Фементтердің жіктелуі, құрылыстары, қасиеттері және атқаратын қызметтері
2025-10-03
Дәріс тақырыбы: Фементтердің жіктелуі, құрылыстары, қасиеттері
және атқаратын қызметтері
Жоспары:
1. Жалпы түсінік.
2. Ферменттердің зерттелу тарихы.
3. Жай және күрделі ферменттер.
4. Ферменттердің жалпы қасиеттері.
5. Ферменттердің ӘСЕР ЕТУ ҚУАТЫНЫҢ ЖОҒАРЫ БОЛУЫ.
6. Ферменттің жоғары арнайылығы.
7. Ферменттердің атқаратын қызметтері.
Жалпы түсінік.
Ферменттер - белоктардың ішіндегі ең үлкен және жоғары мамандандырылған класы. Тіпті, гендердің жұмысына дейін ферменттердің қатысуымен орындалады. Ферменттер тірі ағзадағы мыңдаған химиялық реакцияларды катализдеу арқылы, организмде метаболизм процестерінің қалыпты жағдайда жүруін қамтамасыз етеді.
Ферменттер табиғаты жағынан каталитикалық қасиеті бар белоктар болғандықтан, оларды биологиялық катализаторлар деп атайды. Кейбір басылымдарда “enzyme” деп жазылады. Бұл терминдердің шығу тегі бір, ол латын тіліндегі “fermentum”-ашытқы, “fermentatіo”-ашу, грек тіліндегі “enzyme”-ашытқыда деген сөзден алынған.
Ерте заманда-ақ, ашытқыны қамыр ашыту, сыра және шарап дайындау үшін пайдаланған. Осыдан 8000 жыл бұрын Месопотамия тұрғындары сыра дайындай білген.
Сол заманда тірі организмдердің барлығында “тіршілік күші” бар және бұл құбылысты зерттеп түсінуге адамның қабілеті жете алмайды деген (витализм) ұғым қалыптасыпты. Бертін келе, ХІХ ғасырда Монассеин мен Бюхнер, ашытқыдан алынған жасуша сығындысы ашыту процесін тудыра алатындығын дәлелдеді. Ғылымның бұл жетістігі витализмге бір жола соққы берді және ферменттерді кеңінен зерттеуге жол ашты.
Қазіргі кезге дейін екі мыңдай ферменттер анықталып, олардың екі жүздейі кристалл түрінде бөлініп алынған. Организімнің метаболиттік тіршілігін жүргізетін ферменттердің көпшілігі белгілі болғанымен генетикалық тұрғыдан қарағанда әлі, көптеген ферменттер ашылуы тиіс сияқты.
2.Ферменттердің зерттелу тарихы.
Ферменттердің зерттелу тарихын - белгілі бір дәрежеде биохимия тарихы депте қарастыруға болады. Асқазанда тағамдардың ферментативті ыдырауы процесінің ашылуы және 1760 жылдан бастап 1825 жылдар аралығында жүргізілген зерттеу жұмыстары - химиялық катализ мәселесі төңірегінде алғашқы маңызды тәжірибелерді жүргізуге түрткі болды. Луи Пастер ашу процесі ферменттермен катализденетінін жақсы түсінді (1860ж) сонымен қатар, ферменттер ашытқы ағзасы құрылымдарының бөлінбейтін құрам бөлігі деп қарады.
Ферменттерді зерттеу тарихында өте маңызды оқиға ретінде Э. Бюхнердің 1897 жылы ашқан жаңалығы орын алды. Ол саңырауқұлақ ағзаларының сығындысындағы ферменттер спирттердің ашуын катализдеуге қабілетті екендігін айтты және клетка құрамынан бөлініп алынғаннан кейін де, ферменттер өзіне тиісті қызыметін атқара алатындығын дәлелдеді.
