1-mavzu. Fanning maqsadi va vazifalari reja Foydalaniladigan adabiyotlar Biotexnologiya fanining vazifasi va ahamiyati

FERMENTLAR INJENERIYASI ASOSLARI.
Reja:
1.Fermentlarning strukturasi, funktsional tuzilishi va ta'sir etish mexanizmi
2. Fermentativ reaktsiyalar kinetikasi va fermentlar faolligining boshqarilishi
3. Fermentlarning sinflarga bo'linishi va ularning tasnifi.


Tayanch so’zlar va iboralar
Apoferment. Koferment. Xoloferment. Aktivator. Ingibitor.
Tirik organizm hujayrasida kechadigan turli tuman kimyoviy reaktsiyalar nisbatan past haroratda va yukori tezlikda amalga oshadi. Bu o’zgarishlar xilma-xil va juda murakkab bo’lishiga qaramay, tirik organizmlarda ularning hayot sharoitiga muvofiq temperatura, bosim va kislotali-ishqorli muhit, moddalar kontsentratsiyasida fiziologik funktsiyalarning normal kechishini ta‘minlovchi tez sur‘atda o’tadi. Shunisi qiziqki, organizmda kechadigan deyarli barcha kimyoviy reaktsiyalar, bunday sharoitda tashqi muhitda shu qadar sekin o’tadiki, ularning sur‘atini ulchash qiyin, hatto ko’pincha belgilab ham bo’lmaydi. Buning sababi shuki, organizmdagi barcha reaktsiyalar fermentlar deb ataladigan maxsus katalizatorlar ishtirokida boradi. Fermentlar bu reaktsiyalarni zarur darajada tezlashtirmasa, mavjud sharoitda organizmlarda hayot uchun muhim birorta xi­miyaviy reaktsiyaning ham kechishi mumkin bo’lmas edi.
Fermentlar ximiyaviy tabiatiga ko’ra, oqsil modda bo’lib, re­aktsiya sur‘atiga alohida ta‘sir ko’rsatadi, ya‘ni reaktsiyaning aktivlanish energiyasini kamaytiradi va uni energetik bareri past bo’lgan aylanma yo’l orqali o’tkazadi. Ammo tashqi muhitdagi katalitik reaktsiyaga tashqaridan katalizator kiritilishi lozim bo’lsa, organizmda kechadigan ximiyaviy reaktsiyalar uchun katalizatorlar uning o’z hujayralarida sintez qilinadi. Fermentlar hayot jarayonida to’xtovsiz yangilanib, zaruriy me‘yorda bevosita tayyorlanib, hayotning uzluksiz kechishini ta‘minlaydi. Ya‘ni ular biologik katalizatorlardir.



Fermentlarning roli haqidagi dastlabki tushunchalar ovqat hazmlanishi va bijgishning ximiyaviy mexanizmini o’rganish jara­yonida paydo bo’ldi. Ferment so’zi, birinchi marta XVII asrning boshlarida mashxur golland tabiatshunosi Van Gelmont tomonidan ovqat hazmlanishi jarayonida oziq moddalarning haqiqiy ximiyaviy o’zgarishi uchun zarur bo’lgan maxsus agentlarga nisbatan qo’llangan edi. Bu suz latincha fermentare to’lqinlatuvchi degan ma‘noni anglatadi. XIX asrning ikkinchi yarmida oshqozon-ichak kanalida ovqat hazmlanishi va bu protsessda ishtirok etadigan fermentlar ta‘siri fiziologik va ximiyaviy jihatdan mukammal o’rgana boshlandi. Shu asr oxirlarida ovqat ogizda so’lak tarkibiy qismlarining boshlangich ta‘siri ostida hazm bo’la boshlab, so’ngra oshqozon-ichak shiralari ta‘sirida davom etishi haqida ancha to’liq ma‘lumotlar olindi. Bu shiralarning ovqatni parchalash qobiliyati ularning tarkibidagi fermentlar ta‘siriga boglik ekanligi aniqlandi. Ovqat hazm qilinishi hamda oziq moddalarning qimmati haqidagi fiziologik va bioximiyaviy ta‘limotning asosi bo’lgan bu xulosa har tomonlama o’tkazilgan juda ko’p tekshirishlar natijasida isbotlandi. Ovqat hazmlanishining fermentativ reaktsiyalarini, ovqat tarkibining bu reaktsiyalarga ta‘sirini tekshirishda, ularning boshqarilish mexanizmlarini o’rganishda akademik I.P.Pavlovning mashxur ishlari muhim o’rinni egallaydi. Ammo fer­mentlar haqidagi dastlabki ilmiy ma‘lumot XIX asrning boshlarida K. S. Kirxgoff tomonidan olingan. 1814 yili u unayotgan arpa donidan olingan ekstrakt ta‘sirida kraxmal qandlashib, maltazaga aylanishini ko’rsatdi. Keyinroq, bir qator ximiyaviy reaktsiyalar (masalan, gidroperoksidning parchalanishi) ba‘zi metallar ta‘sirida tezlashishi, lekin bu reaktsiyada ishtirok etgan fermentning o’zgarmasligi tasdiqlandi. Shuningdek emperik ko’zatishlar bu reaktsiyalarda (1836 yili Bertselius kataliz deb atagan) maxsus ximiyaviy kuch ishtirok etadi, degan fikrga olib keldi. 1833 yilda Payon va Perso arpa doni ekstraktidan spirt bilan cho’ktirish orqali kraxmalni qandga aylantiruvchi diastaza deb atalgan fermentni ajratib olishga muvaffaq bo’ldi. Ana shunday diastaza aktivligi so’lakda ham uchraydi. Shunday qilib, jonsiz tabiatda uchraydigan katalizatorlar kabi, tirik hujayralarda va ulardan tayyorlangan ekstraktlarda ham reaktsiyalarni tezlatuvchi maxsus biologik katalizatorlar bogligi va kelib chiqishi ikki xil bo’lgan bu katalizatorlar ta‘sir etish usulida farq yo’q ekanligi aniqlandi.
Dastlabki davrda ferment so’zi faqat achish protsessi bilan boglik holda qabul qilinib, achitqilarning o’zi achish fermenti deb qaraldi. Bu fermentning ta‘siri faqat tirik mikroorganizmlar achitqilarga bogliq bo’lib, ular oshqozon-ichak shirasi yoki to’qima ekstraktlari tarkibidagi pepsin, diastaza, invertaza kabi biologik katalizator-lardan farqlanadi degan fikr tugiladi. Shunday qilib, biologik katalizatorlarning ikki tipi mavjud deb qabul qilinib, ularning biri “tashkil topgan fermentlar”, ikkinchisi esa, buning aksi, ya‘ni “tashkil topmagan fermentlar” deb atala boshlandi. Achitqi ka­bi ta‘siri tirik organizm bilan bogliq bo’lgan birinchi gruppa xususiy ferment, hujayradan tashqarida ta‘sir etadigan biokatalizator, ya‘ni tashkil topmagan ferment esa 1878 yilda Kyune tomonidan fanga kiritilgan enzim (grekcha “tirik hujayra” — achitqi ichida degan ma‘noni beradi) nomi bilan yuritildi.
Mashxur frantsuz olimi mikrobiolog Lui Paster achish protsessini har tomonlama o’rganib, spirt achishi faqat tirik mikroorganizmlar — achitqilar hayoti bilan boglik deb, ulardagi “tashkil topgan” fermentlarni hujayradan tashqarida ta‘sir ko’rsatadigan “tashkil topmagan” fermentlarga — enzimlarga qarshi ko’yadi. Nemis olimi Libix va uning tarafdorlari fermentlar­ni bunday printsipial farq qiluvchi ikki gruppaga bo’lishga e‘tiroz bildirib, achitkilar va boshqa organizmlarning achitish xossalari bu organizmning hayot faoliyatita emas, balki enzimlardan printsipial farqi bo’lmagan hujayra ichidagi fermentlarga bogliq ekanligini ta‘qidlaydi, ammo u vaqtda bu fikrni tajriba yo’li bilan isbotlash imkoniyati bo’lmadi. Achitqilardan qand achishini ta‘minlovchi fermentlarni ajratib olishga qaratilgan, uzoq vaqt davom etgan urinishlar muvaffaqiyatsiz tugab, ko’pchilik olimlar Pasterning noto’gri fikrini ma‘qullab keldilar. Bu muammo faqat 1897 yili Byuxner tomonidan hujayradan glyukozani tirik achitqilar singari etil spirt va karbonat angidridga parchalaydigan erkin achitqi ekst­rakti olinishi bilan uzil-kesil hal qilindi va “tashkil topgan” hamda “tashkil topmagan” ferment, shuningdek ferment va enzim nomlari orasidagi farq yo’qotildi. Hozirgi vaqtda ferment va enzim so’zlari sinonim bo’lib, turli mamlakatlarda ularning bittasi ko’proq qo’llanadi. Adabiyotlarda bu har ikkala termindan deyarli teng foydalaniladi. Achitqilardan ajratib olingan ekstrakt — achish enzimi “zimaza” grekcha - achitqi - deb ataldi.
Fermentlarning o’ziga xosligi. Fermentlarni turli biologik materialdan toza holda ajratib olish va tozalangan ferment preparatlarining fizik-ximiyaviy xossa­larini o’rganish jarayonida ularning oqsil moddalarga o’xshash xususiyatlari e‘tiborni jalb qildi. Haqiqatan ham fermentlar oqsillar kabi, yuqori molekulyar, kolloidal xarakterga ega bo’lib, yarim o’tkazgich parda (hayvon pufagi) orqali o’tmaydi. Shuningdek fermentlar oqsillar kabi, temperaturaga chidamsiz (termolyabil) bo’ladi, yuqori temperaturada denaturatsiyaga uchraydi. Temperatura ko’tarilishi bilan fermentlar tabiatining o’zgarishini kuzatib borish juda qulay. Boshqa oqsil moddalarning bunday o’zgarishlarini (ayniqsa, boshlangich davrini) tekshirish uchun qulay usullar bo’lmasada, fermentlarda bu o’zgarishlarni ularning aktivliklarini kuzatish orqali osonlik bi­lan nazorat qilib borish mumkin.
Kofermentlar. Kofermentlarning kimyoviy tuzilishini o’rganish ularning ko’pchiligi vitaminlardan iborat ekanligini tasdiqladi. Bir qator ko­fermentlar tarkibiga vitamin B₁ (tiamin), B₂ (riboflavin), B₆ (piridoksal), PP (nikotinat kislota amidi), biotin, pantotenat kislota, folat kislota, vitamin B₁₂ (kobalamin), vitamin C (askorbat kislota), lipoat kislota va boshqalar kiradi. Vitaminlarning ba‘zilari o’zgarmagan holda, ikkinchilari ma‘lum modifikatsiyalarga uchragan (ko’pincha, fosfat kislota bilan faollangan), uchinchilari esa boshqa komponentlar bilan birikkan holda enzimning faol gruppasini tashkil qiladi. Yuqorida keltirilgan vitaminlariing barchasi suvda eriydigan vitaminlar qatoriga kiradi, ularning ferment faolligida qatnashuvi bu biokatalizatorlarning biologik funktsiyasini belgilasa kerak. Ammo yogda eriydigan vitaminlar (A, D, E, K) ning kofermentlik funktsiyasi va umuman, ularning biologik jarayonlarda ishtirok etish yo’li aslida hozircha aniq ma‘lumot yo’q. Kofermentlarni fermentativ reaktsiyadagi funktsiyalari asosida quyidagi gruppalarga bo’lish mumkin:
1) vodorod va elektron tashuvchi kofermentlar — bu gruppaga oksido-reduktaza sinfiga taalluqli fermentlar bilan bogliq nikotinamidli kofermentlar, flavinli kofermentlar, lipoat kislota va glutation kiradi;
2) gruppalarni kuchiruvchi kofermentlar — bular qatoriga trasferazalzr sinfi bilan bog’liq bo’lgan adenozintrifosfat, uglevodlar fosfatlari, apetillash (atsillash) kofermenti, tetragidrofolat kislota hamda piridoksal (V) fosfat va piridoksamin (V) fosfat kiradi;
3) sintez, izomerlanish va uglerod — uglerod boglarini uzuvchi kofermentlar — bu gruppaga liazalar, izomerazalar va ligazalar sinfiga oid fermentlar bilan bogliq bo’lgan tiaminpirofosfat, biotin va kobamid kofermentlar kiradi. Kofer­mentlar orasida eng ko’p tarqalgani nukleotid tipidagi birikmalar, kobamid kofermentlar va metalloporfirinlardir.
Fermentlar klassifikatsiyasi. Fermentlar oltita sinfga bo’linadi. Bu sinflarning har biri past va past-past sinflarga bo’linadi. Bunda kofermentlarning tabiati (Agar ular reaktsiyada katnashsa), izomerizatsiya tipi gidrolizlanadigan boglarning turi va boshkalar hisobga olinadi. Bunday klassifikatsiya individual fermentlarni 4 ta sondan iborat shifr yordamida identifikatsiyalashni talab qiladi. Birinchi raqam ushbu ferment olti sinfdan qaysi sinfga taaluqli ekanini bildiradi. Ikkinchi va uchinchi raqamlar past va past-past sinflarni, to’rtinchi raqam esa fermentning ushbu past-past sinfidagi tartib raqamini anglatadi.
Quyida keng tarqalgan bir necha ferment guruhlari haqidagi qisqacha ma‘lumotni keltirib o’tamiz.
1. Oksidoreduktazalar.
Oksidoreduktazalar oksidlanish qaytarilish reaktsiyalarini katalizlaydi. Bu sinfga barcha digedrogenazalar, oksidazalar, piroksidazalar, tsitoxromreduktazalar kiradi.
2. Transferazalar.
Transferazalar turli ximiyaviy gruppalar va qoldiqlarning molekulalararo ko’chirilishini katalizlaydi. Bu sinfga quyidagi asosiy ferment gruppalari kiradi:
Aminotransferazalar (transaminazalar), fosfotrans-ferazalar, atsiltransferazalar. Bu fermentlar koenzim A ishtirokida funktsionirlanadi.
3. Gidrolazalar.
Mazkur sinf fermentlari molekulalari ichida boglarni uzish yo’li bilan har xil birikmalarning gidroliz protsesslarini ta‘minlaydi. Bu protsess suv ishtirokida boradi. Bunga fermentlarnig katta gruppasi, shu jumladan me‘da-ichak yo’lining fermentlari amilaza, pepsin, lipaza, fosfataza, nukleotidaza va boshqalar kiradi.
4. Liazalar.
Bu sinfga substratdan SO2 ning ajralishini katalizlaydigan dikarboksilaza fermentlari masalan, (atsetoatsetat kislotani atseton va SO2 ni parchalovchi atsetoatsetatkarboksilaza); lizin aminokislotasini dekar-boksillab, kadaverinni hosil kiluvchi, yo’gon ichakda topilgan lizinkarboksilaza va boshqalar kiradi.
5. Izomyerazalar.
Bu fermentlar substratlarning o’zaro aylanishini (biri ikkinchisiga o’tishini) katalizlaydi. Masalan, glyukoeofosfatizomeraza glyukozo-6-fosfatdan fruktoza 6-fosfat hosil bo’lishini ta‘minlaydi, arabinozo-izomeraza arabinozani ribulozaga aylantiradi, bu fermentlar ishtirokida L-izomerlar D formaga o’tadi va boshqalar.
6. Ligazalar.
Bu sinf fermentlari barcha sintez reaktsiyalarida ishtirok etadi. Masalan, ular aktivlashgan aminokislotalarning t-RNK ga qo’shilishini, shuningdek, peptidlarning hosil bo’lishini katalizlaydi va boshqalar.