Kā fermenti un substrāti mijiedarbojas

Fermenta molekula sastāv no aminoskābju ķēdes, kas salocīta noteiktā telpiskā formā. Lielākā daļa šīs formas ir strukturāls karkass, bet neliela ieplaka vai sprauga molekulas virspusē ir aktīvais centrs. Tajā saskaras dažas aminoskābju sānu grupas, kas ķēdē var atrasties tālu viena no otras, bet salocītajā olbaltumvielā nonāk blakus.

Aktīvajā centrā izšķir saistīšanās apgabalu, kas notur substrātu pareizā pozīcijā, un katalītisko apgabalu, kur notiek pati ķīmiskā pārvērtība. Noturēšana balstās uz vājām mijiedarbībām: ūdeņraža saitēm, jonu pievilkšanos, hidrofobiem kontaktiem. Tieši tāpēc saistīšanās ir atgriezeniska un ātra.

Daudziem fermentiem ar olbaltumvielu vien nepietiek. Tiem vajadzīgs kofaktors, visbiežāk metāla jons (cinks, magnijs, dzelzs), vai koenzīms, kas parasti ir vitamīna atvasinājums. B grupas vitamīni organismā lielākoties darbojas tieši kā koenzīmu izejvielas, un tas izskaidro, kāpēc šo vitamīnu trūkums izpaužas kā plaši izkliedēti vielmaiņas traucējumi, nevis kā viena orgāna slimība.

• Apoferments: fermenta olbaltumvielu daļa bez papildvielas, parasti neaktīva.
• Kofaktors: neorganiska papildviela, visbiežāk metāla jons.
• Koenzīms: organiska papildviela, bieži B grupas vitamīna atvasinājums.
• Holoferments: pilnīgs, darboties spējīgs ferments kopā ar visām papildvielām.
• Izoformas jeb izofermenti: viena fermenta paveidi dažādos orgānos ar nedaudz atšķirīgu uzbūvi.

Vecākais skaidrojums ir atslēgas un atslēgas cauruma modelis: substrāts iederas aktīvajā centrā tāpat kā atslēga slēdzenē. Tas labi izskaidro specifiskumu, bet ir pārāk stingrs. Mūsdienās plašāk izmanto inducētās atbilstības modeli, kurā aktīvais centrs substrāta klātbūtnē nedaudz maina formu un aptver substrātu, gluži kā roku cimds pieguļ rokai.

Formas maiņa nav sīkums. Tieši tā nostāda katalītiskās aminoskābes precīzi pret tām saitēm, kuras jāpārrauj, un bieži vien izspiež no aktīvā centra ūdeni, radot vidi, kurā reakcija norit citādi nekā brīvā šķīdumā.

Specifiskuma pakāpe atšķiras. Daži fermenti atpazīst vienu vienīgu substrātu, citiem ir grupas specifiskums un tie strādā ar veselu radniecīgu vielu saimi. Aknu citohroma P450 sistēma ir pēdējā galējība: tā apstrādā ļoti plašu svešvielu un medikamentu klāstu, un tieši šī plašība ir iemesls daudzām zāļu mijiedarbībām.

1. Substrāts nonāk pietiekami tuvu fermentam nejaušas difūzijas rezultātā.
2. Substrāts ar vājām saitēm piesaistās aktīvajam centram, un centrs pielāgo savu formu.
3. Izveidojas ferments un substrāts komplekss, kurā saites, kas jāpārrauj, ir saspringtas.
4. Notiek ķīmiskā pārvērtība, veidojas produkts vai produkti.
5. Produkts atbrīvojas, jo vairs neiederas aktīvajā centrā, un ferments uzņem nākamo substrāta molekulu.

Lai reakcija notiktu, molekulām jāpārvar enerģētiska barjera, ko sauc par aktivācijas enerģiju. Bez fermenta šo barjeru pārvar tikai retas, nejauši ļoti enerģiskas molekulas, tāpēc daudzas organismam svarīgas reakcijas pašas no sevis notiktu pārāk lēni, lai uzturētu dzīvību ķermeņa temperatūrā.

Ferments barjeru pazemina, stabilizējot pārejas stāvokli, tas ir, to īsu mirkli, kad vecās saites jau vājinās, bet jaunās vēl nav izveidojušās. Svarīgi saprast, ko ferments nedara: tas nemaina reakcijas līdzsvara stāvokli un nepadara enerģētiski neizdevīgu reakciju izdevīgu. Ferments maina tikai ātrumu, ar kādu līdzsvars tiek sasniegts, un vienlīdz paātrina reakciju abos virzienos.

