Ферменттік препараттарды алу және қолдану

Бұл класстар ғылыми жіктелудің шифрлік жүйесі бойынша негізін  құрайды. Шифрлік жүйеде әрбір ферментке  жеке шифрлар беліледі. Мысалы, уреазаның  шифры – 3.5.1.5. Бұл уреазаның 3 класқа (гидролазалар классы –бірінші сан  бойынша) 3 класстың кіші класындағы фермент (екінші сан 5) – олар пептидтік емес – С – N – байланыстардың гидролизін катализдейді, үшінші сан 1кіші кіші кластың ферменті – сызықты амидтерің гидролизін катализдейтін ферменттер және соңғы 5 саны кіші кіші кластағы уреазаның реттік номерін көрсетеді. Сондықтан, шифр жалпы тізімдегі ферментті абсолютті дәл анықтауға мүмкіндік береді.

Ферменттердің жасушада шоғырлануы (компартменттелуі).

Жасушада ферменттер бейберекет емес, керісінше, қатаң түрде белгілі  бір тәртіппен орналасқан. Қазіргі  кезеңдегі көзқарас бойынша жасуша бұл жоғары ұйымдастырылған жүйе болып табылады және оның жекеленген бөліктерінде қатаң түрде белгілі  бір биохимиялық процестер өтеді. Бұл процестердің жасушаның қандайда бір субжасушалық бөліктерге (компартменттерге бекітілуіне байланысты оларда қандай да бір жекеленген ферменттер мультиэнзимдік комплекстер шоғырланған болады.

Лизосомаларда әртүрлі гидролазалар мен лиазалар басым мөлшерде кездеседі. Бұл жасушаның гиалоплазмасынан мембранамен қоршалған салыстырмалы кіші (диаметрі небары бірнеше нанометр)  көпіршіктерде әртүрлі органикалық  қосылыстардың оларды құрастырған  қарапайым құрылымдық бірліктерге  дейін деқұрылымдану процестері өтеді.Тотығу–тотықсызданудың күрделі  топтасуының ферменттері, мысалы, цитохромдық  жүйенің митохондрияларда орналасқан. Бұл субжасушалы бөлшекте дикарбон және үшкарбон қышқылдарының ферменттері  де шоғырланған. Гиалоплазмада гликолиздің  көптеген метаболондары кездеседі. Рибосомада белоксинтездеуші  жүйенің ферменттері шоғырланады. Нуклеотидтрансфераза ядрода болады.

 
2-ші дәріс. Биокатализаторлар - ферменттер. 
 
Дәрістің жоспары: 

1.  
   Ферменттердің жіктелуі.
2.  
   Ферменттік реакциялардың жылдамдығы.
3.  
   Ферменттің активтілігі.
4.  
   Ферменттің белсенділігінің реттелуі. 
5.  
   Ферменттің қайтымды ковалентті модификациялануы.

Қорытынды  
Биокатализ деп тірі организмдерден жартылай таза немесе өте таза күйінде бөлініп алынған ферменттерді пайдаланып, өзімізге қажетті реакцияларды іске асыруды айтамыз. Ферменттер - биологиялық катализаторлар, тірі табиғаттың бойындағы әртүрлі реакциялардың қарқының ретке келтіріп отырады. Олар өзінің химиялық құрамы жағынан екі түрлі болады. Біреулері тек белоктардан тұрса, екіншісі белоктан және табиғатты әртүрлі жанама топтан тұрады. Біріншісін - протеиндер, соңғысын - протеидтер деп атайды. Жанама топтар ретінде витаминдерден пайда болатын коферменттер мен кофакторлар болады, сонымен қатар жанама топтар күрделі органикалық заттар – нуклеин қышқылдары (нуклеопротеид), май қышқылдары (липопротеид), флавиндер (флавопротеид) және металдар (металлопротеид) болып келуі мүмкін. Кейде жанама топтар қатарынана ферменттердің құрамына кіреді. Мысалы, ксантиноксидаза ферменті гемофлавомолибдопротеин болып табылады.  
 

Кіріспе

Ферменттер адамның, жануарлардың, өсімдіктердің клеткаларында жасалады. Ферменттерді бөліп алу үшін олар көп кездесетін клеткаларды немесе ұлпаларды дұрыс тандап алу керек. 
 
Бөліп алынған таза фермент өзінің ферменттік активтілігімен бағаланады. Мысалы, α-амилазаның активтігін анықтау үшін 25⁰С жағдайында, 1 минут ішінде 1 миллиграм фермент ыдыратқан крахмал мөлшерін анықтау қажет. 
 
Ферменттердін 3 түрлі активтілігін анықтауға болады, олар: жалпы, меншікті және катализдік деп аталады. Ферменттін жалпы активтілігі деп, 25⁰С температурада 1 минут ішінде субстраттың 1 микромолін катализдік реакцияға түсіре алатын фермент мөлшерін айтады. Ферменттердін өзіне тән әртүрлі қасиеттері бар. Олар өзіндік қасиет, фермент әсерінің температураға және рН-ортаға байланыстылығы. 
 
Ферменттің реакцианы тездету қасиеті ол, фермент тек өзінің ғана субстратын байланыстырады және сол субстратты катализдейді. 30-40⁰С жағдайында тірі организмдер әсіресе активті келеді, бұл температурада денгейінен төмен немесе жоғары кезде фермент активтігі бәсендейді. 
 
Ферменттердін активтілігі ортаның рН шамасына байланысты бірден өзгереді. Осылармен қатар ферменттердін активтілігі активаторлар мен ингибиторларға байланысты. 
 
Өмір үшін екі іргетастық жағдай жасалуы керек. Бірінші, өмір сүретін организм өзін-өзі қайтадан құру керек. Екінші, организм таңдап алынған реакцияларды катализдеуге қабілетті болуы керек.  
 
Биохимия тарихының көп бөлігін ферменттердің тарихы деуге болады. Биологиялық катализдерді сипаттау 1700-жылдардың аяғында етті асқаза сөлінің ыдырататынын, ал 1800-жылдары сілекей немесе өсімдік шырындарының крахмалды басқа қосылысқа айналдыратынын байқаудан басталған. 1850-ші жылдары Луи Пастер қантты спиртке айналдыратынын ашытқыларды «ферменттер» деп атаған. Кейінірек, 1897 жылы Эдвард Бюхнер ашытқылардың сұйығы да крахмалды спиртке айналдыратынын ашты. Организм сұйығында осылай реакция катализін іске асыратын молекулаларды Фредерик Кюне «энзимдер» деп атаған. 1926 жылы Джеймс Самнер алғаш рет уреаза ферментін кристалл күйінде бөліп алып, оның нағыз белок екенін көрсетті. Содан кейін 1930 жылы Джон Нортроп пен Мосес Кунитц те пепсин мен трипсин ферменттерін кристаллдап, олардың белоктар екенін дәлелдеді. Сонымен, қазіргі кезде бірқатар каталитикалық РНҚ-дан басқа ферменттердің табиғаты белоктар екені толық дәлелденген. 
 
Басқа да белоктар секілді ферменттердің де молекулалық салмақтары 12000-нан миллионға дейін жетеді. Кейбір ферменттердің молекуласында амин қышқылдарынан басқа химиялық қосылыстар болмайды. Ал, басқа түрлерінің молекуласының құрамына қосымша «кофактор» деп аталатын бейорганикалық (мысалы Fe²⁺, Mg²⁺, Mn²⁺, Zn²⁺) немесе органикалық иондар кіреді.  
 
Осы күнгі белгілі барлық ферменттердің үштен бірі өздерінің катализдік активтігі үшін бір немесе бірнеше металдарды қажет етеді. 
 
Жоғарыда кейбір белоктардың құрамына табиғаты амин қышқылдарынан басқа органикалық қосылыстар кіретінін, және оларды «простетикалық топтар» деп атайтынын айтқанбыз. Ферменттердің құрамына кіретін органикалық немесе металлорганикалық қосылыстарды «коферменттер» деп атайды.  
 
Коферменттер және оларға сәйкес витаминдер

 
Құрамында активтігі үшін қажет кофакторы бар ферменттерді «холофермент» деп, ал оның кофакторсыз бөлігін «апофермент» деп атайды. Көптеген ферменттердің аттары өзі әсер ететін субстратқа, немесе оның активтігін сипаттайтын сөзге «аза»-жұрнағын жалғау арқылы аталады. Мысалы, уреаза мочевинаны ыдыратады («уреа» мочевина деп аударылады), ДНК-полимераза нуклеотидтерді полимеризациялап, ДНҚ-ны түзеді.  
 
Бұрынырақта бірқатар ферменттерге олардың катализдік реакция нақты анықталмағандықтан жалпылама ат берілген. Мысалы, тағамды ыдырататанын ферментті «пепсин» (гректің «пепсис» деген сөзі «қорыту» деген мағынаны білдіреді), «лизоцим» ферменті бактериялардың клетка қабығын ыдырататын («лизис» - «ыдырату» деген сөз) болғандықтан солай аталған. Кейде бір ферменттің бірнеше аттары да болған. Осындай шатасудың салдарынан және жаңа ашылған ферменттрдің саны тоқтаусыз көбейе бергендіктен, биохимиктердің өзара келісімімен ферменттерді атаудың және жіктеудің жаңа жүйесі ендірілді. Ол жүйе бойынша ферменттер 6 класқа, ал жүргізетін реакциясының түріне байланысты олар субкластарға бөлінеді. Мысалы, нитратты нитритке айналдыратын ферментті НАДН-нитратредуктаза (EC 1.6.6.1) деп толық атайды. «EC» - фермент бойынша комиссия (Enzyme Comission) дегенді, «1» цифры - ферменттің бірінші оксидоредуктазалар класына жататынын, «6» цифры - ферменттердің редуктазалар субкласын, екінші «6» цифры – НАДН-ты тотықсыздыратын ферменттерге және келесі «1» цифры электрондарды нитратқа таситын редуктазаларды білдіреді. 
 
