Olbaltumvielas un fermenti
Fermenti
Fermenti (enzīmi) – olbaltumvielas, kurām piemīt spēja palielināt bioķīmisko reakciju ātrumu organisma šūnās un audos. Šādas vielas ķīmijā sauc par katalizatoriem. Tādējādi fermenti ir olbaltumvielu dabas katalizatori. Tie paātrina ķīmiskās reakcijas, aktīvi tajās piedaloties, bet pēc reakcijas reģenerējas. To darbība principā pakļaujas tiem pašiem fizikas un ķīmijas likumiem, kādi attiecas arī uz ķīmiskajiem katalizatoriem. Piemēram, gan fermenti, gan ķīmiskie katalizatori paātrina tikai tā saucamās atļautās reakcijas, proti, tās, kuras var notikt arī bez katalizatora vai fermenta, lai gan ar ārkārtīgi mazu, bieži pat nereģistrējamu ātrumu. Praktiski visas organismā notiekošās reakcijas ir atļautas. Neatļauti procesi nevar tikt paātrināti ne ar vienu fermentu. Piemērs šādam procesam ir ATP sintēze mitohondrijās. Tajā pašā laikā fermenti tomēr atšķiras no ķīmiskajiem katalizatoriem pēc dažiem raksturīgiem parametriem.
👉 Fermentiem ir unikāli augsta aktivitāte, kas nav raksturīga ķīmiskajiem katalizatoriem – tie paātrina bioķīmiskās reakcijas miljardiem reižu (vairāk nekā 10⁹ reizes).
👉 Fermentiem piemīt augsta selektivitāte jeb specifiskums. Ir zināmi fermenti, kas ietekmē tikai vienu vienīgu no tūkstošiem reakciju šūnā vai vienu vienīgu vielu, ko sauc par substrātu. Piemēram, ferments ureāze šķeļ tikai urīnvielu. Nevienu citu vielu šis ferments neietekmē. Šādu specifiskumu sauc par absolūto specifiskumu. Tomēr bieži fermenti iedarbojas uz līdzīgu vielu grupu: piemēram, fermenti pepsīns, tripsīns un himotripsīns iedarbojas tikai uz olbaltumvielām (dažādām), bet neiedarbojas uz taukiem un ogļhidrātiem (cukuriem); savukārt daži fermenti iedarbojas tikai uz taukiem (triglicerīdiem), bet neiedarbojas ne uz olbaltumvielām, ne uz ogļhidrātiem. Šādu specifiskumu sauc par relatīvo specifiskumu. Fermentu specifiskumam ir ārkārtīgi liela nozīme, jo katrā šūnā vienlaikus notiek tūkstošiem fermentatīvo reakciju, un katru no tām kontrolē savs specifisks ferments. Turklāt uz šī unikālā fermentu īpašuma balstās klīniski bioķīmiskā asins un citu sarežģītu bioloģisku paraugu analīze, kur vienlaikus atrodas desmitiem fermentu un citu olbaltumvielu. Izmantojot katram fermentam specifisku substrātu, nosaka katra fermenta aktivitāti neatkarīgi no citu komponentu klātbūtnes.
👉 Visās fermentu sistēmās (kas parasti tiek attēlotas kā secīgu reakciju ķēde vai cikls) pirmajam fermentam piemīt spēja mainīt savu aktivitāti dažādu signālu ietekmē, tostarp tā saukto signālmolekulu ietekmē. Šīs molekulas var būt reakcijas produkts, speciāli šūnā sintezētas molekulas, kalcija joni u.c. Šo unikālo fermentu īpašību sauc par darbības regulējamību, un pašus fermentus – par regulējošajiem fermentiem. Caur šiem fermentiem dažas vielas, piemēram, hormoni, var vadīt bioķīmiskos procesus. Ir zināms, ka neviena sarežģīta sistēma, jo īpaši dzīva, nevar normāli funkcionēt bez sarežģītas daudzlīmeņu regulēšanas (vadības) sistēmas.
Fermentu nomenklatūra un klasifikācija
Sarežģīto fermentu nomenklatūras un klasifikācijas problēmu veiksmīgi atrisināja speciāli izveidota Starptautiskā Fermentu komisija (Enzyme Commission) 20. gadsimta 40. gados. Visu fermentu nosaukumi raksturīgi beidzas ar trīsburtu piedēkli “-āze”. Tas ir ērti, lai atšķirtu fermentu no dažkārt gandrīz līdzskaņā esošā substrāta (substrāts — viela, uz kuru iedarbojas ferments; substrātu apzīmē ar burtu S, bet fermentu — ar burtu E, no angļu val. enzyme). Piemēram, substrāts — saharoze, bet to sašķeļošo fermentu sauc par saharāzi; substrāts — laktoze, bet to sašķeļošais ferments — laktāze.
Izņēmumi no šī noteikuma ir pepsīns, tripsīns, himotripsīns, lizocīms, renīns — šiem fermentiem vēsturiski saglabājušies tradicionālie nosaukumi.
Fermentu klasifikācijas pamatā ir reakcijas tips, ko ferments paātrina. Pēc šī kritērija visi fermenti tiek sadalīti septiņās klasēs; katra klase tiek dalīta apakšklasēs, bet apakšklase — apakšapakšklasēs. Šai iedalīšanai atbilst četrciparu starptautiskais fermentu kods, kur pirmā arābu ciparu pēc burtiem EC apzīmē fermentu klasi, otrais — apakšklasi, trešais — apakšapakšklasi, ceturtais — fermenta numuru starptautiskajā fermentu tabulā, kas pieņemta visās pasaules valstīs. Piemērs: EC 1.3.5.7. Zinātniskajos rakstos, pieminot kādu fermentu, iekavās obligāti norāda arī atbilstošo kodu.
❇️ Otrā klase — transferāzes (no latīņu trans — starp; ferre — nest). Tie ir fermenti, kas pārnes noteiktas grupas — metilgrupas, aminogrupas u.c. Piemēram, aminotransferāzes katalizē aminogrupas -NH₂ pārnesi no aminoskābes uz ketoskābi; metiltransferāzes pārnes metilgrupu -CH₃; sulfotransferāzes pārnes sulfogru-pu -SO₃H.
❇️ Trešā klase — hidrolāzes. Šie fermenti katalizē hidrolīzes reakcijas, proti, dažādu saišu šķelšanu ūdens ietekmē. Piemēram, peptidāzes sašķeļ peptīdsaites.
❇️ Ceturtā klase — liāzes. Šie fermenti katalizē dažādu grupu pievienošanos dubultsaitēm vai attiecīgo grupu atšķelšanu, veidojot dubultsaites. Šajā procesā var izdalīties amonjaks, oglekļa dioksīds un ūdens. Piemēram, piruvīnskābes pārvēršana etiķskābē, izdalot oglekļa dioksīdu (ferments piruvātdekarboksilāze).
❇️ Piektā klase — izomerāzes. Tās pārvērš vienu izomēru citā (izomēri ir vienāda sastāva, bet atšķirīgas struktūras vielas). Piemēram, izomerāzes pārvērš glikozes-6-fosfātu par fruktozes-6-fosfātu, kā arī glikozes-6-fosfātu par glikozes-1-fosfātu.
❇️ Sestā klase — ligāzes jeb sintetāzes. Tās katalizē sintēzes reakcijas, kas parasti saistītas ar ATP enerģijas izmantošanu.
❇️ Septītā klase — translokāzes. Šie fermenti katalizē jonu vai molekulu pārnesi caur membrānām vai to pārdali membrānās.
Fermenta molekulārā uzbūve
No ķīmiskā viedokļa fermenti ir olbaltumvielas. Daži no tiem ir vienkāršas olbaltumvielas, tas ir, sastāv tikai no aminoskābēm (pat ja ar terciāro struktūru). Tomēr lielākā daļa fermentu ir sarežģītas olbaltumvielas, tas ir, tās satur ne tikai aminoskābju ķēdi, bet arī ne-olbaltumvielu daļu: parasti tās ir ūdenī šķīstošo vitamīnu atvasinājumi un minerāli (makro un mikroelementi). Ir vēlreiz jāuzsver: sarežģīto olbaltumvielu sastāvā ietilpst tieši vitamīnu atvasinājumi, nevis paši vitamīni. Šos vitamīnu atvasinājumus, tas ir, to aktīvās formas, sauc par kofermentiem. Piemēram, vitamīnu B6 dēvē arī par piridoksīnu, bet tā atbilstošo atvasinājumu - kofermentu – par piridoksālfosfātu. Tādējādi vitamīns vēl nav koferments, un tam ir jāiziet vairāki posmi, kurus katru katalizē savs ferments, lai kļūtu aktīvs un pārvērstos atbilstošā kofermentā.
Fermentu ne-olbaltumvielu komponents var būt minerāli (makroelementi, piemēram, kalcija joni, un mikroelementi, piemēram, cinka, vara, dzelzs joni, kā arī selēns). Fermenta minerālo komponentu sauc par kofaktoru.
Tādējādi gan vitamīni (precīzāk, to kofermentu formas), gan minerāli ietilpst fermentu sastāvā, un šajā ziņā tie ir bioķīmiski vienlīdz nozīmīgi. Vitamīnu un minerālvielu deficīts var izraisīt fermentatīvās aktivitātes un vielmaiņas samazināšanos un, kā rezultātā, visu dzīvības funkciju traucējumus.
Tieši tāpēc vitamīnu un minerālu kompleksus nepieciešams patērēt katru dienu un nepārtraukti, nodrošinot pilnvērtīgu olbaltumvielu uzņemšanu.
Fermenta molekula ir ļoti liela, salīdzinot ar substrāta molekulu (substrāts ir viela, uz kuru iedarbojas ferments), un substrāts saistās ar fermenta molekulu noteiktā vietā. Mūsdienu metodes ir pierādījušas, ka fermenta molekulā terciārās struktūras dēļ veidojas dobums (to sauc par "kabatu", retāk – par "spraugu"), kurā vairākas dažādu aminoskābju funkcionālās grupas (piemēram, -OH serīnam, -SH cisteīnam, imidazols histidīnam utt.) tuvojas un veido daudzcentru sistēmu. Šādu strukturālu veidojumu sauc par fermenta aktīvo centru, kas substrāta mijiedarbības brīdī nodrošina vairāku funkcionālo grupu tuvināšanos un precīzu orientāciju abos procesa dalībniekos. Ir vēlreiz jāuzsver, ka izšķirošo lomu aktīvā centra veidošanā spēlē olbaltumvielas terciārā struktūra. Aktīvajā centrā papildus aminoskābju funkcionālajām grupām ietilpst arī kofermenti un kofaktori.
Fermenti organismā darbojas noteiktos temperatūras un pH apstākļos, ko sauc par optimālajiem. Cilvēka organismā optimālā temperatūra fermentu vislielākajai aktivitātei ir +37°C. Novirzes abos virzienos, pat nelielas, noved pie strauja aktivitātes samazinājuma (un tas ir viens no sliktas pašsajūtas cēloņiem paaugstinātas vai pazeminātas ķermeņa temperatūras gadījumā). Putniem fermentu aktivitātes optimālā temperatūra ir cita: piemēram, zīlītēm ķermeņa temperatūra ir +42°C, un, lai to uzturētu ziemas salā, nepieciešams liels siltuma daudzums, ko var radīt mitohondriji, ja ir pietiekams barības daudzums (neapstrādātas sēklas, nesālīta speķa gabaliņi). Tāpēc ziemā putni ir jābaro, lai tie izdzīvotu salā.
Optimālā pH vērtība jeb ūdeņraža rādītājs (tas ir, skābums) audu un asiņu fermentiem ir 7,20±0,15. Novirzes uz skābo pusi (acidoze) vai sārmaino pusi (alkaloze) izraisa straujas izmaiņas fermentu aktivitātē. Ja neveic pasākumus pH normalizēšanai, tas var būt letāli.
Muskuļu audos, īpaši fiziskās slodzes laikā, vide ir skābāka uzkrājošās pienskābes dēļ. Šajā gadījumā fermentu aktivitāte samazinās, rodas muskuļu kontraktūra, samazinās to darbspēja un parādās sāpes. Kuņģī vide ir izteikti skāba – pH 1,5–2,5 – tas ir optimāls apstākļi kuņģa sulas fermenta pepsīna darbībai. Pie augstāka vai zemāka pH šī fermenta aktivitāte samazinās, kas pazemina kuņģa sulas gremošanas spējas.
Ir zināmas vielas, kas kavē fermentu aktivitāti – tās sauc par inhibitoriem un apzīmē ar simbolu (no angļu inhibitor – inhibitors). Inhibitorus iedala atgriezeniskos un neatgriezeniskos. Atgriezeniskos inhibitorus savukārt iedala konkurējošos un nekonkurējošos. Konkurējošie inhibitori konkurē ar substrātu par saistīšanos ar aktīvo centru, un tas ir iespējams tikai tad, ja inhibitora struktūra ir līdzīga substrāta struktūrai. Konkurējošie inhibitori ir svarīgi no praktiskā viedokļa. Piemēram, ja šāds inhibitors ir kaitīga vai toksiska viela, tad, izmantojot augstu normālā substrāta koncentrāciju, var aizsargāt organismu no toksiskās iedarbības un saindēšanās, pateicoties konkurencei.
Piemēram, ferments alkohola dehidrogenāze ("dehidrogenāze" nozīmē, ka šis ferments katalizē ūdeņraža atšķelšanu) metabolizē gan etilspirtu (C₂H₅OH), gan ārkārtīgi toksisko metilspirtu (CH₃OH). Etilspirts ir šī fermenta normālais substrāts, savukārt metilspirts, kas atšķiras no etilspirta tikai ar vienu oglekļa atomu, ir konkurējošs inhibitors. Tas nozīmē, ka, ja cilvēks nejauši ir uzņēmis bīstamu metilspirta devu, tad savlaicīgi lietots lielāks etilspirta daudzums kalpos kā pretinde.
Cits piemērs ir ferments sukcinātdehidrogenāze, kas metabolizē normālo substrātu - dzintarskābi jeb sukcinātu (HOOC-CH₂-CH₂-COOH). Tai ļoti līdzīga ir malonskābe (HOOC-CH₂-COOH), kas ir vienu neitrālu -CH₂ grupu īsāka nekā dzintarskābe. Taču ar to pietiek, lai malonskābe darbotos kā inde. Šīs skābes esterus ražo tūkstošiem tonnu apmērā. Saindēšanās gadījumā, piemēram, rūpnieciskos apstākļos, par pretindi kalpos fermenta sukcinātdehidrogenāzes normālais substrāts - dzintarskābe lielā devā.
Konkurējošie inhibitori var būt arī medikamenti. Piemēram, miorelaksanti (zāles, kas atslābina muskulatūru) inhibē fermentu, kas kontrolē nervu impulsu - holīnesterāzi. Šī fermenta normālais substrāts ir acetilholīns, kas piedalās nervu impulsa pārvadē. Acetilholīna struktūrā ir pozitīvi lādēts ceturtējais slāpekļa atoms. Visi savienojumi, kas satur šādu atomu, būs holīnesterāzes konkurējoši atgriezeniski inhibitori. Miorelaksanti ir tieši tādi savienojumi. Ir zināmi dabiskie miorelaksanti, piemēram, tubokurarīns (no kurāres indes), ko savvaļas Āfrikas ciltis izmantoja indīgajās bultās (ar šo indi varēja nogalināt pat ziloni). Nelielās devās tubokurarīnu izmanto medicīnā, kā arī sintētiskos miorelaksantus, lai atslēgtu elpošanas muskuļus sirds un plaušu operāciju laikā.
Par neatgriezeniskiem inhibitoriem var kalpot holīnesterāzes inhibitori. Daži no tiem, kas neatgriezeniski saistās ar aktīvā centra grupām, tiek izmantoti kā insekticīdi (hlorofoss, dihlorofoss u.c.). Tie selektīvi iedarbojas uz kukaiņu holīnesterāzi un, protams, ievērojami vājāk uz cilvēka holīnesterāzi. Taču ir arī daudz aktīvāki neatgriezeniskie šī fermenta inhibitori, piemēram, zarīns, zamāns, tabūns, VX-indes, "Novičok" - kaujas indīgās vielas un ķīmiskie ieroči. Pretinde ir tikai speciālas vielas - holīnesterāzes reaktivatori.
Pie neatgriezeniskiem inhibitoriem pieder arī smago metālu joni, piemēram, dzīvsudraba un svina joni, kas saistās ar SH grupām fermentos. Dzīvsudraba joniem īpaši jutīgas ir nieres, kas ir bagātas ar SH saturošiem (tā sauktajiem tiola) fermentiem. Smago metālu joni var saistīties ne tikai ar fermenta aktīvā centra SH grupām, bet arī ar citām fermenta daļām - tā ir neatgriezeniska nekonkurējoša inhibīcija, jo inhibitors mijiedarbojas ar fermentu ārpus aktīvā centra.
Fermentu aktivatori var būt metālu joni. Piemēram, magnija joni aktivē visus ATP-atkarīgos fermentus un ATPāzes (jonu sūkņus, kas transportē kālija, nātrija un kalcija jonus pret koncentrācijas gradientu), bet lipāžu (enzīmu, kas sašķeļ taukus) aktivatori ir kalcija joni.
Tajā pašā laikā metālu joni - fermentu aktivatori - nav jāsajauc ar tiem metālu joniem, kas ir tiešs aktīvā centra strukturāls komponents (piemēram, cinka joni Zn²⁺ un vara joni Cu²⁺ - vienā no galvenajiem organisma antioksidantu sistēmas fermentiem, Zn-, Cu-atkarīgajā superoksīddismutāzē). Šie joni nav aktivatori, bet gan fermenta sastāvdaļas. Savukārt aktivatori nav fermenta sastāvdaļas, bet tiek piegādāti no ārpuses.
Sākotnēji šis aktivācijas mehānisms tika atklāts gremošanas fermentiem - pepsīnam, tripsīnam, himotripsīnam. Piemēram, aktīvais ferments pepsīns veidojas no neaktīvā profementa pepsinogēna, ko sākotnēji izdala kuņģa gļotāda. Pepsīna molekula ir mazāka par pepsinogēnu par 6 aminoskābēm, kas liek domāt, ka vienkārša tik maza fragmenta atšķelšana izraisa aktivitātes rašanos. Tas izskaidrojams ar to, ka pepsinogēnā nav izveidots aktīvais centrs. Pēc aminoskābju fragmenta atšķelšanas (vienā vietā) šāds centrs veidojas, jo fermenta terciārā struktūra mainās. Šo struktūras izmaiņu procesu sauc par konformācijas pāreju.
Līdzīgi tiek aktivēti arī citi fermenti: tripsīns - no tripsinogēna, himotripsīns - no himotripsinogēna, lipāze - no prolipāzes.
Vēlāk tika noskaidrots, ka šim mehānismam ir vispārbioloģiska nozīme. Tieši šādā veidā veidojas daudzi peptīdu dabas hormoni: sākumā tiek sintezēts liels proteīns, kas vēlāk tiek lokāli sašķelts atsevišķos peptīdos, kuri kalpo kā hormoni un/vai endorfīni (īsi peptīdi, kas regulē prieku, sāpes u.c.).
Viena no šādām būtiskām sistēmām ir regulācija ar attiecīgām fermentu sistēmām.
Fermentu sistēmu regulācija var būt lēna un ātra jeb operatīva. Lēnā regulācija (stundas, diennaktis) notiek gēnu līmenī un ietver proteīna (fermenta) sintēzes indukciju (pastiprināšanu) vai represiju (nomākšanu). Indukcija ir attiecīgā gēna vai gēnu aktivēšana, kas kodē noteiktus proteīnus (fermentus); represija – gluži pretēji, šo gēnu nomākšana.
Lēnā regulācija ir pamatā bioloģisko sistēmu adaptācijai mainīgajiem apstākļiem. Kā piemēru var minēt mikroorganismu rezistences veidošanos pret antibiotikām, piemēram, penicilīnu. Šīs antibiotikas lietošanas sākumposmā kokainfekcijas bija ārkārtīgi jutīgas: piemēram, plaušu iekaisumu varēja izārstēt vienas diennakts laikā. Taču ar laiku, nekontrolētas un bieži nepietiekamu penicilīna devu plašas lietošanas dēļ, parādījās mikroorganismu celmi, kuriem izveidojās rezistence pret to. Tas notika tāpēc, ka nepietiekamu penicilīna devu ietekmē mikroorganismos tika inducēta (t.i., ierosināta) fermenta penicilināzes sintēze; šis ferments šķeļ penicilīna molekulu, inaktivējot antibiotiku. Vienā brīdī penicilīnu gandrīz pārtrauca ražot. Vēlāk ķīmiķi sintezēja pēc struktūras izmainītas antibiotikas. Tās darbojās, bet pēc kāda laika, tā paša iemesla dēļ, zaudēja aktivitāti, un to ražošana un lietošana tika pārtraukta. Penicilīnu gadījumā tika atrasts cits risinājums – izmantot jau minētā fermenta penicilināzes inhibitoru. Šis inhibitors – klavulānskābe – nomāc penicilināzes darbību. Pagaidām šī pieeja darbojas, taču iespējams, tikai „pagaidām”, jo daba ir ļoti elastīga un polipotenta.
Pie lēnās adaptācijas makroorganisma līmenī pieskaita arī svešu vielu (ksenobiotiku) detoksikācijas (neitralizācijas) procesus, kā arī zāļu vielu darbības modifikāciju un inaktivāciju u.tml.
Ātrā jeb operatīvā regulācija (sekundes, minūtes) ir jau esošo fermentu aktivitātes maiņa dažādu signālu sistēmu ietekmē.
Šūnā parasti darbojas fermentatīvās ķēdes (piemēram, glikolīzē piedalās secīga 12 fermentu ķēde) vai cikli (piemēram, Krebsa cikls). Šajās secīgajās reakcijās viens (parasti pirmais) ferments atšķiras no pārējiem un ir regulējošais. Šāds regulējošais ferments vienmēr ir proteīns ar ceturtējo struktūru (t.i., sastāv no vairākām globulām jeb subvienībām), kurā papildus aktīvajam centram ir vēl viens centrs – alostēriskais, kas atrodas citā proteīna subvienībā. Ar tā palīdzību notiek tā sauktā alostēriskā fermenta aktivitātes regulācija. Tas ir regulējošais centrs. Ar to ar vājām saitēm (ūdeņraža, elektrostatiskām, hidrofobām) atgriezeniski saistās atsevišķi sintezētas signālmolekulas. Pie pēdējām pieder cAMF (cikliskā adenozīnmonofosforskābe), cGMF (cikliskā guanozīnmonofosforskābe), kalcija joni Ca²⁺, kā arī konkrētā metabolisma procesa galaprodukti. Regulācija ar metabolisma galaproduktiem – tā sauktā regulācija pēc negatīvās atgriezeniskās saites principa. Piemēram, Krebsa ciklu regulē ATP molekulas, kuru veidošanai cikls paredzēts. Gala produkts inhibē pirmo, regulējošo fermentu, tādējādi bremzējot visu procesu. Tiklīdz ATP koncentrācija samazinās (tā patēriņa rezultātā), process atkal aktivējas, jo tiek noņemta inhibīcija.
Vēl viens fermentu aktivitātes regulācijas mehānisms ir fosfāta grupas piesaistīšana un atšķelšana. Piemēram, aknu šūnās ir enzīms glikogēnfosforilāze B (angļu basic – pamata, neaktīvs), kurš stresa situācijās šķeļ glikogēnu (glikozes rezervi), strauji izdalot glikozi asinīs; stresa laikā glikogēnfosforilāzei B tiek pievienota fosfāta grupa (iesaistoties Mg2+), pārvēršot to aktīvā formā – glikogēnfosforilāzē A, kas ātri šķeļ glikogēnu, atbrīvojot glikozi asinīs. Kad stress beidzas, fosfatāze atšķeļ fosfāta grupu, un ferments atgriežas sākotnējā neaktīvajā formā.
Fosforilēšana un defosforilēšana ir būtiski regulācijas procesi, īpaši iesaistīti cAMP vadībā, kas rodas, adrenalīnam saistoties ar šūnas membrānas receptoriem. Šī sistēma ir ļoti efektīva: viena adrenalīna molekula var stimulēt divu miljonu glikozes molekulu izdalīšanos sekundē.
Fosforilēšana un defosforilēšana — svarīgi reakciju regulēšanas mehānismi, kas norisinās šūnā, īpaši aktīvi — šūnas kodolā. Tie ir svarīgi daudzu hormonu, piemēram, insulīna, augšanas hormona un citu hormonu darbības realizēšanai.
