Ферменттер деп ағзада жүретін алуан түрлі биохимиялық процестерге катализатор ретінде әсер ететін белоктік табиғаты бар қосылыстарды айтады. Фермент деген атау ғалымдарға көптеген жылдардан бері белгілі болса да, оның табиғаты қасиеті соңғы жылдары ғана анықтала бастайды.
Әдетте химиялық реакциялардың жүру жылдамдығын шапшаңдататын заттарды катализаторлар деп атайды. Ал ферменттер − өсімдіктер мен жануарлар және микроорганизмдер клеткаларынан бөлінетін белок тектес, ағзадағы биохимиялық реакцияларды сан мың есе шапшаңдататын қабілеті бар зат. Мұның қатысуынсыз заттардың ағзада сіңуі мүмкін емес. Осыған сәйкес ферменттерді биологиялық катализаторлар деп атайды, өйткені, олар тірі ағзада өтетін зат алмасу процесіне тікелей ат салысады. Фермент (латыншада fermentum − ашу деген маңына береді) деген терминмен қатар әдебиетте энзим (грек тілінде − enaum − ішкі, zyme − ашытқы деген мағына береді.) деген сөз де қолданылады.
Ферменттерді және олар катализдейтін реакцияларды зерттейтін биохимия бөлімі энзимология деп аталады.
Тірі клеткада зат алмасу процесі үздіксіз жүріп жатады. Зат алмасу процесі дегеніміз белгілі бір тәртіппен кезектесіп келіп отыратын әртүрлі химиялық реакциялардың жиынтығы. Мұндай реакциялар клеткадан тыс жерде өте қиындықпен және мейілінше бау жүреді. Ол үшін қатаң шарттар қажет. Тірі клеткада бұл реакциялардың жүрісін ферменттер тездетеді. Мәселен, асқорыту жолында крахмал моносахаридтерге , белок амин қышқылдарына және т.б. Бұл химиялық реакциялардың жылдамдығы тірі клеткалардан тысқары жердегіден миллиондаған артық.
Ферменттер − ағзадағы химиялық реакциялардың жылдамдығын жүздеген және мыңдаған есе өзгерте алатын белокты заттар, атап айтқанда жекелеген қосындылардың синтезі мен мыдырауын, зат алмасу процестерін және тағы сол сияқтыларды шапшаңдататын заттар.
Биохимиялық даму тарихында үңілсек, бұл едәуір дәрежедегі ферменттерді зерттеу тарихы деп білуіміз тиіс. Ферменттер туралы ілімнің дамуы көне заманға барып тіреледі. Мыңдаған жалдыр бойы адам баласы шарап ашыту, ірімшік жасау, нан пісіру, тері илеу, сыра қайнатушылық кәсіппен шұғылданғаны белгілі. Бірақ бұл процестерге ферменттердің тікелей қатысының барлығын адамдар білмеген еді. Себебі сол кезде ғылым онша дамымаған.
Ферменттер қатысатын процестерді ғылыми тұрғыдан зерттеу XVII ғасырдың орта кезінен басталады. Осы кезде Гельмонт қанты бар сұйық заттардың ашуы ерекше қоздыруышылар көмегімен жүретінін анықтаған. Осыдан кейін Лавуазье ашу кезінде қант түгелдей көмір қышқыл газға және спиртке айналатынын анықтады.
Ең алғаш таза ферментті 1926 ж. жас биохимик Дж.Самнер кристалл түрінде алды. Ол канавалия деген өсімдік дәнінен уреаза ферментін бөліп алып, оның кристалдарының белоктан тұратынын анықтайды. Одан кейін Дж. Нортроп пепсин кристалдарын, ал келесі жылы ол Нортроп пен М. Кунитц екеуі кристалды трипсинді бөліп алады. осы екі ферменттің екеуі де белок екен. Қазіргі кезде кристалдық түрде жүздеген фермент алынды. Зерттеліп табылған ферменттердің саны қазір 2000 шамасынан асады.
