ფერმენტები არის გლობულური ცილები, რომლებიც ხელს უწყობენ ყველა უჯრედულ პროცესს გაგრძელებაში. ყველა კატალიზატორის მსგავსად, მათ არ შეუძლიათ რეაქციის შებრუნება, მაგრამ ემსახურებიან მის დაჩქარებას.
ფერმენტების ლოკალიზაცია უჯრედში
უჯრედის შიგნით ცალკეული ფერმენტები ჩვეულებრივ შეიცავს და მოქმედებს მკაცრად განსაზღვრულ ორგანელებში. ფერმენტების ლოკალიზაცია პირდაპირ კავშირშია იმ ფუნქციასთან, რომელსაც ჩვეულებრივ ასრულებს უჯრედის ეს ნაწილი.
თითქმის ყველა გლიკოლიზის ფერმენტი მდებარეობს ციტოპლაზმაში. ტრიკარბოქსილის მჟავას ციკლის ფერმენტები მიტოქონდრიულ მატრიქსშია. ჰიდროლიზის აქტიურ ნივთიერებებს შეიცავს ლიზოსომები.
ცხოველთა და მცენარეთა ცალკეული ქსოვილები და ორგანოები განსხვავდება არა მხოლოდ ფერმენტების ნაკრებით, არამედ მათი აქტივობითაც. ქსოვილების ეს თვისება გამოიყენება კლინიკაში გარკვეული დაავადებების დიაგნოსტიკაში.
ასევე არსებობს ასაკთან დაკავშირებული მახასიათებლები ქსოვილებში ფერმენტების აქტივობასა და სიმრავლეში. ისინი ყველაზე ნათლად ჩანს ემბრიონის განვითარების დროს ქსოვილის დიფერენციაციის დროს.
ფერმენტის ნომენკლატურა
არსებობს რამდენიმე დასახელების სისტემა, რომელთაგან თითოეული განსხვავებულად ითვალისწინებს ფერმენტების თვისებებს.
- ტრივიალური. ნივთიერებების სახელები მოცემულია შემთხვევით. მაგალითად, პეპსინი (პეფსისი - "მონელება", ბერძნული) და ტრიპსინი (tripsis - "თხელი", ბერძნული)
- რაციონალური. ფერმენტის სახელწოდება შედგება სუბსტრატისგან და დაბოლოების "-ase". მაგალითად, ამილაზა აჩქარებს სახამებლის ჰიდროლიზს (ამილო - "სახამებელი", ბერძნული).
- მოსკოვი. იგი მიღებულ იქნა 1961 წელს ფერმენტების ნომენკლატურის საერთაშორისო კომისიის მიერ ბიოქიმიის მე-5 საერთაშორისო კონგრესზე. ნივთიერების სახელწოდება შედგება სუბსტრატისა და რეაქციისგან, რომელიც კატალიზებულია (აჩქარებულია) ფერმენტის მიერ. თუ ფერმენტების ფუნქციაა ატომების ჯგუფის გადატანა ერთი მოლეკულიდან (სუბსტრატიდან) მეორეზე (აქცეპტორზე), კატალიზატორის სახელი მოიცავს მიმღების ქიმიურ სახელს. მაგალითად, ამინო ჯგუფის ალანინიდან 2-ჰიდროქსიგლუტარის მჟავაზე გადატანის რეაქციაში მონაწილეობს ფერმენტი ალანინი: 2-ოქსოგლუტარატ ამინოტრანსფერაზა. სახელი ასახავს:
- სუბსტრატი - ალანინი;
- მიმღები - 2-ოქსიგლუტარის მჟავა;
- რეაქციაში გადადის ამინო ჯგუფი.
საერთაშორისო კომისიამ შეადგინა ყველა ცნობილი ფერმენტის სია, რომელიც მუდმივად განახლდება. ეს გამოწვეულია ახალი ნივთიერებების აღმოჩენით.
ფერმენტების კლასიფიკაცია
არსებობს ფერმენტების ჯგუფებად დაყოფის ორი გზა. პირველი გთავაზობთ ამ ნივთიერებების ორ კლასს:
- მარტივი - შედგება მხოლოდ ცილისგან;
- კომპლექსი - შეიცავს ცილოვან ნაწილს (აპოენზიმს) და არაცილოვან ნაწილს, რომელსაც ეწოდება კოენზიმი.
