Кіріспе

Катализатор ретінде әрекет ететін ірі биологиялық молекула. Энзимдер – химиялық реакцияларды жылдамдатып, биологиялық катализаторлар ретінде әрекет ететін ақуыздар. Энзимдердің әсер ететін молекулалары субстраттар деп аталады, ал энзим субстраттарды өнімдер деп аталатын басқа молекулаларға айналдырады. Жасұрудағы барлық дерлік метаболизм процестері тіршілікті сақтау үшін жеткілікті жылдамдықпен жүзеге асуы үшін энзимдік катализ қажет. Метаболизм жолдары жеке қадамдарды катализдеу үшін энзимдерге тәуелді. Энзимдерді зерттеу энзимология деп аталады, ал псевдоэнзимдерді талдау саласы эволюция барысында кейбір энзимдер биологиялық катализді жүргізу қабілетін жоғалтқанын мойындайды, бұл көбінесе олардың аминқышқылдық тізбектерінде және ерекше "псевдокаталитикалық" қасиеттерінде көрінеді. Энзимдер 5000-нан астам биохимиялық реакция түрлерін катализдейтіні белгілі. Басқа биокатализаторлар – катализдік РНК молекулалары, оларды рибозимдер деп атайды. Энзимнің ерекшелігі оның бірегей үш өлшемді құрылымынан туындайды. Барлық катализаторлар сияқты, энзимдер де реакция жылдамдығын белсенділік энергиясын төмендету арқылы арттырады. Кейбір энзимдер субстратты өнімге айналдыру процесін миллиондаған есе жылдамдатуы мүмкін. Мысалы, оротидин 5'-фосфат декарбоксилазасы миллиондаған жылдарға созылатын реакцияны миллисекунд ішінде жүзеге асыруға мүмкіндік береді. Химиялық тұрғыдан алғанда, энзимдер кез келген катализатор сияқты химиялық реакцияларда тұтынылмайды және реакцияның тепе-теңдігін өзгертпейді. Энзимдер көптеген басқа катализаторлардан олардың жоғары ерекшелігімен ерекшеленеді. Энзимнің белсенділігіне басқа молекулалар әсер етуі мүмкін: ингибиторлар энзим белсенділігін төмендететін молекулалар, ал активаторлар белсенділікті арттыратын молекулалар. Көптеген емдік препараттар мен улар энзимдерді ингибиторлар болып табылады. Энзимнің белсенділігі оңтайлы температура мен pH-тан тыс жағдайларда айтарлықтай төмендейді, ал көптеген энзимдер шамадан тыс қыздыруға ұшыраған кезде (тұрақты) денатурацияланады, құрылымын және катализдік қасиеттерін жояды. Кейбір энзимдер коммерциялық мақсатта қолданылады, мысалы, антибиотиктерді синтездеуде. Кейбір тұрмыстық өнімдер химиялық реакцияларды жылдамдату үшін энзимдерді пайдаланады: биологиялық жуғыш ұнтақтардағы энзимдер киімдегі белок, крахмал немесе май дақтарын ыдыратады, ал ет жұмсақтайтын энзимдер белоктарды кішірек молекулаларға ыдыратып, етті жеуге оңай етеді.

