Кез келген тірі ағзаның жасушасында миллиондаған химиялық реакциялар жүреді. Олардың әрқайсысының маңызы зор, сондықтан биологиялық процестердің жылдамдығын жоғары деңгейде ұстау маңызды. Әрбір дерлік реакция өз ферментімен катализденеді. Ферменттер дегеніміз не? Олардың тордағы рөлі қандай?
Ферменттер. Анықтама
«Фермент» термині латынның fermentum – ашытқы сөзінен шыққан. Оларды грек тілінен аударғанда «ашытқыдағы» ферменттер деп те атауға болады.
Ферменттер биологиялық белсенді заттар, сондықтан жасушада жүретін кез келген реакция олардың қатысуынсыз жүрмейді. Бұл заттар катализатор қызметін атқарады. Сәйкесінше, кез келген ферменттің екі негізгі қасиеті бар:
1) Фермент биохимиялық реакцияны жылдамдатады, бірақ тұтынылмайды.
2) Тепе-теңдік константасының мәні өзгермейді, тек осы мәнге жетуді тездетеді.
Ферменттер биохимиялық реакцияларды мың, кей жағдайда миллион есе жылдамдатады. Бұл ферменттік аппарат болмаған жағдайда барлық жасушаішілік процестер іс жүзінде тоқтап, жасушаның өзі өлетінін білдіреді. Сондықтан биологиялық белсенді заттар ретінде ферменттердің рөлі зор.
Ферменттердің әртүрлілігі жасуша метаболизмінің реттелуін әртараптандыруға мүмкіндік береді. Кез келген реакциялар каскадына әртүрлі кластағы көптеген ферменттер қатысады. Биологиялық катализаторлар молекуланың ерекше конформациясына байланысты жоғары селективті. Ферменттер көп жағдайда белоктық сипатта болғандықтан, олар үшінші немесе төрттік құрылымда болады. Бұл тағы да молекуланың ерекшелігімен түсіндіріледі.
Жасушадағы ферменттердің қызметі
Ферменттің негізгі міндеті – сәйкес реакцияны жылдамдату. Сутегі асқын тотығының ыдырауынан гликолизге дейінгі кез келген процестер каскады биологиялық катализатордың болуын талап етеді.
Ферменттердің дұрыс жұмыс істеуіне белгілі бір субстрат үшін жоғары спецификалық қол жеткізіледі. Бұл катализатор тек белгілі бір реакцияны жылдамдата алады және басқа емес, тіпті өте ұқсас екенін білдіреді. Ерекшелік дәрежесі бойынша ферменттердің келесі топтары бөлінеді:
1) Бір ғана реакция катализделген кездегі абсолютті спецификасы бар ферменттер. Мысалы, коллагеназа коллагенді, ал мальтаза мальтозаны ыдыратады.
2) Салыстырмалы ерекшелігі бар ферменттер. Бұған гидролитикалық бөліну сияқты реакциялардың белгілі бір класын катализдей алатын заттар кіреді.
Биокатализатордың жұмысы оның белсенді орталығы субстратқа бекітілген сәттен басталады. Бұл жағдайда құлып пен кілт сияқты толықтырушы өзара әрекеттесу туралы айтылады. Бұл белсенді орталық пішінінің субстратпен толық сәйкестігін білдіреді, бұл реакцияны жеделдетуге мүмкіндік береді.
Келесі қадам - реакцияның өзі. Оның жылдамдығы ферменттік кешеннің әсерінен артады. Соңында біз реакция өнімдерімен байланысқан фермент аламыз.
Қорытынды кезең - ферменттен реакция өнімдерінің ажырауы, содан кейін белсенді орталық келесі жұмыс үшін қайтадан бос болады.
Схема бойынша ферменттің әр кезеңдегі жұмысын былай жазуға болады:
1) S + E --> SE
2) SE --> SP
3) SP --> S + P мұндағы S - субстрат, E - фермент, P - өнім.
Ферменттердің классификациясы
Адам ағзасында сіз көптеген ферменттерді таба аласыз. Олардың функциялары мен жұмысы туралы барлық білім жүйеленді, нәтижесінде бір классификация пайда болды, соның арқасында осы немесе басқа катализатордың не үшін арналғанын анықтау оңай. Мұнда ферменттердің 6 негізгі класы, сондай-ақ кейбір ішкі топтардың мысалдары берілген.
Оксидоредуктазалар
Осы кластағы ферменттер тотығу-тотықсыздану реакцияларын катализдейді. Барлығы 17 кіші топ бар. Оксидоредуктазаларда әдетте витамин немесе гем арқылы бейнеленген белокты емес бөлігі болады.
Оксидоредуктазалар арасында келесі топшалар жиі кездеседі:
a) Дегидрогеназалар. Дегидрогеназа ферменттерінің биохимиясы сутегі атомдарын жоюдан және оларды басқа субстратқа көшіруден тұрады. Бұл топша көбінесе тыныс алу реакцияларында кездеседі,фотосинтез. Дегидрогеназалардың құрамында міндетті түрде NAD/NADP немесе ФАД/ФМН флавопротеидтері түріндегі кофермент болады. Көбінесе металл иондары болады. Мысалдарға цитохромредуктазалар, пируватдегидрогеназа, изоцитратдегидрогеназа және көптеген бауыр ферменттері (лактатдегидрогеназа, глутаматдегидрогеназа, т.б.) сияқты ферменттер жатады.
b) Оксидаза. Бірқатар ферменттер оттегінің сутегіге қосылуын катализдейді, нәтижесінде реакция өнімдері су немесе сутегі асқын тотығы болуы мүмкін (H20, H2 0 2). Ферменттердің мысалдары: цитохромоксидаза, тирозиназа.
c) Пероксидазалар мен каталазалар H2O2 оттегі мен суға ыдырауын катализдейтін ферменттер.
d) Оксигеназалар. Бұл биокатализаторлар субстратқа оттегінің қосылуын тездетеді. Допамин гидроксилазасы осындай ферменттердің бір мысалы болып табылады.
2. Трансферттер.
Бұл топ ферменттерінің міндеті - донорлық заттан реципиент затқа радикалдарды тасымалдау.
a) Метилтрансфераза. ДНҚ метилтрансферазалары ДНҚ репликация процесін бақылайтын негізгі ферменттер болып табылады. Нуклеотидтердің метилденуі нуклеин қышқылының қызметін реттеуде маңызды рөл атқарады.
b) Ацилтрансферазалар. Бұл топшаның ферменттері ацил тобын бір молекуладан екіншісіне тасымалдайды. Ацилтрансферазалардың мысалдары: лецитинхолестерин ацилтрансфераза (май қышқылынан холестеринге функционалдық топты тасымалдайды), лизофосфатидилхолин ацилтрансфераза (ацил тобы лизофосфатидилхолинге ауысады).
c) Аминотрансферазалар амин қышқылдарының түрленуіне қатысатын ферменттер. Ферменттердің мысалдары: аланин аминотрансфераза, амин тобын тасымалдау арқылы пируват пен глутаматтан аланин синтезін катализдейді.
d) Фосфотрансферазалар. Бұл топшаның ферменттері фосфат тобының қосылуын катализдейді. Фосфотрансферазалардың тағы бір атауы, киназалар әлдеқайда кең таралған. Мысалдар гексозаларға (көбінесе глюкоза) және аспарагин қышқылына фосфор қалдықтарын қосатын гексокиназа және аспартаткиназа сияқты ферменттер.
3. Гидролазалар - молекуладағы байланыстардың үзілуін катализдейтін ферменттер класы, содан кейін су қосылады. Бұл топқа жататын заттар ас қорытудың негізгі ферменттері болып табылады.
a) Эстеразалар – эфирлік байланысты үзу. Мысалы, майларды ыдырататын липазалар.
b) Гликозидазалар. Бұл қатардағы ферменттердің биохимиясы полимерлердің (полисахаридтер мен олигосахаридтер) гликозидтік байланыстарын бұзудан тұрады. Мысалдар: амилаза, сахараза, мальтаза.
c) Пептидазалар – белоктардың аминқышқылдарына ыдырауын катализдейтін ферменттер. Пептидазаларға пепсиндер, трипсин, химотрипсин, карбоксипептидаза сияқты ферменттер кіреді.
d) Амидазалар – амидтік байланыстар. Мысалдар: аргиназа, уреаза, глутаминаза және т.б. Көптеген амидаза ферменттері орнитин циклінде кездеседі.
