Ֆերմենտ
Ֆերմենտները կամ էնզիմները (լատ.՝ fermentum, հուն.՝ ζύμη, ἔνζυμον — խմորիչ, թթխմոր),
սովորաբար սպիտակուցային մոլեկուլներ, ՌՆԹ մոլեկուլներ (ռիբոզիմներ)
կամ դրանց խմբեր (կոմպլեքսներ) են, որոնք արագացնում են կենդանի օրգանիզմներում
ընթացող քիմիական ռեակցիաները: Էնզիմային ռեակցիայի ընթացքում փոխակերպվող
մոլեկուլները կոչվում են սուբստրատներ,
իսկ կառուցվողները՝ արդյունքներ։
Կենդանի օրգանիզմները կարող
են գոյություն ունենալ միայն շնորհիվ իրենց եզակի հատկության՝ կինետիկորեն
վերահսկելքիմիական
ռեակցիաները և ըստ այդմ ճնշել թերմոդինամիկ
հավասարակշռության ձգտումը: Ոչ քիչ կարևոր դեր այստեղ ունեն
կենսաբանական կատալիզատորները,
որոնք ցուցաբերում են կատալիտիկ ակտիվություն և որոնց թիվը, թերևս, համընկնում է
հայտնի կենսաքիմիական ռեակցիաների թվի հետ:
Ընդհանուր բնութագիր
Ներկայում կենսաբանական օբյեկտներում հայտնաբերվում է մի քանի հազար ֆերմենտ և
դրանցից մի քանի հարյուրը լավ ուսումնասիրված են: Հայտնի է, որ կենդանի բջիջը կարող է պարունակել մինչև 1000
տարբեր ֆերմենտներ, որոնցից յուրաքանչյուրը կատալիզում է այս կամ այն ռեակցիան:
Ֆերմենտները մի շարք հատկություններով խիստ տարբերվում են անօրգանական
կատալիզատորներից, թեև և' մեկը, և' մյուսը արագացնում են քիմիական պրոցեսները
հավասարակշռության հասցնելու ընթացքում և նոր ռեակցիաներ են առաջացնում: Ի
տարբերություն անօրգանականների, կենսակատալիզատորներն ընդգծված ինտենսիվությամբ
իրենց գործն անում են մեղմ պայմաններում` (ցածր ջերմաստիճան, նորմալ ճնշում, միջավայրի ոչ
բարձր pH):
Այսպես, սպիտակուցի հիդրոլիտիկ
տրոհումը ամինաթթուների անօրգանական
կատալիզատորների առկայության և 100 °C և բարձր ջերմաստիճանի պարագայում տեղի
է ունենում մի քանի տասնյակ ժամում: Իսկ յուրօրինակ ֆերմենտի առկայության ժամանակ,
ընդամենը 30-40 °C ջերմաստիճանում կատարվում է մի քանի տասնյակ րոպեի
ընթացքում: Այսպիսով, ֆերմենտները ցուցաբերում են բարձր կատալիտիկ հատկություն:
Երկրորդ առանձնահատկությունը՝ ցուցաբերում են անսովոր բարձր յուրահատկություն:
Յուրաքանչյուր ֆերմենտ որպես կանոն արագացնում է մեկ քիմիական ռեակցիա կամ
ծայրահեղ դեպքում մեկ տեսակի ռեակցիայի խումբ:
Վերջապես կենսակատալիզատորների և անօրգանական կատալիզատորների միջև եղած
տարբերությունը կապված է ֆերմենտի սպիտակուցի բնույթի հետ: Դա վերաբերում է
ջերմունակության կախվածությանը, կախվածությունը միջավայրի pH-ից և ակտիվատորների
ուինհիբիտորների առկայությունից:
Կոոպերատիվությունը (կոոպերատիվ փոխազդեցությունը) ներգործման կոշտ ծրագրավորումը,
որոնցով էլ կենսակատալիզի մեխանիզմը տարբերվում է այլ բնույթի կատալիզատորներից:
Բնության մեջ
ֆերմենտների կատալիտիկ ներգործությամբ իրականանում է՝
1. հիդրոլիզ
