Ферменттер

Ферменттер (лат. fermentum - «ашу») немесе энзимдер (гр. ζύμη - «ішінде», гр. ἔνζυμον «ашытқы») — барлық тірі организмдер құрамына кіретін арнайы ақуыздар. Химиялық реакцияларды жеделдетеді.^[1]

Адамның I глиоксалазасы. Ферметтің катализіне қажетті екі мырыш ионы күлгін түспен көрсетілген, ал S-hexuable фермент ингибиторы кеңістіктік моделімен бейнеленген.

Пурин-нуклеозидфосфорилаза моделі

Ферменттер - жасушаларда синтезделіп, биохимиялық реакцияларға қатысатын ақуыздық табиғаттағы биокатализатор болып табылады. Ферментті 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 жасушаларында ғана өтеді деген ұйғарым жасаған Л. Пастерге (1871), Либих ферменттер жасушалардың өмір сүруіндегі пайда болған өнім, ол жасушада да, олардан бөлек те қызмет атқарады деген қарсы пікір білдірді. Либихтің ғылыми көзқарасы М. Манассеина (1871), Бухнер (1897) зерттеулерінде эксперимент жүзінде дәлелденді. Жасушаларда 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:

• Барлық ферменттер глобулярлы нәруыз болып табылады.
• Ферменттер жайында ақпарат, басқа да нәруыздар секілді ДНҚ-да сақталған.
• Фермент өздігінен жаңа реакция жүргізбейді. Ол тек термодинамикалық мүмкін реакцияны ғана жүргізеді. Реакция барысында активтендіру энергиясы төмендейді. Реакцияның үлкен кедергі энергиясын сатылап бөліп, төмендету және активтендіру энергиясын жоғарлату арқылы реакция жылдамдығын жоғарлатады.
• 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.
• 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.
• Ферменттің активтілігі pH ортаға, температураға және субстрактың концентрациясына байланысты өзгереді.
• Ферменттер катализдік реакция энергиясының белсенділігін түсіреді.

Ферменттерге өте зор талғамдылық қасиет тән. Әр фермент тек белгілі бір затқа, белгілі бір байланыс түріне әсер етеді. Мысалы, мальтоза қантын ыдырататын мальтаза ферменті басқа қанттарға эсер етпейді. Ферменттер әрекетінің негізінде үш түрлі әсер жатады:

1. жинақтау (концентрациялау әсері);
2. бағдарлау (ориентациялау) әсері;
3. көп бағытты катализ.

Ферменттер алдымен ершндіден қоректі заттар субстратының әр түрлі молекулаларын талғап алып, оларды өз беткейіне жинақтайды, қоректі қорыту процесіне дайындайды, ал ферменттер олардың химиялық өзтерістерін тездетеді.

Белоктар, майлар, көмірсулар молекулаларының құрамындағы компоненттер көбінесе ангидридтік байланыстар арқылы полимерлер түзеді. Бұл байланыстар ферменттердің әрекетімен су қосу арқылы (гидролиз) үзіледі. Сондықтан бұл процесті гидролиздік ыдырау, ал оны қамтамасыз ететін ферменттерді гидролазалар деп атайды.

Ас қорыту жолында қоректік заттар түрлі микроорганизмдер ферменттерінің әсерімен биологиялык, өндеуден де өтеді. Ас қорыту жүйесінің айтарлықтай көлемді алдынғы бөлімдерінде (қарывда) және ішектің кеңіген соңғы бөлімдерінде (әсіресе бүйенде) алуан түрлі микроорганизмдер өздеріне қолайлы жағдай тауып (тұрақты жылулық, қажетті ылғалдылық, сілтілік не байтарап орта, мол және үздіксіз келіп тұратын қоректік заттар), тез көбейіп өседі де, қоректі тездетіп ыдыратуға көмектеседі. Өсімдік тектес азық құрамында организмде қиын қорытылатын және ас қорыту сөлдерінде ерімейтін заттарға бай клетчатка көп мөлшерде болады. Ал ас қорытатын сөлдер құрамында оны ыдырататын ферменттер болмайды. Сондықтан клетчатка тек микроорганизмдер ферменттерінің әсерімен қорытылады. Тоқ ішекте микроорганизмдер әрекетімен белоктар шіріп, майлар тотығып, көмірсулар ашиды, организмге қажет көптеген заттар (амин қышқылдары, дәрмендәрілер т.б.) түзіледі да, бұл молекулалардың өзара әрекеттесуін тездетеді. Ферменттердің бұл әрекетін жинақтау (концентрациялау) әсері деп атайды. Қоректік заттардың ыдырау процесі дұрыс жүру үшін фермент беткейіне жинақталған субстраттар молекулаларының белгілі аудандары бірбірімен жанасуы керек, демек олар бірінебірі бағдарлануы керек. Ферменттердің осындай бағдарлау әрекетінің әсерінен қоректік заттардың ыдырау процесі мыңдаған есеге шапшаңдайды.

1. Барлық ферменттер глобулярлы нәруыздар болып келеді.
2. Ферменттер туралы ақпарат басқа нәруыздар сияқты ДНҚ-да кодталған.
3. Ферменттер катализатордың қызметін атқарады.
4. Ферменттердің болуы реакцияның соңғы өнімінің табиғатына әсер етпейді.
5. Ферменттер эффективті жұмыс жасайды, аз мөлшері субстраттың көп мөлшерін өнімге айналдырады. Мысалы, бір каталаза ферментінің молекуласы қалыпты дене температурасында бір секунд аралығында 600 мың сутегінің асқын тотығуының молекуласын су мен оттекке ыдыратады. Орташа алғанда ферменттер бір секунд ішінде 1000 жуық реакцияларды катализдейді. Катализаторларсыз реакциялар миллион есе баяу жүретін еді.
6. Ферменттер жоғары және арнайы маманданған, бір фермент тек бір субстратты катализдейді.
7. Ферментпен катализдейтін реакция қайтымды болып келеді.

Ферменттердің классификациясы

1. Оксиредуктаза - электрондардың тасымалын катализдейді, тотығу-тотықсыздану реакциялары. Мысалы, каталаза ферменті.
2. Трансфераза - функционалды топтардың және молекулалық қалдықтардың бір қосылыстан екінші қосылысқа тасымалдайды. Мысалы, фосфотрансфераза, аминотрансфераза.
3. Гидролаза - гидролитикалық ыдырау реакция жылдамдығын көбейтеді. Мысалы, пепсин, мальтаза т.б.
4. Лиазалар – молекулалар арасындағы химиялық байланыстарды гидролиз реакциясыз катализдейді,бір өнімнің ішінде қос байланысты түзеді. Субстратты ыдыратады және жаңа өнімді синтездейді.
5. Изомеразалар – бір субстрат молекуласының құрылымдық немесе кеңістіктік өзгерістерді катализдейді, изомерлі формалар түзіледі.
6. Лигазалар – синтез раекцияларын жылдамдатады, энергияңа бай байланыстарды ыдыратады. Изомеразалар – бір субстрат молекуласының құрылымдық немесе кеңістіктік өзгерістерді катализдейді, изомерлі формалар түзіледі.

Құрылысы бойынша

Тірі организмде жүретін барлық процестер ферменттердің қатысуымен атқарылады. Олардың әсерімен қорек құрамындан күрделі заттар қарапайым қосылыстарға ыдырап, соңынан олардан осы организмге тән макромолекулалар түзіледі.

Ферменттер құрылыс бойынша: біркомпонентті және екікомпонентті бөліп бөлінеді.

Біркомпонентті фермент тек нәруыздан құралады, ал екікомпонентті фермент нәруызды және нәруызды емес бөліктер кіреді. Нәруызды бөлікті апофермент деп атайды, ал нәруызды емес бөлікті кофермент деп атайды. Коферменттердің рөлін: В1,В2,В5,В6 және т.б. витаминдер ойнай алады.