4. Лиазалар қызметі бойынша гидролазаларға ұқсас ферменттер, дегенмен молекулалардағы байланыстардың үзілуі кезінде су тұтынылмайды. Бұл класс ферменттерінің құрамында әрқашан белок емес бөлік болады, мысалы, В1 немесе В6 витаминдері түрінде.
a) Декарбоксилазалар. Бұл ферменттер С-С байланысына әсер етеді. Мысалдарглутаматдекарбоксилаза немесе пируватдекарбоксилаза ретінде қызмет етеді.
b) Гидратазалар мен дегидратазалар СО байланыстарының бөліну реакциясын катализдейтін ферменттер.
c) Амидин-лиазалар – C-N байланыстарын бұзады. Мысал: аргинин сукцинат лиазасы.
d) П-О лаза. Мұндай ферменттер, әдетте, субстрат затынан фосфат тобын ажыратады. Мысалы: аденилатциклаза.
Ферменттердің биохимиясы олардың құрылымына негізделген
Әр ферменттің қабілеттері оның жеке, ерекше құрылымымен анықталады. Фермент ең алдымен белок болып табылады және оның құрылымы мен қатпарлану дәрежесі оның қызметін анықтауда шешуші рөл атқарады.
Әр биокатализатор белсенді орталықтың болуымен сипатталады, ол өз кезегінде бірнеше тәуелсіз функционалдық аймақтарға бөлінеді:
1) Каталитикалық орталық – ақуыздың арнайы аймағы, ол арқылы фермент субстратқа қосылады. Ақуыз молекуласының конформациясына байланысты каталитикалық орталық әр түрлі формада болуы мүмкін, ол субстратқа кілттің құлпы сияқты сәйкес келуі керек. Мұндай күрделі құрылым ферменттік ақуыздың үшінші немесе төрттік күйде болу себебін түсіндіреді.
2) Адсорбциялық орталық – «ұстаушы» қызметін атқарады. Мұнда, ең алдымен, фермент молекуласы мен субстрат молекуласы арасында байланыс бар. Бірақ адсорбциялық орталық түзетін байланыстар өте әлсіз, бұл каталитикалық реакцияның бұл кезеңде қайтымды екенін білдіреді.
3) Аллостериялық орталықтарды ретінде орналастыруға боладыбелсенді жерде және тұтастай алғанда ферменттің бүкіл бетінде. Олардың қызметі ферменттің жұмысын реттеу болып табылады. Реттеу ингибитор молекулалары мен активатор молекулаларының көмегімен жүзеге асады.
Активатор ақуыздары фермент молекуласымен байланысып, оның жұмысын тездетеді. Ингибиторлар, керісінше, каталитикалық белсенділікті тежейді және бұл екі жолмен болуы мүмкін: не молекула ферменттің белсенді аймағының аймағындағы аллостериялық аймақпен байланысады (бәсекелес тежелу), немесе ол ақуыздың басқа аймағына қосылады. (бәсекелес емес тежелу). Бәсекелестік тежелу тиімдірек деп саналады. Өйткені, бұл субстратты ферментпен байланыстыру орнын жабады және бұл процесс ингибитор молекуласы мен белсенді орталықтың пішіні толық дерлік сәйкес келген жағдайда ғана мүмкін болады.
Фермент көбінесе аминқышқылдарынан ғана емес, басқа органикалық және бейорганикалық заттардан да тұрады. Осыған сәйкес апофермент – белок бөлігі, кофермент – органикалық бөлігі, ал кофактор – бейорганикалық бөлігі бөлінеді. Коэнзимді көмірсулар, майлар, нуклеин қышқылдары, витаминдер ұсынуға болады. Өз кезегінде, кофактор көбінесе көмекші металл иондары болып табылады. Ферменттердің белсенділігі оның құрылымымен анықталады: құрамды құрайтын қосымша заттар каталитикалық қасиеттерді өзгертеді. Ферменттердің алуан түрлері жоғарыда аталған күрделі түзілу факторларының жиынтығының нәтижесі болып табылады.
Ферменттердің реттелуі
Ферменттер биологиялық белсенді заттар ретінде ағзаға әрқашан қажет емес. Ферменттердің биохимиясы, олар шамадан тыс катализ кезінде тірі жасушаға зиян тигізуі мүмкін. Ферменттердің ағзаға зиянды әсерін болдырмау үшін олардың жұмысын қандай да бір жолмен реттеу керек.
