Ферменттер

Тірі ағзалар үнемі қозғалыста және тепе-тендікте болады, яғни ағзаға сырттан қоректік заттар еніп тұрады және керексіз өнімдер сыртқа шығарылады. Бұл құбылысты зат алмасу деп атайды. Зат алмасудың қалыпты жүруін орталық жүйке жүйесі және эндокрин (ішкі секреция) бездерінің гормондары реттейді. Эндокрин бездері өз әсерін ферменттер арқылы іске асырады.

Ағзаның барлық клеткасында бір мезгілде белгілі ретпен және өзара үйлесімді де алуан түрлі химиялық реакциялар жүріп жатады. Ал ферменттер осы реакцияларды миллиондаған есе жылдамдатады. Тіршіліктің мағынасы да осында. Егер ферменттер катыспаса, ағзадағы химиялық реакциялар өте баяу да тәртіпсіз жүрер еді. Мұндай жағдайда тіршіліктің өзі де болмайды. Сондықтан да ферменттер барлық тіршілік процестерінің негізі болып табылады. Ал ферменттер әсерінің қандай болмасын бұзылуы әртүрлі жайсыз құбылыстарға душар етеді.

Ферменттер деп ағзада жүретін алуан түрлі биохимиялық процестерге катализатор ретінде әсер ететін белоктік табиғаты бар қосылыстарды айтады. Фермент деген атау ғалымдарға көптеген жылдардан бері белгілі болса да, оның табиғи қасиеті соңғы жылдары ғана анықтала бастады.

Әдетте химиялық реакциялардың жүру жылдамдығын шапшаңдататын заттарды катализаторлар деп атайтыны белгілі. Ал ферменттер — өсімдіктер мен жануарлар және микроорганизмдер клеткаларынан бөлінетін белок тектес, ағзадағы биохимиялық реакцияларды сан мың есе шапшаңдататын қабілеті бар зат. Мұның қатысуынсыз қоректік заттардың ағзада сіңуі мүмкін емес. Осыған сәйкес ферменттерді биологиялық катализаторлар деп атайды, өйткені, олар тірі ағзада өтетін зат алмасу процесіне тікелей ат салысады. Фермент (латынның тілінде fermentum — ашу деген мағына береді) деген терминмен қатар әдебиетте энзим (грек тілінде — епаут, еп — ішкі, zyrne — ашытқы деген мағына береді) деген сөз де қолданылады.

Ферментгерді және олар катализдейтін реакцияларды зерттейтін биохимия бөлімі энзимология деп аталады.

Тірі клеткада зат алмасу процесі үздіксіз жүріп жатады. Зат алмасу процесі дегеніміз белгілі бір тәртіппен кезектесіп келіп отыратын әртүрлі химиялық реакциялардың жиынтығы. Мұндай реакциялар клеткадан тыс жерде (in vitro) ете қиындықпен және мейлінше баяу жүреді. Ол үшін қатан, шарттар (жоғары температура, күшті қышқылдар, сілтілер және т.б.) қажет. Тірі клеткада бұл реакциялардың жүрісін ферменттер тездетеді. Мәселен, асқорыту жолында крахмал моносахаридтерге, белок амин қышқылдарына ыдырайды және т.б. Бұл химиялық реакциялардың жылдамдығы тірі клеткалардан тысқары жердегіден миллиондаған есе артық.

Ферменттер — ағзадағы химиялық реакциялардың жылдамдығын жүздеген және мындаған есе өзгерте алатын белокты заттар, атап айтқанда жекелеген қосындылардың синтезі мен ыдырауын, зат алмасу процестерін және тағы сол сияқтыларды шапшаңдататын заттар.

Биохимияның даму тарихына үңілсек, бұл едәуір дәрежедегі ферменттерді зерттеу тарихы деп білуіміз тиіс. Ферменттер туралы ілімнің дамуы көне заманға барып тіреледі. Мыңдаған жылдар бойы адам баласы шарап ашыту, ірімшік жасау, нан пісіру, тері илеу, сыра қайнатушылық кәсіппен шұғылданғаны белгілі. Бірақ, бұл процестерге ферменттердің тікелей қатысының барлығын адамдар білмеген еді, себебі сол кезде ғылым, оның ішінде биология ғылымы өз дамуының ең төменгі сатысында тұрған болатын. Кейіннен табиғаттану ғылымдары саласында ашылған жаңалықтар мен қол жеткен табыстарға байланысты, бұл ілім саласы да біртіндеп дами бастады.