2. ֆոսֆորոլիզ
3. տարբեր խմբերի տեղափոխություն(մեթիլ
ռադիկալի, ֆոսֆորական
թթվի մնացորդի և այլն)
4. օքսիդացում և վերականգնում
6. իզոմերիզացիա և
այլն:
Ֆերմենտների և դեղամիջոցների կոնտակտի
շնորհիվ տեղի ունեցող պրոցեսները նպաստում են օրգանիզմի առողջացմանը:
Միաժամանակ մանրէների, թունանյութերի (տոքսիների)
ազդեցության հետևանքով ֆերմենտատիվ պրոցեսների փոփոխությունը հանգեցնում է
օրգանիզմի վախճանի: Մի շարք ֆերմենտների ընդգծված կառուցվածքային տարբերությունը
որոշում է օրգանիզմների տեսակների առանձնահատկությունները, իսկ կենսասինթեզի խախտումն
առաջացնում է ժառանգական և այլ հիվանդություններ:
Պետք է նշել, որ որոշակի պայմաններում անջատված ֆերմենտները կատալիտիկ
ակտիվությունը չեն կորցնում: Սինթեզի իրականացումը բարձր ընտրողականության
ֆերմենտի մասնակցությունը, որն արագացնում է միայն անհրաժեշտ նյութի առաջացումը,
պարզեցնում է տեխնոլոգիական ռեժիմը (այլապես կստացվեր նյութերի խառնուրդ, որը
հետագայում հարկավոր կլիներ անջատել): Բացի դրանից, մի շարք ռեակցիաներ դեռ
ընդհանրապես հնարավոր չէ իրականցնել ֆերմենտներից բացի որևէ այլ կատալիզատորներով:
Այդպիսիններից են, օրինակ, դեղամիջոցների ստացման ժամանակ ընթացող ստերոիդների տրանսֆորմացիաները:
Անջատման և մաքրման մեթոդներ
Թեև լաբորատոր պայմաններում իրականացվել են 5-6 ֆերմենտների՝ ռիբոնուկլեազի, լիզոսոմի և ցիտոքրոմի սինթեզը,
այնուամենայնիվ սինթեզի թանկության և բարդության պատճառով ֆերմենտների ստացման
իրական ճանապարհը կենսաբանական օբյեկտներից նրանց առանձնացումն է: Առանձնացնում են
նույն մեթոդներով, որոնցով ևսպիտակուցները, չնայած
ֆերմենտների համար գոյություն ունեն այլ միջոցներ, օրինակ՝ էքստրակցիա գլիցերինով,
ինչպես նաև ադսորբենտից էլյուցիայի (հանելու)
մեթոդով: Լայնորեն օգտագործվում է իոնափոխանակիչ
քրոմատոգրաֆիան, մոլեկուլյար մաղերի մեթոդը, էլեկտրոֆորեզը:
Ֆերմենտների անջատման համար անհրաժեշտ է բջջային նյութի խիստ մանրացում, մինչև
ենթաբջջի քայքայումը, ռիբոսոմ, միտոքոնդրումից, միջուկ և
այլն, որոնք իրենց բաղադրությունում պարունակում են շատ ֆերմենտներ: Անջատման
ընթացքում ֆերմենտների դենատուրացիան բացառելու
համար ավելացնում են S-H պարունակող նյութեր (ցիստեին, գլուտատիոն, մերկապտաէթանոլ և
այլն): Անհրաժեշտ է պահպանել ցածր ջերմաստիճան, քանի
որ շատ ֆերմենտներ նույնիսկ 80 °C-ում կորցնում են ակտիվությունը
(ֆերմենտատիվ):
Պրեպարատիվ բաժանումը լավ է ստացվում, երբ ֆերմենտները 1%ից շատ են: Այդպես միկրոօրգանիզմներից ստանում
են օրինակ պրոտեազան, լիպազան, ամիլազան,
թթու և հիմնային ֆոսֆարազաներ, ասպարգինազան և
այլն: Ֆերմենտների մաքրության աստիճանը որոշվում է կենսաբանական ակտիվությամբ: Եթե
հետագա մաքրման ընթացքում ակտիվությունը չի փոխվում, նշանակում է հոմոգեն է
