Gotovo sve biohemijske reakcije su enzimske. Enzimi(biokatalizatori) su supstance proteinske prirode koje se aktiviraju metalnim kationima. Poznato je oko 2000 različitih enzima, a izolovano ih je oko 150, od kojih se neki koriste kao lijekovi. Tripsin i kimotripsin se koriste za liječenje bronhitisa i upale pluća; pepsin - za liječenje gastritisa; plazmin - za liječenje srčanog udara; pankreatin - za liječenje pankreasa. Enzimi se razlikuju od konvencionalnih katalizatora po (a) većoj katalitičkoj aktivnosti; (b) visoka specifičnost, tj. selektivno djelovanje.
Mehanizam enzimske reakcije sa jednim supstratom može se predstaviti shemom:
gdje je E enzim,
S - podloga,
ES - kompleks enzim-supstrat,
R je proizvod reakcije.
Karakteristika prve faze enzimske reakcije je Michaelisova konstanta (K M). K M je recipročna konstanta ravnoteže:
Michaelisova konstanta (KM) karakterizira stabilnost kompleksa enzim-supstrat (ES). Što je Michaelisova konstanta (KM) manja, kompleks je stabilniji.
Brzina enzimske reakcije jednaka je brzini njenog koraka ograničavanja brzine:
gdje je k 2 konstanta brzine, tzv broj obrtaja ili molekularna aktivnost enzima.
molekularna aktivnost enzima(k 2) jednak je broju molekula supstrata koji prolaze kroz transformaciju pod uticajem jednog molekula enzima u 1 minuti na 25 0 C. Ova konstanta poprima vrijednosti u rasponu: 1 10 4< k 2 < 6·10 6 мин‾ 1 .
Za ureazu, koja ubrzava hidrolizu uree, k 2 = 1,85∙10 6 min‾ 1; za adenozin trifosfatazu, koja ubrzava hidrolizu ATP-a, k 2 = 6,24∙10 6 min‾ 1; za katalazu, koja ubrzava razgradnju H 2 O 2, k 2 = 5∙10 6 min‾ 1.
Međutim, kinetičku jednadžbu enzimske reakcije u gore navedenom obliku praktično je nemoguće koristiti zbog nemogućnosti eksperimentalnog određivanja koncentracije kompleksa enzim-supstrat (). Izražavajući u drugim veličinama, koje se lako eksperimentalno određuju, dobijamo kinetičku jednadžbu enzimskih reakcija, pozvao Michaelis-Menten jednadžba (1913):
,
gdje je proizvod k 2 [E]tot vrijednost konstante koja se označava sa (maksimalna brzina).
odnosno: 
Razmotrimo posebne slučajeve Michaelis-Menten jednačine.
1) Pri niskoj koncentraciji supstrata, K M >> [S], dakle
što odgovara kinetičkoj jednadžbi reakcije prvog reda.
2) Pri visokoj koncentraciji supstrata K m<< [S], поэтому
što odgovara kinetičkoj jednadžbi reakcije nultog reda.
Dakle, pri niskoj koncentraciji supstrata, brzina enzimske reakcije raste sa povećanjem sadržaja supstrata u sistemu, a pri visokoj koncentraciji supstrata kinetička kriva dostiže plato (brzina reakcije ne zavisi od koncentracije supstrata) ( Slika 30).
Slika 30. - Kinetička kriva enzimske reakcije
Ako je [S] = K M, onda
što vam omogućava da grafički odredite Michaelisovu konstantu K m (slika 31).
Slika 31. - Grafička definicija Michaelisove konstante
Na aktivnost enzima utiču: (a) temperatura, (b) kiselost medijuma, (c) prisustvo inhibitora. Utjecaj temperature na brzinu enzimske reakcije razmatra se u poglavlju 9.3.
Uticaj kiselosti medijuma na brzinu enzimske reakcije prikazan je na slici 32. Maksimalna aktivnost enzima odgovara optimalnoj vrednosti pH vrednosti (pH opt).
Slika 32. - Uticaj kiselosti rastvora na aktivnost enzima
Za većinu enzima optimalne pH vrijednosti poklapaju se sa fiziološkim vrijednostima (7,3 - 7,4). Međutim, postoje enzimi kojima je potrebna jako kisela (pepsin - 1,5-2,5) ili prilično alkalna sredina (arginaza - 9,5 - 9,9) za normalno funkcioniranje.
Inhibitori enzima- To su tvari koje zauzimaju dio aktivnih centara molekula enzima, uslijed čega se smanjuje brzina enzimske reakcije. Kationi teških metala, organske kiseline i drugi spojevi djeluju kao inhibitori.
Predavanje 11
Struktura atoma
Postoje dvije definicije pojma "atom". Atom je najmanja čestica hemijskog elementa koja zadržava svoja hemijska svojstva.
Atom je električno neutralan mikrosistem koji se sastoji od pozitivno nabijenog jezgra i negativno nabijene elektronske ljuske.
Doktrina atoma je prešla dug put razvoja. Glavne faze u razvoju atomistike uključuju:
1) prirodno-filozofska faza - period formiranja koncepta atomske strukture materije, koji nije potvrđen eksperimentom (5. vek pne - 16. vek nove ere);
2) faza formiranja hipoteze o atomu kao najmanjoj čestici hemijskog elementa (XVIII-XIX vek);
3) faza stvaranja fizičkih modela koji odražavaju složenost strukture atoma i omogućavaju opisivanje njegovih svojstava (početak 20. stoljeća)
4) moderna faza atomistike naziva se kvantnomehanička. Kvantna mehanika je grana fizike koja proučava kretanje elementarnih čestica.
PLAN
11.1. Struktura jezgra. Izotopi.
11.2. Kvantno-mehanički model elektronske ljuske atoma.
11.3. Fizičke i hemijske karakteristike atoma.
Struktura jezgra. izotopi
atomsko jezgro- Ovo je pozitivno nabijena čestica, koja se sastoji od protona, neutrona i nekih drugih elementarnih čestica.
Općenito je prihvaćeno da su glavne elementarne čestice jezgra protoni i neutroni. proton (p) - to je elementarna čestica čija je relativna atomska masa 1 amu i čiji je relativni naboj +1. Neutron (n) - to je elementarna čestica koja nema električni naboj, čija je masa jednaka masi protona.
Jezgro sadrži 99,95% mase atoma. Posebne nuklearne sile ekstenzije djeluju između elementarnih čestica, znatno premašujući sile elektrostatičkog odbijanja.
Osnovna karakteristika atoma je naplatiti njegov jezgra, jednak broju protona i koji se poklapa sa serijskim brojem elementa u periodičnom sistemu hemijskih elemenata. Zbirka (vrsta) atoma sa istim nuklearnim nabojem naziva se hemijski element. U prirodi se nalaze elementi s brojevima od 1 do 92.
izotopi- To su atomi istog hemijskog elementa koji sadrže isti broj protona i različit broj neutrona u jezgru.
gdje je maseni broj (A) masa jezgra, z je naboj jezgra.
Svaki hemijski element je mešavina izotopa. U pravilu se naziv izotopa poklapa s imenom kemijskog elementa. Međutim, uvedeni su posebni nazivi za izotope vodika. Hemijski element vodonik predstavljen je sa tri izotopa:
Broj p Broj n
Protium H 1 0
Deuterijum D 1 1
Tricijum T 1 2
Izotopi hemijskog elementa mogu biti ili stabilni ili radioaktivni. Radioaktivni izotopi sadrže jezgre koje se spontano kolabiraju oslobađanjem čestica i energije. Stabilnost jezgra određena je odnosom neutrona i protona.
Ulazeći u organizam, radionuklidi remete tok najvažnijih biohemijskih procesa, smanjuju imunitet, osuđuju organizam na bolesti. Tijelo se štiti od djelovanja zračenja tako što selektivno apsorbira elemente iz okoline. Stabilni izotopi imaju prednost nad radioaktivnim izotopima. Drugim riječima, stabilni izotopi blokiraju nakupljanje radioaktivnih izotopa u živim organizmima (Tabela 8).
Knjiga S. Shannon-a "Prehrana u atomsko doba" daje sljedeće podatke. Ako se blokirajuća doza stabilnog izotopa joda, jednaka ~100 mg, uzme najkasnije 2 sata nakon što I-131 uđe u tijelo, tada će se apsorpcija radiojoda u štitnoj žlijezdi smanjiti za 90%.
Radioizotopi se koriste u medicini
za dijagnozu određenih bolesti,
za liječenje svih oblika raka,
za patofiziološke studije.
Tabela 8 - Efekat blokiranja stabilnih izotopa
Enzimska kinetika proučava brzinu reakcija koje kataliziraju enzimi u zavisnosti od različitih uslova (koncentracija, temperatura, pH, itd.) njihove interakcije sa supstratom.
Međutim, enzimi su proteini koji su osjetljivi na utjecaje različitih vanjskih utjecaja. Stoga se pri proučavanju brzine enzimskih reakcija uglavnom uzimaju u obzir koncentracije reaktanata, a uticaj temperature, pH sredine, aktivatora, inhibitora i drugih faktora nastoji se minimizirati i stvoriti standardni uslovi. Prvo, ovo je optimalna pH vrijednost medija za ovaj enzim. Drugo, preporučuje se održavanje temperature na 25°C, gdje je to moguće. Treće, postiže se potpuna zasićenost enzima supstratom. Ova tačka je posebno važna, jer pri niskoj koncentraciji supstrata ne učestvuju svi molekuli enzima u reakciji (slika 6.5, A), što znači da će rezultat biti daleko od maksimalnog mogućeg. Najveća snaga katalizirane reakcije, pod jednakim uvjetima, postiže se ako svaki molekul enzima učestvuje u transformaciji, tj. pri visokoj koncentraciji kompleksa enzim-supstrat (slika 6.5, V). Ako koncentracija supstrata ne osigurava potpunu zasićenost enzima (slika 6.5, b), tada brzina reakcije koja se odvija ne dostiže maksimalnu vrijednost.
Rice. 65.
A - pri niskoj koncentraciji supstrata; 6 - s nedovoljnom koncentracijom supstrata; V - kada je enzim potpuno zasićen supstratom
Brzina enzimske reakcije, mjerena pod gore navedenim uvjetima, i potpuna zasićenost enzima supstratom naziva se maksimalna brzina enzimske reakcije (V).
Brzina enzimske reakcije, određena kada enzim nije potpuno zasićen supstratom, označava se v.
Enzimska kataliza se može pojednostavljeno opisati shemom
gdje je F enzim; S - podloga; FS - kompleks enzim-supstrat.
Svaka faza ovog procesa karakterizira određena brzina. Jedinica za mjerenje brzine enzimske reakcije je broj molova supstrata pretvorenih u jedinicu vremena(kao stopa normalne reakcije).
Interakcija enzima sa supstratom dovodi do stvaranja kompleksa enzim-supstrat, ali je taj proces reverzibilan. Brzine direktne i reverzne reakcije zavise od koncentracija reaktanata i opisane su odgovarajućim jednadžbama:
Jednačina (6.3) vrijedi u ravnoteži, budući da su brzine naprijed i obrnute reakcije jednake.
Zamjenom brzina direktne (6.1) i reverzne (6.2) reakcije u jednačinu (6.3), dobijamo jednakost:
Stanje ravnoteže karakteriše odgovarajuća konstanta ravnoteže K p, jednak omjeru konstanti direktne i reverzne reakcije (6.5). Recipročna vrijednost konstante ravnoteže se naziva konstanta supstrata K s , ili konstanta disocijacije kompleksa enzim-supstrat:
Iz jednačine (6.6) jasno je da konstanta supstrata opada pri visokoj koncentraciji kompleksa enzim-supstrat, tj. sa velikom stabilnošću. Dakle, konstanta supstrata karakteriše afinitet enzima i supstrata i odnos konstanti brzine za formiranje i disocijaciju kompleksa enzim-supstrat.
Fenomen zasićenja enzima supstratom proučavali su Leonor Michaelis i Maud Mepten. Na osnovu matematičke obrade rezultata izveli su jednačinu (6.7) koja je dobila nazive, iz kojih je jasno da pri visokoj koncentraciji supstrata i niskoj vrijednosti konstante supstrata brzina enzimske reakcije teži do maksimuma. Međutim, ova jednadžba je ograničena jer ne uzima u obzir sve parametre:
Kompleks enzim-supstrat tokom reakcije može se transformisati u različitim smjerovima:
- disocirati u originalne supstance;
- biti pretvoren u proizvod iz kojeg se enzim odvaja nepromijenjen.
Stoga, da bi se opisao ukupni efekat enzimskog procesa, koncept Michaelisove konstante K t, koji izražava odnos konstanti brzine sve tri reakcije enzimske katalize (6.8). Ako se oba člana podijele sa konstantom brzine reakcije formiranja kompleksa enzim-supstrat, tada će se dobiti izraz (6.9):
Važan zaključak slijedi iz jednačine (6.9): Michaelisova konstanta je uvijek veća od konstante supstrata za k 2 /kv
Brojčano K t jednaka je takvoj koncentraciji supstrata pri kojoj je brzina reakcije polovina najveće moguće brzine i odgovara takvoj zasićenosti enzima supstratom, kao na sl. 6.5, b. Budući da u praksi nije uvijek moguće postići potpunu zasićenost enzima supstratom, jeste K t koristi se za poređenje kinetičkih karakteristika enzima.
Brzina enzimske reakcije u slučaju nepotpune zasićenosti enzima supstratom (6.10) ovisi o koncentraciji kompleksa enzim-supstrat. Koeficijent proporcionalnosti je reakcijska konstanta za oslobađanje enzima i produkta, jer se time mijenja koncentracija kompleksa enzim-supstrat:
Nakon transformacija, uzimajući u obzir gore prikazane zavisnosti, brzina enzimske reakcije u slučaju nepotpune zasićenosti enzima supstratom opisuje se jednadžbom (6.11), tj. zavisi od koncentracije enzima, supstrata i njihovog afiniteta Ks:
Grafička zavisnost brzine enzimske reakcije od koncentracije supstrata nije linearna. Kao što je očigledno iz Sl. 6.6, s povećanjem koncentracije supstrata, uočava se povećanje aktivnosti enzima. Međutim, kada se postigne maksimalna zasićenost enzima supstratom, brzina enzimske reakcije postaje maksimalna. Stoga je faktor koji ograničava brzinu reakcije formiranje kompleksa enzim-supstrat.
Praksa je pokazala da se koncentracije supstrata, u pravilu, izražavaju u vrijednostima znatno manjim od jedinice (10 6 -10 3 mol). Prilično je teško raditi sa takvim količinama u proračunima. Stoga su G. Lineweaver i D. Burke predložili da se grafička ovisnost brzine enzimske reakcije izrazi ne direktnim, već obrnutim koordinatama. Polazili su od pretpostavke da su za jednake vrijednosti i njihove recipročne vrijednosti jednake:
Rice. 6.6.
Nakon transformacije izraza (6.13) dobija se izraz tzv Lineweaver-Burk jednadžba (6.14):
Grafička zavisnost Lineweaver-Burk jednadžbe je linearna (slika 6.7). Kinetičke karakteristike enzima određuju se na sljedeći način:
- odsječeni segment na y-osi je jednak 1/V;
- odsječeni segment na x-osi je -1 /K t.
Rice. 6.7.
Vjeruje se da metoda Lineweaver - Burke omogućava preciznije određivanje maksimalne brzine reakcije nego u direktnim koordinatama. Iz ovog grafikona mogu se izvući i vrijedne informacije o inhibiciji enzima.
Postoje i drugi načini da se transformiše Michaelis-Menten jednačina. Grafičke zavisnosti se koriste u proučavanju uticaja različitih spoljašnjih uticaja na enzimski proces.
Ovaj dio enzimologije proučava utjecaj različitih faktora na brzinu enzimske reakcije. Uzimajući u obzir opštu jednadžbu enzimske katalize reverzibilne reakcije transformacije jednog supstrata u jedan proizvod (1),
treba navesti glavne faktore koji utiču na brzinu enzimske reakcije: koncentracija supstrata [S], koncentracija enzima [E] i koncentracija produkta reakcije [P].
Interakcija nekih enzima sa njihovim supstratom može se opisati hiperboličkom krivuljom zavisnosti brzine enzimske reakcije V od koncentracije supstrata [S] (Sl. 19):
Slika 19. Zavisnost brzine enzimske reakcije od koncentracije supstrata.
Na ovoj krivulji mogu se razlikovati tri segmenta, što se može objasniti pozicijama mehanizma interakcije enzima sa supstratom: OA je segment direktno proporcionalne zavisnosti V od [S], aktivnih mesta enzima postupno se pune molekulama supstrata uz formiranje nestabilnog kompleksa ES; sekcija AB - krivolinijska zavisnost V od [S], još nije postignuta potpuna zasićenost aktivnih centara enzima molekulima supstrata. ES kompleks prije dostizanja prelaznog stanja je nestabilan, vjerovatnoća povratne disocijacije na E i S je i dalje velika; sekcija BC - zavisnost je opisana jednačinom nultog reda, presek je paralelan sa [S] osom, postiže se potpuna zasićenost aktivnih enzima molekulima supstrata, V=V max.
Karakterističan oblik krivulje je matematički opisan Briggs-Haldaneovom jednadžbom:
V=V max ● [S]/ Km + [S] (2),
gdje je Km Michaelis-Menten konstanta, numerički jednaka koncentraciji supstrata pri kojoj je brzina enzimske reakcije jednaka polovini V max.
Što je niži Km enzima, to je veći afinitet enzima za supstrat, brže se postiže prijelazno stanje za supstrat i pretvara se u produkt reakcije. Potraga za Km vrijednostima za svaki od supstrata enzima sa grupnom specifičnošću je važna u određivanju biološke uloge ovog enzima u ćeliji.
Za većinu enzima je nemoguće konstruisati hiperboličku krivu (slika 19.) U ovom slučaju se koristi dvostruka recipročna metoda (Lineweaver-Burk), tj. grafička je zavisnost 1/[V] od 1/[S] (slika 20). Metoda konstruisanja ovakvih krivulja u eksperimentu je veoma pogodna za proučavanje uticaja različitih tipova inhibitora na aktivnost enzima (videti tekst ispod).
Fig.20. Grafikon 1/[V] naspram 1/[S] (Lineweaver-Burk metoda),
gdje je y granična površina - , a x - granična površina - 
, tangenta ugla α - .
Ovisnost brzine enzimske reakcije V o koncentraciji enzima [E].
Ova grafička zavisnost (slika 21) razmatra se pri optimalnoj temperaturi i pH okoline, pri koncentracijama supstrata koje su značajno veće od koncentracije zasićenja aktivnih mesta enzima.
Rice. 21. Utjecaj koncentracije enzima na brzinu enzimske reakcije.
Ovisnost brzine enzimske reakcije o koncentraciji kofaktora ili koenzima. Za složene enzime, treba imati na umu da nedostatak koenzimskih oblika vitamina u hipovitaminozi, kršenje unosa metalnih iona u tijelo nužno dovodi do smanjenja koncentracije odgovarajućih enzima neophodnih za tijek metaboličkog procesa. procesi. Stoga treba zaključiti da je aktivnost enzima direktno ovisna o koncentraciji kofaktora ili koenzima.
Utjecaj koncentracije produkata na brzinu enzimske reakcije. Za reverzibilne reakcije koje se dešavaju u ljudskom tijelu, mora se uzeti u obzir da proizvode direktne reakcije enzim može koristiti kao supstrate za reverznu reakciju. Dakle, smjer strujanja i trenutak postizanja Vmax ovise o odnosu koncentracija početnih supstrata i produkta reakcije. Na primjer, aktivnost alanin aminotransferaze, koja katalizira transformaciju:
Alanin + Alfa-ketoglutarat ↔ Piruvat + Glutamat
zavisi u ćeliji od omjera koncentracija:
[alanin + alfa-ketoglutarat] / [piruvat + glutamat].
MEHANIZAM DELOVANJA ENZIMA. TEORIJE ENZIMATIVNE KATALIZE
Enzimi, poput neproteinskih katalizatora, povećavaju brzinu kemijske reakcije zbog svoje sposobnosti da smanje energiju aktivacije te reakcije. Energija aktivacije enzimske reakcije izračunava se kao razlika između vrijednosti energije u sistemu tekuće reakcije koja je dostigla prelazno stanje i energije određene na početku reakcije (vidi grafičku zavisnost na slici 22).
Rice. 22. Grafička zavisnost energetskog stanja hemijske reakcije bez enzima (1) i u prisustvu enzima (2) o vremenu reakcije.
Radovi V. Henryja i, posebno, L. Michaelisa, M. Mentena o proučavanju mehanizma monosupstratnih reverzibilnih enzimskih reakcija omogućili su da se pretpostavi da se enzim E prvo reverzibilno i relativno brzo spaja sa svojim supstratom S kako bi nastao kompleks enzim-supstrat (ES):
E+S<=>ES (1)
Do stvaranja ES dolazi zbog vodikovih veza, elektrostatičkih, hidrofobnih interakcija, u nekim slučajevima kovalentnih, koordinacijskih veza između bočnih radikala aminokiselinskih ostataka aktivnog centra i funkcionalnih grupa supstrata. Kod kompleksnih enzima, neproteinski dio strukture također može obavljati funkciju kontakta sa supstratom.
Kompleks enzim-supstrat se zatim razgrađuje u drugoj sporijoj reverzibilnoj reakciji da bi se formirao produkt reakcije P i slobodni enzim E:
ES<=>EP<=>E + P (2)
Trenutno, zahvaljujući radu gore navedenih naučnika, kao i Kaylin D., Chance B., Koshland D. (teorija „indukovanog konformiteta“), postoje teorijske odredbe o četiri glavne tačke u mehanizmu djelovanje enzima na supstrat, koje određuju sposobnost enzima da ubrzaju kemijske reakcije.reakcije:
1. Orijentacija i blizina . Enzim je u stanju da veže molekul supstrata na način da veza koju enzim napada ne samo da se nalazi u neposrednoj blizini katalitičke grupe, već je i pravilno orijentisana u odnosu na nju. Vjerovatnoća da će ES kompleks doći u prijelazno stanje zbog orijentacije i pristupa je znatno povećana.
2. Stres i naprezanje : indukovano uklapanje. Vezanje supstrata može uzrokovati konformacijske promjene u molekuli enzima, koje dovode do napetosti u strukturi aktivnog mjesta, a također donekle deformišu vezani supstrat, čime se olakšava postizanje prijelaznog stanja ES kompleksom. Postoji takozvana indukovana korespondencija između E i S molekula.
KINETIKA ENZIMSKIH REAKCIJA
Vfr je određen količinom tvari koja se pretvara u jedinici vremena. V ovih reakcija zavisi od uticaja spoljašnjih faktora (temperatura, pH, izloženost prirodnim i stranim jedinjenjima itd.).
Vfr je mjera katalitičke aktivnosti i jednostavno se naziva aktivnost enzima.
Aktivnost enzima se može mjeriti samo indirektno:
1) po iznosu konvertovanih S;
2) povećanje koncentracije P u jedinici vremena.
Da biste izrazili koncentraciju enzima, koristite:
a) jedinica mjere enzima je količina enzima koja katalizuje konverziju 1 µmol S u minuti. [µmol/min];
b) 1 katal (mačka) - količina enzima koja može izazvati konverziju 1 mola S u P u 1 sekundi. [mol/s].
1 mačka \u003d 6 × 107E; 1E = 16,67 (n mačka)
Za izražavanje aktivnosti enzima koristite:
a) specifična aktivnost enzima je broj enzima po 1 mg ili broj kat. po 1 kg proteina;
b) molekularna aktivnost ili broj obrtaja je broj S molekula koje se pretvara u jedan molekul E za 1 min.
Jedan molekul eritrocitne katalaze cijepa 5×106 molekula H2O2 za 1 min.
Specifičnost djelovanja enzima
Koncept ES kompleksa i ACP usko su povezani sa posebnim svojstvom enzima - njihovom specifičnošću. Prema stepenu specifičnosti (u opadajućem redoslijedu) postoje:
I. Stereohemijska specifičnost supstrata - u ovom slučaju enzimi katalizuju samo 1 oblik S (1 izomer). Na primjer, fumarat hidrataza katalizira samo konverziju fumarne kiseline, ali ne katalizira konverziju njenog izomera, maleinske kiseline.
II. Apsolutna specifičnost supstrata - E pretvara samo 1S. Na primjer, ureaza samo pretvara ureu.
III. Apsolutna grupa S-ta specifičnost. Enzimi djeluju na grupu sličnih S-in. Na primjer, DG alkohol pretvara ne samo etanol, već i druge alifatske alkohole.
IV. Relativna grupa S-te specifičnosti. Enzim ne djeluje na grupu molekula S, već na određene veze određenih S grupa. Na primjer, pepsin i tripsin su specifični za peptidne veze u različitim proteinima.
V. Relativna S-ta specifičnost. Enzim katalizuje, pretvarajući se u S-in, koji pripada različitim grupama hemijskih jedinjenja. Na primjer, enzim citokrom-450 katalizira reakcije hidroksilacije do 7000 različitih S-v. Ovo je najmanje specifičan enzimski sistem.
Postoje dvije teorije koje objašnjavaju specifičnost enzima.
E. Fisherova hipoteza je hipoteza “ključ i brava” ili hipoteza “obrasca”. Prema Fischeru, enzim je kruta struktura, čiji je ACF tačan "liven" S. Ako se S približi E kao ključu od brave, tada će doći do reakcije. Ako je S malo promijenjen („ključ“), onda ne odgovara ACF-u („brava“) i reakcija postaje nemoguća. Uprkos logici takvog objašnjenja, Fisherova hipoteza ne objašnjava na čemu se onda zasnivaju apsolutna i relativna specifičnost grupe. Na primjer, citokrom-450 se kombinuje sa toliko S-in, različite strukture.
Ove vanjske kontradikcije se objašnjavaju Koshlandovom hipotezom, ili hipotezom prisilne korespondencije. Prema Koshlandu, molekul enzima nije "krut", ali fleksibilna struktura i konfiguracija enzima i njegovog ACP počinju da se mijenjaju u trenutku kada je enzim vezan za S ili druge ligande. U formiranju E-S kompleksa, pored geometrijske komplementarnosti, dolazi i do elektrostatičke komplementarnosti, koja se ostvaruje zbog uparivanja suprotno nabijenih molekula E i S. U stvarnosti se, po svemu sudeći, odvijaju obje varijante adicije.
Koshlandova hipoteza omogućava da se objasni zašto dolazi do transformacije bliskih analoga S-to. Ako se “lažni” supstrat (kvazi-S) razlikuje od prirodnog i ACP ima konformaciju blisku pravom supstratu, tada će raspored katalitičkih grupa u takvom E-S kompleksu omogućiti odvijanje reakcije. Čini se da enzim ne primjećuje ovu "prevaru", iako se reakcija ne odvija tako brzo kao kod pravog supstrata. Ako konfiguracija kvazi-supstrata ne dopušta katalitičkoj grupi da se pravilno pozicionira, reakcija se neće nastaviti. One. ako je raspon konformacijskih preuređivanja ograničen na jedan jedini mogući, onda je enzim visoko specifičan, a ako su mogućnosti ACP preuređivanja velike, onda enzim djeluje i na kvazi-supstratima.
Ovisnost Vfr o pH okolini
Svaki enzim ima svoj optimalni pH, pri kojem je Vfr maksimalan. Odstupanje pH u jednom ili drugom smjeru dovodi do smanjenja aktivnosti enzima. Većina enzima ima pH od ~7,0, odnosno poklapa se sa fiziološkim pH vrijednostima.
Pri optimalnoj pH vrijednosti, funkcionalne grupe ACP i sam S su u najpoželjnijem obliku za vezivanje. Neki enzimi imaju optimalni pH koji se oštro razlikuje od fizioloških vrijednosti, pepsin je 100% aktivan pri pH = 1,5-2,5; arginaza - pri pH = 10.
Vfr ovisnost o temperaturi
Sa povećanjem temperature medija, Vfr se povećava, dostižući optimalne vrijednosti od ~ 20-40ºS za većinu enzima.
Termolabilnost enzima povezana je sa njihovom strukturom proteina: kada temperatura poraste na 40-50ºS i više, oni su denaturirani.
Za neke enzime, denaturacija se događa na 0°C.
Za bilo koje kemijske reakcije, s povećanjem temperature za svakih 10ºS, reakcija V se povećava za 2-3 puta; za enzimske reakcije, ovaj koeficijent je niži - 2 ili čak manje. Izuzetak: termostabilni enzim adenimat ciklaza može izdržati temperature od 100ºS, a enzim katalaza je aktivan na 0ºS.
Zavisnost Vfr od konc. S.
Mehanizam djelovanja enzima opisan je Michaelis-Menten jednačinom. Zavisnost Vfr od [S] možete postaviti grafički.
a) prema Michaelisovoj krivulji: što je manji Km, veći je Vm i veći je afinitet E za S.
Vmax odgovara stanju potpune zasićenosti volumena enzima S.
u rastvoru, višak E (3 mol S, 5 mol E) je mesto zasićenja zapremine enzima S.
b) metodom recipročnosti Lineciver-Burka, gde se zavisnost Vfr od [S] izračunava u recipročnim vrednostima.
Regulacija aktivnosti enzima.
Enzimi su katalizatori s kontroliranom aktivnošću, tako da se Vfr može kontrolirati putem enzima. Regulacija aktivnosti može se vršiti interakcijom enzima sa različitim biološkim komponentama ili stranim spojevima (lijekovi, otrovi), koji se nazivaju modifikatori. Ako se u prisustvu modifikatora Vfr povećava, tada se takvi modifikatori nazivaju aktivatori, a ako padne, inhibitori.
Aktivacija enzima.
Postoji nekoliko vrsta aktivacije enzima.
1. Aktivacija djelovanjem na podjedinice molekula enzima. Neki enzimi imaju NS u obliku 2 podjedinice: katalitičke i regulatorne. Kada spremate CW, ACF je skriven.
Na primjer, mnogi enzimi u tijelu se proizvode u obliku proenzima ili zimogena, odnosno u neaktivnom stanju. Po potrebi se aktivira određeni broj njih. Na primjer, neaktivni tripsinogen se pretvara u aktivni tripsin pomoću enzima enterokinaze.
2. Joni utiču na aktivaciju enzima:
a) katjoni - njihov efekat je specifičniji od anjona. Sami kationi mogu djelovati kao prostetske grupe u enzimima (Fe u citokromu) ili svojim prisustvom djelovati na enzim, aktivirajući ga. Na primjer, karboanhidraza se aktivira u prisustvu Zn+2.
b) anjoni - djeluju manje specifično i obično utiču na 2. stadijum d.f. – dezintegracija ES kompleksa. Međutim, ponekad su anioni direktni aktivatori enzima. Na primjer, Cl- aktivira neaktivni pepsinogen i pretvara ga u aktivni pepsin.
3. Aktivacija zaštitom enzima od inaktivirajućeg uticaja različitih uticaja. Opremljen je specifičnim tvarima koje sprječavaju negativan učinak na enzime.
Inhibicija enzima.
Supstance koje uzrokuju djelomičnu ili potpunu inhibiciju enzima nazivaju se inhibitori (I). Inhibitori imaju sposobnost da se snažno vežu za enzim. Na osnovu toga se razlikuje inhibicija: reverzibilna i ireverzibilna.
Sa reverzibilnom inhibicijom, I i E su u interakciji. Ako se inhibitor nekako neutralizira (na primjer, dijalizom), tada se obnavlja aktivnost E. Ako se to ne može postići, onda govorimo o nepovratnoj inhibiciji.
Reverzibilna inhibicija
konkurentno nekonkurentno
Kompetitivnu inhibiciju mogu uzrokovati supstance sa strukturom sličnom onoj pravog S.
I i S se takmiče za ACP, kompleks sa enzimom formira to jedinjenje, čiji su molekuli veći. Za enzim se veže ili I ili S; za takvu inhibiciju vrijedi sljedeća jednadžba: .
Kompetitivna inhibicija NIKADA ne formira trostruki kompleks E S I, koji razlikuje ovu vrstu inhibicije od drugih.
Na primjer, DG sukcinat je dio farmi. CTC sistemi. Njegovo prirodno S je sukcinat. Inhibitori mogu biti oksaloacetat, malonat (kvazi-supstrati).
U višku, inhibitor se vezuje polarizovanim grupama za ACP DH sukcinat.
Pod inhibicijom konkurencije, Vmax se nikada ne mijenja, ali Km se mijenja. Nagib krivulja u prisustvu I se povećava, kao rezultat toga, Km raste
Na osnovu rezultata eksperimenta, Michaelis-Menten kriva se može koristiti za utvrđivanje kompetitivne prirode I (povećanjem Km i stabilnosti Vmax). Priroda ove krive također ukazuje na reverzibilnost procesa, odnosno povećanjem [S] moguće je smanjiti vrijeme za dostizanje Vmax.
Metoda kompetitivne inhibicije našla je široku primjenu u medicinskoj praksi.
Para-aminobenzojeva kiselina i sulfanilamid imaju sličnu strukturu. p-ABA-tu koristi bakterijska stanica za sintezu folne kiseline, koja je sastavni dio bakterijskih enzima. C/a blokira djelovanje enzima koji sintetiziraju folnu kiselinu, zbog čega se zaustavlja rast bakterija.
Nekonkurentska inhibicija je reverzibilna inhibicija kada ne stupam u interakciju s ACP, već s drugim funkcionalnim grupama enzima, odnosno, u ovom slučaju, nemam strukturnu sličnost sa S. Dodatak takvog inhibitora smanjuje aktivnost enzima, a ne njegov afinitet za S, odnosno inhibitor ne mijenja Km, već smanjuje maks. Vfr.
Kod ovog tipa inhibicije nastaju neaktivni kompleksi niske disocijacije E I ili E I S. Na primjer, djelovanjem HCN, drugih hemijskih jedinjenja koja vezuju Me ione ili druge funkcionalne grupe u molekulu enzima.
Mješovita inhibicija (ili djelomično nekonkurentni tip) - smanjenje Vmax se kombinira s povećanjem Km.
U ovom slučaju nastaje kompleks E I S, a S u njemu prolazi kroz sporu katalitičku transformaciju.
Inhibicija supstrata je smanjenje Vfr sa značajnim povećanjem [S]. U početku, sa povećanjem [S] Vfr raste, dostižući svoj maksimum, ali sa daljim povećanjem [S] Vfr počinje da pada.
Mehanizam inhibitornog djelovanja viška S je raznolik. Najčešće se radi o interakciji intermedijarnih spojeva E S sa jednim ili više molekula S, što rezultira stvaranjem neaktivnog jedinjenja, zatim
postoji kompleks koji ne daje produkte reakcije.
Metode regulacije aktivnosti enzima
U živom organizmu istovremeno se dešavaju reakcije sinteze, raspadanja i međupretvorbe hiljada različitih supstanci. Svi ovi skupovi reakcija reguliraju se u tijelu kroz različite mehanizme, od kojih su najvažniji:
a) regulacija po vrsti povratne sprege; karakteristika reakcija sinteze. Akumulacija produkata reakcije iznad dozvoljenog nivoa ima snažan inhibitorni učinak na prvu fazu procesa:
b) alosterična regulacija enzimske aktivnosti – karakteristična samo za posebnu grupu enzima sa SN koji imaju regulatorne centre za vezivanje alosteričnih efektora. Negativni efektori inhibiraju S konverziju i djeluju kao alosterični inhibitori. Pozitivni efektori, naprotiv, ubrzavaju Vfr, pa se nazivaju alosterični aktivatori.
Mehanizam djelovanja alosteričnih inhibitora na enzim je promjena ACF ovog enzima. Smanjenje Vfr je ili posljedica povećanja Km, ili rezultat smanjenja Vmax, pri istim koncentracijama zasićenja S. Alosterični aktivatori, naprotiv, olakšavaju konverziju S u ACP, što je praćeno bilo smanjenje Km ili povećanje Vmax.
Kompartmentalizacija je pojava u kojoj se uz pomoć membrana vrši prostorno razdvajanje
a) enzim iz njegovog S (na primjer, lizomalni enzimi iz tvari na koje djeluju u citoplazmi);
b) procesi koji su istovremeno međusobno nekompatibilni. Sinteza masnih kiselina odvija se u rastvorljivom dijelu citoplazme, a razgradnja masnih kiselina u mitohondrijima.
Kinetika enzimskih reakcija. Ova grana enzimologije proučava uticaj hemijskih i fizičkih faktora na brzinu enzimske reakcije. Godine 1913. Michaelis i Menten su stvorili teoriju enzimske kinetike zasnovanu na činjenici da enzim (E) stupa u interakciju sa supstratom (S) kako bi formirao intermedijarni kompleks enzim-supstrat (ES), koji se zatim razlaže u enzim i reakciju. proizvod prema jednačini:
Svaki stupanj interakcije supstrata sa enzimom karakteriziraju vlastite konstante brzine. Odnos zbira konstanti brzine za razgradnju kompleksa enzim-supstrat i konstante brzine za formiranje kompleksa enzim-supstrat naziva se Michaelisova konstanta (Km). On određuje afinitet enzima prema supstratu. Što je niža Michaelisova konstanta, veći je afinitet enzima za supstrat, to je veća brzina reakcije koju on katalizira. Prema vrijednosti Km, katalitičke reakcije se mogu podijeliti na brze (Km 106 mol/l i manje) i spore (Km 102 do 106).
Brzina enzimske reakcije ovisi o temperaturi, reakciji medija, koncentraciji reaktanata, količini enzima i drugim faktorima.
1. Razmotrite zavisnost brzine reakcije od količine enzima. Pod uslovom viška supstrata, brzina reakcije je proporcionalna količini enzima, ali sa viškom enzima povećanje brzine reakcije će se smanjiti, jer supstrat više neće biti dovoljan.
2. Brzina hemijskih reakcija je proporcionalna koncentraciji reaktanata (zakon djelovanja mase). Ovaj zakon važi i za enzimske reakcije, ali uz određena ograničenja. Pri konstantnom
U prisustvu enzima, brzina reakcije je zaista proporcionalna koncentraciji supstrata, ali samo u opsegu niskih koncentracija. Pri visokim koncentracijama supstrata, enzim postaje zasićen supstratom, odnosno dolazi trenutak kada su svi molekuli enzima već uključeni u katalitički proces i neće doći do povećanja brzine reakcije. Brzina reakcije dostiže svoj maksimalni nivo (Vmax) i tada više ne zavisi od koncentracije supstrata. Ovisnost brzine reakcije o koncentraciji supstrata treba odrediti u onom dijelu krivulje koji je ispod Vmax. Tehnički, lakše je odrediti ne maksimalnu brzinu, već ½ Vmax. Ovaj parametar je glavna karakteristika enzimske reakcije i omogućava određivanje Michaelisove konstante (Km).
Km (Michaelisova konstanta) je koncentracija supstrata pri kojoj je brzina enzimske reakcije upola manja. Iz ovoga se izvodi Michaelis–Menten jednačina za brzinu enzimske reakcije.