Ферменттер катысатын процестерді ғылыми тұрғыдан зерттеу XVII ғасырдың орта кезінен басталады. Осы кезде Гельмонт қанты бар сұйық заттардың ашуы ерекше қоздырушылар көмегімен жүретінін анықтаған. Осыдан кейін Лавуазье ашу кезінде қант түгелдей көмір қышқыл газға және спиртке айналатынын анықтады.

XIX ғасырдың ортасында кейбір фермент препараттары (уыттан — амилаза, қарын сөлінен — пепсин, т.б.) бөлініп алынды. Сөйтіп, катализ және катализаторлар жөніндегі ілім жарықка шықты (Берцелиус және басқалар). Бұл кезде атқарылған зерттеу жұмыстары ферменттердің химиялық зат екенін, олардың негізі биологиямен байланысты екенін дәлелдеді.

Луи Пастер спирттің ашу процесін зерттеп мынадай корытындыға келеді: ашу процесін жүргізетін химиялық заттар емес, ашытқының, яғни тірі клеткалардың тіршілік әрекеті болып табылады. Ол ферменттер тірі ашытқыдан ажырамайды, олармен біртұтас деп санады. Ашуға қатысты мұндай көзқарас 1897жылы Бухнер ашқан тамаша жаңалыққа дейін ұзақ уақыт сақталып, келді. Ол құрамында тірі клеткалар жоқашытқы сөлін сумен бөліп алады. Осы сөлдің өзі-ақ қантты тез ашытып, спиртке және көмір қышқыл газға айналдырғанын көреді. Осылайша қантты ыдыратып ашытатын ашытқының тірі клеткалары емес, керісінше олар жасап шығарған фермент (химиялық зат) екенін дәлелдейді. Ферменттің қантгы ашытқы өнімдеріне айналдыратын катализатор екенін анықтайды.

Спиртті ашу кезіндегі катализатордың химиялық табиғатын анықтау ферментті процестер жөніндегі зерттеуді алға апаруға дем беруші үлкен күш болды және соның нәтижесінде көптеген ферменттер бөліп алынып, зерттелді. Ферменттер әсерінің теориясы (Э. Фишер, 1890ж.), ферментті реакциялардың кинетикасы (Л.Миха-элис пен М. Ментен, 1913ж.)жөніндегі жұмыстар жарық көрді. XX ғасырдың бас кезінде И.П. Павлов және оның әріптестері ас корытушы ферменттердін, белоктік табиғаты жөнінде өте маңызды мәліметтер алады. Олар иттің қарынындағы сөлдің активтігі оның құрамындағы белоктарға байланысты екенін анықтады. Қарын сөлінде белок аз болса, онда пепсин де шағын мөлшерде болды. Өз мәліметтерін және басқа да ғалымдардың зерттеулерін талдай келіп, Павлов ферменттер дегеніміз — белоктік заттар деген қорытындыға келді.

Ең алғаш таза ферментті 1926 ж. жас биохимик Дж. Самнер кристалл түрінде алды. Ол канавалия деген өсімдік дәнінен уреаза ферментін бөліп алып, оның кристалдарының белоктан тұратынын анықтайды. Бұдан кейін 1930 ж. Дж. Нортроп пепсин кристалдарын, ал келесі жылы сол Нортроп пен М. Кунитц екеуі кристалды трипсинді бөліп алады. Осы екі ферменттің екеуі де белок екен. Қазіргі кезде кристалдық түрде жүздеген ферменталынды. Зерттеліп табылған ферменттердің саны қазір 2000 шамасынан асады. Олардың бәрі де белоктік заттар.

Бір сөзбен айтқанда, ферменттер — биологиялық катализаторлар. Мәселен, мәйек ферментінің (химозин) бір бөлігі 800 мыңдай бөлік сүтті ұйыта алады.

Ферменттер тірі клеткада ғана емес, сонымен бірге клеткадан тыс ортада да өз күшін жоймай реакцияны тездетеді. Мұның үлкен практикалық маңызы бар. Олардың әрқайсысы заттардың белгілі бір түріне ғана әсер ете алады. Мәселен, сүт қантын ыдырататын фермент оған ұқсас қанттарға (мальтоза, сахароза) әсер етпейді. Ал кейбір ферменттер белоктарды, майларды, кемірсуларды құрам бөліктеріне ыдыратып қана қоймай, сол заттардың клеткада синтезделуіне қатысады. Мұндай күрделі қосындыларды синтездейтін ерекше ферменттер де аз емес. Ферменттік реакциялар бір-бірімен ұштасып, өзара байланысып жатады. Кейде топтасып қызмет атқарады.

Ферменттер жай және күрделі белоктарға жатады. Күрделі белоктар түрінде құрылған кейбір ферменттердің простетикалық топтарына витаминдер кіреді. Мысалы: флавинді ферменттердің простетикалық тобына рибофлавин, ал кейбір декарбоксилаза (СО₂ бөліп шығару) және декарбоксилдеуші (СО₂байланыстыру) дегидрогеназа құрамына тиамин енеді.

Ферменттердің физика-химиялық қасиеттері белоктың табиғатымен белгіленген. Ферменттер жартылай өткізгіш мембрана арқылы диализденбейді, тұзбен тұндыруға бейім белок тәрізді түсті және тұнба реакцияларын береді.

Ферменттерді тұзбен түндыру, ацетонмен фракциялау және колонкалы хроматография әдістерімен бөліп алғанда, олар катализдік қасиеттерін жоғалтпайды. Кристалл күйінде бөлініп алынған ферменттер өте жоғары активті болады. Ағзада реакцияларды тездетуші ферменттер белок табиғатына байланысты, бейорганикалық катализаторлардан бірқатар маңызды айырмашылығы бар. Ферменттер температура әсеріне бейімделгіш әрекеті қатаң түрде тұрақты, электролит және т.б. заттардың қатысында рН ортасына байланысты активтігі күшті өзгереді.

Жоғарыда айтылғандай барлық ферменттер белоктар табиғатына кіретін заттардың қатарына жатады. Соған орай оның ерекше мәні бар. Өмір — белоктік денелердің тіршілігі деген ғылыми әрі дәл айтылған тұжырымға мектеп қабырғасында жүріп-ақ сан рет қанғанбыз. Бірақ біздер ферменттің белоктік қасиеттерінен мүлде хабарсыз едік. Дегенмен, жаңағы бір ғылыми тұжырымның тамыры тым теренде жатыр. Өмірде белок қатынаспайтын процестер жоқ болғандықтан, ғылым фермент мәселесіне айрықша мән беріп отыр. Ферменттер тірі ағзада өтіп жататын мыңдаған биохимиялық реакцияларға қатынасатын болғандықтан кей-кейде оны "өмір кілті" деп орынды атап жүр.

Ферменттердің қандай касиеттері бар? Енді соған тоқталайық. Оның ең бірінші қасиеті химиялық реакцияны өте шапшандатып, тездетіп жібереді. Мұны қарапайым мысалмен былай түсіндіруге болады. Айталық, химиктер кез келген реакцияны тездету үшін катализаторды қолданады. Катализатор өте аз мөлшерде пайдаланылса, ферментті болар-болмас қолданып-ақ реакцияны өте тез жүргізуге жетеміз. Мысалы катализатор әсерінен кез-келген химиялық реакциялар бір секундтай уақыт аралығында өтсе, ал ферментті қатыстырғанда, бір секундтың оннан бір бөлігіндей-ақ уақыт кетеді екен. Реакция қаншалықты шапшаң жүрсе бізге қажетті заттардың көп өндірілетініне ешқандай күмән жоқ. Турасын айтқанда бұл өте маңызды нәрсе. Фермент — катализатордың осынау қасиеті тірі ағзалардың өмір сүруінде де үлкен рөл атқарады. Өйткені, осыншалықты тездеткіш қосылыс болмаса адамның денесінде болып жататын өте қажетті сан алуан реакция аз уақытта іске аса қоймас еді.

Осыдан миллиард жыл бұрын біздің планетамызда алғашқы тіршілік басталған сәттерде белгілі белоктар органикалық қосылыстар жасай бастаған болу керек. Бірақ, сол белоктар, алғашкы ферменттер пайда болып, оларды химиялық реакцияларға түсіріп, химиялық қосылыстар жасап, зат алмастыратын жағдайға жеткізгенше тірі жәндікке айналған жоқ.

Ферменттердің тағы бір мынандай қызық қасиеті бар. Химиялық реакциялар кейде керісінше де жүреді кез-келген зат жойылса, оның құрамындағы заттар бұрынғыдай бөлініп, қосылғанға дейінгі қалпына келеді. Ал, ферменттер осының екеуіне де қатысып, екеуін де тездете алады. Ферменттердің бұл қасиеті клеткалар мен ұлпалардың ішінде болатын өзгерістердің механизмін білуге мүмкіндік береді.

Ферменттерді халық байлығы деуге болады. Ферменттерді халық шаруашылығында қолдану орасан зор экономикалық пайда келтіреді. Өнімнің өзіндік құнын кемітіп, сапасын жақсарту, жұмысшылардың еңбегін жеңілдету, еңбек өнімділігін арттыру жөніндегі тиімділігі ұшан-теңіз.

Ферменттерді (биологиялық катализатор ретінде) қолдану-болашағы зор техникалық прогрестің жаңа кезеңі десек те болады. Сондықтан да үкіметтің шешімдерінде тағамдық, мал азықтық және шипалық (антибиотиктер) заттарды өндіруде биохимиялық әдістерді, соның ішінде ферменттерді кеңінен қолдану қажет екендігі атап көрсетілген. Егер алғашында ферменттер қоректік заттарды ыдыратуға себепші болса, кейіннен сол ыдыраған жай қосылыстардан ағзадағы ұлпалар мен клеткалардың құралуын қамтамасыз етеді. Сонымен тіршілік, өмір, яғни Ф. Энгельс айтқандай, зат алмасудың біртұтас екі құрамды бөлігі — ассимиляция және диссимиляция осы ферменттердің көмегімен ғана жүзеге асады.

Ферментгердің негізгі қасиеті — олардың активтілігі. Мысалы, крахмал клейстрінің судағы ерітіндісіне, сутегінің пероксидіне және кәдімгі сүтке ферменттерді қоспасақ, біз крахмалдың қантқа айналғанын, сутегі пероксидінің ажырағанын және сүттің ұйығанын байқай алмаймыз. Ал крахмал ерітіндісіне аз ғана мөлшерде амилаза ферментін қоссақ, оның аз уақыттың ішінде глюкоза кантына айналғанын көреміз. Сол сияқты каталаза ферментінің әсерінен сутегінің пероксиді ажырайды, ал мәйек ферменті қосылса сүт тез арада ұйиды.

Организмде тіршілік процестерінің бірқалыпты жүрісі ферменттер әсеріне байланысты. Ферменттік реакциялардағы қандай болмасын жайсыз өзгеріс әртүрлі патологияға, дертті өзгеріске әкеліп соғады. Клеткалардағы немесе биологиялық сұйықтықтағы (мысалы, қан плазмасындағы) белгілі бір ферменттің активтілігін анықтау арқылы әртүрлі мүшелерде және ұлпаларда болып жатқан өзгеріс жөнінде тұжырым жасауға болады. Мұндай фермент активтілігіне қатысты зерттеулер адамның және жануарлардың ауруы жағдайын, оның диагностикасын бақылау үшін қажет. Жүрек ауруға шалдыққан кезде, әдетте, қан плазмасында креатинкиназа, лактатдегидрогеназа және аспартатаминотрансфераза сияқты ферменттердің активтілігі артады. Аминотрансферазалар (әсіресе аланиндік түрі) бауырдың зақымдалуына (мысалы, сары ауру кезінде) әсіресе сезімтал келеді. Қан құрамында ұйқы безі амилазасының көбеюі ұйқы безінің ауруға ұшырағанын білдіреді. Панкреатиттің ауыр түрі басталғаннан кейін бірнеше сағат ішінде амилаза активтілігі қанда тез артады, ал бір тәуліктен кейін, қалыпты көрсеткішімен салыстырғанда, 5-10 есе көбейгені байқалады.

Ферменттерді бөліп алу және тазарту

Ферменттер адамның, жануарлардың, өсімдіктердің ұлпаларында және микроорганизмдерде синтезделіп жасалады. Ферментті бөліп алу үшін, ол көп кездесетін материалды (шикізатты) таңдап алу керек. Егер фермент алынатын материал жануар ұлпасы болса, онда ол ұлпаны басқа бөліктерден беліп ажыратады және қанын жуып тазартады. Тандап алынған материалдағы ферменттер бұзылып кетпеу үшін, оны төменгі температурада (2-8°С) ұнтақтайды. Осылайша ұнтақталған біртектес массаны центрифугаға салып өңдейді. Осы кезде фермент оның сұйық белігіне (центрифугатқа) етеді де, шегіндіні тастайды.

Ферменттер белоктік заттар болғандықтан, оларды алу үшін белокті бөліп шығаратын әдісті қолданады. Белокты шөктіріп тұнбаға түсірудің бірінші кезегінде центрифугатқа аммоний сульфатын немесе органикалық еріткіштерді (этил спиртін немесе ацетонды) қосады. Бұл кезде ферменттермен қоса бүкіл белоктар дерлік тұнбаға түсіріледі. Бұдан кейін ферменттерді ептілікпен беліп алу үшін ионалмасу хроматография әдісін қолданады. Әсіресе әртүрлі шайырлар, олардың ішінде ерімейтін ДЭАЭ-целлюлоза кең түрде қолданылады.

Полиакриламидті, крахмалды немесе агарлы гелде жүргізілетін электрофорез әдісімен де ферменттерді бөліп алуға болады.

Осыдан кейін бөліп алынған фермент препаратының біртекті тазалығын тексереді. Ферменттің тазалық дәрежесі оның меншікті активтілігімен бағаланады, бұл кезде ферменттің активтілігін 1 мг белокқа шағып есептейді. Әдетте ферментті тазарту жұмысын, осы істің келесі кезеңінде олардың меншікті активтілігі одан әрі артпайтындай деңгейге дейін немесе электрофорездеу, гель-сүзу, ионалмасу хроматография не ультрацентрифугалау кезінде тек бір ғана белок компоненті бөлінгенге дейін жүргізе береді.Ферментті препараттарды өнеркәсіптік жолмен өндірудің түрлі жолдары бар.

Ферменттердің практикалық маңызы

Организмде тіршілік процестерінің бірқалыпты жүрісі ферменттер әсеріне байланысты. Ферменттік реакциялардағы қандай болмасын жайсыз өзгеріс әртүрлі патологияға, дертті өзгеріске әкеліп соғады. Клеткалардағы немесе биологиялық сұйықтықтағы (мысалы, қан плазмасындағы) белгілі бір ферменттің активтілігін анықтау арқылы әртүрлі мүшелерде және ұлпаларда болып жатқан өзгеріс жөнінде тұжырым жасауға болады. Мұндай фермент активтілігіне қатысты зерттеулер адамның және жануарлардың ауруы жағдайын, оның диагностикасын бақылау үшін қажет. Жүрек ауруға шалдыққан кезде, әдетте, қан плазмасында креатинкиназа, лактатдегидрогеназа және аспартатаминотрансфераза сияқты ферменттердің активтілігі артады. Аминотрансферазалар (әсіресе аланиндік түрі) бауырдың зақымдалуына (мысалы, сары ауру кезінде) әсіресе сезімтал келеді. Қан құрамында ұйқы безі амилазасының көбеюі ұйқы безінің ауруға ұшырағанын білдіреді. Панкреатиттің ауыр түрі басталғаннан кейін бірнеше сағат ішінде амилаза активтілігі қанда тез артады, ал бір тәуліктен кейін, қалыпты көрсеткішімен салыстырғанда, 5-10 есе көбейгені байқалады.

Былғары өндірісінде протеолиттік ферменттер тері өңдеу үшін және былғары шикізатын жұмсарту үшін қолданылады.