Ферменттік препараттарды алу және қолдану

Ферменттер — барлық тірі организмдер құрамына кіретін арнайы ақуыздар. Химиялық реакциялардьі жеделдетеді. Реакция түрлеріне сай ферменттер 6 топқа болінеді:

1. оксидоредуктазалар,
2. трансферазалар,
3. гидролазалар,
4. лиазалар,
5. изомеразалар,
6. лигазалар.

Ферменттер жасушаларда синтезделіп, биохимиялық реакцияларға қатысатын ақуыздық табиғаттағы биокатализатор болып табылады. Фермент немесе энзим (лат. fermentum – ашу; грек. en – ішінде, zim – ашытқы; 19 ғ. Ван Гельмонт ұсынған) алғашқыда ашыту үдерістерінде анықталған зат. Энзимология, ферментология – ферменттерді зерттейтін ғылым саласы. Ол басқа ғылымдармен: биология, генетика, фармакология, химиямен тығыз байланысты. Ферменттердің қызметі туралы алғашқы ғылыми еңбекті Кирхгофф (1814) жариялады. Кейін ашу үдерісі ашытқы клеткаларында ғана өтеді деген ұйғарым жасаған Л. Пастерге (1871), Либих ферменттер клеткалардың өмір сүруіндегі пайда болған өнім, ол клеткада да, олардан бөлек те қызмет атқарады деген қарсы пікір білдірді. Либихтің ғылыми көзқарасы М. Манассейна (1871), Бухнер (1897) зерттеулерінде эксперимент жүзінде дәлелденді. Клеткаларда синтезделген ферменттер өзіне тән арнайы қызметтерін организмнің барлық мүшелерінде атқарады. Ферменттік қасиет, негізінен глобулалық құрылымдағы ақуыздарға тән екені белгілі. Бірақ, қазіргі кезде кейбір фибриллалық ақуыздар да (актин, миозин) катализдік белсенділік көрсететіні анықталды.

Ферменттердің қасиеттері

Ферменттер өз әсерін өте  аз мөлшерде катализаторға ұқсас  жүргізеді. Фермент өзінің әсер етуші заты – субстратпен (S) ферменттік реакция жүргенде фермент-субстраттық кешен (аралық зат) түзеді. Бұл кешеннің қызметі өте күрделі, ол субстрат пен фермент молекулалары конформациясы мен энергиясын және химиялық байланыстарын өзгертеді. Реакция өткен соң фермент-субстраттық кешен жаңа қалыпқа ауысып, фермент-реакция өнімі кешеніне айналады. Содан кейін ол фермент және реакция өніміне (Р) жекеленіп бөлінеді: S + E → S·E → EP → E + P

 

Ферменттердің катализдік ерекшелігіне келесі қасиеттері жатқызылады: а) Фермент өздігінен жаңа реакция жүргізбейді. Ол тек термодинамикалық мүмкін реакцияны ғана жүргізеді. Реакция барысында активтендіру энергиясы төмендейді. 2-суретте көрсетілгендей, реакцияның үлкен кедергі энергиясын сатылап бөліп, төмендету және активтендіру энергиясын жоғарлату арқылы реакция жылдамдығын жоғарлатады. б) Фермент басталған реакцияның бағытын өз бетінше өзгерте алмайды. Ол бір ғана реакция өнімі түзілуі бағытында жұмыс істейді. Мысалы, глюкокиназа глюкозадан тек глюкоза-6-фосфат түзілуін жүргізеді. в) Фермент қатысатын реакция қайтымды болса, ол реакцияны екі бағытта да жүргізе алады. Мысалы, көмірсулардың гликолиздік ыдырауына қатысатын фосфогексо-изомераза, альдолаза, фосфоглицерат-киназа, фосфоглицератлидаза және т.б.

Пурин-нуклеозидфосфорилаза моделі

Тақырыбы: Ферменттер активтілгінің реттелуі

Дәрістің мақсаты: студенттерді ферменттердің активтілігінің реттелуі механизмдерімен, ферменттердің аталуы және жіктелуімен таныстыру. 

