Biokimyəvi reaksiyalarda fermentlər necə işləyir
Fermentlər canlı orqanizmlərdə "katalizator" rolunu oynayan bioloji molekullardır. Bu o deməkdir ki, onlar kimyəvi reaksiyaları özləri tərəfindən mənimsənilmədən sürətləndirirlər. Fermentlər olmadan əksər biokimyəvi reaksiyalar o qədər yavaş gedər ki, həyatı dəstəkləyə bilməzdi. Məsələn, qidanın enerjiyə parçalanması, DNT-nin əmələ gəlməsi və zərərli maddələrin detoksifikasiyası fermentlərin nisbətən aşağı bədən temperaturlarında və sürətli şəkildə baş verməsini tələb edir.
Fermentlər nədir və onlar nə üçün vacibdir?
Ümumiyyətlə, fermentlər zülallardır (bəzi fermentlər RNT əsaslıdır və ribozim adlanır). Hər bir fermentin funksiyasını təyin edən spesifik üçölçülü forması var. Bu forma fermentin substratlar adlanan spesifik molekulları tanımasına və onları məhsullara çevirməsinə imkan verir. Fermentlər vacibdir, çünki:
1. Fermentlər olmadan reaksiya sürətini milyonlarla dəfə artırın.
2. Fizioloji şəraitdə (pH və bədən istiliyi) səmərəli reaksiyalar yaradın.
3. Metabolik yolları tənzimləyin ki, bədən reaksiyanın nə vaxt və nə qədər tez baş verdiyini idarə edə bilsin.
Əsas konsepsiya: fermentlər aktivləşmə enerjisini aşağı salır
Hər kimyəvi reaksiyanın başlaması üçün aktivləşmə enerjisi adlanan ilkin enerji tələb olunur. Bir vadiyə enməzdən əvvəl təpəyə qalxmalı olan bir top kimi bir reaksiya təsəvvür edin. Həmin təpə aktivləşmə enerjisidir. Fermentlər olmadan təpə yüksəkdir, ona görə də bədən temperaturunda yalnız bir neçə molekul onu "keçə" bilər.
Fermentlər aktivləşmə enerjisini azaltmaqla işləyir. Onlar reaksiyanın son məhsulunu dəyişdirmirlər (reaktivlər və məhsullar arasındakı ümumi sərbəst enerji dəyişməz qalır), lakin reaksiya yolunu daha əlçatan edir. Nəticədə, vahid vaxt ərzində daha çox substrat molekulu reaksiya verə bilər və bu da reaksiyanın daha sürətli getməsinə səbəb olur.
Aktiv mərkəz: reaksiyanın baş verdiyi yer
Fermentin ən vacib hissəsi aktiv mərkəzdir, bu da substratın bağlandığı fermentdəki "cib" və ya yarıqdır. Aktiv mərkəz aşağıdakılara malikdir:
– Forma spesifikliyi, yəni yalnız müəyyən substratlar uyğundur.
– Elektrik yükü nümunələri, polyarlıq və hidrogen rabitələri yaratmaq qabiliyyəti kimi kimyəvi spesifiklik.
Substrat aktiv mərkəzə daxil olduqda, ferment-substrat kompleksi əmələ gəlir. Reaksiya burada davam edir və məhsul əmələ gəlir. Məhsul əmələ gəldikdən sonra sərbəst buraxılır və ferment yenidən istifadəyə hazır olaraq ilkin vəziyyətinə qayıdır.
Ferment və substrat qarşılıqlı təsir modeli
Substratların fermentlərə necə bağlandığını izah etmək üçün iki əsas model mövcuddur:
1. Kilid və açar modeli
Fermentlərin, kilidə uyğun açar kimi, substrata "uyğun" olan aktiv mərkəz formasına malik olduğu düşünülür. Bu model fermentin formasının sərtliyini vurğulayır.
2. İnduksiyalı uyğunluq modeli
Əslində, fermentlər daha çevikdir. Substrat yaxınlaşdıqda, ferment substratı daha möhkəm "qucaqlamaq" üçün formasını bir az dəyişə bilər. İnduksiya edilmiş uyğunluq modeli daha geniş qəbul edilir, çünki fermentlərin niyə bu qədər səmərəli olduğunu izah edir: bu forma dəyişiklikləri kimyəvi qrupları reaksiyaları sürətləndirmək üçün düzgün mövqelərdə yerləşdirməyə kömək edir.
Fermentlərin reaksiyaları sürətləndirməsinin əsas mexanizmi
Fermentlər aktivləşmə enerjisini bir neçə şəkildə azaldır və çox vaxt eyni vaxtda baş verir:
1. Substrata yaxınlaşın və istiqamətləndirin
Fermentlər effektiv toqquşma ehtimalını artırmaq üçün substratları optimal mövqelərdə yerləşdirir. Normal məhlullarda molekullar təsadüfi hərəkət edir; fermentlər "düzgün mövqe tapmaq" prosesini sürətləndirir.
2. Keçid vəziyyətini sabitləşdirin
Keçid vəziyyəti reaksiya zamanı molekulun yüksək dərəcədə qeyri-sabit formasıdır. Fermentlər başlanğıc substrata nisbətən keçid vəziyyətinə daha möhkəm bağlanır və beləliklə aktivləşmə enerjisini azaldır.