1926 жылы алғаш рет Дж.Самнер Canavalіa дәндерінен кристалдарды бөліп алып, оның табиғаты белок екендігін ашты. Сонымен қатар, барлық ферменттердің табиғаты белок болуы мүмкін деп болжамдады. Ферменттердің табиғаты белок екендігі Нортроп 1930-1936 жылдар аралығында пепсин, трипсин және химотрипсин кристалдарын бөліп алғаннан кейін, біржола дәлелденді. Фин биохимигі А.И. Виртанен өзінше, “белоктар – дегеніміз ферменттер” – деп түсінді. Дж.Самнердің ғылыми зерттеулерінің нәтижесі белгілі неміс химигі Рихард Вильштеттерді көзқарасына қайшы келді. Бір жағынан Вильштеттердің онша жолы болмады, себебі ол өте жоғары каталитикалық активтілігі бар пероксидаза ферментімен жұмыс жүргізді. Тазалау процесі барысында пероксидазаның активті препаратын алды, бұл препаратта азоттың мөлшері жеткілікті болмады, кей жағдайда препараттың құрамынан көміртегін де, азотты да анықтау мүмкін болмады. Сондықтан Вильштеттер алынған белокты бейспецификалық лабильді тасымалдаушы және каталитикалық активтілігі бар топ деп санады. Ал Самнер болса, алған бетінен қайтпады және қыруар еңбектенудің нәтижесінде мақсатына жетті. Каталитикалық активтілік дегеніміз - кейбір белоктардың ерекше қасиеті екендігін дәлелдеп шықты.
3. Жай және күрделі ферменттер.
Барлық ферменттерді құрылымына қарай жай және күрделі ферменттер деп екі топқа бөледі. Жай ферменттер деп бір компонентті ферменттер есептеледі. Күрделі ферменттердің қатарына екі компонентті ферменттерді жатқызады. Бір компонентті жай ферменттер тек бір ғана полипептидті тізбектен, яғни жай белоктан тұрады, оларды ферменттер - протеиндер деп атайды. Жай ферменттердің активті орталығы полипептидті тізбектегі кейбір аминқышқылдары қалдығының функционалды топтарынан құралады. Жай ферменттің активті орталығы екі аймақтан тұрады, оның бірі якорлық аймақ, екіншісі катализдік аймақ. Жай ферменттердің якорлық аймағы субстраттың ерекшелігін анықтайды, ал катализдік аймағы реакцияның химизмін анықтайды.
Екі компонентті ферменттер жай белоктан және простетикалық топтан тұрады. Белокты бөлігі апофермент деп, ал простетикалық тобы кофермент деп аталады. Оларды ферменттер - протеидтер деп атайды. Күрделі ферменттердің апоферменті субстраттың спецификалық ерекшелігін анықтайды. Ал, коферменті активті орталықтың катализдік аймағына кіре отырып, реакцияның химизмін, сипатын және бағытын көрсетеді. Күрделі ферменттердің коферменттерінің құрамына табиғаты жағынан белоктарға жатпайтын әр түрлі химиялық қосылыстар кіреді. Дәрумендер, металл иондары, нуклеотидтер, гем, т.б., коферменттің құрамына кіре отырып, тікелей катализдік реакцияға қатысады. Металл иондары кофактор қызметін атқарумен қатар апоферментпен коферменттің байланысуын қамтамасыз етеді.Екі компонентті ферменттер тек клетка ішінде кездеседі.
Кейбір ферменттерде апофермент пен кофермент берік байланысады, егер олардың арасындағы байланыс үзілсе, ферменттік қасиеті жойылады, ал кейбір ферменттерде апофермент пен кофермент молекулалары жеке жүреді. Себебі, олар өте әлсіз байланысқан. Мұндай жағдайда фермент өзінің қызметін атқара алмайды. Ферменттің активтілігі молекула құрамына кіретін бөліктердің бірлігімен іске асады.
4. Ферменттердің жалпы қасиеттері.
1Ферменттердің бейорганикалық катализаторлармен ұқсастығы:
2. Реакция процесі барысында түзілмейді және жұмсалмайды.
3. Тек, энергетикалық мүмкін реакцияларды катализдейді.
4. Реакция өнімі мен субстраттың бос энергиясын өзгертпейді.
5. Реакцияның тепе-теңдігін өзгертпейді, тек оның басталуын тездетеді.
Табиғаты жағынан белок болуы (құрылысының күрделілігі). Тірі организм клеткаларында бір мезгілде реакциялар жүріп жатады. Сол реакциялардың жылдамдығы тіршілік жағдайына сәйкес өзгеріп отырады. Бұл реакцияларды ферменттер жүзеге асырады. Барлық ферменттердің табиғаты белок болғандықтан, белоктарға тән қасиеттердің барлығы толық сақталады, яғни фермент дегеніміз - тірі организмдер клеткаларында түзілетін және ондағы жүріп жатқан процестердің жылдамдығын тездететін белоктар. Ферменттер қатаң түрде бір жүйелілікпен әсер етіп, жүздеген көп сатылы реакцияларды катализдейді. Осы реакциялар метаболизмді жүзеге асырады, яғни тірі организмнің зат алмасу процесін, өсуін, дамуын қамтамасыз етеді.
Бір компонентті және екі компонентті ферменттер бар. Олардың активті орталығы және аллостерикалық орталығы болады. Изоферменттер және мультиферментті комплекстер деген ұғымдар бар. Осының барлығы ферменттер құрылымының ерекшелігі мен күрделілігіне байланысты.
Ферменттердің активті орталығы. Фермент молекуласы субстрат молекуласынан өте үлкен болады, сондықтан ол субстратқа өзінің бүкіл молекуласымен емес, белгілі бір аймағымен ғана әсер етеді.
Ферменттің субстратпен спецификалы әрекеттесетін аймағы активті орталық деп аталады. Фермент конформациясындағы полипептидті тізбектің белгілі R-топтары ерекше спецификалы орналасып, активті орталық құрайды. Ферменттің активті орталығы екі аймақтан құралады. Оның бірі - субстратты таниды және байланысады, ол субстраттық аймақ деп аталады, ал екіншісі - химиялық реакцияның сипатын анықтап, катализдіқ қызмет атқарады.
Активті орталықтың кеңістік құрылымы әрекеттесетін қосылысқа стереохимиялық комплементарлы келеді. Субстраттың активті орталықпен байланысуы сутектік, гидрофобты, электростатикалық әрекеттесу арқылы, спецификалы ковалентті емес байланыстармен жүзеге асады.
Ферменттердің активті орталығы полипептидті тізбектегі кейбір аминқышқылдардың функциональды топтарынан құралады. Мысалы:
· серин және треониннің - ОН тобы;
· гистидиннің имидазол сақинасы;
· бос-СООН және - NH2 тобы;
· аргининнің гуанидин тобы;
· триптофанның индол сақинасы;
· фенилаланиннің аромат сақинасы;
· цистеиннің - SH топтары;
· метиониннің тиоэфир тобы.
Активті орталыққа кіретін аминқышқылдары қалдықтарындағы функционалдық топтар полипептидті тізбектің жинақталып, шумақталуының нәтижесінде бір-біріне жақындайды. Активті орталық фермент молекуласының белгілі бір аймағына орналасады.
Субстрат ферменттің активті орталығымен жанасқанда ферменттің спецификалы топтары субстратқа өте жақын орналасқандықтан, кооперативті әсер етіп, субстраттың белгілі бір байланыстарын дестабильдейді. Нәтижесінде, субстрат реакцияласуға бейімделген химиялық қосылысқа айналады. Кей кездерде фермент пен субстрат арасында уақытша ковалентті байланыс пайда болатын жағдайлар кездеседі.