Tas izskaidro, kāpēc šūna vienu un to pašu vielu sintēzei un noārdīšanai bieži izmanto atsevišķus ceļus ar atsevišķiem fermentiem. Ja abi virzieni ietu pa vienu un to pašu ceļu, tos nebūtu iespējams regulēt neatkarīgi.

Starptautiskā klasifikācija fermentus iedala pēc tā, kāda veida reakciju tie katalizē. Šis dalījums ir noderīgs praksē: zinot klasi, var pateikt, kas notiek ar substrātu, pat ja konkrētais ferments nav pazīstams.

Fermenta darbības ātrums ir atkarīgs no substrāta daudzuma, bet ne bezgalīgi. Palielinot substrāta koncentrāciju, ātrums vispirms strauji aug, tad izlīdzinās, jo visi aktīvie centri ir aizņemti. Substrāta koncentrāciju, pie kuras sasniegts pusmaksimālais ātrums, apzīmē ar Km, un tā ir netieša fermenta un substrāta saistīšanās stipruma mēraukla: jo mazāks Km, jo ciešāk ferments tur savu substrātu.

Temperatūrai un skābumam ir optimums. Cilvēka fermentiem tas lielākoties ir tuvu ķermeņa temperatūrai un neitrālam pH, bet ir svarīgi izņēmumi: kuņģa pepsīns strādā izteikti skābā vidē, tāpēc skābes nomācošas zāles netieši samazina arī olbaltumvielu sagremošanu kuņģī. Pārsniedzot optimālo temperatūru, olbaltumviela zaudē telpisko formu, un šī denaturācija parasti ir neatgriezeniska.

Fermentus regulē arī pati šūna. Alostēriskā regulācija nozīmē, ka kāda viela piesaistās ārpus aktīvā centra un maina tā formu; bieži vien vielmaiņas ceļa galaprodukts šādi nomāc paša ceļa pirmo fermentu. Cita izplatīta pieeja ir fermenta ieslēgšana un izslēgšana, pievienojot vai atņemot fosfātgrupu, un tieši pa šo ceļu darbojas daudzi hormoni, tostarp insulīns un adrenalīns.

• Konkurējošie inhibitori atgādina substrātu un aizņem aktīvo centru; to ietekmi var mazināt, palielinot substrāta daudzumu.
• Nekonkurējošie inhibitori piesaistās citviet un maina fermenta formu; substrāta pielikšana nepalīdz.
• Neatgriezeniskie inhibitori veido noturīgu ķīmisku saiti, un darbība atjaunojas tikai ar jaunu fermenta molekulu sintēzi.
• Proenzīmi jeb zimogēni tiek izdalīti neaktīvā veidā un aktivizēti tikai vajadzīgajā vietā, piemēram, aizkuņģa dziedzera fermenti zarnā.

Iedzimtas vielmaiņas slimības lielākoties ir viena fermenta trūkuma sekas. Fenilketonūrijā trūkst fermenta, kas pārstrādā aminoskābi fenilalanīnu, tāpēc neapstrādātais substrāts uzkrājas un bojā smadzeņu attīstību; tieši tāpēc jaundzimušo skrīnings Latvijā to meklē jau pirmajās dzīves dienās. Galaktozēmijā, dažādās glikogenozēs un lizosomālajās uzkrāšanās slimībās mehānisms ir tāds pats: aizsprosts vienā vielmaiņas ceļa posmā.

Biežāk sastopams un daudz vieglāks piemērs ir laktāzes nepietiekamība. Lielai daļai pieaugušo laktāzes ražošana tievajās zarnās ar gadiem samazinās, nesagremotā laktoze nonāk resnajā zarnā, un zarnu baktērijas to raudzē, radot vēdera pūšanos, rīboņu un caureju. Tā nav alerģija pret pienu, jo imūnsistēma šajā procesā nepiedalās.

Fermenti kalpo arī kā orgānu bojājuma marķieri. Aknu šūnām bojājoties, asinīs paaugstinās ALAT un ASAT, aizkuņģa dziedzera iekaisumā strauji ceļas amilāze un lipāze, muskuļu bojājumā kreatīnkināze. Šeit asinīs mēra nevis fermenta lietderīgo darbu, bet gan to, ka tas ir izplūdis no bojātām šūnām.

