8-ma'ruza mavzu. Fermentlar, ularning tuzilishi. Fermentlarning ta’sir qilish mexanizmi. Reja

8.2. Fermentlarning ta’sir etish mexanizm.
Fermentlar ta’sirida ketadigan reaksiyalar katalitik jarayonlarning kechish qonuniyatlari asosida o‘tadi. Enzimatik reaksiya uchun zarur bo‘lgan faollanish energiyasini fermentlar kam talab qiladi.
Kataliz haqidagi tushunchaga binoan, molekulalar reaksiyaga kirishishi uchun “faollanish holati” deb ataluvchi konfiguratsiya davrini o‘tishi lozim. Faollanish energiyasi molekulalarning yaqinlashishi va reaksiyaga kirishuviga to‘sqinlik qilib turadigan kuchlarni (energetik to‘siqni) yengish uchun zarur. Energetik to‘siqdan ortiqroq energiyaga ega bo‘lgan molekulalar reaksiyaga kirishadi. Faollashgan molekulalarning soni ko‘p bo‘lsa, reaksiya sur’ati tez bo‘ladi. Lekin reaksiyada qatnashayotgan molekulalarni faollashtirish uchun energiya (issiqlik, yorug‘lik) sarf etilishi shart. Misol tariqasida disaxarid saxarozaning glyukoza bilan fruktozaga parchalanish reaksiyasiga sarf bo‘ladigan energiya miqdorini keltiramiz. Saxarozani parchalash uchun laboratoriyada katalizator bo‘lmaganda 32000 kal energiya kerak, muhitda enzim sifatida vodorod atomlari bo‘lsa 25600 kal sarflanadi, mazkur moddani parchalashda ferment saxaroza bo‘lsa, uni ikkiga ajratish uchun 9400 kal zarur. Demak, ko‘rinib turibdiki, fermentativ reaksiyalar kam energiya talab etadi. Enzimlar molekulalardagi atomlararo bog‘larni bo‘shashtirib, reaksiyaga kirishayotgan substratni deformatsiya holatiga keltirib, uning reaksion qobiliyatini oshirib yuboradi.
Oddiy va murakkab fermentlarning ta’sir qilish mexanizmi bir xil bo‘lib, ularning faol markazlari bir-biriga o‘xshash vazifalarni bajaradilar.
Fermentlarning ta’sir qilish mexanizmini o‘rganish
XX asr boshlarida boshlangan. 1902 yilda ingliz kimyogari A.Broun ferment substratga ta’sir qilganda o‘rtada oraliq modda ferment-substrat kompleksi hosil bo‘ladi, deydi. 1913 yilda esa L.Mixaelis va M.Mentenlar yuqoridagi g‘oyani tasdiqlab, fermentlarning ta’sir qilish mexanizmini quyidagi chizmada tasvirlaydi:
Ye+S[YeS]  [YeS]^’  [YeR] Ye+R
Ye-ferment, S-substrat, R-mahsulot.
Fermentativ katalizning birinchi pog‘onasida ferment-substrat kompleksi [YeS] hosil bo‘lib, ular o‘rtasidagi bog‘lar ionli yoki kovalentli bo‘ladi. Kompleksning hosil bo‘lishi juda tez, bir zumda amalga oshadi.
Ikkinchi bosqichda kompleksdagi substrat ferment bilan bog‘langanligi tufayli faol holatga kelib, uning reaksion qobiliyati oshadi. [S']. Substratning xuddi shu xolati keyingi reaksiya tezligini belgilaydi.
Uchinchi bosqichda kimyoviy reaksiya fermentning sathida ketib, ferment-mahsulot kompleksi hosil bo‘ladi.
Yakuniy bosqichda esa ferment-mahsulot kompleksidan ferment va mahsulot alohida bo‘lib ajraladi.
Mazkur chizmani quyidagi misollar orqali aniqlashtirish mumkin. Aminokislotalarni pereaminlanish reaksiyasini amalga oshiruvchi aminatransferaza fermentining faoliyatida namoyon bo‘ladi. Enzim mahsuloti sifatida amino- va ketokislota hosil bo‘ladi. Aminotrasferaza bu xoloferment, uning kofermenti pirodaksalfosfat bo‘lib, kovalent bog‘i orqali apoferment bilan bog‘langan. Fermentativ reaksiyada kofermentning faol qismi, uning aldegid guruhi bo‘lgani uchun xoloferment ta’sir mexanizmini quyidagicha yozish mumkin:

Fermentativ katalizning birinchi bosqichida ferment-substrat kompleksi [ES] hosil bo‘lib, enzim substrat bilan kovalent bog‘i orqali bog‘lanadi:

Katalitik reaksiyaning ikkinchi bosqichida substratning o‘zgarishi asosida faollangan kompleksga aylanadi [ES]':