არაცილოვან ნაწილშიკომპლექსური ფერმენტი შეიძლება შეიცავდეს ვიტამინებს. სხვა ნივთიერებებთან ურთიერთქმედება ხდება აქტიური ცენტრის მეშვეობით. მთელი ფერმენტის მოლეკულა არ მონაწილეობს პროცესში.
ფერმენტების თვისებები, ისევე როგორც სხვა ცილები, განისაზღვრება მათი სტრუქტურით. მისგან გამომდინარე, კატალიზატორები აჩქარებენ მხოლოდ რეაქციებს.
კლასიფიკაციის მეორე მეთოდი ნივთიერებებს ყოფს ფერმენტების ფუნქციის მიხედვით. შედეგი არის ექვსი კლასი:
- ოქსიდორედუქტაზა;
- ტრანსფერაზები;
- ჰიდროლაზები;
- იზომერაზა;
- lyases;
- ლიგაზები.
ეს არის საყოველთაოდ მიღებული ჯგუფები, ისინი განსხვავდებიან არა მხოლოდ იმ რეაქციების ტიპებით, რომლებიც არეგულირებენ მათში არსებულ ფერმენტებს. სხვადასხვა ჯგუფის ნივთიერებებს განსხვავებული სტრუქტურა აქვთ. და, შესაბამისად, უჯრედში ფერმენტების ფუნქციები არ შეიძლება იყოს იგივე.
ოქსიდორედუქტაზები - რედოქსი
პირველი ჯგუფის ფერმენტების ძირითადი ფუნქციაა რედოქსის რეაქციების დაჩქარება. დამახასიათებელი თვისება: ჟანგვითი ფერმენტების ჯაჭვების წარმოქმნის უნარი, რომლებშიც ელექტრონები ან წყალბადის ატომები გადადის პირველივე სუბსტრატიდან საბოლოო მიმღებამდე. ეს ნივთიერებები გამოიყოფა მუშაობის პრინციპის ან რეაქციაში მუშაობის ადგილის მიხედვით.
- აერობული დეჰიდროგენაზები (ოქსიდაზები) აჩქარებენ ელექტრონების ან პროტონების გადაცემას პირდაპირ ჟანგბადის ატომებში. ანაერობული ახორციელებს იგივე მოქმედებებს, მაგრამ რეაქციებში, რომლებიც მიმდინარეობს ელექტრონების ან წყალბადის ატომების ჟანგბადის ატომებში გადაცემის გარეშე.
- დაწყებითიდეჰიდროგენაზები ახდენენ წყალბადის ატომების ამოღების პროცესს დაჟანგული ნივთიერებიდან (პირველადი სუბსტრატიდან). მეორადი - აჩქარებს წყალბადის ატომების მოცილებას მეორადი სუბსტრატიდან, ისინი მიიღეს პირველადი დეჰიდროგენაზას გამოყენებით.
კიდევ ერთი თვისება: არიან ორკომპონენტიანი კატალიზატორები კოენზიმების ძალიან შეზღუდული ნაკრებით (აქტიური ჯგუფები), მათ შეუძლიათ დააჩქარონ რედოქსის რეაქციების ფართო სპექტრი. ეს მიიღწევა დიდი რაოდენობით ვარიანტებით: ერთსა და იმავე კოენზიმს შეუძლია შეუერთდეს სხვადასხვა აპოენზიმს. თითოეულ შემთხვევაში მიიღება სპეციალური ოქსიდორედუქტაზა თავისი თვისებებით.
არის ამ ჯგუფის ფერმენტების კიდევ ერთი ფუნქცია, რომლის იგნორირება არ შეიძლება - ისინი აჩქარებენ ენერგიის გამოყოფასთან დაკავშირებულ ქიმიურ პროცესებს. ასეთ რეაქციებს ეგზოთერმული ეწოდება.
ტრანსფერაზები - მატარებლები
ეს ფერმენტები ასრულებენ მოლეკულური ნარჩენების და ფუნქციური ჯგუფების გადაცემის რეაქციების დაჩქარების ფუნქციას. მაგალითად, ფოსფოფრუქტოკინაზა.
კატალიზატორების რვა ჯგუფი გამოირჩევა გადატანილი ჯგუფის მიხედვით. მოდით შევხედოთ მხოლოდ რამდენიმე მათგანს.
- ფოსფოტრანსფერაზები - ხელს უწყობს ფოსფორმჟავას ნარჩენების გადატანას. ისინი იყოფა ქვეკლასებად დანიშნულების მიხედვით (ალკოჰოლი, კარბოქსილი და სხვა).