Ферменттер тірі клеткада емес, сонымен бірге клеткадан тыс ортада да өз күшін жоймай реакцияны тездетеді.
Ферменттерді тұзбен тұндыру, ацетон фракциялау және колонкалы хроматография әдістерімен бөліп алғанда, олар катализдік қасиеттерін жоғалтпайды. Кристалл күінде бөлініп алынған ферменттер өте жоғары активті болады.
Ферменттердің бір неше қасиеттері бар. Бірінші қасиеті химиялық реакцияны өте шапшаңдатып, тездетіп жібереді. Тағы бір қасиеті бар. Химиялық реакциялар кейде керісінше де жүреді кез келген зат жойылса, оның құрамындағы заттар бұрынғыдай бөлініп, қосылғанға дейінгі қалпына келеді. Ал ферменттер осының екеуінде де қатысып, екеуін де тездете алады.
Ферменттің активтілігі мен мөлшерін өлшеу
Бөліп алынған таза фермент өзінің ферменттік активтілігімен бағаланады. Ферменттердің активтілігі өте жоғары болады. ферменттік активтілік дегеніміз белгілі фермент бөлшегінің көмегімен нақты уақыт ішінде алынған субстарт шамасы. Мысалы, α − амилазаның осындай қасиетін зерттеп білу үшін 250С жағдайында және 1 минут ішінде 1 мг фермент ыдыратқан крахмал мөлшерін анықтау қажет.
Ферменттерді мөлшерлік анықтау негізінен үш принципке сүйенеді:
- Ферменттің аз мөлшері белгілі субстраттың мөлшеріне қалай әсер ететіндігін анықтау.
- Берілген субстарт мөлшерінен фермент әсері арқылы осы процесте түзілегн өнімдерді анықтау.
- ферменттің активтілігі, оның әсер ету жылдамдығына негізделгін. Ферменттердің активтігі әр түрлі реакция жағдайында температураға, рН ортаға және субстарттың концентрациясына тәуелді болады. ферменттердің шамасы субстраттың шамасына және инкубация уақытына пропорционал болады.
Ферменттер активтілігінің өлшемі жөнінде энзимологияда мынадай ұғымдар қабылданған. Ферменттің халықаралық өлшемі Ө бас әріпімен белгіленеді.
Ферменттің халықаралық өлшемі дегеніміз − фермент әсерінің қолайлы жағдайында 250 С температурада бір минут ішінде субстраттың бір микромолін катализдеп өңдей алатын фермент мөлшері.
Меншікті активтілік дегеніміз − ферменттік препараттағы бір мг белокқа тиісті фермент өлшемінің шамасы, ол мкмоль 1 мин мг белок деп көрсетіледі. Меншіктік активлік ферменттік препараттың тазалық өлшемі: фермент тазартылған сайын, ол арта түседі және фермент таза күйге жеткенде, ол көрсеткіш ең жоғары және тұрақты болады.
Ферментті препаратта белоктың бар екенін Кьельдал әдісімен, немесе Лоуридің колориметриялық әдісімен анықтайды, ал тұнық және боялмаған ерітінділерде 280 нм кезінде Варбург пен Христианның спектрофотометриялық әдісі бойынша анықтайды.
Ферменттерлдің активтігі рН шамасы белгілі 25-400 С температурада болатын буфер ерітіндісінде анықталады. Қазіргі кезде ферменттерді анықтау әдістеріне спектрофотометриялық, полярографиялық,
колориметриялық, монометриялық және т.б. ферменттердің активтігін анықтауды субстраттың азаюымен немесе жңа реакция өнімінің пайада болуына байланысты хроматография және электрофорез әдістерімен жүргізуге болады.
