Σχεδόν όλες οι βιοχημικές αντιδράσεις είναι ενζυματικές. Ένζυμα(βιοκαταλύτες) είναι ουσίες πρωτεϊνικής φύσης που ενεργοποιούνται από μεταλλικά κατιόντα. Είναι γνωστά περίπου 2000 διαφορετικά ένζυμα και περίπου 150 από αυτά έχουν απομονωθεί, μερικά από τα οποία χρησιμοποιούνται ως φάρμακα. Η θρυψίνη και η χυμοθρυψίνη χρησιμοποιούνται για τη θεραπεία της βρογχίτιδας και της πνευμονίας. πεψίνη - για τη θεραπεία της γαστρίτιδας. πλασμίνη - για τη θεραπεία της καρδιακής προσβολής. παγκρεατίνη - για τη θεραπεία του παγκρέατος. Τα ένζυμα διαφέρουν από τους συμβατικούς καταλύτες σε (α) υψηλότερη καταλυτική δράση. (β) υψηλή ειδικότητα, δηλ. επιλεκτική δράση.
Ο μηχανισμός μιας ενζυματικής αντίδρασης ενός υποστρώματος μπορεί να αναπαρασταθεί από το σχήμα:
όπου το Ε είναι ένα ένζυμο,
S - υπόστρωμα,
ES - σύμπλοκο ενζύμου-υποστρώματος,
Το R είναι το προϊόν της αντίδρασης.
Το χαρακτηριστικό του πρώτου σταδίου της ενζυμικής αντίδρασης είναι Σταθερά Michaelis (K M). Το K M είναι το αντίστροφο της σταθεράς ισορροπίας:
η σταθερά Michaelis (KM) χαρακτηρίζει τη σταθερότητα του συμπλόκου ενζύμου-υποστρώματος (ES). Όσο μικρότερη είναι η σταθερά Michaelis (KM), τόσο πιο σταθερό είναι το σύμπλοκο.
Ο ρυθμός μιας ενζυμικής αντίδρασης είναι ίσος με τον ρυθμό του βήματος περιορισμού της ταχύτητας:
όπου k 2 είναι η σταθερά του ρυθμού, που ονομάζεται αριθμός περιστροφώνή μοριακή δραστηριότητα του ενζύμου.
μοριακή δραστηριότητα ενός ενζύμου(k 2) ισούται με τον αριθμό των μορίων υποστρώματος που υφίστανται μετασχηματισμούς υπό την επίδραση ενός μορίου ενζύμου σε 1 λεπτό στους 25 0 C. Αυτή η σταθερά παίρνει τιμές στην περιοχή: 1 10 4< k 2 < 6·10 6 мин‾ 1 .
Για την ουρεάση, η οποία επιταχύνει την υδρόλυση της ουρίας, k 2 = 1,85∙10 6 min‾ 1; για την τριφωσφατάση αδενοσίνης, η οποία επιταχύνει την υδρόλυση του ATP, k 2 = 6,24∙10 6 min‾ 1; για την καταλάση, η οποία επιταχύνει την αποσύνθεση του H 2 O 2, k 2 = 5∙10 6 min‾ 1.
Ωστόσο, η κινητική εξίσωση της ενζυματικής αντίδρασης με τη μορφή με την οποία δίνεται παραπάνω είναι πρακτικά αδύνατη να χρησιμοποιηθεί λόγω της αδυναμίας πειραματικού προσδιορισμού της συγκέντρωσης του συμπλόκου ενζύμου-υποστρώματος (). Εκφράζοντας με όρους άλλων ποσοτήτων, που προσδιορίζονται εύκολα πειραματικά, παίρνουμε την κινητική εξίσωση των ενζυματικών αντιδράσεων,που ονομάζεται Εξίσωση Michaelis-Menten (1913):
,
όπου το γινόμενο k 2 [E]tot είναι η τιμή της σταθεράς, η οποία συμβολίζεται με (μέγιστη ταχύτητα).
Αντίστοιχα: 
Εξετάστε ειδικές περιπτώσεις της εξίσωσης Michaelis-Menten.
1) Σε χαμηλή συγκέντρωση υποστρώματος, K M >> [S], επομένως
που αντιστοιχεί στην κινητική εξίσωση της αντίδρασης πρώτης τάξης.
2) Σε υψηλή συγκέντρωση του υποστρώματος K m<< [S], поэтому
που αντιστοιχεί στην κινητική εξίσωση της αντίδρασης μηδενικής τάξης.
Έτσι, σε χαμηλή συγκέντρωση υποστρώματος, ο ρυθμός ενζυματικής αντίδρασης αυξάνεται με την αύξηση της περιεκτικότητας του υποστρώματος στο σύστημα και σε υψηλή συγκέντρωση υποστρώματος, η κινητική καμπύλη φτάνει σε ένα επίπεδο (ο ρυθμός αντίδρασης δεν εξαρτάται από τη συγκέντρωση του υποστρώματος) Εικ. 30).
Εικόνα 30. - Κινητική καμπύλη της ενζυματικής αντίδρασης
Αν [S] = K M, τότε
που σας επιτρέπει να προσδιορίσετε γραφικά τη σταθερά Michaelis K m (Εικ. 31).
Εικόνα 31. - Γραφικός ορισμός της σταθεράς Michaelis
Η ενζυμική δραστηριότητα επηρεάζεται από: (α) τη θερμοκρασία, (β) την οξύτητα του μέσου, (γ) την παρουσία αναστολέων. Η επίδραση της θερμοκρασίας στον ρυθμό μιας ενζυμικής αντίδρασης συζητείται στο κεφάλαιο 9.3.
Η επίδραση της οξύτητας του μέσου στον ρυθμό της ενζυμικής αντίδρασης φαίνεται στο Σχήμα 32. Η μέγιστη δραστικότητα του ενζύμου αντιστοιχεί στη βέλτιστη τιμή της τιμής του pH (pH opt).
Εικόνα 32. - Επίδραση της οξύτητας των διαλυμάτων στη δραστηριότητα των ενζύμων
Για τα περισσότερα ένζυμα, οι βέλτιστες τιμές pH συμπίπτουν με τις φυσιολογικές τιμές (7,3 - 7,4). Ωστόσο, υπάρχουν ένζυμα που απαιτούν ένα έντονα όξινο (πεψίνη - 1,5-2,5) ή αρκετά αλκαλικό περιβάλλον (αργινάση - 9,5 - 9,9) για την κανονική τους λειτουργία.
Αναστολείς ενζύμων- Πρόκειται για ουσίες που καταλαμβάνουν μέρος των ενεργών κέντρων των μορίων του ενζύμου, με αποτέλεσμα να μειώνεται ο ρυθμός της ενζυματικής αντίδρασης. Κατιόντα βαρέων μετάλλων, οργανικά οξέα και άλλες ενώσεις δρουν ως αναστολείς.
Διάλεξη 11
Η δομή του ατόμου
Υπάρχουν δύο ορισμοί του όρου «άτομο». Ατομοείναι το μικρότερο σωματίδιο ενός χημικού στοιχείου που διατηρεί τις χημικές του ιδιότητες.
Ατομοείναι ένα ηλεκτρικά ουδέτερο μικροσύστημα που αποτελείται από έναν θετικά φορτισμένο πυρήνα και ένα αρνητικά φορτισμένο κέλυφος ηλεκτρονίων.
Το δόγμα του ατόμου έχει προχωρήσει πολύ. Τα κύρια στάδια στην ανάπτυξη της ατομικής περιλαμβάνουν:
1) φυσικό-φιλοσοφικό στάδιο - η περίοδος σχηματισμού της έννοιας της ατομικής δομής της ύλης, που δεν επιβεβαιώθηκε με πείραμα (5ος αιώνας π.Χ. - 16ος αιώνας μ.Χ.).
2) το στάδιο σχηματισμού της υπόθεσης για το άτομο ως το μικρότερο σωματίδιο ενός χημικού στοιχείου (XVIII-XIX αιώνες).