3. Uyğun bir mikro mühit təmin edin
Aktiv mərkəz daha turşulu, daha əsaslı, daha qeyri-polyar mühit təmin edə bilər və ya reaksiyanı dəstəkləmək üçün müəyyən bir yük paylanmasına malik ola bilər. Bu təsirlər xüsusilə suda baş verməsi çətin olan reaksiyalar üçün faydalıdır.
4. Kimyəvi qruplara görə kataliz (turşu-qələvi və kovalent kataliz)
– Turşu-qələvi katalizində fermentlər rabitələrin qırılmasını və ya əmələ gəlməsini asanlaşdırmaq üçün protonları (H⁺) bağışlayır və ya qəbul edir.
– Kovalent katalizdə ferment substratla müvəqqəti kovalent rabitə əmələ gətirir və bu da daha asan alternativ reaksiya yolu yaradır.
5. Kofaktorlar və koenzimlərdən istifadə
Bir çox ferment metal ionları (Mg²⁺, Zn²⁺, Fe²⁺) və ya üzvi molekullar (NAD⁺, FAD, koenzim A kimi vitamin törəmələri) kimi "köməkçilərə" ehtiyac duyur. Kofaktorlar elektronların ötürülməsinə, yüklərin sabitləşməsinə və ya müəyyən kimyəvi qrupların daşınmasına kömək edir.
Ferment aktivliyinə təsir edən amillər
Fermentlərin performansı şəraitdən asılı olaraq arta və ya azala bilər:
1. Temperatur
Ümumiyyətlə, reaksiya sürəti temperatur artdıqca artır, çünki molekullar daha sürətli hərəkət edir. Lakin, fermentlər çox yüksək temperaturda denaturasiya edə (parçalana) bilən zülallardır. İnsanlarda bir çox ferment optimal olaraq 37°C ətrafında fəaliyyət göstərir.
2. pH
Hər bir fermentin optimal pH dəyəri var. pH-dakı dəyişikliklər aktiv mərkəzdəki amin turşularının yükünü dəyişdirə bilər və bu da substratın bağlanmasını çətinləşdirir və ya reaksiyanın effektivliyini azaldır. Məsələn, mədədəki pepsin fermenti turşu pH-da optimal şəkildə işləyir.
3. Substratın və fermentin konsentrasiyası
Substrat konsentrasiyası artdıqca, reaksiya sürəti bütün fermentlərin "məşğul" olduğu və sürətin maksimuma (Vmax) çatdığı müəyyən bir nöqtəyə qədər artır. Bu, ferment doyma konsepsiyası ilə əlaqədardır.
4. İnhibitorlar və aktivləşdiricilər
– Rəqabətli inhibitorlar aktiv mərkəzə sahib olmaq üçün substratla rəqabət aparırlar.
– Rəqabətsiz inhibitorlar başqa yerdə (allosterik sahələrdə) bağlanır və fermentin formasını dəyişdirir ki, aktivlik azalsın.
– Aktivatorlar aktiv formanı sabitləşdirməklə və ya substratın bağlanmasına kömək etməklə ferment aktivliyini artıra bilər.
Metabolik yollarda fermentlərin tənzimlənməsi
Hüceyrələrdə biokimyəvi reaksiyalar bir sıra metabolik yollarda baş verir. Fermentlər təkbaşına işləmir; onların fəaliyyəti enerji və xammalın israf edilməsinin qarşısını almaq üçün tənzimlənir. Vacib mexanizmlərdən biri allosterik tənzimləmədir, burada tənzimləyici molekullar aktiv mərkəzdən kənarda fermentlərə birləşərək onların fəaliyyətini dəyişdirir. Həmçinin mənfi geribildirim (geribildirim inhibisiyası) da mövcuddur: yolun son məhsulu bol olduqda, yoldakı ilkin fermenti inhibə edir.
Fermentlərin gündəlik həyatdakı rolunun nümunələri
Fermentlər yalnız bədən üçün vacib deyil, həm də geniş istifadə olunur:
– Həzm: amilaza nişastanı sadə şəkərlərə, proteaza zülalları, lipaza isə yağları parçalayır.
– Qida sənayesi: fermentlər çörək, pendir, qatıq və qlükoza siropu istehsalında istifadə olunur.
– Yuyucu vasitələr: proteazalar və lipazalar aşağı temperaturda zülal və yağ ləkələrini təmizləməyə kömək edir.
– Tibbi və diaqnostik: fermentlər laboratoriya testlərində və dərman hədəfləri kimi istifadə olunur (məsələn, müəyyən terapiyalarda ferment inhibitorları).
Nəticə
Fermentlər, biokimyəvi reaksiyaların həyat üçün əlverişli şəraitdə sürətlə, istiqamətləndirilmiş və səmərəli şəkildə baş verməsini təmin edən bioloji katalizatorlardır. Aktivləşdirmə enerjisini azaltmaqla, fermentlər aktiv mərkəzdə substratın bağlanması, keçid vəziyyətinin sabitləşməsi, turşu-qələvi və ya kovalent kataliz və kofaktorların köməyi ilə reaksiyaları sürətləndirirlər. Ferment aktivliyinə temperatur, pH, konsentrasiya və inhibitorların və ya aktivatorların olması da təsir göstərir. Fermentlərin necə işlədiyini anlamaq, maddələr mübadiləsinin, sağlamlığın və sənayedə və tibbdə biotexnologiyanın müxtəlif tətbiqlərinin əsaslarını anlamağımıza kömək edir.
