ყველა ცოცხალ უჯრედში მრავალი ქიმიური რეაქციაა. ფერმენტები (ფერმენტები) არის სპეციალური და უაღრესად მნიშვნელოვანი ფუნქციების მქონე ცილები. მათ ბიოკატალისტებს უწოდებენ. ორგანიზმში ცილოვანი ფერმენტების ძირითადი ფუნქციაა ბიოქიმიური რეაქციების დაჩქარება. საწყის რეაგენტებს, რომელთა ურთიერთქმედებაც კატალიზებულია ამ მოლეკულების მიერ, ეწოდება სუბსტრატები, ხოლო საბოლოო ნაერთებს - პროდუქტები.
ბუნებაში ფერმენტული ცილები მუშაობს მხოლოდ ცოცხალ სისტემებში. მაგრამ თანამედროვე ბიოტექნოლოგიაში, კლინიკურ დიაგნოსტიკაში, ფარმაცევტულ და მედიცინაში გამოიყენება გასუფთავებული ფერმენტები ან მათი კომპლექსები, ასევე სისტემის ფუნქციონირებისთვის საჭირო დამატებითი კომპონენტები და მკვლევარის მონაცემების ვიზუალიზაცია.
ფერმენტების ბიოლოგიური მნიშვნელობა და თვისებები
ამ მოლეკულების გარეშე ცოცხალი ორგანიზმი ვერ იმუშავებს. ყველა სასიცოცხლო პროცესი ჰარმონიულად მუშაობს ფერმენტების წყალობით. ორგანიზმში ფერმენტული ცილების ძირითადი ფუნქციაა მეტაბოლიზმის რეგულირება. მათ გარეშე ნორმალური მეტაბოლიზმი შეუძლებელია. მოლეკულური აქტივობა რეგულირდებააქტივატორები (ინდუქტორები) ან ინჰიბიტორები. კონტროლი მოქმედებს ცილის სინთეზის სხვადასხვა დონეზე. ის ასევე "მუშაობს" მზა მოლეკულასთან მიმართებაში.
პროტეინ-ფერმენტების მთავარი თვისება არის სპეციფიკა გარკვეული სუბსტრატის მიმართ. და, შესაბამისად, მხოლოდ ერთი ან ნაკლებად ხშირად მთელი რიგი რეაქციების კატალიზების უნარი. როგორც წესი, ასეთი პროცესები შექცევადია. ერთი ფერმენტი პასუხისმგებელია ორივე ფუნქციაზე. მაგრამ ეს ყველაფერი არ არის.
ფერმენტული ცილების როლი აუცილებელია. მათ გარეშე ბიოქიმიური რეაქციები არ მიმდინარეობს. ფერმენტების მოქმედების გამო შესაძლებელი ხდება რეაგენტების მიერ აქტივაციის ბარიერის გადალახვა ენერგიის მნიშვნელოვანი დახარჯვის გარეშე. სხეულში არ არსებობს საშუალება 100 ° C-ზე მეტი ტემპერატურის გაცხელება ან ქიმიური ლაბორატორიის მსგავსი აგრესიული კომპონენტების გამოყენება. ფერმენტის ცილა აკავშირებს სუბსტრატს. შეკრულ მდგომარეობაში მოდიფიკაცია ხდება ამ უკანასკნელის შემდგომ გათავისუფლებით. ასე მუშაობს ქიმიურ სინთეზში გამოყენებული ყველა კატალიზატორი.
რა არის ფერმენტის ცილის მოლეკულის ორგანიზების დონეები?
როგორც წესი, ამ მოლეკულებს აქვთ მესამეული (გლობული) ან მეოთხეული (რამდენიმე დაკავშირებული გლობული) ცილის სტრუქტურა. პირველ რიგში, ისინი სინთეზირებულია ხაზოვანი ფორმით. შემდეგ კი ისინი იკეცება საჭირო სტრუქტურაში. აქტივობის უზრუნველსაყოფად, ბიოკატალიზატორს სჭირდება გარკვეული სტრუქტურა.
ფერმენტები, ისევე როგორც სხვა ცილები, განადგურებულია სითბოს, pH-ის უკიდურესი მაჩვენებლების, აგრესიული ქიმიური ნაერთების გამო.
დამატებითი თვისებებიფერმენტები
მათ შორის გამოირჩევა კომპონენტების შემდეგი მახასიათებლები:
- სტერეოსპეციფიკური - მხოლოდ ერთი პროდუქტის ფორმირება.
- რეგიოშერჩევითობა - ქიმიური ბმის გაწყვეტა ან ჯგუფის შეცვლა მხოლოდ ერთ პოზიციაზე.
- ქიმიოსელექტივობა - მხოლოდ ერთი რეაქციის კატალიზება.
