Ферменттерді жалпы сипаттамасы. Аза торшаларыны тіршілік етуі, ызметі, оларда тетін химиялы реакция німдеріні тзілуі
Аза торшаларыны тіршілік етуі, ызметі, оларда тетін химиялы реакция німдеріні тзілуі жылдамдыына туелді процесс. Реакция жылдамдыы олара сер етуші заттар - катализаторлара тыыз байланысты. Катализатор реакцияа атысып, оны жылдамдыын жоарылатады жне реакция соында бастапы алпына келеді.
Ферменттер торшаларда синтезделіп, биохимиялы реакциялара атысатын белокты табиаттаы биокатализаторлар.
Энзимология — ферменттерді зерттейтін ылым саласы. Ол баса ылымдар биология, генетика, фармакология, химиямен тыыз байланысты.
Фермент немесе энзим (лат. fermentum — ашу; en — ішінде, zim — ашыты Ван Гельмонт, 19 . сынан) алашыда ашыту процестерінде аныталан зат.
Ферменттерді ызметі туралы алашы ылыми ебекті Кирхгофф (1814) жариялады. Кейін ашу процесі ашыты торшаларында ана теді деген йарым жасаан Л. Пастерге (1871), Либих ферменттер торшаларды мір сруіндегі пайда болан нім ол торшада да, олардан блек те ызмет атарады деген арсы пікір білдірді. Либихті ылыми кзарасы М. Манассейна (1871), Бухнер (1897) зерттеулерінде эксперимент жзінде длелденді.
Торшаларда синтезделген ферменттер зіне тн арнайы ызметте-
рін азаны барлы мшелерінде атарады. Оларды табиаты белок екені Зеренсон (1909), И.П. Павлов — пепсинді зерттеуінде, А.М. Данилевский — ферментті (липазаны) таламды бліп алуы, Самер (1926) — уреазаны кристалл трінде алаш алуы, Нортроп (1930) — пепсин, трипсинді таза кйінде бліп алуы ебектері негізінде длелденді. Ферменттік асиет, негізінен, глобулалы рылымдаы белоктара тн екені белгілі болды. Біра, азіргі кезде, кейбір рылымды белоктар да (фибриллалы белоктар — актин, миозин) каталиттік активтілік крсететіні байалан.
Ферменттер белоктара тн физика-химиялы асиеттерді байатады. Сондытан олар коллоидты ерітінділер тзеді, молекулалы массасы 10000-нан, бірнеше млн далтон аралыында болады, ертінділері амфотерлік электролиттік асиет крсетеді. Кристаллдарыны рамында су молекуласы болады, ал толы сусызданан фермент кристаллы каталиттік активтілігін жоалтатыны байалан. Кеістікте йымдасан рылымды конформациясы бойынша белокты глобулалы жне фибриллалы формаларды айталайды. Сонымен бірге, ферменттерді зіне тн кейбір асиеттеріне оларды термолабилділігі, сер ету ерекшелігі, активтілігіні реттелуі жатызылады.
Ферменттік реакция. Ферменттер з серлерін микрогетерогендік (те аз млшерде) катализатора сас жргізеді. Фермент зіні сер етуші заты субстратпен (S) ферменттік реакция жргенде фермент-субстрат комплексін (аралы зат) тзеді. Бл комплексті ызметі те крделі, ол субстрат пен фермент молекулаларыны конформациялы згеруі, энергия згерістері жне химиялы байланыстар згерулеріне келеді. Реакция ткеннен со фермент-субстрат комплексі жаа алыпа ауысып фермент-реакция німі комплексіне айналады. Содан кейін ол фермент жне реакция німіне (Р) жекеленіп блінеді
S + E S·E EP E + P
Жай химиялы реакциялардан катализдік реакцияны айырмашылыы тріздес бейорганикалы катализатор мен биокатализаторды да зіндік ерекшеліктері болады.
Ферменттерді катализаторлы ерекшелігіне келесі асиеттері жатызылады:
а) Фермент здігінен жаа реакция жргізбейді. Ол тек термодинамикалы ммкін реакцияны ана жргізеді. Реакция барысында активтелу энергиясы тмендейді. Графикте крсетілгендей реакцияны лкен кедергі энергиясын сатылап бліп тмендету жне активтелу энергиясын жоарлату арылы реакция жылдамдыын жоарлатады.
б) Фермент басталан реакцияны баытын з бетінше згерте алмайды. Ол бір ана реакция німі тзілуі баытында жмыс істейді. Мысалы, глюкокиназа глюкозадан тек глюкоза-6-фосфат тзілуін жргізеді.
в) Фермент атысатын реакция айтымды болса, ол реакцияны екі баытта да жргізе алады. Мысалы, кмірсуларды гликолиттік ыдырауына атысатын фосфогексоизомераза, альдолаза, фосфоглицераткиназа, фосфоглицератлидаза жне т.б.
г) Фермент реакцияа те аз млшерде атысады. Ферментті бір молекуласы 1 минутта 1000-нан млн-а дейін субстрат молекуласына сер ете алады. Бл крсеткіш карбангидраза ферментінде 36 млн-а дейін жетеді.
д) Фермент реакция ткеннен со зіні бастапы алпына айта келеді. Сондытан ол субстратты жаа молекуласына сер етуге ашанда дайын болады.
е) Ферментативті реакцияны жоары активтілігі оны реакцияны бейорганикалы катализаторлардан да жоары жылдамдыта жргізе алатындыы. Мысалы, белокты аминоышылдара дейінгі гидролиттік ыдырауын бейорганикалы катализатор (кшті ышыл, сілті атысуында) жоары температурада (Т = 100° С) бірнеше саатта жргізсе ферменттер тменгі температурада (Т = 30—40° С) бірнеше минутта жргізеді.
ж) Арнайы субстратты ерекшелігіні те жоары дрежелілігі. Фермент реакциялы оспадан реакция німін беретін субстратты тадай алады жне тек сонымен ана реакцияа тседі.
з) Ферментативті реакцияны реттеуге болатындыы. Бл фермент молекуласында болатын активті орталыа, субстрат млшеріне, фермент млшеріне, ортаны факторларына (рН, Т, ысым) байланысты. Сондытан торшаларда мыдаан реакциялар белгілі бір ретпен жне ажеттілігіне сйкес жреді.
Ферменттерді рылымды йымы. Химиялы рылысы бойынша ферменттер протеин (жай белоктар) жне протеид (крделі белоктар) болып блінеді. Фермент-протеиндерді активтілігі сол белокты рылымына байланысты. Фермент-протеидтерді активтілігі белоксыз табиаттаы топ — кофактора тыыз байланысты. Крделі рылыстаы ферментті — фермент-протеид, ос компонентті немесе холофермент, ал оны белокты блігін белокты компонент, немесе феррон (алып жруші), немесе апофермент жне осымша топты простетикалы топ, немесе агон (активті топ), немесе кофермент (кофактор) деп атайды. Простетикалы топты ерекшелігі ол апоферментпен мыты байланысады жне ажыратылмайды. Мысалы, цитохром С-даы гемдік топ белокпен ковалентті байланысан, кофермент апоферменттен жеіл блінеді, бірнеше ферментке ызмет ете алады жне з бетінше де мір сре алады. Ол коваленттік байланысан болады. Простетикалы топтара жне коферментке витаминдерді туындылары, нуклеотидтер жне оларды туындылары, кейбір моносахаридтерді фосфорлы эфирлері, тетрапирролдар мен металл рамды порфириндер, глутатион (пептидтер) жатызылады.
Кофактор (кофермент) апоферментті каталиттік активті конформациясыны (.р.. немесе т.р..) траты алыптасуын камтамассыз етеді. Активті орталыты рамына кіріп, катализге тікелей атысады, апоферментті сер ету ерекшелігіне ыпал етеді. Апофермент ферментті зіне тн субстратты ерекшелігі мен жоары каталиттік активтілігін амтамассыз етеді. Сондытан апофермент пен кофермент байланыспаан болса фермент зіні каталиттік ызметін атара алмайды.
Ферментте каталиттік ызметті кофермент атарады. Оны сері белокты полипептидтік фрагментті атысуынсыз жрмейді.
Коферменттерді ызметі оларды электрондарды аралы тасымалдауда, кейбір атомдар мен ызметік топтарды (—H; —NH2; —CH3 жне т.б.) бір осылыстан екіншіге ауыстыру болып табылады. Нтижесінде химиялы згерістер теді, жаа нім пайда болады.
Коферменттері-витаминдер (В1, В2, В3, В5, В6, В12, Н, Вс) немесе оларды туындылары (КоА, НАД, НАДФ, ФМН, ФАД) болатын ферменттер ртрлі маызды реакцияларды жргізеді.