(մաքուր է):
Կառուցվածք
Ըստ կառուցվածքի ֆերմենտները կարող են լինել միակոմպոնենտներ՝ պարզ
սպիտակուցներ և երկկոմպոնենտներ՝ բարդ սպիտակուցներ: Սակայն այս բաժանմանը պետք է
զգույշ մոտենալ, քանի որ հաճախ շատ ֆերմենտների մոտ լրացուցիչ խմբերը (այդ թվով մետաղների իոններ) 1% են կազմում, որը
երբեմն դժվար է հայտնաբերել: (Մետաղի իոններ պարունակող ֆերմենտներ հանդիսանում են տրիպսինը, քիմոտրիպսինը):
Ներկայուս ֆերմենտները ամբողջությամբ անվանում են հոլոֆերմենտ,
սպիտակուցային մասը՝ ապոֆերմենտ,
լրացուցիչ խումբը՝ կոֆերմենտ:
Սպիտակուցային հիմնականում կովալենտ
կապով, երբեմն ջրածնական
կապերով, հիդրոֆոբ, իոն-իոն փոխազդեցություններով միացած խումբը
կոչվում է պրոսթետիկ:
Ապոֆերմենտից հեշտ անջատվող և ինքնուրույն գոյություն ունենալու հատկություն
ունեցող խումբը կոչվում է կոֆերմենտ: Պարզվեց, որ երկկոմպոնենտ ֆերմենտների մեջ
կոֆերմենտների դեր խաղում են վիտամինները (E, K,
Q, B2, B1, B6, B12, C, H և այլն) կամ միացություններ, որոնք կազմված են
վիտամինների մասնակցությամբ (կոենիզմ-A,
HAD):
Կատալիտիկ ակտիվությամբ օժտված է միայն երկկոմպոնենտանոց կոմպլեքսը, իսկ ոչ
սպիտակուցը, ոչ էլ լրացուցիչ խումբը առանձին կատալիտիկ ակտիվություն չունեն:
Այլ է միակոմպոնենտանոց, առանց լրացուցիչ խմբի ֆերմենտի գոյության հարցը, որը
փոխարկվող նյութի հետ կարող է մտնել կոնտակտի մեջ: Այդ ֆերմենտը կատարում է
սպիտակուցի մոլեկուլի այն մասը, որը կոչվում է ակտիվ
կենտրոն:
Ընդունում են, որ միակոմպոնենտանոց ֆերմենտների ակտիվ կենտրոնը սպիտակուցի
կառուցվածքի տարբեր մասերում գտնվող մի քանի ամինաթթվային մնացորդների համադրում
է: Այստեղից հետևում է, որ երրորդային կառուցվածքի փոփոխման հետևանքով
ամինաթթվային մնացորդների հեռացումն իրարից կբերի ֆերմենտատիվ ակտիվության
փոփոխում: Բացի կատալիտիկ կենտրոնից, որն առաջանում է ամինաթթվային մնացորդներից
կամ կոֆերմենտի միացումով, ֆերմենտները պարունակում են ևս 2 կենտրոն՝
Սուբստրատային կենտրոնի տակ հասկանում են ֆերմենտի մոլեկուլի այն տեղամասը,
որն իրեն միացնում է ֆերմենտատիվ փոխարկման ենթարկվող սուբստրատին:
Բայց ակտիվ և սուբստրատի կենտրոնները չպետք է բացարձակացնել, ռեալ
ֆերմենտներում հաճախ S-ի կենտրոնը ակտիվ կենտրոնի հետ համընկնում է: Ավելին՝ ակտիվ
կենտրոնը կարող է ձևավորվել S-ի միանալուց հետո: Դրա համար էլ հաճախ ակտիվ
կենտրոնն այդ 2-ի համադրումն է:
Ալլոստետիկ կենտրոնն իրենից ներկայացնում է ֆերմենտի մոլեկուլի այն տեղամասը,
որտեղ միանում է ցմմ հաճախ բմմ, որի
արդյունքում առաջանում է երրորդային կառուցվածք: Այդ միացման հետևանքով ակտիվ
կենտրոնի կոնֆիգուրացիան ուղեկցվում է ֆերմենտի կատալիտիկ ակտիվության իջեցմամբ
կամ մեծացմամբ: Այս երևույթն ընկած է ֆերմենտների կատալիտիկ ակտիվության այսպես
կոչված ալլոստերիկ կարգավորման հիմքում:
Ֆերմենտների մոլային
զանգվածը տատանվում է մի քանի հազարից մի քանի միլիոնների միջև: Սակայն
գոյություն ունեն ավելի մեծ մոլ զանգված ունեցող ֆերմենտներ: Օր.գլուտադեհիդրոգենազան(M=2*106)
կազմված է 6 ֆրագմենտներից(M=-336000), որոնցից յուրաքանչյուրը կազմված է 6
ենթամիավորներից 52000 մոլ զանգվածով:
Շատ կարևոր է, որ ենթամիավորներով կազմված ֆերմենտները հանդես են բերում
մաքսիմում կատալիտիկ ակտիվություն, հատկապես մուլտիմեր վիճակում: Իսկ դիսոցումը
մինչևպրոմոտորներ,
խիստ իջեցնում է կատալիտիկ ակտիվությունը:
Ֆերմենտների տարածական կազմավորումների նշանակությունը ի հայտ է գալիս
հատկապես մուլտիէնզիմների ուսումնասիրության ժամանակ, որոնք ընդունակ են
միաժամանակ արագացնել մի քանի քիմիական ռեակցիաներ: Օր. նրանցից մեկը(E1) արագացնում
է պիրոխաղողաթթվի դեկարբօքսիլացումը,
երկրորդ, երրորդ ֆերմենտները կատալիզում են պիրոխաղողաթթվի օքս-ռեդ պրոցեսները:
Արդյունքում կարճ ժամանակահատվածում և տարածության մեջ այդ ֆերմենտների
ազդեցության տակ իրագործվում է պիրոխաղողաթթվի փոխարկումը: Հատկապես կատալիտիկ
պրոցեսի կոոպերատիվ բնույթում թաքնված է բիոկատալիզատորների գլխավոր
տարբերությունն անօրգանական կատալիզատորներից: Դրա համար էլ բիոկատալիզատորների
ինտենսիվությունը 10, 100, 1000-ավոր անգամ գերազանցում է անօրգանական
կատալիզատորներին:
Հատկություններ
Լինելով սպիտակուցներ նրանք ամբողջովին կրում են սպիտակուցների հատկությունները:
Դրա հետ մեկտեղ ֆերմենտները բնութագրվում են մի շարք յուրահատկություններով, որոնք
արդյունք են նրանց սպիտակուցային բնույթի, որոնք զարգանում են սովորական
կատալիզատորներից, ջերմակայուն են, կախված են միջավայրի pH-ից, յուրահատուկ են,
ենթակա են ակտիվատորների և ինհիբիտորների ազդեցությանը:
Ջերմակայունությունը մի կողմից բերում է կատալիզի ուժեղացմանը, մյուս կողմից
ֆերմենտի քայքայմանը: Ֆերմենտների ռեակցիաների համար ճշմարիտ չէ Վանտ-Հոֆֆի
կանոնը, քանի որ ակտիվ կենտրոնը փոխվում է և դառնում է անընդունակ
կատալիտիկ ակտի, որն արտահայտվում է տիպիկ կորով: Այն կենդանիների և բույսերի համար տարբեր է: Կենդանի
օրգանիզմների համար 40-500, իսկ բույսերի համար -500-ից +600:
Անվանակարգում
Ֆերմենտագիտությունը (էնզիմոլոգիա)
երկար ժամանակ չի ունեցել ֆերմենտների խիստ դասակարգումը: Անվանում են պատահական,
հասարակ անուններով: Անվանում էին սուբստրատի անվամբ, ֆերմենտների քիմիական կազմով
և կատալիզվող ռեակցիայի տեսակի և ըստ սուբստրատի բնույթի: Օրինակ՝ պեպսին (հուն.՝ մարսողություն), տրիպսին (ծամոն), պապային (հայտնաբերվել
է պապաիա ծառի հյութի մեջ),ավիդին(ձու):
Բնութագրական անվանում էին տալիս գունավոր ֆերմենտներին՝ ցիտոքրոմներ:
