Ар кандай тирүү организмдин клеткасында миллиондогон химиялык реакциялар жүрөт. Алардын ар бири чоң мааниге ээ, ошондуктан биологиялык процесстердин ылдамдыгын жогорку деңгээлде кармап туруу маанилүү. Дээрлик ар бир реакция өзүнүн ферменти менен катализденет. Ферменттер деген эмне? Алардын капастагы ролу кандай?
Ферменттер. Аныктама
"Фермент" термини латынча fermentum - ачыткыдан келип чыккан. Аларды грек тилинен которгондо ферменттер деп да атаса болот, "ачыткыдагы".
Ферменттер биологиялык активдүү заттар, ошондуктан клеткада болгон реакция алардын катышуусусуз боло албайт. Бул заттар катализатор катары иштешет. Демек, ар кандай ферменттин эки негизги касиети бар:
1) Фермент биохимиялык реакцияны тездетет, бирок керектелбейт.
2) Тең салмактуулук константасынын мааниси өзгөрбөйт, бирок бул мааниге жетишүүнү тездетет.
Ферменттер биохимиялык реакцияларды миң, кээ бир учурларда миллион эсе ылдамдатат. Бул ферменттик аппарат жок болгон учурда бардык клетка ичиндеги процесстер иш жүзүндө токтоп, клетканын өзү өлөт дегенди билдирет. Ошондуктан биологиялык активдүү заттар катары ферменттердин ролу чоң.
Ферменттердин көп түрдүүлүгү клеткадагы зат алмашууну жөнгө салууну диверсификациялоого мүмкүндүк берет. Реакциялардын ар кандай каскадында ар кандай класстагы көптөгөн ферменттер катышат. Биологиялык катализаторлор молекуланын спецификалык конформациясына байланыштуу жогорку тандалма. Ферменттер көпчүлүк учурда протеиндик мүнөзгө ээ болгондуктан, алар үчүнчү же төртүнчү түзүлүштө болушат. Бул дагы молекуланын өзгөчөлүгү менен түшүндүрүлөт.
Клеткадагы ферменттердин функциялары
Ферменттин негизги милдети – тиешелүү реакцияны тездетүү. Суутек пероксидинин ажырашынан гликолизге чейинки процесстердин ар кандай каскады биологиялык катализатордун болушун талап кылат.
Ферменттердин туура иштеши белгилүү бир субстрат үчүн жогорку өзгөчөлүк менен жетишилет. Бул катализатор белгилүү бир реакцияны гана ылдамдата алат, башкасы жок, жада калса абдан окшош. Өзгөчөлүк даражасы боюнча ферменттердин төмөнкү топтору бөлүнөт:
1) Бир гана реакция катализделгенде, абсолюттук өзгөчөлүккө ээ ферменттер. Мисалы, коллагеназа коллагенди, ал эми мальтаза мальтозаны талкалайт.
2) Салыштырмалуу өзгөчөлүгү бар ферменттер. Буга гидролитикалык бөлүнүү сыяктуу реакциялардын белгилүү бир классын катализдей алган заттар кирет.
Биокатализатордун иши анын активдүү борбору субстратка жабышкан учурдан тартып башталат. Бул учурда, кулпу жана ачкыч сыяктуу толуктоочу өз ара аракеттенүү жөнүндө сөз болот. Бул активдүү борбордун формасынын субстрат менен толук дал келгендигин билдирет, бул реакцияны тездетүүгө мүмкүндүк берет.
Кийинки кадам реакциянын өзү. Анын ылдамдыгы ферменттик комплекстин аракетинен улам жогорулайт. Акырында биз реакциянын продуктылары менен байланышкан ферментти алабыз.
Акыркы этап - ферменттен реакция продуктыларын бөлүп алуу, андан кийин активдүү борбор кайра кийинки иш үчүн бош болуп калат.
Схемалык түрдө ферменттин ар бир баскычтагы ишин төмөнкүчө жазса болот:
1) S + E --> SE
2) SE --> SP
3) SP --> S + P мында S - субстрат, E - фермент жана P - продукт.
Ферменттердин классификациясы
Адамдын денесинде абдан көп сандагы ферменттерди таба аласыз. Алардын иш-милдеттери жана иши жөнүндө бардык билим системалаштырылган, натыйжада, бул же тигил катализатор эмне үчүн арналганын аныктоо үчүн жеңил болгон бир классификация, пайда болгон. Бул жерде ферменттердин 6 негизги класстары, ошондой эле кээ бир подгруппалардын мисалдары келтирилген.