Пептидтерді коферменттік асиеті оларды, мысалы, глутатион-SH (-глутамилцистеинилглицин) торшалардаы тетін тотыу-тотысыздану процесстеріне атысуымен байланысты.
Нуклеотидтер мен оларды, туындыларыны (аденозиндік, гуанозиндік, уридиндік, цитидиндік) коферменттік ызметі АТФ-ты фосфатты алдыы мен аденинді, фосфоаденозинфосфосульфатты (ФАФС) — сулфатты топты, S-аденозилметионинні — метилдік топты, УДФ-ті — гликозилдік алды пен урон ышылын, УДФ-ті — фосфохолинді тасымалдаушы заттары ретінде болуымен байалады.
Металл иондарыны коферменттік ызметі субтрат пен фермент арасында «кпір» тріздес байланыс руы арылы жне каталиттік ызметке тікелей атысуы арылы белгілі.
Сонымен бірге, кейбір моносахаридтерді фосфорлы эфирлері, липой ышылдары жне т. б. кптеген заттарда коферменттік ызметі атаратындыы белгілі болды.
Бір ана кофермент ртрлі белоктара байланысып ртрлі реакцияларды катализдеуі ммкін. Пиридоксальфосфат бір жадайда трансаминденуді жргізеді.
Бір компонентті ферменттерді (фермент-протеин) каталиттік ызметі рылымында активтік каталиттік субстратты, аллостерлік орталытарды болуымен тыыз байланысты.
Активті орталы. Фермент молекуласыны полипептидтік тізбегі рамындаы активті орталы белгілі бір аминоышылдарды ерекше жинаталан трлері. Активті орталыты рамында негізінен серин, тирозин, гистидин, триптофан, аргинин, цистеин, аспарагин жне глутамин ышылдары кездеседі. Бл аминоышылдарды радикалдары крделі ферменттердегі кофермент тріздес ызмет атарады. Ферментті активті орталыы белоктаы полипептид тізбегіні ртрлі бліктерінде орналасан болады. Активті орталыты ралуы белок молекуласыны .р.. жне т.р.., конформациялы дегейлеріне алыптасанында теді.
Радикалдардаы ызметші топтар кеістікте озалып каталиттік процесс тетін орына молекуланы глобус формасына айналдырып жиналады. Катализ жруі шін ызметші топтар ата трде субстрат молекуласыны реакция жретін блігіндегі топтарына сйкес келуі ажет. ртрлі факторлар серінен болатын шінші жне тртінші конформациялы дегейлерді згеруі активті орталыты згеруіне, сондытан каталиттік активлікті згеруіне келеді.
Активті орталы ызметі ртрлі екі блімнен трады: жанастырушы (якорлы) жне каталиттік орталытар.
Жанастырушы орталы. Жанастырушы орталы деп фермент молекуласындаы каталиттік реакцияа тсетін затты (субстратты) байланыстыруа жауап беретін блім.
Субстратты фермент молекуласына бекітіліп орналасуы жанасу арылы жреді. Жанасатын блімдегі аминоышылдар радикалдары фрагментін «якорлы ала» деп айтады. Жанастырушы орталыты аминоышылды рам р фермент шін ртрлі екендігі байалады. Субстратты жанастырушы орталыа бекітілуі ферменттік реакция тріне байланысты ртрлі аралыта орналасан аминоышылдармен атарылады. Бекіту процессі лизин алдыындаы екінші амин тобы, немесе глутамин ышылындаы екінші карбоксил тобы, немесе цистеин алдыындаы сульфгидрилдік топтарды серлесуі арылы тетіні аныталан. Жанастырушы орталыты маызды ызметіне оны субстратты молекуласын ферментке мыты бекітуі жне оны рамындаы реакцияа атысатын топтарды активті орталыа ата трде тура келуі жатызылады. Жанастырушы орталы фермент-субстрат комплексіні алыптасуын амтамассыз етеді жне катализді жруіне жадай жасайды.
Каталиттік орталы. Активті орталыты каталиттік блімінде субстратты химиялы згерісі теді, реакция німі тзіледі. Каталиттік орталыты ызметі химиялы рылысына байланысты ртрлі. Бір компонентті ферменттерде олар полипептидтік тізбектегі сол орталыа жиналан аминоышылдар радикалдарыны ызметші топтарына байланысты, ос компонетті ферменттерде бл кофактора, оны табиатына байланысты жреді.
ызметші топтар мен кофактор ферменттік реакцияларды трлері мен реакция німдерін айындайды.
Активті орталыты ызметін жйкеден озу процессін блшыетке беруде маызды роль атаратын зат ацетилхолинді ыдыратушы холинэстераза ферментіні реакциясыны механизмінен байауа болады.
Холинэстеразаны активті орталыында серин, гистидин, тирозин жне глутамин ышылы болатыны аныталан.
Фермент-субстратты комплекс ферменттегі глутамин ышылы радикалындаы теріс заряда иондалан карбоксил тобы мен ацетилхолиндегі (субстрат) о зарядтаы азот атомы арасындаы электрлік серлесу арылы алыптасады. Пайда болан комплексте серин радикалындаы (кофермент, КоА) сульфгидрилдік топ
ацетилхолинні карбонилдік тобымен серлеседі. Сонан кейін ацетилхолиндегі эфирлік байланыстаы оттегімен тирозин радикалыны гидроксилдік топтары арасында серлесу теді. Сол себепті, ацетилхолин молекуласындаы карбонилдік топ пен эфирлік оттегі арасындаы байланыс лсізденеді. Соны нтижесінде ацетилхолин молекуласы активтеніп кедергілік энергиясы (Ек) тмендейді. Ары арай гистидин радикалындаы о зарядталан азот (N+) сериндегі сульфгидрилдік топты протонын зіне тартады. Бл серин мен сірке ышылы алдыыны арасында мыты байланыс тзілуіне жадай жасап, ол тирозиннен блінген протонны холин алдыына ауысуына келеді. Нтижесінде ацетилхолин молекуласы екіге блінеді. Судаы сутегі мен гидроксил топтары арылы ферментті активті орталыы айта алпына келеді. Фермент-субстрат комплексі бір бірінен ажырайды.
Ферментерді жоары каталиттік абілеті амтамассыз етіледі:
— ферменттер субстраттарды зіне тартып, оларды активті орталыа реакция тетін орына ыайлы баыттап байланыстырады;
— ферменттегі ышылды, сілтілік топтар протонны субстрата жеіл ауысуына ыайлы орналасады;
— фермент молекуласындаы белгілі бір топтар субстратпен коваленті байланысып оны реакцияа абілетті рылыса туіне жадай жасайды;
— фермент субстрат молекуласында энергетикалы згерістерді ткізіп химиялы реакцияны жргізеді.
Аллостерлік орталы. Фермент молекуласы детте активсіз кйде болады. Торша ішінде кездесетін кез келген кіші молекулалы заттар (витаминдер жне оларды туындылары, металл иондары жне т. б.) фермент молекуласыны белгілі бір блігіне сер еткенде ол активтелінеді. Активтендіруші заттарды аллостерлік эффектор, ал олар сер ететін белоктаы полипептидтік блім аллостерлік орталы деп аталады. Аллостерлік орталы белокты каталиттік ызмет атара алатын .р.. жне т.р.. денгейлері алыптасуын амтамассыз етеді.
Аллостерлік орталыа сер ететін заттарды екі топа бледі —активаторлар жне ингибиторлар.
Активаторлар сер еткенде белок молекуласы активті алыпа келеді. Ингибиторлар сер етсе оны активтілігі тежеледі. Бл процесс фермент активтілігіні реттелуінде маызды роль атарады. андайда бір затты активатора немесе ингибитора ата трде жатызуа болмайды. Активатор ретінде болан зат ингибитор ретінде де сер ете алады, олар тек белгілі бір информацияны ана бере алуы ммкін. Ал ай кезде активті немесе пассивті формада болу фермент молекуласыны ішкі рылымды механизмдеріне байланысты болуы ммкін.
Активті-, жанастырушы-, аллостерлік орталытар фермент молекуласыны белгілі бір блімдері екендігі, шын мнінде, шартты трде абылданан ымдар. Ферменттегі активті орталы, жанастырушы орталыа сйкес келуі де ммкін. Немесе, аллостерлік орталысыз да фермент активтілігі баса факторлар арылы да (рылымды дегейіні згеруі, субстратты жанастырушы орталыа здігінен байланысуы, оршаан орта серлері) реттелуі ммкін.
Фермент пен субстрат серлесуі оларды молекулалы рылысыны жалпы сйкестілігіне (жалпы комплементарлылыына) туелді болады. Субстрат пен активті орталыты аталан асиетке баынуы оларды серлесуін амтамассыз ете алады.