30 ед. тепла, 1 г белков при переходе в мочевину — 4,6. Молекула мочевины при переходе в углекислый аммоний — 8 ед. тепла. Теплота, которая выделяется при реакциях Э., утилизируется организмами для постройки новых тканей из пищи. Переходим к описанию отдельных Э. 1) Диастаз или амилаза, см. 2) Инвертаза (инвертина сюкраза) разлагает (инвертирует) тростниковый сахар на правовращающую d-глюкозу и левовращающую d-фруктозу. Тростниковый сахар вращает вправо, продукты инверсии — влево, так как d-фруктоза имеет больший угол вращения, чем d-глюкоза. Давно был известен тот факт, что при действии дрожжей тростниковый сахар гидратизируется и что гидратация вызывается особым ферментом, который выделяют дрожжи. Бертелло первый выделил этот фермент осаждением дрожжевой вытяжки спиртом. Живая дрожжевая клетка выделяет в раствор очень мало инвертазы, поэтому для приготовления Э. клетку предварительно убивают и затем экстрагируют водой, откуда инвертазу осаждают спиртом. Для того, чтобы убить дрожжи, пользуются хлороформом, эфиром, толуолом или растиранием с мелким песком (E. Fischer). Инвертаза находится почти во всех видах дрожжей, в большинстве случаев вместе с мальтазой, в дрожжах молочного брожения с лактазой, в некоторых редких случаях одна, как, например, в Sacharomyces Marxianus. Полученные из различных видов дрожжей инвертазы отличаются своими свойствами, особенно по отношению к посторонним влияниям и температуре оптимума действия, так как инвертаза верхних дрожжей имеет оптимум на 25° выше, чем инвертаза, полученная из дрожжей нижнего брожения, оптимум её действия лежит между 53° и 56°. Сильно разбавленные кислоты содействуют инверсии, более концентрированные понижают ее, а при некоторой концентрации, различной для разных кислот, инвертаза становится совсем неактивной, напр., в присутствии щавелевой кислоты даже в количестве 0,1 грамма на литр сахар не инвертируется. Щелочи действуют очень вредно, как показали опыты Феернбаха, даже в самых незначительных количествах; так, 3,4 куб. см раствора едкого натра концентрации 0,066 г на литр понижают скорость инверсии почти в двенадцать раз. Нейтральные соли в малых количествах усиливают действие инвертазы, в больших ослабляют; количество соли, которое может быть прибавлено, различно для разных солей, поваренная соль и хлористый калий до 0,4% действуют благоприятно, в больших неблагоприятно, а хлористый аммоний может быть прибавлен без вреда в количестве 10%. Хлороформ, эфир уменьшают активные свойства; ядовитые вещества, даже в ничтожных количествах, действуют очень сильно, так, напр. цианистый калий в концентрации 0,02% понижает деятельность инвертазы в шестнадцать, а при 0,04% в 44 раза. 3) Мальтаза — Э., под влиянием которой мальтоза распадается на 2 молекулы глюкозы: C12H22O11 + H2O = 2C6H12O6. Мальтаза находится как в растительном, так и в животном царстве и всегда сопровождает диастатические ферменты. Важнейший источник получения мальтазы есть солодовая вытяжка, добывается она также из различных видов дрожжей вместе с инвертазой — Sacharomyces octosporus, в животном царстве находится в кишечном соке, найдена и в крови, печени и почках. Для добывания мальтазы солод экстрагируют слабой винной кислотой (0,1:250) и из экстракта осаждают вместе с диастазом спиртом. Для получения из дрожжей, последние сушат и извлекают 0,1%-ым раствором едкого натра, вытяжку осаждают спиртом. Эмиль Фишер показал, что мальтазы разного происхождения обладают различными свойствами, так, напр., мальтаза, полученная из солода, более постоянна по отношению к спирту, чем мальтаза, полученная из дрожжей. Оптимум действий мальтазы лежит ок. 40°, при 50° она утрачивает свои свойства. 4) Цитазы — Э., действующие на клетчатку, найдены в зернах злаков Броуном и Морисом, Ньюкомбом в белом лупине, во многих паразитных грибках, как то в Merulius lacrimans, Peziza, P?nicillium glaucum, Polyporus, Agaricus и в пр. Цитазы действуют на клетчатку подобно тому, как диастаз на крахмал, и переводят ее в сахар. Химическое действие их точно не изучено. 5) Инулиназа — Э., превращающий углевод инулин в d-фруктозу, образуется при прорастании клубней, которые заключают инулин как запасное вещество; добывается из клубней георгина, артишоков, Helianthus tuberosus и др. семейства Synanthereae. Инулиназа на крахмал не действует. 6) Семиназа — Э., переводящий манногалактан в маннозу и галактозу, найден S. Bourquelot в люцерне. 7) Пектиназа. Э. находится вместе с диастазом в солоде, переводит пектиновые вещества в сахаристые, открыта Bourquelot. 8) Милибиаза — Э., разлагающий мелибиозу на d-галактозу и d-глюкозу, добывается из дрожжей нижнего брожения посредством экстрагирования сухих дрожжей водой, выпадает вместе с инвертазой, которая не действует на мелибиозу. 9) Треалаза. Э. найден в Aspergillus'e и в зеленом солоде, в незначительном количестве в дрожжах, под действием её трегалоза, дисахарид, распадаются на 2 частицы глюкозы. 10) Лактаза. Э., который молочный сахар — лактозу переводит в d-глюкозу и в d-галактозу — С12Н22О11 + Н2О = 2С6Н12О6, находится в дрожжах молочнокислого брожения, в Sacharomyces Kefir, в Saoharomyces Tyrocola, получается осаждением спирта войной вытяжки кефира. По типу своего действия лактаза приближается больше к эмульсину, чем к мальтазе; эмульсин также действует на молочный сахар, а мальтаза вовсе не действует. 11) Корубиназа. Э., найденный в прорастающих семенах Ceratonia siliqua Eff?ront'oм, мало исследован, превращает корубин в корубинозу, идентичную по Экенштейну с d-маннозой. 12) Эм