Fermentai (lot. fermentum – raugas) – enzimai, biokatolizatoriai, specialūs baltymai, kurie susidaro gyvuose organizmuose ir katalizuoja juose vykstančias reakcijas.

  Tai yra 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.

Žinoma >4000 fermentų. Fermentų aktyvumas priklauso nuo terpės rūgštingumo (pH), temperatūros, vandenilio jonų koncentracijos, substrato koncentracijos. Fermentų aktyvumas yra reguliuojamas, t. y. jis priklauso nuo tam tikrų junginių kiekio ląstelėje.

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. Daugelis fermentų yra labai specifiški ir katalizuoja tik vieną reakciją (pvz., ureazė skaido tik šlapalą).

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.

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.

Fermentai skirstomi į paprastuosius (susideda tik iš aminorūgščių) ir sudėtinius (susideda iš apofermento – baltyminės dalies ir kofermento – šilumai atsparios nebaltyminės dalies). Kai kurių fermentų veikimui reikia metalo jonų. apofermentas ir kofermentas pavieniui yra neaktyvūs. Kofermentai dažniausiai yra vandenyje tirpūs, pvz., B grupės vitaminai (B1, B2, B6, B12), folinė rūgštis. Kad fermentai būtų aktyvūs, vitaminų maiste turi būti pakankamai. Fermentų aktyvumo vienetas yra katalas – toks fermentų kiekis, kuris per sekundę suskaido vieną molį substrato.

Fermentų veikimą galima suskaidyti į 3 stadijas: substrato susijungimas su fermentu; katalizė (skaidymas); reakcijos produktų atsiskyrimas. Prie substrato jungiasi aktyvusis fermento centras, kuris turi katalizinę (veikimo) ir reguliacinę dalis.  Jo molekulės išsidėsto erdvėje taip, kad susiformuoja niša, į kurią patekęs substratas yra suskaidomas. Dažnai fermentai veikia susibūrę į grupes. Fermentai katalizuoja reakciją ištirpę arba prisijungę prie membranų. Fermentų aktyvumą gali veikti slopintojai (inhibitoriai, pvz., sunkiųjų metalų jonai) ir aktyvatoriai (magnio, natrio jonai).

Pagal katalizuojamos reakcijos tipą fermentai skirstomi į 6 klases:

1) oksidoreduktazės, katalizuojančios oksidacijos ir redukcijos reakcijas;

2) transferazės, katalizuojančios atomų grupių perėjimą iš vienos molekulės į kitą;

3) hidrolazės, katalizuojančios hidrolizės reakcijas (molekulių hidrolinių ryšių skaidymas);

4) liazės, katalizuojančios atomų grupės atsiskyrimą arba prisijungimą prie dvigubos jungties (padeda sudaryti dvigubuosius ryšius);

5) izomerazės, katalizuojančios organinių junginių izomerijos reakcijas (grupių pernaša molekulių viduje);

6) ligazės (sintetazės), katalizuojančios sintezės reakcijas (naujų cheminių junginių susidarymas).

izofermentai.

Ląstelėse aptinkamos kai kurių fermentų molekulinės formos – izofermentai, kurie skiriasi struktūra, judrumu elektriniame lauke ir imuninėmis savybėmis. Žinoma ~50 fermentų izofermentų; turi reikšmės reguliuojant ląstelės medžiagų apykaitą, padeda organizmui prisitaikyti, pakitus aplinkos sąlygoms.

Izofermentai ir kai kurie fermentai aktyvūs būna tik tam tikruose organuose. Šia savybe pasinaudojama tiriant įvairius organų funkcijų pažeidimus. Nenormalus fermentų aktyvumo padidėjimas kraujyje (fermentemija) dažnai būna susijęs su patologiniais procesais.

Žinoma >100 fermentopatijų, kurias sukelia paveldimas per mažas fermentų aktyvumas arba visiškas jų nebuvimas. Dėl to sutrinka medžiagų apykaita. Bandoma pakitusius fermentus pakeisti normaliais susintetintais arba išskirtais iš organizmo.

Fermento aktyvusis centras.

Fermentai – įvairios molekulinės masės ir paprastieji, ir sudėtiniai baltymai. Fermento molekulė yra daug kartų didesnė už substrato molekulę, todėl reakcija vyksta ne visame fermento molekulės paviršiuje, bet tam tikroje srityje, vadinamoje aktyviuoju centru. Aktyviajam centrui yra būdinga erdvinė struktūra, t. y. tos aminorūgščių liekanos, kurios sudaro aktyvųjį centrą, yra išsidėsčiusios įvairiose fermento pirminėse struktūros vietose. Kai, formuojantis tretinei fermento struktūrai, polipeptidinė struktūra susilanksto, šios liekanos priartėja viena prie kitos, sudarydamos aktyvųjį centrą.

Fermento molekulėje gali būti vienas ir daugiau aktyviųjų centrų. Paprastai jie yra fermento paviršiaus plyšyje. Aminorūgščių liekanų skaičius įvairių fermentų aktyviuosiuose centruose yra skirtingas. Aktyviajame centre vidutiniškai yra apie 12-16 aminorūgščių liekanų. Aktyvusis centras sąlygiškai skirstomas į dvi sritis: substratą prijungiančią ir katalizinę sritį.

Substratą prie aktyviojo centro prijungia visų rūšių silpnosios sąveikos (vandenilinis ryšys, hidrofobinė sąveika, elektrostatinė ar joninė sąveika, van der Valso sąveika), o retesniais atvejais ir kovalentinė sąveika. Fermentui prisijungus substratą, susidaro fermento-substrato kompleksas, kuris žymimas ES, čia E – fermentas, S – substratas. Substratą prijungiančios srities aminorūgščių liekanos pakreipia substrato molekulę taip, kad, veikiant katalizinės srities aminorūgščių liekanoms, ji virsta produktu. Ne visos aktyviojo centro aminorūgščių liekanos yra vienodai svarbios fermentinei katalizei. Visi sudėtiniai fermentai ir kai kurie paprastieji yra aktyvūs tik tada, kai yra prisijungę tam tikras nebaltymines molekules arba jonus. Tokios fermentinei katalizei būtinos molekulės arba jonai vadinami kofaktoriais. Kofaktoriai prijungiami tam tikroje aktyviojo centro vietoje.

Fermentui prisijungus substratą, susidaro daug silpnųjų tarpmolekulinių sąveikų arba kovalentinių ryšių, t. y. aktyviajam centrui būdingas komplementarumas substratui. Yra pasiūlyti du modeliai, aiškinantys, kaip fermentas prisijungia substratą ir susidaro fermento-substrato kompleksas.

Pirmąjį dar 1894 m. pasiūlė Emilis Fišeris ir jį vaizdžiai pavadino ,,spynos ir rakto” modeliu. Remiantis šiuo modeliu, fermentas gali prisijungti substratą, jei aktyviojo centro erdvinė struktūra atitinka substrato struktūrą taip, kaip raktas atitinka spyną. Tai vyksta tuo atveju, kai sąveikos su substratu metu fermento aktyviojo centro aminorūgščių liekanų erdvinė padėtis nekinta, t. y. aktyviojo centro trimatė padėtis pastovi. Prijungto substrato molekulė įgauna konformaciją, būdingą pereinamajai būsenai.

Šį modelį galima taikyti tik nedaugelio fermentų veikimui aiškinti, paprastai tų, kurie prijungia tik vieną substratą.

Antrasis fermento-substrato komplekso susidarymo modelis vadinamas ,,indukuoto atitikmens” modeliu. Jis teigia, kad fermento aktyviojo centro ir substrato molekulės erdvinės struktūros yra kintančios. Aktyvusis centras įgyja formą, atitinkančią substrato molekulės formą tada, kai prie jo priartėja substrato molekulė. Keičiantis erdvinei fermento struktūrai, aktyviojo centro aminorūgščių liekanos užima tokią padėtį, kuri palankiausia ES kompleksui susidaryti ir substrato molekulę pakreipti katalizinių grupių link. Aktyviojo centro aminorūgščių liekanos keičia elektroninio debesies tankį prijungto substrato molekulėje, todėl sumažėja pereinamosios būsenos standartinė laisvoji energija. Įvykus katalizei, produktas palieka aktyvųjį centrą. Tai įvyksta todėl, kad tam tikrieji ryšiai, jungiantys produktą su aktyviuoju centru, lengvai nutrūksta.

Aktyvinto fermento-substrato kompleksui susidaryti ir jam virsti produktu yra svarbūs šie katalizės mechanizmai:

1) rūgštinė-bazinė katalizė;

2) kovalentinė katalizė;

3) metalo jonų katalizė;

4) elektrostatinė katalizė;

5) grupių artumo ir orientavimosi reiškiniai;

6) pereinamosios būsenos substrato prisijungimas.

Kuris šių mechanizmų yra svarbiausias katalizei, priklauso nuo fermento aktyviojo centro ir substrato struktūrų. Gali būti, kad, vykstant fermentinei reakcijai, yra svarbūs keli katalizės mechanizmai.

Fermentų preparatai.

  Dažniausiai vartojami gydyti ligoms, kuriomis susergama dėl fermentų nepakankamumo. Kartais fermentai vartojami, kai reikia suardyti nekrozavusius audinius arba krešulius, esančius žaizdose arba kūno ertmėse, kai kuriems uždegimams (ypač kvėpavimo organų) ir vėžiui gydyti.

Dažniausiai vartojami virškinimo fermentai ir audinių fermentai. Svarbiausi virškinimo fermentai yra pepsinas, tripsinas, chimotripsinas ir jų sudėtiniai preparatai pankreatinas, festalis, pankurmenas, menzimas, trifermentas (pastarieji 3 tinka gydyti įvairioms virškinamojo trakto ligoms, kurios prasideda dėl skrandžio ir kasos fermentų nepakankamumo; veikia panašiai kaip festalis).

Svarbiausi ir dažniausiai vartojami audinių fermentai yra lidazė ir ronidazė. Juose yra pagrindinio audinių fermento hialuronidazės. Vartojami gydyti nuo sklerodermijos ir kai kurių kitų ligų, kuriomis sergant išveša jungiamasis ir surandėja kiti organizmo audiniai. Itin aktyvus audinių fermentas yra penicilinazė. Kaip priešvėžinis vaistas vartojamas fermentas a-asparaginazė.

Padidėjusiam fermentų aktyvumui reguliuoti vartojami antifermentai.