Этимологиясы мен тарихы

XVII ғасырдың соңы мен XVIII ғасырдың басында еттің асқазан секрециясымен қорытылуы және өсімдіктерден алынған экстракттар мен сілекейдің крахмалдың қантқа айналуы белгілі болғанмен, бұл процестердің механизмдері анықталмаған еді. Француз химигі Ансельме Пайен 1833 жылы алғаш рет диастаза ферментін ашты. Бірнеше онжылдықтан кейін Луи Пастер қанттың ашытқы арқылы спиртке айналуын зерттегенде, бұл ашытуға тірі организмдерде ғана әрекет ететін ашытқы жасушаларындағы «ферменттер» деп аталатын өмірлік күш себепті екенін тұжырымдады. Ол былай деп жазды: «Алкогольді ашыту – ашытқы жасушаларының тіршілігі мен құрылысына байланысты әрекет, жасушалардың өліміне немесе шіруіне емес». 1877 жылы неміс физиологы Вильгельм Кюне (1837–1900) осы процесті сипаттау үшін «фермент» терминін алғаш рет қолданды. Кейін «фермент» сөзі тірі емес заттарға, мысалы, пепсинге, ал «ферменттер» сөзі тірі организмдердің тудырған химиялық белсенділігіне қатысты қолданылатын болды. Эдуард Бюхнер 1897 жылы ашытқы экстракттарын зерттеу жөніндегі алғашқы жұмысын ұсынды. Берлин университетінде жүргізілген тәжірибелерде ол қанттың ашытқыдан алынған қоспамен ферменттелетінін, тіпті қоспада тірі ашытқы жасушалары болмаса да анықтады. Ол сахарозаның ашытуын тудыратын ферментті «зимаза» деп атады. 1907 жылы ол «клеткасыз ферментацияны ашқаны үшін» химия саласындағы Нобель сыйлығын алды. Бюхнердің үлгісімен ферменттер көбінесе олар жүзеге асыратын реакцияға сәйкес аталады: «аза» жұрнағы субстраттың атына (мысалы, лактаза лактозаны ыдырататын фермент) немесе реакция түріне (мысалы, ДНК полимераза ДНК полимерлерін құрайды) қосылады. Ферменттердің биохимиялық табиғаты 1900 жылдардың басында әлі белгісіз болды. Көптеген ғалымдар ферменттік белсенділіктің ақуыздармен байланысты екенін байқады, бірақ басқалары (Нобель сыйлығының лауреаты Ричард Вильштаттер сияқты) ақуыздар нағыз ферменттердің тасымалдаушылары ғана екенін және ақуыздардың өзі катализдік қабілетіне ие емес екенін айтты. 1926 жылы Джеймс Б. Самнер уреаза ферментінің таза ақуыз екенін көрсетіп, оны кристалдастырды; 1937 жылы каталаза ферменті үшін де осылай істеді. Таза ақуыздар фермент бола алатыны туралы тұжырымды Джон Говард Нортроп пен Венделл Мередит Стэнли нақтылады. Олар ас қорыту ферменттері пепсин (1930), трипсин және химотрипсин бойынша жұмыс істеді. Бұл үш ғалымға 1946 жылы химия саласындағы Нобель сыйлығы табысталды. Ферменттерді кристалдастыруға қол жеткізілгені олардың құрылымын рентгендік кристаллография арқылы анықтауға мүмкіндік берді. Бұл алғаш рет лизозим үшін жасалды, ол кейбір бактериялардың қабығын қорытатын жас, сілекей және жұмыртқа ақтарында кездесетін фермент; құрылымын Дэвид Чилтон Филлипс басқарған топ шешті және 1965 жылы жариялады. Лизозимнің жоғары ажыратымды құрылымы құрылымдық биологияның және ферменттердің атомдық деңгейде қалай жұмыс істейтінін түсінуге бағытталған зерттеулердің бастауын берді.

