Enzyme

Der Stoffwechsel im Körper kann als die Gesamtheit aller chemischen Umwandlungen definiert werden, die von von außen kommenden Verbindungen durchlaufen werden. Zu diesen Umwandlungen zählen alle bekannten Arten chemischer Reaktionen: intermolekulare Übertragung funktioneller Gruppen, hydrolytische und nichthydrolytische Spaltung chemischer Bindungen, intramolekulare Umlagerung, Neubildung chemischer Bindungen und Redoxreaktionen. Solche Reaktionen laufen im Körper nur in Gegenwart von Katalysatoren mit extrem hoher Geschwindigkeit ab. Alle biologischen Katalysatoren sind Stoffe proteinischer Natur und werden Enzyme (im Folgenden F) oder Enzyme (E) genannt.

Enzyme sind keine Bestandteile von Reaktionen, sondern beschleunigen nur das Erreichen des Gleichgewichts, indem sie die Geschwindigkeit sowohl der direkten als auch der umgekehrten Umwandlungen erhöhen. Die Beschleunigung der Reaktion erfolgt aufgrund einer Abnahme der Aktivierungsenergie – der Energiebarriere, die einen Zustand des Systems (die anfängliche chemische Verbindung) von einem anderen (dem Reaktionsprodukt) trennt.

Enzyme beschleunigen verschiedenste Reaktionen im Körper. Aus Sicht der traditionellen Chemie ganz einfach, erfordert die Reaktion der Abspaltung von Wasser aus Kohlensäure unter Bildung von CO 2 die Beteiligung eines Enzyms, denn Ohne sie erfolgt die Regulierung des pH-Werts des Blutes zu langsam. Dank der katalytischen Wirkung von Enzymen im Körper ist es möglich, solche Reaktionen durchzuführen, die ohne Katalysator hunderte und tausende Male langsamer ablaufen würden.

Enzymeigenschaften

1. Einfluss auf die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion: Enzyme erhöhen die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion, werden aber selbst nicht verbraucht.

Die Reaktionsgeschwindigkeit ist die Änderung der Konzentration der Reaktionskomponenten pro Zeiteinheit. Geht es in Vorwärtsrichtung, dann ist es proportional zur Konzentration der Reaktanten; geht es in die entgegengesetzte Richtung, dann ist es proportional zur Konzentration der Reaktionsprodukte. Das Verhältnis der Geschwindigkeiten von Hin- und Rückreaktion wird als Gleichgewichtskonstante bezeichnet. Enzyme können die Werte der Gleichgewichtskonstante nicht verändern, aber der Gleichgewichtszustand stellt sich in Gegenwart von Enzymen schneller ein.

2. Die Spezifität der Wirkung von Enzymen. In den Körperzellen finden 2-3.000 Reaktionen statt, die jeweils durch ein bestimmtes Enzym katalysiert werden. Die Spezifität der Wirkung eines Enzyms ist die Fähigkeit, den Ablauf einer bestimmten Reaktion zu beschleunigen, ohne die Geschwindigkeit anderer, auch sehr ähnlicher, zu beeinflussen.

Unterscheiden:

Absolut- wenn F nur eine spezifische Reaktion katalysiert (Arginase – Spaltung von Arginin)

Relativ(Gruppe speziell) – F katalysiert eine bestimmte Klasse von Reaktionen (z. B. hydrolytische Spaltung) oder Reaktionen, an denen eine bestimmte Stoffklasse beteiligt ist.

Die Spezifität von Enzymen beruht auf ihrer einzigartigen Aminosäuresequenz, die die Konformation des aktiven Zentrums bestimmt, das mit den Reaktionskomponenten interagiert.

Ein Stoff, dessen chemische Umwandlung durch ein Enzym katalysiert wird, heißt Substrat (S) .

3. Die Aktivität von Enzymen ist die Fähigkeit, die Reaktionsgeschwindigkeit in unterschiedlichem Maße zu beschleunigen. Aktivität wird ausgedrückt in:

1) Internationale Aktivitätseinheiten – (IE) die Menge des Enzyms, die die Umwandlung von 1 μM des Substrats in 1 Minute katalysiert.

2) Katalach (Katze) – die Menge an Katalysator (Enzym), die in der Lage ist, 1 Mol Substrat in 1 s umzuwandeln.

3) Spezifische Aktivität – die Anzahl der Aktivitätseinheiten (eine der oben genannten) in der Testprobe im Verhältnis zur Gesamtproteinmasse in dieser Probe.

4) Seltener wird die molare Aktivität verwendet – die Anzahl der Substratmoleküle, die von einem Enzymmolekül pro Minute umgewandelt werden.

Aktivität hängt davon ab Temperatur . Dieses oder jenes Enzym zeigt bei optimaler Temperatur die größte Aktivität. Für F eines lebenden Organismus liegt dieser Wert je nach Tierart im Bereich von +37,0 – +39,0 °C. Mit sinkender Temperatur verlangsamt sich die Brownsche Bewegung, die Diffusionsgeschwindigkeit nimmt ab und damit verlangsamt sich der Prozess der Komplexbildung zwischen dem Enzym und den Reaktionskomponenten (Substraten). Steigt die Temperatur über +40 – +50 °C, kommt es zu einem Denaturierungsprozess des Enzymmoleküls, bei dem es sich um ein Protein handelt. Gleichzeitig sinkt die Geschwindigkeit der chemischen Reaktion merklich (Abb. 4.3.1.).

Die Enzymaktivität hängt auch davon ab mittlerer pH-Wert . Für die meisten von ihnen gibt es einen bestimmten optimalen pH-Wert, bei dem ihre Aktivität maximal ist. Da die Zelle Hunderte von Enzymen enthält und jedes von ihnen seine eigenen pH-Grenzwerte hat, ist die pH-Änderung einer der wichtigen Faktoren bei der Regulierung der enzymatischen Aktivität. Durch eine chemische Reaktion unter Beteiligung eines bestimmten Enzyms, dessen pH-Wert im Bereich von 7,0 bis 7,2 liegt, entsteht also ein Produkt, bei dem es sich um eine Säure handelt. In diesem Fall verschiebt sich der pH-Wert in den Bereich von 5,5 – 6,0. Die Aktivität des Enzyms nimmt stark ab, die Produktbildungsrate verlangsamt sich, aber es wird ein anderes Enzym aktiviert, für das diese pH-Werte optimal sind, und das Produkt der ersten Reaktion erfährt eine weitere chemische Umwandlung. (Ein weiteres Beispiel über Pepsin und Trypsin).

1. Ändern Sie die freie Energie der Reaktion

2. Hemmen Sie die Rückreaktion

3. Ändern Sie die Gleichgewichtskonstante der Reaktion

4. Leiten Sie die Reaktion entlang eines Bypasses mit niedrigeren Aktivierungsenergien von Zwischenreaktionen

102. Eine Änderung der Konformation eines Enzymmoleküls kann auftreten:

2. Nur wenn sich der pH-Wert ändert

103. Eine Änderung des Ionisierungsgrades der funktionellen Gruppen des Enzyms tritt auf, wenn:

1. Nur wenn sich die Temperatur ändert

2. Nur wenn sich der pH-Wert ändert

3. nur, wenn sich beide Bedingungen ändern

4. tritt bei keinerlei Änderungen auf

104. Hydrolyse von Peptidbindungen tritt auf, wenn:

1. Nur wenn sich die Temperatur ändert

2. Nur wenn sich der pH-Wert ändert

3. wenn sich beide Bedingungen ändern

4. tritt bei keinerlei Temperatur- und pH-Änderungen auf

105. Eine Verletzung schwacher Bindungen in einem Enzymmolekül liegt vor, wenn:

2. Nur wenn sich der pH-Wert ändert

3. wenn sich beide Bedingungen ändern

4. tritt bei keinerlei Änderungen auf

106 Pepsin zeigt eine optimale Aktivität bei einem pH-Wert von:

1. 1,5-2,5

107. Der optimale pH-Wert für die Arbeit der meisten Enzyme ist:

1. pH-Wert< 4,0

3. 6,0 < pH < 8,0

108. Wählen Sie aus den folgenden Aussagen die richtigen aus:

1. Alle Enzyme zeigen ihre maximale Aktivität bei pH=7

2. Die meisten Enzyme zeigen ihre maximale Aktivität bei einem pH-Wert nahe dem Neutralwert

3. Pepsin zeigt maximale Aktivität bei pH = 1,5–2,5

109. Mit der Michaelis-Menten-Gleichung können Sie Folgendes berechnen:

4. Änderung der freien Energie während einer chemischen Reaktion

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

1. Aktivierungsenergie einer chemischen Reaktion

2. die Geschwindigkeit der enzymkatalysierten Reaktion

3. Energiebarriere einer chemischen Reaktion

111. Wählen Sie die richtigen Antworten: Die Michaelis-Konstante (K m) ist:

2. Kann für Isoenzyme unterschiedliche Bedeutungen haben

3. Der Wert, bei dem alle Enzymmoleküle in Form von ES vorliegen

4. Je größer sein Wert, desto größer ist die Affinität des Enzyms zum Substrat

112. Wählen Sie die richtigen Antworten: Die Michaelis-Konstante (K m) ist:

1. Parameter der Kinetik der enzymatischen Reaktion

2. Der Wert, bei dem alle Enzymmoleküle in Form von ES vorliegen

3. Je größer sein Wert, desto größer ist die Affinität des Enzyms zum Substrat

4. Substratkonzentration, bei der die Hälfte des Reaktionsmaximums der Reaktionsgeschwindigkeit erreicht wird (V max)

113. Nennen Sie die Merkmale der Struktur und Funktionsweise allosterischer Enzyme:

3. Bei der Wechselwirkung mit Liganden wird eine kooperative Änderung der Konformation von Untereinheiten beobachtet

4. Bei der Wechselwirkung mit Liganden wird eine kooperative Änderung der Konformation von Untereinheiten beobachtet

114. Nennen Sie die Merkmale der Struktur und Funktionsweise allosterischer Enzyme:

1. handelt es sich in der Regel um oligomere Proteine

2. Es handelt sich in der Regel nicht um oligomere Proteine

3. während der Dissoziation des Moleküls in Protomere regulatorische Eigenschaften aufweisen

4. Bei der Wechselwirkung mit Liganden wird eine kooperative Änderung der Konformation von Untereinheiten beobachtet

Enzyme. Kinetik enzymatischer Reaktionen

Biochemische Reaktionen laufen nur unter Beteiligung von Enzymen ab, also Katalysatoren, die in ihrer Zusammensetzung und Struktur Proteine ​​sind. Stoffe mit katalytischer Wirkung sind sowohl aus der anorganischen Chemie als auch aus der organischen Chemie bekannt. Solche Stoffe, sogenannte Katalysatoren, kommen in allen Stoffklassen vor – einfache Stoffe (sowohl Metalle als auch Nichtmetalle), Säuren, Basen, Oxide, Salze. Besonders häufig werden Katalysatoren in der organischen Chemie eingesetzt, da sich organische Stoffe durch eine relativ geringe Reaktivität auszeichnen. Auf einer neuen Stufe der Chemie – der Biochemie – treffen wir auch auf eine neue Klasse von Katalysatoren – Enzyme. Die unendliche Vielfalt der Struktur von Proteinmolekülen erweist sich als Voraussetzung für die Biosynthese spezieller Proteine, die als Katalysatoren für alle in der Natur ablaufenden biochemischen Prozesse geeignet sind.

Die enzymatische Katalyse weist charakteristische Merkmale aller katalytischen Verfahren auf, es gibt jedoch auch grundsätzlich wichtige Unterschiede. Die allgemeinen Regeln umfassen Folgendes:

Enzyme erhöhen die Geschwindigkeit einer Reaktion, verschieben aber nicht das chemische Gleichgewicht;

Enzyme beschleunigen jene Reaktionen, die unter bestimmten Bedingungen spontan ablaufen können;

Auch eine nicht spontane Reaktion, gepaart mit einer spontanen, läuft unter Beteiligung von Enzymen ab

Die Geschwindigkeit der enzymatischen Reaktion hängt von der Temperatur und den Konzentrationen der Reaktanten (Substrat und Enzym) ab.

Zu den spezifischen Merkmalen enzymatischer Reaktionen gehören:

Enzyme zeichnen sich durch eine höhere Selektivität für Substrate aus als herkömmliche Katalysatoren. Oftmals beschleunigt ein Enzym nur eine biochemische Reaktion oder eine eher kleine Gruppe verwandter Reaktionen;

Enzyme wirken stereospezifisch und beschleunigen die Synthese nur eines der möglichen räumlichen Isomere.

Enzyme sind in einem begrenzten Temperaturbereich aktiv – unterhalb der Denaturierungstemperatur eines bestimmten Proteins;

Die Aktivität des Enzyms hängt vom pH-Wert des Mediums ab; Jedes Enzym hat einen optimalen pH-Wert, bei dem die Aktivität maximal ist.

Viele Enzyme funktionieren nur, wenn sie durch Coenzyme – Moleküle und Ionen mit niedrigem Molekulargewicht – aktiviert werden.

Enzyme können gelöst oder in Zellmembranen eingebettet sein.

Die Enzymaktivität kann von der Konzentration des Reaktionsprodukts abhängen.

Enzyme sind in Zellen in extrem geringen Konzentrationen vorhanden. Ihre Bestimmung in Gewebeextrakten oder Flüssigkeiten ist eine schwierige Aufgabe. Daher wurden spezielle Ansätze zur Bestimmung der katalytischen Aktivität von Enzymen entwickelt. Gemessen wird die Geschwindigkeit der Reaktion, die unter Einwirkung des vorhandenen Enzyms abläuft. Das Ergebnis wird in Einheiten der Enzymaktivität ausgedrückt. Anschließend werden die relativen Mengen des Enzyms in verschiedenen Extrakten verglichen. Aktivitätseinheiten werden in µmol (10–6), nmol (10–9) oder pmol (10–12) des verbrauchten Substrats oder gebildeten Produkts pro Zeiteinheit (Minute) ausgedrückt. Internationale Aktivitätseinheiten werden mit U, nU und pU bezeichnet.

Die wichtigsten Bestimmungen der Theorie der Geschwindigkeiten chemischer Reaktionen sind auf die enzymatische Katalyse anwendbar. Damit die Reaktion ablaufen kann, ist es notwendig, dass sich die Enzymmoleküle (es gibt die Bezeichnungen F, E, Enz) und das Substrat (S) ausreichend annähern (kollidieren), um Bindungen zu bilden. Damit die Kollision produktiv (aktiv) ist, müssen die Moleküle über genügend Energie verfügen, um die Energiebarriere zu überwinden. Wie Sie wissen, wird diese Barriere Aktivierungsenergie genannt. In bestimmten Phasen der enzymatischen Reaktion fungiert das Enzym als gemeinsamer Reaktant und reagiert im Molverhältnis 1:1. Enzymatische Prozesse werden häufig durch spezielle Schemata dargestellt. Zum Beispiel die Gruppentransferreaktion

A–B+D A–D+B

unter Beteiligung des Enzyms stellt sich wie folgt dar:

A–B Enz A–D

Als weiteres Beispiel für das Schreiben eines enzymatischen Reaktionsschemas nehmen wir die Isomerisierungsreaktion

S  iso-S

Unter Beteiligung des Enzyms wird die Reaktion wie folgt geschrieben:

S Enz iso-S

Die Pfeile stellen einen zyklischen Prozess dar, an dem Substrat-S-Moleküle beteiligt sind und Produktmoleküle freigesetzt werden, die oft als P bezeichnet werden.

Ein Enzym ist ein komplexes Molekül, das aus Hunderten von Aminosäureresten und Tausenden von Atomen besteht. Nur eine kleine Gruppe von Atomen in einem solchen Molekül kann an der Bindung an ein Substrat teilnehmen. Diese Gruppe wird als aktives Zentrum bezeichnet. E. Fischer schlug das Enz-S-Wechselwirkungsmodell als Korrespondenz zwischen einem Schlüssel und einem Schloss vor. Nur wenn eine solche Entsprechung vorliegt, kann die Transformation des Substrats stattfinden. Die Selektivität der Enzymwirkung wird deutlich. Dieses Modell hat seine Bedeutung nicht verloren, später wurde jedoch das induzierte Anpassungsmodell (Koshland) vorgeschlagen, das die Flexibilität des Enzymmoleküls berücksichtigt. Wenn sich die Moleküle des Enzyms und des Substrats einander nähern, kommt es zu Konformationsänderungen im Enzym, die dem Reaktionszentrum die endgültige Konfiguration verleihen. Dem Substrat ähnliche Moleküle können ebenfalls Konformationsänderungen im Enzym verursachen, es treten jedoch Konformationsunterschiede auf, bei denen kein funktionierendes aktives Zentrum entsteht.

Temperatureinfluss

In einem begrenzten Temperaturbereich vor der Denaturierung des Proteins nimmt die Geschwindigkeit der enzymatischen Reaktion zu und folgt dem üblichen Gesetz, das durch die Arrhenius-Gleichung ausgedrückt wird. Viele enzymatische Reaktionen zeichnen sich durch einen Temperaturkoeffizienten der Geschwindigkeit Q 10 nahe zwei aus. Dies entspricht der Aktivierungsenergie E a = 55 kJ/mol bei 37.

Bei Annäherung an die Temperatur der Proteindenaturierung verlangsamt sich der Anstieg der Geschwindigkeit, dann wird die maximale Geschwindigkeit erreicht und dann beginnt ein starker Abfall der Geschwindigkeit, da die zur Katalyse befähigten Enzymmoleküle verschwinden. Die Temperaturabhängigkeit der katalytischen Reaktionsgeschwindigkeit ist in Abbildung 1 dargestellt.

pH-Abhängigkeit

Wenn sich der pH-Wert ändert, verschieben sich die Protonentransfergleichgewichte und damit auch die Ladungen auf den Enzymmolekülen und oft auch auf den Substratmolekülen. Bei niedrigen pH-Werten wird das Enzym protoniert und erhält eine positive Ladung. Bei hohen Konzentrationen deprotoniert es und erhält eine negative Ladung. Dies beeinflusst die Geschwindigkeit enzymatischer Reaktionen. Wenn nur eine der Formen des Enzymmoleküls mit einem bestimmten Ladungswert Aktivität zeigt, dann durchläuft seine Konzentration ein Maximum bei einem bestimmten Wert von pH M, und die Aktivität wird sich innerhalb von pH M 1 manifestieren. Die Abhängigkeit der Aktivität vom pH-Wert wird ermittelt, wie in Abb. 2.

Für jedes Enzym gibt es einen optimalen pH-Wert, bei dem sich die größte Aktivität zeigt. Bei großen Abweichungen des pH-Wertes vom optimalen Wert kann es zur Denaturierung des Enzyms kommen.

Konzentrationsabhängigkeit

In mathematischer Form wird die Abhängigkeit der Geschwindigkeit von der Konzentration als kinetische Gleichung dargestellt. Die Geschwindigkeit der enzymatischen Reaktion hängt bei sonst gleichen Bedingungen (T, pH) sowohl von der Konzentration des Substrats als auch von der Konzentration des Enzyms ab. Dabei ist zu berücksichtigen, dass es sich bei dem Enzym um einen makromolekularen Stoff handelt und seine Konzentration um ein Vielfaches geringer ist als die Konzentration des Substrats. Lassen Sie die Lösung ein Substrat mit enthalten M r = 100 und Enzym c M r = 100000. Massenkonzentrationen beider Reaktanten 1 mg/l. Ihre molaren Konzentrationen betragen:

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

Auf 1000 Substratmoleküle kommt ein Enzymmolekül. Das tatsächliche Verhältnis könnte viel höher sein. Dies bestimmt die Form der kinetischen Gleichungen in der enzymatischen Kinetik.

Als typisches Merkmal der Kinetik enzymatischer Reaktionen stellte sich heraus, dass die Geschwindigkeit bei niedriger Konzentration proportional zur Konzentration des Substrats ist und bei hoher Konzentration unabhängig von der Konzentration wird. Diese experimentellen Ergebnisse werden durch die gekrümmte Linie in Abb. grafisch dargestellt. 3.

Um diese Abhängigkeit zu erklären, wurde ein zweistufiges Reaktionsschema vorgeschlagen. Zu Beginn entsteht durch eine reversible Reaktion der Enzym-Substrat-Komplex S … E, in dem die Umwandlung des Substratmoleküls stattfindet. Im zweiten Schritt wird die Bindung zwischen dem veränderten Substratmolekül und dem Enzym aufgebrochen und es entsteht ein freies Produktmolekül P. Jede Transformation ist durch ihre eigene Geschwindigkeitskonstante gekennzeichnet.

k 1 k 2

S + E S .... E  E + P

Für einen Prozess mit einem solchen Mechanismus leiteten L. Michaelis und Menten eine Gleichung für die Abhängigkeit der Geschwindigkeit von der Konzentration S ab, die als Michaelis-Menten-Gleichung bezeichnet wurde.

Schreiben wir die kinetischen Gleichungen für die Bildung des Endprodukts und des Enzym-Substrat-Komplexes:

v =
= k 2 C(SE) (1)

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

Die Gesamtkonzentration (Anfangskonzentration) des Enzyms ist immer viel geringer als die Konzentration des Substrats, wie oben erwähnt. Während der Reaktion steigt die Konzentration an freiem Enzym C(E) nimmt aufgrund der Komplexbildung ab

C(E) = C Ö(E)  C(SE) (3)

Im stationären Zustand bleibt die Konzentration des Komplexes konstant:

= 0

Aus dieser Bedingung erhalten wir

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

Wir ersetzen den Ausdruck (3) in (4)

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

Öffnen Sie in Gleichung (5) die eckigen Klammern und transformieren Sie sie, um die Konzentration des Enzym-Substrat-Komplexes SE zu ermitteln:

Zähler und Nenner dividieren durch k 1, wir bekommen

(6)

Ein Ausdruck, der aus Konstanten im Nenner der Gleichung besteht, heißt Michaelis-KonstanteK M :

(7)

Wir ersetzen den resultierenden Ausdruck in Gleichung. 1:

(8)

Lv erhalten. 8 ist eine der Schreibweisen der Michaelis-Menten-Gleichung. Lassen Sie uns diese Gleichung analysieren. Bei vielen enzymatischen Reaktionen ist der zweite Schritt eine Konstante k 2 ist deutlich kleiner als die Bildungskonstanten k 1 und Verfall k–1 Enzym-Substrat-Komplex. In solchen Fällen ist die Michaelis-Konstante ungefähr gleich der Gleichgewichtskonstante der Zerlegung des Komplexes in die ursprünglichen Moleküle:

Bei einer hohen Substratkonzentration, wenn C(S) K M , Konstante K M kann vernachlässigt werden, und dann C(S) in ur. 8 schrumpft; während die Geschwindigkeit den Maximalwert annimmt:

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

Die maximale Geschwindigkeit hängt von der Konzentration des Enzyms und nicht von der Konzentration des Substrats ab. Dies bedeutet, dass die Reaktion in Bezug auf das Substrat in nullter Ordnung abläuft.

Bei niedrigen Substratkonzentrationen, wenn C(S) K M, die Reaktion verläuft in erster Ordnung in Bezug auf das Substrat:

v =

Mit zunehmender Substratkonzentration ändert sich somit die Reaktionsreihenfolge von der ersten (Region I in Abb. 4) zur Null (Region III).

1/2v max

Die Michaelis-Menten-Gleichung kann unter Verwendung der Maximalgeschwindigkeit geschrieben werden:

(10)

Diese Form der Gleichung eignet sich zur Darstellung experimenteller Ergebnisse, wenn die Enzymkonzentration nicht bekannt ist.

Wenn die Reaktionsgeschwindigkeit die Hälfte der Maximalgeschwindigkeit beträgt, dann ergibt sich aus Gl. Aus 10 folgt, dass die Michaelis-Konstante gleich der entsprechenden Substratkonzentration ist (Abb. 4):

, Wo K M= C"(S)

Für eine genauere Bestimmung der Michaelis-Konstante durch eine grafische Methode ist eine Transformation von Gl. 10 durch die Kehrwerte der Variablen. Vertauschen Sie Zähler und Nenner in Gleichung. 10:

oder

Grafische Darstellung der Michaelis-Menten-Gleichung in reziproken Koordinaten 1/ v – 1/C(S) wird als Lineweaver-Burk-Diagramm bezeichnet (Abb. 5). Dies ist ein Diagramm einer geraden Linie, die am 1/ abschneidet v Segment gleich dem Kehrwert der Höchstgeschwindigkeit. Die Fortsetzung einer Geraden in den negativen Bereich bis zum Schnittpunkt mit der horizontalen Achse ergibt ein Segment, dessen Absolutwert 1/ beträgt K M. Somit sind aus der Grafik die Umkehrwerte der Parameter 1/ v max und 1/ K M und dann die Parameter selbst.

Es gibt Enzyme, deren Wirkung keiner strengen Kontrolle unterliegt. Michaelis-Menten. Bei einer hohen Konzentration des Substrats wird die maximale Geschwindigkeit erreicht, bei einer niedrigen Konzentration jedoch die Abhängigkeitskurve v- S nimmt die sogenannte Sigmoidform an. Das bedeutet, dass zunächst die Geschwindigkeit mit der Beschleunigung zunimmt (die Konvexität der Kurve zeigt nach unten, siehe Abb. 6), und dann nach dem Wendepunkt die Geschwindigkeit mit der Verzögerung zunimmt und sich der Maximalgeschwindigkeit nähert. Dies wird durch die kooperative Wirkung des Substrats bei Vorhandensein mehrerer Bindungsstellen im Enzym erklärt. Die Bindung eines S-Moleküls erleichtert die Bindung des zweiten Moleküls an der anderen Stelle.

Enzyme sind hochspezialisierte Proteinkatalysatoren, die chemische Reaktionen in Tieren und Pflanzen beschleunigen. Fast alle chemischen Umwandlungen in lebender Materie werden mit Hilfe von Enzymen durchgeführt. Wir können sagen, dass Enzyme die treibende Kraft biochemischer Prozesse in lebenden Organismen sind.

Je nach Art und Zweck können Enzyme an die Umwelt abgegeben oder im Zellinneren zurückgehalten werden. Ihre katalytische Fähigkeit verlieren sie auch nach der Ausscheidung aus dem Körper nicht (aber außerhalb der Zellen bauen Enzyme lediglich Stoffe ab). Dies ist die Grundlage für ihren Einsatz in der Lebensmittel-, Leicht- und Medizinindustrie, der Landwirtschaft und anderen Sektoren der Volkswirtschaft.

Der Akademiker I. P. Pavlov schrieb: „Enzyme sind sozusagen der erste Akt lebenswichtiger Aktivität. Alle chemischen Prozesse im Körper werden genau von diesen Stoffen gesteuert; sie sind die Auslöser aller chemischen Umwandlungen. Alle diese Stoffe spielen eine enorme Rolle, sie bestimmen die Prozesse, durch die sich das Leben manifestiert, sie sind im wahrsten Sinne des Wortes die Aktivatoren des Lebens.

Alle enzymatischen Reaktionen laufen einfach und schnell ab. Im Körper katalysierte enzymatische Reaktionen gehen nicht mit der Bildung von Nebenprodukten einher, während organische Reaktionen, die mit Hilfe künstlicher Katalysatoren durchgeführt werden, immer mindestens eines oder mehrere dieser Produkte bilden.

In lebenden Organismen befinden sich Enzyme in einem geordneten Zustand. In einzelnen Strukturformationen der Zelle laufen enzymatische Reaktionen in einer streng definierten Reihenfolge ab. Präzise aufeinander abgestimmt sorgen einzelne Reaktionszyklen für die lebenswichtige Aktivität von Zellen, Organen, Geweben und dem gesamten Organismus. In bestimmten Teilen der Zelle laufen genau definierte biochemische Prozesse ab.

Neben der Tatsache, dass Enzyme in lebenden Organismen eine entscheidende Rolle spielen, spielen sie auch in der Lebensmittelproduktion und vielen anderen Industriezweigen sowie in der Landwirtschaft eine herausragende Rolle. Produktion Ethylalkohol, Bier, Wein, Tee, Brot, fermentierte Milch und viele andere Produkte, die auf der Wirkung von Enzymen basieren . Enzyme sind daran beteiligt Reifung und Überreife Früchte und Gemüse, Reifung und Verfall Fleisch und Fisch, Beharrlichkeit Getreide, Mehl, Getreide und andere Produkte .

In manchen Fällen ist die Anwesenheit von Enzymen bei der Verarbeitung von Produkten unerwünscht. Ein Beispiel hierfür ist die Reaktion der enzymatischen Bräunung von Obst und Gemüse durch die Wirkung des Enzyms Polyphenoloxidase oder das Ranzigwerden von Mehlfetten durch die Wirkung der im Getreidekeim vorhandenen Enzyme Lipase und Lipoxidase.

Derzeit wurden etwa 3500 Enzyme aus biologischen Objekten isoliert und mehrere hundert Enzyme untersucht. Es wird angenommen, dass eine lebende Zelle mehr als 1000 verschiedene Enzyme enthalten kann. Jedes Enzym katalysiert typischerweise nur eine Art chemischer Reaktion. Da ein Enzym nur eine Reaktion oder selten eine Gruppe von Reaktionen einer Art beschleunigen kann, ohne andere zu beeinflussen, können in lebenden Organismen viele verschiedene Reaktionen gleichzeitig ablaufen. Obwohl die Reaktionen einzelner Enzyme unabhängig voneinander ablaufen, sind sie meist durch eine komplexe Abfolge der Bildung von Zwischenprodukten miteinander verbunden. In diesem Fall kann das Produkt einer Reaktion als Substrat oder Reagens für eine andere dienen. Daher laufen in derselben Zelle Hunderte und Tausende von enzymatischen Reaktionen gleichzeitig ab, die in einer bestimmten Reihenfolge und in solchen Mengen ablaufen, dass der normale Zustand der Zelle gewährleistet ist.

Jeder lebende Organismus synthetisiert kontinuierlich Enzyme. Im Verlauf des Körperwachstums erhöht sich auch die Anzahl der notwendigen Enzyme. Eine unverhältnismäßige Zunahme oder Abnahme der Anzahl der Enzyme könnte zu einer Störung des Stoffwechsels führen, der sich im Körper entwickelt hat.

In einer lebenden Zelle können Enzyme in verschiedenen Strukturformationen synthetisiert werden – im Zellkern, Zytoplasma, Chloroplasten, Mitochondrien, Zytoplasmamembran usw.

als biologische Katalysatoren Enzyme, Sein in kleinen Mengen, fähig zur Transformation große Mengen des Substrats, auf das sie wirken. So zeigt das Speichelenzym Amylase bei einer Verdünnung von 1:1.000.000 eine spürbare katalytische Aktivität und das Enzym Peroxidase ist bei einer Verdünnung von 1:5.000.000 aktiv. Ein Katalasemolekül baut in einer Minute 5 Millionen Moleküle Wasserstoffperoxid ab.

Die katalytische Aktivität von Enzymen ist um ein Vielfaches höher als die Aktivität anorganischer Katalysatoren.. So dauert die Proteinhydrolyse zu Aminosäuren in Gegenwart anorganischer Katalysatoren bei einer Temperatur von 100 °C und mehr mehrere zehn Stunden. Die gleiche Hydrolyse unter Beteiligung spezifischer Enzyme endet in weniger als einer Stunde und läuft bei einer Temperatur von 30–40 °C ab. Die vollständige Hydrolyse von Stärke mit Säure erfolgt in wenigen Stunden, während die enzymatische Hydrolyse bei Raumtemperatur mehrere Minuten dauert. Es ist bekannt, dass Eisenionen die Spaltung von Wasserstoffperoxid in Wasserstoff und Sauerstoff katalytisch beschleunigen. Aber die Eisenatome, aus denen das Katalase-Enzym besteht, wirken auf Wasserstoffperoxid zehn Milliarden Mal energiereicher als gewöhnliches Eisen: 1 mg Eisen im Enzym kann beim katalytischen Abbau von Wasserstoffperoxid 10 Tonnen anorganisches Eisen ersetzen.

Ein wichtiges charakteristisches Merkmal Enzyme ist die Spezifität ihrer Wirkung . Die Spezifität von Enzymen ist viel höher als die von anorganischen Katalysatoren. Manchmal schließen geringfügige Veränderungen in der chemischen Struktur einer Substanz die Manifestation der Wirkung eines bestimmten Enzyms auf diese Substanz aus. Die Spezifität der Wirkung von Enzymen zeigt sich auch in Fällen, in denen sich die Substanz in der chemischen Struktur unterscheidet. Somit haben Enzyme, die die Hydrolyse von Proteinen beschleunigen, keinen Einfluss auf die Hydrolyse von Stärke und umgekehrt.

Enzyme unterscheiden sich in ihrer Spezifität. Einige Enzyme katalysieren nur eine einzige Reaktion, während andere eine große Anzahl von Reaktionen katalysieren. So katalysiert das Enzym Glykooxidase die Oxidation von Glucose und Trypsin hydrolysiert spezifische Peptidbindungen in Proteinen und Aminosäureethern.

Die Spezifität der Wirkung von Enzymen führt manchmal dazu, dass eine organische Verbindung nicht von einem, sondern von zwei Enzymen beeinflusst wird.

Gruppenspezifität stellen alle Enzyme dar, d. h. sie katalysieren nur eine spezielle Art von Reaktion, etwa die Oxidation von Monosacchariden oder die Hydrolyse von Oligosacchariden.

Enzyme sind spezifische Katalysatoren, Beschleunigen Sie sowohl die Vorwärts- als auch die Rückwärtsreaktion , d. h. Hydrolyse und Synthese der Substanz, auf die sie einwirken. Die Richtung dieses Prozesses hängt von der Konzentration der Ausgangs- und Endprodukte sowie den Bedingungen ab, unter denen die Reaktion abläuft. Gleichzeitig wurde nachgewiesen, dass die meisten Synthesen in einer lebenden Zelle unter der Wirkung anderer Enzyme als denen ablaufen, die die Spaltung der einen oder anderen Verbindung katalysieren.

Chemische Natur von Enzymen

Enzyme werden in zwei Hauptklassen eingeteilt: einkomponentig, besteht nur aus Protein und zweikomponentig, bestehend aus einem Protein- und einem Nicht-Protein-Anteil, genannt prothetisch Gruppe. Enzymproteine ​​können einfach (Proteine) oder komplex (Proteine) sein. Aktive Prothetikgruppe (aktives Zentrum) eines Enzyms genannt Qual , A Proteinträger – Feron . Die prothetische Gruppe in der Zusammensetzung des Enzyms nimmt bis zu etwa 1 % seiner Masse ein.

Die Stärke der Bindung zwischen der prosthetischen Gruppe (Agon) und Feron ist bei verschiedenen Enzymen nicht gleich. Bei einer schwachen Bindung dissoziiert das Enzym in einen Protein- und Prothesenteil, der sogenannte Coenzym . Jede der resultierenden Gruppen zeigt katalytische Aktivität. Die Rolle von Coenzymen spielen die meisten Vitamine – C, B 1, B 2, B 6, B 12, H, E, K usw. sowie Nukleotide, RNA, Sulfhydrylgruppen, Glutathion, Eisenatome, Kupfer , Magnesium usw. Viele Enzyme haben nur dann eine hohe katalytische Kapazität, wenn das Enzym nicht in Feron und Agon zerfällt.

ZU einkomponentig Dazu gehören viele Enzyme, die Proteine ​​oder Kohlenhydrate abbauen (Pepsin, Trypsin, Papin, Amylase).

Typisch zweikomponentig Das Enzym ist α-Carboxylase, das den Abbau von Brenztraubensäure in Kohlendioxid und Acetaldehyd katalysiert:

α-Carboxylase

CH3COCOOH ----→CH3CHO + CO 2 .

Die chemische Natur der α-Carboxylase ist vollständig geklärt; die aktive Gruppe dieses Enzyms enthält Vitamin B 1 .

Coenzyme fungieren häufig als Zwischenprodukte bei den enzymatischen Reaktionen, die an der Wasserstoffübertragung beteiligt sind. Dazu gehören Nicotinamidadenindinukleotid (NAD), Glutathion, L-Ascorbinsäure, Chinone und Cytochrome. Andere Coenzyme fungieren als Träger oder Übermittler für Phosphat-, Amin- und Methylgruppen.

Molekulargewicht Enzyme variieren stark. von ein paar Tausend bis zu einer Million , aber die meisten Enzyme haben hohes Molekulargewicht .

Viele Enzyme enthalten Metalle die an der katalytischen Wirkung beteiligt sind. So, Eisen gehört zur prothetischen Gruppe der Katalase- und Peroxidase-Enzyme sowie der Cytochromoxidase, die an den Atmungsprozessen beteiligt ist. Kupfer ist Teil der oxidativen Enzyme Polyphenoloxidase und Ascorbatoxidase, die eine wichtige Rolle im pflanzlichen Stoffwechsel spielen.

In ihrer reinen Form sind alle Enzyme Kristalle..

Auf der Oberfläche von Enzymmolekülen finden katalytische Reaktionen statt. Das Enzym-Protein bildet eine dispergierte Phase, auf deren Oberfläche Reaktionen zwischen im Dispersionsmedium gelösten Substanzen stattfinden. Die Oberfläche des Enzym-Protein-Moleküls ist heterogen; Auf der Oberfläche des Moleküls befinden sich verschiedene chemisch aktive Gruppen, die andere Verbindungen leicht binden.

Die Eigenschaften von Enzymen sind darauf zurückzuführen zuerst das Vorhandensein besonders aktiver Zentren auf der Oberfläche des Proteinmoleküls - Reste von Aminosäuren oder speziellen chemischen Gruppen, die fest mit dem Protein verbunden sind. Das aktive Zentrum ist der Teil des Enzyms, der sich im Prozess der katalytischen Wirkung mit der Substanz (Substrat) verbindet. .

Enzyme, Enzym-Substrat-Komplex und Aktivierungsenergie

Die wichtigste Funktion von Proteinen ist katalytische, sie wird von einer bestimmten Klasse von Proteinen – Enzymen – ausgeführt. Im Körper wurden mehr als 2000 Enzyme identifiziert. Enzyme sind biologische Katalysatoren mit Proteincharakter, die biochemische Reaktionen erheblich beschleunigen. Somit läuft die enzymatische Reaktion 100-1000-mal schneller ab als ohne Enzyme. Sie unterscheiden sich in vielen Eigenschaften von den in der Chemie verwendeten Katalysatoren. Im Gegensatz zu chemischen Katalysatoren beschleunigen Enzyme Reaktionen unter normalen Bedingungen.

Bei Menschen und Tieren läuft eine komplexe Reaktionsfolge in wenigen Sekunden ab, die bei Verwendung herkömmlicher chemischer Katalysatoren eine lange Zeit (Tage, Wochen oder sogar Monate) erfordert. Im Gegensatz zu Reaktionen ohne Enzyme entstehen bei enzymatischen Reaktionen keine Nebenprodukte (die Ausbeute des Endprodukts beträgt nahezu 100 %). Bei der Umwandlung werden Enzyme nicht zerstört, daher ist eine kleine Menge von ihnen in der Lage, die chemischen Reaktionen einer großen Anzahl von Substanzen zu katalysieren. Alle Enzyme sind Proteine ​​und haben ihre charakteristischen Eigenschaften (Empfindlichkeit gegenüber Änderungen des pH-Werts des Mediums, Denaturierung bei hohen Temperaturen usw.).

Enzyme werden chemisch klassifiziert in einkomponentig (einfach) Und zweikomponentig (komplex) .

Einkomponentig (einfach)

Einkomponentenenzyme bestehen nur aus Proteinen. Zu den einfachen zählen vor allem Enzyme, die Hydrolysereaktionen durchführen (Pepsin, Trypsin, Amylase, Papain etc.).

Zweikomponentig (komplex)

Im Gegensatz zu einfachen Enzymen enthalten komplexe Enzyme einen Nicht-Protein-Anteil – eine Komponente mit niedrigem Molekulargewicht. Der Proteinanteil heißt Apoenzym (Enzymträger), Nicht-Protein - Coenzym (aktive oder prothetische Gruppe). Der Nicht-Protein-Teil von Enzymen kann entweder durch organische Substanzen (z. B. Derivate von Vitaminen, NAD, NADP, Uridin, Cytidylnukleotide, Flavine) oder anorganische Substanzen (z. B. Metallatome – Eisen, Magnesium, Kobalt, Kupfer) dargestellt werden , Zink, Molybdän usw. .).

Nicht alle notwendigen Coenzyme können von Organismen synthetisiert werden und müssen daher mit der Nahrung zugeführt werden. Der Mangel an Vitaminen in der Nahrung von Mensch und Tier führt zum Verlust oder zur Abnahme der Aktivität der Enzyme, in denen sie enthalten sind. Im Gegensatz zum Proteinanteil sind organische und anorganische Coenzyme sehr resistent gegenüber widrigen Bedingungen (hohe oder niedrige Temperaturen, Strahlung usw.) und können vom Apoenzym getrennt werden.

Enzyme zeichnen sich durch eine hohe Spezifität aus: Sie können nur die entsprechenden Substrate umwandeln und nur bestimmte Reaktionen der gleichen Art katalysieren. Es bestimmt seinen Proteinbestandteil, aber nicht sein gesamtes Molekül, sondern nur seinen kleinen Abschnitt – aktives Zentrum . Seine Struktur entspricht der chemischen Struktur der reagierenden Stoffe. Enzyme zeichnen sich durch eine räumliche Korrespondenz zwischen dem Substrat und dem aktiven Zentrum aus. Sie passen zusammen wie ein Schlüssel zu einem Schloss. In einem Enzymmolekül können mehrere aktive Zentren vorhanden sein. Das aktive Zentrum, also die Verbindung mit anderen Molekülen, befindet sich nicht nur in Enzymen, sondern auch in einigen anderen Proteinen (Häm in den aktiven Zentren von Myoglobin und Hämoglobin). Enzymatische Reaktionen verlaufen in Form aufeinanderfolgender Stufen – von mehreren bis zu zehn.

Die Aktivität komplexer Enzyme zeigt sich nur, wenn der Proteinanteil mit dem Nicht-Proteinanteil kombiniert wird. Außerdem zeigt sich ihre Aktivität nur unter bestimmten Bedingungen: Temperatur, Druck, pH-Wert der Umgebung usw. Enzyme verschiedener Organismen sind bei der Temperatur, an die diese Lebewesen angepasst sind, am aktivsten.

Enzym-Substrat-Komplex

Es bilden sich Substrat-Enzym-Bindungen Enzym-Substrat Komplex.

Gleichzeitig verändert es nicht nur seine eigene Konformation, sondern auch die Konformation des Substrats. Enzymatische Reaktionen können durch eigene Reaktionsprodukte gehemmt werden – mit der Anhäufung von Produkten nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit ab. Wenn nur wenige Reaktionsprodukte vorhanden sind, wird das Enzym aktiviert.

Als Substanzen werden Substanzen bezeichnet, die in den Bereich des aktiven Zentrums eindringen und die katalytischen Gruppen von Enzymen blockieren Inhibitoren (von lat. hemmen- zurückhalten, anhalten). Die Aktivität von Enzymen wird durch Schwermetallionen (Blei, Quecksilber usw.) verringert.

Enzyme reduzieren die Aktivierungsenergie, also die Energiemenge, die erforderlich ist, um Moleküle reaktiv zu machen.

Aktivierungsenergie

Aktivierungsenergie - Dies ist die Energie, die für die chemische Wechselwirkung zweier Verbindungen aufgewendet wird, um eine bestimmte Bindung aufzubrechen. Enzyme haben einen bestimmten Ort in der Zelle und im gesamten Körper. In einer Zelle befinden sich in bestimmten Teilen Enzyme. Viele von ihnen sind mit Zellmembranen oder einzelnen Organellen verbunden: Mitochondrien, Plastiden usw.

Biosynthese von Enzymen, die Organismen regulieren können. Dies ermöglicht es, ihre relativ konstante Zusammensetzung unter erheblichen Änderungen der Umweltbedingungen aufrechtzuerhalten und Enzyme als Reaktion auf solche Änderungen teilweise zu modifizieren. Die Wirkung verschiedener biologisch aktiver Substanzen – Hormone, Medikamente, Pflanzenwachstumsstimulanzien, Gifte usw. – besteht darin, dass sie den einen oder anderen enzymatischen Prozess stimulieren oder unterdrücken können.

Einige Enzyme sind am aktiven Stofftransport durch Membranen beteiligt.

Das Suffix für die Namen der meisten Enzyme lautet -az-. Es wird dem Namen des Substrats hinzugefügt, mit dem das Enzym interagiert. Zum Beispiel, Hydrolasen - katalysieren die Reaktionen der Spaltung komplexer Verbindungen in Monomere durch die Zugabe eines Wassermoleküls an der Stelle eines chemischen Bindungsbruchs in den Molekülen von Proteinen, Polysacchariden und Fetten; Oxidoreduktase - Redoxreaktionen (Übertragung von Elektronen oder Protonen) beschleunigen; Isomerase- tragen zur internen molekularen Umlagerung (Isomerisierung), zur Umwandlung von Isomeren usw. bei.