Ферментативті катализ барысында аралық қосылыстар фермент пен субстрат комплексі түзіледі. Ферментативті реакция барысында фермент-субстратты комплекстің түзілетіндігі жөнінде көңілге қонарлық тұжырымды 1890 жылы Э.Фишер жасады. Э.Фишердің айтуынша: фермент өзі шабуылдайтын субстратпен геометриялық ұқсас формада болады, сондықтан бұл екі молекула бір-біріне өте жақындай алады, нәтижесінде химиялық реакция жүреді. Бейнелеп айтатын болсақ, фермент пен субстрат бір-біріне “құлып пен кілт” сияқты сәйкес келеді.
Э.Фишер теориясының негізгі кемшілігі ферментпен субстраттың әрекеттесуі өзара динамикалық сәйкестік нәтижесінде емес, механикалық әрекеттесу арқылы жүзеге асады. Осыған байланысты Э.Фишердің теориясы көптеген ферменттердің өз субстраттарымен әрекеттесу механизмдерін және аллостерикалық әсерлерді жетік түсіндіре алмайды. Ал, қазіргі уақытта Кошлендтың “индуцирленген сәйкестену” теориясы дұрыс деп саналады. Бұл теория ферменттің субстратпен өзара әрекеттесуі сәйкестену нәтижесінде түзіледі деп түсіндіреді. Активті орталықтың формасы тар қуыс немесе саңлау сияқты болып келеді.
Аллостерикалық орталық. Көптеген ферменттердің активті орталығынан басқа аллостерикалық орталығы болады. Мұндай орталық тек қана бірнеше мономерден тұратын күрделі ферменттерге тән.
Аллостерикалық орталыққа эффекторлар байланысады. Эффекторлар аллостерикалық орталықпен байланысқанда ферменттің конформациясы өзгереді, нәтижесінде активті орталықтың субстратқа сәйкестігі артуы немесе төмендеуі мүмкін, яғни эффекторлар ферменттердің активтілігін реттейді. Аллостерикалық ферменттердің негізгі үш класы белгілі: 1) гомотропты; 2) гетеротропты; 3) гомогетеротропты. Гомотропты аллостерикалық ферменттердің субстрат молекуласы, субстрат қана болып қоймайды, сонымен қатар концентрациясының артуына байланысты ферменттің каталитикалық активтілігін артыратын модулятор қызметін атқарады. Гетеротропты аллостерикалық ферменттердің активтілігі ортада кездесетін субстрат емес, арнайы эффекторлармен реттеледі. Кейбір поливалентті аллостерикалық ферменттер бір мезгілде гомотропты да, гетеротропты да бола алады. Мұндай жағдайда субстрат ферменттің активтілігін реттейтін эффекторлардың бірі болып табылады. Аллостерикалық термин “басқа жермен байланысқан” немесе “басқа орталықпен байланысқан” деген сөз. Аллостерикалық деген сөздің орнына регуляторлы деген терминді пайдаланған дұрыс деп есептеледі.
5. Ферменттің әсер ету қуатының күштілігі
Ферменттердің әсер ету қуаты бейорганикалық катализаторларға қарағанда, әлдеқайда жоғары болады. Ферменттердің әсер ету қуатының өлшем бірлігі ретінде катал алынады. Катал дегеніміз 1 молекула ферменттің 1 минутта әсер ететін субстратының санын білдіреді, яғни реакцияны жүргізу қабілеті сол ферменттің каталитикалық активтілігін көрсетеді. Мысалы, амилаза - 240000, каталаза - 1 миллион, ацетилхолин-эстераза-1 миллионнан көп субстрат молекулаларын өзгеріске ұшырата алады. Клеткада ДНК-ның репликациялануы ферменттердің қатысуымен 30 минутта жүреді. Егер бұл процесс ферментсіз өтетін болса 5 мың жыл уақыт қажет болар еді. Ферменттердің әсер ету қуатының күштілігі организмде өтіп жатқан реакциялардың жоғары жылдамдықпен жүруін қамтамасыз етеді. Ферментативті реакциялар ерітіндіде катализатордың қатысуынсыз өз бетінше жүріп жатқан реакциялар мен салыстырғанда 106-1012 есе жылдамдықпен жүреді.
6. Ферменттің жоғары арнайылығы
Ферменттер жай химиялық катализаторлардан өзінің субстраттық арнайылылығымен және каталитикалық эффективтілігімен ерекшеленеді.
Ферменттер белгілі бір реакцияны ғана жылдамдатады немесе тек белгілі бір субстратқа әсер етеді. Ферменттердің бұл қасиеті әсер ету “арнайылығы” деп аталады. Арнайылық субстраттық және каталитикалық деп екі түрге бөлінеді.
Субстраттық арнайылық ферменттердің өздері әсер ететін сусбстраттарын тани алуы және олармен әрекеттесу қабілеттілігі әртүрлі болады. Ферменттер субстраттық ерекшелігі дәрежесіне қарай үшке бөлінеді:
1. Абсолюттік арнайылық
2. Стереохимиялық арнайылық
3. Салыстырмалы (топтық) арнайылық
Көптеген ферменттер бір субстратқа (және бір реакция өніміне) абсолюттік арнайылық көрсетеді. Мысал ретінде, аргиназа ферментінің аргининді оринитинмен мочевинаға ыдырату реакциясы (4.1). [66]. және уреаза ферментінің мочевинаны бикарбонатпен аммиакқа ыдырату реакциясы (4.2). [67]., сонымен қатар, сахараза ферментінің тек сахарозаға әсер етіп, оны глюкоза мен фруктозаға ыдырату реакциялары (4.3). [68]. қарастырылады.
Кейде субстратпен активті орталықтың әрекеттесуі кезінде кеңістіктік немесе стереохимиялық арнайылық орын алады. Бұл құбылысты 1935 жылы Бергман ферменттер өздері әсер ететін субстраттармен кем дегенде үш нүктеде әрекеттесетіндігін нақты мысалдармен дәлелдеді.
Көптеген ферменттер әртүрлі қосылыстарға әсер ете алады, мұндай ферменттерге салыстырмалы (топтық) арнайылық тән. Салыстырмалы арнайылығы бар ферменттер құрылымдары ұқсас, химиялық байланыстарының түрі бірдей қосылыстардың тобына әсер етеді. Мысалы, амилаза ферменті крахмал молекуласындағы 1,4-О -гликозидті байланысты гидролиздесе, пепсин барлық белоктардағы пептидтік байланыстарды үзеді. Липазалар триацилглицеридтердегі күрделі эфирлік байланыстарды гидролиздейді.
Каталитикалық арнайылық кез келген фермент тек белгілі бір химиялық реакцияны катализдей алады. Бір реакцияның барысында келесі реакцияны жүргізбейді және қосымша өнімдер түзбейді. Мұны каталитикалық арнайылық деп атайды. Каталитикалық арнайылық химиялық реакциялардың сипатын және бағытын анықтайды. Ферменттер молекула мөлшерімен ерекшеленеді. Кейбіреулерінің молекулалық массасы онша үлкен емес 104 дәрежесіндей. Көбіне олардың мөлшері және молекулалық массасы 1,5×104 мен 106 аралығында болады.Барлық белоктар сияқты ферменттер лабильді, сондықтан денатурацияланғанда активтілігі жойылады.Ферменттер химиялық реакциялардың жылдамдығын арттырады және реакция барысында жұмсалмайды.
7. Ферменттердің атқаратын қызметтері.
Ферменттер табиғаты жағынан каталитикалық қасиеті бар белоктар болғандықтан, организмдегі мыңдаған химиялық реакцияларды катализдейді, осы реакциялардың нәтижесінде клеткадағы алмасу процестері құралады.
