Enzimi

Metabolizam u tijelu može se definirati kao ukupnost svih kemijskih transformacija koje prolaze spojevi koji dolaze izvana. Ove transformacije obuhvataju sve poznate vrste hemijskih reakcija: intermolekularni transfer funkcionalnih grupa, hidrolitičko i nehidrolitičko kidanje hemijskih veza, intramolekulsko preuređenje, novo formiranje hemijskih veza i redoks reakcije. Takve reakcije se odvijaju u tijelu izuzetno velikom brzinom samo u prisustvu katalizatora. Svi biološki katalizatori su supstance proteinske prirode i nazivaju se enzimi (u daljem tekstu F) ili enzimi (E).

Enzimi nisu komponente reakcija, već samo ubrzavaju postizanje ravnoteže povećanjem brzine i direktnih i reverznih transformacija. Do ubrzanja reakcije dolazi zbog smanjenja energije aktivacije - energetske barijere koja odvaja jedno stanje sistema (početno hemijsko jedinjenje) od drugog (proizvod reakcije).

Enzimi ubrzavaju različite reakcije u tijelu. Dakle, prilično jednostavno sa stanovišta tradicionalne hemije, reakcija odvajanja vode od ugljene kiseline sa stvaranjem CO 2 zahteva učešće enzima, jer bez toga se odvija presporo da bi regulisao pH krvi. Zahvaljujući katalitičkom djelovanju enzima u tijelu, postaje moguće izvođenje takvih reakcija koje bi išle stotine i hiljade puta sporije bez katalizatora.

Enzimska svojstva

1. Utjecaj na brzinu kemijske reakcije: enzimi povećavaju brzinu kemijske reakcije, ali se sami ne troše.

Brzina reakcije je promjena koncentracije komponenti reakcije u jedinici vremena. Ako ide u smjeru naprijed, tada je proporcionalno koncentraciji reaktanata; ako ide u suprotnom smjeru, onda je proporcionalno koncentraciji produkta reakcije. Omjer brzina naprijed i obrnuto naziva se konstanta ravnoteže. Enzimi ne mogu promijeniti vrijednosti konstante ravnoteže, ali stanje ravnoteže u prisustvu enzima dolazi brže.

2. Specifičnost djelovanja enzima. U ćelijama organizma odvija se 2-3 hiljade reakcija, od kojih je svaka katalizovana određenim enzimom. Specifičnost djelovanja enzima je sposobnost da se ubrza tok jedne određene reakcije bez utjecaja na brzinu drugih, čak i vrlo sličnih.

razlikovati:

Apsolutno- kada F katalizira samo jednu specifičnu reakciju (arginaza - cijepanje arginina)

Relativno(posebna grupa) - F katalizira određenu klasu reakcija (npr. hidrolitičko cijepanje) ili reakcije koje uključuju određenu klasu supstanci.

Specifičnost enzima je zbog njihove jedinstvene sekvence aminokiselina, koja određuje konformaciju aktivnog centra u interakciji sa komponentama reakcije.

Supstanca čiju hemijsku transformaciju katalizira enzim naziva se podloga (S) .

3. Aktivnost enzima je sposobnost da ubrzaju brzinu reakcije do različitog stepena. Aktivnost se izražava u:

1) Međunarodne jedinice aktivnosti - (IU) količina enzima koji katalizuje konverziju 1 μM supstrata u 1 min.

2) Katalakh (mačka) - količina katalizatora (enzima) sposobnog da pretvori 1 mol supstrata za 1 s.

3) Specifična aktivnost – broj jedinica aktivnosti (bilo koje od gore navedenih) u uzorku za testiranje prema ukupnoj masi proteina u ovom uzorku.

4) Manje često se koristi molarna aktivnost - broj molekula supstrata koje pretvara jedan molekul enzima u minuti.

aktivnost zavisi od temperatura . Ovaj ili onaj enzim pokazuje najveću aktivnost na optimalnoj temperaturi. Za F živog organizma, ova vrijednost je u rasponu od +37,0 - +39,0 °C, ovisno o vrsti životinje. Sa smanjenjem temperature, Brownovo kretanje se usporava, brzina difuzije se smanjuje i, posljedično, usporava se proces formiranja kompleksa između enzima i komponenti reakcije (supstrata). Ako temperatura poraste iznad +40 - +50 °C, molekul enzima, koji je protein, prolazi kroz proces denaturacije. Istovremeno, brzina hemijske reakcije značajno opada (slika 4.3.1.).

Aktivnost enzima takođe zavisi od srednji pH . Za većinu njih postoji određena optimalna pH vrijednost pri kojoj je njihova aktivnost maksimalna. Budući da ćelija sadrži stotine enzima i svaki od njih ima svoje opt pH granice, promjena pH je jedan od važnih faktora u regulaciji enzimske aktivnosti. Dakle, kao rezultat jedne kemijske reakcije uz sudjelovanje određenog enzima, čija pH vrijednost leži u rasponu od 7,0 - 7,2, nastaje proizvod, koji je kiselina. U ovom slučaju, pH vrijednost se pomjera u područje od 5,5 - 6,0. Aktivnost enzima naglo opada, brzina stvaranja proizvoda se usporava, ali se aktivira drugi enzim za koji su ove pH vrijednosti optimalne, a proizvod prve reakcije podvrgava se daljnjoj kemijskoj transformaciji. (Još jedan primjer o pepsinu i tripsinu).

1. promijeniti slobodnu energiju reakcije

2. Inhibirati povratnu reakciju

3. promijeniti konstantu ravnoteže reakcije

4. usmjeriti reakciju duž bajpasa sa nižim energijama aktivacije međureakcija

102. Promjena konformacije molekula enzima može se dogoditi:

2. samo kada se pH promijeni

103. Do promjene stepena jonizacije funkcionalnih grupa enzima dolazi kada:

1. samo kada se temperatura promijeni

2. samo kada se pH promijeni

3. samo kada se oba uslova promene

4. ne javlja se sa bilo kakvim promjenama

104. Hidroliza peptidnih veza nastaje kada:

1. samo kada se temperatura promijeni

2. samo kada se pH promijeni

3. kada se oba uslova promene

4. ne nastaje ni pod kakvim promjenama temperature i pH

105. Povreda slabih veza u molekulu enzima nastaje kada:

2. samo kada se pH promijeni

3. kada se oba uslova promene

4. ne javlja se sa bilo kakvim promjenama

106 Pepsin pokazuje optimalnu aktivnost pri pH vrijednosti od:

1. 1,5-2,5

107. Optimalni pH za rad većine enzima je:

1. pH< 4,0

3. 6,0 < pH < 8,0

108. Odaberite tačne tvrdnje od sljedećeg:

1. svi enzimi pokazuju maksimalnu aktivnost pri pH=7

2. većina enzima pokazuje maksimalnu aktivnost pri pH blizu neutralnog

3. pepsin pokazuje maksimalnu aktivnost pri pH = 1,5-2,5

109. Koristeći Michaelis-Mentenovu jednačinu, možete izračunati:

4. promjena slobodne energije tokom hemijske reakcije

V = V max x [S] / K m + [S]

1. aktivaciona energija hemijske reakcije

2. brzina enzimski katalizirane reakcije

3. energetska barijera hemijske reakcije

111. Odaberite tačne odgovore: Michaelisova konstanta (K m) je:

2. Može imati različita značenja za izoenzime

3. Vrijednost na kojoj su svi molekuli enzima u obliku ES

4. Što je veća njegova vrijednost, veći je afinitet enzima za supstrat

112. Odaberite tačne odgovore: Michaelisova konstanta (K m) je:

1. Parametar kinetike enzimske reakcije

2. Vrijednost na kojoj su svi molekuli enzima u obliku ES

3. Što je veća njegova vrijednost, veći je afinitet enzima za supstrat

4. Koncentracija supstrata pri kojoj se postiže polovina maksimalne reakcije brzine reakcije (V max)

113. Navedite karakteristike strukture i funkcioniranja alosteričnih enzima:

3. pri interakciji sa ligandima uočava se kooperativna promjena u konformaciji podjedinica

4. pri interakciji sa ligandima uočava se kooperativna promjena u konformaciji podjedinica

114. Navedite karakteristike strukture i funkcioniranja alosteričnih enzima:

1. u pravilu su oligomerni proteini

2. po pravilu nisu oligomerni proteini

3. pokazuju regulatorna svojstva tokom disocijacije molekula na protomere

4. pri interakciji sa ligandima uočava se kooperativna promjena u konformaciji podjedinica

Enzimi. Kinetika enzimskih reakcija

Biohemijske reakcije se odvijaju samo uz učešće enzima, odnosno katalizatora koji su po svom sastavu i strukturi proteini. Supstance koje pokazuju katalitičko dejstvo poznate su i iz kursa neorganske hemije i iz kursa organske hemije. Takve supstance, zvane katalizatori, nalaze se u svim klasama supstanci - jednostavnim materijama (i metalima i nemetalima), kiselinama, bazama, oksidima, solima. Katalizatori se posebno široko koriste u organskoj hemiji, jer organske tvari karakterizira relativno niska reaktivnost. Prelazeći na novu fazu hemije - biohemiju, susrećemo se i sa novom klasom katalizatora - enzimima. Pokazalo se da je beskonačna raznolikost strukture proteinskih molekula preduvjet za biosintezu posebnih proteina koji su pogodni kao katalizatori svih biohemijskih procesa koji se odvijaju u prirodi.

