ФЕРМЕНТТЕР (ЭНЗИМДЕР)

Ферменттердің жалпы сипаттамасы

Ағза торшаларының тіршілік етуі, қызметі, оларда өтетін химиялық реакция өнімдерінің түзілуі жылдамдығына тәуелді процесс. Реакция жылдамдығы оларға әсер етуші заттар - катализаторларға тығыз байланысты. Катализатор реакцияға қатысып, оның жылдамдығын жо­ғары­латады және реакция соңында бастапқы қалпына келеді.

Ферменттер торшаларда синтезделіп, биохимиялық реакцияларға қа­тысатын белоктық табиғаттағы биокатализаторлар.

Энзимология — ферменттерді зерттейтін ғылым саласы. Ол басқа ғылымдар биология, генетика, фармакология, химиямен тығыз байланысты.

Фермент немесе энзим (лат. fermentum — ашу; en — ішінде, zim — ашытқы Ван Гельмонт, 19 ғ. ұсынған) алғашқыда ашыту процестерін­де анықталған зат.

Ферменттердің қызметі туралы алғашқы ғылыми еңбекті Кирхгофф (1814) жариялады. Кейін ашу процесі ашытқы торшаларында ғана өтеді деген ұйғарым жасаған Л. Пастерге (1871), Либих фермент­тер торшалардың өмір сүруіндегі пайда болған өнім ол торшада да, олардан бөлек те қызмет атқарады деген қарсы пікір білдірді. Либихтің ғылыми көзқарасы М. Манассейна (1871), Бухнер (1897) зерттеулерінде эксперимент жүзінде дәлелденді.

Торшаларда синтезделген ферменттер өзіне тән арнайы қызметте-

р­ін ағзаның барлық мүшелерінде атқарады. Олардың табиғаты белок екені Зеренсон (1909), И.П. Павлов — пепсинді зерттеуінде, А.М. Да­ни­лев­ский — ферментті (липазаны) талғамды бөліп алуы, Самер (1926) — уреазаны кристалл түрінде алғаш алуы, Нортроп (1930) — пепсин, трипсинді таза күйінде бөліп алуы еңбектері негізінде дәлелденді. Ферменттік қасиет, негізінен, глобулалық құры­лымдағы белоктарға тән екені белгілі болды. Бірақ, қазіргі кезде, кей­бір құрылымдық белоктар да (фибриллалық белоктар — актин, миозин) каталиттік активтілік көрсететіні байқалған.

Ферменттер белоктарға тән физика-химиялық қасиеттерді бай­қа­та­ды. Сондықтан олар кол­ло­идтық ерітінділер түзеді, молекулалық массасы 10000-нан, бір­неше млн далтон аралығында болады, ертінділері амфотерлік электролиттік қасиет көр­сетеді. Крис­таллдарының құрамында су молекуласы болады, ал толық сусыз­дан­ған фермент кристаллы каталиттік активтілігін жо­ғал­татыны бай­қал­ған. Кеңістікте ұйымдасқан құрылымдық конформациясы бой­ынша белоктық глобулалық және фибриллалық формаларды қайта­лайды. Сонымен бірге, ферменттердің өзіне тән кейбір қа­си­ет­те­ріне олардың термолабилділігі, әсер ету ерекшелігі, активтілігінің реттелуі жатқызылады.

Ферменттік реакция. Ферменттер өз әсерлерін микрогетерогендік (өте аз мөлшерде) катализаторға ұқсас жүргізеді. Фермент өзінің әсер етуші заты субстратпен (S) ферменттік реакция жүргенде фермент-субстрат комплексін (аралық зат) түзеді. Бұл комплекстің қызметі өте күрделі, ол субстрат пен фермент молекулаларының конформациялық өзгеруі, энергия өзгерістері және химиялық байланыстар өзгерулеріне әкеледі. Реакция өткеннен соң фермент-субстрат комплексі жаңа қалыпқа ауысып фермент-реакция өнімі комплексіне айналады. Содан кейін ол фермент және реакция өніміне (Р) жекеленіп бөлінеді

 

S + E → S·E → EP → E + P

 

Жай химиялық реакциялардан катализдік реакцияның айыр­ма­шы­лығы тәріздес бейорганикалық катализатор мен био­ката­ли­затордың да өзіндік ерекшеліктері болады.

Ферменттердің ка­та­ли­за­тор­лық ерекшелігіне келесі қа­си­ет­тері жатқызылады:

а) Фермент өздігінен жаңа ре­ак­ция жүргізбейді. Ол тек тер­модинамикалық мүмкін реакци­яны ғана жүргізеді. Реакция барысында активтелу энергиясы төмендейді. Графикте көрсетіл­гендей реак­ци­я­ның үлкен кедергі энергиясын сатылап бөліп төмендету және активтелу энергиясын жоғарлату арқылы реакция жылдамдығын жоғарлатады.

б) Фермент басталған реакцияның бағытын өз бетінше өзгерте алмайды. Ол бір ғана реакция өнімі түзілуі бағытында жұмыс істейді. Мысалы, глюкокиназа глюкозадан тек глюкоза-6-фосфат түзілуін жүргізеді.

в) Фермент қатысатын реакция қайтымды болса, ол реакцияны екі бағытта да жүргізе алады. Мысалы, көмірсулардың гликолиттік ыдырауына қатысатын фосфогексоизомераза, альдолаза, фосфоглицераткиназа, фосфоглицератлидаза және т.б.

г) Фермент реакцияға өте аз мөлшерде қатысады. Ферменттің бір молекуласы 1 минутта 1000-нан млн-ға дейін субстрат молекуласына әсер ете алады. Бұл көрсеткіш карбангидраза ферментінде 36 млн-ға дейін жетеді.

д) Фермент реакция өткеннен соң өзінің бастапқы қалпына қайта келеді. Сондықтан ол субстраттың жаңа молекуласына әсер етуге қашанда дайын болады.

е) Ферментативті реакцияның жоғарғы активтілігі оның реакцияны бей­ор­га­ни­калық катализаторлардан да жоғары жылдамдықта жүргізе алатын­дығы. Мысалы, белоктың аминоқышқылдарға дейінгі гидролиттік ыдырауын бейорганикалық катализатор (күшті қышқыл, сілті қатысуында) жоғары температурада (Т = 100° С) бірнеше сағатта жүргізсе ферменттер төменгі температурада (Т = 30—40° С) бірнеше минутта жүргізеді.

ж) Арнайы субстраттық ерекшелігінің өте жоғары дәрежелілігі. Фермент реакциялық қоспадан реакция өнімін беретін субстратты таң­дай алады және тек сонымен ғана реакцияға түседі.

з) Ферментативті реакцияны реттеуге болатындығы. Бұл фермент молекуласында болатын активті орталыққа, субстрат мөлшеріне, фермент мөлшеріне, ортаның факторларына (рН, Т, қысым) байланысты. Сондықтан торшаларда мыңдаған реакциялар белгілі бір ретпен және қажет­тілігіне сәйкес жүреді.

Ферменттердің құрылымдық ұйымы. Химиялық құрылысы бойынша ферменттер протеин (жай белоктар) және протеид (күрделі белоктар) болып бөлінеді. Фермент-протеиндердің активтілігі сол белоктың құрылымына байланысты. Фермент-протеидтердің активті­лігі белоксыз табиғаттағы топ — кофакторға тығыз байланысты. Күрделі құрылыстағы ферментті — фермент-протеид, қос компонентті немесе холофермент, ал оның белоктық бөлігін белоктық компонент, немесе феррон (алып жүруші), немесе апофермент және қосымша топты простетикалық топ, немесе агон (активті топ), немесе кофермент (кофактор) деп атайды. Простетикалық топтың ерекшелігі ол апоферментпен мықты байланысады және ажыратылмайды. Мысалы, цитохром С-дағы гемдік топ белокпен ковалентті байланысқан, кофермент апоферменттен жеңіл бөлінеді, бірнеше ферментке қызмет ете алады және өз бетінше де өмір сүре алады. Ол коваленттік байланысқан болады. Простетикалық топтарға және коферментке витаминдердің туындылары, нуклеотидтер және олардың туындылары, кейбір моносахаридтер­дің фосфорлық эфирлері, тетрапирролдар мен металл құрамды порфириндер, глутатион (пептидтер) жатқызылады.

Кофактор (кофермент) апоферменттің каталиттік активті конформа­циясы­ның (ү.р.қ. немесе т.р.қ.) тұрақты қалыптасуын камтамассыз етеді. Активті орталықтың құрамына кіріп, катализге тікелей қатысады, апо­ферменттің әсер ету ерекшелігіне ықпал етеді. Апофермент ферменттің өзіне тән субстраттық ерекшелігі мен жоғары каталиттік активтілігін қамтамассыз етеді. Сондықтан апофермент пен кофермент байланыспа­ған болса фермент өзінің каталиттік қызметін атқара алмайды.

Ферментте каталиттік қызметті кофермент атқарады. Оның әсері белоктық полипептидтік фрагменттің қатысуынсыз жүрмейді.

Коферменттердің қызметі олардың электрондарды аралық тасымалдауда, кейбір атомдар мен қызметік топтарды (—H; —NH₂; —CH₃ және т.б.) бір қосылыстан екіншіге ауыстыру болып табылады. Нәти­жесінде химиялық өзгерістер өтеді, жаңа өнім пайда болады.

Коферменттері-витаминдер (В₁, В₂, В₃, В₅, В₆, В₁₂, Н, В_с) немесе олардың туындылары (КоА, НАД, НАДФ, ФМН, ФАД) болатын ферменттер әртүрлі маңызды реакцияларды жүргізеді.

Пептидтердің коферменттік қасиеті олардың, мысалы, глутатион-SH (γ-глутамилцистеинилглицин) торшалардағы өтетін тотығу-тотық­сыздану процесстеріне қатысуымен байланысты.

Нуклеотидтер мен олардың, туындыларының (аденозиндік, гуанозиндік, уридиндік, цитидиндік) коферменттік қызметі АТФ-тың фос­фаттық қалдығы мен аденинді, фосфоаденозинфосфосульфаттың (ФАФС) — сулфаттық топты, S-аденозилметиониннің — метилдік топты, УДФ-тің — гликозилдік қалдық пен урон қышқылын, УДФ-тің — фосфохолинді тасымалдаушы заттары ретінде болуымен байқалады.

Металл иондарының коферменттік қызметі субтрат пен фермент арасында «көпір» тәріздес байланыс құруы арқылы және каталиттік қызметке тікелей қатысуы арқылы белгілі.

Сонымен бірге, кейбір моносахаридтердің фосфорлық эфирлері, липой қышқылдары және т. б. көптеген заттарда коферменттік қызметі атқаратындығы белгілі болды.

Бір ғана кофермент әртүрлі белоктарға байланысып әртүрлі реакцияларды катализдеуі мүмкін. Пиридоксальфосфат бір жағдайда трансаминденуді жүргізеді.

Бір компонентті ферменттердің (фермент-протеин) каталиттік қыз­меті құрылымында активтік каталиттік субстраттық, аллостерлік орта­лықтардың болуымен тығыз байланысты.

Активті орталық. Фермент мо­ле­ку­ла­сының полипептидтік тізбегі құ­ра­мын­дағы активті орталық белгілі бір ами­ноқыш­­қыл­дардың ерекше жи­нақтал­ған түр­лері. Активті орталықтың құра­мында негі­зінен серин, тирозин, гистидин, триптофан, аргинин, цистеин, аспарагин және глутамин қышқылда­ры кездеседі. Бұл аминоқышқылдар­дың радикалдары күрделі ферменттердегі кофермент тә­різдес қызмет атқа­рады. Фер­менттің активті орталығы бе­локтағы полипептид тіз­бегінің әр­түрлі бөліктерінде ор­на­лас­қан болады. Активті орталықтың құ­ра­луы белок молекуласының ү.р.қ. және т.р.қ., конформациялық деңгей­ле­ріне қалыптасқанында өтеді.

Радикалдардағы қызметші топтар кеңістікте қозғалып каталиттік процесс өтетін орынға молекуланы глобус формасына айналдырып жиналады. Катализ жүруі үшін қызметші топтар қатаң түрде субстрат молекуласының реакция жүретін бөлігіндегі топтарына сәйкес келуі қажет. Әртүрлі факторлар әсерінен болатын үшінші және төртінші конформациялық дең­гейлердің өзгеруі активті орталықтың өзгеруіне, сондықтан каталиттік активліктің өзгеруіне әкеледі.

Активті орталық қызметі әртүрлі екі бөлімнен тұрады: жанастыру­шы (якорлық) және каталиттік орталықтар.

Жанастырушы орталық. Жанастырушы орталық деп фермент молекуласындағы каталиттік ре­акцияға түсетін затты (субстратты) байланыстыруға жауап беретін бөлім.

Субстраттың фермент молекуласына бекітіліп орналасуы жанасу арқылы жүреді. Жанасатын бөлімдегі аминоқышқылдар радикалдары фрагментін «якорлық алаң» деп айтады. Жанастырушы орталықтың ами­ноқышқылдық құрам әр фермент үшін әртүрлі екендігі байқалады. Субстраттың жанастырушы орталыққа бекітілуі ферменттік реакция түріне байланысты әртүрлі аралықта орналасқан аминоқышқылдармен атқарылады. Бекіту процессі лизин қалдығындағы екінші амин тобы, немесе глутамин қышқылындағы екінші карбоксил тобы, немесе цистеин қалдығындағы сульфгидрилдік топтардың әсерлесуі арқылы өте­тіні анықталған. Жанастырушы орталықтың маңызды қызметіне оның субстраттың молекуласын ферментке мықты бекітуі және оның құра­мындағы реакцияға қатысатын топтарды активті орталыққа қатаң түр­де тура әкелуі жатқызылады. Жанастырушы орталық фермент-суб­страт комплексінің қалыптасуын қамтамассыз етеді және катализдің жүруіне жағдай жасайды.

Каталиттік орталық. Активті орталықтың каталиттік бөлімінде суб­страттың химиялық өзгерісі өтеді, реакция өнімі түзіледі. Каталиттік орталықтың қызметі химиялық құрылысына байланысты әртүрлі. Бір компонентті ферменттерде олар полипептидтік тізбектегі сол орталық­қа жиналған аминоқышқылдар радикалдарының қызметші топтарына байланысты, қос компонетті ферменттерде бұл кофакторға, оның таби­ғатына байланысты жүреді.

Қызметші топтар мен кофактор ферменттік реакциялардың түрлері мен реакция өнімдерін айқындайды.

Активті орталықтың қызметін жүйкеден қозу процессін бұлшықетке беруде маңызды роль атқаратын зат ацетилхолинді ыдыратушы холин­эстераза ферментінің реакциясының механизмінен байқауға болады.

Холинэстеразаның активті орталығында серин, гистидин, тирозин және глутамин қышқылы болатыны анықталған.

Фермент-субстраттық комплекс ферменттегі глутамин қышқылы радикалындағы теріс зарядқа иондалған карбоксил тобы мен ацетилхолиндегі (субстрат) оң зарядтағы азот атомы арасындағы электрлік әсерлесу арқылы қалыптасады. Пайда болған комплексте серин ради­калындағы (кофермент, КоА) сульфгидрилдік топ

ацетилхолиннің карбонилдік тобымен әсер­леседі. Сонан кейін ацетилхолиндегі эфирлік байланыстағы оттегімен тирозин радикалының гидроксилдік топтары арасында әсерлесу өтеді. Сол себепті, ацетилхолин молекуласындағы карбонилдік топ пен эфир­лік оттегі арасындағы байланыс әлсізденеді. Соның нәтижесінде ацетилхолин молекуласы активтеніп кедергілік энергиясы (Е_к) төмендей­ді. Ары қарай гистидин радикалындағы оң зарядталған азот (N⁺) сериндегі сульфгидрилдік топтың протонын өзіне тартады. Бұл серин мен сірке қышқылы қалдығының арасында мықты байланыс түзілуіне жағдай жасап, ол тирозиннен бөлінген протонның холин қалдығына ауысуына әкеледі. Нәтижесінде ацетилхолин молекуласы екіге бөліне­ді. Судағы сутегі мен гидроксил топтары арқылы ферменттің активті орталығы қайта қалпына келеді. Фермент-субстрат комплексі бір бірі­нен ажырайды.

Ферментердің жоғары каталиттік қабілеті қамтамассыз етіледі:

— ферменттер субстраттарды өзіне тартып, оларды активті орта­лыққа реакция өтетін орынға ыңғайлы бағыттап байланыстырады;

— ферменттегі қышқылдық, сілтілік топтар протонның субстратқа жеңіл ауысуына ыңғайлы орналасады;

— фермент молекуласындағы белгілі бір топтар субстратпен коваленті байланысып оның реакцияға қабілетті құрылысқа өтуіне жағдай жасайды;

— фермент субстрат молекуласында энергетикалық өзгерістерді өт­кізіп химиялық реакцияны жүргізеді.

Аллостерлік орталық. Фермент молекуласы әдетте активсіз күйде болады. Торша ішінде кездесетін кез келген кіші молекулалы заттар (витаминдер және олардың туындылары, металл иондары және т. б.) фермент молекуласының белгілі бір бөлігіне әсер еткенде ол активтелінеді. Активтендіруші заттарды аллостерлік эффектор, ал олар әсер ететін белоктағы полипептидтік бөлім аллостерлік орталық деп аталады. Аллостерлік орталық белоктың каталиттік қызмет атқара алатын ү.р.қ. және т.р.қ. денгейлері қалыптасуын қамтамассыз етеді.

Аллостерлік орталыққа әсер ететін заттарды екі топқа бөледі —активаторлар және ингибиторлар.

Активаторлар әсер еткенде белок молекуласы активті қалыпқа келеді. Ингибиторлар әсер етсе оның активтілігі тежеледі. Бұл процесс фермент активтілігінің реттелуінде маңызды роль атқарады. Қандайда бір затты активаторға немесе ингибиторға қатаң түрде жатқызуға болмайды. Активатор ретінде болған зат ингибитор ретінде де әсер ете алады, олар тек белгілі бір информацияны ғана бере алуы мүмкін. Ал қай кезде активті немесе пассивті формада болу фермент молекуласы­ның ішкі құрылымдық механизмдеріне байланысты болуы мүмкін.

Активті-, жанастырушы-, аллостерлік орталықтар фермент молеку­ласының белгілі бір бөлімдері екендігі, шын мәнінде, шартты түрде қабылданған ұғымдар. Ферменттегі активті орталық, жанастырушы орталыққа сәйкес келуі де мүмкін. Немесе, аллостерлік орталықсыз да фермент активтілігі басқа факторлар арқылы да (құрылымдық деңгей­інің өзгеруі, субстраттың жанастырушы орталыққа өздігінен байланысуы, қоршаған орта әсерлері) реттелуі мүмкін.

Фермент пен субстрат әсерлесуі олардың молекулалық құрылы­сының жалпы сәйкестілігіне (жалпы комплементарлылығына) тәуелді болады. Субстрат пен активті орталықтың аталған қасиетке бағынуы олардың әсерлесуін қамтамассыз ете алады.

 

Ферменттердің суббірліктік құрылымының ерекшеліктері.

Полиферменттер және изоферменттер.

Фермент молекуласының кеңістіктегі өлшемдері әртүрлі және субстратпен салыстырғанда үлкен болады. Көптеген ферменттер моле­кулалық массасы өте үлкен бірнеше суббірліктерден тұратын белок-мультиэнзимдерден (полифермент) құралған болады. Мысалы, глутаматдегидрогеназа молекуласы алты суббірліктен (әрбірінің м. м. = 12 кДа), тұрады, ал олардың өздері ферменттің толық молекуласы (м. м. = 1млн Да) төрт фрагменттен (әрбірі м. м. = 250 кДа) құралған. Уреаза ферменті сегіз суббірліктен (әрбірінің м. м. = 60 кДа) тұрады. Суб­бірліктердің (протомер) мультимерлердегі (мультиэнзим) бір бірімен байланысуы әртүрлі.

Полифермент молекуласы екі түр­лі бір бірінен ү.р.қ. немесе т.р.қ. ғана кейбір кішкене өзгерістері бар А типті және Б типті суббірліктен құрасты­рылған.

Суббірліктерге диссоциациялану фермент активтілігімен бірге әсер ету ерекшеліктерін де тежеуі мүмкін. Бұл жағдайда бір суббірлік аллостерлік реттегіш ретінде келесі суббірлікке әсер етеді. Суббірліктердің фермент­тік әсерлері бір біріне жегілген тәріз­дес өтеді деп қабылданған. Сондықтан реакцияның энергиялық тиімсіз стадиясы келесі суббірліктен бөлінген энергияға жегілген болады. Торшаларда өтетін ферментативтік реакциялар көптеген ферменттердің (әртүрлі) бірлесіп әсер етуі арқылы өтеді. Бұл жүйелерді бірнеше ферменттерден тұратын комплекс деп қарастыруға болады. Пирожүзім қышкылының дегидрогеназасы әр­түрлі коферменттермен (тиаминпирофосфат, ФАД, липой қышқылы, НАД, КоА) байланысқан үш белок-ферменттен тұратын полифермент­тік комплекс (м.м. ≈ 4,500 кДа). Полиферменттік комплекстер торша мембранасы немесе органелласымен байланысқан болады. Сондықтан, тыныс алу тізбегі жүйесінің ферменттерінің (олар сутегі мен электрон­ды субстраттан оттегіге тасымалдайды) бір бөлігі митохондрияның ішкі мембранасында орналасқан болады. Ферменттердің орналасуы реті белгілі тәртіп бойынша реакцияның жүру және кезектесу бағыты бойынша орналасады. Тотығу-тотықсыздану реакцияларының, ҮКҚ циклі ферменттері-митохондрияда, белок биосинтезі ферменттері-рибосома мен гиалоплазмазада (АҚ активтеуші), нуклеин қышқылы ферменттері-ядрода шоғырланған болады.

Полиферменттік жүйелердің ұйымдасуы. Ферменттік ката­лиздің заттардың өзгертуімен өтетін биохимиялық реакциялар жиынын бір процесс ретінде өткізеді. Торшаның, ұлпалардың мүшелердің ағза­ның өмір сүріне қажетті заттарды осы жолдармен қамтамассыз етеді.

Полиферменттік жүйелердің құрылысы келесі жолдармен құралады:

— 1. қызметтік құрылым бойынша ұйымдасқан. Бұл жағдайда әртүрлі типтегі фер­менттер катализдік процесстің жүру барысында ерітіндіде бір бөлікте болады;

— 2. құрылымдық ұқсастығы бойынша ұйымдасқан. Ұқсас құрылым­дағы белоктар бір бірімен өзара әсерлесіп ферменттердің құрылымдық жүйесін құрайды;

— 3. аралас типті құрылымдар бойынша ұйымдасқан. Екі типтегі құ­рылым (А және Б типтері) әртүрлі комбинацияларда құралады.

Полиферменттік жүйеде алғашқы фермент катализдеген реакция өнімі келесі фермент үшін субстрат болады. Бұл процесс полифермент жүйесіндегі әрбір фермент толық әсерлесуі өткенше жалғасады.

Изоферменттер (изоэнзим, изозим) — мультимердегі А және Б типтегі суббірліктердің әртүрлі комбинациясының нәтижесінде пайда болған изомерлер. Мысалы, А және Б типтегі протомерден 5 изомер (АААА; АААБ; ААББ; АБББ; ББББ) алуға болады.

Қазіргі кезде сүт қышқылының (лактат) пирожүзім қышқылына айналуына немесе кері бағытта катализдейтін лактатдегидрогеназа ферменті жақсы зерттелген. Лактатдегидрогеназа әртүрлі гендермен код­талған Н (ағылш. heart — жүрек) және М (ағылш. muscle — бұлшық ет) типтеріндегі жүрек пен бұлшықеттерде басым болатын суббірлік­терден құралған. ЛДГ₁ — (НННН), ЛДГ₂ — (НННМ), ЛДГ₃ — (ННММ), ЛДГ₄ — (НМММ), ЛДГ₅ — (ММММ) изомерлері физико-химиялық қа­сиеттері бойынша (м. м., электрофореттік қозғалысы, изоэлектрлік нүктесі, аминоқышқылдық құрамы мен кезектесуі реті, ұлпаларда, мүшелерде шоғырлануы) ерекшеленеді. Мысалы, ЛДГ₁, ЛДГ₂ — анодқа жылжиды (анодтық фракция) аэробтық процесстерге қатысады, ЛДГ₄, ЛДГ₅ — катодқа жылжиды (катодтық фракция) анаэробтық процесстерге қатысады. ЛДГ₁, ЛДГ₂ — жүрек бұлшықеті, бүйректе, мида және эритроциттерде басым болса, ЛДГ₄, ЛДГ₅ — қаңқа бұлшық еттері, бауыр, өкпеде, ЛДГ₃ — көк бауырда кейбір эндокриндік бердерде кездеседі.

Иммобилденген ферменттер. Соңғы кездері медицина, фармация салаларында жасанды иммобилденген ферменттер кең қолданылады. Ферменттерді әртүрлі матери­алдарға (полиакриламид, шыны, силастик, полистерол) бекітіп иммобилдеу (байланыстыру) арқылы ерімейтін жасанды катализатор жасағанда ферменттер активтілігін сақтап, сонымен бірге, олардың әсерінің ұзақ­тығын, мықтылығын, тұрақтылығын арттырады. Бұл технология қазіргі кезде өндірісте, тұрмыста кең қолданылуда.

Әртүрлі субторшалы құрылымдардың ферменттік құрамы. Ферменттер торшада және оның органеллаларында атқаратын қыз­меті, реакциясына сәйкес түрде жинақталғаны себепті компартменттерге бөлінеді, ол жалпы түрде компартментализация деп аталады.

Ферменттердің компартменттігі келесі түрде беріледі:

— торшаның ядросының ферменттері: НАД-пирофосфорилаза, ДНК-полимераза, РНК-полимераза, оротидилатпирофосфорилаза, ури­динкиназа, 5'-нуклеотидаза, УДФ-глюкозопирофосфорилаза, гликолиз ферменттері, аминоқышқылдарды активтеуші ферменттер, аминоқыш­қылдар трансферазасы, аденозиндезаминаза, лейцинаминопептидаза, уроканиназа. Барлығы 13 фермент.

— ядро қабығының ферменттері: цитохромоксидаза, глутаматдегидрогеназа, НАД·Н-цитохром-с-редуктаза, арилсульфатаза А және Б, АТФ-аза (Mg²⁺), ацетилэстераза, метилбутириназа. Барлығы 8 фермент.

— митохондрия ферменттері: АТФ-аза (Mg²⁺, Na⁺, K⁺, Ca²⁺), сукцинатдегидрогеназа, цитохромоксидаза, β-оксибутиратдегидрогеназа, α-глицерофосфатдегидрогеназа, ацил-КоА-β-дегидрогеназа, НАД·Н-дегидрогеназа, май қышқылын тотықтырушы ферменттер, май қыш­қылдарын синтездеуші ферменттер, Кребс циклінің 5 ферменті, миокиназа, моноаминоксидаза, α-кетоглутаратдегидрогеназа, сукцинатцитохром–С-редуктаза, аспартатаминотрансфераза, орнитинкарбомоилтрансфераза, НАД·Н-цитохром-В₅-редуктаза, НАД·Н-оксидаза, пируватдегидрогеназа, пролиноксидаза, липоамиддегидрогеназа, кинуренингироксилаза, аденилаткиназа, нуклеозиддифосфокиназа. Барлығы 28 фермент.

— лизосома ферменттері: барлығы 35 фермент — катепсиндер, коллагеназалар, β-галактозидазалар, β-глюкоуронидазалар, гиалурони­даза, лизоцим, нейраминидазалар, ДНК-аза және РНК-аза, қышқылдық фосфатаза, фосфолипазалар, қышқылдық пирофосфотаза және қыш­қылдық АТФ-аза.

— пероксисома ферменттері: каталаза, пероксидаза, уратоксидаза, D-, L- аминоқышқылдарының оксидазалары.

— эндоплазмалық ретикулум ферменттері: НАД·Н-цитохром-с-ре­дуктаза, глюкозо-6-фосфатаза, нуклеотидтерінің дифосфатазасы, сілті­лік фосфатаза, 5'-нуклеотидаза. Барлығы 20 фермент.

— гиалоплазма ферменттері: гликолиз ферменттері, аденозиндезаминаза, гексозодифосфатаза, лактатдегидрогеназа, изоцитратдегидрогеназа, глутатионредуктаза, аспартатаминотрансфераза, аланинамино­трансфераза, глюкокиназа, глюконфосфорилаза, альдолаза, аконитаза. Барлығы 18 фермент.

Ферменттерді бөліп алу.Ұлпаларда ферменттер өте аз мөлшерде кездеседі. Ферменттерді бөліп алу үшін әртүрлі әдістерді қолданады. Көптеген ферменттерді адам мен жануарлардың асқорыту сөлдерінен алады (ол ферменттердің концентратты сулы ерттіндісі). Ұлпаларды суықта ыдырату (ұсақтау, кварц, құмдарымен үйкелеу, гомогендеу) арқылы экстракциялап (спирт, тұзды ерітінді және т.б.) ферменттерді бөледі. Адсорбция (Данилевский) тәсілі, ионалмасу хроматографиясы, центрифугалау, электрофорез әдістерін кең қолданады.

Фермент активтілігін анықтау. Бөліп алынған ферменттердің тазалығы оның активтілігі арқылы бағаланады. Егер фермент активтілігі ары қарай тазартқанда өзгермейтін болса, оны гомогенді таза фермент ретінде қабылдайды. Ферменттерді биологиялық материалдардан бөліп алу қиындық туғызады. Сондықтан ферменттің сандық мөлшерін оның субстратқа әсер еткендегі активтілігі арқылы жанама түрде анықтайды.

Химиялық реакцияның жылдамдығы фермент активтілігіне тығыз байланысты немесе тәуелді болады. Сол себептен ферменттің сандық мөлшерін екі түрлі жолмен келесі тендеулер арқылы анықтауға болады:

1. Фермент әсер ететін субстраттың, белгілі бір сандық мөлшерінің белгілі бір уақытта азаюы арқылы;

K = ΔS / Δt,

K — реакция жылдымдығының тұрақтысы, ΔS — субстрат мөлшері, Δt — уақыт өлшемі.

2. Реакция өнімінің мөлшерінің белгілі бір уақыт өлшемінде көбеюі арқылы

K = ΔP / Δt,

ΔP — реакция өнімі.

Бұл екеуі де абсолютті теңдей шамалар. Себебі неше субстрат ре­акцияға түссе сонша реакция өнімі түзіледі (массалардың сақталу заңы бойынша). Сондықтан кезкелгенін пайдалануға болады.

Фермент активтілігіне бірнеше факторлар әсер етеді. Оларды жалпы түрде үш топқа бөледі:

1. Торшадағы фермент мөлшерлері немесе оның биосинтезінің дең­гейіне тәуелділік;

2. Ферментативті реакциялардың жылдамдығына әсер етуші фак­торларға қатысты тәуелділік — субстраттың бар болуы, апофермент конформациясына әсер етуші активатор, ингибитор, кофакторлардың, денатурлаушы әсерлердің, температура, гидратация, рН, электролит­тердің болғандығы;

3. Ферменттердің шоғырлануы, мембрана өткізгіштігі, субстраттың фермент әсеріне ыңғайлылығы, реакция өнімдерінің әкетілу жылдам­дығына байланысты тәуелділік.

Фермент активтілігінің өлшем бірлігі. Халықаралық био­хи­мия­лық одақтың ферменттер бойынша комиссиясы 1962 ж. ферменттер мөлшерінің мәндерінің шамаларын көрсететін жалпы ережені ұсынды. Бұл ереже бойынша ферменттердің өзіндік активтілігі (Е) ретінде оның (Т = 25° С) 1 минутта субстраттың 1 микромолін катализдеуге (немесе 1 микромоль реакция өніміне айналуы) кеткен мәні алынады.

1 ХБ = 1 мкмоль/мин

ХБ — халықаралық бірлік (орыс тілінде МЕ-международная единица).

Сонымен бірге СИ жүйесінде фермент активтілігін — катал бірлігі бойынша өлшеу қабылданған. Катал бұл 1 моль субстратты (немесе 1 моль реакция өнімі түзілуін) 1 секундта катализдеуге кеткен фермент активтілігінің мәні

1 катал = 1 моль/с

Клиникалық биохимиялық зерттеулерде фермент активтілігіне әсер ететін биологиялық сұйықтықтың көлеміне (V) қатысты каталдың литрге қатынасы (катал/литр) алынады.

Фермент активтілігін анықтаудың қазіргі заманғы әдістеріне спектрофотометрлік, флюориметрлік, полярографикалық, колориметрлік және т. б. тәсілдер жатқызылады.

Ферменттердің әсер ету механизмдері.

Ферменттік катализдің теориялық негіздері.

Ферменттер басқа да катализаторлар (бейорганикалық) тәрізді тер­модинамикалық тұрғыдан жүруі мүмкін емес реакцияны жүргізбейді. Тек, жүре алатын реакцияның жылдамдығын ғана жоғарлатады. Кез келген химиялық реакцияның жүру мүмкіндігі оның реакция өнімдер­інің энергиясының реакцияласушы заттардың энергиясынан төмен немесе бірдей болғанында ғана өтеді. Реакция қашанда бос энергияның төмендеуі бағытына қарай жүреді, сондықтан реакция тепе-теңдігі өнімдер түзілуіне сәйкес ығысады. Бірақ, кез келген реакция басталуы үшін оның кедергі энергиясын, активтеуші энергияны қосу арқылы жеңуі қажет. Себебі реакция жүргенде кедергі энергиясының энергия­лық қоры артық аздаған молекулалар ғана әсерлеседі. Бұл жағдайда реакция жылдамдығы да баяу болады.

Реакцияласушы заттардың көптеген молекулалары бір бірімен не­ғұрлым жиірек әсерлесетін болса ғана жылдамдық жоғарлауы мүмкін. Ол тек активтеуші энергия көмегімен активтелген молекулалар мөл­шерінің көбеюі нәтижесінде бола алады.

Екі заттың реакциясын байқағанда

АВ + CD ↔ AD + BC

реакция өнімдері (AD, BC) түзілуі үшін АВ және CD әсерлесуіне қажет а-ға тең (активтендіруші энергия) энергияны қосымша алуы қажет. Ал реакция кері бағытта жүре­тін болуы үшін б-ға тең шамадағы көп мөлшерде энергия қажет. Сол себепті кері бағытта жүретін реакцияның активтендіру­ші энергиясы (Е_а) жоғары болады. Бұл жағ­дайда екі реакция үшін де бірдей өзгеретін бос энергияның шамасын в-кесіндісі көрсетеді. Солдан оңға қарай өтетін реакция экзотермиялық, ал кері бағыттағы реакция эндотермиялық болады. Сондықтан реакцияларды эндергоникалық (энергияны қабылдап жүретін реакция) және экзергоникалық (энергия бөліп жүретін реакция) реакцияларға бөледі. Реакция жүргенде энергияның жылу түрінде бөлінуі немесе қосып алуы міндетті емес.

Реакция жылдамдығының жоғарлауы катализатордың Е_а-ны (кедері энергиясын) төмендетуі арқылы өтеді. Ол суретте үзікті сызықпен көрсетілген. Мысалы, сутегі асқын тотығын (Н₂О₂) сутегі мен оттегіге бөлу үшін (Н₂О₂ → Н₂↑ + О₂↑) Е_а = 75,2 кДж/моль қажет. Коллоидтық пласты катализатор ретінде қолданғанда Е_а = 50,2 кДж/моль, ал биокатализатор каталаза қатысқанда Е_а = 8,3 кДж/моль қажет болады.

Биокатализатор-ферменттің жылдамдығын жоғарлатуы немесе Е_а-ны төмендеуі көп этапты механизм арқылы іске асады.

Сур. 6. Фермент пен субстраттың әсерлесу механизмі (Михаэлис-Ментен).

Ферментативті реакцияның жүруін жалпы түрде үш этапқа бөледі.

немесе фермент + субстрат ↔ фермент-субстраттық комплекс →
→ өнім + фермент.

Бұл реакция теңдеуінде (Михаэлис-Ментен теңдеуі) шешуші рольді фермент пен субстраттың қосылуынан түзілген фермент-суб­страттық комплекс атқарады. Ферменттің әсерлесу спецификасына тәуелді өтетін бұл қосылыс белгілі бір байланыстардың әлсізденіп бір мезгілде субстрат активтелінуі мен реакцияласушы қабілетінің жоғар­лауына әкеледі. Фермент-субстраттық комплексте бір мезгілде екі процесс өтеді: алғашқыда, комплекстің электрондар тығыздығының өзгеруі нәтижесінде ондағы байланыстардың полярлануы және соңынан субстрат молекуласындағы және активтік орталықтағы кейбір байланыс­тардың геометриялық деформациясы. Мо­ле­ку­ла­лар­да­ғы химиялық байланыстардың деформациясы мен полярлануы фермент-субстрат комлексінің аралық қалпындағы кедергіні (активтеуші энергияны (Е_а)) жеңуді қамтамассыз етеді. Ферментативтік катализдің бірінші этапында фермент пен субстраттың бір бірмен ковалентті немесе басқа түрлі байланысуы өтеді. Екінші этапта субстрат оған байланысқан ферменттің әсерінен химиялық өзгерістерге түседі. Соның нәтижесінде фермент-өнім комплексі пайда болады. Үшінші этапта фермент-өнім комплексі бөлініп фермент және өнімге ажыратылады. (Осы тараудағы активтік, жанастырушы, аллостерлік оралықтар тақырыбын қараңыз).

Қысқа уақытта «өмір сүріп», жылдам арада құрам бөліктеріне ажырайтын фермент-субстрат комплексі туралы түсінік 1913 ж. Михаэлис пен оның шәкірті Ментеннің ферментативті реакциялардың кинетикасына анализ жасауы нәтижесінде дамытылды және кейін Михаэлис-Ментен теориясы деп аталды. Бұл теория бойынша жоғарыда келтірілген схема ферментаттік процесстің үдеуі, энергетикалық тұрғыдан, реакцияның кедергі энергиясын тұрақсыз фермент-субстрат комплексі түзілуі көмегімен «айналып» өтуі арқылы іске асады. Комплекстің түзілуінде және ыдырауында аралық реакциялардың энергиясын негізгі реакцияға қараған­да төмендеу кедергілік энергияда болады.

Қайтымды реакция жүргенде ферментпен (Е) субстрат (S) (реакциялар жылдамдығы тұрақтысы k₁ және k₂) комплекс (ES) түзеді. Комплекс (ES) фермент пен өнімге реакция жылдамдығы тұрақтысы k_S бойынша ыдырайды. Комплекс (ES) диссоциациалануы мүмкін бол­ғандықтан оның диссоциация тұрақтысы (k_S = k₂ / k₁) теңдеуі бойынша есептеледі. Егер комплекстің диссоциация тұрақтысы жоғары болса қайтымды реакцияның k₂-сінің мәні де жоғары, ал k₁ мәні төмен болады. Сондықтан комплекс алғашқы қосылыстарға жеңіл бөлінеді де реакция баяу жүреді. Егер, керісінше k₁ мәні жоғары болса, k_S пен k₂ мәңдері төмен сол себепті кері бағыттағы реакцияның жүруі бәсеңдей­ді, диссоциация төмендейді, ал ферменттік реакция тікелей бағытта жылдам жүреді.

Массалардың әсерлесу заңы бойынша теңдеуді келесі түрде жазуға болады:

[S] · ([E₀] − [ES]) = k_S · [E·S]

[E₀] — реакция басталардағы ферменттің жалпы концентрациясы, [ES] — фермент-субстрат комплексі концентрациясы. [E₀] − [ES] — бастапқы фермент концентрациясынан фермент-субстрат комплексі концентрациясын алғандағы фермент концентрациясы.

Теңдеуді ары қарай ықшамдағанда, келесі түрге келеді:

.

Келтірілген теңдеуге сәйкес, егер [ES] концентрациясы неғұрлым көп болса ферменттік реакция жылдамдығы да жоғары болады. Ал, жылдамдық максимумы тек [ES] концентрациясы фермент концентрациясына теңескенде ғана немесе [ES] = [E₀] барлық фермент фермент-субстрат қосылысына түзілгенде жетеді. Реакция жылдамдығының максимумдық жылдамдыққа қатынасы келесі түрде беріледі:

Бұл теңдеуді жоғарыда келтірілген теңдеумен қосып ықшамдап келесі өрнекті алуға болады:

немесе

Теңдеу Михаэлис-Ментен теңдеуі деп аталады.

Теңдеудің шешімі келесі жағдай­ды түсіндіре алады. Егер [S] мәні K_S-ке қарағанда үлкен болса (сахарозаны β-фруктофуранозидазамен гидролиздегенде K_S = 0,0167 М) реакция жыл­дамдығы жылдамдық максимуміне тең болады (v = v_max).

Михаэлис-Ментен реакция жыл­дам­дылығы мен субстрат концентрациясы арасындағы тәуелділікті β-фруктофуранозидаза әсерінен сахароза, глюкоза, фруктоза ыдырауларын (сур.7) график түрінде көрсетті. Суреттегі қисық сызық бойынша реакция алғашқыда нольдік ретте жүрсе, соңынан бірінші ретпен жүретіндігі байқалады.

Соның негізінде ферменттік реакцияның толық жалпы жылдам­дығын келесі теңдеу арқылы есептеуге болады.

v = K_m · [ES], K_m — Михаэлис тұрақтысы (K_m = K₃ / K₄).

Михаэлис тұрақтысының өлшем бірлігі моль/л тең. Егер реакция жыл­дамдығы жылдамдық максимумының жартысына тең болса (v = ½v_max) Михаэлис тұрақтысы субстрат концентрациясына тең болады (K_m = [S]). Михаэлис тұрақтысы (K_m) қашанда диссоциация тұрақтысынан (K_S) бірнеше есе жоғары болады (мысалы, алкогольдегидрогеназаның K_S = 10⁻⁷ моль/л, ал K_m = 10^-3 моль/л). Сондықтан, ферментативті реакциялардың жылдамдығы басқа реакцияларға қарағанда өте жоғары, себебі, көптеген заттар үшін K_S = 10^-2—10^-7 аралығында болады. Михаэлис-Ментен теңдеуін ары қарай Лайнуивер мен Берк, Холдейн-Бриггс дамытты.

Ферменттердің әсерлесуінің ерекшеліктері. Ферменттердің бей­органикалық катализаторлардан өзгешелігі олардың өте нәзік маман­дандырылған әсер ету ерекшелігіне қабілеттілігі. Олар қатаң түрде белгілі бір реакцияларды катализдейді. Тек осы қасиеті арқылы ғана жекеленген ферменттік реакциялардың бір бірмен тығыз байланысты болуы және қатаң түрде реттеліп жүруі сақталады. Бұл тірі торшалар мен ағзалардың өмір сүруі үшін қажетті, заттар алмасуларына қажетті әртүрлі биохимиялық реакциялардың бірігуі болып табылады.

Ферменттік реакция жүруі үшін фермент субстратқа әсер етуі қажет. Бұл тек фермент молекула­сындағы активті орталықтың құры­лымына жанасу, каталиттік орталықтың, ғана емес сонымен бірге субстраттың да химиялық құрылысының ерекше­ліктеріне байланысты болады. Фермент пен субстрат бір біріне сәйкес келуі қажет, немесе фермент өзі әсер ететін субстратты танып біледі. Бұл үшін фермент құрылымындағы жанастырушы орталықтың қызметі ерекше. Жанастырушы орталықтың көмегімен реакцияласушы зат-фер­мент-субстрат комплексі түзіледі.

Қазіргі кезде фермент пен суб­страттың әсерлесу ерекшелігінің механизміне екі гипотеза (Фишер және Кошленд) ұсынылған.

Фишердің гипотезасы бойынша, фермент өзі әсер ететін субстратқа кілттің құлыпқа сәйкес келуіндей жанасады. Әртүрлі гликозидтерді ферменттермен гидролиздеуді зерттеген жұмысында Э.Фишер «…хи­миялық әсерлесу атқарылуы үшін энзим мен глюкозид бірі біріне кілттің құрыпқа келгеніндей дәл келуі қажет» деп жазған.

Ол фермент геометриялық және химиялық тұрғыдан өте қатаң, тұрақты құрылымда болады деп қабылдаған. Бұл құрылымның сәл де болса өзгеруі кілттің өзгеруі тәрізді құлыпқа сәйкес келмей қалады.

Соңғы кездері қатаң немесе тұрақты мықты құрылымға қарама қарсы майысқақ, созылмалы құрылым туралы гипотеза (американдық ғалым Д.Кошленд) ұсынылды.

Кошленд гипотезасы бойынша, фермент молекуласының конформациясы жане оның активтік орталығы коэнзим мен субстрат әсерле­суіне байланысты өзгереді. Суретте жоғарғы бөлікте, субстрат молекуласына сәйкес бейімделіп фермент конформациясы өзгереді, активті орталықтағы қызметші топтар да сәйкестеніп жанасады. Сондықтан реакция өтеді.

Төменгі бөлікте, субстраттың геометриялық өлшемдері өте кіші болғандықтан ферменттің қызмет­ші топтары сәйкес келмегендіктен реакция жүрмейді. Кошленд гипотезасы бойынша фермент конфор­мациясының өзгеруіне байланысты, оның физика-химиялық қасиет­терінің де өзгеретіні эксперимент жүзінде бірнеше рет дәлелденді. Бауырдың алкогольдегидрогеназасы температура әсерінен жылдам денатурланады және инактивтеледі. Ал оның НАД⁺ немесе НАД·Н-пен, немесе олардың бәсекелесі (конкуренті) изомай қышқылының амиді (ИМҚА)-мен комплексі, немесе НАД·Н-ИМҚА комплексі белгілі жағдайда қыздырғанда денатурацияны тежейтіндігі байқалған. Бұл жұмыстар г.Теорель зерттеулерінде дәлелденді. Аталған қасиеттер химотрипсин ферментінде де байқалады.

Субстраттық әсерлесу ерекшеліктері. Субстраттық (талғамдылық) әсерлесу ерекшелігі — бұл фермент молекуласының бір субстратқа немесе химиялық байланыстары мен топтары ұқсас бірнеше субстраттар топтарына әсері етуі қабілеті. Ферменттердің субстраттық әсерлесу ерекшелігі (талғамдылығы) оның активті орталығының субстратпен комплементарлы болып келуіне тәуелді болады. Субстраттық талғамдылықты шартты түрде үш түрге бөледі:

1. Абсолюттік субстраттық әсерлесу ерекшелігі (талғамдылық) -бұл ферметтің тек белгілі бір ғана субстратқа әсер ету қабілеті. Мысалы, уреаза ферменті тек мочевинаның гидролиттік ыдырау реакциясын катализдейді, ал ұқсас құрылыстағы метилмочевинаға әсер етпейді:

Глюкокиназа ферменті гликолиттік ыдырау реакциясында тек глю­козаға әсер етеді.

2. Субстраттық стереохимиялық әсерлесу ерекшелігі (талғамдылық) — бұл фер­мент­тің тек бір ғана оптикалық (D немесе L), немесе, геометриялық (цис-, немесе тране-) изомерге әсер ету қабілеті. Мысалы, протеолиттік ферменттердің тек L-аминқышқылдардан түзілген пептидтерге әсер етуі немесе L-аминооксидаза мен D-аминооксидазаның әсер етуі, лактат­дегидро­геназаның тек L-сүт қышқылына әсер етіп, D-сүт қыш­қылына әсер етпеуі жатқызылады.

3. Субстраттық салыстырмалы әсерлесу ерекшелігі (талғамдылық) - бұл фер­мент­тің белгілі бір типтегі химиялық байланысы бар субстраттар топтарына әсер ету қабілеті. Мысалы, асқазан-ішек трактісі (АІТ) протеиназа­ларының әртүрлі белоктардың пептидтік байланыстарын ыдыратуы. Пепсин ферменті тирозин мен фенилаланиннің амин топтарымен тү­зілген пептидтік байланыстың үзілуін катализдейді. Жылу қанды жа­нуарлардың асқазанының шырынынан алынған (шошқа, бұқа, қой) пепсиндерінің әсерлері ұқсас, ал балық пепсині біршама өзгешелеу ерекшелік көрсететіні байқалған. Трипсин ферментінің ароматты ами­ноқышқыл­дармен түзілген пептидтік байланыстарды үзуі (карбоксилдік топтары жақын орналасқан).

Кейбір оксиредуктазалар электрон акцепторы ретінде екі кофакторды да НАД⁺, НАДФ⁺ қолданады. Бірақ, сүтқоректілердің май қыш­қылдарын немесе стероидтардың синтезін катализдейтін оксиредуктазалары тотықсыздандырғыш ретінде НАДФ·Н-ты, гликолиз, май қыш­қылдарының тотығуын катализдейтін немесе ыдырату процесс­теріне қатысатын ферменттер тотықтырғыш ретінде НАД⁺-ті жиірек қолдана­тыны байқалған.

Ферменттік әсерлесу ерекшелігі. Фер­мент­тер­дің әсеріндегі талғамдылығы — бұл бір субстратқа әртүрлі фер­мент­тер­дің әсер етіп әртүрлі тек өзіне ғана тән реакцияларды катализдеуге қабілеттілігі.

 

E1, E2, E3 — ферменттер P1, P2, P3 — өнімдер S — субстрат

 

Ферменттер (Е₁, Е₂, Е₃) тек өздеріне ғана тән әсерлесу талғамдылығына қабі­летті және олар бір ғана субстратқа (S) әсер етеді. Бірақ әрбір фермент тек бір ғана типтегі реакцияны жүртізеді. Бұл талғамдылықтың ерекшелігі фермент молекуласының каталиттік орталығындағы реакцияласушы топтардың қасиетіне (жай ферменттерде) және кофакторлардың химиялық қасиеттеріне (күрделі ферменттер) тығыз байланыстылы­ғында.

 

Ферменттік реакциялардың реттелуі.

Тірі ағзаларда өтетін биохимиялық ферменттік реакциялардың реттелуі қоршаған орта факторларына тәуелді өтеді. Бұл ағзалардың қоршаған ортаның климаттық жағдайларына байланысты бейімделуінің (адаптация) негізіне жатады. Бірақ, бұл бейімделуге барлық ферменттер емес тек реттелуші ферменттер ғана ықпал ете алады. Себебі бұл фермент­тердің активтілігі ортаның әртүрлі факторларына (рН, Т, қысым, [S] және т.б.) тәуелді болады. Ферменттердің бұл қасиеті биосфераның тип­терінің жер шарының климаттық белдеулеріне сәйкес таралып орналасуына, биологиялық типтердің эволюциялық өзгерістеріне әкеліп, жа­ңа күшті түрлердің пайда болуына ықпал етеді. Реттелуші ферменттер реакциялардың реттелу жолдарының механизмдері мен принциптері­нің негізгі объектілері болып табылады.

Ферменттік реакциялардың реттелуінің жалпы принциптері. Кез келген ағзалар (бір торшалы немесе көп торшалы) эволюция процессінде қалыптасқан қоршаған ортаның әсеріне бейімделген өзіне ғана тән зат алмасуларымен сипатталады. Өзіне тән алмасуы сол ағза­ның генетикалық табиғатына байланысты түзілетін ма­ман­дан­дырыл­ған фер­менттер жиынының қасиеттерімен сипатталады. Тірі ағзалар­дың керемет қасиеттеріне оның қоршаған орта өзгерулеріне сәйкес заттар алмасуларын өздігінен реттеу қабілеті жатады. Өздігінен реттелуді үш жолмен — субстраттар мөлшері, ферменттер мөлшері (фермент синтезін реттеу), фермент активтілігін реттеу арқылы атқарылады және олардың шоғырлануына (локализация) байланыс­ты болады.

Торшаларда өтетін биохимиялық реакциялардың реттелуі әртүрлі атқарылады. Соның ішінде субстрат пен фермент қатысуындағы реак­циялардың реттелуі келесі жолдар субстрат мөлшері, фермент мөл­шері және фермент активтілігін реттеу арқылы іске асады.

Субстраттың сандық мөлшері арқылы реттелу. Бұл кез келген ферменттік биохимиялық реакция жылдамдығы сол реакцияға қатысатын заттардың мөлшерлеріне байланыстылығын көрсетеді. Реакция жылдамдығы фермент активтілігінің шамасына тең және суб­страттың сандық мөлшері мен реакция жылдамдығы арасында тығыз тәуелділік бар.

Бұл тәуелдікті график түрінде бей­нелейтін болсақ, алғашқыда реакция жылдамдығының белгілі бір субстрат концентрациясына дейін жоғарлауын (а-кесіңдісі) байқаймыз. Ары қарай жылдамдық өсуі тежеліп бір қалыпты өтеді (b-кесіңдісі) реакция соңында төмендейді.

Реакцияласушы қоспада, бастапқы жағдайда субстрат мөлшері өте жоғары болады. Сондықтан бос фермент молекуласына келетін субстрат көп болады және олардың «соқ­тығысу дәрежесі» өте жоғары. Осы жағдайдың себебінен реакция жылдамдығы күрт жоғарлайды. Белгілі бір уақыттан кейін жылдам­дықтың үдеуі төмендеп белгілі бір деңгейде өтеді. Бұл реакцияласушы қоспадағы фермент пен субстрат мөлшерлерінің қатынасы бір біріне шамалас болғандығын байқатады (қоспадағы ішкі және сыртқы факторлар әсерін есепке алмағанда). Реакция соңында субстрат мөлшері­нің азаюы фермент активтілігі сақталса да реакция жылдамдығының төмендеуіне әкеледі.

Тірі торшалардан субстраттардың сандық мөлшері көптеген фак­тор­ларға тәуелді. Бұл шексіз шамада болмайды, торшаның сол немесе басқа субстрат үшін болатын белгілі бір физиологиялық диапазонына тікелей байланысты болады.

Көптеген биохимиялық реакциялар торша цитоплазмасында жүрсе, кейбірі митохондрияда, ал бір бөлігі рибосома мен ядрода өтеді. Сон­дықтан, реакция жүретін орындарға субстраттың әкеліну жылдамдығы оның сандық мөлшерін айқындайды. Ал, бұл жағдай торша органеллаларын қоршап тұратын мембрананың субстрат үшін өткізгіштік қаси­етіне тығыз байланысты.

Кейбір реакциялар үшін субстрат басқа реакцияның өнімі болып табылады. Ал оның мөлшері сол реакцияның жүру жылдамдығына тәуелді. Сондықтан бұл реакциялардағы субстраттың сандық мөлшері субстрат болатын өнімнің синтезделу жылдамдығына тығыз байланыс­ты. Көптеген ферменттер үшін бір ғана субстрат реагент бола алады. Бұл белгілі бір реакция үшін субстрат мөлшерінің азаюына әкелуі мүмкін. Себебі бұл субстратқа әсер ететін басқада ферменттердің де болып субстратқа таласуынан туындайды. Нәтижесінде субстраттың сан­дық мөлшері бәсекелес (конкурентті) реакциялардың жүруі барысына тәу­елді болады.

Ферменттің сандық мөлшері арқылы реттелу. Субсреакциялардың жүруі барысына тәу­елді болады.

Ферменттің сандық мөлшері арқылы реттелу. Субстрат мөлше­рі тәріздес ферменттің сандық мөлшері мен ферменттік реакция­ның жылдамдығы арасында сызықты тәуелділіктің болатыны бай­қалады.

Физиологиялық диапазонда фермент­тің сандық мөлшері оның келесі маңыз­ды көрсеткішіне тәуелді. Бұл фермент­тің синтезделу жылдамдығы мен оның интенсивті ыдырауының арақатынасы ар­қылы анықталады. Өз кезегінде фермент синтезінің жылдамдығы индукция мен репрессия (басу, тежеу) процесстеріне тығыз байланысты (фермент биосинтезі тақырыбын қараңыз).

Фермент молекуласының ыдырауы ұлпалық протеиназалардың әсерінен атқарылады. Бұл аутолиз процессі нәтижесінде өтеді және ол лизосомаларда интенсивті жүреді.

Ферменттердің биосинтезінің реттелуі. Тірі торшаларда ферменттердің түзілуі энзимологияның маңызды проблемарының біріне жатады. Ұлпаларда белоктардың тұрақты түрде жаңалануы (Р.Шёнгеймер изотоптық әдіс арқылы зерттеген) жүреді. Бұл процесстің жылдамдығы ұлпаның жасына, физиологиялық қалпы­на, қасиетіне байланысты. Мамандандырылған ұлпаларда, мысалы, асқорыту бездерінде асқорыту трактісіне бөлінетін тағамдық белок-ферменттердің синтезі күшті жүреді. Ферменттер синтезі жас, өсіп келе жатқан ұлпаларда, дамушы өскіндерде (жануарлар мен өсімдіктің мен микроағзалардың дамушы спораларына ұқсас), интенсивті өтеді.

Ағзада түзілетін ферменттер жиыны, табиғаты оның генетикалық факторлары бойынша айқындалады. Соңғы кездердегі биохимия мен биохимиялық генетиканың эксперименттерінің нәтижелері оны толық дәлелдейді. Классикалық мысал ретінде Neurospora crassa — сақырау­құлағындағы триптофансинтетаза ферментінің түзілуін келтіруге болады. Бұл саңырауқұлақтың кәдімгі штаммы жасанды ортада жасанды өсіргенде олардың ішінде кейбір споралардың тек триптофанды сол ортаға қосқанда ғана өсетіндігі байқалған. Бұл жағдай спораның бұл штамында, триптофан синтездейдін ферменттің жоқ болуы мүмкін екенін білдіреді. Ал генетикалық анализ нәтижесі, Мендельдің заңдарына сәйкес, триптофан қажеттілігі тұқым қуалаушылық жолдары бойынша керектігін көрсетеді. Осылай болғанмен де пайда болu