Reja: Fermentlar haqidagi ta’limot va uning rivojlanish tarixi

3-MAVZU: FERMENTLAR.

REJA:

1. 
   Fermentlar haqidagi ta’limot va uning rivojlanish tarixi.
   
2. 
   Fermentlarning kimyoviy tabiati va tuzilishi.
   
3. 
   Fermentlarning ta’sir etish mexanizmi va xossalari.
   
4. 
   Fermentlarning nomlanishi va tasnifi.
   

Tayanch soʻz va iboralar: koferment, apoferment, substrat, bir komponentli, ikki komponentli, NAD, NADF, FAD, oksidaza, gidrolaza, izomePPaza.

1. Fermentlar -tirik hujayralar tomonidan ishlab chiqarilib, Shu organizmda oʻtadigan barcha kimyoviy jarayonlarni tezlashtirishda ishtirok etadigan maxsus oqsil moddalar biologik katalizatorlar deb ataladi. Fermentlar barcha tirik organizm hujayralari, toʻqimalari va suyuqliklari tarkibida uchraydi.

Fermentlar — ya’ni biologik katalizatorlar oddiy katalizatorlarga oʻxshashdir, lekin ular ishtirok etadi­gan reaksiyalarning xususiyatiga qarab bir-birlaridan farq qiladi. Oddiy katalizatorlar oʻtayotgan kimyoviy reaksiyalarni tezlashtirishda ishtirok etsa, fermentlar faqatgina oʻzlari ishtirok etganda yuzaga keladigan kimyoviy reaksiyalarni tezlashtiradilar.

Tirik organizmda oʻtadigan kimyoviy reaksiyalarning tezligi organizm yashovchanligining asosiy belgilaridan biri hisoblanadi. Oddiy Sharoitda deyarli oʻzgarmaydigan yoki oʻzgartirish, ya’ni tarkibiy qismlarga parchalash uchun kuchli kislotalar yoki ishqorlar ta’sirida 110-120° haroratda 20-24 soatlab qizdirish kerak boʻladigan oqsil, yogʻ va uglevodlar oziqa bilan hayvon organizmiga oʻtganda tezda oʻzgaruvchan holatga oʻtib, parchalanib ketadi. Oziqaviy mahsulotlarning hayvon organizmida oddiy Sharoitda 37-40° da kuchsiz ishqoriy yoki kislotali muhitda juda qisqa muddatda tarkibiy qismlarga parchalanib ketishi, ya’ni organizmdagi oksidlanish jarayonlari uzoq yillardan buyon olimlarning diqqatini oʻziga jalb qilib keldi. Tekshirishlar natijasida bu jarayonlarda qandaydir kimyoviy reaksiyalarni katalizlaydigan moddalar, katalizatorlar yoki biologik katalizatorlar ishtirok etishi Shart degan fikrlar paydo boʻldi.

Keyinchalik esa haqiqatda ham ularni parchalashda ishtirok etadigan spetsifik (maxsus) oqsil tabiatli moddalar bor ekanligi aniqlanib, ular ferment (enzim) deb atalgan. Umuman “ferment” degan nom lotinchada fermentatio-bijgʻish, ya’ni gaz ajratib chiqish bilan boʻladigan jarayon degan ma’noni anglatadi.

Tirik organizmda kimyoviy reaksiyalarning oʻtishida fermentlarning naqadar katta rol oʻynashini rus olimi I.P.Pavlov quyidagicha ta’riflagan: “Fer­ment - barcha tirik mavjudotlar tarkibida oʻtadigan kimyoviy reaksiyalarning qoʻzgʻatuvchisidir”. Umuman fermentlar haqidagi ta’limot XIX asrning boshlarida paydo boʻla boshlagan, 1914 yilda K.S.Kirx­gof yangi unib chiqayotgan arpa yoki bugʻdoy maysalarining Shirasi kraxmalni parchalab, maltoza hosil qilishi mumkinligini aniqlab, kraxmal faqatgina hujayralar ichida emas, balki tashqi muhitda ham parchalanishi mumkinligini isbotlab bergan. Shiradan ajratib olingan moddaga esa amilaza deb nom bergan. 1933 yilga kelib Payon va Perso ismli olimlar Shu Shira tarkibida diastaza fermenti ham bor ekanligini aniqladilar.