Мыңдаған белгілі ферменттердің толық тізімі Биохимиктер мен Молекулярлық Биологтардың Халықаралық Одағының Номенклатура Комитеті арқылы тұрақтандырылып отырады. 
 
^ Биокатлизатолардың халықаралық классификациясы

 
Бір-бірімен жалғыз әлсіз әрекеттесу үшін қажет энергияның жалпы деңгейі бір молекулаға төрттен отызға дейін килоджоуль болып есптеледі. Осындай өзара әрекеттесулерден алынатын жалпы энергия көптеген ферменттердің реакция жылдамдығын арттыруға жұмсалатын энергияны 60-100 килоджоуль/моль-дейін төмендетеді. 
 
Бақылау сұрақтар: 

1.  
   Күрделі биокатализаторлар
2.  
   Коферменттер мен кофакторлар
3.  
   Апоферменттер мен холоферменттер
4.  
   Биокатализаторлардың классификациясы

 
3-ші  дәріс. Биокатализаторлардың молекулалық құрылысы. 
 
Дәрістің жоспары: 

1.  
   Биокатализаторлардың активтік орталығы
2.  
   Субстрат пен өнім түсініктері
3.  
   Фермент-субстрат комплексінің маңызы
4.  
   Ферменттердің жылдамдығы және айналу саны

 
Фермент катализдейтін реакциялардың өзгеше ерекшеліктері сол – олар «активтік орталық» деп аталатын фермент молекуласындағы қалтада жүреді.  
 
 
 
Химотрипсиннің активті молекуласы үш полипептен тұрады және оның активті орталығы 
 
Ферменттің активтік орталығымен байланысқа түсетін және ферменттің әсеріне ұшырайтын молекуланы «субстрат» деп атайды. Активтік орталықтың ішкі беті субстратты байланыстыратын және оны химиялық транформацияға ұшырататын амин қышқылдарының радикалдарынан құралады. Көбінесе активті орталық субстратты ерітіндіден бөліп, оны ішіне ендіріп алады. Ферменттік реакцияның нәтижесінде пайда болған қосылысты «өнім» деп атайды.  
 
Қарапайым ферменттік реакцияны былай өрнектеуге болады: 
 
E + S ES EP E + P 
 
 
 
Фермент Субстрат АктивтіФермент және 
 
(Е) (S) ES-комплексөнімдері 
 
Фермент-субстрат комплексінің құрылуы 
 
E дегеніміз ферментті, ^ S – субстратты және P - өнімді білдіреді. ES және EP фермент пенсубстраттың, фермент пен өнімнің арасындағы өтпелі комплекстер. 
 
Ферменттік катализді қамтамасыз ететін байланыс энергиясы ферментке «арнайылықты» (specifity) береді, яғни фермент субстрат пен онымен таласатын молекулаларды ажырату қабілетіне ие болады. Жалпы арнайылық фермент және оның арнайы субстратының арасында көптеген әлсіз байланыстардың болуы деп айта аламыз. Егер субстраттың молекуласында артық функционалды топ болса ферменттің «қалтасына» сыймайды және ол кері қайтарылады. Субстраттың және ферменттің молекулаларындағы функционалдық топтардың арасындағы көптеген әлсіз байланыстар субстраттың ферментке дәл жол табуына мүмкіндік береді.  
 
Ферменттердің арнайылығының әр түрі болады. Егер фермент субстраттың тек бір ғана түріне реакция жүргіззе – онда оның абсолютті арнайылығы туралы айтады. Абсолюттық арнайышылық та түпкілікті емес секілді. Мысалы, нитрогеназа ферменті тек молекула түріндегі азот газын аммиакқа айналдырады, яғни қос атомды азот молекуласы ол үшін абсолютті субстрат деген сөз. Азот молекуласындағы екі атом бір-бірімен үш ковалентті байланыс арқылы біріккендіктен, оны үзу өте қиын, сондықтан азот газы өте жоғары инерттілік көрсетеді. Кейінірек нитрогеназаның абсолюттік арнайылығы үш коваленттік байланысқа бағытталғаны да анықталды. Өйткені бұл фермент құрамындағы екі көміртегі атомы бір-бірімен үш коваленттік байланыспен біріккен ацетиленді оп-оңай этан газына айналдырады екен.  
 
N≡N à NH₃, HC≡CH à H₃C-CH₃  
 
молекулалық азот ацетилен 
 
Кейде ферменттер субстраттың молекула түріне емес, ондағы байланысқа және оған қатысатын атомдар түріне байланысты әсер ететін болса топтық арнайылық деп айтуға болады. Мысалы, пепсин ферменті полипептидтердің түрі мен қызметіне қарамай, тек олардың пептидтік байланысын үзеді, яғни оған әртүрлі полипептидтер жалпы субстрат болып табылады.  
 
Сонымен қатар, стереохимиялық арнайылық (стереоспецифичность) та ферменттерге тән және ол табиғатта химиялық қосылыстардың L- және D–формадағы оптикалық изомерлерінің болуына байланысты. Мысалы, глутаматсинтетаза ферменті аммиак пен α-кетоглутараттан тек L-глутамин қышқылын синтездейді. 
 
Әр ферментің тек белгілі бір қосылысты реакцияға түсіретінін зерттеген ғалым Эмиль Фишер 1894 жылы фермент пен субстраттың бір-біріне комплементарлығын (сәйкестігін) құлып пен кілттің бір-біріне сәйкестігімен ұқсастырды. Бірақ, «құлып-кілт» гипотезасы толық өміршең болып шықпады. Өткен ғасырдың 40-шы жылдардың өзінде Л. Полинг фермент өзіне тән реакцияны катализдеу үшін реакциялық өтпелі қалыпқа ену керек деген еді. Яғни, фермент пен субстраттың арасындағы ең тиімді әрекеттесу тек ферменттің өтпелі қалыпында бола алады. 
 
Көптеген органикалық реакциялар протон-донорларынан (жалпы қышқылдар) немесе протон-акцепторларынан (жалпы негіздер) басталады. Кейбір ферменттердің активтік орталығында амин қышқылдарынан болатын функционалды топтар болады – олар катализдік процестерге протон-доноры немесе протон-акцепторы ретінде қатысады. 
 
Ферменттің қызметінде айналу саны деген түсінік бар. Ол фермент субстратпен қаныққан кезде ферменттің бір молекуласының берілген уақыт бірлігінде өнімге айналдырған субстрат молекуласының санын көрсетеді. Төменде кейбір ферменттердің айналу саны көрсетілген

 
Кейбір ферменттердің ежелгі аттары. Ферменттердің қазіргі энзимологиядағы  аталу принциптері. Ферменттерді кластарға жіктелу принциптері

1.  
   Оксидоредуктазалар, олардың өкілдері, оларды практикада пайдалану мүмкіндіктері.
2.  
   Гидролазалардың маңызды өкілдері, оларды практикада пайдалану мүмкіндіктері. 
3.  
   Изомеразалар, олардың маңызды өкілдері, оларды практикада пайдалану мүмкіндіктері. 
4.  
   Гидролазалардың маңызды өкілдері, оларды практикада пайдалану мүмкіндіктері. 
5.  
   Трансферазалар, олардың маңызды өкілдері, оларды практикада пайдалану мүмкіндіктері. 
6.  
   Лигазалар мен лиазалар, олардың маңызды өкілдері, оларды практикада пайдалану мүмкіндіктері.

 
Биохимия тарихының көп бөлігін  ферменттердің тарихы деуге болады. Биологиялық катализдерді сипаттау 1700-жылдардың аяғында етті асқаза сөлінің ыдырататынын, ал 1800-жылдары  сілекей немесе өсімдік шырындарының крахмалды басқа қосылысқа айналдыратынын байқаудан басталған. 1850-ші жылдары  Луи Пастер қантты спиртке айналдыратынын ашытқыларды «ферменттер» деп атаған. Кейінірек, 1897 жылы Эдвард Бюхнер ашытқылардың сұйығы да крахмалды спиртке айналдыратынын ашты. Организм сұйығында осылай реакция катализін іске асыратын молекулаларды Фредерик Кюне «энзимдер» деп атаған. 1926 жылы Джеймс Самнер алғаш рет уреаза ферментін кристалл күйінде бөліп алып, оның нағыз белок екенін көрсетті. Содан кейін 1930 жылы Джон Нортроп пен Мосес Кунитц те пепсин мен трипсин ферменттерін кристаллдап, олардың белоктар екенін дәлелдеді. Сонымен, қазіргі кезде бірқатар каталитикалық РНҚ-дан басқа ферменттердің табиғаты белоктар екені толық дәлелденген.