آنزیم ها

متابولیسم در بدن را می‌توان به عنوان مجموع تمام دگرگونی‌های شیمیایی که ترکیباتی که از خارج وارد می‌شوند، تعریف کرد. این دگرگونی ها شامل همه انواع شناخته شده واکنش های شیمیایی است: انتقال بین مولکولی گروه های عاملی، شکاف هیدرولیتیک و غیر هیدرولیتیک پیوندهای شیمیایی، بازآرایی درون مولکولی، تشکیل جدید پیوندهای شیمیایی و واکنش های ردوکس. چنین واکنش هایی در بدن با سرعت بسیار بالا فقط در حضور کاتالیزورها رخ می دهد. همه کاتالیزورهای بیولوژیکی مواد پروتئینی هستند و آنزیم (از این پس F) یا آنزیم (E) نامیده می شوند.

آنزیم ها جزء واکنش ها نیستند، بلکه تنها با افزایش نرخ تبدیل مستقیم و معکوس، رسیدن به تعادل را تسریع می کنند. شتاب واکنش به دلیل کاهش انرژی فعال سازی رخ می دهد - سد انرژی که یک حالت سیستم (ترکیب شیمیایی اولیه) را از حالت دیگر (محصول واکنش) جدا می کند.

آنزیم ها انواع واکنش ها را در بدن سرعت می بخشند. بنابراین، از دیدگاه شیمی سنتی بسیار ساده، واکنش حذف آب از اسید کربنیک با تشکیل CO 2 نیاز به مشارکت یک آنزیم دارد، زیرا بدون آن، برای تنظیم pH خون بسیار کند پیش می رود. به لطف عمل کاتالیزوری آنزیم‌ها در بدن، واکنش‌هایی ممکن می‌شود که بدون کاتالیزور صدها و هزاران بار کندتر پیش می‌روند.

خواص آنزیم ها

1. تأثیر بر سرعت یک واکنش شیمیایی: آنزیم ها سرعت یک واکنش شیمیایی را افزایش می دهند، اما خودشان مصرف نمی شوند.

سرعت یک واکنش تغییر در غلظت اجزای واکنش در واحد زمان است.اگر در جهت جلو برود، با غلظت واکنش دهنده ها متناسب است، اگر در جهت مخالف باشد، متناسب با غلظت محصولات واکنش است. نسبت سرعت واکنش های رو به جلو و معکوس را ثابت تعادل می نامند. آنزیم ها نمی توانند مقادیر ثابت تعادل را تغییر دهند، اما حالت تعادل در حضور آنزیم ها سریعتر اتفاق می افتد.

2. ویژگی عمل آنزیم. 2-3 هزار واکنش در سلول های بدن انجام می شود که هر کدام توسط آنزیم خاصی کاتالیز می شوند. ویژگی عملکرد آنزیم توانایی تسریع روند یک واکنش خاص بدون تأثیر بر سرعت واکنش های دیگر، حتی واکنش های بسیار مشابه است.

وجود دارد:

مطلق- هنگامی که F فقط یک واکنش خاص را کاتالیز می کند (آرژیناز - برش آرژنین)

نسبت فامیلی(گروه ویژه) - F کلاس خاصی از واکنش ها (به عنوان مثال، شکاف هیدرولیتیک) یا واکنش هایی را که شامل یک کلاس خاص از مواد است را کاتالیز می کند.

ویژگی آنزیم ها به دلیل توالی اسید آمینه منحصر به فرد آنها است که ترکیب مرکز فعالی را که با اجزای واکنش در تعامل است را تعیین می کند.

ماده ای که تبدیل شیمیایی آن توسط یک آنزیم کاتالیز می شود نامیده می شود بستر (S) .

3. فعالیت آنزیم - توانایی تسریع سرعت واکنش به درجات مختلف. فعالیت در موارد زیر بیان می شود:

1) واحدهای بین المللی فعالیت - (IU) مقدار آنزیمی که تبدیل 1 میکرومولار سوبسترا را در 1 دقیقه کاتالیز می کند.

2) کاتالاچ (kat) - مقدار کاتالیزور (آنزیم) که قادر به تبدیل 1 مول از بستر در 1 ثانیه است.

3) فعالیت خاص - تعداد واحدهای فعالیت (هر یک از موارد فوق) در نمونه آزمایشی به جرم کل پروتئین در این نمونه.

4) فعالیت مولی کمتر مورد استفاده قرار می گیرد - تعداد مولکول های سوبسترا که توسط یک مولکول آنزیم در دقیقه تبدیل می شوند.

فعالیت در درجه اول بستگی دارد روی دما . این یا آن آنزیم بیشترین فعالیت خود را در دمای بهینه نشان می دهد. برای یک موجود زنده، این مقدار بسته به نوع حیوان در محدوده +37.0 - +39.0 درجه سانتیگراد است. با کاهش دما، حرکت براونی کاهش می یابد، سرعت انتشار کاهش می یابد و در نتیجه فرآیند تشکیل کمپلکس بین آنزیم و اجزای واکنش (سوبستراها) کند می شود. اگر دما از 40+ تا 50+ درجه سانتیگراد بالاتر رود، مولکول آنزیم که یک پروتئین است، تحت فرآیند دناتوره شدن قرار می گیرد. در این حالت، سرعت واکنش شیمیایی به طور محسوسی کاهش می یابد (شکل 4.3.1.).

فعالیت آنزیم نیز بستگی دارد PH محیط . برای اکثر آنها، مقدار pH بهینه مشخصی وجود دارد که فعالیت آنها حداکثر است. از آنجایی که یک سلول حاوی صدها آنزیم است و هر یک از آنها محدودیت های pH خاص خود را دارند، تغییرات pH یکی از عوامل مهم در تنظیم فعالیت آنزیمی است. بنابراین، در نتیجه یک واکنش شیمیایی با مشارکت یک آنزیم خاص، که مقدار pH آن در محدوده 7.0 - 7.2 قرار دارد، محصولی تشکیل می شود که یک اسید است. در این حالت، مقدار pH به ناحیه 5.5 - 6.0 تغییر می کند. فعالیت آنزیم به شدت کاهش می یابد، سرعت تشکیل محصول کاهش می یابد، اما در همان زمان آنزیم دیگری فعال می شود، که برای آن این مقادیر pH بهینه است و محصول اولین واکنش تحت تبدیل شیمیایی بیشتری قرار می گیرد. (یک مثال دیگر در مورد پپسین و تریپسین).

1. انرژی آزاد واکنش را تغییر دهید

2. واکنش معکوس را مهار کنید

3. ثابت تعادل واکنش را تغییر دهید

4- واکنش را در امتداد یک مسیر بای پس با مقادیر کمتر انرژی فعال سازی برای واکنش های میانی هدایت کنید.

102. تغییر در ساختار یک مولکول آنزیم ممکن است رخ دهد:

2. فقط زمانی که pH تغییر کند

103. تغییر در درجه یونیزاسیون گروه های عاملی آنزیم زمانی رخ می دهد که:

1. فقط زمانی که دما تغییر می کند

2. فقط زمانی که pH تغییر کند

3. تنها زمانی که هر دو شرایط تغییر کند

4. با هیچ تغییری رخ نمی دهد

104. هیدرولیز پیوندهای پپتیدی زمانی اتفاق می افتد که:

1. فقط زمانی که دما تغییر می کند

2. فقط زمانی که pH تغییر کند

3. هنگامی که هر دو شرایط تغییر می کند

4. تحت هیچ گونه تغییر دما و pH رخ نمی دهد

105. نقض پیوندهای ضعیف در یک مولکول آنزیم زمانی رخ می دهد که:

2. فقط زمانی که pH تغییر کند

3. هنگامی که هر دو شرایط تغییر می کند

4. با هیچ تغییری رخ نمی دهد

106 پپسین فعالیت بهینه ای را در مقادیر pH نشان می دهد:

1. 1,5-2,5

107. pH بهینه برای عملکرد بیشتر آنزیم ها عبارت است از:

1. pH< 4,0

3. 6,0 < pH < 8,0

108. موارد صحیح را از عبارت های زیر انتخاب کنید:

1. تمام آنزیم ها حداکثر فعالیت را در pH = 7 نشان می دهند

2. بیشتر آنزیم ها حداکثر فعالیت را در pH نزدیک به خنثی نشان می دهند

3. پپسین حداکثر فعالیت را در pH = 1.5-2.5 نشان می دهد

109. با استفاده از معادله Michaelis-Menten می توانید محاسبه کنید:

4. تغییر در انرژی آزاد در طی یک واکنش شیمیایی

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

1. انرژی فعال شدن یک واکنش شیمیایی

2. سرعت واکنش کاتالیز شده توسط آنزیم

3. سد انرژی یک واکنش شیمیایی

111. پاسخ های صحیح را انتخاب کنید: ثابت Michaelis (K m) برابر است با:

2. ممکن است معانی مختلفی برای ایزوآنزیم ها داشته باشد

3. مقداری که تمام مولکول های آنزیم به شکل ES هستند

4. هر چه مقدار آن بیشتر باشد، میل ترکیبی آنزیم به سوبسترا بیشتر می شود

112. پاسخ های صحیح را انتخاب کنید: ثابت میکایلیس (K m) برابر است با:

1. پارامتر سینتیک واکنش آنزیم

2. مقداری که تمام مولکول های آنزیم به شکل ES هستند

3. هر چه مقدار آن بیشتر باشد، میل ترکیبی آنزیم به سوبسترا بیشتر می شود

4. غلظت بستری که در آن نیمی از حداکثر سرعت واکنش (V max) به دست می آید

113- ویژگی های ساختمان و عملکرد آنزیم های آلوستریک را نام ببرید:

3. پس از تعامل با لیگاندها، یک تغییر مشترک در ترکیب زیر واحدها مشاهده می شود.

4. پس از تعامل با لیگاندها، یک تغییر مشترک در ترکیب زیر واحدها مشاهده می شود.

114- ویژگی های ساختمان و عملکرد آنزیم های آلوستریک را نام ببرید:

1. به عنوان یک قاعده، آنها پروتئین های الیگومری هستند

2. به عنوان یک قاعده، آنها پروتئین های الیگومری نیستند

3. در طول تفکیک مولکول به پروتومرها، خواص تنظیمی نشان می دهند

4. پس از تعامل با لیگاندها، یک تغییر مشترک در ترکیب زیر واحدها مشاهده می شود.

آنزیم ها سینتیک واکنش های آنزیمی

واکنش‌های بیوشیمیایی فقط با مشارکت آنزیم‌ها، یعنی کاتالیزورها، که در ترکیب و ساختار خود پروتئین هستند، رخ می‌دهند. هم از دوره شیمی معدنی و هم از دوره شیمی آلی، موادی که اثر کاتالیزوری از خود نشان می دهند شناخته شده اند. چنین موادی که کاتالیزور نامیده می شوند، در همه رده های مواد وجود دارند - مواد ساده (هم فلزات و هم غیر فلزات)، اسیدها، بازها، اکسیدها، نمک ها. کاتالیزورها به طور گسترده ای در شیمی آلی استفاده می شوند، زیرا مواد آلی با واکنش پذیری نسبتا کم مشخص می شوند. با حرکت به مرحله جدیدی از شیمی - بیوشیمی، با کلاس جدیدی از کاتالیزورها - آنزیم ها مواجه می شویم. تنوع بی‌نهایت ساختار مولکول‌های پروتئین، پیش نیازی برای بیوسنتز پروتئین‌های ویژه مناسب به عنوان کاتالیزور برای تمام فرآیندهای بیوشیمیایی است که در طبیعت اتفاق می‌افتد.

کاتالیز آنزیمی دارای ویژگی های مشخصه همه فرآیندهای کاتالیزوری است، اما تفاوت های اساسی نیز وجود دارد. الگوهای کلی شامل موارد زیر است:

آنزیم ها سرعت واکنش را افزایش می دهند اما تعادل شیمیایی را تغییر نمی دهند.

آنزیم‌ها واکنش‌هایی را که می‌توانند به‌طور خودبه‌خود در شرایط معین رخ دهند، تسریع می‌کنند.

یک واکنش غیر خود به خودی همراه با واکنش خود به خود نیز با مشارکت آنزیم ها رخ می دهد.

سرعت یک واکنش آنزیمی به دما و غلظت واکنش دهنده ها (سوبسترا و آنزیم) بستگی دارد.

ویژگی های خاص واکنش های آنزیمی شامل موارد زیر است:

آنزیم ها با انتخاب سوبسترای بالاتر نسبت به کاتالیزورهای معمولی متمایز می شوند. اغلب یک آنزیم تنها یک واکنش بیوشیمیایی یا گروه نسبتاً محدودی از واکنش‌های مرتبط را تسریع می‌کند.

آنزیم ها به صورت استریو اختصاصی عمل می کنند و سنتز تنها یکی از ایزومرهای فضایی ممکن را تسریع می کنند.

آنزیم‌ها در محدوده دمایی محدودی فعالیت می‌کنند - کمتر از دمای دناتوره شدن یک پروتئین مشخص.

فعالیت آنزیم به pH محیط بستگی دارد. هر آنزیم دارای یک مقدار pH بهینه است که در آن فعالیت حداکثر است.

بسیاری از آنزیم ها تنها زمانی عمل می کنند که توسط کوآنزیم ها - مولکول ها و یون های با وزن مولکولی کم - فعال شوند.

آنزیم ها را می توان حل کرد یا در غشای سلولی جاسازی کرد.

فعالیت آنزیم ممکن است به غلظت محصول واکنش بستگی داشته باشد.

آنزیم ها در غلظت های بسیار کم در سلول ها وجود دارند. تعیین آنها در عصاره های بافتی یا مایعات کار دشواری است. بنابراین، رویکردهای ویژه ای برای تعیین فعالیت کاتالیزوری آنزیم ها ایجاد شده است. سرعت واکنشی که تحت اثر آنزیم موجود رخ می دهد اندازه گیری می شود. نتیجه در واحد فعالیت آنزیم بیان می شود. سپس مقادیر نسبی آنزیم در عصاره های مختلف مقایسه می شود. واحدهای فعالیت در میکرومول (10-6)، نانومول (10-9) یا pmol (10-12) از بستر مصرف شده یا محصول تشکیل شده در واحد زمان (دقیقه) بیان می شوند. واحدهای بین المللی فعالیت U، nU و pU تعیین می شوند.

اصول اولیه تئوری سرعت واکنش های شیمیایی برای کاتالیز آنزیمی قابل استفاده است. برای اینکه واکنش رخ دهد، نزدیک شدن (برخورد) مولکول های آنزیم (عنوان F، E، Enz یافت می شوند) و بستر (S) کافی برای تشکیل پیوند ضروری است. برای اینکه یک برخورد مولد (فعال) باشد، مولکول ها باید انرژی کافی برای غلبه بر سد انرژی داشته باشند. همانطور که می دانید به این سد انرژی فعال سازی می گویند. در مراحل خاصی از واکنش آنزیمی، آنزیم به عنوان یک واکنش دهنده معمولی عمل می کند و در نسبت مولی 1:1 واکنش نشان می دهد. فرآیندهای آنزیمی اغلب با نمودارهای خاص نشان داده می شوند. به عنوان مثال، یک واکنش انتقال گروهی

A–B + D A–D + B

با مشارکت یک آنزیم به صورت زیر نشان داده می شود:

A–B Enz A–D

به عنوان مثال دیگری از نوشتن نمودار واکنش آنزیمی، بیایید واکنش ایزومریزاسیون را در نظر بگیریم

S  iso-س

با مشارکت یک آنزیم، واکنش به صورت زیر نوشته می شود:

S Enz iso-س

فلش ها تصویری از یک فرآیند حلقوی ایجاد می کنند که در آن مولکول های بستر S درگیر می شوند و مولکول های محصول، که اغلب P نشان داده می شوند، آزاد می شوند.

آنزیم یک مولکول پیچیده است که از صدها اسید آمینه و هزاران اتم تشکیل شده است. فقط گروه کوچکی از اتم ها در چنین مولکولی می توانند در اتصال به بستر شرکت کنند. این گروه را مرکز فعال می نامند. E. Fischer مدلی از تعامل Enz-S را به عنوان مطابقت بین یک کلید و یک قفل پیشنهاد کرد. تنها در صورت وجود چنین تناظری می توان تغییر بستر را انجام داد. گزینش پذیری عمل آنزیم مشخص می شود. این مدل اهمیت خود را از دست نداده است، اما بعداً مدل برازش القایی (کوشلند) ارائه شد که انعطاف‌پذیری مولکول آنزیم را در نظر می‌گیرد. با نزدیک شدن مولکول های آنزیم و سوبسترا به یکدیگر، تغییرات ساختاری در آنزیم رخ می دهد و پیکربندی نهایی را به مرکز واکنش می دهد. مولکول های مشابه سوبسترا نیز می توانند باعث تغییرات ساختاری در آنزیم شوند، اما در این مورد تفاوت هایی در ترکیبات ظاهر می شود که در آن یک مرکز فعال فعال ظاهر نمی شود.

اثر دما

در یک محدوده دمایی محدود قبل از شروع دناتوره شدن پروتئین، سرعت واکنش آنزیمی افزایش می‌یابد که از قانون معمول بیان شده توسط معادله آرنیوس پیروی می‌کند. بسیاری از واکنش های آنزیمی با ضریب سرعت دمایی Q10 نزدیک به دو مشخص می شوند. این مربوط به انرژی فعال سازی Ea = 55 kJ/mol در 37 است.

با نزدیک شدن به دمای دناتوره شدن پروتئین، افزایش سرعت کاهش می یابد، سپس به حداکثر سرعت می رسد و سپس افت شدید سرعت شروع می شود، زیرا مولکول های آنزیمی که قادر به کاتالیز هستند ناپدید می شوند. وابستگی سرعت واکنش کاتالیزوری به دما در شکل 1 ارائه شده است.

وابستگی به pH

هنگامی که pH تغییر می کند، تعادل انتقال پروتون تغییر می کند، و بر این اساس، بارهای روی مولکول های آنزیم و همچنین اغلب روی مولکول های بستر تغییر می کند. در مقادیر pH پایین، آنزیم پروتونه می شود و بار مثبت به دست می آورد. در سطوح بالا پروتونه می شود و بار منفی به خود می گیرد. این بر سرعت واکنش های آنزیمی تأثیر می گذارد. اگر فقط یکی از اشکال مولکول آنزیم با مقدار بار مشخصی فعالیتی از خود نشان دهد، غلظت آن در مقدار pH معین M از حداکثر مقدار عبور می کند و فعالیت در pH M 1 خود را نشان می دهد. وابستگی فعالیت به pH به دست آمده است که در شکل 1 نشان داده شده است. 2.

برای هر آنزیم یک مقدار pH بهینه وجود دارد که در آن بیشترین فعالیت رخ می دهد. با انحراف زیاد pH از مقدار بهینه، دناتوره شدن آنزیم می تواند رخ دهد.

وابستگی به غلظت

در شکل ریاضی، وابستگی سرعت به غلظت در قالب یک معادله جنبشی نشان داده می شود. سرعت یک واکنش آنزیمی به غلظت سوبسترا و غلظت آنزیم بستگی دارد، سایر موارد برابر هستند (T، pH). باید در نظر داشت که آنزیم یک ماده با مولکولی بالا است و غلظت آن چندین برابر کمتر از غلظت سوبسترا است. اجازه دهید محلول حاوی یک بستر با م r = 100 و آنزیم c م r = 100000. غلظت جرمی هر دو واکنش دهنده 1 میلی گرم در لیتر است. غلظت مولی آنها خواهد بود:

s(S) = 110-5 mol/l، s(E) = 110-8 mol/l

به ازای هر 1000 مولکول سوبسترا یک مولکول آنزیم وجود دارد. نسبت واقعی ممکن است به طور قابل توجهی بالاتر باشد. این شکل معادلات جنبشی را در سینتیک آنزیمی تعیین می کند.

یکی از ویژگی‌های معمول سینتیک واکنش‌های آنزیمی این است که سرعت با غلظت سوبسترا در غلظت‌های پایین متناسب است و در غلظت‌های بالا مستقل از غلظت می‌شود. این نتایج تجربی به صورت گرافیکی با یک خط منحنی در شکل 1 نشان داده شده است. 3.

برای توضیح این وابستگی، یک طرح واکنش در دو مرحله پیشنهاد شد. در ابتدا، یک واکنش برگشت پذیر، کمپلکس آنزیم-سوبسترا S را تشکیل می دهد … E، که در آن مولکول بستر تبدیل می شود. در مرحله دوم، پیوند بین مولکول زیرلایه تغییر یافته و آنزیم شکسته می شود و یک مولکول محصول آزاد P ظاهر می شود. هر تبدیل با ثابت سرعت خود مشخص می شود.

ک 1 ک 2

S + E S .... E  E + P

برای فرآیندی با چنین مکانیزمی، L. Michaelis و Menten معادله ای برای وابستگی نرخ به غلظت S استخراج کردند که معادله Michaelis-Menten نامیده می شود.

بیایید معادلات جنبشی تشکیل محصول نهایی و کمپلکس آنزیم-سوبسترا را بنویسیم:

v =
= k 2 ج(SE) (1)

= k 1 ج(S) ج(E)  ک  1 ج(SE)  ک 2 ج(SE) (2)

همانطور که در بالا ذکر شد، غلظت کل (اولیه) آنزیم همیشه بسیار کمتر از غلظت سوبسترا است. در طول واکنش، غلظت آنزیم آزاد ج(E) به دلیل تشکیل کمپلکس کاهش می یابد

ج(E) = ج o(E)  ج(SE) (3)

در حالت پایدار، غلظت کمپلکس ثابت می ماند:

= 0

از این شرط بدست می آوریم

ک 1 ج(S) ج(E)  ک  1 ج(SE)  ک 2 ج(SE) = 0 (4)

عبارت (3) را به (4) جایگزین کنید

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

در رابطه (5)، براکت ها را باز کرده و آن را تبدیل می کنیم تا غلظت کمپلکس آنزیم- بستر SE را پیدا کنیم:

تقسیم صورت و مخرج بر ک 1، دریافت می کنیم

(6)

عبارتی متشکل از ثابت های موجود در مخرج معادله نامیده می شود ثابت مایکلیسک م :

(7)

عبارت به دست آمده را با معادله جایگزین می کنیم. 1:

(8)

ur حاصل شده 8- یکی از اشکال نوشتن معادله مایکلیس-منتن. بیایید این معادله را تحلیل کنیم. در بسیاری از واکنش های آنزیمی، مرحله دوم ثابت است ک 2 ثابت تشکیل به طور قابل توجهی کمتر ک 1 و فرو ریختن ک-1 کمپلکس آنزیم-سوبسترا. در چنین مواردی، ثابت Michaelis تقریباً برابر با ثابت تعادل تجزیه کمپلکس به مولکول‌های اصلی است:

در غلظت های بالای سوبسترا، زمانی که ج(S) ک م , ثابت ک م می توان نادیده گرفت و سپس ج(S) در معادله 8 کاهش می یابد؛ در این حالت، سرعت حداکثر مقدار را می گیرد:

vحداکثر = ک 2 ج o (E) (9)

حداکثر سرعت به غلظت آنزیم بستگی دارد و مستقل از غلظت سوبسترا است. این به این معنی است که واکنش به ترتیب صفر نسبت به زیرلایه انجام می شود.

در غلظت های کم سوبسترا، زمانی که ج(S) ک م، واکنش در مرتبه اول نسبت به بستر ادامه می یابد:

v =

بنابراین، با افزایش غلظت سوبسترا، ترتیب واکنش از اول (منطقه I در شکل 4) به صفر (منطقه III) تغییر می کند.

1/2vحداکثر

معادله Michaelis-Menten را می توان با استفاده از حداکثر سرعت نوشت:

(10)

این شکل از معادله برای ارائه نتایج یک آزمایش زمانی که غلظت آنزیم ناشناخته است مناسب است.

اگر سرعت واکنش نصف حداکثر سرعت باشد، از معادله 10 نتیجه می شود که ثابت Michaelis برابر با غلظت زیرلایه مربوطه است (شکل 4):

، جایی که ک M = ج"(S)

برای تعیین دقیق تر ثابت Michaelis با یک روش گرافیکی، تبدیل معادله. 10 از طریق مقادیر معکوس متغیرها. صورت و مخرج را در معادله عوض می کنیم. 10:

یا

نمایش گرافیکی معادله Michaelis-Menten در مختصات متقابل 1/ v – 1/ج(S) نمودار Lineweaver-Burk نامیده می شود (شکل 5). این نمودار یک خط مستقیم است که در محور 1/ قطع می شود. vقطعه ای برابر با مقدار معکوس حداکثر سرعت. ادامه خط مستقیم در ناحیه منفی تا زمانی که محور افقی را قطع کند، پاره ای به دست می آید که قدر مطلق آن 1/ است. کم. بنابراین، مقادیر معکوس پارامترهای 1/ از نمودار تعیین می شود vحداکثر و 1/ ک M و سپس خود پارامترها.

آنزیم هایی وجود دارند که عملکرد آنها به شدت تابع ur نیست. Michaelisa-Menten. در غلظت بالای بستر حداکثر سرعت به دست می آید، اما در غلظت کم نمودار وابستگی v– S به اصطلاح شکل سیگموئید را به خود می گیرد. این بدان معنی است که ابتدا سرعت با شتاب افزایش می یابد (تحدب منحنی به سمت پایین هدایت می شود، شکل 6 را ببینید)، و سپس پس از نقطه عطف سرعت با کاهش سرعت افزایش می یابد و به حداکثر سرعت نزدیک می شود. این با تأثیر همکاری سوبسترا در حضور چندین محل اتصال در آنزیم توضیح داده می شود. اتصال یک مولکول S باعث تقویت اتصال مولکول دوم در محل دیگر می شود.

آنزیم ها کاتالیزورهای پروتئینی بسیار تخصصی هستند که واکنش های شیمیایی را در موجودات جانوری و گیاهی سرعت می بخشند. تقریباً تمام دگرگونی های شیمیایی در ماده زنده با کمک آنزیم ها انجام می شود. می توان گفت که آنزیم ها نیروی محرکه فرآیندهای بیوشیمیایی در موجودات زنده هستند.

بسته به ماهیت و هدف آنها، آنزیم ها می توانند در محیط آزاد شوند یا در داخل سلول باقی بمانند. آنها حتی پس از دفع از بدن توانایی کاتالیزوری خود را از دست نمی دهند (اما در خارج از سلول ها، آنزیم ها فقط مواد را تجزیه می کنند). این اساس استفاده از آنها در صنایع غذایی، سبک و پزشکی، کشاورزی و سایر بخش های اقتصاد ملی است.

آکادمیک I.P. Pavlov نوشت: "آنزیم ها به اصطلاح اولین عمل زندگی هستند. تمام فرآیندهای شیمیایی در بدن توسط این مواد هدایت می شود؛ آنها عوامل ایجاد کننده همه دگرگونی های شیمیایی هستند. همه این مواد نقش بزرگی دارند، آنها فرآیندهایی را تعیین می کنند که از طریق آن زندگی خود را نشان می دهد، آنها به معنای کامل، عوامل ایجاد کننده زندگی هستند.

تمام واکنش های آنزیمی به راحتی و به سرعت رخ می دهد. واکنش های آنزیمی کاتالیز شده در بدن با تشکیل محصولات جانبی همراه نیست، در حالی که در واکنش های آلی که با استفاده از کاتالیزورهای مصنوعی انجام می شود، حداقل یک یا چند محصول همیشه تشکیل می شود.

در موجودات زنده، آنزیم ها در یک حالت منظم هستند. در تشکیلات ساختاری منفرد سلول، واکنش های آنزیمی در یک ترتیب کاملاً مشخص رخ می دهد. چرخه‌های واکنش فردی که دقیقاً با یکدیگر هماهنگ هستند، فعالیت حیاتی سلول‌ها، اندام‌ها، بافت‌ها و بدن را در کل تضمین می‌کنند. فرآیندهای بیوشیمیایی کاملاً تعریف شده در بخش های جداگانه سلول انجام می شود.

در حالی که آنزیم ها نقش مهمی در موجودات زنده دارند، نقش برجسته ای در تولید مواد غذایی و بسیاری از محصولات صنعتی دیگر و همچنین در کشاورزی دارند. تولیداتیل الکل، آبجو، شراب، چای، نان، شیر تخمیر شده و بسیاری از محصولات دیگر بر اساس عملکرد آنزیم ها . آنزیم ها درگیر هستند رسیدن و بیش از حد رسیدنمیوه ها و سبزیجات، رسیدن و فسادگوشت و ماهی، حفظغلات، آرد، غلات و سایر محصولات .

در برخی موارد، وجود آنزیم‌ها در طول فرآوری مواد غذایی ممکن است نامطلوب باشد. نمونه ای از این واکنش تیره شدن آنزیمی میوه ها و سبزیجات در نتیجه عمل آنزیم پلی فنل اکسیداز یا ترش شدن چربی های آرد در نتیجه عمل آنزیم های لیپاز و لیپاکسیداز موجود در جوانه دانه است. .

در حال حاضر حدود 3500 آنزیم از اشیاء بیولوژیکی جدا شده و چند صد آنزیم مورد مطالعه قرار گرفته است. اعتقاد بر این است که یک سلول زنده می تواند حاوی بیش از 1000 آنزیم مختلف باشد. هر آنزیم به طور معمول تنها یک نوع واکنش شیمیایی را کاتالیز می کند. از آنجایی که یک آنزیم می‌تواند تنها یک واکنش یا به ندرت گروهی از واکنش‌ها از یک نوع را بدون تأثیر بر روی دیگران سرعت بخشد، بسیاری از واکنش‌های مختلف می‌توانند به طور همزمان در موجودات زنده رخ دهند. اگرچه واکنش های آنزیم های منفرد به طور مستقل از یکدیگر رخ می دهد، آنها اغلب توسط یک توالی پیچیده از تشکیل محصولات میانی به هم مرتبط هستند. در این مورد، محصول یک واکنش می تواند به عنوان یک سوبسترا یا معرف برای واکنش دیگر عمل کند. بنابراین، در یک سلول، صدها و هزاران واکنش آنزیمی به طور همزمان رخ می دهد که در یک توالی خاص و در مقادیری رخ می دهد که وضعیت طبیعی سلول را تضمین می کند.

هر موجود زنده ای به طور مداوم آنزیم ها را سنتز می کند. با رشد بدن، مقدار آنزیم های لازم نیز افزایش می یابد. افزایش یا کاهش نامتناسب در تعداد آنزیم ها می تواند منجر به اختلال در الگوهای متابولیک ثابت بدن شود.

در یک سلول زنده، آنزیم ها را می توان در تشکیلات ساختاری مختلف - هسته، سیتوپلاسم، کلروپلاست، میتوکندری، غشای سیتوپلاسمی و غیره سنتز کرد.

به عنوان کاتالیزورهای بیولوژیکی آنزیم ها، بودن در مقادیر ناچیز، قادر به تبدیل مقادیر زیادی از بستری که بر روی آن عمل می کنند. بنابراین، آنزیم بزاقی آمیلاز فعالیت کاتالیزوری قابل توجهی را در رقت 1:1000000 نشان می دهد و آنزیم پراکسیداز در رقت 1:5000000 فعال است. یک مولکول کاتالاز 5 میلیون مولکول پراکسید هیدروژن را در یک دقیقه تجزیه می کند.

فعالیت کاتالیزوری آنزیم ها چندین برابر بیشتر از فعالیت کاتالیزورهای معدنی است. بنابراین، هیدرولیز پروتئین به اسیدهای آمینه در حضور کاتالیزورهای معدنی در دمای 100 درجه سانتیگراد و بالاتر در چند ده ساعت اتفاق می افتد. همان هیدرولیز با مشارکت آنزیم های خاص در کمتر از یک ساعت به پایان می رسد و در دمای 30 - 40 درجه سانتیگراد رخ می دهد. هیدرولیز کامل نشاسته با اسید در عرض چند ساعت اتفاق می افتد، در حالی که هیدرولیز آنزیمی در دمای اتاق چند دقیقه طول می کشد. مشخص است که یون های آهن به طور کاتالیستی تجزیه پراکسید هیدروژن به هیدروژن و اکسیژن را تسریع می کنند. اما اتم‌های آهنی که آنزیم کاتالاز را می‌سازند، 10 میلیارد برابر بیشتر از آهن معمولی روی پراکسید هیدروژن تأثیر می‌گذارند: 1 میلی‌گرم آهن موجود در آنزیم می‌تواند جایگزین 10 تن آهن معدنی در طول تجزیه کاتالیستی پراکسید هیدروژن شود.

ویژگی مهم مهم آنزیم ها ویژگی عمل آنهاست . ویژگی آنزیم ها بسیار بیشتر از کاتالیزورهای معدنی است. گاهی اوقات تغییرات جزئی در ساختار شیمیایی یک ماده، تظاهرات اثر یک آنزیم خاص بر روی این ماده را منتفی می کند. ویژگی عمل آنزیم ها نیز در مواردی آشکار می شود که ماده در ساختار شیمیایی متفاوت است. بنابراین، آنزیم هایی که هیدرولیز پروتئین ها را تسریع می کنند، تأثیری بر هیدرولیز نشاسته ندارند و بالعکس.

آنزیم ها از نظر درجه ویژگی متفاوت هستند. برخی از آنزیم ها تنها یک واکنش را کاتالیز می کنند، در حالی که برخی دیگر تعداد زیادی واکنش را کاتالیز می کنند. بنابراین، آنزیم گلیکاکسیداز اکسیداسیون گلوکز را کاتالیز می کند و تریپسین پیوندهای پپتیدی خاصی را در پروتئین ها و اترهای اسید آمینه هیدرولیز می کند.

ویژگی عمل آنزیم گاهی اوقات منجر به این واقعیت می شود که یک ترکیب آلی تحت تأثیر نه یک، بلکه دو آنزیم است.

ویژگی گروههمه آنزیم ها را نشان می دهند، یعنی فقط نوع خاصی از واکنش را کاتالیز می کنند، مانند اکسیداسیون مونوساکاریدها یا هیدرولیز الیگوساکاریدها.

آنزیم ها که کاتالیزورهای خاص هستند، واکنش های رو به جلو و معکوس را تسریع می کند ، یعنی هیدرولیز و سنتز ماده ای که روی آن اثر می کنند. جهت این فرآیند به غلظت محصولات اولیه و نهایی و شرایطی که در آن واکنش رخ می دهد بستگی دارد. در عین حال، ثابت شده است که در یک سلول زنده، بیشتر سنتزها تحت تأثیر آنزیم هایی غیر از آنزیم هایی که تجزیه یک ترکیب خاص را کاتالیز می کنند، اتفاق می افتد.

ماهیت شیمیایی آنزیم ها

آنزیم ها به دو دسته بزرگ تقسیم می شوند: تک جزئی, فقط از پروتئین تشکیل شده است و دو جزئی, متشکل از یک پروتئین و یک بخش غیر پروتئینی به نام مصنوعی گروه پروتئین های آنزیمی می توانند ساده (پروتئین ها) یا پیچیده (پروتئین ها) باشند. گروه پروتز فعال (محل فعال) یک آنزیم نامیده می شود عذاب ، آ حامل پروتئین – فرون . گروه پروتز موجود در آنزیم تقریباً 1% از جرم آن را به خود اختصاص می دهد.

قدرت پیوند بین گروه مصنوعی (اگون) و فرون در بین آنزیم ها متفاوت است. با اتصال ضعیف، آنزیم به یک قسمت پروتئینی و پروتز تجزیه می شود که به آن می گویند کوآنزیم . هر یک از گروه های حاصل فعالیت کاتالیزوری از خود نشان می دهند. نقش کوآنزیم ها توسط اکثر ویتامین ها - C، B1، B2، B6، B12، H، E، K و غیره، و همچنین نوکلئوتیدها، RNA، گروه های سولفیدریل، گلوتاتیون، اتم های آهن، مس، منیزیم و غیره ایفا می شود. بسیاری از آنزیم ها فقط در صورتی توانایی کاتالیزوری بالایی دارند که آنزیم به فرون و آگون تجزیه نشود.

به تک جزئی شامل بسیاری از آنزیم هایی است که پروتئین ها یا کربوهیدرات ها را تجزیه می کنند (پپسین، تریپسین، پاپین، آمیلاز).

معمول دو جزئی آنزیم آلفا کربوکسیلاز است که تجزیه پیروویک اسید را به دی اکسید کربن و استالدئید کاتالیز می کند:

α-کربوکسیلاز

CH3COCOON ----→CH3CHO + CO 2 .

ماهیت شیمیایی آلفا کربوکسیلاز به طور کامل مشخص شده است؛ گروه فعال این آنزیم حاوی ویتامین B1 است.

اغلب کوآنزیم ها به عنوان واسطه در واکنش های آنزیمی درگیر در انتقال هیدروژن عمل می کنند. اینها عبارتند از نیکوتین آمید آدنین دی نوکلئوتید (NAD)، گلوتاتیون، اسید ال اسکوربیک، کینون ها و سیتوکروم ها. سایر کوآنزیم ها به عنوان حامل یا انتقال دهنده گروه های فسفات، آمین و متیل عمل می کنند.

وزن مولکولیآنزیم ها به طور گسترده در نوسان هستند - از چند هزار تا یک میلیون ، اما بیشتر آنزیم ها دارند وزن مولکولی بالا .

بسیاری از آنزیم ها حاوی فلزات هستند، که در عمل کاتالیزوری شرکت می کنند. بنابراین، اهن بخشی از گروه پروتز آنزیم های کاتالاز و پراکسیداز و همچنین سیتوکروم اکسیداز است که در فرآیندهای تنفسی نقش دارد. فلز مس بخشی از آنزیم های اکسیداتیو پلی فنل اکسیداز و آسکوربات اکسیداز است که نقش مهمی در متابولیسم گیاه دارند.

تمام آنزیم ها در شکل خالص خود کریستال هستند.

واکنش های کاتالیزوری بر روی سطح مولکول های آنزیم انجام می شود. آنزیم پروتئین فاز پراکنده ای را تشکیل می دهد که در سطح آن واکنش هایی بین مواد محلول در محیط پراکندگی رخ می دهد. سطح مولکول آنزیم پروتئین ناهمگن است. بر روی سطح مولکول گروه های شیمیایی فعال مختلفی وجود دارد که به راحتی سایر ترکیبات را به هم متصل می کنند.

خواص آنزیم ها مشخص می شوداولا وجود مراکز فعال به ویژه در سطح مولکول پروتئین - رادیکال‌های اسید آمینه یا گروه‌های شیمیایی خاص که محکم به پروتئین متصل هستند. مرکز فعال بخشی از آنزیم است که در طی عمل کاتالیزوری با ماده (سوبسترا) ترکیب می شود. .

آنزیم ها، مجتمع آنزیم-سوبسترا و انرژی فعال سازی

مهمترین عملکرد پروتئین ها کاتالیزوری است که توسط یک کلاس خاص از پروتئین ها - آنزیم ها انجام می شود. بیش از 2000 آنزیم در بدن شناسایی شده است. آنزیم ها کاتالیزورهای بیولوژیکی پروتئینی هستند که واکنش های بیوشیمیایی را به میزان قابل توجهی تسریع می کنند. بنابراین، واکنش آنزیمی 100-1000 برابر سریعتر از بدون آنزیم رخ می دهد. آنها در بسیاری از خواص با کاتالیزورهای مورد استفاده در شیمی متفاوت هستند. آنزیم ها برخلاف کاتالیزورهای شیمیایی واکنش ها را در شرایط عادی سرعت می بخشند.

در انسان و حیوان، توالی پیچیده ای از واکنش ها در چند ثانیه رخ می دهد که تکمیل آن با استفاده از کاتالیزورهای شیمیایی معمولی به زمان طولانی (روزها، هفته ها یا حتی ماه ها) نیاز دارد. بر خلاف واکنش های بدون آنزیم، محصولات جانبی در واکنش های آنزیمی تشکیل نمی شوند (بازده محصول نهایی تقریباً 100٪ است). در طی فرآیند تبدیل، آنزیم ها از بین نمی روند، بنابراین مقدار کمی از آنها می توانند واکنش های شیمیایی تعداد زیادی از مواد را کاتالیز کنند. همه آنزیم ها پروتئین هستند و دارای خواص مشخصه آنها (حساسیت به تغییرات pH محیط، دناتوره شدن در دماهای بالا و غیره) هستند.

آنزیم ها بر اساس ماهیت شیمیایی خود به دو دسته تقسیم می شوند تک جزئی (ساده) و دو جزئی (مختلط) .

تک جزئی (ساده)

آنزیم های تک جزئی فقط از پروتئین تشکیل شده اند. موارد ساده عمدتاً شامل آنزیم هایی هستند که واکنش های هیدرولیز را انجام می دهند (پپسین، تریپسین، آمیلاز، پاپائین و غیره).

دو جزئی (مختلط)

برخلاف آنزیم‌های ساده، آنزیم‌های پیچیده حاوی یک بخش غیر پروتئینی هستند - یک جزء با وزن مولکولی کم. قسمت پروتئین نامیده می شود آپوآنزیم (حامل آنزیم)، غیر پروتئینی - کوآنزیم (گروه فعال یا پروتز). بخش غیر پروتئینی آنزیم ها را می توان با مواد آلی (به عنوان مثال، مشتقات ویتامین ها، NAD، NADP، یوریدین، سیتیدیل نوکلئوتیدها، فلاوین ها) یا غیر آلی (به عنوان مثال، اتم های فلز - آهن، منیزیم، کبالت، مس) نشان داد. ، روی، مولیبدن و غیره).

همه کوآنزیم‌های ضروری را نمی‌توان توسط ارگانیسم‌ها سنتز کرد و بنابراین باید با غذا تامین شوند. کمبود ویتامین ها در غذای انسان و حیوان باعث از بین رفتن یا کاهش فعالیت آنزیم هایی می شود که در آنها وجود دارد. برخلاف قسمت پروتئینی، کوآنزیم های آلی و معدنی در برابر شرایط نامساعد (دمای بالا یا پایین، تشعشع و ...) بسیار مقاوم هستند و می توانند از آپوآنزیم جدا شوند.

آنزیم ها با ویژگی بالا مشخص می شوند: آنها فقط می توانند سوبستراهای مناسب را تبدیل کنند و فقط واکنش های خاصی از یک نوع را کاتالیز کنند. جزء پروتئینی آن تعیین می کند، اما نه کل مولکول آن، بلکه فقط بخش کوچکی از آن - مرکز فعال . ساختار آن مطابق با ساختار شیمیایی موادی است که واکنش نشان می دهند. آنزیم ها با تطابق فضایی بین بستر و سایت فعال مشخص می شوند. آنها مانند یک کلید در یک قفل در کنار هم قرار می گیرند. ممکن است چندین مرکز فعال در یک مولکول آنزیم وجود داشته باشد. نه تنها آنزیم ها، بلکه برخی از پروتئین های دیگر (هِم در مراکز فعال میوگلوبین و هموگلوبین) دارای مرکز فعال، یعنی محل اتصال با مولکول های دیگر هستند. واکنش های آنزیمی در مراحل متوالی رخ می دهد - از چندین تا ده ها.

فعالیت آنزیم های پیچیده تنها زمانی ظاهر می شود که قسمت پروتئینی با قسمت غیر پروتئینی ترکیب شود. همچنین، فعالیت آنها فقط تحت شرایط خاص خود را نشان می دهد: دما، فشار، PH محیط و غیره. آنزیم های موجودات مختلف در دمایی که این موجودات با آن سازگار هستند، فعال ترین هستند.

کمپلکس آنزیم سوبسترا

پیوند بین سوبسترا و آنزیم تشکیل می شود آنزیم سوبسترا مجتمع

در عین حال، نه تنها ترکیب خود، بلکه ترکیب زیرلایه را نیز تغییر می دهد. واکنش های آنزیمی را می توان توسط محصولات واکنش خود مهار کرد - هنگامی که محصولات انباشته می شوند، سرعت واکنش کاهش می یابد. اگر محصولات واکنش کمی وجود داشته باشد، آنزیم فعال می شود.

موادی که به ناحیه مرکز فعال نفوذ کرده و گروه های کاتالیزوری آنزیم ها را مسدود می کنند نامیده می شوند. مهار کننده ها (از لات مهار کردن- عقب نگه دارید، متوقف شوید). فعالیت آنزیم توسط یون های فلزات سنگین (سرب، جیوه و غیره) کاهش می یابد.

آنزیم‌ها انرژی فعال‌سازی را کاهش می‌دهند، که سطح انرژی مورد نیاز برای واکنش مولکول‌ها است.

انرژی فعال سازی

انرژی فعال سازی - این انرژی است که برای شکستن یک پیوند خاص برای برهمکنش شیمیایی دو ترکیب صرف می شود. آنزیم ها مکان خاصی در سلول و بدن به طور کلی دارند. در یک سلول، آنزیم ها در قسمت های خاصی از سلول وجود دارند. بسیاری از آنها با غشای سلول ها یا اندامک های فردی مرتبط هستند: میتوکندری ها، پلاستیدها و غیره.

موجودات زنده قادر به تنظیم بیوسنتز آنزیم ها هستند. این امر امکان حفظ یک ترکیب نسبتاً ثابت را با وجود تغییرات قابل توجه در شرایط محیطی و اصلاح جزئی آنزیم ها در پاسخ به چنین تغییراتی را ممکن می سازد. اثر مواد مختلف بیولوژیکی فعال - هورمون ها، داروها، محرک های رشد گیاه، سموم و غیره - این است که می توانند یک یا آنزیم دیگری را تحریک یا سرکوب کنند.

برخی از آنزیم ها در انتقال فعال مواد از طریق غشاها شرکت می کنند.

نام اکثر آنزیم ها با پسوند مشخص می شود -از-. به نام بستری که آنزیم با آن تعامل دارد اضافه می شود. مثلا، هیدرولازها - کاتالیز کردن واکنش های تقسیم ترکیبات پیچیده به مونومرها به دلیل افزودن یک مولکول آب در محل شکستن پیوند شیمیایی در مولکول های پروتئین ها، پلی ساکاریدها و چربی ها. اکسید ردوکتاز - تسریع واکنش های ردوکس (انتقال الکترون یا پروتون)؛ ایزومرازها- ترویج بازآرایی مولکولی داخلی (ایزومریزاسیون)، تبدیل ایزومرها و غیره.