Ферменттердің химиялық құрамы және құрылымы
Сонымен, фермент дегеніміз биохимиялық реакциялар кезінде активтілік көрсететін белоктар екені белгілі. Ферменттердің бәрі де үлкен молекулалы қосылыстар, олардың молекулалық қоыслыстар, олардың молекулалық массасы 10 мыңнан 1 миллионға дейін, тіпті одан да көп шамаға жетеді. Мысалы, кейбір ферменттердің молекулалық массасын қарастырып көрейік:
- Рибонуклеаза, ұйқы безінікі——————————————12640
- Химотрипсин, ұйқы безінікі——————————————23000
- Пепсин, шошқа қарыныныкі——————————————34000
- Гексокиназа, бауырдікі————————————————-100000
- Фосфорилаза, бауырдікі————————————————185000
- Каталаза, бауырдікі——————————————————232000
- Уреаза————————————————————————480000
- Глутаматдегидрогеназа, бауырдікі———————————-1000000
- Синтетаза, қышқылдарынікі——————————————2300000
Барлық басқа белоктар сиқяты, ферменттер де химиялық құрамы бойынша екі топқа бөлінеді. Олар қарапайым ферменттер және күрделі ферменттер.
Қарапайым ферменттер дегеніміз − қарапайым белоктар, олар гидролиз кезінде амин қышқылдарына ғана ажырап бөлінеді. Қарапайым ферменттерге мыналар жатады: рибонуклеаза, пепсин, трипсин, химотрипсин, папаин, аминазалар және гидролаза класына жататын басқа да ферменттер
Күрделі ферменттер дегеніміз − күрделі белоктар. Күрделі ферменттер екі бөліктен: белоктік және белокты емес бөліктен тұрады. Ферменттік белокты бөлігі апофермент деп, ал белокты емес бөлігі простетикалық топ немесе кофермент деп аталады.
Коферменттер − құрамында белок жоқ органикалық қосылыстар, олар апоферментпен тығыз байланысқан. Ферменттің мықты байланысқан кофакторы − простетикалық топ. Коферменттер − төменгі молекулалы заттар, олар жоғары температураға төзімді келеді және ферменттің белоктық бөлігінен оңай ажырайды.
Ферменттердің әсер ету механизмі
Ферменттік реакцияның әр кезеңіне тыңғылықты сипаттама беру арқылы ферменттер әсерінің механизмін білуге болады.
Белок молекуласындағы пептидтік байланыстардың үзілуі мысалы арқылы ферменттердің катализдік әсерін қарастырып көрейік. Химотрипсин ферментінің әсер ету механизмі тыңғылықты зерттелген, мұнда аллостериялық әсер байқалмайды.
Белоктағы пептидтік байланыстарды химотрипсин ферментнің гидролиздеу реакциясын жалпы мынадай түрде көрсетуге .
R1 – C – N – R2 + H2O R1 – COOH + R2 – NH2
O H
белок
Химотрипсин ферментінің әсер ету механизмі мынадай. Ферменттің орталығына серин ә 195 бар, және онда бүйірлік топ − CH2OH. Реакцияның бастапқы кезінде фермент пен субстарт түзілгеннен кейін серин қалдығындағы гидроксил топтың оттегі атомы на шабуыл жасайды. Бұл кезде карбонилдік көміртегі мен амидтік азот екеуінің арасындағы байланыс нашарлайды, фермент − субстарт аралық комплексінде пептидтік байланыс үзіледі де, ацетильденген ферментпен реакция өнімдерінің біреуі пайда болады.
Катализдің екінші кезеңі кезінде су молекуласының қатысуымен фермент тотықсызданады да, реакцияның екінші бөлініп шығады.
Ферменттердің жалпы қасиеттері
Ферменттер биологиялық катализатор ретінде әрі гомогендік, әрі гетерогендік катализатордың белгілерімен сипатталады. Ферменттредің аса тұрақсысдығына байланысты әсері де көптеген факторларға тәуелді келеді. Катализдік әсерін су ерітінділеріне көрсетеді. Ферменттердің гомогендік және гетерогендік катализаторларының жалпы белгілерімен қатар, ерекше қасиеттері де болады. ферменттердің негізгі ерекшелігі, жоғары катализдік активтігі мен өте жоғары талғампаздығында. Себебі: ферменттердің құырылыс ерекшелігі мен әсер ету мезханизмінде. Ферменттер катализаторлар сияқты активация энергиясына әсер етіп, оны төмендетеді.
Ферменттік катализдің өзіне тән белгісі, оның мультпеттігі, яғни бір мезгілде бірнеше реакцияға көптеген активті орталық пен сәйкес субстраттарды қатыстыруында.
Ферменттердің «өмір кілті» деп атағанда, олардың әсер ететін ортасының ерекшелігі бірсыпыра жағдайда негізге алынған. әрбір фермент белгілі бір заттарға ғана әсер етеді. Фермент заттың молекуласында кілттің құлыпқа дәл тура келуі керек. Э.Фишердің айтуы бойынша.
Ферменттер − тірі оганизмдерде өте көп тараған. Ферментер клетканың тек белгілі бір аудандарында ғана шоғырланған.
Қорытынды ретінде айтатын болсақ, ферменттер біздің өмірізде, адам организмі үшін ең қажетті зат болып табылады.
Изоферменттер.
Бір организм ішінде құрылым жақтан бір-біріне ұқсамайтын бірнеше ферменттер болып, лгілі бір субстратқа ғана әсер етіп,ұқсас реакция өнімін түзуді катализдесе, онда бұндай ферменттерді изоферменттер деп атайды. Олар бір-бірінен бірінші реттік құрылымы, электрофорез кезіндегі жылжу жылдамдығы, сондай-ақ органотроптық қасиеттерімен ерекшеленеді. Әр түрлі органдардың өзіне тән изоферменттері бар, олар әр түрлі жағдайда әр түрлі органдарда ұқсас бір субстратқа әсер етіп, ұқсас реакция өнімін түзеді, сондықтан да диагностикалық маңызы өте зор.
Қазірге дейін біршама көп зерттелген, клиникада диагностикалық маңызы зор изоферменттерге лактатдегидрогеназа, креатинкиназа және сілтілі фосфатазалар жатады
А)Креатинфосфокиназа (КФК)
Екі суббірліктен тұрады, оның бірлігін М типі(бұлшықет типі), екіншісін В типі (ми типі) деп белгілейді.Мида суббірліктің екеуі де В;қаңқа бұлшық етінде екеуі де М;ал жүрек бұлшық етінде бір М суббірлік, бір В суббірлік болады.КФК изоферменттері электрофорез кезінде анодтан катодқа қарай жылжу реті бойынша, ең тез бастап шифрланатындықтан КФК 1(ВВ), КФК2 (МВ), КФК3 (ММ) болып жазылады.
Түрі Құрамы Кездесетін жері
КФК ВВ ми
КФК МВ жүрек бұлшық еті
КФК ММ қаңқа бұлшық еті
Б) Лактатдегидрогеназа(ЛДГ).
Лактатдегидрогеназа тетрамер фемент болып, екі түрлі ұқсас емес суббірліктен тұрады. Жүрек бұлшық етінде кездесетін суббірлікті Н, ал қаңқа бұлшық етінде кездесетін суббірлікті М деп атайды. Осы екі суббірліктің ұқсас емес мөлшерде бірігуі нәтижесінде 5 түрлі изофермент пайда болады. Оларды жеке-жеке ЛДГ1, ЛДГ2, ЛДГ3, ЛДГ4, ЛДГ5 деп белгілейді.
