Пептидазалар (пептидгидролазалар) 2 страница

2.7.1. Көптеген ферменттердің аталуында «аза» жалғауы бар, ол реакция субстратының аталуына қосылады (мысалы: уреаза, сахараза, липаза, нуклеаза) немесе белгілі бір субстраттың химиялық өзгерісінің аталуына қосылады (мысалы: лактатдегидрогеназа, аденилатциклаза, фосфоглюкому-таза, пируваткарбоксилаза).Дегенмен кейбір ферменттердің тарихи аталуы да сақталған, олар субстрат туралы да, олардың химиялық өзгеруі туралы да ешбір мәлімет бермейді (мысалы трипсин, пепсин, ренин, тромбин ж.т.б.).

2.7.2. 1961 ж. биохимия және молекулалық биологияның Халықаралық одағы табиғатта кездесетін ферменттерді бір жүйеге келтіру үшін оларға жалпы номенклатураны дайындап шығарды. Бұл номенклатура бойынша ферменттер катализдейтін химиялық реакциялардың түріне қарай алты негізгі класқа бөлінді. Осы жіктелуге сәйкес барлық ферменттер бөлінеді: класстарға– катализдейтін реакция типіне қарай, әрбір класс топқа бөлінеді – шабуылданатын химиялық топтың табиғатына сәйкес, топтар топшаларға бөлінеді – шабуылданатын байланыстың немесе акцептордын табиғатына қарай.

I класс – оксидоредуктазалар; II класс – Трансферазалар; III класс – Гидролазалар; IV класс – Лиазалар; V класс – Изомеразалар; VI класс – Лигазалар.

Бұл жіктелу ферментті нақты анықтау үшін қажет: әрбір фермент үшін кодтық сан бар (шифр). Мысалы, фермент маладегидрогеназаның жүйелі аталуы L-малат: NAD-оксидоредуктаза және шифры - 1.1.1.38. Бірінші сан ферменттің класының нөмірін көрсетеді (бұл жағдайда 1 саны фермент оксидоредуктазалар класына жататынын көрсетеді); екінші саны катализденетін реакция түрін көрсетеді (бұл мысалда гидроксилды топ тотығады); үшінші сан коферменттің қатысын көрсетеді (бұл жерде - кофермент NAD+), соңғы сан – ферменттің осы топтағы реттік нөмірін көрсетеді.

1. Оксидоредуктазалар әртүрлі тотығу-тотықсыздану реакцияларын катализдейді. Класс келесі топтарға бөлінеді:

а) дегидрогеназалар дегидрлеу ракцияларын катализдейді (дегидрленетін субстраттан басқа акцепторға электрондарды тасымалдау арқылы сутекті бөліп алу). Электрондардың акцепторы ретінде NAD+, NADP+, FAD, FMN коферменттері пайдаланылады. Осы топқа малатдегидрогеназа, изоцитрат-дегидрогеназа, сукцинатдегидрогеназа, α-кетобутиратдегидрогеназа және т.б. ферменттер жатады;

Малаттың дегидрлену реакциясы:

 

б) оксидазалар – молекулалық оттектің қатысуымен тотығу реакцияларын катализдейді.

Цитохромоксидаза ферментімен катализденетін реакция

в) оксигеназалар (гидроксилазалар) субстрат молекуласының гидроксил тобына оттегі атомын енгізу арқылы тотығу реакцияларын катализдейді:

1) монооксигеназалар – тотығатын затқа оттегінің бір атомын енгізеді.

Реакция молекулалық оттегінің қатысуымен өтеді, оның бір атомы субстратпен байланысады, ал екіншісі су молекуласының түзілуіне қатысады.

Фенилаланинның гидроксилдену реакциясы:

Реакция коферменттері: тетрагидробиоптерин (Н₄БП) және дигидробиоптерин (Н₂БП)

 

 

2) Диоксигеназалар –тотығатын қосылысқа 2 оттек атомын енгізеді. Бұл жиі циклді құрылымның ыдырауна әкеледі. Байланыстың үзілген жеріне оттегі атомдары қосылады:

 

Мысалы, триптофанның бұзылысы формилкенурениннің түзілуінен басталады. Осы реакцияны катализдейтін фермент гемопротеин,оның аталуы триптофан- 2,3-диоксигеназа.

11. Трансферазалар - функционалды топтарды тасымалдайтын реакция-ларды катализдейді. Тасымалдайтын топтарға байланысты 8 топқа бөлінеді: аминотрансферазалар, ацилтрансферазалар, метилтрансферазалар, гликозил-трансферазалар, киназалар (фосфотрансфераалары) ж.т.б.

АлТ ферментімен катализденетін реакция (Аланин-а-кетоглутарат-аминотрансфераза), трансферазалар класына, аминотрансферазалар топшасына жатады: кофермент пиридоксальфосфат- ПФ

Протеинкиназа ферментімен катализденетін реакция, трансфераза класына,фосфотрансфераза тобына жатады: АТФ фосфор қышқылы қалдығының доноры

111. Гидролазалар -- гидролиз реакцияларын катализдейді (су молекуласы-ның ковалентті байланыстың үзілген жеріне қосылуы). Субстратқа байла-нысты топтарға бөлінеді. Аталуы субстрат молекуласына немесе нақты гидролизге ұшырайтын химиялық байланысқа тәуелді: протеазалар, амилазалар, гликозидазалар, нуклеазалар, эстеразалар, фосфатазалар және т.б.деп аталады.

Нәруыз (белок) молекуласының гидролиздену реакциясы

1Y. Лиазалар - лиазаларға гидролитикалық емес жолмен белгілі бір топтарды, СО₂, Н₂О, -NH₂, SH₂ және т.б_. сияқтыларды субстраттан бөліп алатын немесе қос байланысқа қосатын (мысалы, су молекуласын) ферменттер жатады.

Декарбоксилдену реакциясы (CO₂ молекуласының бөлінуі)

Коферменті пиридоксальфосфат -ПФ

Фумаратқа су молекуласының қосылу реакциясы

Y. Изомеразалар әр түрлі молекулаішілік өзгерістерді катализдейді

Фосфоглюкоизомераза ферментімен катализденетін реакция:

 

Y1. Лигазалар (синтетазалар) ковалентті байланысты түзе отырып, екі молекуланың бір-біріне қосылып молекуланы күрделендіре жүретін реакцияларын катализдейді. АТФ энергиясы немесе басқа да макроэргиялық қосылыстардың энергиясы пайдаланылады.

Глутаминсинтетаза ферментімен катализденетін реакция:

2.8. ФЕРМЕНТАТИВТІ КАТАЛИЗДІҢ КИНЕТИКАСЫНЫҢ НЕГІЗДЕРІ

 

2.8.1. Ферментативті реакциялардың кинетикасы– бұл ферменттермен катализденетін, химиялық реакциялардың жылдамдықтарының әрекеттесуші заттардың химиялық табиғатына және қоршаған орта факторларына тәуелділігін зерттейтін энзимологияның бөлімі.

Ферменттердің каталитикалық белсенділігін анықтау үшін реакция жылдамдығы немесе ферменттің белсенділігі сияқты көрсеткіштерді қолданады.

Ферментативті реакция жылдамдығы уақыт бірлігінде субстрат молекуласының мөлшері азаюымен немесе өнім молекуласы мөлшерінің артуымен анықталады. Ферментативті реакция жылдамдығы ферменттің каталитикалық белсенділігінің өлшемі болып саналады және фермент белсенділігі деп белгіленеді.

Тәжірибеде фермент белсенділігін сипаттайтын шартты өлшемдер қолданылады: 1 халықаралық белсенділік бірлігі (ХБ) оптимальды жағдайда (температура 37°С, ерітінді рН-ның оптимальді мәні) 1 мкмоль субстраттың өзгерісін 1 минут ішінде катализдейтін фермент мөлшеріне сәйкес. Осы белсенділік бірліктері медициналық және фармацевтикалық тәжірибеде фермент белсенділігін анықтауға қолданылады:

1мкмоль субстраттың өзгерісі

1МЕ = ---------------------------------------------

1мин

 

Халықаралық бірлік жүйесінде (СИ) (1973 ж.) фермент белсенділігінің бірлігі – катал (кат) болып есептелінеді. Катал — 1 секунд ішінде субстраттың 1 молекуласын каталитикалық өзгеріске ұшырататын фермент-тің мөлшері, 1kat = 1 моль/с.

Меншікті белсенділік (зертханалық бірлік): белоктың моль/сек мг-ы. Ферменттің тазалық дәрежесі меншікті белсенділік бойынша қарастырылады: бөтен белоктар неғұрлым аз болса, меншікті белсенділік соғұрлым жоғары болады.

 

2.8.2. Ферментативті реакциялар кинетикасын энзимдік реакциялардың оптималды жағдайда өтуіне қарай зерттейді. Әрбір ферменттің өзіне тән оптимальды жағдайы, ең алдымен, реакция жүретін температура мен ерітіндінің рН мәнімен анықталады.

ФЕРМЕНТ БЕЛСЕНДІЛІГІНЕ ӘСЕР ЕТЕТІН ФАКТОРЛАР

2.9.1. Температураның әсері

Температураның 10° қа жоғарылауы химиялық реакция жылдамдығын 2-4 есе арттырады, мұндай қатынас белгілі температураға (37°—45°С) дейін сақталады, ары қарай температураның жоғарылауы реакция жылдамдығын тежейді (2.6 сурет). Ферменттің ең жоғарғы белсенділігін көрсететін температура оптимальды деп аталады. Көптеген ферменттер үшін оптимальды температура +35С — +45С арылығы болып саналады. Егер ферментті оптимальды температурадан төмен жағдайға орналастырса, ферменттің белсенділігінің төмендеуі байқалады. Бұл күй қайтымды инактивация деп аталады, өйткені температураны қайтадан оптимальдыға дейін көтерсе, фермент белсенділігі қалпына келеді. Егер ферментті оптимальды температурадан жоғары жағдайға орналастырса, онда ферменттің белсенділігі төмендейді. Бірақ, бұл жағдай қайтымсыз инактивация деп аталады. Егер температураны төмендетсе, фермент белсенділігі қалпына келмейді. Бұл фермент молекласының денатурацияға ұшырауымен түсіндіріледі. Максималды каталитикалық активтілік     Каталитикалық актив-тілік арта-ды   Каталитикалық активтілік төмен- дейді

2.6 сурет – Ферментативті реакция жылдамдығының (V)температураға тәуелділігі

Дегенмен, табиғатта термотұрақты ферменттер де бар. Мысалы, ыстық қайнар көздерде тіршілік ететін микроорганизмдерден бөлініп алынған Taq-полимераза, 95 °С температураға дейін жоғарылатқанда инактивацияға ұшы-рамайды. Бұл ферментті ғылыми-тәжірибелік медицинада полимеразды тіз-бекті реакция (ПТР) әдісі арқылы аурулардың молекулалық диагностикасын қоюда қолданады.

 

2.9.2. Орта рН-ның әсері

Көптеген ферменттер үшін ортаның оптималды рН= 4-7 аралығында жатады. Бұл аралықта ферменттің субстратқа ынтықтығы жоғары болады және субстраттың өнім мен ферментке диссоцияциялануы да максималды болады. Ферменттер ИЭН-де максималды белсенділік көрсетеді.

Сілтілік фосфатаза

2.7.Сурет. Ферментативті реакцияның жылдамдығының ортаның рН на тәуелділігі.

2-1 кесте. Кейбір ферменттерге рН-тың оптимальды көрсеткіші

Фермент	Оптимальді көрсеткіші рН
Пепсин	1,5-2
Пируват-карбоксилаза	4,8
Каталаза	6,8-7
Фумараза	6,5
Уреаза	6,8-7,2
Кабоксипептидаза	7,5
Трипсин	6,5-7,5
Аргиназа	9,5-9,9

Фермент-субстрат комплексінің оптимальды түзілуін қамтамасыз ететін СОО^- мен NH₃⁺ (Н⁺, ОН^-)иондарының иондану дәрежесінің өзгеруі рН-тың ығысуына әкелетіндіктен, рН-тың фермент белсенділігіне әсері берілген белок пен субстраттың аминқышқылдық қалдықтарының функционалды топтарының иондануының өзгеруіне тәуелді. Әрбір фермент үшін өзінің оптималды рН болады (2.7 сурет). Қышқылдық ортада жұмыс істейтін ферменттер (асқазандағы пепсин немесе лизосомальды ферменттер) рН-тың қышқылды мәндерінде жұмыс істей алуын қамтамасыз ететін құрылысына ие болады. Фермент рН изоэлектрлік нүктеге (ИЭН) жақын шамасында едәуір белсенді болады. Фермент изоэлектрлік нүктеде ең төмен диссосаоциялану дәрежесіне ие болғандықтан, молекула заряды нөлге жуық, апофермент пен коферменттің байланысы неғұрлым берік болады. рН-тың оптималды мәнінен әжептәуір ауытқуында, белок молекуласы денатурацияға ұшырап, ферменттің белсенділігі толық жоғалуы мүмкін. Дегенмен, адам ағзасы ферменттерінің көпшілік бөлігі рН-тың физиологиялық мәніне сәйкес келетін, бейтарапқа жуық оптимальды рН-қа ие болады(2.1 кесте).

 

2.7 –сурет. Ферментативті реакция жылдамдығының (V) орта рН-на тәуелділігі.

2-1-кесте. Кейбір ферменттердің оптимальды рН мәні

Фермент	ОптимальдырН мәні
Пепсин	1,5-2
Пируват-карбоксилаза	4,8
Каталаза	6,8-7
Фумараза	6,5
Уреаза	6,8-7,2
Карбоксипептидаза	7,5
Трипсин	6,5-7,5
Аргиназа	9,5-9,9

2.9.3. Субстрат пен ферменттің концентрацияларының әсері.

Реакция жылдамдығының фермент концентрациясына тәуелділігі тура пропорционал артады. Себебі ферменттің концентрациясы артқан сайын оның активті орталықтары да көбейеді. Ол концентрацияға да қатысты. Реакция жылдамдығының концентрацияға тәуелділігін сипаттау үшін Л.Михаэлис - М.Ментен теңдеуі енгізілген:

V ₌

мұнда,

V- берілген субстрат концентрациясы бойынша реакция жылдамдығы [S];

Vмах – максимальды реакция жылдамдығы;

Км - Михаэлиса-Ментен константасы, моль/л;

[S] – субстрат концентрациясы.

Субстраттың концентрациясы аз болғанда реакция жылдамдығы алғашқыда субстрат концентрациясына тура пропорционал артады: V = К мұндағы - субстраттың молярлы концентрациясы, К- жылдамдық константасы. Бұл бірінші ретті реакцияға сәйкес келеді. Бірақ әрбір ферментке тән қаныққан концентрациясы болады, себебі ферменттің активті орталықтары субстратпен толтырылады да субстрат концентрациясы жоғарылағанда ферменттің активті орталығы толық қаныққандықтан, реакция жылдамдығы белгілі бір деңгейде болып тұрақтанады (жоғары деңгейде).Бұл жағдай жылдамдықтың максималды шамасына тең болады -V_max, ол ферменттің белсенділігінің ең жоғары мәнін және жоғары концентрацияда ең максималды өнімнің түзілуін көрсетеді. V_max-

Берілген ферменттің концентрациясында тұрақты шама. Субстраттың концентрациясына тәуелсіз реакцияның реті нөлдік дәрежелі болады. Михаэлис константасы - K_m фермент әсерінің белсенділігінің негізгі кинетикалық сипаттамасы. Михаэлис константасы K_m максималды жылдамдық мәнінің жартысына жеткендегі субстраттың концентрациясына тең болады. K_m берілген ферменттің берілген субстратқа ынтықтығын сипаттайды және тұрақты шама болып табылады. K_mның шамасы аз болған сайын ферменттің субстратқа ынтықтығы артады, реакцияның бастапқы жылдамдығы да артады, керіснше, K_m артқан сайын ферменттің субстратқа ынтықтығы төмендейді және реакцияның бастапқы жылдамдығы да төмендейді.

Михаэлис- Ментен теңдеунің кері көрінісі болып табылатын Лайнуивер- Бэрк теңдеуі негізінде K_m ді анықтауға болады:

 

1/ V= К_m/ V_max + 1/ V_max

 

мұндағы, К_m, V_max - анықтаудың берілген жағдайындағы тұрақты шамалар; V, - ауыспалы шамалар.

 

2.6 –сурет. Реакция жылдамдығының субстрат (S) концентрациясына тәуелділігі.

2.9.4. Реттеуші заттардың әсері.

Реттеушілерді активатор мен ингибиторларға бөледі. Екеуі де арнайылығы бар және арнайылығы жоқ деп бөлінеді. Арнайылығы бар активаторларға өт қышқылдарының тұздары жатады (ұйқы безінің липазасы үшін); тұз қышқылы (пепсин үшін); хлор иондары (альфа-амилаза үшін). Арнайылығы жоқ активаторларға фосфатазалар мен киназаларды активтендіретін магний иондары жатады. Арнайылыға бар ингибиторларға проферменттегі шеткі пептидтер жатады. Проферменттер бұл ферменттердің активсіз түрлері, олар активатор әсерінен шеткі пептидтерді бөліп шығару нәтижесінде активтенеді. Әрбір профермент үшін өзінің шеткі пептиді болады. Мысалы, трипсин активсіз– трипсиноген түрінде бөлінеді. Трип-синнің арнайылығы бар ингибиторы рөлін гексапептид атқарады, ол трипсиногеннің активті орталықтарын жауып тұрады. Активтену кезінде гексапептид бөлініп шығады, трипсиннің активті орталығы ашылып, фермент белсенділікке ие болады. Арнайылығы жоқ ингибиторларға ауыр металдар тұздары жатады, мысалы, мыс сульфаты. Олар ферментті денатурацияға ұшыратады.

2.9.5.Фермент белсенділігінің ингибиторлары

" Фермент активтілігінің ингибирленуі" термині - белгілі бір заттардың- ин-гибиторлардың қатысымен ферменттердің каталитикалық белсенділікте-рінің тежелуі.

Ингибиторлар ағза метоболизмі жолындағы ферментативтік катализдің ме-ханизмін түсіну үшін қызықты және ферменттердің рөлін анықтауға көмек-теседі. Көптеген дәрілік заттардың және улардың негізінде ферменттердің белсенділіктерінің тежелуі жатады, сондықтан осы процестердің механизм-дерін білу молекулалық фармакология мен токсикология үшін өте маңызды.

Ингибиторлар ферменттермен мықтылығына қарай әртүрлі дәрежеде байланысады. Соған байланысты олар қайтымды және қайтымсыз ингибирлену деп ажыратылады. Әсер ету механизміне байланысты қайтымды ингибиторларды конкурентті және конкурентті емес деп боледі.

 

А.Қайтымды ингибирленуі

Қайтымды ингибиторлар ферменттермен әлсіз ковалентті емес байланысады және белгілі жағдайда ферменттерден оңай ажыратылады. Қайтымды ингибиторлар конкурентті және конкурентті емес болады.

1. Конкурентті қайтымды ингибирлену – бұл көрініс, ұқсас субстраттардың және ингибиторлардың арасындағы сәйкестік кезінде байқалады, олар ферменттің АО мен байланысуға бәсекелеседі. Егер ингибиторлар субстраттардан көп болса, онда комплекс фермент-ингибиторлар пайда болады (ЕІ). Субстрат қосылатын болса, ол ингибиторды ығыстырып орнына фермент-субстрат комплексі(ES) пайда болады. Ингибиторлар ферменттермен әлсіз коваленті емес байланыспен байланысады және белгілі жағдайларда ферменттерден оңай ажыратылады (2.7-сурет): Конкурентті ингибирлену түріне келесі теңдеулер тән:

E + S ↔ES →E + P; E + I ↔ EI.

2.7 сурет. Фермент белсенділігін бәсекелес ингибирлеу сызбанұсқасы.

 

Мысалы, сукцинатдегидрогеназа үшін сукцинат – бұл субстрат, ал малонат немесе оксалоацетат – бәсекелес ингибиторлар (2.8 сурет):

 

Реакция жүрмейді

 

2.8 -сурет. А – сукцинат иондық байланыстарымен сукцинатдегидрогеназа ферментінің активті орталығымен байланысады; Б – ферментативті реакция барысында сукцинаттан екі сутегі атомы бөлініп, кофермент FAD-пен байланысады. Нәтижесінде сукцинатдегидрогеназаның активті орталығынан фумарат бөлініп шығады; В – малонат сукцинатпен құрылымы ұқсас, ол сукцинатдегидрогеназаның активті орталығымен байланысады, бірақ онда химиялық реакция жүрмейді, себебі, екі сутек атомын FAD-тың простетикалық тобына малон қышқылынан тасымалдау мүмкін емес, осыған орай реакция жылдамдығы төмендейді. Конкурентті ингибитор Кm ді үлкейтеді және V max-ті өзгертпейді.

Көптеген дәрілік препараттар өзінің терапиялық әсерін конкурентті ингибирлену механизмі арқылы көрсетеді. Мысалы, ацетилхолиннің холин мен сірке қышқылына гидролиз реакциясы ацетилхолинэстераза (АХЭ) ферментімен катализденеді (2.9 -сурет). Осы реакция ферменттің бәсекелес ингибиторлар қатысунда тежелуі мүмкін, (мысалы, прозерин, эндрофоний және т.б.)(2.10-сурет). АХЭ белсенділігі осындай ингибиторлар қосқанда төмендейді, ацетилхолиннің концентрациясы артады. Бұл өз кезегінде жүйке импулсінің өтуін күшейтіп, жүйке импульстері ұдайы жүріп, бұлшық ет ұзақ уақыт бойы босаңсымайды. Аяғында сал ауруына шалдығады, көкірек қуысы бұлшықеттеріне әсер етіп, нәтижесінде тыныс алу тоқтап, өлімге әкелуі мүм-кін. Қазіргі таңда қолданылатын кейбір инсектицидтер (мыс., паратион) жән-діктерге тура осылай әсер етеді. Олар адамның жүйке және бұлшық ет жүйе-сін де зақымдайды. Ацетилхолинэстеразалардың конкурентті ингибиторлары бұлшықет дистофиясын емдеуде, сонымен қатар жарақат, сал ауруы, полио-миелиттен кейінгі қозғалыстың бұзылуын емдеу мақсатында қолданылады.

2.9-сурет. АХЭ әсерінен ацетилхолиннің гидролиздену реакциясы

 

Рис. 2.9. АХЭ-нің активті орталығында бәсекелес ингибиторлардың байланысуы

А- субстраттың (ацетилхолин) ферменттің активті орталығымен байланысуы. Ацетилхолиннің гидролиздену орны бағдаршамен көрсетілген.

Б- конкурентті ингибитор прозериннің ферменттің активті орталығымен байланысуы. Реакция жүрмейді.

В- конкурентті ингибитор эндрофонияның ферменттің активті орталығымен байланысуы. АХЭ-нің активті орталығына ингибитордың қосылуына кедергі жасайды.

Кейбір жағдайларда конкурентті ингибиторлар ферменттің активті орталығымен әрекеттесе отырып, оларды псевдосубстраттар (антиметоболиттер) ретінде пайдалана алады. Бұл бұрыс құрылымды өнім синтезіне әкеледі. Алынған заттардың «керекті» құрылымдары жоқ, сондықтан, функционалды белсенділіктен айрылған. Осындай дәрілік заттарға сульфаниламидті препараттар жатады.

 

Антиметаболиттер – дәрілік препараттар

 

Медициналық тәжірибеде ферменттердің ингибиторлары ретінде антиметаболиттер деп аталатын қосылыстар пайдаланылады.Бір жағынан бұл қосылыстар табиғи субстраттармен құрылымдық ұқсастықтары бола отырып ферменттердің бәсекелес ингибирленуін тудырады, екіншіден, осы ферменттер оларды псевдосубстрат ретінде пайдаланып аномальді өнімдерді синтездейді. Аномальді өнімдер функционалды белсенділікке ие бола алмайды; сол себепті белгілі бір метаболиттік жолдардың реакция жылдамдықтарының тежелуі байқалады.