§2. Фермент пен субстраттың әрекеттесу механизмі. Ферменттік катализдегі белсенді орталықтың рөлі
Бұл тақырыптың оқу мақсаты: фермент-субстрат кешенінің түзілу механизмін түсіндіру.
Фермент дегеніміз не? Олар қандай заттар типіне жатады? Ферменттер мен катализаторлар; ферменттер мен ДНҚ арасында қандай байланыс бар? «Барлық нәруыздар – ферменттер»; «Барлық ферменттер – нәруыздар». Осы екі ұғымның қайсысы дұрыс?
Тақырыпты табысты меңгеру үшін 8- және 10-сыныпқа арналған оқулықтың 5-параграфын; 9-сыныпқа арналған оқулықтың 10-параграфын қайталау керек.
Фермент пен субстрат. Катализдік немесе ферменттік қызмет тіршілік әрекетінің қай үдерісі болса да кез келген тірі жасушада маңызды екені естеріңде болар. Ферменттер катализдейтін тез арада жүретін химиялық реакциялар болмаса, тіршілік те болмас еді.
Тірі жүйелерде (жасушаларда не мүшелерде) жүретін көптеген химиялық реакциялардың катализдік болып табылатыны естеріңде болар. Катализатор ретінде қатаң ерекше нәруыз-ферменттер қатысады.
Катализ үдерісін зерттеуге маманданған химиктер арасында тіпті катализдік емес кез келген химиялық реакцияларға катализаторды таңдап алып, реакцияны едәуір тез немесе энергетикалық тұрғыда тиімді етуге болады деген пікір бар. Сонымен қатар химиялық реакцияға түсуге қабілетсіз кез келген екі затқа олардың арасында реакция жүргізетіндей қандай да бір гипотезалық катализаторды таңдап алуға болады.
Гипотезалық болжамнан басқа толық дәлелденген деп есептелетін ферменттердің жұмысы туралы бірнеше дерек бар (2-сурет). Соларды қарастырайық.
1. Ферменттер мен олар катализдейтін реакцияларсыз бірде-бір тірі жүйе жоқ. Тіпті ең қарапайым деген бактериялардың өзі ферменттерсіз тіршілік ете алмайды.
2. Ферменттер бір субстратпен немесе химиялық заттардың аздаған мөлшерімен анық әрекеттеседі. Яғни тек бір субстратпен ғана әрекеттеспейтін ферменттер (бейорганикалық катализаторлар да) бар. Бұл жағдайда субстратқа байланысты катализдейтін реакция өнімі де өзгеруі мүмкін.
2-сурет. Ферменттердің жұмысы
I – ыдырау реакциясының ферменттік катализі
(мысалы, асқорыту ферменті).
1 – ферменттің простетикалық тобы; 2 – ферменттің белсенді орталығы; 3 – субстрат; 3 а және 3 б – ферментті ыдырау реакциясы нәтижесінде бір-бірінен бөлінетін субстрат құрамбөлігі; 4 а және 4 б – қайтадан түзілетін зат – ферментті ыдырау реакциясының өнімі.
А – фермент пен субстрат әлі қосылған жоқ. В – фермент-субстрат әрекеттесуінің қалыптасуы және реакция үдерісінің басталуы; С – ферментті ыдырау реакциясының аяқталуы – реакция өнімінің – жаңа заттардың түзілуі: 4 а және 4 б; D – реакция өнімінен ферменттің толық босауы. Енді ол субстратпен өзара әрекеттесуге дайын (А).
II – қосылу реакциясының ферменттік катализі (мысалы, фотосинтездің қараңғы реакциясының ферменттері).
1 – ферменттің простетикалық тобы; 2 – ферменттің белсенді орталығы; 3 а – бірінші субстрат және 3 б – екінші субстрат – қосылу реакциясына қатысушылар; 4 – фермент әсерінен субстраттың екі молекуласының біртұтас затқа қосылу үдерісі; 5 – қайта түзілген зат – ферментті қосылу реакциясының өнімі;
А – фермент пен субстрат әлі әрекеттеспейді; В – 3 а затымен фермент-субстрат кешенінің қалыптасуы, 3 б затының фермент пен 3 а затынан тұратын фермент-субстрат кешенімен қосылуы. 3 б затының жеке 3 а затымен де, ферментпен де әрекеттесе алмайтынын есте сақтау керек; С – 3 а жә- не 3 б заттарының ферментті қосылу реакциясы үдерісі; D – ферментті қосылу реакциясының аяқталуы – реакция өнімінің – 5 жаңа затының түзілуі ферменттің реакция өнімінен толық босап шығуы. Енді ол қайтадан субстратпен әрекеттесуге дайын (А).
3. Фермент пен субстрат белсенді әрекеттесуі үшін олардың молекулалары жанасуы керек. Яғни олардың ерітінді түрінде немесе газтәрізді күйде әрекеттесуі қатты күйдегіге қарағанда едәуір жоғары әрі тиімді. Көптеген ферментті реакциялар құрғақ заттарда мүлде жүрмейді.
4. Егер қандай да бір химиялық реакция ферментсіз жүрсе, ол катализдік емес. Бұл жағдайда фермент тек реакцияны он, жүз және мың есе тездетеді. Егер фермент реакцияның жүруіне әсер етсе, ол катализдік деп аталады. Яғни ферментсіз ол мүлде жүрмейді (температураны жоғарылату не заттардың концентрацияларын арттыру, олардың жанасу беттерін ұлғайту сияқты жағдайдың қандай да басқа физикалық өзгерістерінсіз және т.б.).
