Fermentlərin quruluşu, təsnifatı və xassələrindən bəhs edən elm sahəsi enzimologiya və ya fermentologiya adlanır.
ENZİMOLOGİYANIN İNKİŞAF TARİXİ
İnsanlar hələ ta qədimdən öz təsərrüfat fəaliyyətində müx¬təlif fermentativ proseslərlə qarşılaşır, onlardan öz tələbatlarının ödənilməsi üçün istifadə etməyə çalışırdılar. Spirt və süd turşu qıcqırmasının həyata keçirilməsi, pendirin hazırlanmasında qur¬saq¬dan istifadə, nişasta tərkibli xammalı şəkərə çevirmək məq-sədilə mayanın, ağız suyunun və kif göbələklərinin, çörək isteh¬salında mayanın tətbiqi qədim zamanlardan insanlarda fermenta¬tiv proseslər haqqında təsəvvürlərin olmasını göstərir.
Fermentativ proseslər haqqında ilk təcrübi məlumat XVIII əsrin ikinci yarısında Fransız və İtalyan təbiətşünasları R.A.Reomür və L.Spallansani tərəfindən quşların mədəsində ətin həzmi prosesinin öyrənilməsinə həsr olunmuş təcrübələrdə əldə edilmişdir. Bu tədqiqatçılar hind xoruzlarına və yırtıcı quşlara nazik metal¬dan hazırlanmış zəncirə bağlanmış ət parçalarını verir¬dilər və bir neçə saatdan sonra həmin zənciri quşun dimdiyindən çıxartdıqda ətin quşun çinədanında fəaliyyət göstərən həzm şirə¬si¬nin təsiri ilə tamamilə həll olunduğunu müşahidə edirdilər. Bu müşa¬hi¬dələr L.Spallansanini həzm şirələrinin kimyə¬vi tərkibinin öyrə-nil¬məsi istiqamətində təcrübələrin aparıl¬masına sövq etmiş¬dir.
Lakin mürəkkəb fermentativ prosesin ilk dəqiq kimyəvi təd¬qiqi 1789-cu ildə müasir kimyanın banisi sayılan A.L.Lavuazye tərəfindən həyata keçirilmişdir. O, vəsfi kimyəvi analiz üsullarını tətbiq edərək, ilk dəfə olaraq spirtli qıcqırmanın məhsullarının balansını göstərmişdir.
1814-cü ildə Peterburq Elmlər Akademiyasının həqiqi üzvü K.S.Kirxhof cücərmiş arpa toxumlarından alınmış ekstrakt¬da nişastanın şəkərə çevrilməsinə səbəb olan fəal maddənin mövcudluğunu göstərmişdir. Bununla belə, ilk dəfə olaraq, Kirx¬hof amilaza fermentinin məhlulunu əldə etmişdir və Kirxhofun bu kəşfi enzimologiyanın yaranma tarixi hesab oluna bilər. 1830-cu ildə fransız kimyaçısı P.J.Robike göstərmişdir ki, acı badam meyvələrində amiqdalin qlikozidinin hidrolizinə səbəb olan ağ rəngli həll olan maddə mövcuddur. Bu birləşmə sonradan emulsin adlandırılmışdır.
Enzimologiyanın inkişaf tarixinin əsas mərhələlərinin biri də fransız kimyaçılarının A.Payena və J.B.Personun işləri ilə əlaqədardır. Onlar 1833-cü ildə Kirxhof tərəfindən təsvir olunmuş fəal maddənin toz şəklində alınmasının mümkünlüyünü sübut edən təcrübələrin nəticələrini dərc etmişlər. Onlar bu maddəni diastaza adlandırmışlar. Beləliklə, Payena və Personun işləri nəticəsində məlum oldu ki, fermentləri yalnız məhlullar şəklində deyil, eləcə də quru həll olan preparatlar şəklində də əldə etmək olar. 1835-ci ildə Fore qara xardalın tərkibindəki siniqrin qlikozidinin hidrolizini kataliz edən siniqrinaza fermentinin təsi¬rini təsvir etmişdir; 1836-cı ildə Şvann pepsin fermentini təsvir etmişdir; 1846-cı ildə Dübranfo mayalarda invertaza fermentini, 1856-cı ildə isə, J.Korvizar tripsini kəşf etmişdirlər. XIX əsrin ortalarında artıq fermentlərin yayılması və xassələri haqqında xeyli material toplanmışdır.
Fermentlərin təbiəti haqqında təsəvvürlərin yaranmasında zülalların və fermentlərin öyrənilməsinə mühüm yer ayıran məşhur alman kimyaçısı Y.Libixin fəaliyyəti böyük rol oynadı. Libix, fermentlərin təbiəti və qıcqırmanın mahiyyəti barəsində mövcud olan məlumatları ümumiləşdirib, belə bir fikir irəli sürmüşdür ki, qıcqırma prosesi, maya diastazası və ya badam emulsininə bənzər, həll olan fermentlər vasitəsilə həyata keçirilən kimyəvi prosesdir. Lakin 1856-cı ildə müasir mikrobiologiya elminin banisi olan L.Pasterin qıcqırmanın təbiətinin öyrənil¬mə¬sinə həsr olunmuş işləri başlanmışdır. Öz təcrübələrində Paster göstərmişdir ki, qıcqırma yalnız canlı orqanizmlər tərəfindən həya¬ta keçirilə bilər. Libix, Bertlo və Bernar kimi alimlərin sübut¬ları Pasterin təcrübələrinin sarsılmaz məntiqində şübhə yarada bilməmişdir. Qeyd etmək lazımdir ki, Paster özü də spirtli qıcqırmanı həyata keçirə bilən hüceyrəsiz maya şirəsini almaq üçün bir neçə dəfə cəhd etmişdir. Bu məqsədlə, o, maya hücey¬rə¬lərini yüksək təzyiq altında qumla əzirdi. Lakin, onun təcrübələri, bu istiqamətdə işləyən digər alimlərin təcrübələri kimi, uğur¬suz¬luqla nəticələnmişdir.
L.Pasterin tədqiqatlarının nəticəsində fermentlər iki qrupa bölündü – (1) ekstraktlar və hüceyrəsiz ferment preparatlar şəklin¬də alınan həll olan fermentlər və (2) müxtəlif növ qıcqır¬ma¬lara səbəb olan canlı mikroorqanizmlərin tərkibindəki fermentlər. Birincilər, “qeyri-mütəşəkkil”, ikincilər isə, “mütəşəkkil” fer¬ment¬lər adlandırılmışlar. Ferment terminin bu cür ikili başa düşülməsi elmdə qarışıqlığa səbəb olurdu ki, 1878-ci ildə V.Küne “qeyri-mütəşəkkil” fermentləri enzimlər adlandırmaq təklifini irəli sürmüşdür.
Libix və Pasterin qıcqırmanın təbiəti haqqında mübahisəsi 1897-ci ildə alman alimi E.Buxnerin təcrübələri nəticəsində öz həllini tapmışdır. O, maya hüceyrələrini torpaqla əzib çox yüksək təzyiq altında sıxmaqla spirtli qıcqırmaya səbəb olan hüceyrəsiz maya şirəsini almışdır. Beləliklə, qıcqırma prosesi maya şirəsinin tərkibindəki həll olan fermentlər vasitəsilə həyata keçirilmişdir. Bu kəşf sayəsində maya şirəsinin katalitik sistemi və onun tərkibinə daxil olan ayrı-ayrı fermentlər ətraflı öyrənilmişdir.
Mürəkkəb fizioloji proses hesab olunan spirtli qıcqırmanın həll olan fermentlərin təsirinin nəticəsi olduğunu və canlı hücey¬rələrin iştirakı olmadan da baş verdiyini sübut edən Buxne¬rin kəşfi çox mühüm prinsipial əhəmiyyətə malik idi.
Qıcqırma prosesinin təbiəti haqqında mübahisə və Bux¬nerin kəşfi fermentativ proseslərin intensiv tədqiq olunmasını stimullaşdırdılar, və bunun nəticəsi kimi XX əsrin əvvəlində artıq xeyli miqdarda ferment aşkar olunmuşdur.
Pasterin şagirdi olan Düklo fermentlərin adlandırılması məqsədilə onun təsir etdiyi substratın adına “aza” şəkilçisini əlavə etmək təklifini irəli sürmüşdür. Bu təklif qəbul olunmuşdur və hal-hazıradək fermentlərin adlandırılmasında bu prinsipdən istifadə olunur. Lakin, qeyd etmək lazımdır ki, bəzi fermentlər üçün bu qaydaya tabe olmayan trivial adlar da saxlanılmışdır (məs., pepsin, tripsin, ximotripsin, papain və s.).
Enzimologiyanın inkişafında mühüm mərhələlərdən biri də alman kimyaçısı E.Fişerin adı ilə bağlıdır. O, XX əsrin əvvəllərində fermentlərin təsirinin spesifikliyinə dair müasir təsəvvürləri əsaslandırmışdır və ferment-substrat qarşılıqlı əlaqə¬sini “açarın qıfıla” uyğunluğu ilə müqayisə etmişdir. Proteolitik fermentlər üzrə aparılan tədqiqatlarla məşhurlaşmış biokimyaçılar və enzimoloqlar – E.Abderqalden və M.Berqmann, müasir bio¬kim¬yanın və enzimologiyanın korifeylərindən biri olan O.Var¬burq və digərləri öz elmi fəaliyyətlərini E.Fişerin laboratori¬ya¬sın¬da başlamışlar.
XX əsrin əvvəllərində fermentlərin təsir kinetikasının əsasları qoyulmuşdur. 1902-ci ildə ingilis kimyaçısı A.Broun belə bir fikir irəli sürmüşdür ki, fermentin müvafiq substrata təsir etməsi üçün, o, substratla aralıq ferment-substrat kompleksini əmələ gətirməlidir. Eyni zamanda və Broundan asılı olmayaraq bu fikir fransız alimi Anri tərəfindən söylənilmişdir. 1913-cü ildə L.Mixaelis və M.Menten bu fikri təsdiq edərək fermentativ katalizin müasir kinetikasına başlanğıc vermişlər.
Birinci dünya müharibəsindən sonra böyük alman kimya¬çısı və biokimyaçısı R.Vilştetter şagirdləri ilə birlikdə ferment¬¬lərin yüksək dərəcədə təmiz halda alınması və onların kimyəvi təbiətinin öyrənilməsi məqsədilə aparılan elmi işlərə başlanğıc vermişlər. Bu zaman ferment preparatlarının təmizlən¬mə¬sinin əsas üsulu – fermentləri məhluldan müxtəlif adsor¬bent¬lər, xüsu¬si¬lə də alüminium hidroksid Al(OH)3 vasitəsilə adsorbsi¬yası idi. 1862-ci ildə böyük rus biokimyaçısı A.Y.Danilevskiy ilk dəfə olaraq bu üsul vasitəsilə pankreatik amilazanı tripsindən ayırmışdır. Vilştetterin əməkdaşları ilə apardığı işlər fermentlərin təmizlənməsi, onların vəsfi təyini üsullarının inkişafında, ayrı-ayrı fermentlərin xarakteristikasında və onların spesifikliyinin öyrənilməsində böyük rol oynamışdır. Lakin, Vilştetter qarşısına qoyduğu əsas məqsədə - fermentlərin kimyəvi təbiətinin aydınlaş¬dırılmasına nail ola bilmədi. 1926-cı ildə Vilştetter elə bir nəticəyə gəldi ki, fermentlər nə zülallara, nə karbohidratlara, nə də üzvi birləşmələrin məlum olan hər hansı digər sinfinə aid deyillər və üzvi birləşmələrin xüsusi sinfini təşkil edirlər.
Həmin ildə cavan amerikan biokimyaçısı C.Samner ureaza fermentini bitki toxumlarından zülal kristalları şəklində alınmasına nail olmuşdur. O zamanki Vilştetterin böyük nüfuzu sayəsində, Samnerin işi, nəinki diqqəti cəlb edə bilmədi, hətta müəllifi təcrübələri kifayət qədər təmiz şəraitdə aparmadığında taqsırlandırmışlar. Lakin artıq 1930-cu ildə digər amerikalı alim D.Nortrop zülal kristalları şəklində pepsin, 1931-ci ildə isə, D.Nortrop və M.Kunits kristallik tripsini əldə etmişlər. Beləliklə Samnerin və Nortropun əməkdaşları ilə apardıqları işlər müasir enzimologiyanın inkişafında yeni mərhələ idi. Onlar, yüksək dərəcədə təmiz kristallik preparatların alınma yolunu müəyyən etdilər və bununla da fermentlərin zülal təbiətini sübut etdilər.
Yüksək dərəcədə təmiz ferment preparatlarının alınma¬sı¬nın yeni üsullarının tətbiqi sayəsində əksər fermentlərin iki¬kom¬po¬nentli olduğu və zülal hissədən və prostetik qrupdan təşkil olunduğuna dair Vilştetterin fərziyəsi sübut olunmuşdur. Eyni zamanda müəyyən olunmuşdur ki, prostetik qrup qismində bəzi vitaminlərin törəmələri çıxış edir. Beləliklə, əksər vitaminlərin katalik rolu izah olunmuşdur. Bu sahədə 30-cu illərdə Eyler və Varburq məktəbi tərəfindən aparılan işlər xüsusi diqqətə layiqdir ki, onlar bəzi oksidləşdirici-reduksiyaedici fermentlərin tərkib hissəsi qismində nikotinamidnukleotidlərin və riboflavinin iştirak etdiyini göstərmişlər.
Fermentlərin preparativ kimyasının sonrakı inkişafı fer¬ment¬lərin fəaliyyətində pantoten, fol və lipoy turşularının, bioti¬nin, tiaminin və piridoksinin törəmələrinin iştirakını müəyyən etmə¬yə imkan verdi. 1945-ci ildə F.A.Lipman fosfat rabitələrini kimyəvi enerjinin digər formalarına çevrilməsini təmin koenzim A-nı kəşf edib, və 1953-cü ildə “koenzim A-nın kəşvi və meta¬bo¬liz¬min aralıq mərhələlərində onun rolunun aydın¬laş¬dırıl¬ma¬sına” görə, o, fiziologiya və tibb sahəsində Nobel mükafatına layiq görülmüşdür. Fermentlərin ayrılması və təmiz-lən¬məsinin yeni üsullarının tətbiqi sayəsində müəyyən olunmuş¬dur ki, çox¬say¬lı fermentlərin tərkibində onların fəaliy¬yə¬tində mühüm rol oynayan metal ionları mövcuddur.
Müxtəlif nukleotidlərin katalitik funksiyalarının aydınlaş¬dırılması biokimyanın və enzimologiyanın inkişafında böyük rola malik idi. Adenozintrifosfatın, müxtəlif fermentativ reaksiyalarda fosfat qrupların donoru və hüceyrənin həyat fəaliyyətində istifadə olunan enerjinin akkumulyasiyası baş verdiyi əsas birləşmə qismində rolu müəyyən edilmışdir. L.Lelyuarın işləri sayəsində məlum olmuşdur ki, müxtəlif karbohidratların və lipidlərin çevril¬mələrini və sintezini kataliz edən ferment sistemlərin kompo¬nent¬ləri qismində nukleotiddi-fos¬fatlar çıxış edir. Beləliklə, mineral maddələr, nukleotidlər və nuklein turşularının mübadiləsi və ferment¬lərin katalitik funksiya¬ları arasında sıx əlaqənin olması müəyyən olunmuşdur.
İkinci dünya müharibəsindən sonrakı vaxt ərzində fer¬ment¬lərin quruluşunun tədqiqində və hüceyrədə onların biosinte¬zinin molekulyar mexanizmlərinin aydınlaşdırılmasında böyük nailiyyətlər əldə olunmuşdur.
Zülalların amin turşu ardıcıllığının müəyyən olunması üsullarını işləyib hazırlamış və bu üsullar vasitəsilə insulinin quruluşunu müəyyən etmiş ingilis kimyaçısı F.Sengerin klassik tədqiqatları zülallar kimyasının inkişafına və bəzi fermentlərin quruluşunun müəyyən olunmasına səbəb olmuşdur. Bu üsulların tətbiqi sayəsində çoxsaylı zülalların, o cümlədən bir sıra ferment¬lərin, elecə də bəzi sitoxromların zülal komponentlərinin birincili quruluşunun təyini mümkün oldu. Zülalların və ferment¬lərin fəza quruluşlarının öyrənilməsində rentgenstruktur analizin rolu da böyükdür. Zülalların molekulyar quruluşuna dair məlu¬mat¬lar əsasında 1969-cu ildə ilk dəfə olaraq ribonukleaza fer¬men¬tinin kimyəvi sintezi aparılmışdır. Bu da öz növbəsində, kimyəvi sənaye üçün yüksəkeffektivli katalizatorların sintez olunması perspektivini açdı.
Nəhayət, nuklein turşularının fermentativ sintezinin molekulyar mexanizminin və zülalların biosintezi prosesində bu molekulların mühüm rolunun öyrənilməsində də böyük nailiy¬yət¬lər əldə olunmuşdur. Belə ki, M.V.Qrünberq-Manaqo və S.Oçoa ribonuklein turşusunun və onun müxtəilf analoqlarının sintezini kataliz edən polinukleotidfosforilaza fermentini, A.Kornberq əməkdaşları ilə isə, DNT və molekul çəkisi 6106 Da-a bərabər olan DNT-yə bənzər polimerlərin sintezini kataliz edən DNT-polimeraza fermentini kəşf etmişlər. Bu kəşflər tədqiqatların yeni istiqamətdə aparılmasına təkan verdi ki, nəticədə ribonuklein tur-şu¬la¬rının sintezini kataliz edən fermentlər qrupu aşkar olun¬muş¬dur.
Hüceyrəsiz ferment sistemlərində zülal sintezi prosesinin öyrənilməsi zamanı müəyyən tərkibli sintetik polinukleotidlərin tətbiqi nuklein turşularının bu prosesdə rolunu dəqiqləşdirməyə və nuklein turşu tərkibi və sintez olunan zülalın tərkibi arasında sıx əlaqənin mövcudluğunu sübut etməyə imkan verdi. Bu isə, XX əsrdə təbiətşünaslıq sahəsində əldə olunan ən böyük nailiy¬yətlərdən biridir.
Bir sıra tədqiqatçıların, o, cümlədən də F.Sengerin, işləri sayəsində DNT-də nukleotidlər ardıcılığının tam öyrənilməsinə imkan verən üsullar hazırlanmışdır. Nəticədə müxtəlif zülalların biosintezini müəyyən edən genlərin təbiəti aydınlaşdırılmışdır. Bundan başqa, bəzi genləri süni olaraq sintez etmək mümkün oldu ki, onları bakterial hüceyrəyə yeritdikdə insulin və ya inter¬feron kimi çox dəyərlı zülal təbiətli preparatları böyük miqdarda almaq imkanını əldə etmək olar. Bu və digər işlər “gen mühən¬dis¬liyi” adlanan və əsas vəzifəsi genlərin bir orqanizmdən digərinə “köçürülməsindən” ibarət olan yeni elmi istiqamətin inkişafına gətirib çıxartdı.
Son illər ərzində tətbiqi enzimologiya çox sürətlə inkişaf edir. Hal-hazırda fermentlər sənayenin müxtəlif sahələrində, kənd təsərrüfatında, tibbdə olduqca geniş tətbiq olunurlar.
Enzimologiya elminin gələcəyinə gəldikdə isə, bu sahədə aparılan tədqiqatlar, əsasən, aşağıda qeyd olunan istiqamətlərdə həyata keçiriləcəkdir:
1. klassik üzvi kimya və kvant mexanikası qanunlarına müvafiq olaraq, fermentlərin təsirinin molekulyar mexanizminin daha dərin öyrənilməsi və bunun əsasında fermentativ kataliz nəzə¬riy¬yəsinin işlənilməsi;
2. canlı sistemlərin daha yüksək quruluş səviyyələrində (mole¬ku¬¬lüstü, hüceyrəvi) fermentlərin öyrənilməsi. Qeyd etmək lazımdır ki, burada əsas diqqət ayrı-ayrı fermentlərin öyrənil¬mə¬sinə deyil, mürəkkəb ferment komplekslərinin öyrənil¬mə-sinə veriləcəkdir;
3. fermentlərin biosintezi və onların fəallığının tənzimlənməsi mexanizmlərinin öyrənilməsi məqsədilə aparılan tədqiqatlar davam etdiriləcəkdir;
4. nativ fermentlərə oxşar olaraq yüksək spesifikliyə və katalitik fəallığa malik olan, lakin müəyyən maneə törədən antigen xassəsindən məhrum olan sinzimlər adlanan süni kiçik¬mole¬kullu fermentlərin yaradılması sahəsində tədqiqatlar inkişaf edəcəkdir;
5. mühəndis enzimologiya (zülal mühəndisliyi) sahəsində təd¬qi¬qat¬lar aparılacaq, fermentlərin, anticisimlərin və reseptorların xassələrini özündə birləşdirən “hibrid” katalizatorların yara¬dıl¬ması, eləcə də qiymətli maddələrin istehsalını təmin edən ayrı-ayrı fermentlərin və poliferment komplekslərin iştirakı ilə biotexnoloji reaktorların yaradılması həyata keçiriləcəkdir;
6. tibbi enzimologiya sahəsində insan orqanizmində ferment¬lə¬rin sintezinin və fəallığının tənzimlənməsinin pozulması sayə¬sin¬də baş verən irsi və somatik xəstəliklərin molekulyar mexa¬nizmlərinin aydınlaşdırılması məqsədi ilə aparılan tədqi¬qatlar davam etdiriləcəkdir.
