Ensüümid

Ainevahetust kehas võib määratleda kui kõigi keemiliste muutuste kogumit, millesse väljastpoolt tulevad ühendid läbivad. Need transformatsioonid hõlmavad kõiki teadaolevaid keemiliste reaktsioonide tüüpe: funktsionaalrühmade molekulidevaheline ülekanne, keemiliste sidemete hüdrolüütiline ja mittehüdrolüütiline lõhustamine, molekulisisene ümberkorraldamine, keemiliste sidemete uus moodustumine ja redoksreaktsioonid. Sellised reaktsioonid toimuvad organismis ülisuurel kiirusel ainult katalüsaatorite juuresolekul. Kõik bioloogilised katalüsaatorid on valgulised ained ja neid nimetatakse ensüümideks (edaspidi F) või ensüümideks (E).

Ensüümid ei ole reaktsioonide komponendid, vaid ainult kiirendavad tasakaalu saavutamist, suurendades nii otsese kui ka pöördkonversiooni kiirust. Reaktsiooni kiirenemine toimub aktiveerimisenergia vähenemise tõttu - energiabarjäär, mis eraldab süsteemi ühe oleku (algne keemiline ühend) teisest (reaktsiooniprodukt).

Ensüümid kiirendavad erinevaid reaktsioone organismis. Niisiis, traditsioonilise keemia seisukohast üsna lihtne, süsihappest vee eemaldamise reaktsioon CO 2 moodustumisega nõuab ensüümi osalemist, sest ilma selleta liigub see vere pH reguleerimiseks liiga aeglaselt. Tänu ensüümide katalüütilisele toimele organismis on võimalikud reaktsioonid, mis ilma katalüsaatorita kulgeksid sadu ja tuhandeid kordi aeglasemalt.

Ensüümide omadused

1. Mõju keemilise reaktsiooni kiirusele: ensüümid suurendavad keemilise reaktsiooni kiirust, kuid neid ise ei tarbita.

Reaktsiooni kiirus on reaktsiooni komponentide kontsentratsiooni muutus ajaühikus. Kui see läheb ettepoole, siis on see võrdeline reagentide kontsentratsiooniga, kui vastupidises suunas, siis on see võrdeline reaktsioonisaaduste kontsentratsiooniga. Päri- ja tagurpidi reaktsioonide kiiruste suhet nimetatakse tasakaalukonstandiks. Ensüümid ei saa muuta tasakaalukonstandi väärtusi, kuid ensüümide juuresolekul tekib tasakaaluseisund kiiremini.

2. Ensüümide toime spetsiifilisus. Keharakkudes toimub 2-3 tuhat reaktsiooni, millest igaüht katalüüsib konkreetne ensüüm. Ensüümi toime eripära seisneb võimes kiirendada ühe konkreetse reaktsiooni kulgu, ilma et see mõjutaks teiste, isegi väga sarnaste reaktsioonide kiirust.

Seal on:

Absoluutne- kui F katalüüsib ainult ühte spetsiifilist reaktsiooni (arginaas - arginiini lõhustamine)

Sugulane(erirühm) – F katalüüsib teatud klassi reaktsioone (näiteks hüdrolüütiline lõhustamine) või reaktsioone, mis hõlmavad teatud klassi aineid.

Ensüümide spetsiifilisus tuleneb nende ainulaadsest aminohappejärjestusest, mis määrab reaktsioonikomponentidega interakteeruva aktiivtsentri konformatsiooni.

Ainet, mille keemilist muundumist katalüüsib ensüüm, nimetatakse substraat (S) .

3. Ensüümi aktiivsus – võime reaktsioonikiirust erineval määral kiirendada. Aktiivsus väljendub:

1) Rahvusvahelised aktiivsusühikud – (IU) ensüümi kogus, mis katalüüsib 1 µM substraadi muundumist 1 minuti jooksul.

2) Katalahh (kat) - katalüsaatori (ensüümi) kogus, mis on võimeline muutma 1 mooli substraati 1 sekundi jooksul.

3) Eriaktiivsus – aktiivsusühikute arv (ükskõik milline ülalnimetatutest) uuritavas proovis ja valgu kogumass selles proovis.

4) Harvem kasutatav on molaarne aktiivsus – substraadi molekulide arv, mida muundab üks ensüümi molekul minutis.

Aktiivsus sõltub eelkõige temperatuuril . See või teine ​​ensüüm avaldab oma suurimat aktiivsust optimaalsel temperatuuril. Elusorganismi puhul jääb see väärtus olenevalt looma tüübist vahemikku +37,0 - +39,0 °C. Temperatuuri langedes Browni liikumine aeglustub, difusioonikiirus väheneb ja sellest tulenevalt aeglustub kompleksi moodustumise protsess ensüümi ja reaktsioonikomponentide (substraatide) vahel. Kui temperatuur tõuseb üle +40 - +50 °C, toimub ensüümi molekulis, mis on valk, denaturatsiooniprotsess. Sel juhul keemilise reaktsiooni kiirus märgatavalt langeb (joonis 4.3.1.).

Ensüümide aktiivsus sõltub ka keskkonna pH . Enamiku neist on teatud optimaalne pH väärtus, mille juures nende aktiivsus on maksimaalne. Kuna rakus on sadu ensüüme ja igaühel neist on oma pH piirid, on pH muutused üheks oluliseks teguriks ensümaatilise aktiivsuse reguleerimisel. Niisiis, ühe keemilise reaktsiooni tulemusena teatud ensüümi osalusel, mille pH väärtus jääb vahemikku 7,0–7,2, moodustub toode, mis on hape. Sel juhul nihkub pH väärtus vahemikku 5,5–6,0. Ensüümi aktiivsus väheneb järsult, toote moodustumise kiirus aeglustub, kuid samal ajal aktiveerub teine ​​ensüüm, mille pH väärtused on optimaalsed ja esimese reaktsiooni saadus läbib täiendava keemilise muundamise. (Veel üks näide pepsiini ja trüpsiini kohta).

1. muuta reaktsiooni vaba energiat

2. pärssida pöördreaktsiooni

3. muuta reaktsiooni tasakaalukonstanti

4. suunake reaktsioon mööda möödaviiguteed, mille aktiveerimisenergia väärtus on vahereaktsioonide jaoks madalam

102. Ensüümi molekuli konformatsiooni muutus võib toimuda:

2. ainult siis, kui pH muutub

103. Ensüümi funktsionaalrühmade ionisatsiooniaste muutub, kui:

1. ainult siis, kui temperatuur muutub

2. ainult siis, kui pH muutub

3. ainult siis, kui mõlemad tingimused muutuvad

4. ei esine ühegi muudatusega

104. Peptiidsidemete hüdrolüüs toimub siis, kui:

1. ainult siis, kui temperatuur muutub

2. ainult siis, kui pH muutub

3. kui mõlemad tingimused muutuvad

4. ei esine temperatuuri ja pH muutuste korral

105. Nõrkade sidemete rikkumine ensüümi molekulis toimub siis, kui:

2. ainult siis, kui pH muutub

3. kui mõlemad tingimused muutuvad

4. ei esine ühegi muudatusega

106 Pepsiinil on optimaalne toime pH väärtustel:

1. 1,5-2,5

107. Enamiku ensüümide toimimiseks on optimaalne pH:

1. pH< 4,0

3. 6,0 < pH < 8,0

108. Valige järgmiste väidete hulgast õiged:

1. kõik ensüümid näitavad maksimaalset aktiivsust pH = 7 juures

2. enamik ensüüme avaldavad maksimaalset aktiivsust neutraalsele lähedasel pH-l

3. pepsiin näitab maksimaalset aktiivsust pH = 1,5-2,5 juures

109. Michaelise-Menteni võrrandi abil saate arvutada:

4. vaba energia muutumine keemilise reaktsiooni käigus

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

1. keemilise reaktsiooni aktiveerimisenergia

2. ensüümi katalüüsitud reaktsiooni kiirus

3. keemilise reaktsiooni energiabarjäär

111. Valige õiged vastused: Michaelise konstant (K m) on:

2. Isoensüümide jaoks võib olla erinev tähendus

3. Väärtus, mille juures kõik ensüümi molekulid on ES-vormis

4. Mida suurem on selle väärtus, seda suurem on ensüümi afiinsus substraadi suhtes

112. Vali õiged vastused: Michaelise konstant (K m) on:

1. Ensüümi reaktsiooni kineetika parameeter

2. Väärtus, mille juures kõik ensüümi molekulid on ES-vormis

3. Mida suurem on selle väärtus, seda suurem on ensüümi afiinsus substraadi suhtes

4. Substraadi kontsentratsioon, mille juures saavutatakse pool maksimaalsest reaktsioonikiirusest (V max).

113. Nimeta allosteeriliste ensüümide ehituse ja talitluse tunnused:

3. interaktsioonil ligandidega täheldatakse subühikute konformatsiooni kooperatiivset muutust

4. interaktsioonil ligandidega täheldatakse subühikute konformatsiooni kooperatiivset muutust

114. Nimetage allosteeriliste ensüümide ehituse ja talitluse tunnused:

1. reeglina on need oligomeersed valgud

2. reeglina ei ole need oligomeersed valgud

3. avaldavad reguleerivaid omadusi molekuli protomeerideks dissotsieerumisel

4. interaktsioonil ligandidega täheldatakse subühikute konformatsiooni kooperatiivset muutust

Ensüümid. Ensümaatiliste reaktsioonide kineetika

Biokeemilised reaktsioonid toimuvad ainult ensüümide, st katalüsaatorite osalusel, mis on oma koostiselt ja struktuurilt valgud. Nii anorgaanilise kui ka orgaanilise keemia kursusest on teada katalüütilise toimega aineid. Selliseid aineid, mida nimetatakse katalüsaatoriteks, leidub kõigis aineklassides – lihtainetes (nii metallides kui ka mittemetallides), hapetes, alustes, oksiidides, soolades. Katalüsaatoreid kasutatakse eriti laialdaselt orgaanilises keemias, kuna orgaanilisi aineid iseloomustab suhteliselt madal reaktsioonivõime. Liikudes keemia uude etappi – biokeemiasse, kohtame uut katalüsaatorite klassi – ensüüme. Valgumolekulide struktuuride lõpmatu mitmekesisus osutub kõigi looduses toimuvate biokeemiliste protsesside katalüsaatoriks sobivate spetsiaalsete valkude biosünteesi eelduseks.

Ensümaatilisel katalüüsil on kõikidele katalüütilistele protsessidele iseloomulikud tunnused, kuid leitakse ka põhimõtteliselt olulisi erinevusi. Üldised mustrid hõlmavad järgmist:

Ensüümid suurendavad reaktsiooni kiirust, kuid ei nihuta keemilist tasakaalu;

Ensüümid kiirendavad neid reaktsioone, mis võivad antud tingimustes toimuda spontaanselt;

Ensüümide osalusel toimub ka spontaanne reaktsioon koos spontaanse reaktsiooniga

Ensümaatilise reaktsiooni kiirus sõltub reagentide (substraadi ja ensüümi) temperatuurist ja kontsentratsioonist.

Ensümaatiliste reaktsioonide eripärad on järgmised:

Ensüüme eristab suurem substraadi selektiivsus kui tavalistel katalüsaatoritel. Sageli kiirendab ensüüm ainult ühte biokeemilist reaktsiooni või üsna kitsast seotud reaktsioonide rühma;

Ensüümid toimivad stereospetsiifiliselt, kiirendades vaid ühe võimaliku ruumilise isomeeri sünteesi.

Ensüümid avaldavad aktiivsust piiratud temperatuurivahemikus – alla antud valgu denaturatsioonitemperatuuri;

Ensüümi aktiivsus sõltub söötme pH-st; Igal ensüümil on optimaalne pH väärtus, mille juures aktiivsus on maksimaalne.

Paljud ensüümid toimivad ainult siis, kui neid aktiveerivad koensüümid – madala molekulmassiga molekulid ja ioonid.

Ensüüme saab lahustada või sisestada rakumembraanidesse.

Ensüümi aktiivsus võib sõltuda reaktsioonisaaduse kontsentratsioonist.

Ensüüme leidub rakkudes äärmiselt madalas kontsentratsioonis. Nende määramine koeekstraktides või vedelikes on keeruline ülesanne. Seetõttu on ensüümide katalüütilise aktiivsuse määramiseks välja töötatud spetsiaalsed lähenemisviisid. Mõõdetakse olemasoleva ensüümi toimel toimuva reaktsiooni kiirust. Tulemust väljendatakse ensüümi aktiivsuse ühikutes. Seejärel võrreldakse ensüümi suhtelisi koguseid erinevates ekstraktides. Aktiivsuse ühikuid väljendatakse µmol (10–6), nmol (10–9) või pmol (10–12) tarbitud substraadi või moodustunud produkti ajaühiku (minuti) kohta. Rahvusvahelisi tegevusühikuid tähistatakse U, nU ja pU.

Ensümaatilise katalüüsi puhul on rakendatavad keemiliste reaktsioonide kiiruste teooria aluspõhimõtted. Reaktsiooni toimumiseks on vajalik ensüümi molekulide (leitakse tähistused F, E, Enz) ja substraadi (S) lähenemine (kokkupõrge), mis on piisav sidemete moodustamiseks. Selleks, et kokkupõrge oleks produktiivne (aktiivne), peab molekulidel olema piisavalt energiat energiabarjääri ületamiseks. Nagu teate, nimetatakse seda barjääri aktiveerimisenergiaks. Ensümaatilise reaktsiooni teatud etappides toimib ensüüm tavalise reagendina, reageerides molaarsuhtes 1:1. Ensümaatilisi protsesse kujutatakse sageli spetsiaalsete diagrammidega. Näiteks rühmaülekande reaktsioon

A–B + D A–D + B

ensüümi osalusel on kujutatud järgmiselt:

A–B Enz A–D

Teise näitena ensümaatilise reaktsiooni diagrammi kirjutamisest võtame isomeerimisreaktsiooni

S  iso-S

Ensüümi osalusel kirjutatakse reaktsioon järgmiselt:

S Enz iso-S

Nooled loovad pildi tsüklilisest protsessist, milles osalevad substraadi S molekulid ja toote molekulid, mida sageli tähistatakse P-ga, vabanevad.

Ensüüm on kompleksmolekul, mis koosneb sadadest aminohappejääkidest ja tuhandetest aatomitest. Sellises molekulis saab substraadiga seondumises osaleda ainult väike rühm aatomeid. Seda rühma nimetatakse aktiivseks keskuseks. E. Fischer pakkus välja Enz-S interaktsiooni mudeli kui võtme ja luku vastavust. Ainult sellise vastavuse olemasolul saab toimuda substraadi muundumine. Selgeks saab ensüümi toime selektiivsus. See mudel ei ole kaotanud oma tähtsust, kuid hiljem pakuti välja indutseeritud sobivusmudel (Koshland), mis võtab arvesse ensüümi molekuli paindlikkust. Kui ensüümi ja substraadi molekulid lähenevad üksteisele, tekivad ensüümis konformatsioonilised muutused, mis annavad reaktsioonikeskusele lõpliku konfiguratsiooni. Substraadiga sarnased molekulid võivad põhjustada ka ensüümis konformatsioonilisi muutusi, kuid sel juhul ilmnevad konformatsioonide erinevused, milles töötav aktiivne tsenter ei ilmu.

Temperatuuri mõju

Piiratud temperatuurivahemikus enne valgu denaturatsiooni algust ensümaatilise reaktsiooni kiirus suureneb, järgides Arrheniuse võrrandiga väljendatud tavapärast seadust. Paljusid ensümaatilisi reaktsioone iseloomustab kahele lähedane temperatuurikoefitsient Q10. See vastab aktiveerimisenergiale E a = 55 kJ/mol temperatuuril 37.

Valkude denaturatsiooni temperatuurile lähenedes kiiruse kasv aeglustub, seejärel saavutatakse maksimumkiirus ja siis algab järsk kiiruse langus, kuna kaovad katalüüsivõimelised ensüümi molekulid. Katalüütilise reaktsiooni kiiruse sõltuvus temperatuurist on toodud joonisel 1.

Sõltuvus pH-st

Kui pH muutub, nihkub prootoniülekande tasakaal ja vastavalt ensüümi molekulide ja sageli ka substraadi molekulide laengud. Madalatel pH väärtustel ensüüm protoneerub ja omandab positiivse laengu. Kõrgetel tasemetel see deprotoneerub ja omandab negatiivse laengu. See mõjutab ensümaatiliste reaktsioonide kiirust. Kui ensüümimolekuli teatud laenguväärtusega vormidest avaldab aktiivsust ainult üks, siis läbib selle kontsentratsioon teatud pH väärtuse M juures maksimumi ja aktiivsus avaldub pH M 1 piires. Saavutatakse aktiivsuse sõltuvus pH-st, nagu on näidatud joonisel fig. 2.

Iga ensüümi jaoks on optimaalne pH väärtus, mille juures toimub suurim aktiivsus. PH suurte kõrvalekallete korral optimaalsest väärtusest võib tekkida ensüümi denaturatsioon.

Sõltuvus kontsentratsioonidest

Matemaatilisel kujul on kiiruse sõltuvus kontsentratsioonist kujutatud kineetilise võrrandi kujul. Ensümaatilise reaktsiooni kiirus sõltub nii substraadi kontsentratsioonist kui ka ensüümi kontsentratsioonist, kusjuures muud tegurid on võrdsed (T, pH). Tuleb arvestada, et ensüüm on kõrgmolekulaarne aine ja selle kontsentratsioon on kordades väiksem kui substraadi kontsentratsioon. Laske lahusel sisaldada substraati koos M r = 100 ja ensüüm c M r = 100000. Mõlema reagendi massikontsentratsioonid on 1 mg/l. Nende molaarsed kontsentratsioonid on järgmised:

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

1000 substraadi molekuli kohta on üks ensüümi molekul. Tegelik suhe võib olla oluliselt suurem. See määrab ensümaatilise kineetika kineetiliste võrrandite vormi.

Ensümaatiliste reaktsioonide kineetika tüüpiline tunnus on see, et kiirus on madalate kontsentratsioonide korral proportsionaalne substraadi kontsentratsiooniga ja muutub kõrgete kontsentratsioonide korral kontsentratsioonist sõltumatuks. Need katsetulemused on graafiliselt kujutatud kõverjoonega joonisel fig. 3.

Selle sõltuvuse selgitamiseks pakuti välja kaheastmeline reaktsiooniskeem. Alguses moodustab pöörduv reaktsioon ensüümi-substraadi kompleksi S … E, milles substraadi molekul muundatakse. Teises etapis katkeb side muutunud substraadi molekuli ja ensüümi vahel ning tekib vaba produkti molekul P. Iga transformatsiooni iseloomustab oma kiiruskonstant.

k 1 k 2

S + E S .... E  E + P

Sellise mehhanismiga protsessi jaoks tuletasid L. Michaelis ja Menten võrrandi kiiruse sõltuvuse kohta kontsentratsioonist S, mida nimetatakse Michaelise-Menteni võrrandiks.

Kirjutame kineetilised võrrandid lõpp-produkti ja ensüüm-substraadi kompleksi moodustamiseks:

v =
= k 2 c(SE) (1)

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

Kogu (esialgne) ensüümi kontsentratsioon on alati palju väiksem kui substraadi kontsentratsioon, nagu eespool märgitud. Reaktsiooni käigus vaba ensüümi kontsentratsioon c(E) väheneb kompleksi moodustumise tõttu

c(E) = c o(E)  c(SE) (3)

Püsiseisundis jääb kompleksi kontsentratsioon konstantseks:

= 0

Sellest tingimusest saame

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

Asenda avaldis (3) avaldisega (4)

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

Võrrandis (5) avame nurksulud ja teisendame selle, et leida ensüümi-substraadi kompleksi SE kontsentratsioon:

Lugeja ja nimetaja jagamine k 1, saame

(6)

Nimetatakse avaldist, mis koosneb võrrandi nimetaja konstantidest Michaelis konstantneK M :

(7)

Asendame saadud avaldise võrrandiga. 1:

(8)

Saadud ur. 8 – üks Michaelis-Menteni võrrandi kirjutamise vorme. Analüüsime seda võrrandit. Paljudes ensümaatilistes reaktsioonides on teise etapi konstant k 2 oluliselt vähem moodustumise konstante k 1 ja kokku kukkuda k–1 ensüümi-substraadi kompleks. Sellistel juhtudel on Michaelise konstant ligikaudu võrdne kompleksi algseteks molekulideks lagunemise tasakaalukonstandiga:

Substraadi kõrge kontsentratsiooni korral, kui c(S) K M , konstantne K M võib tähelepanuta jätta ja siis c(S) võrrandis. 8 on vähendatud; sel juhul saab kiirus maksimaalse väärtuse:

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

Maksimaalne kiirus sõltub ensüümi kontsentratsioonist ja ei sõltu substraadi kontsentratsioonist. See tähendab, et reaktsioon kulgeb substraadi suhtes nulljärjekorras.

Madalatel substraadikontsentratsioonidel, kui c(S) K M, toimub reaktsioon substraadi suhtes esimeses järjekorras:

v =

Seega muutub substraadi kontsentratsiooni suurenedes reaktsiooni järjekord esimesest (joonis 4 I piirkond) nulliks (III piirkond).

1/2v max

Michaelis-Menteni võrrandi saab kirjutada maksimaalse kiiruse abil:

(10)

See võrrandi vorm on mugav katse tulemuste esitamiseks, kui ensüümi kontsentratsioon pole teada.

Kui reaktsioonikiirus on pool maksimaalsest kiirusest, siis võrrandist. 10 järeldub, et Michaelise konstant on võrdne vastava substraadi kontsentratsiooniga (joonis 4):

, kus K M = c"(S)

Michaelise konstandi täpsemaks määramiseks graafilise meetodi abil teisendatakse Eq. 10 muutujate pöördväärtuste kaudu. Vahetame võrrandis lugeja ja nimetaja. 10:

või

Michaelis-Menteni võrrandi graafiline esitus pöördkoordinaatides 1/ v – 1/c(S) nimetatakse Lineweaver-Burki graafikuks (joonis 5). See on 1/-teljel lõikuva sirge graafik. v segment, mis on võrdne maksimaalse kiiruse pöördväärtusega. Sirge jätkamine negatiivsesse piirkonda, kuni see lõikub horisontaalteljega, annab lõigu, mille absoluutväärtus on 1/ K M. Seega määratakse graafikult parameetrite 1/ pöördväärtused v max ja 1/ K M ja seejärel parameetrid ise.

On ensüüme, mille toime ei allu rangelt ur. Michaelisa-Menten. Kõrge substraadikontsentratsiooni korral saavutatakse maksimaalne kiirus, madalal aga sõltuvusgraafik v– S võtab nn sigmoidse kuju. See tähendab, et algul suureneb kiirus kiirendusega (kõvera kumerus on suunatud allapoole, vt joon. 6) ja seejärel pärast pöördepunkti kiirus suureneb aeglustades ja läheneb maksimumkiirusele. Seda seletatakse substraadi koostöömõjuga ensüümis mitme sidumissaidi juuresolekul. Ühe S-molekuli seondumine soodustab teise molekuli seondumist teises kohas.

Ensüümid on väga spetsiifilised valgukatalüsaatorid, mis kiirendavad keemilisi reaktsioone looma- ja taimeorganismides. Peaaegu kõik keemilised transformatsioonid elusaines toimuvad ensüümide abil. Võime öelda, et ensüümid on elusorganismide biokeemiliste protsesside liikumapanev jõud.

Olenevalt nende olemusest ja eesmärgist võivad ensüümid sattuda keskkonda või jääda rakusse. Nad ei kaota oma katalüütilist võimet ka pärast organismist väljutamist (kuid väljaspool rakke lagundavad ensüümid ainult aineid). See on aluseks nende kasutamisele toidu-, kerge- ja meditsiinitööstuses, põllumajanduses ja teistes rahvamajanduse sektorites.

Akadeemik I. P. Pavlov kirjutas: „Ensüümid on nii-öelda elutegevuse esimene akt. Kõiki kehas toimuvaid keemilisi protsesse juhivad need ained, need on kõigi keemiliste muutuste põhjustajad. Kõik need ained mängivad tohutut rolli, määravad protsessid, mille kaudu elu avaldub, on täies mõttes elu tekitajad.

Kõik ensümaatilised reaktsioonid toimuvad lihtsalt ja kiiresti. Organismis katalüüsitavate ensümaatiliste reaktsioonidega ei kaasne kõrvalsaaduste teket, samas kui kunstlike katalüsaatorite abil läbiviidavates orgaanilistes reaktsioonides tekib alati vähemalt üks või mitu sellist produkti.

Elusorganismides on ensüümid korrastatud olekus. Raku üksikutes struktuursetes moodustistes toimuvad ensümaatilised reaktsioonid rangelt määratletud järjekorras. Olles omavahel täpselt kooskõlastatud, tagavad individuaalsed reaktsioonitsüklid rakkude, elundite, kudede ja kogu organismi elutähtsa aktiivsuse. Raku üksikutes osades toimuvad rangelt määratletud biokeemilised protsessid.

Kuigi ensüümidel on elusorganismides ülioluline roll, on neil oluline roll toiduainete ja paljude muude tööstustoodete tootmisel, aga ka põllumajanduses. Tootmine etüülalkohol, õlu, vein, tee, leib, hapendatud piim ja paljud teised ensüümide toimel põhinevad tooted . Ensüümid osalevad valmimine ja üleküpsemine Puuviljad ja köögiviljad, valmimine ja riknemine liha ja kala, säilitamine teraviljad, jahu, teravili ja muud tooted .

Mõnel juhul võib ensüümide esinemine toidu töötlemisel olla ebasoovitav. Selle näiteks on puu- ja köögiviljade ensümaatilise tumenemise reaktsioon ensüümi polüfenooloksüdaasi toimel või jahurasvade rääsumine teravilja idudes leiduvate ensüümide lipaasi ja lipoksidaasi toimest. .

Praegu on bioloogilistest objektidest eraldatud umbes 3500 ensüümi ja uuritud on mitusada ensüümi. Arvatakse, et elusrakk võib sisaldada rohkem kui 1000 erinevat ensüümi. Iga ensüüm katalüüsib tavaliselt ainult ühte tüüpi keemilisi reaktsioone. Kuna ensüüm võib kiirendada ainult ühte reaktsiooni või harva ühte tüüpi reaktsioonide rühma, ilma teisi mõjutamata, võib elusorganismides toimuda korraga palju erinevaid reaktsioone. Kuigi üksikute ensüümide reaktsioonid toimuvad üksteisest sõltumatult, on need kõige sagedamini omavahel seotud vaheproduktide moodustumise keerulise järjestusega. Sel juhul võib ühe reaktsiooni saadus olla teise reaktsiooni substraadi või reagendina. Seetõttu toimuvad samas rakus samaaegselt sadu ja tuhandeid ensümaatilisi reaktsioone, mis toimuvad kindlas järjestuses ja sellistes kogustes, mis tagavad raku normaalse seisundi.

Iga elusorganism sünteesib pidevalt ensüüme. Keha kasvades suureneb ka vajalike ensüümide hulk. Ensüümide arvu ebaproportsionaalne suurenemine või vähenemine võib põhjustada organismi väljakujunenud ainevahetusmustrite häireid.

Elusrakus võivad ensüümid sünteesida erinevates struktuursetes moodustistes - tuumas, tsütoplasmas, kloroplastides, mitokondrites, tsütoplasmaatilises membraanis jne.

Bioloogiliste katalüsaatoritena ensüümid, olemine ebaolulistes kogustes, võimeline teisenema tohutul hulgal substraati, millel nad toimivad. Seega avaldab süljeensüüm amülaas märgatavat katalüütilist aktiivsust lahjendusel 1: 1 000 000 ja ensüüm peroksidaas on aktiivne lahjendusel 1: 5 000 000. Üks katalaasi molekul lagundab ühe minuti jooksul 5 miljonit vesinikperoksiidi molekuli.

Ensüümide katalüütiline aktiivsus on kordades suurem kui anorgaaniliste katalüsaatorite aktiivsus. Seega toimub valkude hüdrolüüs aminohapeteks anorgaaniliste katalüsaatorite juuresolekul temperatuuril 100 °C ja kõrgemal mitmekümne tunni jooksul. Sama hüdrolüüs spetsiifiliste ensüümide osalusel lõpeb vähem kui tunniga ja toimub temperatuuril 30–40 ° C. Tärklise täielik hüdrolüüs happega toimub mõne tunni jooksul, samas kui ensümaatiline hüdrolüüs toatemperatuuril võtab aega mitu minutit. On teada, et raua ioonid kiirendavad katalüütiliselt vesinikperoksiidi jagunemist vesinikuks ja hapnikuks. Ensüümi katalaasi moodustavad rauaaatomid aga toimivad vesinikperoksiidile 10 miljardit korda energilisemalt kui tavaline raud: 1 mg rauda ensüümis võib vesinikperoksiidi katalüütilise lagunemise ajal asendada 10 tonni anorgaanilist rauda.

Oluline iseloomulik tunnus Ensüümid on nende toime spetsiifilisus . Ensüümide spetsiifilisus on palju suurem kui anorgaanilistel katalüsaatoritel. Mõnikord välistavad väikesed muutused aine keemilises struktuuris konkreetse ensüümi toime avaldumise sellele ainele. Ensüümide toime spetsiifilisus avaldub ka juhtudel, kui aine erineb keemilise struktuuri poolest. Seega ei avalda valkude hüdrolüüsi kiirendavad ensüümid tärklise hüdrolüüsile mingit mõju ja vastupidi.

Ensüümid erinevad oma spetsiifilisuse astme poolest. Mõned ensüümid katalüüsivad ainult ühte reaktsiooni, teised aga paljusid reaktsioone. Seega katalüüsib ensüüm glükoksidaas glükoosi oksüdatsiooni ja trüpsiin hüdrolüüsib spetsiifilisi peptiidsidemeid valkudes ja aminohapete eetrites.

Ensüümide toime spetsiifilisus viib mõnikord selleni, et orgaanilist ühendit ei mõjuta mitte üks, vaid kaks ensüümi.

Grupi spetsiifilisus tähistavad kõiki ensüüme, st nad katalüüsivad ainult teatud tüüpi reaktsioone, nagu monosahhariidide oksüdatsioon või oligosahhariidide hüdrolüüs.

Ensüümid, mis on spetsiifilised katalüsaatorid, kiirendada nii edasi- kui ka vastupidiseid reaktsioone st aine hüdrolüüs ja süntees, millele nad mõjuvad. Selle protsessi suund sõltub alg- ja lõppproduktide kontsentratsioonist ning reaktsiooni toimumise tingimustest. Samas on tõestatud, et elusrakus toimub enamik sünteese muude ensüümide mõjul kui need, mis katalüüsivad konkreetse ühendi lagunemist.

Ensüümide keemiline olemus

Ensüümid jagunevad kahte suurde klassi - ühekomponentne, mis koosneb ainult valkudest ja kahekomponentne, mis koosneb valgust ja mittevalgulisest osast nn protees Grupp. Ensüümvalgud võivad olla lihtsad (valgud) või komplekssed (valgud). Aktiivne proteesirühm ensüümi (aktiivset kohta) nimetatakse agoonia , A valgu kandja – feron . Ensüümi proteesrühm moodustab ligikaudu 1% selle massist.

Prosteetilise rühma (agoni) ja ferooni vahelise sideme tugevus on ensüümide lõikes erinev. Nõrga ühenduse korral dissotsieerub ensüüm valguks ja proteesiosaks, mida nimetatakse koensüüm . Igal saadud rühmal on katalüütiline aktiivsus. Koensüümide rolli mängivad enamik vitamiine - C, B1, B2, B6, B12, H, E, K jne, aga ka nukleotiidid, RNA, sulfhüdrüülrühmad, glutatioon, raua-, vase-, magneesiumiaatomid jne. Paljudel ensüümidel on kõrge katalüütiline võime ainult siis, kui ensüüm ei lagune ferooniks ja agoniks.

TO ühekomponentne sisaldavad palju ensüüme, mis lagundavad valke või süsivesikuid (pepsiin, trüpsiin, papiin, amülaas).

Tüüpiline kahekomponentne Ensüüm on α-karboksülaas, mis katalüüsib püroviinamarihappe lagunemist süsinikdioksiidiks ja atseetaldehüüdiks:

α-karboksülaas

CH3COCOON ----→CH3CHO + CO 2 .

α-karboksülaasi keemiline olemus on täielikult kindlaks tehtud; selle ensüümi aktiivne rühm sisaldab vitamiini B1.

Sageli toimivad koensüümid vesiniku ülekandega seotud ensümaatiliste reaktsioonide vaheühenditena. Nende hulka kuuluvad (NAD), glutatioon, L-askorbiinhape, kinoonid ja tsütokroomid. Teised koensüümid toimivad fosfaat-, amiini- ja metüülrühmade kandjate või edasikandjatena.

Molekulmass ensüümid on väga erinevad - mitmest tuhandest miljonini , kuid enamikul ensüümidel on kõrge molekulmassiga .

Paljud ensüümid sisaldavad metalle, mis osalevad katalüütilises tegevuses. Niisiis, raud on osa ensüümide katalaasi ja peroksidaasi proteeside rühmast, samuti tsütokroom oksüdaasist, mis osaleb hingamisprotsessides. Vask on osa oksüdatiivsetest ensüümidest polüfenooloksüdaas ja askorbaatoksüdaas, mis mängivad olulist rolli taimede ainevahetuses.

Puhtal kujul on kõik ensüümid kristallid.

Katalüütilised reaktsioonid toimuvad ensüümi molekulide pinnal. Valguensüüm moodustab dispergeeritud faasi, mille pinnal toimuvad reaktsioonid dispersioonikeskkonnas lahustunud ainete vahel. Ensüüm-valgu molekuli pind on heterogeenne; molekuli pinnal on erinevad keemiliselt aktiivsed rühmad, mis seovad kergesti teisi ühendeid.

Määratakse ensüümide omadused Esiteks eriti aktiivsete tsentrite olemasolu valgumolekuli pinnal – aminohapperadikaalid või spetsiaalsed keemilised rühmad, mis on valguga kindlalt seotud. Aktiivne kese on ensüümi osa, mis ühineb katalüütilise toime käigus ainega (substraadiga). .

Ensüümid, ensüümi-substraadi kompleks ja aktiveerimisenergia

Valkude kõige olulisem funktsioon on katalüütiline, seda täidavad teatud valkude klass - ensüümid. Kehas on tuvastatud üle 2000 ensüümi. Ensüümid on valgulise iseloomuga bioloogilised katalüsaatorid, mis kiirendavad oluliselt biokeemilisi reaktsioone. Seega toimub ensümaatiline reaktsioon 100-1000 korda kiiremini kui ilma ensüümideta. Need erinevad paljude omaduste poolest keemias kasutatavatest katalüsaatoritest. Erinevalt keemilistest katalüsaatoritest kiirendavad ensüümid normaalsetes tingimustes reaktsioone.

Inimestel ja loomadel toimub mõne sekundiga keerukas reaktsioonide jada, mille lõpuleviimiseks kulub tavapäraste keemiliste katalüsaatorite abil pikka aega (päevi, nädalaid või isegi kuid). Erinevalt ensüümideta reaktsioonidest ei teki ensümaatilistes reaktsioonides kõrvalsaadusi (lõppprodukti saagis on peaaegu 100%). Transformatsiooniprotsessi käigus ensüümid ei hävine, mistõttu väike kogus neid võib katalüüsida suure hulga ainete keemilisi reaktsioone. Kõik ensüümid on valgud ja neil on neile iseloomulikud omadused (tundlikkus keskkonna pH muutuste suhtes, denaturatsioon kõrgel temperatuuril jne).

Ensüümid jagunevad vastavalt nende keemilisele olemusele ühekomponentne (lihtne) Ja kahekomponentne (kompleksne) .

Ühekomponentne (lihtne)

Ühekomponendilised ensüümid koosnevad ainult valkudest. Lihtsate hulka kuuluvad peamiselt hüdrolüüsireaktsioone läbi viivad ensüümid (pepsiin, trüpsiin, amülaas, papaiin jne).

Kahekomponentne (kompleksne)

Erinevalt lihtsatest ensüümidest sisaldavad keerulised ensüümid mittevalgulist osa – madala molekulmassiga komponenti. Valguosa nimetatakse apoensüüm (ensüümi kandja), mittevalguline – koensüüm (aktiivne või proteeside rühm). Ensüümide mittevalgulist osa võivad esindada kas orgaanilised ained (näiteks vitamiinide derivaadid, NAD, NADP, uridiin, tsütidüülnukleotiidid, flaviinid) või anorgaanilised (näiteks metalliaatomid - raud, magneesium, koobalt, vask , tsink, molübdeen jne).

Organismid ei suuda sünteesida kõiki vajalikke koensüüme ja seetõttu tuleb neid toiduga varustada. Vitamiinide puudus inim- ja loomatoidus põhjustab nende ensüümide aktiivsuse kadumise või vähenemise, milles need sisalduvad. Erinevalt valguosast on orgaanilised ja anorgaanilised koensüümid väga vastupidavad ebasoodsatele tingimustele (kõrge või madal temperatuur, kiirgus jne) ning neid saab eraldada apoensüümist.

Ensüüme iseloomustab kõrge spetsiifilisus: nad suudavad muundada ainult sobivaid substraate ja katalüüsida ainult teatud ühte tüüpi reaktsioone. Selle valgukomponent määrab, kuid mitte kogu selle molekuli, vaid ainult väikese osa sellest - aktiivne keskus . Selle struktuur vastab reageerivate ainete keemilisele struktuurile. Ensüüme iseloomustab ruumiline vastavus substraadi ja aktiivse saidi vahel. Need sobivad kokku nagu võti lukus. Ühes ensüümi molekulis võib olla mitu aktiivset keskust. Mitte ainult ensüümidel, vaid ka mõnedel teistel valkudel (heem müoglobiini ja hemoglobiini aktiivsetes keskustes) on aktiivne keskus ehk ühenduskoht teiste molekulidega. Ensümaatilised reaktsioonid toimuvad järjestikuste etappidena - mitmest kümneni.

Komplekssete ensüümide aktiivsus ilmneb ainult siis, kui valguline osa on kombineeritud mittevalgulise osaga. Samuti avaldub nende tegevus ainult teatud tingimustel: temperatuur, rõhk, keskkonna pH jne. Erinevate organismide ensüümid on kõige aktiivsemad temperatuuril, millega need olendid on kohanenud.

Ensüüm-substraadi kompleks

Moodustuvad sidemed substraadi ja ensüümi vahel ensüüm-substraat keeruline.

Samal ajal muudab see mitte ainult enda konformatsiooni, vaid ka substraadi konformatsiooni. Ensümaatilisi reaktsioone võivad pärssida nende endi reaktsiooniproduktid – produktide kogunemisel reaktsioonikiirus väheneb. Kui reaktsioonisaadusi on vähe, aktiveerub ensüüm.

Nimetatakse aineid, mis tungivad aktiivse tsentri piirkonda ja blokeerivad ensüümide katalüütilisi rühmi inhibiitorid (alates lat. inhibere- hoia tagasi, peatu). Ensüümi aktiivsust vähendavad raskmetallide ioonid (plii, elavhõbe jne).

Ensüümid vähendavad aktiveerimisenergiat, mis on energia tase, mis on vajalik molekulide reageerimiseks.

Aktiveerimisenergia

Aktiveerimisenergia - see on energia, mis kulub teatud sideme katkestamiseks kahe ühendi keemiliseks interaktsiooniks. Ensüümidel on rakus ja kogu kehas kindel asukoht. Rakus sisalduvad ensüümid raku teatud osades. Paljud neist on seotud rakkude membraanidega või üksikute organellidega: mitokondrid, plastiidid jne.

Organismid on võimelised reguleerima ensüümide biosünteesi. See võimaldab säilitada suhteliselt konstantset koostist vaatamata olulistele keskkonnatingimuste muutustele ja osaliselt muuta ensüüme vastuseks sellistele muutustele. Erinevate bioloogiliselt aktiivsete ainete – hormoonide, ravimite, taimede kasvustimulaatorite, mürkide jne – toime seisneb selles, et nad suudavad üht või teist ensümaatilist protsessi stimuleerida või maha suruda.

Mõned ensüümid osalevad ainete aktiivses transpordis läbi membraanide.

Enamiku ensüümide nimetusi iseloomustab järelliide -az-. See lisatakse substraadi nimele, millega ensüüm interakteerub. Näiteks, hüdrolaasid - katalüüsib kompleksühendite lagunemisreaktsioone monomeerideks veemolekuli lisamise tõttu valkude, polüsahhariidide ja rasvade molekulide keemilise sideme katkemise kohas; oksiidreduktaas – kiirendada redoksreaktsioone (elektronide või prootonite ülekanne); isomeraasid– soodustada sisemist molekulaarset ümberkorraldust (isomerisatsiooni), isomeeride muundumist jne.