Ферменттер катализдейтін химиялық реакциялар

Ферменттер катализдейтін химиялық реакциялар түріне қарай 6 классқа бөлінеді:

• Нөмірленген тізім элементі
• Оксидоредуктазалар – тотығу-тотықсыздандыру реакцияларын катализдеді.
• Трансферазалар - реакцияларда атомдар мен атомдар топтарын тасымалдайды.
• Гидролазалар - судың қосылуымен химиялық байланыстарды үзеді
• Лиазалар - субстратты гидролиздік емес жолмен ыдыратып, қос байланыс түзу және керісінше реакцияларды катализдейді.

1. Изомеразалар – бір изомердің екінші изомерге ауысуын тездетеді.

• Лигазазалар - АТФ энергиясы арқылы екі әр түрлі қосылыстың конденсиациясын катализдеп, С−С, С−О, С− N , С−S байланысын құрады

Фермент молекуласының ферменттік қасиетін анықтайтын бөлігін ферменттің активті орталығы деп атайды. Ферменттің активті орталығы субстратпен байланысуға және ыдыратып өзгертуге міндетті. Активті орталық бүйір радикалында функционалды тобы р амин қышқылдарының қалдықтарынан түзіледі. Күрделі ферменттерде активті орталыққа амин қышқылдарынан басқа металл иондары мен коферменттер кіреді. Олар катализ процесінде маңызды қызмет атқарады.

Ферменттердің активті орталығында реакцияласуға қабілеті

Ферменттердің активті орталығында реакцияласуға қабілетті топтары бар мынандай амин кышқылдары кездеседі.

• Цистеин, оның кұрамында сульфгидрильдік топ - SН бар;
• Серин, оның құрамында гидроксильдік топ - ОН бар;
• Гистидин, oның құрамында имидазол сақинасы бар;
• Аспарагин қышқылы мен глутамин қышқылы, ол екеуінің құрамында екінші карбоксильдік топ - СООН бар;
• Триптофан, құрамында индол сақинасы бар;
• Гидрофобты амин қышқылдары, ондай амин қышқылдары құрамында субстраттың полярсыз учаскесіне жақын (туыс) гидрофобты (полярсыз) бүйір топтар болады.^[2][3][4]

Ферменттік реакциялардың реттелуі - фермент молекуласының мөлшеріне, кофермент пен субстраттың мөлшеріне, ферменттің активтенуіне тәуелді. Бұл ферменттік реакцияның жылдамдығын айқындайды, ол - аллостерлік, шектеулі протеолиз, фосфорландыру/дефосфорландыру жолы, ассоциация/диссоциация мезанизмі, изостерлік механизм және т.б. ферменттік реакция активтілігінің реттелуі жолдары.Аллостерлік реттелу - фермент конформациясының эффектор (ингибитор, активатор) әсерінен өзгерісі нәтижесінде, шектеулі протеолиз - ферменттен қандай да бір фрагментті бөліп тастау арқылы, фос./дефос. - ферментке фосфатты топты байланыстыру немесе бөліп тастау арқылы, изостерлік - коферментті ауыстыру арқылы, ассоц./диссоц. - олигомер ферменттің протомерге бөлінуі немесе қайта жиналуы арқылы механизмдер бойынша өтеді. Осы механизмдер арқылы бүкіл ағзадағы реакциялардың бәрі қажетті мөлшерде, қатаң тәртіпте жүреді. Патологиялық жағдайдары келтірілген мезанизмдердің бұзылысы болған кезде орын алады.

ELISA

Иммуноферменттік талдау (ELISA) - бұл Энгвалл мен Перлманн 1971 жылы алғаш рет сипаттаған, жиі қолданылатын аналитикалық биохимиялық талдау. Талдау кезінде өлшенетін ақуызға қарсы антиденелерді қолдана отырып, сұйық сынамада лигандтың (көбінесе ақуыздың) бар-жоғын анықтау үшін ферменттік иммуноанализдің (ҚОӘБ) қатты фазалық түрі қолданылады. ИФА медицинада, өсімдік патологиясында және биотехнологияда диагностикалық құрал, сонымен қатар әр түрлі салаларда сапаны бақылау құралы ретінде қолданылған.

ИФА-ның ең қарапайым түрінде сыналатын үлгінің антигендері бетке бекітіледі. Содан кейін антигенді байланыстыра алатындай етіп сәйкес антидене бетіне жағылады. Бұл антидене ферментпен байланысады, содан кейін байланыссыз антиденелер жойылады. Соңғы сатыда құрамында фермент субстраты бар зат қосылады. Егер байланыстыру болса, келесі реакция анықталатын сигнал шығарады, көбінесе түс өзгереді.

ИФA жүргізу белгілі бір антигенге тән кем дегенде бір антиденені қамтиды. Белгісіз мөлшердегі антигені бар үлгі қатты тіреуішке (әдетте полистирол микробитерлік тақтаға) арнайы емес (беткі қабатқа адсорбциялау арқылы) немесе арнайы (сол антигенге тән басқа антиденені ұстап алу арқылы) «сэндвичте» иммобилизденеді. «ИФА). Антиген иммобилизацияланғаннан кейін антигенмен комплекс түзетін анықтайтын антидене қосылады. Анықтау антиденесін ферментпен ковалентті байланыстыруға болады немесе өзін биоконьюгация арқылы ферментпен байланысқан екіншілік антиденемен анықтауға болады. Әрбір қадамның арасында табақша арнайы жуылмаған ақуыздарды немесе антиденелерді жою үшін жұмсақ жуғыш зат ерітіндісімен жуылады. Соңғы жуу кезеңінен кейін пластинаны ферментативті субстрат қосып, көрінетін сигнал шығару үшін дамытады, бұл үлгідегі антигеннің мөлшерін көрсетеді.

Айта кету керек, ELISA қатаң «иммундық» талдаулардың орнына лигандты байланыстыратын талдаудың басқа түрлерін орындай алады, дегенмен бұл әдіс жалпы «иммуно» болған, себебі бұл әдіс жалпы қолданылған және дамыған. Техника негізінен қатты фазада иммобилизацияланатын кез-келген байланыстырғыш реагентті қажет етеді, ол дәнекерлеу реактивімен бірге арнайы байланыстырады және дұрыс мөлшерлеуге болатын сигнал жасау үшін ферментті қолданады. Жуу арасында тек лиганд пен оның байланыстырушы аналогтары қатты байланысқан немесе антиген-антиденелердің қатты фазамен әрекеттесуімен арнайы байланысқан немесе «иммуносорбцияланған» күйде қалады, ал арнайы емес немесе байланыспаған компоненттер шайылып кетеді. Жуғаннан кейін бірдей реакцияны (мысалы, кюветаны) қайта қолдануға болатын спектрофотометриялық ылғалды зертханалық талдаудың басқа форматтарынан айырмашылығы, ИФА тақталарында реакция өнімі пластинаның бір бөлігі болып табылатын қатты фазада иммуносорбцияланған және сондықтан оңай емес.^[5]

Дереккөздер

1. Вирусология, иммунология, генетика, молекулалық биология. Орысша-қазақша сөздік. – Алматы, «Ана тілі» баспасы, 1993 жыл. ISBN 5-630-0283-X
2. Қайырханов Қ.К. Жануарлар биохимиясы. –Алматы:«Ана тілі», 1993.
3. Сейтембетова А.Ж., Лиходий С.С. Биологиялық химия. –Алматы:«Білім», 1994.
4. Сеитов З.С. Биохимия.– Алматы: «Қазақ университеті», 2001.
5. Биохимия: Учебник/Под ред.Е.С.Северина.-2-е изд.,испр.-М.:ГЭОТАР-МЕД.2004.-784с.:-ИЛ.-(Серия"ХХІ век"). ISBN 5-9231-0390-7