Түрі Құрамы Кездесетін жері
ЛДГ1 НННН жүрек, эритроцит
ЛДГ2 НННМ жүрек, эритроцит,бүйрек
ЛДГ3 ННММ ми, өкпе
ЛДГ4 НМММ бауыр
ЛДГ5 ММММ бұлшық ет, бауыр
Қан плазмасындағы изоферменттердің активтілігін өлшеу арқылы кейбір ауруларға дер кезінде дұрыс диагноз қоюға болады. Мысалы, жүрек инфаркті пайда болғаннан кейін 6-18 сағат ішінде КФК2-нің қан плазмасындағы мөлшері арта бастайды, 30-48 сағатта ең жоғарғы деңгейіне жетіп, 3 күннен кейін қалыпты деңгейге қайта түседі. Ал лактатдегидрогеназаның қандағы мөлшері КФК-ден 1-2 күн кешігіп барып арта бастайды. Қалыпты жағдайда ЛДГ2>ЛДГ1 болғанымен, жүрек инфаркті кезінде КФК2- нің деңгейі қалыпты шамаға түсе бастаған кезде ЛДГ1-дің мөлшері ЛДГ2-ден артады. Жүрек инфарктіден кейін ЛДГ-нің 5 изометінің қан плазмасындағы активтілігі уақыт өте өлшегенде ЛДГ2 мен ЛДГ1-дің салыстырмасы шамамен 24 сағаттан кейін артатындығын байқауға болады. Атап айтқанда, КФК2 белсенділігінің артуына сәйкес ЛДГ активтілігі де артса, 100% жүрек инфаркті деп диагноз қоюға болады. Егер ЛДГ5-тің де деңгейі жоғарыласа, онда ол жүрек инфарктінің әсерінен қан айналымының нашарлауына байланысты бауыр конгенциясының пайда болғанын байқатады.
Қарап тұрғанымыздай изоферменттердің медицина саласында алар орны ерекше.
Мультиферменттік комплексі.
Организмде кейбір жағдайларда метаболизм процестерінің өнімді жүруін қамтамасыз ету үшін, кейбір жеке ферменттер өзара сәйкесіп немесе бірлесіп белгілі бір мультиферменттік комплекс құрайды. Мультиферменттік жүйеде бір ферменттің реакция өнімі басқа бір ферменттің субстраты бола алады немесе бірнеше ферменттер бір субстратқа белгілі бір ретпен әсер етіп, түрлі реакцияларды жүргізеді. Осы екі ережені негізге ала отырып, мультиферменттік жүйені келесі 3 түрге бөлуге болады:
А)Кейбір мультифермент комплексінде жеке ферменттер белгілі бір ретпен бірігіп комплекс түзеді. Сол себепті комплекс бұзылса, фермент активтілігі де жойылады. Бұл түрдегі мультифермент комплексіне 3 ферменттен тұратын кетоқышқылдарының (питуват, кетоглутарат) декарбоксилазалары және 7 ферменттен тұратын май қышқылының синтетазалары жатады.
Б)Кейбір мультиферменттік комплексте жеке ферменттер клетка немесе органеллалар мембранасымен байланысқан күйде болады. Мысалы, тыныс алу тізбегінің ферменттері белгілі бір ретпен митохондрия мембранасымен байланысып, сутегін субстраттан оттегінетасымалдайды,алальдолаза,триозофосфатизомераза, фосфоглицеринальдегидрогеназа т.б. бұлшық ет тканіндегі актин белогымен белгілі ретпен байланысып, глюкозаның анаэробты гидролизін қамтамасыз етеді.
В)Көптеген жағдайларда жеке ферменттер цитозол немесе митохондрия матриксінде еріген бос күйінде болады, белгілі бір комплекс түзбейді. Алайда олардың барлығы бір субстратқа А,В,С ретімен әсер етеді. Олардың метаболиттік аралық өнімдері еркін диффузиялана алады.
Әсер ету қуатының күштілігі.
Фермент бейорганикалық катализаторға қарағанда химиялық реакцияларды бірнеше есе, неше мың есе, тіпті миллион есе жылдамдата алады. Ферменттің бір молекуласы 1 минутта өзгеріске ұшырататын субстрат санын бір “катал” деп белгілесе, көптеген ферменттерде бұл көрсеткіш мыңнан артық болады. Мысалы:амилаза- 240000 ,каталаза-1 000 000,ацетилхолинэстераза -1 миллионнан артық субстратты өзгеріске ұшырата алады.ДНҚ синтезі ферменттердің қатысуымен 30 минутта ғана аяқталар болса, ал ферментсіз болса 5000 жыл уақыт кететінін ескерсек, ферменттердің катализдік қуатының қаншалық жоғары екенін байқау қиын емес.