Дәріс жоспары:

1.Ферменттің әсерінің  реттелуі.

2.Ферменттердің аталуы  мен жіктелуі

1. Ферменттердің активтілігінің реттелуі

Ферменттердің реттелуге қабілеттелігі  оларды адам ағзасындағы жасушадағы процесстрдің өзіндік ұйымдастырушысы  мен қатысушылары етеді. Жасушадағы ферменттік реакциялардың жылдамдығының  реттелуі – бұл тек метаболиттік жолдардың бақылануы және бағытталуы ғана емес, сонымен біргежасушаның өсуі мен дамуы және қоршаған орта өзгерісіне жауабы.

Ферменттік реакциялардың жылдамдығының бақылануының екі негізгі әдісі бар:  - ферменттің сандық мөлшерін бақылау арқылы және фермент активтілігін бақылау арқылы. 

Ферменттің  сандық мөлшерін бақылау

Жасушадағы ферменттің сандық мөлшері оның синтезі мен ыдырауы  жылдамдықтарының қатынастарына бойынша  айқындалады. Фер менттік реакцияның жылдамдығының бұл реттелуі әдісі  баяу реттелу түріне жатқызылады (бірнеше  сағаттан соң ғана байқалады). Ал, ферменттің активтілігінің реттелуі арқылы өтетін механизм өте жылдам (практикада лезде  өтетін процесс).

Фермент активтілігін бақылау.

Фермент активтілігі оның активтік орталығының конформациясын өзгертетін белгілі бір заттармен  әсерлесуі жолымен реттеледі. Ол заттар аллостерлік эффектор деп  аталынады. Және ол ферменттің аллостерлік  орталығына әсерлеседі. Эффектор ретінде  кз келген кіші молекулалы заттар бола алады, мысалы, субстрат, реакция өнімдері, витаминдер, металл иондары және т.б..Эффектордың  әсерінен кейін фермент активтенсе ол активатор және керісінше пассивті қалыпқа келсе ол ингибиторға  бөлінеді.

Реакцияның субстраты  бойынша реттелу.

Ферменттік активтіліктің  субстрат байланыстырушы орталық арқылы реттелуі изостерлік реттелу деп  аталады. Бұл жағдайда шынайы субстрат орнына субстратқа құрылымы ұқсас зат (жалған субстрат) байланысады да ферменттің активтілігі тежеледі. Мысалы, сукцинаттың  аналогы малон қышқылы (фермент  сукцинатдегидрогеназа), ацетихолиннің аналогы диизопропилфторфосфат (фермент эстераза).

 

НООС – СН₂ – СН₂ – СООН                               НООС – СН₂ – СООН

                      Сукцинат                                                   Малон қышқылы

 

       Н₃ – С – О – (СН₂)₂ – N(СН₃)₃                          (і – С₃Н₇О)₂Р=О 

                çç                                                                                   ú     

               О                                                                                     Ғ           

       Ацетихолин                                                  Диизопропилфторфосфат

 

Субстраттың сандық мөлшері  арқылы реттелу.

Ферменттің әсер ететін субстрат мөлешрі жоғары болса реакция  жылдамдығы тура пропорционалды өседі  және фермент пен субстраттың  концентрациясы теңескенде реакция  жылдамдығы бірқалыпты өтеді. Ары қарай  реакция жылдамдығы субстрат мөлешрі  азаятындықтан төмендейді. Субстраттың  өте жоғары концентрациясы реакция  жылдамдығын төмендетуі мүмкін. Бұл  құбылыс субстраттық тежелу деп аталады. 

 

Аллостерлік реттелу.

Ферменттің активтілігі  онымен ковалентсіз байланысатын эффектор арқылы реттелуі мүмкін. Эффектор ферменттің активті орталығынан алыс орналасқан аллостерлік орталықпен байланысады. Бұл әсерлесудің нәтижесінде  фермент молекуласындағы каталиттік орталықтың белгілі бір геометриясын өзгертуге әкелетін конформациялық өзгеріс өтеді. Эффектордың әсері екі жақты болады: 1.активтендіреді; 2.ингибирлейді. Аллостерлік активатор әсерлескенде ферментің каталиттік суббірлігінің конформациялық өзгерісі арқылы оның субстрат құрылымына комплементарлы болуы нәтижесінде фермент реакцияға қосыла алады. Активатопр ферменттен ажыратылғанда ол қайтадан активсіз конформацияға ауысып реакциядан босайды. Аллостерлік реттелу метаболиттік жолдардың негізгі реттелу әдісіне жатқызылады.

Метаболитік тізбектердегі  реттелулер.

Қалыпты жағдайда жасушадағы ферменттік реакциялар метаболиттік тізбектерге  немесе циклдерге ұйымдасқан. Бұл  тізбектердегі реакциялардың ең баяу жүретін стадиясы бүкіл тізбектегі реакция жылдамдығын шектейді.

 

    Е₁             Е₂          Е₃      

А «   В   ®    С ®    Д

      І          ІІ          ІІІ

 

Мысалы, схемадағы ІІ-стадиядағы реакция  жылдамдығы баяу. Циклдік реакцияның реттелуі екі негізгі принципке  негізделген:-1. Кері теріс байланыс бойынша реттелу.

Бұл жағдайда реакция өнімі немесе аралық метаболит І-стадиядағы ферментке  әсер етіп оны активтендіреді де реакция  жылдамдығын жоғарлатады.

 

          Е₁                                  Е₂                                   Е₃

А   ¾¾¾¾®   В   ¾¾¾¾®   С   ¾¾¾¾®   Д

      Баяу р.

 

-2. Тура оң байланыс  арқылы реттелу. Бұл жағдайда  субстрат баяу стадиядағы ферментті  активтендіреді.

          Е₁                                  Е₂                                   Е₃

А   ¾¾¾¾®   В   ¾¾¾¾®   С   ¾¾¾¾®   Д

                               Баяу р.

 

Бұл реттелулер жасушаның  соңғы өнімге қаншалықты қажеттілігіне  байланысты тізбек жұмысын сәйкестендіру  қызмет етуі де мүмкін. Тізбектік реакциядағы  фермент активтілігінің реттелуі аллостерлік  реттелу механизмімен өтеді. Жиі  түрде аллостерлік ферменттер зат  алмасуында негізгі рольді атқарады. Себебі олар маңызды метаболиттердің  мөлшерін анықтауға және сәйкес түрде  өзінің активтілігін өзгертуге қабілетті.

Әрбір метаболиттік тізбектерде  бүкіл тізбек реакцияларына жылдамдық  беретін фермент болады. Ол реттеуші фермент деп аталады. Олар келесі қасиеттері бойынша ерекшеленеді: - а)метаболиттік жолдардың бастапқы стадияларында және метаболиттік жолдардың  негізгі тармақтарында ;  - б)жасуша жағдайында практикада қайтымсыз реакцияны, баяу жүретін катализдейді.

Фермент  молекуласын  химиялық түрлендіру арқылы реттелу. Белок  молекуласының химиялық түрленуі немесе ковалентті түрлену жиі жағдайда, жасушаларда фосфорландыру, ацетилдендіру, гликозирлену реакциялары есебінен атқарылады. Себебі: белоктардың құрылымы қозғалмалы оның ықшамдалуы құрамындағы  химиялық топтардың қасиетіне тәуелді  болады. Бұл құрылымның конформациясының өзгеруін және сол арқылы ферменттің активтелуіне ықпал етеді. Бұл реттелу  түрі сәйкестенушілік (адаптациялық) сипатта  өтеді.

Мысалы, цитоқаңқаның фосфорлануында  (жасушаның тұрақтылығы мен қызметін қамтамассыз ететін құрылымдық белоктар комплексі) оның мембранамен әсерлесу күші және жасуша формасы өзгереді.

Басқа мысалы, жиылдырушы реттеуші-белоктың фосфорлануы бұлшықеттің  жиырылуы реакциясын активтендіреді. Химиялық түрлену арқылы өтетін реттелулер ұзақ мерзімді әрекеттесуге әкеледі. Бұл  активтілік арнайы ферменттің молекуладан  фосфорланған бөлікті бөлгенге дейін  активті қалпында қалады.

Белок-белоктық әсерлесу жолымен (олигомерлік ферменттегі суббірліктердің  ассоциациясы-диссоциациясы арқылы) реттелулер.

Протеинкиназа ферментінің  активсіз формасы тетрамер– R₂C₂. Ферменттің активті формасы суббірлік С және  ол үшін комплекс диссоциациялануы қажет және байланысқан соң оның конформациясын өзгертіп комплекстің диссоциациясы өтеді.

 

                             R₂C₂ + cAMP    ®       2C + 2R-cAMP

Ары қарай пролтеинкиназа С сәйкес ферменттерді фосфорландырып активтендіреді, соның нәтижесінде  жасушадағы метаболизм жылдамдығы өзгереді.

Фермент активтілігінің шектеулі протеолиз арқылы реттелуі.

Көптеген ферменттер бастапқыда активсіз (проферменттер) түрінде синтезделеді және тек жасушадан секреттелгеннен  кейін ғана активті формаға келеді. Проферменттің активтелуі оның бірінші  реттік құрылымынан белгілі бір  фрагментті бөлу арқылы конформациясын өзгертуі нәтижесінде өтеді. Мысалы, ұйқы безінде синтезделетін трипсиноген  ішекте N-соңындағы гексапептидті бөлу  нәтижесінде трипсинге айналады.

Липидтік қоршау арқылы реттелу.

Белок молекуласындағы микроқоршаудың тұтқырлығының өзгерісі олигомерлік  комплекстегі белоктар арасындағы әсерлесуді басқарады және мембранаға байланысқан  фрменттер активтілігін реттейді. Бұл  реттелу типі ферменттердің жұмысын  жасуша қажеттілігіне сәйкес нәзік  және жылдам бейімдендіреді.

2.Ферменттердің аталуы  және жіктелуі 

Ферментердің біржақты ғылыми атауы ұзақ мерзімде қалыптасты. Алғашқы  кезеңде ферменттерге атауды кездейсоқ  белгілері бойынша (тривиалдық атау), субстрат атауы бойынша (рационалдық  атау), химиялық құрылымы бойынша және субстрат сипаты мен катализделоетін  реакция типі бойынша атаулар  қалыптасты.

Тривиалдық атаудың мысалына пепсин (пепсис – грек. асқоыту), трипсин (трипсис – сұйылту), папаин (Carica papaja – қауын ағашының сөлінен бөлінген) атауларды жатқызады.

Рационалдық атауға, мысалы, сахараза, мальтаза, амилаза жатқызылады.

Қазіргі кезеңдегі атаудың  мысалына пируватдекарбоксилаза, сукцинатдегидрогеназа  тәріздес атаулар жатқызылады.

Ферменттердің жіктелуі.

Жіктелуі бойынша ферментер  маңызды биохимиялық процестер  типі бойынша топтастырылды.

Бұл принцип бойынша бойынша  олар 6 классқа бөлінеді:

1. Оксиредуктазалар – тотығу – тотықсыздану реакцияларын катализдейді.
2. Трансферазалар – қызметші топтардың тасымалдануы реакцияларын катализдейді.
3. Гидролазалар – гидролиттік ыдырау реакцияларын актализдейді.
4. Лиазалар – субстраттан белгілі бір атомдар тобын қос байланыс түзіп бөлу реакцияларын катализдейді.
5. Изомеразалар – бір молекула көлемінде құрылымдық немесе кеңістіктік қайта құрылыс түзу реакцияларын катализдейді.
6. Лигазалар – макроэргиялық байланыстың ыдырауы мен қосарланып жүретін синтезделу реакцияларын катализдейді.