Լայն տարածում է ստացել ռացիոնալ անվանակարգը: ֆերմենտի անունը կազմվում էր
սուբստրատի անվանումից՝ ավելացնելով -ազ մասնիկը: Օրինակ՝ օսլայի հիդրոլիզն առաջացնող
ֆերմենտը կոչվում է ամիլազ (հուն. ամիլո
բառից), ճարպերի հիդրոլիզն
առաջացնող ֆերմենտը՝ լիպազ (հուն. լիպոս - ճարպ), սպիտակուցներինը՝ պրոտեազ, միզանյութինը՝ ուրեազ,
պրոսթետիկ խմբերի անվանումով՝ օրինակ՝ պիրիդօքսալ ֆերմենտ: Հետագայում ֆերմենտների
անվանումը ներկայացնում են ինչպես սուբստրատի բնույթի, այնպես էլ կատալիզի
բնույթի:
1961 թվականին միջազգային քիմիական
կոնգրեսը հաստատեց նոր անվանակարգում, որն ամուր մտավ ֆերմենտագիտության մեջ:
Համաձայն դրա՝ ֆերմենտի անվանումը կազմված սուբստրատի քիմիական անվանումից և այն
ռեակցիայի անվանումից, որն իրագործվում է ֆերմենտի օգնությամբ: Եթե կատալիզվող
ռեակցիան ուղեկցվում է ատոմների կամ խմբերի տեղափոխումով սուբստրատից ակցեպտորին
ֆերմենտի անվանումը ներառում է նաև ակցեպտորի քիմիական անվանումը: Եթե պիրիդօքսալ
ֆերմենտը կատալիզում է α-ալանինի և կետոգլուտարաթթվի միջև վերաամինացման ռեակցիան
կաչվում է α-ալանին-2-օքսի-գլուտարատ-ամինատրանսֆերազ
Այստեղ նշված է 3 առանձնահատկություն՝
Այստեղ նշված է 3 առանձնահատկություն՝
1. սուբստրատ՝ α-ալանին
2. ակցեպտոր՝ օքսիգլուտարատ
3. սուբստրատից ակցեպտորին տեղափոխվող
ամինային խումբ:
Գիտական այս անվանակարգումն ավելի շահեկան է տրիվյալից, բայց ավելի բարդ է:
Այսպես, ուրեազը, որն արագացնում է միզանյութի քայքայումը, գիտական անվանակարգումը
կլինի կարբամիդ ամիդոհիդրոլազ: Այստեղ տրվում է սուբստրատի ճշգրիտ քիմիական
անվանումը և ֆերմենտը՝ ամիդոհիդրոլազ: 1972թ. ծերանայվել
է ինչպես ֆերմենտի դասակարգում և անվանակարգում, որտեղ նոր գիտական անվան հետ
բերվում է նաև հինը, որում ինչպես նշված է ֆերմենտի կողմից կատալիզվող ռեակցիայի
քիմիզմը, որոշ դեպքերում ֆերմենտի բնույթը, վերանայելով հնարավոր խառնաշփոթը
անվանակարգման մեջ: Ցուցակում ֆերմենտին տրվում է անհատական համար. օրինակ՝
ուրեազի դասիչը արտահայտվում է 3; 5; 1; 5 կարգով: Առաջին թիվը նշանակում է, որ
ուրեազը պատկանում է ֆերմենտների երրորդ դասին երկրորդ թիվը՝ 5-ը, որ ուրեազը
պատկանում է 5-րդ ենթադասին, որտեղ դասված են այն ֆերմենտները, որոնք հիդրոլիզում
են ոչ պեպտիդային C-N
կապերը, երրորդ թիվը՝ 1-ը ցույց է տալիս, որ ուրեազը պատկանում է 5-րդ ենթադասի
առաջին ենթադասին, որտեղ ան-դամները հիդրոլիզում են գծային ամիդներին, իսկ վերջին
հինգ թիվը այդ ենթադասի ուրեազի համարն է:
Դասակարգում
Դասակարգեցին սկզբում՝
·
դեսմոլազների:
Հիդրոլազները կատալիզում էին հիդրոլիտիկ ռեակցիաները, դեսմոլազները՝ ոչ
հիդրոլիտիկ ռեակցիաները: Հետագայում սա մերժվեց: Ֆերմենտները բաժանվեցին 3 խմբի,
