Bet kurio gyvo organizmo ląstelėje vyksta milijonai cheminių reakcijų. Kiekvienas iš jų turi didelę reikšmę, todėl svarbu išlaikyti aukštą biologinių procesų greitį. Beveik kiekvieną reakciją katalizuoja savas fermentas. Kas yra fermentai? Koks jų vaidmuo narve?
Fermentai. Apibrėžimas
Sąvoka „fermentas“kilusi iš lotyniško fermentum – raugas. Jie taip pat gali būti vadinami fermentais, iš graikų kalbos en zyme, „mielėse“.
Fermentai yra biologiškai aktyvios medžiagos, todėl bet kokia ląstelėje vykstanti reakcija negali apsieiti be jų dalyvavimo. Šios medžiagos veikia kaip katalizatoriai. Atitinkamai, bet kuris fermentas turi dvi pagrindines savybes:
1) Fermentas pagreitina biocheminę reakciją, bet nėra suvartojamas.
2) Pusiausvyros konstantos reikšmė nesikeičia, o tik pagreitina šios reikšmės pasiekimą.
Fermentai tūkstantį, o kai kuriais atvejais ir milijoną kartų pagreitina biochemines reakcijas. Tai reiškia, kad nesant fermentinio aparato visi tarpląsteliniai procesai praktiškai sustos, o pati ląstelė mirs. Todėl fermentų, kaip biologiškai aktyvių medžiagų, vaidmuo yra didelis.
Fermentų įvairovė leidžia paįvairinti ląstelių metabolizmo reguliavimą. Bet kurioje reakcijų kaskadoje dalyvauja daug įvairių klasių fermentų. Biologiniai katalizatoriai yra labai selektyvūs dėl specifinės molekulės konformacijos. Kadangi fermentai daugeliu atvejų yra b altyminio pobūdžio, jie yra tretinės arba ketvirtinės struktūros. Tai vėlgi paaiškinama molekulės specifiškumu.
Fermentų funkcijos ląstelėje
Pagrindinė fermento užduotis – paspartinti atitinkamą reakciją. Bet kokiai procesų pakopai nuo vandenilio peroksido skaidymo iki glikolizės reikalingas biologinis katalizatorius.
Tinkamas fermentų veikimas pasiekiamas dėl didelio specifiškumo tam tikram substratui. Tai reiškia, kad katalizatorius gali tik paspartinti tam tikrą reakciją ir jokios kitos, net labai panašios. Pagal specifiškumo laipsnį išskiriamos šios fermentų grupės:
1) Fermentai, turintys absoliutų specifiškumą, kai katalizuojama tik viena reakcija. Pavyzdžiui, kolagenazė skaido kolageną, o m altazė – m altozę.
2) Santykinio specifiškumo fermentai. Tai apima medžiagas, kurios gali katalizuoti tam tikros klasės reakcijas, pvz., hidrolizinį skilimą.
Biokatalizatoriaus darbas prasideda nuo to momento, kai jo aktyvusis centras pritvirtinamas prie pagrindo. Šiuo atveju kalbama apie viena kitą papildančią sąveiką, pavyzdžiui, užraktą ir raktą. Tai reiškia visišką aktyvaus centro formos sutapimą su substratu, o tai leidžia pagreitinti reakciją.
Kitas žingsnis yra pati reakcija. Jo greitis didėja dėl fermentinio komplekso veikimo. Galų gale gauname fermentą, susijusį su reakcijos produktais.
Paskutinis etapas yra reakcijos produktų atsiskyrimas nuo fermento, po kurio aktyvusis centras vėl tampa laisvas kitam darbui.
Schemiškai fermento darbą kiekviename etape galima parašyti taip:
1) S + E --> SE
2) SE --> SP
3) SP --> S + P, kur S yra substratas, E yra fermentas, o P yra produktas.
Fermentų klasifikacija
Žmogaus kūne galite rasti didžiulį kiekį fermentų. Visos žinios apie jų funkcijas ir darbą buvo susistemintos, todėl atsirado viena klasifikacija, kurios dėka nesunku nustatyti, kam skirtas tas ar kitas katalizatorius. Čia yra 6 pagrindinės fermentų klasės, taip pat kai kurių pogrupių pavyzdžiai.
Oksidoreduktazės
Šios klasės fermentai katalizuoja redokso reakcijas. Iš viso yra 17 pogrupių. Oksidoreduktazės paprastai turi neb altyminę dalį, kurią atstovauja vitaminas arba hemas.
Tarp oksidoreduktazių dažnai randami šie pogrupiai:
a) Dehidrogenazės. Dehidrogenazės fermentų biochemija susideda iš vandenilio atomų pašalinimo ir jų perkėlimo į kitą substratą. Šis pogrupis dažniausiai aptinkamas kvėpavimo takų reakcijose,fotosintezė. Dehidrogenazių sudėtyje būtinai yra kofermento NAD / NADP arba flavoproteinų FAD / FMN pavidalu. Dažnai yra metalo jonų. Pavyzdžiui, tokie fermentai kaip citochromo reduktazės, piruvato dehidrogenazė, izocitrato dehidrogenazė ir daugelis kepenų fermentų (laktato dehidrogenazė, glutamato dehidrogenazė ir kt.).
b) Oksidazė. Nemažai fermentų katalizuoja deguonies pridėjimą prie vandenilio, todėl reakcijos produktai gali būti vanduo arba vandenilio peroksidas (H20, H2 0 2). Fermentų pavyzdžiai: citochromo oksidazė, tirozinazė.
c) Peroksidazės ir katalazė yra fermentai, kurie katalizuoja H2O2 į deguonį ir vandenį.
d) Oksigenazės. Šie biokatalizatoriai pagreitina deguonies patekimą į substratą. Dopamino hidroksilazė yra vienas tokių fermentų pavyzdžių.
2. Pervedimai.
Šios grupės fermentų užduotis yra perkelti radikalus iš donoro medžiagos į recipientą.
a) Metiltransferazė. DNR metiltransferazės yra pagrindiniai fermentai, kontroliuojantys DNR replikacijos procesą. Nukleotidų metilinimas vaidina svarbų vaidmenį reguliuojant nukleorūgščių funkciją.
b) Aciltransferazės. Šio pogrupio fermentai perneša acilo grupę iš vienos molekulės į kitą. Aciltransferazių pavyzdžiai: lecitincholesterolio aciltransferazė (perkelia funkcinę grupę iš riebalų rūgšties į cholesterolį), lizofosfatidilcholino aciltransferazė (acilo grupė perkeliama į lizofosfatidilcholiną).
c) Aminotransferazės yra fermentai, dalyvaujantys aminorūgščių konversijoje. Fermentų pavyzdžiai: alanino aminotransferazė, kuri katalizuoja alanino sintezę iš piruvato ir glutamato perkeliant aminogrupes.
d) Fosfotransferazės. Šio pogrupio fermentai katalizuoja fosfatų grupės pridėjimą. Kitas fosfotransferazių – kinazių – pavadinimas yra daug dažnesnis. Pavyzdžiai yra fermentai, tokie kaip heksokinazės ir aspartatkinazės, kurie atitinkamai prideda fosforo likučių į heksozes (dažniausiai gliukozę) ir į asparto rūgštį.
3. Hidrolazės yra fermentų klasė, kuri katalizuoja jungčių skilimą molekulėje, o po to pridedama vandens. Šiai grupei priklausančios medžiagos yra pagrindiniai virškinimo fermentai.
a) Esterazės – nutraukia eterinius ryšius. Pavyzdys yra lipazės, kurios skaido riebalus.
b) Glikozidazės. Šios serijos fermentų biochemija susideda iš polimerų (polisacharidų ir oligosacharidų) glikozidinių ryšių sunaikinimo. Pavyzdžiai: amilazė, sacharozė, m altazė.
c) Peptidazės yra fermentai, kurie katalizuoja b altymų skilimą į aminorūgštis. Peptidazės apima tokius fermentus kaip pepsinai, tripsinas, chimotripsinas, karboksipeptidazė.
d) Amidazės – skaidomos amido jungtys. Pavyzdžiai: arginazė, ureazė, glutaminazė ir kt. Ornitino cikle atsiranda daug amidazės fermentų.
4. Liazės yra fermentai, savo funkcijomis panašūs į hidrolazes, tačiau skaidant molekulių ryšius vanduo nesunaudojamas. Šios klasės fermentuose visada yra neb altyminės dalies, pavyzdžiui, vitaminų B1 arba B6 pavidalu.
a) Dekarboksilazės. Šie fermentai veikia C-C ryšį. Pavyzdžiai yratarnauja kaip glutamato dekarboksilazė arba piruvato dekarboksilazė.
b) Hidratazės ir dehidratazės yra fermentai, kurie katalizuoja C-O jungčių skaidymo reakciją.
c) Amidin-liazės – sunaikina C-N ryšius. Pavyzdys: arginino sukcinato liazė.
d) P-O lyase. Tokie fermentai, kaip taisyklė, atskiria fosfato grupę nuo substratinės medžiagos. Pavyzdys: adenilato ciklazė.
Fermentų biochemija pagrįsta jų struktūra
Kiekvieno fermento gebėjimus lemia individuali, unikali jo struktūra. Fermentas visų pirma yra b altymas, o jo struktūra ir susilankstymo laipsnis turi lemiamą reikšmę nustatant jo funkciją.
Kiekvienam biokatalizatoriui būdingas aktyvus centras, kuris savo ruožtu yra padalintas į keletą nepriklausomų funkcinių sričių:
1) Katalizinis centras yra ypatinga b altymo sritis, per kurią fermentas prisijungia prie substrato. Priklausomai nuo b altymo molekulės konformacijos, katalizinis centras gali būti įvairių formų, kurios turi priglusti prie substrato taip pat, kaip užraktas prie rakto. Tokia sudėtinga struktūra paaiškina, kodėl fermentinis b altymas yra tretinės arba ketvirtinės būsenos.
2) Adsorbcijos centras – veikia kaip „laikiklis“. Čia visų pirma yra ryšys tarp fermento molekulės ir substrato molekulės. Tačiau adsorbcijos centro suformuoti ryšiai yra labai silpni, o tai reiškia, kad katalizinė reakcija šiame etape yra grįžtama.
3) Allosteriniai centrai gali būti išdėstyti kaipaktyviojoje vietoje ir visame fermento paviršiuje kaip visuma. Jų funkcija yra reguliuoti fermento veiklą. Reguliavimas vyksta inhibitorių ir aktyvatorių molekulių pagalba.
Aktyvatoriai, prisijungę prie fermento molekulės, pagreitina jos darbą. Inhibitoriai, priešingai, slopina katalizinį aktyvumą, ir tai gali įvykti dviem būdais: arba molekulė prisijungia prie alosterinės vietos aktyvios fermento vietos srityje (konkurencinis slopinimas), arba prisijungia prie kitos b altymo srities. (nekonkurencinis slopinimas). Konkurencinis slopinimas laikomas veiksmingesniu. Juk taip uždaroma vieta substratui surišti su fermentu, o šis procesas įmanomas tik tuo atveju, kai beveik visiškai sutampa inhibitoriaus molekulės ir aktyvaus centro forma.
Fermentą dažnai sudaro ne tik aminorūgštys, bet ir kitos organinės bei neorganinės medžiagos. Atitinkamai išskiriamas apofermentas – b altyminė dalis, kofermentas – organinė, o kofaktorius – neorganinė dalis. Kofermentą gali atstovauti angliavandeniai, riebalai, nukleino rūgštys, vitaminai. Savo ruožtu kofaktorius dažniausiai yra pagalbiniai metalo jonai. Fermentų aktyvumą lemia jo struktūra: papildomos medžiagos, sudarančios kompoziciją, keičia katalizines savybes. Įvairūs fermentų tipai yra visų aukščiau išvardytų sudėtingų formavimosi faktorių derinio rezultatas.
Fermentų reguliavimas
Fermentai, kaip biologiškai aktyvios medžiagos, ne visada būtini organizmui. Fermentų biochemija yra tokia, kad per didelės katalizės atveju jie gali pakenkti gyvai ląstelei. Norint išvengti žalingo fermentų poveikio organizmui, būtina kažkaip reguliuoti jų darbą.
T. Kadangi fermentai yra b altyminio pobūdžio, jie lengvai sunaikinami aukštoje temperatūroje. Denatūravimo procesas yra grįžtamasis, tačiau jis gali labai paveikti medžiagų veikimą.
pH taip pat vaidina svarbų vaidmenį reguliuojant. Didžiausias fermentų aktyvumas, kaip taisyklė, stebimas esant neutralioms pH vertėms (7,0-7,2). Taip pat yra fermentų, kurie veikia tik rūgščioje aplinkoje arba tik šarminėje. Taigi ląstelių lizosomose palaikomas žemas pH, kuriame hidrolizinių fermentų aktyvumas yra didžiausias. Netyčia patekus į citoplazmą, kur aplinka jau arčiau neutralios, jų aktyvumas sumažės. Tokia apsauga nuo „savaime valgymo“pagrįsta hidrolazių darbo ypatumais.
Verta paminėti kofermento ir kofaktoriaus svarbą fermentų sudėtyje. Vitaminų ar metalų jonų buvimas labai paveikia tam tikrų specifinių fermentų veikimą.
Fermentų nomenklatūra
Visi organizmo fermentai paprastai įvardijami atsižvelgiant į jų priklausymą kuriai nors klasei, taip pat į substratą, su kuriuo jie reaguoja. Kartais pagal sisteminę nomenklatūrą pavadinime naudojamas ne vienas, o du substratai.
Kai kurių fermentų pavadinimų pavyzdžiai:
- Kepenų fermentai: laktatas-dehidrogenazė, glutamato dehidrogenazė.
- Visas sisteminis fermento pavadinimas: laktatas-NAD+-oksidoreduktazė.
Yra ir nereikšmingų pavadinimų, kurie neatitinka nomenklatūros taisyklių. Pavyzdžiai yra virškinimo fermentai: tripsinas, chimotripsinas, pepsinas.
Fermentų sintezės procesas
Fermentų funkcijos nustatomos genetiniame lygmenyje. Kadangi molekulė iš esmės yra b altymas, jos sintezė tiksliai pakartoja transkripcijos ir vertimo procesus.
Fermentų sintezė vyksta pagal šią schemą. Pirmiausia iš DNR nuskaitoma informacija apie norimą fermentą, ko pasekoje susidaro mRNR. Messenger RNR koduoja visas aminorūgštis, kurios sudaro fermentą. Fermentų reguliavimas gali vykti ir DNR lygyje: jei pakanka katalizuojamos reakcijos produkto, genų transkripcija sustoja ir atvirkščiai, jei reikia produkto, suaktyvėja transkripcijos procesas.
MRNR patekus į ląstelės citoplazmą, prasideda kitas etapas – vertimas. Endoplazminio tinklo ribosomose susintetinama pirminė grandinė, susidedanti iš aminorūgščių, sujungtų peptidiniais ryšiais. Tačiau b altymo molekulė pirminėje struktūroje dar negali atlikti savo fermentinių funkcijų.
Fermentų aktyvumas priklauso nuo b altymo struktūros. Toje pačioje ER vyksta b altymų sukimasis, dėl kurio pirmiausia susidaro antrinės, o paskui tretinės struktūros. Kai kurių fermentų sintezė sustoja jau šiame etape, tačiau norint suaktyvinti katalizinį aktyvumą dažnai reikiakofermento ir kofaktoriaus pridėjimas.
Tam tikrose endoplazminio tinklo vietose yra prisitvirtinę organiniai fermento komponentai: monosacharidai, nukleorūgštys, riebalai, vitaminai. Kai kurie fermentai negali veikti be kofermento.
Kofaktorius vaidina lemiamą vaidmenį formuojant ketvirtinę b altymų struktūrą. Kai kurios fermentų funkcijos pasiekiamos tik tada, kai b altymas pasiekia domeno organizaciją. Todėl jiems labai svarbi ketvirtinė struktūra, kurioje jungiamoji grandis tarp kelių b altymų rutuliukų yra metalo jonas.
Įvairios fermentų formos
Būna situacijų, kai reikia turėti kelis fermentus, kurie katalizuoja tą pačią reakciją, bet skiriasi vienas nuo kito kai kuriais parametrais. Pavyzdžiui, fermentas gali dirbti 20 laipsnių temperatūroje, tačiau esant 0 laipsnių jis nebegalės atlikti savo funkcijų. Ką tokioje situacijoje esant žemai aplinkos temperatūrai turėtų daryti gyvas organizmas?
Šią problemą nesunkiai išsprendžia keli fermentai vienu metu, katalizuojantys tą pačią reakciją, bet veikiantys skirtingomis sąlygomis. Yra dviejų tipų įvairių formų fermentai:
- Izofermentai. Tokius b altymus koduoja skirtingi genai, jie susideda iš skirtingų aminorūgščių, bet katalizuoja tą pačią reakciją.
- Tikrosios daugiskaitos formos. Šie b altymai yra transkribuojami iš to paties geno, tačiau peptidai yra modifikuoti ribosomose. Išvestis yra kelios to paties fermento formos.
BDėl to pirmasis kelių formų tipas susidaro genetiniame lygmenyje, o antrasis – potransliaciniame lygmenyje.
Fermentų svarba
Fermentų naudojimas medicinoje sumažinamas iki naujų vaistų, kuriuose medžiagų jau yra reikiamais kiekiais, išleidimas. Mokslininkai dar nerado būdo, kaip paskatinti organizme trūkstamų fermentų sintezę, tačiau šiandien yra plačiai prieinami vaistai, galintys laikinai kompensuoti jų trūkumą.
Įvairūs fermentai ląstelėje katalizuoja įvairias gyvybę palaikančių reakcijų įvairovę. Vienas iš šių enizmų yra nukleazių grupės atstovai: endonukleazės ir egzonukleazės. Jų užduotis – palaikyti pastovų nukleorūgščių kiekį ląstelėje, pašalinant pažeistą DNR ir RNR.
Nepamirškite apie tokį reiškinį kaip kraujo krešėjimas. Kadangi šis procesas yra veiksminga apsaugos priemonė, jį kontroliuoja daugybė fermentų. Pagrindinis yra trombinas, kuris neaktyvų b altymą fibrinogeną paverčia aktyviu fibrinu. Jo siūlai sukuria tam tikrą tinklą, kuris užkemša kraujagyslės pažeidimo vietą, taip užkertant kelią per dideliam kraujo netekimui.
Fermentai naudojami vyno gamyboje, alaus gamyboje, gaminant daugelį fermentuoto pieno produktų. Mielės gali būti naudojamos alkoholiui gaminti iš gliukozės, tačiau sėkmingam šio proceso eigai pakanka jų ekstrakto.
Įdomūs faktai, kurių tu nežinojai
- Visi organizmo fermentai turi didžiulę masę – nuo 5000 iki1000000 Taip. Taip yra dėl b altymų buvimo molekulėje. Palyginimui: gliukozės molekulinė masė yra 180 Da, o anglies dioksido tik 44 Da.
- Iki šiol buvo atrasta daugiau nei 2000 fermentų, kurie buvo rasti įvairių organizmų ląstelėse. Tačiau dauguma šių medžiagų dar nėra visiškai suprantamos.
- Fermentų aktyvumas naudojamas efektyviems skalbinių plovikliams gaminti. Čia fermentai atlieka tą patį vaidmenį kaip ir organizme: skaido organines medžiagas, o ši savybė padeda kovoti su dėmėmis. Panašius skalbimo miltelius rekomenduojama naudoti ne aukštesnėje nei 50 laipsnių temperatūroje, kitaip gali įvykti denatūravimo procesas.
- Remiantis statistika, 20 % žmonių visame pasaulyje kenčia nuo kurio nors iš fermentų trūkumo.
- Fermentų savybės žinomos labai seniai, tačiau tik 1897 metais žmonės suprato, kad ne pačios mielės, o jų ląstelių ekstraktas gali būti panaudotos cukrui fermentuoti į alkoholį.