Құрылымы

Ферменттер әдетте жалғыз немесе үлкен кешендерде әрекет ететін шар тәрізді ақуыздар болып табылады. Аминоқышқылдардың тізбегі ферменттің каталитикалық белсенділігін анықтайтын құрылымын анықтайды. Құрылым функцияны анықтайтын болса да, жаңа ферменттік белсенділікті тек құрылымы бойынша болжау мүмкін емес. Ферменттердің құрылымы қызған кезде немесе химиялық денатураторларға ұшырағанда (денатұраланады) бұзылады және бұл құрылымның бұзылуы әдетте белсенділіктің жоғалуына әкеледі. Ферменттердің денатурациялануы көбінесе түрдің қалыпты температурасынан жоғары температурамен байланысты; нәтижесінде, ыстық бұлақтар сияқты жанартаулық ортада тіршілік ететін бактериялардан алынған ферменттер өнеркәсіптік қолданушылар үшін жоғары температурада жұмыс істеу қабілеті үшін бағалы, бұл фермент катализделген реакцияларды өте жоғары жылдамдықпен жүргізуге мүмкіндік береді. Ферменттер әдетте олардың субстраттарынан әлдеқайда үлкен болады. Олардың мөлшері 4 оксалокротонат таутомеразаның мономеры үшін 62 аминқышқыл қалдығынан бастап, жануарлардың май қышқылы синтезасында 2500-нан астам қалдыққа дейін жетеді. Олардың құрылымының тек шағын бөлігі (шамамен 2–4 аминқышқылы) катализге тікелей қатысады: катализдік орын. Бұл катализдік орын бір немесе бірнеше байланысу орындарының жанында орналасқан, онда қалдықтар субстраттарды дұрыс бағыттайды. Катализдік орын мен байланысу орыны бірге ферменттің белсенді орынын құрайды. Фермент құрылымының қалған бөлігі белсенді орынның нақты бағытын және динамикасын сақтауға қызмет етеді. Кейбір ферменттерде аминқышқылдары катализге тікелей қатыспайды; керісінше, фермент катализдік кофакторларды байланыстыру және бағыттау үшін орындарды қамтиды. Рибозималар деп аталатын РНК-ға негізделген биологиялық катализаторлардың аз саны бар, олар да жеке немесе ақуыздармен бірге әрекет ете алады. Олардың ең көп таралғаны – рибосома, ол ақуыз және катализдік РНК компоненттерінен тұратын кешен. Ең жоғары ерекшелік пен дәлдікті көрсететін ферменттердің кейбіреулері геномды көшіру және экспрессиясына қатысады. Бұл ферменттердің кейбіреулерінде «дәлелдеу» механизмі бар. Мұнда ДНК полимераза сияқты фермент бірінші қадамда реакцияны катализдеп, екінші қадамда өнімнің дұрыс екенін тексереді. Бұл екі қадамды процесс жоғары дәлдікке ие сүтқоректілердің полимеразаларында 100 миллион реакцияда 1 қатеден де аз қатеге әкеледі. aminoacyl tRNA синтетазалары және рибосомалары. Керісінше, кейбір ферменттер ферменттік әмбебаптылық көрсетеді, кең ерекшелікке ие және әртүрлі физиологиялық маңызды субстраттарға әсер етеді. Көптеген ферменттердің шағын қосалқы белсенділігі бар, ол кездейсоқ (яғни бейтарап) пайда болған, бұл жаңа функциялардың эволюциялық таңдауының бастапқы нүктесі болуы мүмкін.

"Қалқа мен кілт" үлгісі

Ферменттердің байқалатын ерекшелігін түсіндіру үшін 1894 жылы Эмиль Фишер фермент пен субстраттың бір-біріне толық сәйкес келетін, нақты геометриялық пішіндерге ие екенін айтты. Бұл көбінесе "кілт пен құлып" моделі деп аталады.

Индукциялық сәйкес модель

1958 жылы Дэниел Кошланд кілт-қосық моделіне түзету енгізді: ферменттердің құрылымы икемді болғандықтан, субстрат ферментпен байланысқанда белсенді орын субстратпен өзара әрекеттесу арқылы үнемі өзгеріп отырады. Осының салдарынан субстрат белсенді орынға жай ғана бекімейді; белсенді орынды құрайтын аминқышқылдарының тізбектері ферменттің катализдік қызметін атқаруына қажетті нақты орналасуға қалыптасады. Гликозидазалар сияқты кейбір жағдайларда субстрат молекуласы белсенді орынға кірген кезде өзінің пішінін сәл өзгертеді. Белсенді орын субстрат толық бекітілгенге дейін өзгеріске ұшырай береді, содан кейін түпкі пішіні мен заряд таралуы анықталады. Индукциялық үйлесім конформациялық түзету механизмі арқылы бәсекелестік және кедергі кезінде молекулалық танудың дәлдігін арттыруы мүмкін.

Динамикасы

Ферменттер қатаң, статикалық құрылымдар емес; керісінше, оларда күрделі ішкі динамикалық қозғалыстар болады – яғни фермент құрылымының жеке аминқышқыл қалдықтары, протеин цикл немесе екіншілік құрылым бөлігін құрайтын қалдықтар тобы, тіпті толық протеин домені сияқты бөліктерінің қозғалыстары. Бұл қозғалыстар тепе-теңдікте бір-біріне өте алатын, аздап ерекшеленетін құрылымдар жиынтығын – конформациялық ансамбльді құрайды. Осы жиынтықтағы әртүрлі күйлер ферменттің әртүрлі қызметтерімен байланысты болуы мүмкін. Мысалы, дигидрофолат редуктаза ферментінің әртүрлі конформациялары каталитикалық циклдің субстратты байланыстыру, катализ, кофакторды бөліп шығару және өнімді бөліп шығару кезеңдерімен байланысты, бұл каталитикалық резонанс теориясымен сәйкес келеді.

Субстраттың көрсетілуі

Субстратты ұсыну – ферменттің өзінің субстратынан оқшаулану процесі. Ферменттер ядродағы немесе цитозолдағы субстраттан алыс плазмалық мембранаға оқшаулануы мүмкін. Немесе мембрана ішінде фермент субстратынан алыс липидтік салаларға оқшаулануы мүмкін. Фермент босатылғанда, ол субстратымен араласады. Балама ретінде, ферменттің өзінің субстратына жақын оқшаулануы ферментті белсендіруге мүмкіндік береді. Мысалы, фермент ерігіш болуы мүмкін және белсендірілгеннен кейін плазмалық мембранадағы липидке байланысып, содан кейін плазмалық мембранадағы молекулаларға әсер етеді.

Алостерикалық модуляция

Аллостерикалық сайттар – ферменттің белсенді ортасынан өзгеше, жасушалық ортадағы молекулаларға байланысатын қалталар. Бұл молекулалар ферменттің конформациясы немесе динамикасында өзгерістер тудырады, бұл өзгерістер белсенді орынға беріледі және ферменттің реакция жылдамдығына әсер етеді. Осылайша, аллостерикалық өзара әрекеттесулер ферменттерді тежеуге немесе белсендіруге қабілетті. Ферменттің метаболизмі жолындағы жоғары немесе төменгі ағындағы метаболиттермен аллостерикалық өзара әрекеттесулер кері байланыс реттеуін қамтамасыз етеді, ферменттің активтілігін жолдың қалған бөлігі арқылы өтетін ағынға сәйкес өзгертеді.

Термодинамика

Барлық катализаторлар сияқты, ферменттер де реакцияның химиялық тепе-теңдігінің орнын өзгерте алмайды. Фермент болғанда, реакция ферментсіз болғандай бір бағытта өтеді, бірақ одан әлдеқайда жылдам. Реакция жылдамдығы, өнімдерге ыдырайтын өтпелі күйді қалыптастыруға қажетті белсендіру энергиясына байланысты. Ферменттер өтпелі күйдің энергиясын төмендету арқылы реакция жылдамдығын арттырады. Біріншіден, байланыс нәтижесінде төмен энергиялы фермент-субстрат кешені (ES) пайда болады. Екіншіден, фермент өтпелі күйді тұрақтандырады, осылайша катализденбеген реакцияға қарағанда оны қол жеткізу үшін аз энергия қажет болады (ES‡). Соңында фермент-өнім кешені (EP) өнімдерді босату үшін диссоциацияланады.

Кинетика

Фермент кинетикасы ферменттердің субстраттармен қалай байланысып, оларды өнімге айналдыратынын зерттейді. Кинетикалық талдауларда қолданылатын жылдамдық деректері ферменттік талдаулардан алынады. 1913 жылы Леонор Михаэлис және Мод Леонора Ментен фермент кинетикасының сандық теориясын ұсынды, ол Михаэлис-Ментен кинетикасы деп аталады. Михаэлис пен Ментеннің маңызды үлесі – ферменттік реакцияларды екі кезеңде қарастыру болды. Бірінші кезеңде субстрат ферментке қайтымды түрде байланысып, фермент-субстрат кешенін құрайды. Бұл кешен кейде олардың құрметіне Михаэлис-Ментен кешені деп аталады. Содан кейін фермент реакциядағы химиялық қадамды катализдеп, өнімді босатады. Бұл жұмысты Г. Э. Бриггс және Дж. Б. С. Холдейн одан әрі дамытып, қазірге дейін кеңінен қолданылып келе жатқан кинетикалық теңдеулерді туындатты. Ферменттердің жылдамдығы ерітіндінің жағдайына және субстраттың концентрациясына байланысты. Ферменттік реакцияның ең жоғары жылдамдығын анықтау үшін субстраттың концентрациясы өнімнің тұрақты жылдамдығы байқалатынша арттырылады. Бұл оң жақтағы қанығу қисығында көрсетілген. Қанығу себебі, субстраттың концентрациясы артқан сайын, еркін ферменттің көбірек бөлігі субстратқа байланысқан ES кешеніне айналады. Ферменттің ең жоғары реакциялық жылдамдығында (Vmax) ферменттің барлық белсенді орындары субстратпен байланысқан болады, ал ES кешенінің мөлшері ферменттің жалпы мөлшерімен тең болады. Михаэлис-Ментен кинетикасы массалық әрекет заңына сүйенеді, ол еркін таралу және термодинамикалық түрде туындаған кездейсоқ соқтығысулар туралы болжамдардан алынған. Көптеген биохимиялық немесе жасушалық процестер макромолекулалық тығыздық және молекулалық қозғалыстың шектелуіне байланысты осы жағдайлардан айтарлықтай өзгеше болады. Модельдің жаңа, күрделі кеңейтімдері осы әсерлерді түзетуге бағытталған.

Ингибициялау

Ферменттердің реакция жылдамдығы әртүрлі типтегі фермент тежегіштерімен төмендетілуі мүмкін.

Бәсекеге қабілетті

Конкуренттік ингибитор мен субстрат бір уақытта ферментке байланыса алмайды. Көбінесе бәсекелестік ингибиторлар ферменттің нақты субстратына өте ұқсайды. Мысалы, метотрексат дәрісі дигидрофолат редуктаза ферментінің бәсекелестік ингибиторы болып табылады, ол дигидрофолатты тетрагидрофолатқа дейін тотықсыздандырады. Дигидрофолат пен осы дәрінің құрылымдары арасындағы ұқсастықтар тіркелген суретте көрсетілген. Осы типтегі ингибицияны жоғары субстрат концентрациясымен жеңуге болады. Кейбір жағдайларда ингибитор әдеттегі субстраттың байланысу орнынан өзгеше жерге байланысып, әдеттегі байланысу орнының пішінін өзгертуге аллостериялық әсер етеді.

Бәсекеге қабілетті емес

Бәсекеге қабілетсіз ингибитор субстрат байланысатын жерден өзге жерге байланысады. Субстрат әдеттегідей байланыс күшімен (аффинитетімен) байланысады, сондықтан Km өзгермейді. Дегенмен, ингибитор ферменттің катализдік тиімділігін төмендетеді, нәтижесінде Vmax төмендейді. Бәсекелі ингибициядан өзгеше, бәсекеге қабілетсіз ингибицияны жоғары субстрат концентрациясымен жеңу мүмкін емес.

Аралас

Аралас ингибитор аллостерикалық орынға байланысады, және субстрат пен ингибитордың байланысуы бір-біріне әсер етеді. Ингибитормен байланысқанда ферменттің активтілігі төмендейді, бірақ толығымен жойылмайды. Бұл типтегі ингибитор Михаэлис-Ментен теңдеуіне бағынбайды. Пенициллин мен аспирин – осылай әрекет ететін кең таралған дәрілер.

Ингибиторлардың функциялары

Көптеген организмдерде ингибиторлар кері байланыс механизмінің бір бөлігі ретінде әрекет ете алады. Егер фермент организмде қандай да бір затты тым көп өндірсе, сол зат өндірілген заттың бастапқы сатысындағы ферменттің ингибиторы ретінде әрекет ете алады, бұл заттың жеткілікті мөлшерде болғанда өндірісін баяулатуға немесе тоқтатуға себеп болады. Бұл – кері байланыстың бір түрі. Лимон қышқылы циклы сияқты маңызды метаболизмдік жолдар осы механизмді пайдаланады, сондай-ақ ВИЧ сияқты ретровирустық инфекцияларды емдеу үшін қолданылатын протеаза ингибиторлары да осыған жатады. Дәрі ретінде қолданылатын қайтымсыз ингибитордың кең таралған мысалы – аспирин, ол қабынуды тудыратын хабаршы – простагландинді өндіретін COX 1 және COX 2 ферменттерін тежейді.

Фермент белсенділігіне әсер ететін факторлар

Ферменттер ақуыздардан құралғандықтан, олардың әрекеті pH, температура, субстрат концентрациясы сияқты көптеген физиохимиялық факторлардың өзгеруіне сезімтал. Төмендегі кестеде әртүрлі ферменттер үшін оңтайлы pH көрсетілген. + Фермент Оңтайлы pH pH сипаттамасы Пепсин 1.5–1.6 Жоғары қышқыл Инвертаза 4.5 Қышқыл Липаза (асқазан) 4.0–5.0 Қышқыл Липаза (кастор майы) 4.7 Қышқыл Липаза (қарын) 8.0 Сілтілік Амилаза (мальт) 4.6–5.2 Қышқыл Амилаза (қарын) 6.7–7.0 Қышқыл-бейтарап Целлобиаза 5.0 Қышқыл Мальтаза 6.1–6.8 Қышқыл Сукраза 6.2 Қышқыл Каталаза 7.0 Бейтарап Уреаза 7.0 Бейтарап Холинестераза 7.0 Бейтарап Рибонуклеаза 7.0–7.5 Бейтарап Фумараза 7.8 Сілтілік Трипсин 7.8–8.7 Сілтілік Аденозин трифосфатаза 9.0 Сілтілік Аргиназа 10.0 Жоғары сілтілік

Биологиялық қызметі

Ферменттер тірі организмдерде әртүрлі қызметтер атқарады. Олар сигналдарды беру және жасушаларды реттеу үшін қажет, көбінесе киназалар мен фосфатазалар арқылы. Олар сонымен қатар миозин аденозин трифосфатын (АТФ) гидролиздеп, бұлшықеттердің жиырылуын тудырады, сондай-ақ цитоскелет құрамында жасуша ішінде жүк тасымалдауға қатысады. Жасуша мембранасындағы басқа АТФазалар белсенді тасымалдауға қатысатын иондық сорғылар болып табылады. Ферменттер сонымен қатар, мысалы, люцифераза сияқты, шырындарда жарық шығару сияқты ерекше функцияларға қатысады. Вирустарда да жасушаларды жұқтыру үшін, мысалы, ВИЧ интегразасы мен кері транскриптазасы, немесе жасушалардан вирус шығару үшін, тұмау вирусының нейраминидазасы сияқты ферменттер болуы мүмкін. Ферменттердің маңызды функциясы жануарлардың ас қорыту жүйесінде. Амилазалар мен протеазалар сияқты ферменттер ірі молекулаларды (крахмал немесе ақуыздарды) кішірек молекулаларға ыдыратады, осылайша оларды ішек сіңіре алады. Мысалы, крахмал молекулалары ішектен сіңірілмейтіндей үлкен, бірақ ферменттер крахмал тізбектерін малтоза және ақырында глюкоза сияқты кішірек молекулаларға гидролиздеп, содан кейін сіңіруге мүмкіндік береді. Әртүрлі ферменттер әртүрлі тағамдарды қорытады. Шоқылар (ruminants) сияқты, өсімдікпен қоректенетін жануарлардың ішегіндегі микроорганизмдер өсімдік талшықтарының целлюлоза жасуша қабырғаларын бұзу үшін целлюлаза ферментін өндіреді.

Метаболизм

Бірнеше фермент белгілі бір ретпен бірігіп жұмыс істейді, метаболизм жолдарының қалыптасуына себеп болады. Ферменттер осы жолдардағы қадамдарды анықтайды. Ферменттер болмаса, метаболизм бірдей қадамдардан өтпейтін болар, сондай-ақ жасушаның қажеттіліктеріне қарай реттелуі мүмкін болмас еді. Көптеген негізгі метаболизм жолдары әдетте АТФ гидролизіне қатысатын ферменттер арқылы бірнеше маңызды қадамдарда реттеледі. Бұл реакция көп мөлшерде энергияны босатуға мүмкіндік береді, сондықтан термодинамикалық тұрғыдан тиімсіз басқа реакциялар АТФ гидролизімен байланыстырылып, метаболизмнің жалпы тізбегін қозғауға болады. Мысалы, инсулинге жауап ретінде гликоген синтазасын қоса алғанда, бірнеше ферменттердің фосфорилдануы гликогеннің синтезі немесе ыдырауына бақылау жасауға көмектеседі және жасушаның қандағы қант деңгейінің өзгеруіне жауап беруге мүмкіндік береді. Посттрансляциялық модификацияның тағы бір мысалы – полипептидтік тізбектің бөлінуі. Ас қорыту протеазасы болып табылатын химотрипсин панкреаста химотрипсиноген түрінде белсенді емес күйде өндіріледі және осы күйде асқазанға тасымалданады, онда ол белсендіріледі. Бұл ферменттің ішекке түспей тұрып, панкреас немесе басқа тіндерді қорытуына тосқауыл қояды. Ферменттің белсенді емес прекурсоры зимоген деп аталады. Басқа мысал – бауырдағы цитохром P450 оксидазалары, олар дәрілік заттар метаболизмінде маңызды рөл атқарады. Бұл ферменттерді индукциялау немесе тежеу дәрілік препараттардың өзара әрекеттесуіне әкелуі мүмкін. Ферменттердің деградация жылдамдығын өзгерту арқылы фермент деңгейін де реттеуге болады. Сонымен қатар, ферменттің әртүрлі бөлімдерге тасымалдануы протондану дәрежесін (мысалы, бейтарап цитоплазма және қышқыл лизосома) немесе тотығу күйін (мысалы, тотықтырғыш периплазма немесе цитоплазманы тотықсыздандыру) өзгерте алады, бұл өз кезегінде фермент белсенділігіне әсер етеді. Мембранаға байланысқан органеллаларға бөлінуден айырмашылығы, ферменттердің жасуша ішіндегі орналасуы ферменттерді макромолекулалық цитоплазмалық жіпшелерге полимерлендіру арқылы да өзгертілуі мүмкін.