1926 yilda Dj.Samner birinchi boʻlib loviya urugʻining tarkibidan ureaza fermentini kristall holatda ajratib oldi. 1931-32 yillarda esa Nortrop va Kunits bir qancha boshqa fermentlarni, jumladan pepsin fermentini kristall holatida ajratib olishga muyassar boʻlganlar. Hozirgi vaqtda esa juda koʻp fermentlar kristall holatda ajratib olinib, ularning koʻpchiligining aminokislota tarkiblari ham belgilab berilgan.

2. Fermentlarning kimyoviy tabiati haqida XX asrning boshlariga qadar deyarli ma’lumotlar boʻlmagan. Hattoki, 1926-30 yillarda VilShtetter, J.Samner, D.Nortrop kabi olimlar fermentlarni kristall holatda ajratib olganlarida ham ularning kimyoviy tabiati xaqida toʻliq tasavvurga ega boʻlmaganlar. Bu sohani oʻrganish boʻyicha keyingi 40-50 yillar ichida katta muvaffaqiyatlarga erishildi.

Fermentlarning kimyoviy tabiati haqidagi dastlabki fikr Paster achish fermentlarini qaynatganida ularning aktivligi mutlaqo yoʻqolganidan keyingina paydo boʻlgan, ya’ni fermentlar oqsillarga oʻxshash moddalar ekan deb qaralgan. Chunki oqsilli moddalargina qaynatilganda denaturatsiyaga uchrab, oʻz biologik xususiyatini oʻzgartirish xossasiga ega.

Keyinchalik, kristall holatda ajratib olingan fermentlar gidrolizlanganda aminokislotalar hosil boʻlganligi aniqlanganidan keyin ular haqiqatda ham oqsil tabiatli moddalar ekanligi haqida toʻliq ma’lumot paydo boʻlgan.

I.P.Pavlov laboratoriyasida me’da Shirasining tarkibiy qismlari sinchiklab oʻrganilganda, undagi pepsin va boshqa fermentlarning oqsil moddalar ekanli­gi aniqlab berilgan.

Masalan, Lui Paster qaynatish natijasida bijgʻishning sodir boʻlmasligini kuzatgan. Bu esa fermentlarning oqsil tarkibli ekanligidan dalolat bergan, chunki fermentlar ham boshqa oqsillar singari denaturatsiyalanadi (tabiiy holatini yoʻqotadi).

Barcha fermentlar turli fizik va kimyoviy omillar (ultrabinafSha nurlar, ultratovushlar, mineral yoki ayrim organik kislotalar, ishqorlar, ogʻir metallar tuzlari kabilar) ta’sirida oqsillar singari denaturat­siyalanadi. Fermentlar ham gidrolizlanganda oqsillar singari aminokislotalar hosil boʻladi va bular hammasi fermentlarning oqsillardan iborat ekanligini tasdiqlay boshlagan. Fermentlarning aniq oqsil tarkibli ekanligini isbotlovchi dalillardan biri ularni sof (kristall) holda ajratib olishdir. Hozirgi paytda 2000 dan koʻproq ferment aniqlangan boʻlib, ularning 200 dan koʻprogʻi toza kristall holda ajratib olingan.