მუშაობის თავისებურებები
ფერმენტის სპეციფიკა განსხვავდება. მაგრამ ნებისმიერი ფერმენტი ყოველთვის აქტიურია კონკრეტულ სუბსტრატთან ან სტრუქტურაში მსგავსი ნაერთების ჯგუფთან მიმართებაში. არაცილოვან კატალიზატორებს ეს თვისება არ გააჩნიათ. სპეციფიკურობა იზომება შებოჭვის მუდმივით (მოლ/ლ), რომელიც შეიძლება იყოს 10−10 მოლ/ლ. აქტიური ფერმენტის მუშაობა სწრაფია. ერთი მოლეკულა კატალიზაციას ახდენს ათასობით ან მილიონობით ოპერაციას წამში. ბიოქიმიური რეაქციების აჩქარების ხარისხი მნიშვნელოვნად (1000-100000-ჯერ) უფრო მაღალია, ვიდრე ჩვეულებრივი კატალიზატორები.
ფერმენტების მოქმედება ეფუძნება რამდენიმე მექანიზმს. უმარტივესი ურთიერთქმედება ხდება ერთი სუბსტრატის მოლეკულასთან, რასაც მოჰყვება პროდუქტის ფორმირება. ფერმენტების უმეტესობას შეუძლია 2-3 განსხვავებული მოლეკულის შეკავშირება, რომლებიც რეაგირებენ. მაგალითად, ჯგუფის ან ატომის გადატანა ერთი ნაერთიდან მეორეში, ან ორმაგი ჩანაცვლება „პინგ-პონგის“პრინციპით. ამ რეაქციებში, ერთი სუბსტრატი ჩვეულებრივ დაკავშირებულია, ხოლო მეორე ასოცირდება ფუნქციური ჯგუფის მეშვეობით ფერმენტთან.
ფერმენტის მოქმედების მექანიზმის შესწავლა ხდება მეთოდების გამოყენებით:
- შუალედური და საბოლოო პროდუქტების განმარტებები.
- შესწავლა გეომეტრიის სტრუქტურა და ფუნქციური ჯგუფები დაკავშირებულისუბსტრატს და უზრუნველყოფს რეაქციის მაღალ სიჩქარეს.
- ფერმენტის გენების მუტაცია და მისი სინთეზისა და აქტივობის ცვლილებების განსაზღვრა.
აქტიური და დამაკავშირებელი ცენტრი
სუბსტრატის მოლეკულა გაცილებით მცირეა ვიდრე ფერმენტის ცილა. ამრიგად, შებოჭვა ხდება ბიოკატალიზატორის ფუნქციური ჯგუფების მცირე რაოდენობის გამო. ისინი ქმნიან აქტიურ ცენტრს, რომელიც შედგება ამინომჟავების სპეციფიკური ნაკრებისგან. კომპლექსურ პროტეინებში სტრუქტურაში წარმოდგენილია არაცილოვანი ბუნების პროთეზირების ჯგუფი, რომელიც ასევე შეიძლება იყოს აქტიური ცენტრის ნაწილი.
აუცილებელია გამოვყოთ ფერმენტების ცალკეული ჯგუფი. მათი მოლეკულა შეიცავს კოენზიმს, რომელიც მუდმივად აკავშირებს მოლეკულას და გამოიყოფა მისგან. სრულად წარმოქმნილ ფერმენტულ ცილას ეწოდება ჰოლოენზიმი, ხოლო როდესაც კოფაქტორი ამოღებულია, მას აპოენზიმი ეწოდება. ვიტამინები, ლითონები, აზოტოვანი ფუძეების წარმოებულები ხშირად მოქმედებენ როგორც კოენზიმები (NAD - ნიკოტინამიდი ადენინ დინუკლეოტიდი, FAD - ფლავინის ადენინ დინუკლეოტიდი, FMN - ფლავინის მონონუკლეოტიდი).
შეკავშირების ადგილი უზრუნველყოფს სუბსტრატის სპეციფიკას. ამის გამო წარმოიქმნება სტაბილური სუბსტრატ-ფერმენტული კომპლექსი. გლობულის სტრუქტურა ისეა აგებული, რომ გარკვეული ზომის ზედაპირზე ჰქონდეს ნიშა (ნაპრალი ან ჩაღრმავება), რაც უზრუნველყოფს სუბსტრატის შეკვრას. ეს ზონა ჩვეულებრივ მდებარეობს აქტიური ცენტრიდან არც თუ ისე შორს. ზოგიერთ ფერმენტს აქვს კოფაქტორებთან ან ლითონის იონებთან შეკავშირების ადგილები.
დასკვნა
პროტეინი-ფერმენტი მნიშვნელოვან როლს ასრულებს ორგანიზმში. ასეთი ნივთიერებები ახდენენ ქიმიურ რეაქციებს, პასუხისმგებელნი არიან ნივთიერებათა ცვლის პროცესზე - მეტაბოლიზმზე. ნებისმიერ ცოცხალ უჯრედში მუდმივად მიმდინარეობს ასობით ბიოქიმიური პროცესი, მათ შორის შემცირების რეაქციები, გაყოფა და ნაერთების სინთეზი. ნივთიერებების დაჟანგვა მუდმივად ხდება ენერგიის დიდი გამოყოფით. ის, თავის მხრივ, იხარჯება ნახშირწყლების, ცილების, ცხიმების და მათი კომპლექსების ფორმირებაზე. დაშლის პროდუქტები წარმოადგენს სამშენებლო მასალას აუცილებელი ორგანული ნაერთების სინთეზისთვის.