Enzimska kataliza ima karakteristične karakteristike svih katalitičkih procesa, ali postoje i fundamentalno važne razlike. Opća pravila uključuju sljedeće:

Enzimi povećavaju brzinu reakcije, ali ne mijenjaju kemijsku ravnotežu;

Enzimi ubrzavaju one reakcije koje se mogu spontano odvijati pod datim uslovima;

Nespontana reakcija, zajedno sa spontanom, također se odvija uz učešće enzima

Brzina enzimske reakcije ovisi o temperaturi i koncentraciji reaktanata (supstrata i enzima).

Specifične karakteristike enzimskih reakcija uključuju sljedeće:

Enzimi se razlikuju po većoj selektivnosti za supstrate od konvencionalnih katalizatora. Često enzim ubrzava samo jednu biohemijsku reakciju ili prilično usku grupu srodnih reakcija;

Enzimi djeluju stereospecifično, ubrzavajući sintezu samo jednog od mogućih prostornih izomera.

Enzimi su aktivni u ograničenom temperaturnom opsegu - ispod temperature denaturacije datog proteina;

Aktivnost enzima zavisi od pH sredine; svaki enzim ima optimalnu pH vrijednost pri kojoj je aktivnost maksimalna.

Mnogi enzimi djeluju samo kada ih aktiviraju koenzimi - molekule niske molekularne težine i joni.

Enzimi se mogu rastvoriti ili ugraditi u ćelijske membrane.

Aktivnost enzima može ovisiti o koncentraciji produkta reakcije.

Enzimi su prisutni u ćelijama u izuzetno niskim koncentracijama. Njihovo određivanje u ekstraktima tkiva ili tečnostima je težak zadatak. Stoga su razvijeni posebni pristupi za određivanje katalitičke aktivnosti enzima. Mjeri se brzina reakcije koja se odvija pod djelovanjem postojećeg enzima. Rezultat se izražava u jedinicama enzimske aktivnosti. Zatim se uspoređuju relativne količine enzima u različitim ekstraktima. Jedinice aktivnosti izražene su u µmol (10–6), nmol (10–9) ili pmol (10–12) utrošenog supstrata ili proizvoda formiranog po jedinici vremena (minuti). Međunarodne jedinice aktivnosti su označene U, nU i pU.

Glavne odredbe teorije brzina kemijskih reakcija primjenjive su na enzimsku katalizu. Da bi se reakcija odvijala, potrebno je da se molekuli enzima (postoje oznake F, E, Enz) i supstrat (S) dovoljno približe (sudare) da formiraju veze. Da bi sudar bio produktivan (aktivan), molekuli moraju imati dovoljno energije da savladaju energetsku barijeru. Kao što znate, ova barijera se zove energija aktivacije. U određenim fazama enzimske reakcije, enzim djeluje kao uobičajeni reaktant, reagirajući u molarnom omjeru od 1:1. Enzimski procesi su često predstavljeni posebnim shemama. Na primjer, reakcija grupnog transfera

A–B+D A–D+B

uz učešće enzima prikazano je na sljedeći način:

A–B Enz A–D

Kao još jedan primjer pisanja sheme enzimske reakcije, uzmimo reakciju izomerizacije

S  iso-S

Uz učešće enzima, reakcija se piše na sljedeći način:

S Enz iso-S

Strelice prikazuju ciklički proces u kojem su uključeni molekuli supstrata S i oslobađaju se molekuli proizvoda, koji se često nazivaju P.

Enzim je složen molekul sastavljen od stotina aminokiselinskih ostataka i hiljada atoma. Samo mala grupa atoma u takvoj molekuli može učestvovati u vezivanju za supstrat. Ova grupa se zove aktivni centar. E. Fisher je predložio model Enz–S interakcije kao korespondencije između ključa i brave. Samo u prisustvu takve korespondencije može doći do transformacije supstrata. Selektivnost djelovanja enzima postaje jasna. Ovaj model nije izgubio na značaju, ali je kasnije predložen model indukovanog uklapanja (Koshland), koji uzima u obzir fleksibilnost molekula enzima. Kada se molekuli enzima i supstrata približe jedni drugima, dolazi do konformacijskih promjena u enzimu, dajući konačnu konfiguraciju reakcionom centru. Molekule slične supstratu također mogu uzrokovati konformacijske promjene u enzimu, ali se pojavljuju razlike u konformacijama pri kojima ne nastaje radni aktivni centar.

Temperaturni efekat

U ograničenom temperaturnom rasponu prije denaturacije proteina, brzina enzimske reakcije se povećava, poštujući uobičajeni zakon izražen Arrheniusovom jednačinom. Mnoge enzimske reakcije karakterizira temperaturni koeficijent brzine Q 10 blizu dva. Ovo odgovara energiji aktivacije E a = 55 kJ/mol na 37.

Kada se približi temperaturi denaturacije proteina, povećanje brzine se usporava, zatim se postiže maksimalna brzina, a zatim počinje nagli pad brzine, jer nestaju molekuli enzima sposobni za katalizu. Temperaturna ovisnost brzine katalitičke reakcije prikazana je na slici 1.

pH zavisnost

Kada se pH promijeni, mijenjaju se ravnoteže prijenosa protona, a shodno tome i naboji na molekulima enzima, a često i na molekulima supstrata. Pri niskim pH vrijednostima, enzim se protonira i dobiva pozitivan naboj. Na visokim nivoima, deprotonira i dobija negativan naboj. Ovo utiče na brzinu enzimskih reakcija. Ako samo jedan od oblika molekula enzima s određenom vrijednošću naboja pokazuje aktivnost, tada njegova koncentracija prolazi kroz maksimum pri određenoj vrijednosti pH M, a aktivnost će se manifestirati unutar pH M 1. Dobijena je zavisnost aktivnosti od pH, prikazana na Sl. 2.

Za svaki enzim postoji optimalna pH vrijednost pri kojoj se ispoljava najveća aktivnost. Kod velikih odstupanja pH od optimalne vrijednosti može doći do denaturacije enzima.

Zavisnost od koncentracije

U matematičkom obliku, ovisnost brzine o koncentraciji predstavljena je kao kinetička jednadžba. Brzina enzimske reakcije ovisi i o koncentraciji supstrata i o koncentraciji enzima, pri čemu su sve ostale jednake (T, pH). Mora se uzeti u obzir da je enzim makromolekularna tvar, a njegova koncentracija je višestruko niža od koncentracije supstrata. Neka otopina sadrži supstrat sa M r = 100 i enzim c M r = 100000. Masene koncentracije oba reaktanata 1 mg/l. Njihove molarne koncentracije će biti:

s(S) = 110 –5 mol/l, s(E) = 110 –8 mol/l

Postoji jedan molekul enzima na 1000 molekula supstrata. Stvarni omjer bi mogao biti mnogo veći. Ovo određuje oblik kinetičkih jednačina u enzimskoj kinetici.

Ispostavilo se da je tipična karakteristika kinetike enzimskih reakcija da je brzina proporcionalna koncentraciji supstrata pri niskoj koncentraciji, a postaje neovisna o koncentraciji pri visokoj koncentraciji. Ovi eksperimentalni rezultati su grafički prikazani zakrivljenom linijom na Sl. 3.

Da bi se objasnila ova zavisnost, predložena je dvostepena shema reakcije. Na početku, reverzibilnom reakcijom, kompleks enzim-supstrat S … E, u kojoj se odvija transformacija molekula supstrata. U drugoj fazi dolazi do prekida veze između promijenjenog molekula supstrata i enzima i pojavljuje se slobodni produkt molekula P. Svaka transformacija karakterizira vlastita konstanta brzine.

k 1 k 2

S + E S .... E  E + P

Za proces s takvim mehanizmom L. Michaelis i Menten su izveli jednačinu za ovisnost brzine o koncentraciji S, koja je nazvana Michaelis-Menten jednačina.

Napišimo kinetičke jednadžbe za formiranje konačnog proizvoda i kompleksa enzim-supstrat:

v =
= k 2 c(SE) (1)

= k 1 c(S) c(E)  k  1 c(SE)  k 2 c(SE) (2)

Ukupna (početna) koncentracija enzima je uvijek mnogo manja od koncentracije supstrata, kao što je gore navedeno. Tokom reakcije, koncentracija slobodnog enzima c(E) se smanjuje zbog formiranja kompleksa

c(E) = c o(E)  c(SE) (3)

U stacionarnom stanju, koncentracija kompleksa ostaje konstantna:

= 0

Iz ovog uslova dobijamo

k 1 c(S) c(E)  k  1 c(SE)  k 2 c(SE) = 0 (4)

Zamjenjujemo izraz (3) u (4)

k 1 c(S)[ c o(E)  c(SE)]  k  1 c(SE)  k 2 c(SE) = 0 (5)

U jednačini (5) otvorite uglaste zagrade i transformirajte je da biste pronašli koncentraciju kompleksa enzim-supstrat SE:

Deljenje brojioca i imenioca sa k 1, dobijamo

(6)

Poziva se izraz koji se sastoji od konstanti u nazivniku jednačine Michaelisova konstantaK M :

(7)

Dobijeni izraz zamjenjujemo u jednadžbi. 1:

(8)

Primljeno Lv. 8 je jedan od oblika pisanja Michaelis-Menten jednačine. Hajde da analiziramo ovu jednačinu. U mnogim enzimskim reakcijama, drugi korak konstanta k 2 je značajno manje od formacijskih konstanti k 1 i raspadanje k–1 kompleks enzim-supstrat. U takvim slučajevima, Michaelisova konstanta je približno jednaka konstanti ravnoteže razlaganja kompleksa na originalne molekule:

Pri visokoj koncentraciji supstrata, kada c(S) K M , konstantan K M može se zanemariti, a zatim c(S) u ur. 8 se smanjuje; dok brzina uzima maksimalnu vrijednost:

v max = k 2 c o(E)(9)

Maksimalna brzina ovisi o koncentraciji enzima i ne ovisi o koncentraciji supstrata. To znači da se reakcija odvija u nultom redu u odnosu na supstrat.

Pri niskim koncentracijama supstrata, kada c(S) K M, reakcija se odvija prvim redom u odnosu na supstrat:

v =

Dakle, kako koncentracija supstrata raste, red reakcije se mijenja od prvog (područje I na slici 4) na nulu (regija III).

1/2v max

Michaelis-Menten jednadžba se može napisati koristeći maksimalnu brzinu:

(10)

Ovaj oblik jednadžbe je pogodan za prikazivanje eksperimentalnih rezultata kada koncentracija enzima nije poznata.

Ako je brzina reakcije polovina maksimalne brzine, onda iz jednadžbe. 10 slijedi da je Michaelisova konstanta jednaka odgovarajućoj koncentraciji supstrata (slika 4):

, gdje K M= c"(S)

Za preciznije određivanje Michaelisove konstante grafičkom metodom, transformacija jednadžbe. 10 kroz recipročne vrijednosti varijabli. Zamijenite brojilac i imenilac u jednadžbi. 10:

ili

Grafički prikaz Michaelis-Menten jednadžbe u recipročnim koordinatama 1/ v – 1/c(S) se naziva Lineweaver-Burk plot (slika 5). Ovo je grafik prave linije koja seče na 1/ v segment jednak recipročnoj vrijednosti maksimalne brzine. Nastavak ravne linije u negativnu oblast sve dok se ne siječe s horizontalnom osom daje segment čija je apsolutna vrijednost 1/ K M. Dakle, iz grafa, inverzne vrijednosti parametara 1/ v max i 1/ K M , a zatim i sami parametri.

Postoje enzimi čije djelovanje nije striktno podložno ur. Michaelis-Menten. Pri visokoj koncentraciji supstrata postiže se maksimalna brzina, ali pri niskoj koncentraciji, dijagram zavisnosti v- S ima takozvani sigmoidni oblik. To znači da se najprije brzina povećava s ubrzanjem (konveksnost krivulje je usmjerena prema dolje, vidi sliku 6), a zatim nakon točke pregiba brzina raste sa usporavanjem i približava se maksimalnoj brzini. Ovo se objašnjava kooperativnim efektom supstrata u prisustvu nekoliko mesta vezivanja u enzimu. Vezivanje jednog S molekula olakšava vezivanje drugog molekula na drugom mjestu.

Enzimi su visokospecijalizirani proteinski katalizatori koji ubrzavaju kemijske reakcije u životinjama i biljkama. Gotovo sve kemijske transformacije u živoj tvari provode se uz pomoć enzima. Možemo reći da su enzimi pokretačka snaga biohemijskih procesa u živim organizmima.

Ovisno o prirodi i namjeni, enzimi se mogu otpustiti u okolinu ili zadržati unutar ćelije. Oni ne gube svoju katalitičku sposobnost ni nakon izlučivanja iz tijela (ali izvan ćelija enzimi samo razgrađuju tvari). To je osnova za njihovu upotrebu u prehrambenoj, lakoj i medicinskoj industriji, poljoprivredi i drugim sektorima nacionalne privrede.

Akademik I.P. Pavlov je napisao: „Enzimi su, da tako kažem, prvi čin vitalne aktivnosti. Sve hemijske procese u organizmu usmeravaju upravo ove supstance, one su uzročnici svih hemijskih transformacija. Sve ove supstance igraju ogromnu ulogu, one određuju procese u kojima se život manifestuje, one su u punom smislu aktivatori života.

Sve enzimske reakcije se odvijaju lako i brzo. Enzimske reakcije koje se kataliziraju u tijelu nisu praćene stvaranjem nusproizvoda, dok organske reakcije koje se provode uz pomoć umjetnih katalizatora uvijek stvaraju barem jedan ili više ovih proizvoda.

U živim organizmima enzimi su u uređenom stanju. U pojedinačnim strukturnim formacijama ćelije, enzimske reakcije se odvijaju po strogo definisanom redosledu. Precizno međusobno usklađeni, pojedinačni ciklusi reakcija osiguravaju vitalnu aktivnost ćelija, organa, tkiva i organizma u cjelini. U određenim dijelovima ćelije odvijaju se strogo definirani biohemijski procesi.

Uz činjenicu da enzimi imaju odlučujuću ulogu u živim organizmima, oni imaju istaknuto mjesto u proizvodnji prehrambenih proizvoda i mnogim drugim industrijama, kao i u poljoprivredi. Proizvodnja etil alkohol, pivo, vino, čaj, hljeb, fermentirano mlijeko i mnogi drugi proizvodi bazirani na djelovanju enzima . Enzimi su uključeni u sazrevanje i prezrelo voce i povrce, sazrevanje i propadanje meso i riba, upornostžitarice, brašno, žitarice i drugi proizvodi .

U nekim slučajevima, prisustvo enzima u preradi proizvoda je nepoželjno. Primjer za to je reakcija enzimskog posmeđivanja voća i povrća kao rezultat djelovanja enzima polifenol oksidaze ili užeglosti masti brašna kao posljedica djelovanja enzima lipaze i lipoksidaze prisutnih u klici zrna.

Trenutno je iz bioloških objekata izolovano oko 3500 enzima, a proučavano je nekoliko stotina enzima. Vjeruje se da živa stanica može sadržavati više od 1000 različitih enzima. Svaki enzim obično katalizira samo jednu vrstu kemijske reakcije. Budući da enzim može ubrzati samo jednu reakciju, ili rijetko grupu reakcija jedne vrste, a da ne utječe na druge, u živim organizmima može se istovremeno dogoditi mnogo različitih reakcija. Iako se reakcije pojedinih enzima odvijaju nezavisno jedna od druge, ipak su najčešće međusobno povezane složenim slijedom formiranja međuprodukata. U ovom slučaju, proizvod jedne reakcije može poslužiti kao supstrat ili reagens za drugu. Stoga se u istoj ćeliji istovremeno odvijaju stotine i hiljade enzimskih reakcija koje se odvijaju određenim redoslijedom i u takvim količinama koje osiguravaju normalno stanje ćelije.

Svaki živi organizam kontinuirano sintetizira enzime. U procesu rasta tijela povećava se i broj potrebnih enzima. Nesrazmjerno povećanje ili smanjenje broja enzima moglo bi dovesti do kršenja prirode metabolizma koji se razvio u tijelu.

U živoj ćeliji enzimi se mogu sintetizirati u različitim strukturnim formacijama - jezgri, citoplazmi, hloroplastima, mitohondrijima, citoplazmatskoj membrani itd.

kao biološki katalizatori enzimi, biće u malim količinama, sposoban za transformaciju ogromne količine supstrata na koji djeluju. Tako enzim pljuvačke amilaza pokazuje primjetnu katalitičku aktivnost u razrjeđenju od 1: 1 000 000, a enzim peroksidaze je aktivan u razrjeđenju 1: 5 000 000. Jedan molekul katalaze razgrađuje 5 miliona molekula vodikovog peroksida u jednoj minuti.

Katalitička aktivnost enzima je višestruko veća od aktivnosti neorganskih katalizatora.. Tako se hidroliza proteina do aminokiselina u prisustvu anorganskih katalizatora na temperaturi od 100 °C i više odvija za nekoliko desetina sati. Ista hidroliza uz učešće specifičnih enzima završava se za manje od sat vremena i odvija se na temperaturi od 30-40 °C. Potpuna hidroliza škroba kiselinom odvija se za nekoliko sati, dok enzimska hidroliza na sobnoj temperaturi traje nekoliko minuta. Poznato je da ioni željeza katalitički ubrzavaju cijepanje vodikovog peroksida na vodik i kisik. Ali atomi željeza koji čine enzim katalaze djeluju na vodikov peroksid 10 milijardi puta energičnije od običnog željeza: 1 mg željeza u enzimu može zamijeniti 10 tona neorganskog željeza tijekom katalitičkog razlaganja vodikovog peroksida.

Važna karakteristika enzima je specifičnost njihovog djelovanja . Specifičnost enzima je mnogo veća od specifičnosti neorganskih katalizatora. Ponekad male promjene u kemijskoj strukturi tvari isključuju manifestaciju djelovanja određenog enzima na tu tvar. Specifičnost djelovanja enzima očituje se iu slučajevima kada se tvar razlikuje po hemijskoj strukturi. Dakle, enzimi koji ubrzavaju hidrolizu proteina nemaju nikakvog utjecaja na hidrolizu škroba, i obrnuto.

Enzimi se razlikuju po specifičnosti. Neki enzimi kataliziraju samo jednu reakciju, dok drugi kataliziraju veliki broj reakcija. Dakle, enzim glikooksidaza katalizira oksidaciju glukoze, a tripsin hidrolizira specifične peptidne veze u proteinima i eterima aminokiselina.

Specifičnost djelovanja enzima ponekad dovodi do činjenice da na organsko jedinjenje utječe ne jedan, već dva enzima.

grupna specifičnost predstavljaju sve enzime, odnosno katalizuju samo posebnu vrstu reakcije, kao što je oksidacija monosaharida ili hidroliza oligosaharida.

Enzimi, kao specifični katalizatori, ubrzava i prednju i obrnutu reakciju , odnosno hidroliza i sinteza tvari na koju djeluju. Smjer ovog procesa ovisi o koncentraciji početnih i konačnih proizvoda i uvjetima pod kojima se reakcija odvija. Istovremeno, dokazano je da se većina sinteza u živoj ćeliji odvija pod djelovanjem drugih enzima osim onih koji kataliziraju cijepanje jednog ili drugog spoja.

Hemijska priroda enzima

Enzimi se dijele u dvije velike klase - jednokomponentni, sastoji se samo od proteina i dvokomponentni, sastoji se od proteinskog i neproteinskog dijela tzv protetski grupa. Enzimski proteini mogu biti jednostavni (proteini) ili složeni (proteini). Aktivna protetička grupa (aktivno mjesto) enzima se naziva agonija , A proteinski nosač – feron . Protetička grupa u sastavu enzima zauzima do oko 1% njegove mase.

Jačina veze između prostetske grupe (agona) i ferona nije ista za različite enzime. Sa slabom vezom, enzim se disocira na proteinski i protetski dio, koji se tzv koenzim . Svaka od rezultirajućih grupa pokazuje katalitičku aktivnost. Ulogu koenzima ima većina vitamina - C, B 1, B 2, B 6, B 12, H, E, K itd., kao i nukleotidi, RNK, sulfhidrilne grupe, glutation, atomi gvožđa, bakra , magnezijum, itd. Mnogi enzimi imaju visok katalitički kapacitet samo ako se enzim ne razgrađuje u feron i agon.

TO jednokomponentni uključuju mnoge enzime koji razgrađuju proteine ​​ili ugljikohidrate (pepsin, tripsin, papin, amilaza).

Tipično dvokomponentni enzim je α-karboksilaza, koja katalizira razgradnju pirogrožđane kiseline na ugljični dioksid i acetaldehid:

α-karboksilaze

CH3COCOOH ----→CH3CHO + CO 2 .

Hemijska priroda α-karboksilaze je potpuno utvrđena; aktivna grupa ovog enzima sadrži vitamin B 1 .

Često koenzimi djeluju kao intermedijeri u enzimskim reakcijama uključenim u prijenos vodonika. To uključuje nikotinamid adenin dinukleotid (NAD), glutation, L-askorbinsku kiselinu, kinone i citokrome. Drugi koenzimi djeluju kao nosači ili prenosioci fosfatnih, aminskih i metilnih grupa.

Molekularna težina enzimi uvelike variraju. od nekoliko hiljada do milion , ali većina enzima ima visoke molekularne težine .

Mnogi enzimi sadrže metale koji učestvuju u katalitičkoj akciji. dakle, gvožđe dio je prostetske grupe enzima katalaze i peroksidaze, kao i citokrom oksidaze koja je uključena u procese disanja. Bakar dio je oksidativnih enzima polifenol oksidaze i askorbat oksidaze, koji igraju važnu ulogu u metabolizmu biljaka.

U svom čistom obliku, svi enzimi su kristali..

Katalitičke reakcije se odvijaju na površini molekula enzima. Enzim-protein tvori disperziranu fazu na čijoj površini dolazi do reakcija između tvari otopljenih u disperzijskom mediju. Površina molekula enzima-proteina je heterogena; na površini molekule nalaze se različite hemijski aktivne grupe koje lako vežu druga jedinjenja.

Svojstva enzima su dužna Prvo prisustvo posebno aktivnih centara na površini proteinske molekule - radikali aminokiselina ili posebne hemijske grupe čvrsto vezane za protein. Aktivni centar je onaj dio enzima koji se spaja sa supstancom (supstratom) u procesu katalitičkog djelovanja. .

Enzimi, kompleks enzim-supstrat i energija aktivacije

Najvažnija funkcija proteina je katalitička, obavlja je određena klasa proteina - enzimi. U tijelu je identificirano više od 2000 enzima. Enzimi su biološki katalizatori proteinske prirode koji značajno ubrzavaju biohemijske reakcije. Dakle, enzimska reakcija se odvija 100-1000 puta brže nego bez enzima. Oni se po mnogim svojstvima razlikuju od katalizatora koji se koriste u hemiji. Enzimi ubrzavaju reakcije u normalnim uslovima, za razliku od hemijskih katalizatora.

Kod ljudi i životinja složeni slijed reakcija odvija se u nekoliko sekundi, što zahtijeva dugo vremena (dani, sedmice ili čak mjeseci) uz korištenje konvencionalnih kemijskih katalizatora. Za razliku od reakcija bez enzima, u enzimskim reakcijama ne nastaju nusproizvodi (prinos konačnog proizvoda je skoro 100%). U procesu transformacije enzimi se ne uništavaju, pa je mala količina njih u stanju katalizirati kemijske reakcije velikog broja tvari. Svi enzimi su proteini i imaju svoja karakteristična svojstva (osetljivost na promene pH sredine, denaturaciju na visokim temperaturama itd.).

Enzimi se hemijski klasifikuju na jednokomponentni (jednostavno) I dvokomponentni (složen) .

Jednokomponentni (jednostavno)

Jednokomponentni enzimi se sastoje samo od proteina. Jednostavni uglavnom uključuju enzime koji provode reakcije hidrolize (pepsin, tripsin, amilaza, papain, itd.).

Dvokomponentni (kompleks)

Za razliku od jednostavnih enzima, složeni enzimi sadrže neproteinski dio - komponentu niske molekularne težine. Proteinski dio se zove apoenzim (nosač enzima), neproteinski - koenzim (aktivna ili protetska grupa). Neproteinski dio enzima može biti predstavljen ili organskim tvarima (na primjer, derivati ​​vitamina, NAD, NADP, uridin, citidil nukleotidi, flavini), ili neorganskim (na primjer, atomi metala - željezo, magnezij, kobalt, bakar , cink, molibden itd.).

Organizmi ne mogu sintetizirati sve potrebne koenzime i stoga se moraju snabdjeti hranom. Nedostatak vitamina u hrani ljudi i životinja uzrokuje gubitak ili smanjenje aktivnosti onih enzima u koje su uključeni. Za razliku od proteinskog dijela, organski i neorganski koenzimi su veoma otporni na nepovoljne uslove (visoke ili niske temperature, zračenje itd.) i mogu se odvojiti od apoenzima.

Enzimi se odlikuju visokom specifičnošću: oni mogu pretvoriti samo odgovarajuće supstrate i katalizirati samo određene reakcije istog tipa. On određuje njenu proteinsku komponentu, ali ne njenu celu molekulu, već samo njen mali deo - aktivni centar . Njegova struktura odgovara hemijskoj strukturi supstanci koje reaguju. Enzime karakterizira prostorna korespondencija između supstrata i aktivnog centra. Sklapaju se kao ključ od brave. U jednoj molekuli enzima može biti nekoliko aktivnih centara. Aktivni centar, odnosno spoj sa drugim molekulima, nije samo u enzimima, već iu nekim drugim proteinima (hem u aktivnim centrima mioglobina i hemoglobina). Enzimske reakcije se odvijaju u obliku uzastopnih faza - od nekoliko do desetina.

Aktivnost kompleksnih enzima se manifestuje samo kada se proteinski deo kombinuje sa neproteinskim delom. Takođe, njihova aktivnost se manifestuje samo pod određenim uslovima: temperatura, pritisak, pH sredine itd. Enzimi različitih organizama su najaktivniji na temperaturi na koju su ta stvorenja prilagođena.

Kompleks enzim-supstrat

Formiraju se veze supstrat-enzim enzim-supstrat kompleks.

Istovremeno, mijenja ne samo svoju konformaciju, već i konformaciju supstrata. Enzimske reakcije mogu biti inhibirane vlastitim produktima reakcije - akumulacijom produkata brzina reakcije se smanjuje. Ako ima malo proizvoda reakcije, tada se enzim aktivira.

Supstance koje prodiru u područje aktivnog centra i blokiraju katalitičke grupe enzima nazivaju se inhibitori (od lat. inhibere- obuzdati, zaustaviti). Aktivnost enzima smanjuju joni teških metala (olovo, živa, itd.).

Enzimi smanjuju energiju aktivacije, odnosno nivo energije koji je potreban za reaktivnost molekula.

Energija aktivacije

Energija aktivacije - ovo je energija koja se troši na razbijanje određene veze za hemijsku interakciju dva jedinjenja. Enzimi imaju specifičnu lokaciju u ćeliji i tijelu u cjelini. U ćeliji se enzimi nalaze u određenim dijelovima ćelije. Mnogi od njih su povezani sa ćelijskim membranama ili pojedinačnim organelama: mitohondrijama, plastidima itd.

Biosintezu enzima organizmi su u stanju da regulišu. Ovo omogućava održavanje njihovog relativno konstantnog sastava pod značajnim promjenama uslova okoline i djelimično modificiranje enzima kao odgovor na takve promjene. Djelovanje različitih biološki aktivnih supstanci - hormona, lijekova, stimulansa rasta biljaka, otrova itd. - je da mogu stimulirati ili potisnuti jedan ili drugi enzimski proces.

Neki enzimi su uključeni u aktivni transport tvari kroz membrane.

Sufiks za nazive većine enzima je -az-. Dodaje se imenu supstrata s kojim enzim stupa u interakciju. Na primjer, hidrolaze - kataliziraju reakcije cijepanja kompleksnih spojeva na monomere zbog dodavanja molekula vode na mjestu prekida kemijske veze u molekulima proteina, polisaharida, masti; oksidoreduktaza - ubrzavaju redoks reakcije (transfer elektrona ili protona); izomeraza- doprinose unutrašnjem molekularnom preuređenju (izomerizaciji), transformaciji izomera itd.