3) το στάδιο της δημιουργίας φυσικών μοντέλων που αντικατοπτρίζουν την πολυπλοκότητα της δομής του ατόμου και καθιστούν δυνατή την περιγραφή των ιδιοτήτων του (αρχές 20ου αιώνα)
4) το σύγχρονο στάδιο της ατομικής ονομάζεται κβαντομηχανική. Κβαντική μηχανικήείναι κλάδος της φυσικής που μελετά την κίνηση των στοιχειωδών σωματιδίων.
ΣΧΕΔΙΟ
11.1. Η δομή του πυρήνα. Ισότοπα.
11.2. Κβαντομηχανικό μοντέλο του ηλεκτρονιακού κελύφους του ατόμου.
11.3. Φυσικά και χημικά χαρακτηριστικά των ατόμων.
Η δομή του πυρήνα. ισότοπα
πυρήνα ατόμου- Αυτό είναι ένα θετικά φορτισμένο σωματίδιο, που αποτελείται από πρωτόνια, νετρόνια και μερικά άλλα στοιχειώδη σωματίδια.
Είναι γενικά αποδεκτό ότι τα κύρια στοιχειώδη σωματίδια του πυρήνα είναι τα πρωτόνια και τα νετρόνια. Πρωτόνιο (p) -είναι ένα στοιχειώδες σωματίδιο του οποίου η σχετική ατομική μάζα είναι 1 amu και του οποίου το σχετικό φορτίο είναι + 1. Νετρόνιο (n) -είναι ένα στοιχειώδες σωματίδιο που δεν έχει ηλεκτρικό φορτίο, η μάζα του οποίου είναι ίση με τη μάζα ενός πρωτονίου.
Ο πυρήνας περιέχει το 99,95% της μάζας ενός ατόμου. Ειδικές πυρηνικές δυνάμεις επέκτασης δρουν μεταξύ στοιχειωδών σωματιδίων, υπερβαίνοντας σημαντικά τις δυνάμεις ηλεκτροστατικής απώθησης.
Το θεμελιώδες χαρακτηριστικό ενός ατόμου είναι χρέωσητου πυρήνες, ίσο με τον αριθμό των πρωτονίων και συμπίπτει με τον αύξοντα αριθμό του στοιχείου στο περιοδικό σύστημα των χημικών στοιχείων. Μια συλλογή (τύπος) ατόμων με το ίδιο πυρηνικό φορτίο ονομάζεται χημικό στοιχείο. Στοιχεία με αριθμούς από το 1 έως το 92 βρίσκονται στη φύση.
ισότοπα- Αυτά είναι άτομα του ίδιου χημικού στοιχείου που περιέχουν τον ίδιο αριθμό πρωτονίων και διαφορετικό αριθμό νετρονίων στον πυρήνα.
όπου ο μαζικός αριθμός (Α) είναι η μάζα του πυρήνα, z το φορτίο του πυρήνα.
Κάθε χημικό στοιχείο είναι ένα μείγμα ισοτόπων. Κατά κανόνα, το όνομα των ισοτόπων συμπίπτει με το όνομα ενός χημικού στοιχείου. Ωστόσο, έχουν εισαχθεί ειδικές ονομασίες για τα ισότοπα υδρογόνου. Το χημικό στοιχείο υδρογόνο αντιπροσωπεύεται από τρία ισότοπα:
Αριθμός p Αριθμός n
Protium H 1 0
Δευτέριο D 1 1
Τρίτιο T 1 2
Τα ισότοπα ενός χημικού στοιχείου μπορεί να είναι είτε σταθερά είτε ραδιενεργά. Τα ραδιενεργά ισότοπα περιέχουν πυρήνες που καταρρέουν αυθόρμητα με την απελευθέρωση σωματιδίων και ενέργειας. Η σταθερότητα ενός πυρήνα καθορίζεται από την αναλογία νετρονίων-πρωτονίων.
Μπαίνοντας στο σώμα, τα ραδιονουκλίδια διαταράσσουν την πορεία των πιο σημαντικών βιοχημικών διεργασιών, μειώνουν την ανοσία, καταδικάζουν το σώμα σε ασθένειες. Το σώμα προστατεύεται από τις επιπτώσεις της ακτινοβολίας απορροφώντας επιλεκτικά στοιχεία από το περιβάλλον. Τα σταθερά ισότοπα έχουν προτεραιότητα έναντι των ραδιενεργών ισοτόπων. Με άλλα λόγια, τα σταθερά ισότοπα εμποδίζουν τη συσσώρευση ραδιενεργών ισοτόπων σε ζωντανούς οργανισμούς (Πίνακας 8).
Το βιβλίο του S. Shannon «Nutrition in the Atomic Age» παρέχει τα ακόλουθα δεδομένα. Εάν μια ανασταλτική δόση ενός σταθερού ισοτόπου ιωδίου, ίση με ~100 mg, ληφθεί το αργότερο 2 ώρες μετά την είσοδο του I-131 στο σώμα, τότε η απορρόφηση του ραδιοϊωδίου στον θυρεοειδή αδένα θα μειωθεί κατά 90%.
Τα ραδιοϊσότοπα χρησιμοποιούνται στην ιατρική
για τη διάγνωση ορισμένων ασθενειών,
για τη θεραπεία όλων των μορφών καρκίνου,
για παθοφυσιολογικές μελέτες.
Πίνακας 8 - Φαινόμενο αποκλεισμού σταθερών ισοτόπων
Η ενζυματική κινητική μελετά τον ρυθμό των αντιδράσεων που καταλύονται από τα ένζυμα ανάλογα με τις διάφορες συνθήκες (συγκέντρωση, θερμοκρασία, pH κ.λπ.) της αλληλεπίδρασής τους με το υπόστρωμα.
Ωστόσο, τα ένζυμα είναι πρωτεΐνες που είναι ευαίσθητες στην επίδραση διαφόρων εξωτερικών επιδράσεων. Επομένως, κατά τη μελέτη του ρυθμού των ενζυματικών αντιδράσεων λαμβάνονται υπόψη κυρίως οι συγκεντρώσεις των αντιδρώντων και η επίδραση της θερμοκρασίας, του pH του μέσου, των ενεργοποιητών, των αναστολέων και άλλων παραγόντων επιχειρείται να ελαχιστοποιηθεί και δημιουργούνται τυπικές συνθήκες. Πρώτον, αυτή είναι η βέλτιστη τιμή pH του μέσου για αυτό το ένζυμο. Δεύτερον, συνιστάται η διατήρηση της θερμοκρασίας στους 25°C, όπου είναι δυνατόν. Τρίτον, επιτυγχάνεται πλήρης κορεσμός του ενζύμου με το υπόστρωμα. Αυτό το σημείο είναι ιδιαίτερα σημαντικό, καθώς σε χαμηλή συγκέντρωση υποστρώματος, δεν συμμετέχουν όλα τα μόρια του ενζύμου στην αντίδραση (Εικ. 6.5, ΕΝΑ), πράγμα που σημαίνει ότι το αποτέλεσμα θα απέχει πολύ από το μέγιστο δυνατό. Η υψηλότερη ισχύς της καταλυόμενης αντίδρασης, ενώ άλλα πράγματα είναι ίσα, επιτυγχάνεται εάν κάθε μόριο ενζύμου εμπλέκεται στον μετασχηματισμό, δηλ. σε υψηλή συγκέντρωση του συμπλόκου ενζύμου-υποστρώματος (Εικ. 6.5, V).Εάν η συγκέντρωση του υποστρώματος δεν εξασφαλίζει πλήρη κορεσμό του ενζύμου (Εικ. 6.5, σι), τότε ο ρυθμός της αντιδράσεως που εξελίσσεται δεν φτάνει τη μέγιστη τιμή.
Ρύζι. 65.
ΕΝΑ -σε χαμηλή συγκέντρωση υποστρώματος. 6 - με ανεπαρκή συγκέντρωση του υποστρώματος. V -όταν το ένζυμο είναι πλήρως κορεσμένο με το υπόστρωμα
Ο ρυθμός μιας ενζυμικής αντίδρασης, που μετράται υπό τις παραπάνω συνθήκες, και ο πλήρης κορεσμός του ενζύμου με το υπόστρωμα ονομάζεται μέγιστο ρυθμό ενζυματικής αντίδρασης (V).
Ο ρυθμός της ενζυματικής αντίδρασης, που προσδιορίζεται όταν το ένζυμο δεν είναι πλήρως κορεσμένο με το υπόστρωμα, συμβολίζεται v.
Η ενζυματική κατάλυση μπορεί να περιγραφεί απλοϊκά από το σχήμα
όπου το F είναι ένα ένζυμο. S - υπόστρωμα? FS - σύμπλοκο ενζύμου-υποστρώματος.
Κάθε στάδιο αυτής της διαδικασίας χαρακτηρίζεται από μια ορισμένη ταχύτητα. Η μονάδα μέτρησης του ρυθμού μιας ενζυματικής αντίδρασης είναι ο αριθμός των mol του υποστρώματος που μετατρέπονται σε μονάδα χρόνου(όπως ο ρυθμός μιας κανονικής αντίδρασης).
Η αλληλεπίδραση του ενζύμου με το υπόστρωμα οδηγεί στον σχηματισμό ενός συμπλόκου ενζύμου-υποστρώματος, αλλά αυτή η διαδικασία είναι αναστρέψιμη. Οι ρυθμοί της μπροστινής και της αντίστροφης αντίδρασης εξαρτώνται από τις συγκεντρώσεις των αντιδρώντων και περιγράφονται από τις αντίστοιχες εξισώσεις:
Η εξίσωση (6.3) ισχύει σε κατάσταση ισορροπίας, αφού οι ρυθμοί της μπροστινής και της αντίστροφης αντίδρασης είναι ίσοι.
Αντικαθιστώντας τους ρυθμούς των άμεσων (6.1) και της αντίστροφης (6.2) αντιδράσεων στην εξίσωση (6.3), λαμβάνουμε την ισότητα:
Η κατάσταση ισορροπίας χαρακτηρίζεται από το αντίστοιχο σταθερά ισορροπίας K p,ίση με την αναλογία των σταθερών άμεσων και αντίστροφων αντιδράσεων (6.5). Το αντίστροφο της σταθεράς ισορροπίας ονομάζεται σταθερά υποστρώματος K s ,ή τη σταθερά διάστασης του συμπλόκου ενζύμου-υποστρώματος:
Από την εξίσωση (6.6) είναι σαφές ότι η σταθερά του υποστρώματος μειώνεται σε υψηλή συγκέντρωση του συμπλόκου ενζύμου-υποστρώματος, δηλ. με μεγάλη σταθερότητα. Επομένως, η σταθερά του υποστρώματος χαρακτηρίζει τη συγγένεια του ενζύμου και του υποστρώματος και την αναλογία των σταθερών ρυθμού για το σχηματισμό και τη διάσταση του συμπλόκου ενζύμου-υποστρώματος.
Το φαινόμενο του κορεσμού ενός ενζύμου με ένα υπόστρωμα μελετήθηκε από τους Leonor Michaelis και Maud Mepten. Με βάση τη μαθηματική επεξεργασία των αποτελεσμάτων, έβγαλαν την εξίσωση (6.7), η οποία έλαβε τα ονόματά τους, από την οποία είναι σαφές ότι σε υψηλή συγκέντρωση του υποστρώματος και χαμηλή τιμή της σταθεράς του υποστρώματος, ο ρυθμός της ενζυματικής αντίδρασης τείνει στο μέγιστο. Ωστόσο, αυτή η εξίσωση είναι περιορισμένη επειδή δεν λαμβάνει υπόψη όλες τις παραμέτρους:
Το σύμπλεγμα ενζύμου-υποστρώματος κατά τη διάρκεια της αντίδρασης μπορεί να υποστεί μετασχηματισμούς σε διαφορετικές κατευθύνσεις:
- διάσπαση στις αρχικές ουσίες·
- να μετατραπεί σε προϊόν από το οποίο το ένζυμο διαχωρίζεται αμετάβλητο.
Επομένως, για να περιγράψουμε τη συνολική επίδραση της ενζυμικής διαδικασίας, η έννοια Σταθερές Michaelis K t,που εκφράζει τη σχέση των σταθερών ρυθμού και των τριών αντιδράσεων ενζυματικής κατάλυσης (6.8). Εάν και οι δύο όροι διαιρεθούν με τη σταθερά ταχύτητας της αντίδρασης σχηματισμού του συμπλόκου ενζύμου-υποστρώματος, τότε θα ληφθεί η έκφραση (6.9):
Ένα σημαντικό συμπέρασμα προκύπτει από την εξίσωση (6.9): η σταθερά Michaelis είναι πάντα μεγαλύτερη από τη σταθερά του υποστρώματος κατά k 2 /kv
Αριθμητικά Κ τείναι ίση με μια τέτοια συγκέντρωση του υποστρώματος στην οποία ο ρυθμός αντίδρασης είναι ο μισός από τον μέγιστο δυνατό ρυθμό και αντιστοιχεί σε τέτοιο κορεσμό του ενζύμου με το υπόστρωμα, όπως στο Σχ. 6.5, σι.Δεδομένου ότι στην πράξη δεν είναι πάντα δυνατό να επιτευχθεί πλήρης κορεσμός του ενζύμου με το υπόστρωμα, είναι Κ τχρησιμοποιείται για τη σύγκριση των κινητικών χαρακτηριστικών των ενζύμων.
Ο ρυθμός της ενζυματικής αντίδρασης στην περίπτωση ατελούς κορεσμού του ενζύμου με το υπόστρωμα (6.10) εξαρτάται από τη συγκέντρωση του συμπλόκου ενζύμου-υποστρώματος. Ο συντελεστής αναλογικότητας είναι η σταθερά της αντίδρασης για την απελευθέρωση του ενζύμου και του προϊόντος, καθώς αυτό αλλάζει τη συγκέντρωση του συμπλόκου ενζύμου-υποστρώματος:
Μετά τους μετασχηματισμούς, λαμβάνοντας υπόψη τις εξαρτήσεις που παρουσιάζονται παραπάνω, ο ρυθμός της ενζυματικής αντίδρασης στην περίπτωση ατελούς κορεσμού του ενζύμου με το υπόστρωμα περιγράφεται από την εξίσωση (6.11), δηλ. εξαρτάται από τις συγκεντρώσεις του ενζύμου, του υποστρώματος και τη συγγένειά τους Ks:
Η γραφική εξάρτηση του ρυθμού της ενζυματικής αντίδρασης από τη συγκέντρωση του υποστρώματος δεν είναι γραμμική. Όπως είναι προφανές από το Σχ. 6.6, με αύξηση της συγκέντρωσης του υποστρώματος, παρατηρείται αύξηση της δραστηριότητας του ενζύμου. Ωστόσο, όταν επιτευχθεί ο μέγιστος κορεσμός του ενζύμου με το υπόστρωμα, ο ρυθμός της ενζυματικής αντίδρασης γίνεται μέγιστος. Επομένως, ο παράγοντας που περιορίζει την ταχύτητα αντίδρασης είναι ο σχηματισμός ενός συμπλόκου ενζύμου-υποστρώματος.
Η πρακτική έχει δείξει ότι οι συγκεντρώσεις των υποστρωμάτων, κατά κανόνα, εκφράζονται σε τιμές πολύ μικρότερες από τη μονάδα (10 6 - 10 3 mol). Είναι αρκετά δύσκολο να λειτουργήσει κανείς με τέτοιες ποσότητες στους υπολογισμούς. Επομένως, οι G. Lineweaver και D. Burke πρότειναν να εκφραστεί η γραφική εξάρτηση του ρυθμού ενζυματικής αντίδρασης όχι σε άμεσες συντεταγμένες, αλλά σε αντίστροφες. Προέκυψαν από την υπόθεση ότι για ίσες τιμές, οι αντίστροφές τους είναι επίσης ίσες:
Ρύζι. 6.6.
Μετά τον μετασχηματισμό της έκφρασης (6.13), προκύπτει μια έκφραση που ονομάζεται Εξίσωση Lineweaver-Burk (6.14):
Η γραφική εξάρτηση της εξίσωσης Lineweaver-Burk είναι γραμμική (Εικ. 6.7). Τα κινητικά χαρακτηριστικά του ενζύμου προσδιορίζονται ως εξής:
- το τμήμα που αποκόπτεται στον άξονα y είναι ίσο με 1/V;
- το τμήμα που αποκόπτεται στον άξονα x είναι -1 /Κ τ.
Ρύζι. 6.7.
Πιστεύεται ότι η μέθοδος Lineweaver - Burke σας επιτρέπει να προσδιορίσετε με μεγαλύτερη ακρίβεια τον μέγιστο ρυθμό αντίδρασης από ό,τι σε άμεσες συντεταγμένες. Πολύτιμες πληροφορίες σχετικά με την αναστολή ενζύμων μπορούν επίσης να εξαχθούν από αυτό το γράφημα.
Υπάρχουν άλλοι τρόποι μετατροπής της εξίσωσης Michaelis-Menten. Οι γραφικές εξαρτήσεις χρησιμοποιούνται για τη μελέτη της επίδρασης διαφόρων εξωτερικών επιρροών στην ενζυματική διαδικασία.
Αυτό το τμήμα της ενζυμολογίας μελετά την επίδραση διαφόρων παραγόντων στο ρυθμό μιας ενζυμικής αντίδρασης. Λαμβάνοντας υπόψη τη γενική εξίσωση της ενζυμικής κατάλυσης της αναστρέψιμης αντίδρασης της μετατροπής ενός υποστρώματος σε ένα προϊόν (1),
Οι κύριοι παράγοντες που επηρεάζουν τον ρυθμό μιας ενζυμικής αντίδρασης θα πρέπει να ονομάζονται: συγκέντρωση υποστρώματος [S], συγκέντρωση ενζύμου [E] και συγκέντρωση προϊόντος αντίδρασης [P].
Η αλληλεπίδραση ορισμένων ενζύμων με το υπόστρωμά τους μπορεί να περιγραφεί με μια υπερβολική καμπύλη της εξάρτησης του ρυθμού ενζυματικής αντίδρασης V από τη συγκέντρωση του υποστρώματος [S] (Εικ. 19):
Εικ. 19. Εξάρτηση του ρυθμού της ενζυματικής αντίδρασης από τη συγκέντρωση του υποστρώματος.
Σε αυτήν την καμπύλη μπορούν να διακριθούν τρία τμήματα, τα οποία μπορούν να εξηγηθούν από τις θέσεις του μηχανισμού αλληλεπίδρασης του ενζύμου με το υπόστρωμα: ΟΑ είναι το τμήμα της ευθέως αναλογικής εξάρτησης του V από το [S], τις ενεργές θέσεις του ενζύμου. γεμίζουν σταδιακά με μόρια υποστρώματος με το σχηματισμό ενός ασταθούς συμπλόκου ES. τμήμα ΑΒ - καμπυλόγραμμη εξάρτηση του V από το [S], δεν έχει ακόμη επιτευχθεί πλήρης κορεσμός των ενεργών κέντρων του ενζύμου με μόρια υποστρώματος. Το σύμπλεγμα ES πριν φτάσει στη μεταβατική κατάσταση είναι ασταθές, η πιθανότητα οπισθοδιάσπασης στα Ε και Σ είναι ακόμα υψηλή. τμήμα BC - η εξάρτηση περιγράφεται από μια εξίσωση μηδενικής τάξης, η τομή είναι παράλληλη στον άξονα [S], επιτυγχάνεται πλήρης κορεσμός των ενεργών ενζύμων με μόρια υποστρώματος, V=V max .
Το χαρακτηριστικό σχήμα της καμπύλης περιγράφεται μαθηματικά από την εξίσωση Briggs-Haldane:
V=V μέγ. ● [S]/ Km + [S] (2),
όπου Km είναι η σταθερά Michaelis-Menten, αριθμητικά ίση με τη συγκέντρωση υποστρώματος στην οποία ο ρυθμός της ενζυματικής αντίδρασης είναι ίσος με μισό V max.
Όσο χαμηλότερο είναι το Km του ενζύμου, τόσο μεγαλύτερη είναι η συγγένεια του ενζύμου για το υπόστρωμα, τόσο πιο γρήγορα επιτυγχάνεται η μεταβατική κατάσταση για το υπόστρωμα και μετατρέπεται σε προϊόν αντίδρασης. Η αναζήτηση τιμών Km για κάθε ένα από τα υποστρώματα του ενζύμου με ειδικότητα ομάδας είναι σημαντική για τον προσδιορισμό του βιολογικού ρόλου αυτού του ενζύμου στο κύτταρο.
Για τα περισσότερα ένζυμα είναι αδύνατη η κατασκευή μιας υπερβολικής καμπύλης (Εικ. 19) Στην περίπτωση αυτή χρησιμοποιείται η μέθοδος της διπλής αντίστροφης (Lineweaver-Burk), δηλ. απεικονίζεται μια γραφική εξάρτηση 1/[V] στο 1/[S] (Εικ. 20). Η μέθοδος κατασκευής τέτοιων καμπυλών σε ένα πείραμα είναι πολύ βολική κατά τη μελέτη της επίδρασης διαφόρων τύπων αναστολέων στη δραστηριότητα των ενζύμων (δείτε το παρακάτω κείμενο).
Εικ.20. Οικόπεδο 1/[V] έναντι 1/[S] (μέθοδος Lineweaver-Burk),
όπου y-περιοχή αποκοπής - , και x - περιοχή αποκοπής - 
, η εφαπτομένη της γωνίας α - .
Εξάρτηση του ρυθμού ενζυματικής αντίδρασης V από τη συγκέντρωση του ενζύμου [E].
Αυτή η γραφική εξάρτηση (Εικ. 21) λαμβάνεται υπόψη στη βέλτιστη θερμοκρασία και pH του περιβάλλοντος, σε συγκεντρώσεις υποστρώματος που είναι σημαντικά υψηλότερες από τη συγκέντρωση κορεσμού των ενεργών θέσεων του ενζύμου.
Ρύζι. 21. Επίδραση της συγκέντρωσης του ενζύμου στον ρυθμό της ενζυματικής αντίδρασης.
Εξάρτηση του ρυθμού της ενζυμικής αντίδρασης από τη συγκέντρωση του συμπαράγοντα ή του συνενζύμου.Για σύνθετα ένζυμα, πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι η ανεπάρκεια συνενζυμικών μορφών βιταμινών στην υποβιταμίνωση, η παραβίαση της πρόσληψης μεταλλικών ιόντων στο σώμα οδηγεί απαραίτητα σε μείωση της συγκέντρωσης των αντίστοιχων ενζύμων που είναι απαραίτητα για την πορεία του μεταβολισμού διαδικασίες. Επομένως, θα πρέπει να συναχθεί το συμπέρασμα ότι η δραστηριότητα του ενζύμου εξαρτάται άμεσα από τη συγκέντρωση του συμπαράγοντα ή του συνενζύμου.
Επίδραση της συγκέντρωσης των προϊόντων στον ρυθμό της ενζυματικής αντίδρασης.Για αναστρέψιμες αντιδράσεις που συμβαίνουν στο ανθρώπινο σώμα, πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι τα προϊόντα της άμεσης αντίδρασης μπορούν να χρησιμοποιηθούν από το ένζυμο ως υποστρώματα για την αντίστροφη αντίδραση. Επομένως, η κατεύθυνση της ροής και η στιγμή της επίτευξης V max εξαρτώνται από την αναλογία των συγκεντρώσεων των αρχικών υποστρωμάτων και των προϊόντων αντίδρασης. Για παράδειγμα, η δραστηριότητα της αμινοτρανσφεράσης της αλανίνης, η οποία καταλύει τον μετασχηματισμό:
Αλανίνη + Άλφα-κετογλουταρικό ↔ Πυρουβικό + Γλουταμινικό
εξαρτάται στο κύτταρο από την αναλογία των συγκεντρώσεων:
[αλανίνη + άλφα-κετογλουταρικό] / [πυρουβικό + γλουταμινικό].
ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΕΝΖΥΜΙΚΗΣ ΔΡΑΣΗΣ. ΘΕΩΡΙΕΣ ΕΝΖΥΜΑΤΙΚΗΣ ΚΑΤΑΛΥΣΗΣ
Τα ένζυμα, όπως και οι μη πρωτεϊνικοί καταλύτες, αυξάνουν τον ρυθμό μιας χημικής αντίδρασης λόγω της ικανότητάς τους να μειώνουν την ενέργεια ενεργοποίησης αυτής της αντίδρασης. Η ενέργεια ενεργοποίησης μιας ενζυματικής αντίδρασης υπολογίζεται ως η διαφορά μεταξύ της ενεργειακής τιμής στο σύστημα της συνεχιζόμενης αντίδρασης που έχει φτάσει στη μεταβατική κατάσταση και της ενέργειας που προσδιορίστηκε στην αρχή της αντίδρασης (δείτε τη γραφική εξάρτηση στο Σχ. 22).
Ρύζι. 22. Γραφική εξάρτηση της ενεργειακής κατάστασης μιας χημικής αντίδρασης χωρίς ένζυμο (1) και παρουσία ενζύμου (2) από το χρόνο της αντίδρασης.
Οι εργασίες των V. Henry και, ειδικότερα, L. Michaelis, M. Menten σχετικά με τη μελέτη του μηχανισμού αναστρέψιμων ενζυματικών αντιδράσεων σε μονο-υπόστρωμα κατέστησαν δυνατό να υποτεθεί ότι το ένζυμο Ε πρώτα αναστρέψιμα και σχετικά γρήγορα συνδυάζεται με το υπόστρωμά του S για να σχηματιστεί σύμπλοκο ενζύμου-υποστρώματος (ES):
E+S<=>ES (1)
Ο σχηματισμός ES συμβαίνει λόγω δεσμών υδρογόνου, ηλεκτροστατικών, υδρόφοβων αλληλεπιδράσεων, σε ορισμένες περιπτώσεις ομοιοπολικών δεσμών συντονισμού μεταξύ των πλευρικών ριζών των υπολειμμάτων αμινοξέων του ενεργού κέντρου και των λειτουργικών ομάδων του υποστρώματος. Στα σύνθετα ένζυμα, το μη πρωτεϊνικό τμήμα της δομής μπορεί επίσης να εκτελέσει τη λειτουργία της επαφής με το υπόστρωμα.
Το σύμπλοκο ενζύμου-υποστρώματος στη συνέχεια διασπάται σε μια δεύτερη πιο αργή αναστρέψιμη αντίδραση για να σχηματίσει το προϊόν αντίδρασης P και το ελεύθερο ένζυμο Ε:
ES<=>ΕΡ<=>E + P (2)
Επί του παρόντος, χάρη στην εργασία των προαναφερθέντων επιστημόνων, καθώς και των Kaylin D., Chance B., Koshland D. (η θεωρία της «επαγόμενης συμμόρφωσης»), υπάρχουν θεωρητικές διατάξεις για τέσσερα κύρια σημεία του μηχανισμού δράση ενζύμων στο υπόστρωμα, η οποία καθορίζει την ικανότητα των ενζύμων να επιταχύνουν τις χημικές αντιδράσεις.
1. Προσανατολισμός και εγγύτητα . Το ένζυμο είναι σε θέση να δεσμεύει το μόριο του υποστρώματος με τέτοιο τρόπο ώστε ο δεσμός που προσβάλλεται από το ένζυμο όχι μόνο να βρίσκεται σε άμεση γειτνίαση με την καταλυτική ομάδα, αλλά και να προσανατολίζεται σωστά σε σχέση με αυτήν. Η πιθανότητα το σύμπλεγμα ES να φτάσει στη μεταβατική κατάσταση λόγω προσανατολισμού και προσέγγισης είναι πολύ αυξημένη.
2. Στρες και καταπόνηση : επαγόμενη προσαρμογή. Η προσκόλληση ενός υποστρώματος μπορεί να προκαλέσει διαμορφωτικές αλλαγές στο μόριο του ενζύμου, οι οποίες οδηγούν σε τάση στη δομή της ενεργού θέσης, και επίσης κάπως παραμορφώνουν το δεσμευμένο υπόστρωμα, διευκολύνοντας έτσι την επίτευξη της μεταβατικής κατάστασης από το σύμπλεγμα ES. Υπάρχει μια λεγόμενη επαγόμενη αντιστοιχία μεταξύ των μορίων E και S.
ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΕΝΖΥΜΑΤΙΚΩΝ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΩΝ
Το Vfr καθορίζεται από την ποσότητα της ουσίας που μετατρέπεται ανά μονάδα χρόνου. Το V αυτών των αντιδράσεων εξαρτάται από την επίδραση εξωτερικών παραγόντων (θερμοκρασία, pH, έκθεση σε φυσικές και ξένες ενώσεις κ.λπ.).
Το Vfr είναι ένα μέτρο της καταλυτικής δραστηριότητας και αναφέρεται απλώς ως ενζυμική δραστηριότητα.
Η ενζυμική δραστηριότητα μπορεί να μετρηθεί μόνο έμμεσα:
1) κατά το ποσό του S που μετατράπηκε.
2) αύξηση της συγκέντρωσης P ανά μονάδα χρόνου.
Για να εκφράσετε τη συγκέντρωση ενός ενζύμου, χρησιμοποιήστε:
α) η μονάδα μέτρησης των ενζύμων είναι η ποσότητα του ενζύμου που καταλύει τη μετατροπή 1 μmol S ανά λεπτό. [µmol/min];
β) 1 καταλ (γάτα) - η ποσότητα των ενζύμων που είναι ικανά να προκαλέσουν τη μετατροπή 1 mol S σε P σε 1 sec. [mol/s].
1 γάτα \u003d 6 × 107E; 1E = 16,67 (n γάτα)
Για να εκφράσετε τη δραστηριότητα των ενζύμων χρησιμοποιήστε:
α) η ειδική δραστηριότητα των ενζύμων είναι ο αριθμός των ενζύμων ανά 1 mg ή ο αριθμός της γάτας. ανά 1 kg πρωτεΐνης.
β) μοριακή δραστηριότητα ή αριθμός στροφών είναι ο αριθμός των μορίων S που μετατρέπονται από ένα μόριο Ε σε 1 λεπτό.
Ένα μόριο ερυθροκυτταρικής καταλάσης διασπά 5×106 μόρια H2O2 σε 1 λεπτό.
Η ειδικότητα της δράσης των ενζύμων
Η έννοια του συμπλέγματος E S και το ACP συνδέονται στενά με μια ειδική ιδιότητα των ενζύμων - την ειδικότητά τους. Ανάλογα με τον βαθμό εξειδίκευσης (με φθίνουσα σειρά) διακρίνονται:
I. Ειδικότητα στερεοχημικού υποστρώματος - σε αυτή την περίπτωση, τα ένζυμα καταλύουν μόνο 1 μορφή S (1 ισομερές). Για παράδειγμα, η φουμαρική υδράση καταλύει μόνο τη μετατροπή του φουμαρικού οξέος, αλλά δεν καταλύει τη μετατροπή του ισομερούς του, του μηλεϊνικού οξέος.
II. Απόλυτη ειδικότητα υποστρώματος - Το E μετατρέπει μόνο 1S. Για παράδειγμα, η ουρεάση μετατρέπει μόνο την ουρία.
III. Απόλυτη ομάδα S-th ειδικότητα. Τα ένζυμα δρουν σε μια ομάδα παρόμοιων S-in. Για παράδειγμα, η DG αλκοόλη μετατρέπει όχι μόνο την αιθανόλη, αλλά και άλλες αλειφατικές αλκοόλες.
IV. Σχετική ομάδα S-th ειδικότητα. Το ένζυμο δεν δρα σε μια ομάδα μορίων S, αλλά σε ορισμένους δεσμούς ορισμένων ομάδων S. Για παράδειγμα, η πεψίνη και η θρυψίνη είναι ειδικές για πεπτιδικούς δεσμούς σε διαφορετικές πρωτεΐνες.
V. Σχετική S-th ειδικότητα. Το ένζυμο καταλύει, μετατρέπεται σε S-in, που ανήκει σε διάφορες ομάδες χημικών ενώσεων. Για παράδειγμα, το ένζυμο cytochrome-450 καταλύει αντιδράσεις υδροξυλίωσης έως και 7000 διαφορετικών S-v. Αυτό είναι το λιγότερο ειδικό ενζυμικό σύστημα.
Υπάρχουν δύο θεωρίες που εξηγούν την ειδικότητα των ενζύμων.
Η υπόθεση του Ε. Fisher είναι η υπόθεση «κλειδί και κλειδαριά» ή η υπόθεση «μοτίβο». Σύμφωνα με τον Fischer, ένα ένζυμο είναι μια άκαμπτη δομή, η ACF της οποίας είναι ένα ακριβές "cast" του S. Εάν το S πλησιάσει το Ε σαν ένα κλειδί σε μια κλειδαριά, τότε θα συμβεί μια αντίδραση. Εάν το S αλλάξει ελαφρώς («κλειδί»), τότε δεν αντιστοιχεί στο ACF («κλείδωμα») και η αντίδραση καθίσταται αδύνατη. Παρά τη λογική μιας τέτοιας εξήγησης, η υπόθεση του Fisher δεν εξηγεί σε τι βασίζεται τότε η απόλυτη και σχετική ιδιαιτερότητα της ομάδας. Για παράδειγμα, το κυτόχρωμα-450 συνδυάζεται με τόσα πολλά S-in, διαφορετικής δομής.
Αυτές οι εξωτερικές αντιφάσεις εξηγούνται από την υπόθεση του Koshland, ή την υπόθεση της αναγκαστικής αντιστοιχίας. Σύμφωνα με τον Koshland, το μόριο του ενζύμου δεν είναι «άκαμπτο», αλλά η εύκαμπτη δομή και η διαμόρφωση του ενζύμου και του ACP του αρχίζουν να αλλάζουν τη στιγμή που το ένζυμο συνδέεται με S ή άλλους συνδέτες. Στο σχηματισμό του συμπλέγματος E-S, εκτός από τη γεωμετρική συμπληρωματικότητα, λαμβάνει χώρα και ηλεκτροστατική συμπληρωματικότητα, η οποία πραγματοποιείται λόγω του ζευγαρώματος των αντίθετα φορτισμένων μορίων E και S. Στην πραγματικότητα, προφανώς, λαμβάνουν χώρα και οι δύο παραλλαγές πρόσθεσης.
Η υπόθεση του Koshland καθιστά δυνατή την εξήγηση γιατί συμβαίνει ο μετασχηματισμός των στενών αναλόγων του S-to. Εάν το «ψευδές» υπόστρωμα (οιονεί-S) διαφέρει από το φυσικό και το ACP λάβει μια διαμόρφωση κοντά στο αληθινό υπόστρωμα, τότε η διάταξη των καταλυτικών ομάδων σε ένα τέτοιο σύμπλεγμα E-S θα επιτρέψει τη διεξαγωγή της αντίδρασης. Αυτή η «απάτη» δεν φαίνεται να γίνεται αντιληπτή από το ένζυμο, αν και η αντίδραση δεν προχωρά τόσο γρήγορα όσο με ένα αληθινό υπόστρωμα. Εάν η διαμόρφωση του οιονεί υποστρώματος δεν επιτρέπει στην καταλυτική ομάδα να τοποθετηθεί σωστά, τότε η αντίδραση δεν θα προχωρήσει. Εκείνοι. Εάν το εύρος των διαμορφωτικών αναδιατάξεων περιορίζεται σε ένα μόνο δυνατό, τότε το ένζυμο είναι εξαιρετικά ειδικό και εάν οι δυνατότητες αναδιάταξης ACP είναι μεγάλες, τότε το ένζυμο λειτουργεί επίσης σε οιονεί υποστρώματα.
Εξάρτηση του Vfr από το περιβάλλον pH
Κάθε ένζυμο έχει το δικό του βέλτιστο pH, στο οποίο το Vfr είναι το μέγιστο. Η απόκλιση του pH προς τη μία ή την άλλη κατεύθυνση οδηγεί σε μείωση της δραστηριότητας του ενζύμου. Τα περισσότερα από τα ένζυμα έχουν pH ~7,0, δηλαδή συμπίπτει με τις φυσιολογικές τιμές pH.
Στη βέλτιστη τιμή pH, οι λειτουργικές ομάδες του ACP και του ίδιου του S είναι στην πλέον προτιμώμενη μορφή για σύνδεση. Ορισμένα ένζυμα έχουν βέλτιστο pH που διαφέρει απότομα από τις φυσιολογικές τιμές· η πεψίνη είναι 100% ενεργή σε pH = 1,5-2,5. αργινάση - σε pH = 10.
Vfr εξάρτηση από τη θερμοκρασία
Με την αύξηση της θερμοκρασίας του μέσου, το Vfr αυξάνεται, φτάνοντας τις βέλτιστες τιμές των ~ 20-40ºС για τα περισσότερα ένζυμα.
Η θερμική ικανότητα των ενζύμων σχετίζεται με τη δομή της πρωτεΐνης τους: όταν η θερμοκρασία αυξάνεται στους 40-50ºС και άνω, μετουσιώνονται.
Για ορισμένα ένζυμα, η μετουσίωση συμβαίνει στους 0°C.
Για οποιεσδήποτε χημικές αντιδράσεις, με αύξηση της θερμοκρασίας για κάθε 10ºС, η αντίδραση V αυξάνεται κατά 2-3 φορές· για τις ενζυμικές αντιδράσεις, αυτός ο συντελεστής είναι χαμηλότερος - 2 ή ακόμα λιγότερο. Εξαίρεση: το θερμοσταθερό ένζυμο αδενιμική κυκλάση μπορεί να αντέξει σε θερμοκρασίες 100ºС και το ένζυμο καταλάση είναι ενεργό στους 0ºС.
Εξάρτηση του Vfr από συζ. ΜΙΚΡΟ.
Ο μηχανισμός δράσης των ενζύμων περιγράφεται από την εξίσωση Michaelis-Menten. Μπορείτε να ρυθμίσετε την εξάρτηση του Vfr από το [S] γραφικά.
α) σύμφωνα με την καμπύλη Michaelis: όσο μικρότερο είναι το Km, τόσο μεγαλύτερο είναι το Vm και τόσο μεγαλύτερη είναι η συγγένεια του E για το S.
Το Vmax αντιστοιχεί στην κατάσταση πλήρους κορεσμού του όγκου του ενζύμου S.
σε διάλυμα, η περίσσεια Ε (3 mol S, 5 mol E) είναι η θέση κορεσμού του όγκου του ενζύμου S.
β) με τη μέθοδο των αντίστροφων του Linetsiver-Burk, όπου η εξάρτηση του Vfr από το [S] υπολογίζεται σε αντίστροφα.
Ρύθμιση της ενζυμικής δραστηριότητας.
Τα ένζυμα είναι καταλύτες με ελεγχόμενη δραστηριότητα, επομένως το Vfr μπορεί να ελεγχθεί μέσω ενζύμων. Η ρύθμιση της δραστηριότητας μπορεί να πραγματοποιηθεί με την αλληλεπίδραση ενζύμων με διάφορα βιολογικά συστατικά ή ξένες ενώσεις (φάρμακα, δηλητήρια), που ονομάζονται τροποποιητές. Εάν με την παρουσία ενός τροποποιητή το Vfr αυξάνεται, τότε αυτοί οι τροποποιητές ονομάζονται ενεργοποιητές και εάν πέσει, αναστολείς.
Ενεργοποίηση ενζύμου.
Υπάρχουν διάφοροι τύποι ενεργοποίησης ενζύμων.
1. Ενεργοποίηση με δράση στις υπομονάδες των μορίων του ενζύμου. Ορισμένα ένζυμα έχουν NS με τη μορφή 2 υπομονάδων: καταλυτική και ρυθμιστική. Κατά την αποθήκευση του CW, το ACF είναι κρυφό.
Για παράδειγμα, πολλά ένζυμα στο σώμα παράγονται με τη μορφή προενζύμων ή ζυμογόνων, δηλαδή σε ανενεργή κατάσταση. Ανάλογα με τις ανάγκες, ένας συγκεκριμένος αριθμός από αυτούς ενεργοποιείται. Για παράδειγμα, το ανενεργό τρυψινογόνο μετατρέπεται σε ενεργή θρυψίνη από το ένζυμο εντεροκινάση.
2. Τα ιόντα επηρεάζουν την ενεργοποίηση των ενζύμων:
α) κατιόντα - η επίδρασή τους είναι πιο συγκεκριμένη από τα ανιόντα. Τα ίδια τα κατιόντα μπορούν να δράσουν ως προσθετικές ομάδες σε ένζυμα (Fe στο κυτόχρωμα) ή, με την παρουσία τους, να δράσουν στο ένζυμο, ενεργοποιώντας το. Για παράδειγμα, η ανθρακική ανυδράση ενεργοποιείται παρουσία Zn+2.
β) ανιόντα - δρουν λιγότερο ειδικά και συνήθως επηρεάζουν το 2ο στάδιο του δ.φ. – αποσύνθεση του συμπλέγματος Ε.Σ. Ωστόσο, μερικές φορές τα ανιόντα είναι άμεσοι ενεργοποιητές των ενζύμων. Για παράδειγμα, το Cl- ενεργοποιεί το ανενεργό πεψινογόνο και το μετατρέπει σε ενεργή πεψίνη.
3. Ενεργοποίηση με προστασία των ενζύμων από την αδρανοποιητική επίδραση διαφόρων επιρροών. Παρέχεται με συγκεκριμένες ουσίες που εμποδίζουν την αρνητική επίδραση στα ένζυμα.
Αναστολή ενζύμου.
Οι ουσίες που προκαλούν μερική ή πλήρη αναστολή των ενζύμων ονομάζονται αναστολείς (I). Οι αναστολείς έχουν την ικανότητα να συνδέονται ισχυρά με το ένζυμο. Σε αυτή τη βάση, η αναστολή διακρίνεται: αναστρέψιμη και μη αναστρέψιμη.
Με αναστρέψιμη αναστολή, το I και το E αλληλεπιδρούν. Εάν ο αναστολέας εξουδετερωθεί με κάποιο τρόπο (για παράδειγμα, με αιμοκάθαρση), τότε η δραστηριότητα του Ε αποκαθίσταται. Αν αυτό δεν μπορεί να επιτευχθεί, τότε μιλάμε για μη αναστρέψιμη αναστολή.
Αναστρέψιμη αναστολή
ανταγωνιστικό μη ανταγωνιστικό
Η ανταγωνιστική αναστολή μπορεί να προκληθεί από ουσίες με δομή παρόμοια με αυτή του αληθινού S.
Το I και το S ανταγωνίζονται για το ACP, το σύμπλοκο με το ένζυμο σχηματίζει αυτή την ένωση, τα μόρια της οποίας είναι μεγαλύτερα. Είτε το I είτε το S συνδέεται με το ένζυμο· για τέτοια αναστολή, ισχύει η ακόλουθη εξίσωση: .
Η ανταγωνιστική αναστολή ΠΟΤΕ δεν σχηματίζει ένα τριπλό σύμπλεγμα E S I, το οποίο διακρίνει αυτόν τον τύπο αναστολής από άλλους.
Για παράδειγμα, η DG succinate είναι μέρος των αγροκτημάτων. συστήματα CTC. Το φυσικό του S είναι ηλεκτρικό. Οι αναστολείς μπορεί να είναι οξαλοξικό, μηλονικό (οιονεί υποστρώματα).
Σε περίσσεια, ο αναστολέας συνδέεται με πολωμένες ομάδες στο ηλεκτρικό ACP DH.
Υπό ανταγωνιστική αναστολή, το Vmax δεν αλλάζει ποτέ, αλλά το Km αλλάζει. Η κλίση των καμπυλών παρουσία του Ι αυξάνεται, με αποτέλεσμα να αυξάνεται το Km
Με βάση τα αποτελέσματα του πειράματος, η καμπύλη Michaelis-Menten μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον καθορισμό της ανταγωνιστικής φύσης του I (αυξάνοντας το Km και τη σταθερότητα Vmax). Η φύση αυτής της καμπύλης υποδεικνύει επίσης την αντιστρεψιμότητα της διαδικασίας, δηλαδή, αυξάνοντας το [S], είναι δυνατό να μειωθεί ο χρόνος για να φτάσετε στο Vmax.
Η μέθοδος της ανταγωνιστικής αναστολής έχει βρει ευρεία εφαρμογή στην ιατρική πρακτική.
Το παρα-αμινοβενζοϊκό οξύ και το σουλφανιλαμίδιο έχουν παρόμοια δομή. Το p-ABA-tu χρησιμοποιείται από το βακτηριακό κύτταρο για τη σύνθεση του φολικού οξέος, το οποίο είναι αναπόσπαστο μέρος των βακτηριακών ενζύμων. Το C/a μπλοκάρει τη δράση των ενζύμων που συνθέτουν φολικό οξύ, με αποτέλεσμα να σταματά η ανάπτυξη των βακτηρίων.
Η μη ανταγωνιστική αναστολή είναι αναστρέψιμη αναστολή όταν αλληλεπιδρά όχι με το ACP, αλλά με άλλες λειτουργικές ομάδες ενζύμων, δηλαδή, σε αυτήν την περίπτωση, δεν έχω δομική ομοιότητα με το S. Η προσθήκη ενός τέτοιου αναστολέα μειώνει τη δραστηριότητα του ένζυμο, και όχι η συγγένειά του για το S, δηλαδή ο αναστολέας δεν αλλάζει Km, αλλά μειώνει το μέγ. Vfr.
Με αυτόν τον τύπο αναστολής, σχηματίζονται ανενεργά σύμπλοκα χαμηλής διάστασης E I ή E I S. Για παράδειγμα, η δράση του HCN, άλλων χημικών ενώσεων που δεσμεύουν ιόντα Me ή άλλες λειτουργικές ομάδες στο μόριο του ενζύμου.
Μικτή αναστολή (ή μερικώς μη ανταγωνιστικός τύπος) - η μείωση του Vmax συνδυάζεται με την αύξηση του Km.
Σε αυτή την περίπτωση, σχηματίζεται ένα σύμπλοκο E I S και το S σε αυτό υφίσταται αργό καταλυτικό μετασχηματισμό.
Η αναστολή υποστρώματος είναι μια μείωση του Vfr με μια σημαντική αύξηση στο [S]. Αρχικά, με την αύξηση του [S] το Vfr αυξάνεται, φτάνοντας στο μέγιστο, αλλά με περαιτέρω αύξηση του [S] το Vfr αρχίζει να πέφτει.
Ο μηχανισμός της ανασταλτικής δράσης της περίσσειας S είναι ποικίλος. Τις περισσότερες φορές, αυτή είναι η αλληλεπίδραση των ενδιάμεσων ενώσεων E S με ένα ή περισσότερα μόρια S, με αποτέλεσμα το σχηματισμό μιας ανενεργής ένωσης, στη συνέχεια
υπάρχει ένα σύμπλεγμα που δεν δίνει προϊόντα αντίδρασης.
Μέθοδοι ρύθμισης της ενζυμικής δραστηριότητας
Σε έναν ζωντανό οργανισμό συμβαίνουν ταυτόχρονα αντιδράσεις σύνθεσης, αποσύνθεσης και αλληλομετατροπής χιλιάδων διαφόρων ουσιών. Όλα αυτά τα σετ αντιδράσεων ρυθμίζονται στο σώμα μέσω διαφόρων μηχανισμών, οι πιο σημαντικοί από τους οποίους είναι:
α) ρύθμιση με βάση το είδος της ανατροφοδότησης· χαρακτηριστικό των αντιδράσεων σύνθεσης. Η συσσώρευση προϊόντων αντίδρασης πάνω από το επιτρεπόμενο επίπεδο έχει ισχυρή ανασταλτική επίδραση στο πρώτο στάδιο της διαδικασίας:
β) αλλοστερική ρύθμιση της ενζυμικής δραστηριότητας - χαρακτηριστικό μόνο για μια ειδική ομάδα ενζύμων με SN που έχουν ρυθμιστικά κέντρα για τη δέσμευση αλλοστερικών τελεστών. Οι αρνητικοί τελεστές αναστέλλουν τη μετατροπή του S και δρουν ως αλλοστερικοί αναστολείς. Οι θετικοί τελεστές, αντίθετα, επιταχύνουν το Vfr, επομένως αναφέρονται ως αλλοστερικοί ενεργοποιητές.
Ο μηχανισμός δράσης των αλλοστερικών αναστολέων στο ένζυμο είναι η αλλαγή του ACF αυτού του ενζύμου. Η μείωση του Vfr είναι είτε συνέπεια αύξησης του Km, είτε αποτέλεσμα μείωσης του Vmax, στις ίδιες συγκεντρώσεις κορεσμού του S. Οι αλλοστερικοί ενεργοποιητές, αντίθετα, διευκολύνουν τη μετατροπή του S σε ACP, η οποία συνοδεύεται από είτε μείωση σε Km είτε αύξηση Vmax.
Η διαμερισματοποίηση είναι ένα φαινόμενο κατά το οποίο, με τη βοήθεια των μεμβρανών, ο χωρικός διαχωρισμός
α) ένα ένζυμο από το S του (για παράδειγμα, λυσωμικά ένζυμα από ουσίες στις οποίες δρουν στο κυτταρόπλασμα).
β) διαδικασίες που είναι ταυτόχρονα ασύμβατες μεταξύ τους. Η σύνθεση των λιπαρών οξέων συμβαίνει στο διαλυτό μέρος του κυτταροπλάσματος και η διάσπαση των λιπαρών οξέων συμβαίνει στα μιτοχόνδρια.
Κινητική ενζυματικών αντιδράσεων. Αυτός ο κλάδος της ενζυμολογίας μελετά την επίδραση χημικών και φυσικών παραγόντων στον ρυθμό μιας ενζυμικής αντίδρασης. Το 1913, ο Michaelis και ο Menten δημιούργησαν μια θεωρία ενζυματικής κινητικής με βάση το γεγονός ότι ένα ένζυμο (Ε) αλληλεπιδρά με ένα υπόστρωμα (S) για να σχηματίσει ένα ενδιάμεσο σύμπλεγμα ενζύμου-υποστρώματος (ES), το οποίο στη συνέχεια αποσυντίθεται σε ένα ένζυμο και μια αντίδραση. προϊόν σύμφωνα με την εξίσωση:
Κάθε στάδιο της αλληλεπίδρασης του υποστρώματος με το ένζυμο χαρακτηρίζεται από τις δικές του σταθερές ρυθμού. Ο λόγος του αθροίσματος των σταθερών ρυθμού για την αποδόμηση ενός συμπλόκου ενζύμου-υποστρώματος προς τη σταθερά ταχύτητας για το σχηματισμό ενός συμπλόκου ενζύμου-υποστρώματος ονομάζεται σταθερά Michaelis (Km). Καθορίζει τη συγγένεια του ενζύμου για το υπόστρωμα. Όσο χαμηλότερη είναι η σταθερά Michaelis, όσο μεγαλύτερη είναι η συγγένεια του ενζύμου για το υπόστρωμα, τόσο υψηλότερος είναι ο ρυθμός της αντίδρασης που καταλύεται από αυτό. Σύμφωνα με την τιμή Km, οι καταλυτικές αντιδράσεις μπορούν να χωριστούν σε γρήγορες (Km 106 mol/l και λιγότερο) και αργές (Km 102 έως 106).
Ο ρυθμός μιας ενζυμικής αντίδρασης εξαρτάται από τη θερμοκρασία, την αντίδραση του μέσου, τη συγκέντρωση των αντιδρώντων, την ποσότητα του ενζύμου και άλλους παράγοντες.
1. Εξετάστε την εξάρτηση του ρυθμού αντίδρασης από την ποσότητα του ενζύμου. Υπό την προϋπόθεση περίσσειας του υποστρώματος, ο ρυθμός αντίδρασης είναι ανάλογος με την ποσότητα του ενζύμου, αλλά με περίσσεια του ενζύμου, η αύξηση του ρυθμού αντίδρασης θα μειωθεί, αφού το υπόστρωμα δεν θα είναι πλέον αρκετό.
2. Ο ρυθμός των χημικών αντιδράσεων είναι ανάλογος της συγκέντρωσης των αντιδρώντων (νόμος της δράσης της μάζας). Αυτός ο νόμος ισχύει και για ενζυμικές αντιδράσεις, αλλά με ορισμένους περιορισμούς. Στα σταθερά
Παρουσία ενζύμων, ο ρυθμός αντίδρασης είναι πράγματι ανάλογος με τη συγκέντρωση του υποστρώματος, αλλά μόνο στο εύρος των χαμηλών συγκεντρώσεων. Σε υψηλές συγκεντρώσεις υποστρώματος, το ένζυμο γίνεται κορεσμένο με το υπόστρωμα, δηλαδή, έρχεται μια στιγμή που όλα τα μόρια του ενζύμου εμπλέκονται ήδη στην καταλυτική διαδικασία και δεν θα υπάρξει αύξηση στον ρυθμό αντίδρασης. Ο ρυθμός αντίδρασης φτάνει στο μέγιστο επίπεδο (Vmax) και στη συνέχεια δεν εξαρτάται πλέον από τη συγκέντρωση του υποστρώματος. Η εξάρτηση του ρυθμού αντίδρασης από τη συγκέντρωση του υποστρώματος πρέπει να προσδιορίζεται σε εκείνο το τμήμα της καμπύλης που είναι κάτω από το Vmax. Τεχνικά, είναι ευκολότερο να προσδιοριστεί όχι η μέγιστη ταχύτητα, αλλά ½ Vmax. Αυτή η παράμετρος είναι το κύριο χαρακτηριστικό της ενζυμικής αντίδρασης και καθιστά δυνατό τον προσδιορισμό της σταθεράς Michaelis (Km).
Km (σταθερά Μιχάλης) είναι η συγκέντρωση του υποστρώματος στην οποία ο ρυθμός της ενζυματικής αντίδρασης είναι ο μισός του μέγιστου. Από αυτό, προκύπτει η εξίσωση Michaelis-Menten για τον ρυθμό της ενζυματικής αντίδρασης.