Оксидоредуктазалар
Бул класстагы ферменттер редокстук реакцияларды катализдейт. Бардыгы болуп 17 подгруппа бар. Оксидоредуктазалар адатта витамин же гем менен көрсөтүлгөн белок эмес бөлүгүнө ээ.
Төмөнкү подгруппалар көбүнчө оксидоредуктазалардын арасында кездешет:
a) Дегидрогеназалар. Дегидрогеназа ферменттеринин биохимиясы суутек атомдорун жок кылуудан жана башка субстратка өтүүдөн турат. Бул подгруппа көбүнчө дем алуу реакцияларында,фотосинтез. Дегидрогеназалардын курамында сөзсүз түрдө NAD/NADP же FAD/FMN флавопротеиндер түрүндөгү кофермент бар. Көп учурда металл иондору бар. Мисалы, цитохромредуктазалар, пируватдегидрогеназа, изоцитратдегидрогеназа жана көптөгөн боор ферменттери (лактатдегидрогеназа, глутаматдегидрогеназа ж.б.) сыяктуу ферменттерди камтыйт.
b) Оксидаза. Бир катар ферменттер кычкылтектин суутекке кошулушун катализдейт, анын натыйжасында реакция продуктылары суу же суутек перекиси болушу мүмкүн (H20, H2 0 2). Ферменттердин мисалдары: цитохром оксидаза, тирозиназа.
c) Пероксидазалар жана каталазалар H2O2 кычкылтек менен сууга ажырашын катализдеген ферменттер.
d) Оксигеназалар. Бул биокатализаторлор субстратка кычкылтектин кошулушун тездетет. Допамин гидроксилазасы мындай ферменттердин бир мисалы болуп саналат.
2. Өткөрмөлөр.
Бул топтун ферменттеринин милдети радикалдарды донордук заттан реципиентке өткөрүп берүү.
a) Метилтрансфераза. ДНК метилтрансферазалары ДНКнын репликация процессин башкарган негизги ферменттер. Нуклеотиддердин метилдениши нуклеиндик кислотанын функциясын жөнгө салууда маанилүү роль ойнойт.
b) Ацилтрансферазалар. Бул топтун ферменттери ацил тобун бир молекуладан экинчи молекулага ташыйт. Ацилтрансферазалардын мисалдары: лецитинхолестерол ацилтрансфераза (май кислотасынан функционалдык топту холестеринге өткөрөт), лизофосфатидилхолин ацилтрансфераза (ацил тобу лизофосфатидилхолинге өтөт).
c) Аминотрансферазалар аминокислоталардын конверсиясына катышкан ферменттер. Ферменттердин мисалдары: аланин аминотрансфераза, ал пируваттан жана глутаматтан аланиндин синтезин аминотопторду которуу жолу менен катализдейт.
г) Фосфотрансферазалар. Бул топтун ферменттери фосфаттык топтун кошулушун катализдейт. Фосфотрансферазалардын дагы бир аталышы, киназалар көп кездешет. Мисалдар гексозаларга (көбүнчө глюкозага) жана аспарагин кислотасына фосфордун калдыктарын кошкон гексокиназа жана аспартаткиназа сыяктуу ферменттер.
3. Гидролазалар молекуладагы байланыштардын ажырашын катализдөөчү ферменттердин классы, андан кийин суу кошулат. Бул топко кирген заттар тамак сиңирүүнүн негизги ферменттери болуп саналат.
a) Эстеразалар – эфирдик байланыштарды үзүшөт. Мисал катары майларды ыдыратуучу липазаларды алсак болот.
b) Гликозидазалар. Бул катардагы ферменттердин биохимиясы полимерлердин (полисахариддер жана олигосахариддер) гликозиддик байланыштарын бузуудан турат. Мисалдар: амилаза, сахараза, мальтаза.
c) Пептидазалар белоктордун аминокислоталарга ажырашын катализдөөчү ферменттер. Пептидазаларга пепсин, трипсин, химотрипсин, карбоксипептидаза сыяктуу ферменттер кирет.
d) Амидазалар – амиддик байланыштар. Мисалдар: аргиназа, уреаза, глютаминаза ж.б. Көптөгөн амидаза ферменттери орнитин циклинде пайда болот.
4. Лиазалар гидролазаларга окшош ферменттер, бирок молекулалардагы байланыштар үзүлгөндө суу керектелбейт. Бул класстагы ферменттер дайыма белок эмес бөлүгүн камтыйт, мисалы, В1 же В6 витаминдери түрүндө.
a) декарбоксилазалар. Бул ферменттер С-С байланышына таасир этет. Мисалдарглутамат декарбоксилаза же пируват декарбоксилаза катары кызмат кылат.
b) Гидратазалар жана дегидратазалар СО байланыштарынын бөлүнүү реакциясын катализдөөчү ферменттер.
c) Амидин-лиазалар - C-N байланыштарын жок кылат. Мисал: аргинин сукцинаты лиаза.
d) P-O lyase. Мындай ферменттер, эреже катары, субстрат затынан фосфаттык топту ажыратат. Мисал: аденилатциклаза.
Ферменттердин биохимиясы алардын түзүлүшүнө негизделген
Ар бир ферменттин жөндөмдүүлүгү анын жеке, уникалдуу түзүлүшү менен аныкталат. Фермент биринчи кезекте белок жана анын түзүлүшү жана бүктөлүү даражасы анын функциясын аныктоодо чечүүчү роль ойнойт.
Ар бир биокатализатор активдүү борбордун болушу менен мүнөздөлөт, ал өз кезегинде бир нече көз карандысыз функционалдык аймактарга бөлүнөт:
1) Каталитикалык борбор белоктун өзгөчө аймагы болуп саналат, ал аркылуу фермент субстрат менен жабышат. Белок молекуласынын конформациясына жараша каталитикалык борбор ар кандай формада болушу мүмкүн, алар субстратка ачкычтын кулпусу сыяктуу туура келиши керек. Мындай комплекстүү түзүлүш эмне үчүн ферменттик белоктун үчүнчү же төртүнчүлүк абалда экенин түшүндүрөт.
2) Адсорбциялык борбор - "кармоочу" ролун аткарат. Бул жерде биринчиден, фермент молекуласы менен субстрат молекуласынын ортосунда байланыш бар. Бирок, адсорбция борбору түзүүчү байланыштар өтө начар, бул каталитикалык реакция бул этапта кайтарымдуулугун билдирет.
3) Аллостерикалык борборлор катары жайгашса болотактивдүү жерде жана бүтүндөй ферменттин бүт бетинде. Алардын милдети - ферменттин иштешин жөнгө салуу. Жөнгө салуу ингибитор молекулаларынын жана активатор молекулаларынын жардамы менен ишке ашат.
Активатор белоктору ферменттин молекуласы менен байланышып, анын ишин тездетет. Ингибиторлор, тескерисинче, каталитикалык активдүүлүктү ингибирлейт жана бул эки жол менен пайда болушу мүмкүн: же молекула ферменттин активдүү чөйрөсүндөгү аллостердик аймакка байланышат (конкуренттүү ингибитор), же белоктун башка аймагына жабышат. (конкуренттик эмес бөгөт коюу). Атаандаштыкка бөгөт коюу натыйжалуураак деп эсептелет. Анткени, бул субстратты ферментке байланыштыруучу жерди жаап салат жана бул процесс ингибитор молекуласынын формасы менен активдүү борбордун дээрлик толук дал келген учурда гана мүмкүн болот.
Фермент көбүнчө аминокислоталардан гана эмес, башка органикалык жана органикалык эмес заттардан да турат. Ошого жараша апофермент – белок бөлүгү, кофермент – органикалык бөлүгү, кофактор – органикалык эмес бөлүгү бөлүнөт. Коэнзим углеводдор, майлар, нуклеиндик кислоталар, витаминдер менен көрсөтүлүшү мүмкүн. Өз кезегинде, кофактор көбүнчө көмөкчү металл иондору болуп саналат. Ферменттердин активдүүлүгү анын түзүлүшү менен аныкталат: составды түзгөн кошумча заттар каталитикалык касиеттерин өзгөртөт. Ферменттердин ар кандай түрлөрү жогорудагы комплекстүү түзүүчү факторлордун бардыгынын жыйындысынын натыйжасы.
Ферменттердин жөнгө салынышы
Биологиялык активдүү заттар катары ферменттер организм үчүн дайыма эле зарыл боло бербейт. Ферменттердин биохимиясы өтө көп катализ болгондо тирүү клеткага зыян келтире тургандай. Ферменттердин организмге зыяндуу таасиринин алдын алуу үчүн алардын ишин кандайдыр бир жол менен жөнгө салуу керек.
Т. Ферменттер протеиндик мүнөзгө ээ болгондуктан, алар жогорку температурада оңой жок кылынат. Денатурация процесси кайра кайтарылат, бирок ал заттардын иштешине олуттуу таасир этиши мүмкүн.
pH да жөнгө салууда чоң роль ойнойт. Ферменттердин эң жогорку активдүүлүгү, эреже катары, нейтралдуу рН (7,0-7,2) баалуулуктарында байкалат. Кислоталуу чөйрөдө же щелочтуу чөйрөдө гана иштеген ферменттер да бар. Ошентип, клетка лизосомаларында гидролиздик ферменттердин активдүүлүгү максималдуу болгон төмөнкү рН сакталат. Эгерде алар кокусунан цитоплазмага кирип кетсе, анда чөйрө нейтралдуураак болсо, алардын активдүүлүгү төмөндөйт. Мындай "өзүн-өзү жеп кетүүдөн" коргоо гидролазалардын ишинин өзгөчөлүктөрүнө негизделген.
Ферменттердин составында коферменттин жана кофактордун маанисин айта кетели. Витаминдердин же металл иондорунун болушу белгилүү бир ферменттердин иштешине олуттуу таасирин тийгизет.
Ферменттердин номенклатурасы
Организмдин бардык ферменттери, адатта, кайсы бир класска таандык экендигине, ошондой эле алар реакция кылган субстратка жараша аталат. Кээде системалык номенклатурага ылайык аталышта бир эмес, эки субстрат колдонулат.
Кээ бир ферменттердин аттарынын мисалдары:
- Боор ферменттери: лактат-дегидрогеназа, глутаматдегидрогеназа.
- Ферменттин толук системалык аталышы: лактат-NAD+-оксидордук-аза.
Номенклатуранын эрежелерин сактабаган тривиалдуу аталыштар да бар. Мисалдар тамак сиңирүү ферменттери: трипсин, химотрипсин, пепсин.
Фермент синтези процесси
Ферменттердин функциялары генетикалык деңгээлде аныкталат. Молекула негизинен белок болгондуктан, анын синтези транскрипция жана которуу процесстерин так кайталайт.
Ферменттердин синтези төмөнкү схема боюнча жүрөт. Алгач ДНКдан керектүү фермент тууралуу маалымат окулат, натыйжада мРНК пайда болот. Кабарчы РНК ферментти түзгөн бардык аминокислоталардын коддору. Ферменттердин жөнгө салынышы ДНК деңгээлинде да болушу мүмкүн: катализделген реакциянын продуктусу жетиштүү болсо, гендин транскрипциясы токтойт жана тескерисинче, продуктуга муктаждык пайда болсо, транскрипция процесси активдешет.
мРНК клетканын цитоплазмасына киргенден кийин, кийинки этап башталат - которуу. Эндоплазмалык тордун рибосомаларында пептиддик байланыштар менен байланышкан аминокислоталардан турган биринчилик чынжыр синтезделет. Бирок, негизги түзүлүштөгү протеин молекуласы азырынча ферменттик функцияларын аткара албайт.
Ферменттердин активдүүлүгү белоктун түзүлүшүнө жараша болот. Ошол эле ЭРде протеиндин бүйрөлүшү пайда болот, анын натыйжасында адегенде экинчилик, андан кийин үчүнчү даражадагы структуралар пайда болот. Кээ бир ферменттердин синтези ушул этапта токтойт, бирок каталитикалык активдүүлүктү активдештирүү үчүн көбүнчө зарылкофермент жана кофактор кошуу.
Эндоплазмалык тордун айрым аймактарында ферменттин органикалык компоненттери: моносахариддер, нуклеиндик кислоталар, майлар, витаминдер жабышат. Кээ бир ферменттер коферментсиз иштей албайт.
Кофактор белоктун төртүнчүлүк структурасынын пайда болушунда чечүүчү роль ойнойт. Ферменттердин кээ бир функциялары белок домендик уюмга жеткенде гана жеткиликтүү болот. Ошондуктан, алар үчүн төртүнчү түзүлүштүн болушу абдан маанилүү, мында бир нече белок шарларынын ортосундагы байланыштыруучу звено металл иону болуп саналат.
Ферменттердин бир нече формалары
Бир эле реакцияны катализдөөчү, бирок кээ бир параметрлери боюнча бири-биринен айырмаланган бир нече ферменттерге ээ болуу зарыл болгон жагдайлар бар. Мисалы, бир фермент 20 градуста иштей алат, бирок 0 градуста мындан ары өз функцияларын аткара албайт. Төмөнкү чөйрө температурасында мындай кырдаалда тирүү организм эмне кылышы керек?
Бул маселе бир эле реакцияны катализдөөчү, бирок ар кандай шарттарда иштеген бир нече ферменттердин катышуусу менен оңой чечилет. Ферменттердин көп түрүнүн эки түрү бар:
- Изоферменттер. Мындай белоктор ар кандай гендер тарабынан коддолгон, ар кандай аминокислоталардан турат, бирок бир эле реакцияны катализдешет.
- Чыныгы көптүк формалары. Бул белоктор бир эле генден транскрипцияланат, бирок пептиддер рибосомаларда өзгөртүлгөн. Чыгуу бир эле ферменттин бир нече формасы.
БНатыйжада, көп формалардын биринчи түрү генетикалык деңгээлде түзүлсө, экинчи түрү пост-трансляциялык деңгээлде түзүлөт.
Ферменттердин мааниси
Ферменттердин медицинада колдонулушу жаңы дарыларды чыгарууга чейин кыскарган, анда заттар керектүү өлчөмдө бар. Окумуштуулар организмдеги жетишпеген ферменттердин синтезин стимулдаштыруунун жолун таба элек, бирок бүгүнкү күндө алардын жетишсиздигин убактылуу толуктай турган дарылар кеңири жеткиликтүү.
Клеткадагы ар кандай ферменттер жашоону камсыз кылуучу ар кандай реакцияларды катализдейт. Бул энизмдердин бири нуклеазалар тобунун өкүлдөрү: эндонуклеазалар жана экзонуклеазалар. Алардын милдети – клеткадагы нуклеиндик кислоталардын туруктуу деңгээлин кармап туруу, бузулган ДНК менен РНКны жок кылуу.
Кандын уюшу сыяктуу көрүнүштү унутпаңыз. Эффективдүү коргоо чарасы болгон бул процесс бир катар ферменттердин көзөмөлүндө. Негизгиси – активдүү эмес фибриноген белокту активдүү фибринге айландыруучу тромбин. Анын жиптери тамырдын бузулган жерин жаап, кандын ашыкча жоготуусунун алдын алган тармактын түрүн түзөт.
Ферменттер шарап жасоодо, пиво жасоодо, көптөгөн кычкыл сүт азыктарын алууда колдонулат. Ачыткыны глюкозадан спирт өндүрүү үчүн колдонсо болот, бирок бул процесстин ийгиликтүү өтүшү үчүн андан алынган экстракт жетиштүү.
Сиз билбеген кызыктуу фактылар
- Дененин бардык ферменттеринин чоң массасы бар - 5000ден1000000 Ооба. Бул молекулада белоктун болушу менен шартталган. Салыштыруу үчүн: глюкозанын молекулалык салмагы 180 Да, көмүр кычкыл газы болгону 44 Да.
- Бүгүнкү күнгө чейин ар кандай организмдердин клеткаларында табылган 2000ден ашык ферменттер табылган. Бирок, бул заттардын көбү толук түшүнүлө элек.
- Фермент активдүүлүгү эффективдүү кир жуучу каражаттарды өндүрүү үчүн колдонулат. Бул жерде ферменттер организмдегидей эле ролду аткарат: алар органикалык заттарды талкалайт жана бул касиет тактар менен күрөшүүгө жардам берет. Окшош кир жуугуч порошокту 50 градустан жогору эмес температурада колдонуу сунушталат, антпесе денатурация процесси болушу мүмкүн.
- Статистикага ылайык, дүйнө жүзү боюнча адамдардын 20%ы ферменттердин биринин жетишсиздигинен жабыркайт.
- Ферменттердин касиеттери абдан узак убакыттан бери белгилүү, бирок 1897-жылы гана адамдар ачыткы эмес, алардын клеткаларынан алынган экстракты кантты спиртке ачытууга болорун түшүнүштү.
