Файл: Fermentter-Now.doc

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.

А

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.

П

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.