Fermentai

Tai – junginiai, greitinantys organizme vykstančias chemines reakcijas. Beveik visos cheminės reakcijos organizme vyksta, dalyvaujant biologiniams katalizatoriams. Jei ląstelėse šių katalizatorių nebūtų, tai cheminės reakcijos vyktų labai lėtai (keliolika valandų, mėnesių) arba netgi visai nevyktų, todėl tokios ląstelės negalėtų egzistuoti. Daugelis fermentų yra baltymai. Cheminis junginys, kurio struktūrą pakeičia, yra vadinamas substratu. Po reakcijos susidaręs naujas junginys vadinamas produktu. Fermentai yra baltyminiai biologiniai katalizatoriai, todėl jiems būdingos tam tikros bendrosios katalizatorių savybės ir specifinės savybės: fermentai reakcijos metu nei sunaudojami, nei pagaminami, tik didina reakcijos greitį, bet nekeičia jos pusiausvyros. Savybės būdingos tik fermentams: greitina tik tam tikrą cheminę reakciją ir negamina šalutinių reakcijos produktų; yra specifiški substratams. Tam tikri fermentai yra griežtai specifiški substratui, o kiti fermentai gali katalizuoti keleto junginių virsmus. Fermentai yra jautrūs temperatūros ir terpės rūgštingumo (pH) pokyčiams; fermentų aktyvumas yra reguliuojamas, t. y. jis priklauso nuo tam tikrų junginių kiekio ląstelėje. Cheminės reakcijos metu substratas virsta produktu. Substrato, arba produkto, koncentracijos pokytis per laiko vienetą vadinamas cheminės reakcijos greičiu. Reakcija, kurios metu vienas substratas virsta vienu produktu, vadinama pirmojo laipsnio reakcija, nes jos greitis priklauso nuo substrato arba produkto koncentracijų, pakeltų pirmuoju laipsniu. Yra substrato egzistavimo pusperiodis, rodantis, per kokį laiką pradinė substrato koncentracija sumažėja dvigubai. Atsižvelgiant į tai, keli substratai dalyvauja cheminėse reakcijose, jos skirstomos į viensubstrates, dvisubstrates ir trisubstrates. Reakcijų, kuriose dalyvauja didesnis substratų skaičius, yra mažai. Reakcija įvyksta tik susidūrus dviem molekulėms, kurių ne tik energija yra pakankamai didelė, bet ir palanki erdvinė padėtis. Taigi kiekvienai reakcijai yra būdinga tam tikra laisvosios energijos užtvara, kurią įveikia ne visos, bet tik pakankamai aktyvios molekulės. Tokių molekulių būsena vadinama aktyviąja, arba pereinamąja, būsena. Molekulių, turinčių pereinamąją būseną, cheminiai ryšiai yra pakitę arba šių molekulių elektroninio apvalkalo struktūra iš dalies pakitusi, todėl susidūrus dviem tokioms molekulėms, reakcija vyksta. Tam tikru reakcijos momentu tik dalis molekulių yra pereinamosios būsenos, iš kurios jos vėl gali sugrįžti į pirminę, neaktyviąją būseną. Reakcijos pusiausvyros konstanta nepriklauso nuo to, kokia yra reakcijos energijos užtvara (t.y., aktyvacijos energija) ir greitis, bet priklauso nuo reaguojančių medžiagų pradinės būsenos ir produktų galinės būsenos laisvosios energijos skirtumų. Fermentai mažina reaguojančių medžiagų standartinę laisvąją aktyvacijos energiją ∆G°^‡, t. y. reakcijos energijos užtvarą, nes jie didina skaičių tokių substrato molekulių, kurioms pakanka energijos pasiekti pereinamąją būseną. Todėl, esant fermentų, vienodai didėja ir tiesioginės, ir grįžtamosios reakcijų greičiai, bet nekinta substratų ir produktų standartinės laisvosios energijos pokytis ir reakcijos pusiausvyros konstanta. Tai, kaip fermentai mažina energijos užtvarą, galima paaiškinti, remiantis II termodinamikos dėsnio išraiška:

∆G°^‡ =∆H°^‡ – T x ∆S°^‡ .

Reakcija termodinamiškai laikoma savaimine, jei jos ∆G° yra neigiamas.

Neigiama ∆G° reikšmė būna šiais atvejais:

∆H°^‡ yra neigiamas ir ∆S° teigiamas; ∆H° ir ∆S° yra neigiami;

∆H° ir ∆S° yra teigiami (entropijos skatinama reakcija pasitaiko retai).

Taigi fermentinės reakcijos metu kinta 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. Pavyzdžiui, 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.

Šaltinis | Dažniausiai vartojamų biomedicinos terminų ir sąvokų aiškinamasis žinynas | Lietuvos sveikatos mokslų universitetas | Akademikas Profesorius Antanas Praškevičius, Profesorė Laima Ivanovienė