Органдардың мамандандырылуы

Көпжасушалы эукариоттарда әртүрлі органдар мен тіндердегі жасушаларда гендік экспрессияның әртүрлі үлгілері болады, демек, метаболикалық реакциялар үшін әртүрлі ферменттер жиынтығы (изоэнзимдер деп аталады) қол жетімді. Бұл организмнің жалпы метаболизмін реттеуге мүмкіндік береді. Мысалы, гликолиз жолындағы бірінші фермент – гексокиназаның бауыр және ұйқы безінде экспрессияланатын, глюкозаға төмен туыстығы бар, бірақ глюкоза концентрациясына сезімтал арнайы түрі – глюкокиназа бар. Бұл фермент қандағы қант деңгейін сезінуге және инсулин өндірісін реттеуге қатысады.

Аурумен байланысты

Фермент белсенділігін қатаң бақылау гомеостаз үшін өте маңызды болғандықтан, бір ғана маңызды ферменттің кез келген дисфункциясы (мутация, артық өндіріс, жеткіліксіз өндіріс немесе жойылу) генетикалық ауруға алып келуі мүмкін. Адам ағзасындағы мыңдаған фермент түрлерінің біреуінің ғана дисфункциясы өлімге әкелуі мүмкін. Фермент жетіспеушілігінен туындайтын өлімге әкелетін генетикалық аурудың мысалы – Тай-Сакс ауруы, онда пациенттерде гексозаминидаза ферменті жетіспейді. Фермент тапшылығының бір мысалы – фенилкетонурияның ең көп таралған түрі. Фенилаланиннің ыдырауының бірінші қадамын катализдейтін фенилаланин гидроксилаза ферментіндегі көптеген әртүрлі бір ғана аминқышқылдық мутациялар фенилаланин мен оған байланысты өнімдердің жинақталуына себеп болады. Кейбір мутациялар белсенді орында орналасқан, байланыс пен катализді тікелей бұзады, бірақ көптеген мутациялар белсенді орыннан алыс орналасқан және ақуыз құрылымын тұрақсыздандыру арқылы немесе дұрыс олигомеризацияға әсер ету арқылы белсенділікті төмендетеді. Егер ауру емделмесе, бұл зиякерлік қабілетсіздікке алып келуі мүмкін. Тағы бір мысал – псевдохолинестераз тапшылығы, онда организмнің холин эфирлік препараттарды ыдырата алу қабілеті нашарлайды. Энзимдерді ауыз жолымен қабылдау кейбір функционалдық фермент жетіспеушіліктерін емдеу үшін қолданылуы мүмкін, мысалы, ұйқы безінің жетіспеушілігі және лактозаға төзбеушілік. Энзимдердің дисфункциясының ауруды тудыруының тағы бір жолы – ДНК жөндеу ферменттерін кодтайтын гендердегі ұрпақтық мутациялар. Бұл ферменттердің ақаулары қатерлі ісікке әкеледі, өйткені жасушалар геномдарындағы мутацияларды жөндеуге азырақ қабілетті болады. Бұл мутациялардың бірте-бірте жиналуына және қатерлі ісіктердің дамуына әкеледі. Мұндай тұқым қуалайтын қатерлі ісік синдромының мысалы – ксеродерма пигментозум, ол тіпті ультракүлгін сәулеленуге минималды әсер еткен кезде тері қатерлі ісігінің дамуына себеп болады.

Эволюция

Кез келген басқа белоктар сияқты, ферменттер де уақыт өте келе мутациялар мен тізбектердің айырмашылығы арқылы өзгеріп отырады. Метаболизмдегі орталық ролі ескерілгенде, ферменттердің эволюциясы бейімделуде маңызды рөл атқарады. Сондықтан, ферменттер өздерінің ферменттік активтілігін қалай өзгерте алады деген сұрақ туындайды. Көптеген жаңа ферменттік активтіліктер геннің дубликациясы және дубликатталған көшірмелердің мутациясы арқылы пайда болды деп қабылданса да, эволюция дубликациясыз да жүруі мүмкін. Активтілігі өзгерген ферменттердің бір мысалы – метионил аминопептидазаның (MAP) және креатин амидиногидролазасының (креатиназаның) ата-тегі, олар анық гомологтар, бірақ өте әртүрлі реакцияларды катализдейді (MAP жаңа белоктардағы амин тобындағы метионинді алып тастайды, ал креатиназа креатинді саркозин мен мочевинаға гидролиздейді). Сонымен қатар, MAP металл ионына тәуелді, ал креатиназа тәуелсіз, сондықтан бұл қасиет уақыт өте келе жойылды. Ферменттік активтіліктің шағын өзгерістері ферменттер арасында өте кең таралған. Атап айтқанда, субстратқа байланысу ерекшелігі (жоғарыда көрсетілгендей) олардың субстратқа байланысатын қуыстарындағы бір ғана аминқышқылының өзгеруімен оңай және жылдам өзгеріп кетуі мүмкін. Бұл көбінесе киназалар сияқты негізгі ферменттер кластарында байқалады. Өнеркәсіптік қолдану үшін ферменттік активтілікті немесе ерекшелікті өзгерту үшін жасанды (in vitro) эволюция қазір кеңінен қолданылады (төменде қараңыз).

Өнеркәсіптік қолдану

Ферменттер химия өнеркәсібінде және өте ерекше катализаторлар қажет болған кезде басқа да өнеркәсіптік қолданыстарда қолданылады. Энзимдер, әдетте, олар катализдей алатын реакциялар санымен және органикалық еріткіштерде және жоғары температурада тұрақтылығының жетіспеуімен шектеледі. Осының салдарынан, ақуыз инженериясы белсенді зерттеу саласы болып табылады және рационалды жобалау немесе in vitro эволюция арқылы жаңа қасиеттері бар жаңа ферменттер жасауға бағытталған. Бұл күш-жігерлер сәтті болып келеді, ал қазір бірнеше ферменттер табиғатта кездеспейтін реакцияларды катализдейтіндей етіп "құрылыстан" жасалды. Қолданылуы Энзимдер қолданылады Биоотын өндірісі Целлюлозалар Целлюлозаны қанттарға ыдыратып, одан целлюлозалы этанол өндіруге болады. Лигниназалар Биоотын өндіру үшін биомассаны алдын ала өңдеу. Маннаназалар Гуар шырыны сияқты тағамдық қоспалардан тағамдық дақтарды жояды. Бетаглюканазалар Сыраның сүзгілену қасиеттерін жақсартады. Аспаздық қолданыс Папаин Еттен қанттарды кетіріп, пісіруге дайындау. Сүт өнеркәсібі Реннин Ірімшік өндірісінде ақуызды гидролиздейді. Липазалар Камамбер және Рокфор сияқты көк ірімшіктерді өндіреді. Тағам өңдеу Амилазалар Жүгері сиробын жасау сияқты, крахмалдан қанттарды өндіреді. Протеазалар Печенье жасау сияқты, ұнның ақуыз деңгейін төмендетеді. Целлюлозалар, пектиназалар Жеміс шырындарын тазартады. Молекулалық биология Нуклеазалар, ДНК лигазалары және полимеразалар Рестрикциялық қорыту және полимераза тізбекті реакциясы арқылы рекомбинантты ДНК жасайды. Жеке күтім Протеазалар Контактты линзалардағы ақуызды жойып, инфекциялардың алдын алады. Крахмал өнеркәсібі Амилазалар Крахмалдан глюкоза және әртүрлі сироптар шығарады.