5. Ферменттік реакция әрдайым энергетикалық тұрғыда тиімді. Фермент есебінен реакция жылдамдығы артады немесе оның энергия сыйымдылығы төмендейді.
Фермент молекуласының құрылысы. Фермент молекуласы деген не? Барлық ферменттер – нәруыздар¹. Олар көбінесе құрамына аминқышқылдары қалдықтарынан басқа құрамбөліктер – простетикалық топтар кіретін күрделі нәруыздар болып табылады. Бұл металл иондары, дәрумендер молекуласының бөлігі (немесе тұтас молекулалар), органикалық сипатты заттар (липидтер, көмірсулар, циклдік құрылымдар және т.б.) болуы мүмкін. Фермент молекуласының көп бөлігі қосалқы рөл атқарады. Ол «басты бөлігі» орналасатын механикалық негіз не құрылым болып табылады. Осы субстратты «тануға» қабілетті «басты бөлікті» ферменттің белсенді орталығы деп атайды. Ферменттің белсенді орталығының құрамына көбінесе простетикалық топтар кіреді.
Ферментті катализдегі белсенді орталық рөлі – субстратты «танып-білу» және тікелей «әрекеттесу». Яғни субстрат молекуласы фермент молекуласының барлық бөлігімен әрекеттеспейді, тек «ферменттің белсенді орталығы» деп аталатын белгілі бір бөлігімен әрекеттеседі.
Фермент пен субстраттың әрекеттесу механизмі күрделі және аяғына дейін зерттелмеген. Бірақ кез келген катализдік үдерісті келесі гипотезалық мысалда көрсетуге болады. Мысалы, А және В заттарының қосылысы катализдік деп есептейік. Яғни қандай да бір үшінші зат – катализаторсыз А заты В затымен химиялық әрекеттесуге мүлде қабілетсіз. Мысалы, физикалық жағдайды қалай өзгертсек те шыны сумен реакцияға түспейді.
Егер катализаторды (фермент) К/Ф таңбасымен белгілейтін болсақ, онда А және В заттарының қосылысының катализдік реакция үдерісін мынадай сызба түрінде – формуламен көрсетуге болады:
А+В+К/Ф →АК/Ф+В=АВ+К/Ф
Бұл реакцияның өнімі, яғни соңғы нәтижесі АВ заты болып табылады. А заты катализатор-ферментпен әрекеттесетін субстрат. Сызбаны талдап, мынадай қорытынды жасауға болады: А заты катализатормен әрекеттеседі, содан кейін ғана В затымен химиялық әрекеттесетін қабілетке ие болады. Яғни реакция А және В заттарының арасында жүрмейді. Қосылу реакциясы АК/Ф кешені мен В заты арасында ғана жүреді. Реакция өнімі – нәтижесі АВ жаңа заты болып табылады. Бұл уақытта химиялық үдеріс аяқталған кезде К/Ф ферментінің зақымданбаған тұтас молекуласы реакциядан босап шығады. Сондықтан катализатордың ең қарапайым анықтамасы мынадай: «реакция барысында жұмсалмайтын, бірақ бұл үдерісті жүргізетін заттар».
Катализатор, фермент, субстрат, өнім, простетикалық топ, ферменттің белсенді орталығы, дәрумендер.
Білу және түсіну:
1. «Ферменттің белсенді орталығы» дегенді қалай түсінесіңдер?
2. Простетикалық топ құрамына қандай заттар кіруі мүмкін екенін сипаттаңдар.
Қолдану:
1. Фермент молекуласының әртүрлі бөлшектерінің рөлін салыстырыңдар.
2. Ферменттердің жұмысы туралы аталған мәліметтердің қайсысы практикалық іс-әрекетте едәуір маңызды деп ойлайсыңдар?
Талдау:
1. Сілекей ферменті амилаза әсерінен крахмалдың глюкозаға ыдырау реакциясын түрлі түсті сызба түрінде бейнелеңдер. Параграф материалымен танысқан соң, бұл үдеріс туралы түсініктерің қалай өзгерді?
2. Фермент-субстрат өзара әрекеттесу кезеңдерін талдаңдар.
Синтез:
1. Неліктен «ферменттің белсенді орталығы» химиялық өзгерген кезде молекуланың басқа барлық бөліктері зақымдалмаса да оның катализдік белсенділігі қатты төмендеуі не мүлде жойылуы мүмкін екенін талқылаңдар.
2. Ферменттер қызметі ерекшеліктерінің сипаты мен қасиетін антиденелер мен антигендердің қызметімен салыстырыңдар. Қандай ұқсастықтар мен айырмашылықтарды анықтадыңдар?
Бағалау:
1. Органикалық шикізаттарды (өсімдіктекті, жануартекті, мұнай-химиялық) өңдеу кезінде әртүрлі ферменттік кешендерді жасауды қолдану туралы реферат жазыңдар.
2. Мынадай пікірлер мен жағдаяттарды талқылаңдар:
1) «Жақын болашақта ғалымдар химиялық реакциялардың барлық түрі үшін катализаторлар ашады».
2) Биологиялық белсенді фермент, мысалы, сілекей лизоцимін 60 градусқа дейін қыздырса не болады? Бұл оның белсенділігіне қалай әсер ететініне болжам жасаңдар. Қыздырған соң, оны суытса, белсенділігі өзгере ме?
¹ Нәруыздық емес (және тіпті бейорганикалық) ферменттер де тірі жүйелерден анықталған. Әдетте, олар жүздеген және мыңдаған есе аз. Сондықтан олар мектеп курсында қарастырылмайды.