Файл: Fermentter-Now.doc

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.

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.

Б

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

Ф

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 болған мутанттық штаммда индол мен серинің кондесациялануын катализдейтін триптофан синтетазаның жоқтығын байқатады.

Торшаларда ферметтердің екі түрлі категориясы болатыны туралы болжамды 1930ж Г. Карстрем айтқан еді. Олардың бірі — конститутивті ферменттер ағза торшаларында барлық кезде тұрақты түрде кездеседі, торшаның міндетті түрдегі компоненті болып табылады. Синтезі кездейсоқ факторларға тәуелді емес. Екінші категориясы — адаптивті немесе индуцибелді ферменттің ағзадағы синтезі белгілі бір заттың әсерінен (субстрат пайда болуы, немесе фермент әсер етпейтін, бірақ оны активтендіретін заттар) кенеттен интенсивті түрде жылдам өтеді.

Жай жағдайда индуцибелді ферменттер өте аз мөлшерде синтезделген болады. Мысалы E. Coli-ді лактозаны қатыстырып өсіргенде бұл дисахаридтің катаболизміне қатысатын бірнеше ферменттер синтезделеді. Зерттеулер нәтижесі лактозаның айналуын жүргізетін фермент синтезін кодтайтын геннің арнайы белок репрессор арқылы тежелген жағдайын­да болғанын да. Лактоза индуктор түрінде (негізінде — изомер — аллолактоза) репрессордың аллостерлік орталығымен байланысып оның әсерін тежейді, сәйкес гендердің дерепрессиясын жүргізеді.

Фермент молекуласының химиялық табиғаты белок болып табылады. Сондықтан олардың синтезі рибосомаларда белок биосинтезі заң­дылықтарына сәйкес өтеді.

Кейбір заттардың фермент синтезін ингибирлеуі (тежеуі) байқалады. Осындай ферменттер түрлері репрессибелді ферменттер деп атала­ды. Мысалы, глюкоза микроағзалармен синтезделетін бірнеше фер­мент­тер­дің синтезін (α-амилазаны, триптофаназаны) бей­спе­ци­фи­ка­лық жолмен тежей алады. Сонымен бірге, практикада, фермент син­тезінің репрес­сиясының (басылуының) спецификалық түрлері де кез­деседі.

Мысалы, индол мен сериннен триптофанның синтезін катализдей­тін триптофансинтетазаның репрессоры реакция өнімі болатын трип­то­фанның артық мөлшері.

Торшадағы көптеген ферменттердің синтезінің барлық уақытта басылған болуы байдалады. Спецификалық ферменттің диф­фе­рен­ци­алданған ұлпада немесе ағзада пайда болуы спецификалық ме­та­бо­лит­тердің жиналып қалуынан, депрессия нәтижесінде өтеді. Эукариот торшаларында фермент синтезінің бақылануы биосинтездің тран­скрипциялық деңгейінде де және трансляциялық деңгейінде де жүреді.

Ферменттердің активтілігінің реттелуі.

Торшадағы фермент активтілігі тек оның синтезінің жылдам­ды­ғы­мен ғана анықталмайды. Кейбір ферменттер алғашқыда активсіз профермент күйінде синтезделеді. Фермент активтік күйге оның молекуласынан белгілі бір фрагментті бөлу немесе қосу арқылы ферменттің конформациялық құрылымының өзгеруі нәтижесінде келеді. Бұл процессті ковалентті модификация (түрлендіру) деп атайды, себебі, молекуладағы ковалентті байланысқан химиялық топтар үзіледі немесе жалғасады, молекула түрленеді. Ковалентті модификация қайтымды және қайтымсыз болып екі жолмен жүреді.

Қайтымсыз ковалентті модификацияға шектеулі протеолиз реакциялары жатқызылады. Тек осы аталған жолдар арқылы, көптеген, каталиттік активсіз алғызаттардың (зимогендер проферменттер) активті затқа айналуы бір немес бірнеше пептидтік байланыстың гидролизденуі нәтижесінде өтеді. Мысалы, асқорыту трактісіндегі протеолиттік ферменттердің активтену процессі:

Активсіз проферменттердің болуы фермент молекуласындағы жанастырушы орталықтың басқа затпен блоктануы нәтиже­сінде болуы мүмкін. Профермент күйінде синтезделудің биологиялық маңызы жоғары. Асқорыту жолдары немесе басқа да мүшелер мен ұлпалардың негізгі құрамы белоктардан тұрады. Егер протеолиттік ферменттер активті күйде синтезделетін болса олар аталған мүшелерді қорытуға түсіріп зақымдауы мүмкін.

Фермент пен оның әсер ететін субстраты немесе метаболитінің қатынастары каталиттік тепе-теңдікте болуы қажет. Бұл тепе-теңдіктің бұзылуы ағзаны әртүрлі патогендік қалыпқа асқазан, ішек жараларына, жедел панкреатитке әкелуі мүмкін.

Қайтымды ковалентті модификация — белгілі бір фрагменттің (химиялық топтың) ферментке ковалентті байланысып оның бір реакцияда активтілік көрсетіп, ал келесі реакцияда активсіз қалыпта болуы арқылы байқалады. Мысалы, гликогеннің метаболизміне қатысатын екі фермент — гликогенфосфорилаза және гликогенсинтетаза (АТФ-тан фосфорлық топты серин қалдығына ауыстырып алып) фосфорлану арқылы активтелінеді. Соның нәтижесінде гликоген ыдырауын катализдеуші (фосфорилаза б) активті формасына (фосфорилаза а) айналады, ал гликогенді синтездеуші фермент — гликогенсинтетаза активсіз формаға айналады. Сондықтан метаболизм гликогеннің ыдырау жолына қарай бағытталып, торшаны энергиямен қамтамассыз етеді.