Ar ko vērsties pie ārsta: ilgstoši traucējumi pēc noteiktiem produktiem, neizskaidrojams svara zudums, taukaini izkārnījumi vai pastāvīgi paaugstināti aknu rādītāji ir iemesls apmeklēt ģimenes ārstu, kurš vajadzības gadījumā nosūta pie gastroenterologa; iedzimtu vielmaiņas slimību aizdomu gadījumā ar bērnu strādā medicīnas ģenētiķis un pediatrs.

Laboratorijā fermenta aktivitāti nosaka netieši: paraugam pievieno zināmu substrātu un mēra, cik ātri rodas produkts. Rezultātu izsaka vienībās uz litru, nevis masas vienībās, jo mēra darbību, ne daudzumu. Tāpēc arī atsauces vērtības atšķiras starp laboratorijām, un rezultātus vienmēr salīdzina ar tās pašas laboratorijas normu.

Fermenti ir arī zāļu mērķis. Statīni bloķē holesterīna sintēzes atslēgas fermentu, aspirīns neatgriezeniski izslēdz ciklooksigenāzi trombocītos, angiotenzīnu konvertējošā fermenta inhibitori pazemina asinsspiedienu, bet protonu sūkņa inhibitori aptur kuņģa skābes izdali. Daļa pretvīrusu zāļu ir tiešs konkurējošo inhibitoru paraugs: tās atdarina īsto substrātu un aizņem vīrusa fermenta aktīvo centru.

Otrs virziens ir fermentu aizstājterapija. Cilvēkiem ar aizkuņģa dziedzera nepietiekamību ēdienreizēs lieto gremošanas fermentu preparātus ar apvalku, kas noturas skābajā kuņģī un atbrīvo fermentu tikai divpadsmitpirkstu zarnā, jo skābē ferments zaudētu formu, vēl nesasniedzis savu substrātu.

Pirmā izplatītā kļūda ir jaukt fermentu ar hormonu. Hormons ir signālviela, kas pārnes ziņu no viena orgāna uz citu un pats reakciju nekatalizē; ferments strādā uz vietas un ķīmiski pārveido vielu. Hormons bieži vada fermentu, bet tie nav sinonīmi.

Otra kļūda ir uzskatīt, ka fermenti tiek patērēti. Tie neizlietojas reakcijā, un fermenta preparāta deva ir jāatkārto nevis tāpēc, ka ferments izlietots, bet tāpēc, ka to sašķeļ gremošanas trakts un izskalo zarnu saturs.

Trešā kļūda ir domāt, ka paaugstināts ferments asinīs nozīmē pastiprinātu darbību. Parasti tas nozīmē pretējo: fermentam bija jāpaliek šūnā, un asinīs tas nonācis tāpēc, ka šūna bojāta.

Ceturtā kļūda ir sajaukt laktozes nepanesību ar govs piena olbaltumvielu alerģiju. Pirmā ir fermenta trūkums ar vēdera simptomiem, otrā ir imūnsistēmas reakcija, kas var izpausties ar izsitumiem, vemšanu un pat elpošanas traucējumiem un prasa alergologa vērtējumu.

Mācību grāmatas fermentu attēlo kā stingru formu ar iedobi. Patiesībā olbaltumvielas molekula pastāvīgi kustas, elpo un maina konformāciju, un daļa šo kustību ir tieši tas, kas padara katalīzi iespējamu: aktīvais centrs pārmaiņus atveras un aizveras, un substrātam jāiekļūst tieši pareizajā mirklī.

No tā izriet praktiska sekas. Fermenta darbību var mainīt viela, kas nemaz nepieskaras aktīvajam centram, bet tikai ietekmē molekulas kustīgumu. Mūsdienu zāļu izstrādē šos punktus meklē mērķtiecīgi, jo aktīvie centri radniecīgiem fermentiem bieži ir gandrīz vienādi, un zāles, kas mērķē tikai uz aktīvo centru, mēdz iedarboties arī uz citiem fermentiem, radot blakusparādības.

Vēl viena nianse ir laktāzes noturība. Spēja sagremot pienu pieaugušā vecumā nav noklusējums, bet gan salīdzinoši nesena ģenētiska iezīme, kas Ziemeļeiropā izplatīta daudz plašāk nekā vairumā pasaules reģionu. Tāpēc laktozes nepanesība nav uzskatāma par slimību parastajā izpratnē; drīzāk tas ir cilvēku sugas sākotnējais stāvoklis.