որոնք կատալիզում էին 2 նյութից 1 նյութի ստացումը, մեկ նյութից մեկ այլ նյութի և
2 նյութից 2 այլ նյութի ստացումը՝
1. A + B = AB
2. 2A = B
3. A + B = C + D
Այժմ ֆերմենտները բաժանում են 6 դասի, որտեղ դասակարգման հիմքում դրված է
ռեակցիայի տեսակը, որը ենթարկվում է կատալիտիկ ազդեցության: Այդ սկզբունքով
ֆերմենտ-ների 6 դասերը հետևյալն են՝
1. օքսիդավերականգնման ֆերմենտներ(օքսիդառեդուկտալներ)
– արագացնում են օքսիդա-վերականգնման
ռեակցիաներ:
2. տրանսֆերազներ –
արագացնում են ֆունկցիոնալ խմբերի և մոլեկուլային մնացորդների տեղափոխման
ռեակցիաները:
3. հիդրոլազներ –
արագացնում են հիդրոլիտիկ ճեղքման ռեակցիաները:
4. լիազներ –
արագացնում են սուբստրարի ատոմներից որոշակի խմբերի ճեղքումը՝
առաջացնելով կրկնակի կապեր կամ կրկնակի կապին միացնում են այլ խմբեր:
5. իզոմերազներ –
1 մոլեկուլի սահմաններում արագացնում են տարածական կամ կառուցվածքային
փոփոխություններ:
6. լիգազներ կամ սինթետազներ –
սրանց օգնությամբ ընթանում է սուբստրարի մոլեկուլների միացում, որն ուժեղացնում է ԱԵՖ-ի ճեղքումը:
Ֆերմենտները որպես դեղամիջոցներ
Ֆերմենտներով կատալիզվող քիմիական ռեակցիաների լայն շրջանակը և ֆերմենտների
հատկությունն օրգանիզմից դուրս պահպանել իրենց կատալիտիկ հատկությունը նրանց
հնարավոր են դարձնում օգտագործել այլ ՝ այդ թվում բժշկական բնագավառում՝
ֆերմենտները որպես բուժական միջոցներ լայն կիրառություն են գտնում աղեստամոքսային
տրակտիբուժման համար: Օգտագործվում է պեպսին, տրիպսին և
այլ պրոտեոլիտիկ
ֆերմենտներ և նրանց խառնուրդները: Պեպսինը(ենթաստամոքսային
գեղձի պրոտեոլիտիկ ֆերմենտ) կամ բնական կամ արհեստական ստամոքսահյութի հետ
կամ թույլ բյուրեղական միացության տեսքով: Նույն նպատակով տալիս են տրիպսին և քիմոտրիպսին,
ինչպես նաևպանկրեատին,
որն իրենից ներկայացնում է ենթաստամոքսային գեղձի չորացրած հյութ, որը պարունակում
է լիպազի, ամիլազի, տրիպսինի խառնուևդ, քիմոսպին(քիմոտրիպսինի և տրիպսինի
խառնուրդ): Տրիպսինն օգտագործվում է այրվածքների, խոցերի բուժման ժամանակ՝ վերքերի
մակերևույթից մեռած հյուսվածքները հեռացնելու,
մաքրելու համար, ինչպես նաև որպես հակաբորբոքիչ միջոց: Հակաբորբոքիչ է
օգտագործվում նաև կոլլեգենազի և ռիբոնուկլեազի ֆերմենտային
դեղամիջոցները, որոնք ստացվում են խոշոր եղջերավորների ենթաստամոքսային գեղձից: Հոդերի բուժման համար օգտագործվում են
նաև հիալուրոնիդազը (լիպազի և ռինդազի անվամբ):
Այն ստանում են խոշոր եղջերավորների սերմնարանից:
Թրոմբոզները վերացնելու համար օգտագործում են թրոմբոլիտիկ ֆերմենտներ, մասնակիորեն
ֆիրրինոլիզին, թրոմբոլիզին(հեպարինի և տրիպսինի կոմպլեքս): Հաջողություններ է
գրանցված նաև վիրուսային հիվանդությունների բուժման գործում՝ ֆերմենտներով
քայքայելով նուկլեինաթթուները: