Fermentai

4767 0

Turinys

1. Įvadas 3

2. Fermentų savybės 4

3. Fermentų struktūra 61. Įvadas

Fermentai (lot. fermentum – rūgimas), tai specifiniai baltymai, kurių turi visos gyvosios ląstelės. Jie atlieka biologinių katalizatorių vaidmenį. Fermentų pagalba yra realizuojama genetinė informacija ir vykdoma medžiagų ir energijos apykaita gyvosiuose organizmuose. Fermentai gali būti paprastieji ir sudėtiniai, kurių sudėtyje, be baltyminio komponento (apofermento) yra dar ir nebaltyminė dalis – kofermentas. Fermentų veikimo efektyvumą lemia žymus katalizuojamos reakcijos energijos aktivacijos sumažėjimas tarpinių fermentų-substratinių kompleksų susidarymo rezultate. Substratų prisijungimas vyksta aktyviuosiuose centruose, kurie yra panašūs tik į tam tikrus substratus, kuo paasiekiama išskirtinė fermentų veikimo specifika. Viena fermentų ypatybių – tai sugebėjimas reguliuojamai ir kryptingai veikti. Jo sąskaita yra kontroliuojama visa medžiagų apykaitos grandžių darna. Šį sugebėjimą nulemia fermentų struktūrinės molekulės erdviškumas. Jis realizuojamas per fermentų veikimo greičio kitimus ir priklauso nuo tam tikrų substratų ir kofaktorių koncentracijos, pH terpės, temperatūros, o taip pat nuo specifinių aktyvatorių ir inhibitorių (pvz. adenilo nukleotidų, karbonilinių, sulfhidrilinių junginių ir kt.) egzistavimo. Kai kurie fermentai, be aktyviųjų centrų, turi ir papildomų, taip vadinamų alosterinių raguliuojančių centrų. Fermentų biiosintezę kontroliuoja genai. skiriami konstitutyviniai (pastoviai esantys ląstelėse) ir indukuojami fermentai, kurių biosintezė aktyvuojasi veikiant atitinkamiems substratams. Kai kurie funkcionaliai tarpusavyje susiję fermentai ląstelėje sudaro struktūriškai organizuotus polifermentinius kompleksus. Dauguma fermentų ir fermentinių kompleksų yra glaudžiai susiję su ląstelės membranomis ir

r jos organoidais (mitochondrijomis, lizosomomis, mikrosomomis ir t.t.) ir dalyvauja aktyviame medžiagų transportavime per membranas.

Žinoma daugiau kaip 20000 įvairiausių fermentų, daugelis kurių yra išskirti iš gyvųjų ląstelių ir gauti natūralioje būklėje. Pirmąjį kristalinį fermentą (ureazę) išskyrė amerikiečių biochemikas D.Samneris 1926 metais. Kai kurių fermentų yra išanalizuota aminorūgščių seka, išaiškintas polipeptidų grandinių išsidėstymas trimatėje erdvėje. Laboratorijos sąlygomis įvykdytas dirbtinė cheminė ribonukleazės fermento sintezė. Fermentai naudojami įvairių medžiagų kiekiniam nustatymui ar išgavimui, nukleino rūgšties molekulių modifikacijai genų inžinierijos metodais, eilės susirgimų diagnostikai ir gydymui, taip pat eilėje technologinių procesų, vykdomų lengvojoje, maisto ir farmacijos pramonėje.2. Fermentų savybės

Kadangi fermentai yra baltymai, jie turi visas jiems būdingas savybes. Tuo pačiu biokatalizatoriai charakterizuojami eile specifinių savybių, esančių taip pat baltyminės prigimties. Šios savybės skiria fermentus nuo paprasto kaatalizatoriaus. Tai fermentų termolabilumas, jų priklausomybė nuo pH terpės, specifiškumas, ir aktyvatorių bei inhibitorių poveikis.

Fermentų termolabilumas paaiškinamas tuo, kad temperatūra veikia fermento baltyminę dalį, kas, esant aukštai temperatūrai lemia baltymo denatūraciją ir katalitinės funkcijos sumažėjimą, bet kita vertus lemia fermentų-substratų komplekso susidarymo reakcijos greitį ir visus sekančius substrato kitimo etapus, kas lemia katalizės sustiprėjimą.

Fermento katalitinio aktyvumo priklausomybė nuo temperatūros išreiškiama tipine kreive. Iki tam tikros atžymos (vidutiniškai iki 50°C) katalitinis aktyvumas auga, kas 10°C apytikriai 2 kartus išauga substrato kitimo gr

reitis. Tuo tarpu palaipsniui auga inaktyvuoto fermento kiekis, jo baltyminės dalies denatūracijos sąskaita. Esant virš 50°C temperatūrai smarkiai padidėja fermentinio baltymo denatūracija, ir, nors substrato kitimų reakcijų graitis kylia, fermento aktyvumas, išreikštas pakitusio substrato kiekiu, krenta.

Detalūs fermentų aktyvumo augimo priklausomai nuo temperatūros tyrimai, atlikti paskutiniu metu parodė, kad ši priklausomybė yra kur kas sudėtingesnė – dažnai ji neatitinka aktyvumo padvigubėjimo kas 10°C taisyklės dėl pastoviai augančių konformacinių kitimų fermento molekulėje.

Temperatūra, prie kurios fermento katalitinis aktyvumas yra maksimalus, vadinama temperatūriniu optimumu. Skirtingų fermentų temperatūrinis optimumas yra nevienodas. Gyvulinės kilmės fermentų jis yra 40°-50°C, tačiau egzistuoja ir turintys aukštesnį temperatūrinį optimumą, pvz. papaino (augalinės kilmės fermentas, pagreitinantis baltymo hidrolizę) optimumas yra apie 80°C, o katalazo (fermentas, greitinantis H2O2 skilimą iki H2O ir O2) optimumas yra tarp 0° ir -10°C, o prie aukštesnės temperatūros įvyksta intensyvus fermento oksidavimasis ir jo inaktivacija.

Fermento priklausomybė nuo pH terpės reikšmės buvo nustatyta daugiau kaip prieš 50 metų. Kiek vienas fermentas turi savo optimalų pH, prie kurio pasireiškia jo maksimalus aktyvumas. Daugumos fermentų maksimalus aktyvumas pastebimas pH zonoje netoli neutralaus taško. Labai rūgščioje ar šarminėje terpėje gerai veikia tik kai kurie fermentai.

Perėjimas prie didesnės ar mažesnės (palyginus su optimalia) vandenilinių jonų koncentracijos sukelia fermento aktyvumo kritimą. Vandenilinių jonų koncentracijos įt
taka katalitiniam fermentų aktyvumui pasireiškia jo aktyvaus centro poveikiu. Prie skirtingų pH reikšmių reakcinėje terpėje aktyvusis centras gali būti stipriau ar silpniau jonizuotas, daugiau ar mažiau priklausomas nuo kamyninių polipeptidų grandinės fermentų baltyminių dalių ir t.t. Terpės pH įtakoja substrato, fermentų-substratų komplekso, reakcijos produktų jonizacijos laipsnį, įtakoja fermento būseną, nustatant jame katijoninių ir anijoninių centrų sąveiką, kas veikia baltyminės molekulės struktūrą.

Specifiškumas – viena ypatingų fermentų savybių. Ši savybė buvo atrasta dar 19 a., kai buvo pastebėta, kad labai artimos struktūros substancijos – erdviniai izomerai (α- ir β-metilgliukozidai) yra skaidomi dviem visiškai skirtingais fermentais. Tokiu būdu fermentai gali atskirti cheminius junginius, besiskiriančius vieni nuo kitų nereikšmingomis struktūrinėmis detalėmis, pvz. tokiomis kaip erdvinė metoksilio radikalo ir vandenilio atomo padėtis prie 1 dioksidinio metilgliukozoido molekulės atomo.

1894 m. E.Fišeris remdamasis tuo, kad fermento veikimo specifiką lemia substrato geometrinės struktūros ir fermento aktyvaus centro griežtas atitikimas, suformulavo sekantį išsireiškimą: “fermentas tinka substratui, kaip raktas spynai.”

50-taisiais 20 a. metais šis statiškas įsitikinmas buvo pakeistas D.Košlando hipoteze apie indukuoto substrato ir fermento atitikimą. Jos esmė yra tame, .kad erdvinis substrato ir fermento aktyvaus centro atitikimas susikuria jų tarpusavio sąveikos momentu, kas gali būti išreikšta formule: “pirštinė-ranka”. Tuo tarpu substrate jau deformuojasi kai kurie valentiniai(1) ryšiai, ir jis ruošiasi tolesniam katalitiniam kitimui, o fermento mo
olekulėje įvyksta konformaciniai persitvarkymai. Košlando hipotezė, paremta aktyvaus fermento centro lankstumo teze, patenkinamai aiškino fermentų veikimo aktyvavimą ir inhibiciją ir jų aktyvumo reguliamimą veikiant įvairiems faktoriams. Konkrečiai, fermento konformacinius persitvarkymus vykstant jo aktyvumo kitimams Košlandas palygino su voratinklio vibravimu, kai į jį patenka grobis (substratas), pabrėždamas tuo fermento struktūros labilumą katalitinio akto procese.

Šiuo metu Košlando hipotezė yra išstumiama topocheminio atititkimo hipotezės. Išsaugodama pagrindines Košlando teorijos tezes, ji fiksuoja tai, kad fermentų veikimo specifiką galima paaiškinti visų pirma tos substrato dalies, kuri nesikeičia vykstant katalizei, pažinimu. Tarp šios substrato dalies ir fermento substratinio centro įvyksta įvairios taškinės hidrofobinės sąveikos ir vandeniliniai ryšiai.3. Fermentų struktūra

Fermentai gali būti vienakomponenčiais, paprastaisiais baltymais ir dvikomponenčiais, sudėtingaisiais baltymais. Antruoju atveju randame papildoma nebaltyminės kilmės grupę. Skirtingu metu atsirado įvairūs baltymų dalies ir papildomos grupės dvikomponenčiuose fermentuose pavadinimai. Visi jie iki šiol naudojami literatūroje:

Fermentas Baltyminė dalis Papildoma grupė

Simpleksas Feronas (nešėjas) Agonas (aktyvioji grupė)

Chlorofermentas Apofermentas Kofermentas

Papildomą grupę, tvirtai susietą, neskiriamą nuo baltyminės dalies, vadina prostetine grupe; tuo tarpu papildomą grupę, kuri yra lengvai atskiriama nuo apofermento ir sugeba egzistuoti nepriklausomai, vadina kofermentu.

Svarbiausių kofermentų cheminė prigimtis buvo išaiškinta 30-taisiais 20 amžiaus metais O.Varburgo, R.Kuno, P.Karero ir kt. darbuose. Pasirodė, kad kofermentų vaidmenį dvikomponenčiuose fermentuose atlieka dauguma vitaminų (E, K, Q, B1, B2, B6, B12, C, H ir kt.) ar jų junginių (koenzimas A, HAD+ ir pan.), HS-glutationas, panašūs junginiai, gausi nukleotidų grupė, fosforiniai kai kurių monosacharidų eteriai ir eilė kitų medžiagų.

Dvikomponenčiams fermentams yra būdinga tai, kad nei jų baltyminė dali, nei papildoma grupė neturi pastebimo katalitinio aktyvumo, o tik jų kompleksas pasireiškia fermantacinėmis savybėmis. Tačiau baltymas smarkiai padidina papildomos grupės katalitinį aktyvumą, kuris laisvame stovyje jai nėra būdingas. Papildoma grupė stabilizuoja baltyminę dalį ir daro ją atsparesne denaturuojantiems agentams. Tokiu būdu, nors katalitinės funkcijos atlikėjas yra prostetinė grupė, sudaranti katalitinį centrą, jos veikimas neįmanomas be fermento baltyminės dalies polipeptidinių fragmentų dalyvavimo. Apofermentas turi dalį, vadinama specifine struktūra, rinktinai surišančia kofermentą. Tai taip vadinamas kofermentą rišantis domenas; jos struktūra, skirtingų apofermentų, besijungiančių su tuo pačiu kofermentu, tarpe yra labai panaši. Pvz. tokios yra erdvinės nuokleotidų rišamųjų domenų iš dehidrogenazių eilės struktūros.

Kitaip yra su vienkomponenčiais fermentais, kurie neturi papildomos grupės, kuri galėtų betarpiškai kontaktuoti su keičiamu junginiu. Šią funkciją atlieka baltyminės molekulės dalis, vadinama katalitiniu centru. Tariama, kad katalitinis vienakomponenčio fermento centras – tai unikalus kelių aminorūgštinių likučių derinys, esantis tam tikroje baltyminės molekulės dalyje.

Aminorūgštiniai likučiai, sudarantys katalitinį centrą vienakomponenčiame fermente, išdėstyti skirtinguose vieningos polipeptidų grandinės taškuose. Todėl katalitinis centras susidaro tuo momentu, kai baltymų molekulė įgauna jai būdingą tretinę struktūrą. Vadinasi, fermento tretinės struktūros pakitimas, veikiant vieniems ar kitiems faktoriams, gali sąlygoti katalitinio centro deformaciją ir fermentatinio aktyvumo pakitimą. Be katalitinio centro fermentuose būna dar 2 centrai: substratinis ir alosterinis.

Substratinis centras tai fermento molekulės dalis, atsakanti už substrato, patyrusio fermentinius virsmus, prisijungimą. Dažnai ši dalis vadinama fermento “inkarine aikštele”, kur substratas sustoja kaip laivas išmetęs inkarą. Paskutinių metų tyrimai parodė, jog čia turi nemažos reikšmės hidrofobinės sąveikos jėgos ir vandaniliniai ryšiai, kurie atsiranda tarp aminorūgščių radikalų likučių fermento substratiniame centre ir atatinkamomis grupuotėmis substrato molekulėje.

Neverta absoliutizuoti substratinio ir katalitinio centro savokų. Realiai substratinis centras gali sutapti arba persidengti su katalitiniu. Katalitinis gali baigti formuotis substrato prisijungimo metu. Todėl dažnai kalbama apie fermento aktyvųjį centrą, kuris apjungia savyje abudu.

Alosterinis centras – tai fermento molekulės dalis, prie kurios prisijungus substratui turinčiam mažai ar daug molekulių, pasikeičia baltymo molekulės tretinė struktūra. Ko pasekoje kinta aktyvaus centro konfigūracija, kas sukelia fermento katalitinio aktyvumo kitimą. Šis reiškinys yra fermentų kat.alitinio aktyvumo alosterinio reguliavimo pagrindas.

Fermentū molekulinių masių reikšmės kinta nuo kelių tūkstančių iki kelių milijonų. Gamtoje randama fermentų, kurių molekulinės masės nėra didelės (iki 50 000). Tačiau dauguma turi didesnes, sudarytas iš subvienetų. Taip katalazė (M – 25 100) turi savyje 6 protomerus (po M – 42 000). Fermento greitinančio ribonukleininių rūgščių sintezės reakciją molekulė (M – 400 000) turi 6 nelygius subvienetus, pilna glumatdehidrogenazės molekulė, pagreitinanti glutamino rūgšties procesą (M – 336 000) sudaryta iš 6 subvienetų po (M – 56 000)

Yra daug protomerų komponavimo į multimerus būdų.Labai svarbu, kad fermentas sudarytas iš subvienetų parodo maksimalų katalitinį aktyvumą būtent kaip multimeras: disociacija i protomerus smarkiai sumažina fermento aktyvumą. Ne visi fermentai-multimerai sudaryti iš katalitiškai aktyvių protomerų. Kartu su katalitiniais, jų sudėtyje rasti reguliuojantys subvienetai, kaip pavyzdžiui aspartatkarbomiltransferazėje. Tarp fermentų-multimerų galime aptikti dimerus ir tetramerus (jų yra keli šimtai), mažiau paplitę yra heksamerai ir oktamerai, labai retai sutinkame trimerus ir pentamerus.

Fermentai-multimerai tam tikrais atvejais sudaryti iš dviejų tipų subvienetų, sąlyginai pažymimų A ir B. Jie panašūs tarpusavyje, tačiau skiriasi pirminės ir tretinės struktūros detalėmis. Priklausomai nuo A ir B tipo protomerų sąveikos, multimeras gali egzistuoti kelių izomerų pavidalu, kurie vadinami izozimais. Šitaip prie 4 subvienetų yra įmanomi 5 izozimai:

I II III IV V

AAAA AAAB AABB ABBB BBBB

Šiuo metu labai padidėjęs susidomėjimas izozimais. Pasirodė, jog be genetiškai determinuotų izozimų yra didelė fermentų grupė, turinti daugybę formų, susidarančių jų posttransliacinės modifikacijos rezultate. Daugybinės fermentų formos ir izozimai konkrečiai naudojami diagnozuojant ligas medicinoje, prognozuojant gyvūnų produktyvumą, parenkant tėvų poras kryžminant, tam, kad pasiekti normalios heterozės pas palikuonis.

Erdvinės fermentų organizacijos reikšmė ypač išryškėja tiriant multienzimus, t.y. fermentus, turinčius galimybę tuo pačiu metu pagreitinti kelias chemines reakcija ir vykdyti sudėtingus substrato virsmus. Kai multienziminis kompleksas aptarnauja vieningą, daugiapakopį biocheminių virsmų procesą, jis vadinamas metabolonu (nuo žodžio metabolizmas – medžiagų apykaita). Tokie yra glikolizės, eilės aminorūgščių biosintezės, eilės dikarbonatinių ir trikarbonatinių rūgščių metabolonai.

Laike ir erdvėje suderintos visų trijų rūšių į jo sudėtį įeinančių fermentų veiklos rezultate, multienzimas didžiuliu greičiu vykdo rūgšties virsmą. Būtent katalitinio proceso korporatyviniame charakteryje ir slypi biokaltalizatorių skirtumas nuo neorganinės prigimties katalizatorių, būtent todėl biokatalizatorių intensyvumas tūkstančius kartų viršyja neorganinių katalizatorių veikimo galią.

Palyginus neseniai išaiškintas dar vienas fermentų sudėties bruožas: kaikurie jų yra pusiaufunkcionalūs, t.y. turi kelis enzimatinius aktyvumus, tačiau tik polipeptidinės grandinės principu. Ši vieninga grandinė, formuojantis tretinei struktūrai, sudaro kelias funkcionaliai ir steriškai atskirtas globuliarines sritis – domenus, kurių kiekvienas charakterizuojamas savuoju katalitiniu aktyvumu.

Tiriant multienziminius kompleksus ir pusiaufunkcionalius fermentus pavyko išskirti pagrindinį fermentatinės katalizės ypatumą – reakcijos produktų nuo vieno katalitinės sistemos komponento prie kito estafetinį perdavimą, jų neišlaisvinant.

4. Fermentų nomenklatūra

Fermentologija labai ilgai netūrėjo griežtai mokslinės fermentų nomenklatūros. Fermentus vadindavo remiantis atsitiktiniais požymiais (trivialinė nomenklatūra), substrato pavadinimu (racionali), chemine fermento sandara, katalitinės reakcijos tipu ir substrato požymiu.

Trivialinės nomenklatūros pavyzdžiais galime pavadinti pepsiną (gr. pepsis – viškinimas), tripsiną (gr. tripsis – skystinimas), i.r papainą (nuo melioninio medžio Carica papaja, iš kurio sulčių jis padarytas). Pagal savo veikimo principą šie fermentai vadinami proteolitiniais t.y. jie greitina proteinų hidrolizę. Charakteringą pavadinimą turi grupė pigmentuotų ląstelės vidaus fermentų, pagreitinančių regeneruojančias reakcijas – citochromai (gr. cito – ląstelę, chroma – spalva)

Labiausiai paplitusi yra racionalioji nomenklatūra, pagal kurią f

. . .

6. Fermentų lokalizacija ląstelėje

Pagrindinis fermentų skirtumas nuo nebiologinės kilmės katalizatorių yra jų veikimo korporatyvinis būdas. Pav.ienės fermento molekulės lygyje korporatyvinis principas realizuojamas substratinio, aktyvaus ir alosterinio centrų subtilios sąveikos pagalba. Tačiau kur kas didesnę reikšmę turi korporacinis reakcijų vykdymas fermentų asamblejų lygmenyje. Būtent fermentų sistemų – multienziminių kompleksų arba dar sudėtingesnių metabolonų, parūpinančių katalitinius visų vieningo metabolinio ciklo dalyvių virsmus – dėka ląstelėse didesniu greičiu vyksta daugiastadiniai kaip skilimo taip ir organinių molekulių sintezės procesai. Fermentinė katalizė daugiastadinėse reakcijose vyksta be tarpinių produktų išskyrimo – tik atsiradę jie iškarto virsta kitais. Tai įmanoma tik todėl, kad ląstelienoje fermentai paskirstyti ne chaotiškai, bet griežta tvarka. Ląstelė traktuojama kaip aukštos organizacijos sistema, kurios atskirose dalyse vyksta griežtai apibrėžti biocheminiai procesai. Priklausomai nuo priskyrimo tam tikroms subląstelinėms dalelėms ar kompartmentams, jose lokalizuoti tam tikri individualieji fermentai, multienziminiai kompleksai, polifunkciniai fermentai ir sudėtingiausi metabolonai. Įvairios hidrolazės ir liazės sukauptos pagrinde lizosomose. Šių nedidukų burbuliukų, atribotu membranomis nuo ląstelės gialoplazmos, viduje vyksta įvairių organinių junginių destrukcijos procesai iki paprasčiausių struktūrinių vienetų iš kurių jie susidaro. Sudėtingi oksidacijos-regeneracijos fermentų ansambliai, tokie, kaip pavyzdžiui citochromų schema, lokalizuoti mitochondrijose. Tose pačiose subląstelinėse dalelėse lokalizuotas dikarboninių ir trikarboninių fermentų rinkinys. Aminorūgščių aktyvizacijos fermantai yra gialoplazmoje, o taip pat branduolyje. Gialoplazmoje išdėstyti glikolizės metabolonai, struktūriškai apjungti su pentozofosfatinio ciklo metabolonais, kas lemia dichotominio ir apotominio angliavandenilio skilimo kelių sąveiką. Tuo pačiu fermentai, greitinantys aminorūgštinių likučių pernešimą į augantį polipeptidinės grandies galą ir katalizuojantys kai kurias kitas reakcijas baltymo biosintezės procese, sutelkti ląstelės ribosomų aparate. Nukleotidiltransferazės, pagreitinančios nukleotidinių liekanų pernešimą atsinaujinant nukleininėms rūgštims, lokalizuotos pagrinde branduolyje. Tokiu būdu fermentų sistemos, sutelktos tam tikrose struktūrose, dalyvauja atskirų reakcijų ciklų vykdyme. Kadangi jos subtiliai koordinuotos tarpusavyje, šie atskiri reakcijų ciklai lemia ląstelių, organų, audinių ir organizmo apskritai gyvybinę funkciją.

6. Literatūros sąrašas:

1. ЧЕРНОВ Н.Н. ФЕРМЕНТЫ В КЛЕТКЕ И ПРОБИРКЕ. http://www.issep.rssi.ru/sej_str/ST79.htm

2. Формирование понятия “фермент” в школьном курсе биологии и связь с школьным курсом химии. http://www.examen.ru/Examine.nsf/Display?OpenAgent&Pagename=defacto.html&catdoc_id=E1C161A4EEBA554AC3256A02003ECB38&rootid=BCD8A4FC42508700C3256A39005E8AE6

3. Роль ферментов. http://www.us-in.net/enzymes.htm

4. Власова З.А. Биология. Справочник школьника. М., всероссийское слово, 1995

5. Хомченко Г.Л. Химия для поступающих в ВУЗы. Учебное пособие. М., Высшая школа, 1993

6. Биологический энциклопедический словарь. Под редакцией Гилярова М.С. М., Советская энциклопедия, 1987.

Join the Conversation

×
×