Т. Ферменттер ақуыздық сипатта болғандықтан, олар жоғары температурада оңай жойылады. Денатурация процесі қайтымды, бірақ ол заттардың жұмысына айтарлықтай әсер етуі мүмкін.
pH да реттеуде үлкен рөл атқарады. Ферменттердің ең жоғары белсенділігі, әдетте, бейтарап рН мәндерінде (7,0-7,2) байқалады. Тек қышқыл ортада немесе тек сілтілі ортада жұмыс істейтін ферменттер де бар. Сонымен, жасуша лизосомаларында гидролиздік ферменттердің белсенділігі ең жоғары болатын төмен рН сақталады. Егер олар қоршаған орта бейтарапқа жақынырақ цитоплазмаға кездейсоқ түссе, олардың белсенділігі төмендейді. «Өзін-өзі жеуден» мұндай қорғау гидролазалардың жұмысының ерекшеліктеріне негізделген.
Ферменттердің құрамындағы кофермент пен кофактордың маңызын айта кеткен жөн. Витаминдердің немесе металл иондарының болуы белгілі бір арнайы ферменттердің жұмысына айтарлықтай әсер етеді.
Фермент номенклатурасы
Ағзаның барлық ферменттері әдетте олардың кез келген класқа жататындығына, сондай-ақ реакцияға түсетін субстратқа байланысты аталады. Кейде жүйелі номенклатура бойынша атауда бір емес, екі субстрат қолданылады.
Кейбір ферменттердің атауларының мысалдары:
- Бауыр ферменттері: лактат-дегидрогеназа, глутаматдегидрогеназа.
- Ферменттің толық жүйелі атауы: лактат-NAD+-оксидоредукт-аза.
Номенклатура ережелеріне бағынбайтын тривиальды атаулар да бар. Мысалы, ас қорыту ферменттері: трипсин, химотрипсин, пепсин.
Фермент синтезі процесі
Ферменттердің функциялары генетикалық деңгейде анықталады. Молекула негізінен ақуыз болғандықтан, оның синтезі транскрипция және трансляция процестерін дәл қайталайды.
Ферменттердің синтезі келесі схема бойынша жүреді. Біріншіден, қажетті фермент туралы ақпарат ДНҚ-дан оқылады, нәтижесінде мРНҚ түзіледі. Хабаршы РНҚ ферментті құрайтын барлық аминқышқылдарын кодтайды. Ферменттердің реттелуі ДНҚ деңгейінде де болуы мүмкін: катализделген реакция өнімі жеткілікті болса, геннің транскрипциясы тоқтайды және керісінше, өнімге қажеттілік туындаса, транскрипция процесі белсендіріледі.
МРНҚ жасуша цитоплазмасына енгеннен кейін келесі кезең – трансляция басталады. Эндоплазмалық тордың рибосомаларында пептидтік байланыс арқылы байланысқан аминқышқылдарынан тұратын біріншілік тізбек синтезделеді. Алайда бастапқы құрылымдағы ақуыз молекуласы өзінің ферментативті қызметін әлі орындай алмайды.
Ферменттердің белсенділігі белоктың құрылымына байланысты. Дәл сол ER-де ақуыздың бұралуы орын алады, нәтижесінде алдымен екіншілік, содан кейін үшіншілік құрылымдар түзіледі. Кейбір ферменттердің синтезі осы кезеңде тоқтайды, алайда каталитикалық белсенділікті белсендіру үшін жиі қажет.кофермент пен кофакторды қосу.
Эндоплазмалық тордың кейбір аймақтарында ферменттің органикалық компоненттері: моносахаридтер, нуклеин қышқылдары, майлар, витаминдер бекітіледі. Кейбір ферменттер коферментсіз жұмыс істей алмайды.
Кофактор белоктың төрттік құрылымының қалыптасуында шешуші рөл атқарады. Ферменттердің кейбір функциялары ақуыз домендік ұйымға жеткенде ғана қол жетімді болады. Сондықтан олар үшін төрттік құрылымның болуы өте маңызды, онда бірнеше белок шарлары арасындағы байланыстырушы буын металл ионы болып табылады.
Ферменттердің көп формалары
Бір реакцияны катализдейтін, бірақ кейбір параметрлері бойынша бір-бірінен ерекшеленетін бірнеше ферменттердің болуы қажет болатын жағдайлар бар. Мысалы, фермент 20 градуста жұмыс істей алады, бірақ 0 градуста ол енді өз функцияларын орындай алмайды. Төмен қоршаған орта температурасында мұндай жағдайда тірі организм не істеуі керек?
Бұл мәселе бір реакцияны катализдейтін, бірақ әртүрлі жағдайларда жұмыс істейтін бірнеше ферменттердің қатысуымен бірден оңай шешіледі. Ферменттердің көп түрінің екі түрі бар:
- Изоферменттер. Мұндай белоктар әртүрлі гендермен кодталған, әртүрлі аминқышқылдарынан тұрады, бірақ бірдей реакцияны катализдейді.
- Нағыз көпше түрлері. Бұл белоктар бір геннен транскрипцияланады, бірақ пептидтер рибосомаларда модификацияланады. Шығару бір ферменттің бірнеше түрі болып табылады.
БНәтижесінде көп формалардың бірінші түрі генетикалық деңгейде, ал екінші түрі трансляциядан кейінгі деңгейде қалыптасады.
Ферменттердің маңызы
Ферменттерді медицинада қолдану жаңа препараттардың шығарылуына дейін азаяды, онда заттар қазірдің өзінде қажетті мөлшерде болады. Ғалымдар ағзадағы жетіспейтін ферменттердің синтезін ынталандырудың жолын әлі тапқан жоқ, бірақ бүгінде олардың жетіспеушілігін уақытша толтыра алатын дәрілер кеңінен қол жетімді.
Жасушадағы әртүрлі ферменттер тіршілікті қамтамасыз ететін алуан түрлі реакцияларды катализдейді. Осы энизмдердің бірі нуклеазалар тобының өкілдері: эндонуклеазалар және экзонуклеазалар. Олардың міндеті зақымдалған ДНҚ мен РНҚ-ны жою арқылы жасушадағы нуклеин қышқылдарының тұрақты деңгейін ұстап тұру болып табылады.
Қанның ұюы сияқты құбылысты ұмытпаңыз. Қорғаныстың тиімді шарасы бола отырып, бұл процесс бірқатар ферменттердің бақылауында болады. Ең бастысы - белсенді емес фибриноген ақуызын белсенді фибринге айналдыратын тромбин. Оның жіптері тамырдың зақымдану орнын бітеп тастайтын желі түрін жасайды, осылайша шамадан тыс қан жоғалтуды болдырмайды.
Ферменттер шарап жасауда, сыра қайнатуда, көптеген ашытылған сүт өнімдерін алуда қолданылады. Ашытқыны глюкозадан алкоголь өндіру үшін пайдалануға болады, бірақ бұл процестің сәтті өтуі үшін одан алынған сығынды жеткілікті.
Сіз білмеген қызықты деректер
- Дененің барлық ферменттерінің үлкен массасы бар - 5000-ға дейін1000000 Иә. Бұл молекулада ақуыздың болуына байланысты. Салыстыру үшін: глюкозаның молекулалық салмағы 180 Да, ал көмірқышқыл газы небәрі 44 Да.
- Бүгінгі таңда әртүрлі ағзалардың жасушаларында табылған 2000-нан астам ферменттер ашылды. Дегенмен, бұл заттардың көпшілігі әлі толық зерттелмеген.
- Фермент белсенділігі тиімді кір жуғыш заттарды өндіру үшін қолданылады. Мұнда ферменттер организмдегідей рөл атқарады: олар органикалық заттарды ыдыратады және бұл қасиет дақтармен күресуге көмектеседі. Ұқсас жуу ұнтағын 50 градустан жоғары емес температурада қолданған жөн, әйтпесе денатурация процесі орын алуы мүмкін.
- Статистикаға сәйкес, дүние жүзіндегі адамдардың 20%-ы ферменттердің кез келгенінің жетіспеушілігінен зардап шегеді.
- Ферменттердің қасиеттері өте ұзақ уақыт бойы белгілі, бірақ 1897 жылы ғана адамдар ашытқы емес, олардың жасушаларынан алынған сығынды арқылы қантты спиртке ашытуға болатынын түсінді.