Reaksiyaning sodir bo‘lishida ferment-substrat kompleksida atomlarning tautomer guruhlanishi asosiy rol o‘ynaydi. Gidroliz reaksiya natijasida ketokislota hosil bo‘lib, ferment piridoksaminferment ko‘rinishida kompleksdan ajraladi. Keyingi reaksiya bosqichlarini quyidagicha tasvirlash mumkin:

Reaksiya natijasida aminokislota ketokislotaga, ketokislotalar-dan yangi aminokislota hosil bo‘lishi mumkin. Mazkur reaksiyada aminokislotaning amin guruhi biror ketokislotaga to‘liq ravishda ferment ta’sirida ko‘chiriladi.
Ko‘rilgan reaksiyalarda fermentning ta’siri bosqichma-bosqich asosida amalga oshishi va substratning o‘zgarishini kimyoviy chizma asosida tasvirlash mumkinligi ko‘rsatilgan.
Shuni xam esda tutish kerakki, ferment-substrat kompleksi [ES] hosil bo‘lishi juda tez ketishi tufayli, u har doim Ye va S bilan muvozanatda bo‘ladi. [ES]' uning Ye va R ga parchalanishi esa nisbatan sekin boradi va amaliyotda ferment-substrat kompleksi konsentratsiyasiga ta’sir qilmaydi. Shu g‘oyaga asosan Mixaelis va Mentenlar reaksiya tezligi (V) ni substrat konsentratsiyasi S bilan bog‘lovchi tenglamani ishlab chiqqanlar. Tenglamaning ifodasi quyidagicha:

V- fermentativ reaksiya tezligi;
S- substratning konsentratsiyasi;
Km- ferment-substrat kompleksi hosil bo‘lish reaksiyasidagi dissotsilanish konstantasi (Mixaelis konstantasi).
Ferment-substrat kompleksini hosil bo‘lish omillari, kompleksning Ye va S bilan muvozanati va uning kompleksi ES va Ye, R larga parchalanish tizimi asosida quyidagi xulosaga kelish mumkin.
Har qanday fermentativ reaksiyaning boshlang‘ich tezligi, substrat konsentratsiyasiga bog‘liq bo‘lib, bu ko‘rsatkich ma’lum vaqtgacha saqlanib, substrat miqdorining kamayishi reaksiya tezligining pasayishiga sababchi bo‘ladi.
Dastlabki fermentativ reaksiya tezligi (enzim konsentratsiyasi bir xil bo‘lganda) substrat miqdoriga qarab oshib boradi, so‘ng ma’lum muddatdan keyin doimiy holatga o‘tib, uni giperbola sifatida tasvirlanadi. Shunday bog‘liqlikning sababi ferment-substrat kompleksi hosil bo‘lishidan darak beradi.
Katalitik markazni substrat bilan to‘yintirilsa, reaksiya tezligi maksimumga yetadi [S]>>[E].
Mixaelis – Menten tenglamasi bilan tasvirlangan grafikda amaliyot yo‘li bilan olingan egri chiziqqa o‘xshash shakl (giperbola) hosil bo‘ladi. Bu egri chiziq 11-rasmda ko‘rsatilgan:

Shunday qilib, Mixaelis konstantasi reaksiya tezligi (V) maksimal tezlik (Vmax) ning yarmini tashkil qilgan vaqtdagi substrat konsentratsiyasining qiymatiga teng. Bu konstanta fermentativ reaksiyalarni o‘rganishda muhim axamiyatga ega, chunki u ferment-substrat kompleksining parchalanish darajasini ifodalaydi. Ferment-substrat kompleksi [ES] hosil bo‘lishi qancha yuqori bo‘lsa, Mixaelis konstantasi shuncha kichik bo‘ladi va aksincha.
Fermentativ reaksiya tezligi vaqt birligi ichida o‘zgargan substratning mol (m) yoki mikromol (mk mol) soni bilan o‘lchanadi. Fermentning molekular massasi noma’lum bo‘lsa, uning absolyut deb atalgan birligi olinadi. Bunda ferment birligi qilib 1 mk mol substratni 1 minut davomida katalizlaydigan miqdor olinib, Ye bilan ifodalanadi, ya’ni mk mol/min aynan fermentning faollik birligi deb qabul qilingan. Fermentning konsentratsiyasi (agar u eritma bo‘lsa) 1ml eritmadagi miqdori bilan belgilanadi. Ferment kristall holda ajratib olingan bo‘lsa, u mg ga aylantiriladi. Ba’zan fermentlar faolligini ifodalashda uning bitta molekulasining bir minut davomida o‘zgartirilgan substrat molekulalar soni hisoblanadi. Bu fermentning molekular faolligi yoki aylanish soni deb ataladi.