Biologinis katalizatorius, dar vadinamas biokatalizatoriumi, yra molekulė, dažniausiai baltyminės kilmės, galinti pagreitinti chemines reakcijas, vykstančias gyvose būtybėse. Katalizatoriaus baltymų molekulės yra fermentai, o RNR pobūdžio - ribozimai. Šiame straipsnyje daugiausia dėmesio skirsime fermentų, kurie yra geriausiai žinomi biologiniai katalizatoriai, tyrimui. Nesant fermentų, nepavyktų įvykti milžiniškoms reakcijoms, kurios vyksta ląstelėje ir leidžia gyventi. Jie yra atsakingi už proceso pagreitį maždaug 10 kartų6, o kai kuriais atvejais - daug didesnį.
Katalizatorius yra molekulė, galinti pakeisti cheminės reakcijos greitį, nenaudojant savęs minėtoje reakcijoje. Cheminės reakcijos apima energiją: pradinės molekulės, dalyvaujančios reakcijoje arba reaguojančiosios medžiagos, prasideda nuo tam tikros energijos. Papildomas energijos kiekis sugeriamas, kad pasiektų „pereinamąją būseną“. Vėliau energija išleidžiama su produktais. Energijos skirtumas tarp reagentų ir produktų išreiškiamas ΔG. Jei produktų energijos lygis yra didesnis nei reagentų, reakcija yra endergoninė ir ne spontaniška. Priešingai, jei produktų energija yra mažesnė, reakcija yra exergoninė ir spontaniška. Tačiau, jei reakcija yra spontaniška, tai nereiškia, kad ji pasireikš pastebimu greičiu. Reakcijos greitis priklauso nuo ΔG* (žvaigždutė reiškia aktyvinimo energiją). Šios sąvokos svarbios, norint suprasti, kaip vyksta fermentų veikimas.
Fermentai
Kas yra fermentas?
Fermentai yra neįtikėtinai sudėtingos biologinės molekulės, daugiausia susidedančios iš baltymų. Baltymai, savo ruožtu, yra ilgos aminorūgščių grandinės. Viena iš ryškiausių fermentų savybių yra jų specifiškumas tikslinėje molekulėje - ši molekulė vadinama substratu.
Fermentų charakteristikos
Fermentai egzistuoja keliomis formomis. Kai kurie iš jų susideda tik iš baltymų, o kituose yra nebaltyminiai komponentai, vadinami kofaktoriais (metalai, jonai, organinės molekulės ir kt.). Taigi, apoenzimas yra fermentas be jo kofaktoriaus, o apoenzimo ir jo kofaktoriaus derinys vadinamas holoenzimu.
Jie yra žymiai didelio dydžio molekulės. Tačiau tik nedidelė fermento vieta tiesiogiai dalyvauja reakcijoje su substratu, ir šis regionas yra aktyvi vieta. Kai reakcija prasideda, fermentas yra sujungtas su jo substratu, nes raktas yra sujungtas su jos užraktu. Šis modelis yra tikrojo biologinio proceso supaprastinimas, bet padeda iliustruoti procesą.
Visos cheminės reakcijos, kurios atsiranda mūsų organizme, yra katalizuojamos fermentų. Iš tiesų, jei šių molekulių nebūtų, tektų laukti šimtus ar tūkstančius metų, kol reakcijos būtų užbaigtos. Todėl fermentinio aktyvumo reguliavimas turi būti kontroliuojamas labai specifiniu būdu.
Fermentų nomenklatūra ir klasifikacija
Kai matome molekulę, kurios pavadinimas baigiasi „-azė“, galime būti tikri, kad tai yra fermentas (nors yra išimčių, pvz., tripsinas). Tai konvencija, skirta nurodyti fermentų pavadinimą. Yra šeši pagrindiniai fermentų tipai: oksidoreduktazės, transferazės, hidrolazės, liazės, izomerazės ir ligazės; jie atsako už redokso reakcijas, atomų perkėlimą, hidrolizę, dvigubų ryšių pridėjimą, molekulių izomerizaciją ir rišimąsi.
Kaip veikia fermentai?
Skyriuje apie katalizę paminėjome, kad reakcijos greitis priklauso nuo ΔG* vertės. Kuo didesnė ši vertė, tuo lėtesnė reakcija. Fermentas yra atsakingas už minėto parametro mažinimą, taip padidindamas reakcijos greitį. Skirtumas tarp produktų ir reagentų išlieka identiškas (fermentas jo nekeičia), kaip ir jo pasiskirstymas. Fermentas palengvina perėjimo būsenos formavimąsi.
Fermentai mažina reaguojančių medžiagų standartinę laisvąją aktyvacijos energiją ∆G°‡, t. y. reakcijos energijos užtvarą, nes jie didina tokių substrato molekulių skaičių, kurioms pakanka energijos pasiekti pereinamąją būseną. Todėl, esant fermentams, vienodai didėja ir tiesioginės, ir grįžtamosios reakcijų greičiai, bet nekinta substratų ir produktų standartinės laisvosios energijos pokytis ir reakcijos pusiausvyros konstanta. Taigi fermentinės reakcijos metu kintama arba abu, arba vienas iš šių termodinaminių parametrų.
Fermentų įtaka ∆H°‡: fermentas mažina entalpiją (∆H°‡), nes sukuria keletą tarpinių substrato būsenų. Kiekviena iš šių būsenų yra nepatvari, todėl greitai virsta kita ir galiausiai reakcijos produktu. Tarpinės substrato būsenos energija mažesnė už pereinamosios būsenos energiją, todėl mažesnė fermentinės reakcijos energijos užtvara. Fermentų įtaka ∆S°‡: reaguojančių molekulių tarpusavio erdvinė padėtis labai svarbi, kad įvyktų cheminė reakcija. Antrosios eilės reakcijos produktas susidaro, susidūrus tik atitinkamą erdvinę padėtį užimančioms molekulėms. Jei jų erdvinė padėtis reakcijai nepalanki, susidūrusios molekulės atšoka viena nuo kitos, todėl produktas nesusidaro. Fermentai prisijungia substratus taip, kad jų erdvinė padėtis būtų palankiausia reakcijai įvykti. Taigi fermentas sumažina aktyvacijos entropijos neigiamą dydį, t. y. ∆S didėja.
Fermentai katalizuoja įvairias reakcijas: sintezės - kai smulkios molekulės sujungiamos į stambiasnias; skilimo - kai stambesnės molekulės suskaidomos į smulkesnes. Fermento substratai - tai fermentinėse reakcijose dalyvaujančios pradinės medžiagos. Reakcijoje dalyvaujančios fermento ir substrato molekulės sudaro fermento ir substrato kompleksą. Fermentai turi aktyvųjį centrą. Tai nedidelė fermento dalis, kuri su substratu sudaro kompleksą.
Fermentiniai inhibitoriai
Tiriant fermentus, inhibitoriai yra medžiagos, kurios sugeba sumažinti katalizatoriaus aktyvumą. Jie skirstomi į dvi rūšis: konkurencinius ir nekonkurencinius inhibitorius. Pirmojo tipo inhibitoriai konkuruoja su substratu, o antrojo - ne. Paprastai slopinimo procesas yra grįžtamasis, nors kai kurie inhibitoriai beveik visam laikui gali likti susieti su fermentu.
Pavyzdžiai
Mūsų ląstelėse - visų gyvų būtybių ląstelėse - yra daug fermentų. Tačiau geriausiai žinomi tie, kurie dalyvauja metaboliniuose keliuose, tokiuose kaip glikolizė, Krebso ciklas, elektronų transportavimo grandinė, be kita ko. Sukcinato dehidrogenazė yra oksidoreduktazės tipo fermentas, katalizuojantis sukcinato oksidaciją. Šiuo atveju reakcija apima dviejų vandenilio atomų praradimą.
Proteolitiniai fermentai skaido maistinius baltymus ir baltyminės kilmės svetimkūnius. Fermentai labiausiai žinomi dėl jų svarbos virškinimui, tačiau jie svarbūs visiems fiziologiniams procesams. Šiandien yra identifikuota daugiau nei 3000 skirtingų fermentų, tačiau mokslininkai mano, kad jų iš viso gali būti nuo 50 000 iki 70 000. Kiekvienas fermentas atlieka tik tam tikrą jam būdingą funkciją. Fermentus galėtume palyginti su skirtingais raktais, skirtais atrakinti skirtingas biocheminių reakcijų spynas.
Žmogaus skrandis ir kasa gamina fermentus, vadinamus proteazėmis arba proteolitiniais fermentais, kurie skaido maistinius baltymus ir baltyminius antikūnus. Jie pašalina fibriną, kuris užtęsia uždegimą. Fibrinas yra medžiaga, formuojanti trombus, kurie apsunkina arba blokuoja kraujotaką. Fibrino yra ne tik kraujyje, bet ir raumenyse. Vėžio ląstelės slepiasi po fibrino krešuliais, kad jų neatpažintų imuninės sistemos ląstelės. Taip pat manoma, kad fibrinas verčia vėžio ląsteles grupuotis, o tai savo ruožtu didina metastazių atsiradimą. Fibrino kaupimasis taip pat provokuoja randų susidarymą operacinių pjūvių vietoje. Jei šis procesas perteklinis (ypač dėl susilpnėjusios kraujotakos ir žemo fermentų aktyvumo), randas gali išprovokuoti lėtines problemas. Per didelis fibrino kiekis išprovokuoja ir aukštą kraujospūdį. Kai kraujui užkertamas kelias iki gyvybiškai svarbių organų, organizmo kompensaciniai mechanizmai pakelia kraujospūdį, kad kraujas juos pasiektų. Dėl to didėja miokardo infarkto ar insulto atsiradimo rizika. Taigi, gydant bet kurią ligą, sukeltą uždegimo ir (arba) susilpnėjusio imuniteto (o tai yra praktiškai beveik kiekviena lėtinė liga, su kuria susiduriame šiandien, įskaitant vėžį), galima turėti naudos iš padidėjusio funkcinių fermentų kiekio kraujyje. Iš tiesų, proteolitiniai fermentai buvo tiriami įvairiose skirtingose situacijose ir gali būti naudingi sergant vėžiu, juostine pūsleline (lot. zoster). Tokiais atvejais papildomai vartojami fermentai padės greičiau susitvarkyti su negalavimais. Tik reikia turėti omenyje, kad fermentus reikia vartoti tinkamai, t. y. jei juos vartosite kartu su maistu, jie padės susidoroti su virškinimo problemomis. Įdomu tai, kad daugelis virusų genomų turi serino proteazių, kurios yra viena iš šešių žmogaus organizme gaminamų proteolitinių fermentų klasių. Šie fermentai geba suskaidyti serino aminorūgščių jungtis bet kuriame viruse - taip padėdami apsisaugoti nuo virusinės invazijos. Proteolitiniai fermentai taip pat gali nužudyti kenksmingas bakterijas ir grybelius. Jūsų DNR saugo visų jūsų organizmo baltymų ir fermentų kodą. Iš esmės jūsų DNR yra baltymų gamybos fabrikėlis. Bakterijos, virusai, mielės ir grybeliai yra apsaugotos baltyminiais junginiais. Proteolitiniai fermentai gali skaidyti ir sunaikinti baltyminį kiekvieno patogeno, alergeno ar kito įsibrovėlio skydą, taip inicijuodami jų visišką pašalinimą. Be to, įsitvirtinantys navikai perprogramuoja organizme esančių fermentų gamybą, kad paspartintų savo augimą ir apsisaugotų nuo imuninės sistemos. Prancūzų mokslininkai iškėlė teoriją, kad bakterijos gali turėti svarbią, greičiausiai priežastinę, reikšmę širdies kraujagyslių ligai atsirasti ir kad fermentai gali užkirsti kelią širdies priepuoliams dėl 2 priežasčių. Pirma, jie slopina uždegimą ir skaido fibriną, antra, jie žudo kenksmingas bakterijas. Yra žinoma, kad infarktai ir insultai yra tiesiogiai susiję su uždegimu, todėl C reaktyvinis baltymas (uždegiminis žymuo) yra ypač svarbus anksčiau minėtų ligų prognozei. C reaktyvinio baltymo funkcija yra sustabdyti bakterijų plitimą organizme. Kadangi fermentai stabdo trombocitų agregaciją, gelbsti imuninei sistemai susidoroti su patogenais ir skaido fibriną (dėl kurio susidaro krešulių), jie gali būti ypač naudingi sergant kraujagyslių ligomis - tromboze, flebitu, venų varikoze. M. Sellaras cituoja fermentų tyrėją Rudolphą Kunzę: „Nors fermentai mažina uždegimą ir mes manydavome, kad tai viskas, ką jie daro, dabar galvojame, kad pagrindinis fermentų taikinys yra imuninė sistema. Mano įsitikinimu, širdies kraujagyslių liga yra imuninė liga.“ Trys pirminiai proteolitiniai fermentai, gaminami virškinimo sistemos, yra pepsinas, tripsinas ir chimotripsinas. Šie fermentai kaip papildai gaunami iš karvių ir kiaulių. Kiti vertingi fermentai yra augalinės kilmės. Papaja ir ananasas yra vieni geriausių pasirinkimų. Papajoje yra proteolitinis fermentas papainas, kuris istoriškai naudojamas mėsai minkštinti. Ananasai turi proteolitinio fermento bromelainą, gerai žinomo dėl uždegimo slopinamojo poveikio. Kiti maisto produktai, kuriuose yra proteolitinių fermentų, yra kiviai, imbierai, šparagai, rauginti kopūstai, kimčiai, natūraliai fermentuotas (ir nepasterizuotas) jogurtas bei kefyras. Reguliariai vartodami šiuos produktus, pasirūpinsite, kad jums netrūktų vertingų fermentų. Stenkitės šį maistą valgyti tuščiu skrandžiu, kad gautumėte anksčiau minėtą sisteminę naudą. Kita vertus, papildai su fermentais, kuriuose naudojamos koncentruotos fermentų formos, gali būti naudingi, jei kenčiate nuo lėtinio skausmo ar valgote daugiausia perdirbtą maistą, kuriame fermentų beveik nėra. Kuo daugiau proteazės, tuo geriau. Prisiminkite, kad sisteminių proteolitinių fermentų nauda sveikatai yra sąlygota jų gebėjimo skaidyti svetimus organizmui baltymus, dėl to slopinamas uždegimas, gerėja širdies kraujagyslių sistemos veikla, optimizuojama kraujotaka, stiprinamas imunitetas. Vienas paprasčiausių būdų gauti kuo daugiau fermentų yra valgyti daug šviežių, geriausia ekologiškų vaisių, daržovių ir fermentuotų maisto produktų. Nors proteolitiniai fermentai yra gerai toleruojami ir saugūs vartoti net ilgą laiką, yra keletas vartojimo apribojimų. Jei vartojate nesteroidinius vaistus nuo uždegimo (pvz., ibuprofeną) ir norite kartu vartoti sisteminius fermentus, darykite bent valandos pertrauką tarp vaisto ir fermentų vartojimo. Sisteminis fermentai turi daug pranašumų prieš vaistus nuo skausmo ir uždegimo. Jie efektyviai slopina uždegimą ir skatina patį organizmą gyti, gi vaistai maskuoja simptomus ir skatina priklausomybės atsiradimą.
Amilazė skaido angliavandenius, transformuodama juos į gliukozę. Taip pat šis fermentas padeda organizmui įsisavinti gliukozę. Amilazė pradeda veikti jau burnos ertmėje, jai išsiskiriant su seilėmis. Amilazės aktyvumas slopinamas rūgščios aplinkos, kurią sudaro skrandžio sultys. Lipazė perdirba, tirpdo ir skaido riebalus į frakcijas. Ji padeda įsisavinti riebaluose tirpstančius vitaminus (A, D, E, K), polinesočiąsias riebiąsias rūgštis. Peroksidazės. Jų yra keletas (jos skiriasi prostetinėmis grupėmis bei substratiniu specifiškumu), tai fermentai gyvose ląstelėse katalizuojantys oksidacijos reakcijas, padedant vandenilio peroksidui (oksiduoja substratą vandenilio peroksidu). Katalazė labai paplitusi audiniuose. Ypač daug jos yra kepenyse, inkstuose, kraujyje, spermoje ir t.t. Greitina, toksinio organizmui, anglies dioksido skilimą į vandenį ir deguonį. Konstatuotas dvejopas jo veikimas - kaip katalazės ir kaip peroksidazės (esant mažoms vandenilio peroksido koncentracijoms). Papainas skaido ir baltymus, ir riebalus, ir angliavandenius. Jo yra ananasuose, bananuose, kivi, mango, papajoje. Pagal savo savybes jis panašus į fermentą bromelainą. Papainas sugeba taip perdirbti baltymus, kad jie tampa labai lengvai įsisavinami. Papainas aktyvus įvairiose terpėse - rūgščioje, šarminėje, neutralioje. Bromelainas - tai skaidančių baltymus fermentų grupė. Jie randami papajoje, ananasuose ir kituose tropiniuose vaisiuose. Nustatyta, kad bromelainas pasižymi priešuždegiminiu poveikiu kraujagyslėse, mažina kraujo krešumą, gerina virškinimą, pasižymi mukolitinėmis savybėmis (mukoidai dalyvauja augimo, regeneracijos ir apvaisinimo procesuose, reguliuoja jungiamojo audinio pralaidumą), padeda įsisavinti medikamentus. Bromelainas, gaunamas iš natūralių šaltinių turi skirtingą fiziologinį aktyvumą, todėl nežinia kiek veiksmingas jis lieka biologiškai aktyvių maisto papildų sudėtyje. Lipoinė rūgštis (acillipoatas). Kaip kofermentas veikia organizme vykstančiose oksidacijos-redukcijos reakcijose. Su fermento baltymine dalimi ji sujungta peptidine jungtimi ir gali būti atskelta tik hidrolizuojant fermentą rūgštimis arba proteoliziniais fermentais. Kai kuriems gyviems organizmams veikia kaip augimo faktorius, veikdama panašiai kaip B grupės vitaminai. Kofermentas Q10 (ubichinonas). Yra kiekvienoje ląstelėje ir dalyvauja energijos susidarymo procesuose. Organizmas gamina kofermentą Q10, jeigu nėra vitaminų B2, B3, B5, B6 ir folinės rūgšties (B9) trūkumo. Kofermento Q10 sintezei taip pat reikalingi baltymai - tirozinas, fenilalaninas (nepakeičiama) ir metioninas (nepakeičiama). Kofermentas Q10 - stiprus antioksidantas, jis saugo širdį, stiprina imuninę sistemą, stabilizuoja arterinį spaudimą. Su amžiumi mažėja organizmo gebėjimas sintezuoti šį fermentą, todėl rekomenduojama jį vartoti žmonėms virš 40-ties metų. Su kofermento Q10 trūkumu siejami kai kurie susirgimai - periodontitas, diabetas, raumenų distrofija. Kofermento Q10 yra lašišoje, jautienoje, arachise, špinatuose. Reikia pažymėti, kad jis labai greitai suyra šviesoje ir aukštesnėje nei 460C temperatūroje. Perkant maisto papildus su kofermentu Q10 reikia atkreipti dėmesį į jų spalvą: grynas ubichinonas yra ryškiai geltonos spalvos, tačiau ne visi gamintojai jį parduoda gryną (neretai, priešingai nei užrašyta etiketėje).
Biologinių katalizatorių (fermentų) ir cheminių katalizatorių skirtumas
Yra cheminio pobūdžio katalizatoriai, kurie, kaip ir biologiniai, didina reakcijų greitį. Tačiau yra didelių skirtumų tarp abiejų molekulių tipų.
Reakcijos, kurias katalizuoja fermentai, vyksta greičiau
Pirma, fermentai sugeba padidinti reakcijų greitį maždaug 106 iki 1012 kartų. Cheminiai katalizatoriai taip pat didina greitį, tačiau tik kelis kartus.
Dauguma fermentų veikia fiziologinėmis sąlygomis
Kadangi biologinės reakcijos vyksta gyvų būtybių viduje, jų optimalios sąlygos apsiriboja fiziologinėmis temperatūros ir pH vertėmis. Kita vertus, cheminiai katalizatoriai reikalauja drastiškų temperatūros, slėgio ir rūgštingumo sąlygų.
Specifiškumas
Fermentai yra labai specifiški reakcijose, kurias jie katalizuoja. Daugeliu atvejų jie veikia tik su vienu substratu arba keliais. Šis specifiškumas taip pat taikomas gaminamų produktų tipui. Cheminių katalizatorių substratų diapazonas yra daug platesnis. Jėgos, lemiančios fermento ir jo substrato sąveikos specifiškumą, yra tos pačios, kurios lemia to paties baltymo konformaciją (Van der Waals sąveika, elektrostatinės, vandenilio jungtys ir hidrofobiniai).
Fermentinis reguliavimas yra tikslus
Galiausiai, fermentai turi didesnį reguliavimo pajėgumą ir jų aktyvumas priklauso nuo skirtingų medžiagų koncentracijos ląstelėje. Tarp reguliavimo mechanizmų randame allosterinę kontrolę, kovalentinių fermentų modifikavimą ir sintezuojamo fermento kiekio kitimą.
Fermentation
tags: #kaip #fermentai #yra #prisitaike #kaip #biologiniai