- ამინოტრანსფერაზები - აჩქარებს ამინომჟავების ტრანსამინირების რეაქციებს.
- გლიკოზილტრანსფერაზები - გლიკოზილის ნარჩენების გადატანა ფოსფორის ესტერის მოლეკულებიდან მონო- და პოლისაქარიდის მოლეკულებში. მიეცით რეაქციებიმცენარეებსა და ცხოველებში ოლიგო- ან პოლისაქარიდების დაშლა და სინთეზი. მაგალითად, ისინი მონაწილეობენ საქაროზის დაშლაში.
- აცილტრანსფერაზები გადააქვთ კარბოქსილის მჟავას ნარჩენებს ამინებში, ალკოჰოლებსა და ამინომჟავებში. Acyl-coenzyme-A არის აცილების ჯგუფების უნივერსალური წყარო. ის შეიძლება ჩაითვალოს აცილტრანსფერაზების აქტიურ ჯგუფად. ძმარმჟავას აცილი ყველაზე ხშირად გადაიტანება.
ჰიდროლაზები - გაყოფილი წყლით
ამ ჯგუფში ფერმენტები მოქმედებენ როგორც კატალიზატორები ორგანული ნაერთების გაყოფის (ნაკლებად ხშირად სინთეზის) რეაქციებისთვის, რომელშიც წყალი მონაწილეობს. ამ ჯგუფის ნივთიერებები შეიცავს უჯრედებსა და საჭმლის მომნელებელ წვენში. კუჭ-ნაწლავის ტრაქტში კატალიზატორების მოლეკულები შედგება ერთი კომპონენტისგან.
ამ ფერმენტების მდებარეობა არის ლიზოსომები. ისინი ასრულებენ უჯრედში არსებული ფერმენტების დამცავ ფუნქციებს: ანადგურებენ მემბრანაში გავლილ უცხო ნივთიერებებს. ისინი ასევე ანადგურებენ იმ ნივთიერებებს, რომლებიც უჯრედს აღარ სჭირდება, რისთვისაც ლიზოსომებს მეტსახელად მოწესრიგებულები შეარქვეს.
მათი სხვა "მეტსახელი" არის უჯრედის თვითმკვლელობა, რადგან ისინი უჯრედის ავტოლიზის მთავარი ინსტრუმენტია. თუ ინფექცია მოხდა, იწყება ანთებითი პროცესები, ლიზოსომის მემბრანა ხდება გამტარი და ჰიდროლაზები ხვდება ციტოპლაზმაში, ანადგურებს ყველაფერს მის გზაზე და ანადგურებს უჯრედს.
გამოყავით რამდენიმე ტიპის კატალიზატორი ამ ჯგუფიდან:
- ესტერაზები - პასუხისმგებელი ალკოჰოლის ეთერების ჰიდროლიზზე;
- გლიკოზიდაზა - აჩქარებს გლიკოზიდების ჰიდროლიზს, დამოკიდებულიარა იზომერს მოქმედებენ ისინი, გამოყოფენ α- ან β-გლიკოზიდაზას;
- პეპტიდური ჰიდროლაზები პასუხისმგებელია ცილებში პეპტიდური ბმების ჰიდროლიზზე და გარკვეულ პირობებში მათ სინთეზზე, მაგრამ ცილის სინთეზის ეს მეთოდი არ გამოიყენება ცოცხალ უჯრედში;
- ამიდაზები - პასუხისმგებელია მჟავა ამიდების ჰიდროლიზზე, მაგალითად, ურეაზა აკატალიზებს შარდოვანას დაშლას ამიაკად და წყალში.
იზომერაზები - მოლეკულის ტრანსფორმაცია
ეს ნივთიერებები აჩქარებს ცვლილებებს ერთ მოლეკულაში. ისინი შეიძლება იყოს გეომეტრიული ან სტრუქტურული. ეს შეიძლება მოხდეს მრავალი გზით:
- წყალბადის ატომების გადაცემა;
- ფოსფატის ჯგუფის გადაადგილება;
- ატომური ჯგუფების განლაგების შეცვლა სივრცეში;
- ორმაგი ბმის გადაადგილება.
იზომერიზაცია შეიძლება იყოს ორგანული მჟავები, ნახშირწყლები ან ამინომჟავები. იზომერაზებს შეუძლიათ გარდაქმნან ალდეჰიდები კეტონებად და, პირიქით, გადააკეთონ ცის ფორმა ტრანს ფორმაში და პირიქით. უკეთ რომ გავიგოთ რა ფუნქციას ასრულებენ ამ ჯგუფის ფერმენტები, აუცილებელია ვიცოდეთ იზომერების განსხვავებები.
Liases გაწყვეტს კავშირებს
ეს ფერმენტები აჩქარებს ორგანული ნაერთების არაჰიდროლიზურ დაშლას ბმებით:
- ნახშირბად-ნახშირბადი;
- ფოსფორ-ჟანგბადი;
- ნახშირბად-გოგირდი;
- ნახშირბად-აზოტი;
- ნახშირბად-ჟანგბადი.
ამ შემთხვევაში გამოიყოფა ისეთი მარტივი პროდუქტები, როგორიცაა ნახშირორჟანგი, წყალი, ამიაკი და იხურება ორმაგი ბმები. ამ რეაქციებიდან რამდენიმე შეიძლება წავიდეს საპირისპირო მიმართულებით, შესაბამისი ფერმენტები - შესაბამისიამ პირობებში ხდება არა მხოლოდ დაშლის, არამედ სინთეზის პროცესების კატალიზება.
Liases კლასიფიცირებულია მათი რღვევის ტიპის მიხედვით. ისინი რთული ფერმენტებია.
Ligase crosslinks
ამ ჯგუფის ფერმენტების ძირითადი ფუნქციაა სინთეზის რეაქციების დაჩქარება. მათი თავისებურებაა ქმნილების შეერთება იმ ნივთიერებების დაშლასთან, რომლებსაც შეუძლიათ ენერგიის მიწოდება ბიოსინთეზური პროცესის განსახორციელებლად. ჩამოყალიბებული კავშირის ტიპის მიხედვით არის ექვსი ქვეკლასი. ხუთი მათგანი ლიზას ქვეჯგუფების იდენტურია, ხოლო მეექვსე პასუხისმგებელია აზოტისა და ლითონის კავშირის შექმნაზე.
ზოგიერთი ლიგაზა ჩართულია განსაკუთრებით მნიშვნელოვან უჯრედულ პროცესებში. მაგალითად, დნმ ლიგაზა მონაწილეობს დეზოქსირიბონუკლეინის მჟავის რეპლიკაციაში. იგი აკავშირებს ერთჯაჭვიან რღვევებს, ქმნის ახალ ფოსფოდიესტერულ ბმებს. სწორედ ის აკავშირებს ოკაზაკის ფრაგმენტებს.
იგივე ფერმენტი აქტიურად გამოიყენება გენური ინჟინერიაში. ის მეცნიერებს საშუალებას აძლევს შეაერთონ დნმ-ის მოლეკულები საჭირო ნაწილებიდან, შექმნან დეზოქსირიბონუკლეინის მჟავის უნიკალური ჯაჭვები. მათში შესაძლებელია ნებისმიერი ინფორმაციის მოთავსება, რითაც შეიქმნას ქარხანა საჭირო ცილების წარმოებისთვის. მაგალითად, შეგიძლიათ ბაქტერიის დნმ-ში ჩაკეროთ ნაჭერი, რომელიც პასუხისმგებელია ინსულინის სინთეზზე. და როცა უჯრედი საკუთარ ცილებს თარგმნის, ამავდროულად გამოიმუშავებს სამედიცინო მიზნებისთვის აუცილებელ სასარგებლო ნივთიერებას. რჩება მხოლოდ მისი გაწმენდა და ის ბევრ ავადმყოფს დაეხმარება.
ფერმენტების უზარმაზარი როლი ორგანიზმში
მათ შეუძლიათრეაქციის სიჩქარის გაზრდა ათჯერ მეტით. ის უბრალოდ აუცილებელია უჯრედის ნორმალური ფუნქციონირებისთვის. და ფერმენტები მონაწილეობენ ყველა რეაქციაში. ამიტომ, ორგანიზმში ფერმენტების ფუნქციები მრავალფეროვანია, ისევე როგორც ყველა მიმდინარე პროცესი. და ამ კატალიზატორების უკმარისობა იწვევს სერიოზულ შედეგებს.
ფერმენტები ფართოდ გამოიყენება საკვებში, მსუბუქ მრეწველობაში, მედიცინაში: მათგან ამზადებენ ყველს, სოსისებს, კონსერვებს და სარეცხი ფხვნილების ნაწილია. ისინი ასევე გამოიყენება ფოტოგრაფიული მასალების წარმოებაში.