Kimyoviy tarkibi jihatidan barcha fermentlarni ikki guruhga boʻladilar, ya’ni bir va ikki komponentli guruhlarga. Bir komponentli fermentlar molekulalari faqat polipeptid yoki oddiy oqsillardan tashkil topgan boʻladi. Bunday fermentlarga misol qilib pepsin, tripsin, papain, ureaza, ribopuklyeaza, fosfataza kabilarni koʻrsatish mumkin. Ikki kompo­nentli fermentlar molekulalari biron xil oddiy oqsillardan va biron xil oqsilsiz moddalardan iborat boʻladi. Shuning uchun ham ikki komponentli fermentlarni murakkab oqsillarning vakillari deb hisoblaydilar. Ikki komponentli fermentlarning oqsilsiz qismini kofaktor deb ataydilar. Ikki komponentli fermentlarni xolofermentlar deb, bir komponentli (sof oqsildan iborat) fermentlarni apofermentlar deb ataydilar. Kofermentlar anorganik va organik tarkibli boʻladi. Anorganik kofaktorlar qatoriga Zn⁺², Mg⁺². Mn⁺², Fe⁺², Cu⁺², K⁺, Na⁺ kabi ionlarni kiritish mumkin. Organik kofaktorlarni boshqacha qilib kofermentlar deb ham ataydilar. Organik kofaktorlar (kofermentlar) ni koʻpincha vitaminlar tashkil etadi.

Apoferment (oqsil qismi) va kofaktor (oqsilsiz qismi)lar ba’zan birmuncha mustahkam kovalent bogʻlar orqali oʻzaro bogʻlangan boʻladi. Ayrim fermentlar vodorod, gidrofob bogʻlar bilan bogʻlangan. Ba’zi ikki komponentli fermentlarning apoferment qismi bilan kofaktor qismi faqat reaksiya paytida oʻzaro birikadilar. Molekulasida vitaminlar ishtirok etuvchi ikki komponentli fermentlarga misol qilib dekarboksilaza fermentini (molekulasida B₁ vitamini boʻladi) degidrogenaza fermentlarini (ularning ba’zi bir va­killari tarkibida PP vitamini nikotin kislota, ba’zilarida esa B₂ vitamini boʻladi) koʻrsatish mumkin. Tarkibida PP vitamini (nikotin kislota)ning amid tuzilishi ishtirok etuvchi degidrogenaza fermentlari oqsilsiz qismining ba’zi birlarini nikotinamidadenindinukleotid (NAD), ba’zilarini esa nikotinamidenindinukleotidfosfat (NADF), molekulasida B₂ vita­mini (riboflavin) ishtirok etadigan degidrogenaza fermenti oqsilsiz qismining ayrimlarini flavinadenindinukleotid (FAD) va flavinmononukleotid (FAD) deb ataydilar. Ulardan NAD, NADF lar tuzilishini koʻrib oʻtamiz:


C – NH₂ O




N C –N OH OH OH

| || CH | |

C C–N C – C – C – C – CH₂ – O– P = O - C-NH₂

| | | | O ||

N H H H H O OH OH O

| |

O = P – O – CH₂ – C – C – C – C – N⁺

| | | | |

H H H H H

Nikotinamidadenindinukleotid (NAD)

C – NH₂ O

O

N C –N OH OH OH ||

| || CH | | HO-P-OH

C C–N C – C – C – C – CH₂ – O–P = O - - C-NH₂

| | | | O ||

N H H H H O OH O

|

O = P – O – CH₂ – C –C – C – C – N⁺

| | | | |

H H H H H

Nikotinamidadenindinukleotidfosfat (NADF)
3. Tirik organizmlarda oʻtadigan kimyoviy jarayonlar haqidagi mulohazalar ancha oldindan ma’lum boʻlsa-da, lekin ularni oʻrganish asosan Shved olimi Berselius 1835 yilda “Kimyoviy katalizning umumiy qoidalari” asarini yaratgandan keyin boshlandi. Berselius oʻzining bu asarida kraxmalning katalitik gidrolizlanishida noorganik katalizatorlarga (sulfat kislota) nisbatan fermentlarning (amilaza) ta’siri juda kuchli ekanligini koʻrsatadi.

Koʻp tekshirishlar asosida, fermentlarni juda tez va yuqori spetsifik katalizlash xususiyatining siri nimada? -degan savol tugʻila boshladi. Bu masalani toʻligʻicha oʻrganish hozirgi davrda ham koʻpgina olimlarimizning oldidagi asosiy muammolardan biri boʻlib qolmoqda. Keyingi yillarda bu sohada yaratilgan ilmiy kashfiyotlar, fermentlar ta’siri mexanizmining ayrim tomonlarini oʻrganish imkoniyatlarini yaratdi. Fermentlar­ning ta’sir etish mexanizmini tushuntiruvchi har xil fikrlar boʻlgan. Lekin fermentlarning kimyoviy tuzilishi batafsil oʻrganilganidan keyin ularning ta’sir etish mexanizmini tushuntiradigan ma’lumotlar paydo boʻla boshlagan. Bu borada birmuncha aniqroq va batafsilroq ma’lumotni 20-yillarda V.Anri, L.Mixaelis va M.Mentenlar yaratgan. Ularning tushuntirishlaricha, ferment substrat bilan birikib, vaqtinchalik birikma, ya’ni ferment-substrat kompleksini hosil qiladi. Ular oʻzaro bir-birlarining faol markazlari orqali tutashadi. Natijada substrat molekulasidagi ba’zi kimyoviy bogʻliklar kuchsizlanib, uning molekulasidan ayrim atom, guruh yoki radikallar ajralib chiqa boshlaydi, ya’ni substrat parchalana boshlaydi. Faol markazlar vazifasini ferment yoki substrat molekulalaridagi asoslik va kislotali xossalarga ega boʻlgan ba’zi guruhlar, masalan, fermentlar molekulasidagi ba’zi aminokislotalarning ayrim guruhlari bajaradi. Bunday guruhlar qatoriga gistidin aminokislotasining imidazol qismi, asporagin va glyutamin aminokislotalarining karboksil guruhlari, lizin aminokislotasining ε -aminoguruhi, sisteinning SH guruhi kabilar kiradi. Gistidin aminokislotasining imidazol qismi faol markaz vazifasini bajarishiga sabab uning molekulasida erkin elektron juftiga ega boʻlgan azot atomining borligidir. Substratlarning parchalanishi bir necha bosqichdan iborat boʻlishi mumkin, ya’ni avvalo ferment -substrat kompleksining hosil boʻlishi keyin ulardan qaytadan gidrolizlanishi (ajralishi) va Shu bilan reaksiya mahsulotlarining hosil boʻlishi (substratning ma’lum bir qismi parchalanishi), substratning qolgan qismi yana ferment bilan birikishi. Shu tahlitda kimyoviy reaksiyalar takrorlanib turadi.

Umuman fermentlar ta’sirining asosiy vazifasi reaksiyaga kirishayotgan moddalarning faolligini oshirishdan iboratdir. Ma’lumki, muayyan energiya zahirasiga ega boʻlgan molekulalar bir-birlariga duch kelgan taqdirdagina reaksiya sodir boʻladi. Energiya zahirasi yetarli boʻlmagan molekulalarning duch kelishi reaksiyani keltirib chiqarmaydi. Reaksiyaning borishi uchun reaksiyaga kirishadigan molekulalar energiyasining zahirasi qandaydir ma’lum bir darajada ortiqroq boʻlishi kerak. Yetarli energiya zahirasiga ega boʻlgan molekulalar “faol molekulalar” deb ataladi Shuning uchun ferment reaksiyaga kirishuvchi moddalar bilan vaktincha kimyoviy bogʻlanib, kam faollik energiyasi talab etadigan oraliq faol birikma hosil qiladi. Buni quyidagi reaksiya asosida koʻrish mumkin.

Masalan: Fermentni F, substratni S va reaksiya mahsulotini.M bilan belgilab, boʻlib oʻtadigan kimyoviy reaksiyalarni quyidagi sxemada ifodalaymiz: