Ферменттер

Тақырыбы 1: ФЕРМЕНТТЕР ЖӘНЕ ОЛАРДЫҢ  МАҢЫЗЫ              

Ферменттер  – бұл биологиялық катализаторлар, организмдегі химиялық реакциялардың  жылдамдығын тездететін белоктық заттар. Организмде химиялық реакцияларды жылдамдату – ферменттердің қызметі табиғатта  ферменттер барлық организмдердің  барлық клеткаларынла қызмет атқарады. Ферменттер тіршілік процесінің негіщзі болып табылады. Сондықтан клетканың атқаратын қызметінің механизмін, клеткадағы зат алмасудың негізін түсіну үшін ферменттерді, атап айтқанда, олардың құрфылымын, қасиеттірін, ерекшелігін, әсер ету механизмін, активті орталығының құрамын және ферменттерге байланысты өзге де мәселелерді жан-жақты білу қажет.            

Тірі  клеткада зат алмасу процесі үздіксіз жүріп жатады. Зат алмасу процесі  дегеніміз белгілі бір тәртіппен  кезектесіп келіп отыратын әр түрлі  химиялық реакциялардың жиынтығы. Мұндай реакциялар клеткадан тыс жерде (in vitro) өте қиындықпен және мейлінше баяу жүреді. Тірі клеткада бұл реакциялардың  жүрісін ферменттер тездетеді. Ферменттер – жануарлардың, өсімдіктер мен  микроорганизмдердің клеткалары жасап  шығаратын биологиялық катализаторлар.             

Ферментация деген термин латынның сөзі fermentatio –  ашу процесін көрсетеді, нәтижесінде  газ бөліп шығатын. Энзим гректің  сөзінен шыққан, ашытқыш деген  ұғымды білдіреді.            

Ферменттер  туралы ғылымның негізін қалаушылар М.М.Манассеина (1871), Бухнер (1897) және т.б. пікірінше белоктардың қарында  пептонға ыдырауы XVIII ғасырдың орта кезінен  белгілі болған.            

Петербург ғылымы К.С.Кирхгоф 1814 жылы өскен арпаның  экстракциясы крахмалды мальтозаға айналдыратынын дәлелдеді.            

Ферменттер  деп бүкіл жануарлар, өсімдіктер, микроорганизмдердің клеткалары мен  тканьдарының құрамына кіріп биологиялық  катализаторлардың ролін атқаратын  спецификалық белоктарды айтады. Ферменттердің  арқасында заттар ыдырайды, олардан  клеткаға керекті полиметрлер түзіледі, бірақ та бұл процестерге энергия  аз жұмсалады. Микробтар да сан жағынан  да, сапа жағынан да күрделі ферменттердің  саны 700 шейін жетеді.

Тақырыбы 2: ФЕРМЕНТТЕРДІҢ ӘСЕР ЕТУ МЕХАНИЗМІ                  

ЖӘНЕ  ТАЛҒАУШЫЛЫҚ ҚАСИЕТТЕРІ              

Қазіргі кезде 2000-нан астам ферменттердің  әсері зерттелген. Оның ішінде 200-ге жуығы крсталл түрінде алынған. Олардың бәрі де белоктар болып табылады.             

Ферменттер  молекулаларының құрылысына қарай 2 топқа бөлінеді: 1) тек қана белоктардан  тұратын бір компонентті ферменттер; 2) молекулаларының құрамына белоктан басқа активтік немесе простетикалық  топ деп аталатын белоксыз заттар кіретін екі компонентті ферменттер.             

Бір компонентті  ферменттерде амин қышқылдарының бүйірлік радикалдары активтік орталық ролін  атқарады. Белок – фермент молекуласының II және III деңгейлі құрылымы жасалған кезде, бүйірлік радикалдар өзара жақындасады  да, активтік орталығын құрады. Мысалы, панкреатикалық рибонуклеазаның активтік орталығына гистидин-16-ның, лизин-41-дің  және гистидин-119-дың радикалдары  кіреді. Активтік орталықтың осы компоненттерінің кеңістіктік жақындасуын күрделендіре түсетін амин қышқылдары да ферменттер үшін маңызды роль атқарады. Белок –фермент молекуласының құрамынан басқа амин қышқылдарын ферменттің активтік қасиетіне нұқсан келтірмей де ажыратып алуға болады.            

Екі компонентті  ферменттердегі активті топ металл немесе кіші молекулалы органикалық  зат болып табылады. Табиғаты органикалық  активті топтар екі типке бөлінеді:             

1) коферменттер: олар ферменттің белокты бөлігімен  берік байланысады. Оксидоредуктазаның  құрамындағы флавинадениндинуклеотид  (FAD) осындай коферментке мысал  бола алады;            

2) косубстраттар:  олар ферменттің белокты бөлігімен  нашар байланысқан, сондықтан  олар ферметтәң бір молекуласынан  екінші молекуласына өте алады.  Косубстратқа оксидоредуктазаның  құрамындағы никотинамидадениндинуклеотид (NAD⁺)  мысал бола алады.            

Fe, Co, Cu, Mn металдары ферменттердің активті  топтарында белокпен берік байланысқан,  ал K, Ca, Mg, Zn, Cl сияқты басқа элементтер - әлсіз байланысқан, олар өздерінің  қатысуы арқылы көбінесе ферментті активтендіре түседі.            

Химиялық  реакциялардың жылдамдығы реакцияға  түсетін молекулалардың соқтығысу  жиілігіне байланысты. Ал соқтығысу  жиілігі молекулалардың концентрациясы мен ортаның температурасына  байланысты. 

ақырыбы 3: ФЕРМЕНТТЕРДІҢ КОФАКТОРЛАРЫ МЕН КОФЕРМЕНТТЕРІ              

Фермент – бұл биохимиялық реакциялар кезінде каталитикалық активтігін көрсететін белоктар. Ферменттер химиялық құрамы жағынан – қарапайым белоктар немесе күрделі белоктар. Қарапайым  белоктар гидролиз кезінде амин-қышқылдарына ғана ажырап бөлінеді. Мысалы, рибонуклеаза, пепсин, трипсин, химотрипсин деген  ферменттер – қарапайым белоктар.             

Ферменттердің көбі – күрделі белоктар. Олар екі  бөліктен құрылады: белоктық және белоктық емес. Үрделі ферменттің белоктық бөлігі апофермент деп аталады. Апофермент кофакторсыз активті болмайды. Екі бөліктен құрылған фермент – простетикалық топпен байланысқан белок холофермент деп аталады. Мысалы, каталаза сутектің асқын тотығының ыдырауын катализдейді, бұл фермент екі бөліктен құрылған: апофермент (белоктық бөлігі) және феррипротопорфирин деген кофактор.            

Ферменттердің кофакторлары ретінде металл иондары  немесе органикалық заттар болуы  мүмкін. Кейбір ферменттер активті  болу үшін екі түрлі кофактор –  металл ионы мен органикалық қосылыстар (кофермент) құрамында болу керек. Кофактор температураның әсеріне төзімді  келеді, ал ферменттің белоктық бөлігінің  молекуласы температураның әсерінен өзгереді.             

Кофактор  мен белоктық бөлігі әр түрлі байланыс арқылы байланысады. Кейбір ферменттер кофактормен әлсіз байланысады, ондадиализ арқылы кофакторды белоктық бөлігінен бөлуге болады. Кейбір ферменттерде кофактор белоктық бөлігімен өте  мықты байланысады. Фермент денатурацияланғанда  ғана бөлініп кетеді. Мысалы, супероксиддисмутаза деген ферменттің активті молекуласына екі түрлі металл ионы кіреді: Cu²⁺ және Zn²⁺. Ферменттің кеңістік құрылымы бұзылғанда ғана металл иондары белоктық бөлігінен ажырап кетеді.            

Химиялық  құрамына байланысты кофакторларды 5 топқа  бөлуге болады, олардың 4 тобы – коферменттер, 1 тобы – металл иондары.

1.           Алифаттық қосылыстар – мысалы, глутатион, липой қышқылы.

2.           Ароматты қосылыстар – мысалы, кофермент Q (убихинон).

      3.          Витаминдер және олардың туындылары – мысалы, тиаминпирофосфат, пиридоксаль, пиридоксамин.

      4.          Нуклеотидтер мен нуклеозидтер – мысалы, НАД⁺ , НАДФ⁺, ФАД, ФМН, АТФ; ГТФ, ЦТФ, УТФ нуклеозиддифосфаттар.

      5.          Металл иондары – мысалы, Na ⁺, K⁺, Fe³⁺, Fe²⁺, Cu²⁺, Mo²⁺, Co²⁺, Zn²⁺.     

Тақырыбы 4: ФЕРМЕНТТЕРДІҢ ЕРЕКШЕЛІКТЕРІ ЖӘНЕ КОВАЛЕНТТІ КАТАЛИЗ                  

Ферменттер  – белоктық заттар, сондықтан белоктарға тән қасиеттер ферменттерге де тән  болады. Бірақ ферменттердің өзіне  ғана тән ерекше қасиеттері бар. Ферменттердің  ең маңызды ерекше қасиеттерін қарастырайық.                 

1. Ферменттердің  бірінші ерекше қасиеті – биологиялық катализдің тиімділігі. Ферменттің әсерінің тиімділігі өте жоғары. Ферменттің  бір молекуласы 1 минутта субстраттың 10²-10⁶ молекуласын өзгеріске ұшырата алады. Ферменттер химиялық реакцияларды тездетеді, бірақ реакция барысында ферменттердің шығыны болмайды, яғни олар өзгеріске ұшырамайды.

                Мынадай химиялық реакцияны мысал  ретінде алайық: А+В          С+D.                

Тура  реакцияның жылдамдығы А мен В  заттардың концентрациясына пропорционал:                                             

V₁=K₁[A][B],

Кері  реакцияның жылдамдығы С мен D заттардың концентрациясына пропорционал:                                            

V₂=K₂[C][D].

Мұндағы K_{1 –} тура реакцияның,  K₂ – кері реакцияның жылдамдығының константалары.                 

Әр химиялық реакцияда тепе-теңдік жағдайы болуы  мүмкін. Бұл жағдайда тура және кері реакциялардың жылдамдығы тең болады. Ферменттер реакцияның жылдамдығын  тездетеді, бірақ реакцияның тепе-теңдігін өзгертпейді. Егер де фермент тура реакцияның жылдамдығын 10¹⁸ есе тездетсе, онда кері реакцияның жылдамдығы да 10¹⁸ есе жоғарылайды. Бірақ тірі организмдердің клеткаларында химиялық реакциялар тепе-теңдік жағдайға ұшырамайды, клеткаларда химиялық реакциялардың жүйелері тепе-теңдіктен алыс тұрады. Себебі, әр реакцияның өнімі тез жұмсалады, өйткені реакцияда түзелген өніммдер келесі реакцияға түседі, басқа ферменттің субстраты ретінде қызмет атқарады.                

Субстрат  дегеніміз – бұл  ферменттің әсеріне  ұшырайтын қосылыс.                

2. Ферменттердің  екінші ерекше қасиеті – ферменттердің ерекшелігі. Ферменттердің ерекшелігі субстраттың табиғатына, реакцияның түріне және ортаның жағдайына байланысты, яғни фермент белгілі бір субстратқа немесе арнайы реакция түріне ерекше ортаның жағдайы болғанда ғана әсер етеді.                   

Тақырыбы 5: ФЕРМЕНТТІК РЕАКЦИЯЛАРДЫҢ КИНЕТИКАСЫ                  

Ферменттік  реакциялардың кинетикасы деп ферменттің әсерімен жүзеге асатын химиялық реакцияның жүру жылдамдығын айтады. Кинетикалық  зерттеудің ең басты мақсаты –  химиялық реакция жылдамдығының  басқа параметрлерге, мысалы, субстраттың  концентрациясына тәуелділігін анықтау.                 

Алдымен, химиялық реакциялардың жалпы кинетикалық  принциптерін қысқаша қарастырайық.                 

Химиялық  реакцияларды топтастыру үшін мыналар  негіз болады:                

1. Реакцияға  қатысатын молекулалардың саны. Молекулалардың санына қарай  реакцияларды мономолекулалы, биомолекулалы  және үш молекулалы деп бөледі. Мономолекулалы реакция – бұл  бір молекула қатысатын реакция,  биомолекулалы реакцияларда екі  молекула өзара әрекеттеседі, үш  молекулалы реакция – үш молекула  өзара әрекеттесетін реакция.                

2. реакцияның  кинетикалық сипаттамасы, соның  ішінде реакцияның реті. Реакциялар  ретіне қарай нөлдік, бірінші  реттік, екінші реттік, үшінші реттік  деп бөлінеді. Кинетикалық сипаттамаларына  байланысты реакция жилдамдығының  өзара әрекеттесетін қосылыстардың  концентрациясына тәуелділігі реакцияларды  топтастыру негізіне алынған.                

Реакция жылдамдығы дегеніміз  – белгілі бір уақыт өлшемінде реакцияда әрекеттесетін заттардың немесе фермент әсерімен түзілген реакция өнімінің концентрациясының өзгеруі.                

Субстраттың концентрациясы төмен болғанда, реакцияның жылдамдығы субстраттың концентрациясына пропорционал өседі, яғни субстрат жағынан  ферменттік реакция – бірінші  реттік. Одан әрі қарай субстраттың  концентрациясына тәуелді болмайды, яғни реакцияның реті субстрат жағынан  – нөлдік. Басқа сөзбен айтқанда, реакцияның жылдамдығы субстраттың  концентрациясына тәуелді болмайды. Себебі, фермент молекуласында субстратпен  байланысатын бөліктер саны өлшеулі. Ферменттің осы бөліктері субстратпен толық  байланысқанда, фермент субстратпен  қанығады. Сондықтан субстраттың  концентрациясы өссе де, реакцияның жылдамдығы өзгермейді.  

Тақырыбы 6: ФЕРМЕНТТІҢ АКТИВТІГІНЕ ОРТАНЫҢ (pH, t⁰) ӘСЕРІ ЖӘНЕ ФЕРМЕНТТЕРДІҢ ТЕЖЕЛУ ТҮРЛЕРІ                  

Ферменттік  реакцияларда субстраттың концентрациясы ферменттің концентрациясынан әлдеқайда  жоғары. [S] >> [E], яғни реакция бойы субстар концентрациясы көп мөлшерде болады.

                Ферменттік реакциялардың  жылдамдығына ортаның  рН мәнінің әсері.                      

Ферменттік  реакцияның жылдамдығы, яғни ферменттердің  активтігі, ортаның рн мәніне тәуелді. Әр фермент белгілі бір рН интервалында активті. Мысалы, пепсин (3.4.4.1) ортаның  рН-ы 1,5-3-ке тең болғанда активті, трипсин (3.4.4.4) ортаның рН-ы 7,5-7,8-ге тең болғанда активті, моноаминооксидаза (1.4.3.4) ортаның  рН-ы 8,5-10-ға тең болғанда активті.