Ֆերմենտ

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

5.   տրոհում և սինթեզ

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՝

·         սուբստրային կենտրոն

·         ալլոստերիկ 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՝

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՝

·         հիդրոլազների

·         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: