نمودار وابستگی سرعت واکنش آنزیمی را نشان می دهد. وابستگی سرعت واکنش های آنزیمی به غلظت بستر، محیط و دما

تقریباً تمام واکنش های بیوشیمیایی آنزیمی هستند. آنزیم ها(بیوکاتالیست ها) مواد پروتئینی هستند که توسط کاتیون های فلزی فعال می شوند. حدود 2000 آنزیم مختلف شناخته شده است و حدود 150 آنزیم جدا شده است که برخی از آنها به عنوان دارو استفاده می شود. تریپسین و کیموتریپسین برای درمان برونشیت و پنومونی استفاده می شود. پپسین - برای درمان گاستریت؛ پلاسمین - برای درمان حمله قلبی؛ پانکراتین - برای درمان پانکراس. آنزیم ها با کاتالیزورهای معمولی متفاوت هستند: (الف) با فعالیت کاتالیزوری بالاتر. (ب) ویژگی بالا، به عنوان مثال. گزینشی عمل

مکانیسم واکنش آنزیمی تک سوبسترا را می توان با نمودار زیر نشان داد:

جایی که E یک آنزیم است،

S - بستر،

ES - کمپلکس آنزیم سوبسترا،

P محصول واکنش است.

ویژگی مرحله اول واکنش آنزیمی است ثابت مایکلیس (K M). K M متقابل ثابت تعادل است:

ثابت Michaelis (K M) پایداری کمپلکس آنزیم-سوبسترا (ES) را مشخص می کند. هرچه ثابت مایکلیس (K M) کمتر باشد، کمپلکس پایدارتر است.

سرعت یک واکنش آنزیمی برابر است با سرعت مرحله محدود کننده سرعت آن:

که در آن k 2 ثابت سرعت است، نامیده می شود تعداد انقلابیا فعالیت مولکولی آنزیم

فعالیت آنزیم مولکولی(k2) برابر است با تعداد مولکول‌های زیرلایه‌ای که تحت تأثیر یک مولکول آنزیم در 1 دقیقه در دمای 25 درجه سانتیگراد تغییر شکل می‌دهند. این ثابت مقادیری در محدوده: 1·10 4 می‌گیرد.< k 2 < 6·10 6 мин‾ 1 .

برای اوره آز، که هیدرولیز اوره را تسریع می کند، k 2 = 1.85∙10 6 min‾ 1 ; برای آدنوزین تری فسفاتاز، که هیدرولیز ATP را تسریع می کند، k2 = 6.24∙10 6 min‾ 1. برای کاتالاز، که تجزیه H 2 O 2 را تسریع می کند، k 2 = 5∙10 6 min‾ 1.

با این حال، معادله جنبشی واکنش آنزیمی به شکلی که در بالا آورده شده است، به دلیل عدم امکان تعیین تجربی غلظت کمپلکس آنزیم-سوبسترا، عملاً غیرممکن است. بیان شده بر حسب مقادیر دیگری که به راحتی به صورت تجربی تعیین می شوند، معادله جنبشی واکنش های آنزیمی را به دست می آوریم،تماس گرفت توسط معادله Michaelis-Menten (1913):

,

که در آن حاصلضرب k 2 [E] مجموع یک مقدار ثابت است که (حداکثر سرعت) نشان داده می شود.

به ترتیب:

اجازه دهید موارد خاصی از معادله Michaelis-Menten را در نظر بگیریم.

1) بنابراین در غلظت کم سوبسترا K M >> [S]

که با معادله جنبشی واکنش مرتبه اول مطابقت دارد.

2) در غلظت بالای سوبسترا Km<< [S], поэтому

که با معادله جنبشی واکنش مرتبه صفر مطابقت دارد.

بنابراین، در غلظت کم سوبسترا، سرعت واکنش آنزیمی با افزایش محتوای سوبسترا در سیستم افزایش می‌یابد و در غلظت سوبسترا بالا، منحنی جنبشی به یک فلات می‌رسد (سرعت واکنش به غلظت بستر بستگی ندارد) (شکل 30).

شکل 30. - منحنی جنبشی یک واکنش آنزیمی

اگر [S] = K M، پس

که به شما اجازه می دهد تا به صورت گرافیکی ثابت Michaelis Km را تعیین کنید (شکل 31).

شکل 31. - تعریف گرافیکی ثابت Michaelis

فعالیت آنزیم ها تحت تأثیر موارد زیر است: (الف) دما، (ب) اسیدیته محیط، (ج) وجود بازدارنده ها. تأثیر دما بر سرعت یک واکنش آنزیمی در فصل 9.3 مورد بحث قرار گرفته است.

تأثیر اسیدیته محیط بر سرعت واکنش آنزیمی در شکل 32 ارائه شده است. حداکثر فعالیت آنزیم مربوط به مقدار pH بهینه (pH opt) است.

شکل 32. - اثر اسیدیته محلول بر فعالیت آنزیم

برای اکثر آنزیم ها، مقادیر pH بهینه با مقادیر فیزیولوژیکی (7.3 - 7.4) منطبق است. با این حال، آنزیم هایی وجود دارند که عملکرد طبیعی آنها به محیط اسیدی قوی (پپسین - 1.5 - 2.5) یا به اندازه کافی قلیایی (آرژیناز - 9.5 - 9.9) نیاز دارد.

مهارکننده های آنزیم- اینها موادی هستند که بخشی از مراکز فعال مولکول های آنزیم را اشغال می کنند و در نتیجه سرعت واکنش آنزیمی کاهش می یابد. کاتیون های فلزات سنگین، اسیدهای آلی و سایر ترکیبات به عنوان بازدارنده عمل می کنند.

سخنرانی 11

ساختار اتمی

دو تعریف از مفهوم "اتم" وجود دارد. اتمکوچکترین ذره یک عنصر شیمیایی است که خواص شیمیایی خود را حفظ می کند.

اتمیک میکروسیستم خنثی الکتریکی است که از یک هسته با بار مثبت و یک پوسته الکترونی با بار منفی تشکیل شده است.

دکترین اتم مسیر طولانی توسعه را طی کرده است. مراحل اصلی توسعه اتمیسم عبارتند از:

1) مرحله فلسفی طبیعی - دوره شکل گیری مفهوم ساختار اتمی ماده که توسط آزمایش تأیید نشده است (قرن 5 قبل از میلاد - قرن 16 پس از میلاد).

2) مرحله شکل گیری فرضیه در مورد اتم به عنوان کوچکترین ذره یک عنصر شیمیایی (قرن XVIII-XIX).

3) مرحله ایجاد مدل های فیزیکی که پیچیدگی ساختار اتم را منعکس می کند و امکان توصیف خواص آن را فراهم می کند (آغاز قرن بیستم)

4) مرحله مدرن اتمیسم مکانیک کوانتومی نامیده می شود. مکانیک کوانتومیشاخه ای از فیزیک است که حرکت ذرات بنیادی را مطالعه می کند.

طرح

11.1. ساختار هسته. ایزوتوپ ها

11.2. مدل مکانیکی کوانتومی پوسته الکترونی یک اتم.

11.3. ویژگی های فیزیکوشیمیایی اتم ها

ساختار هسته. ایزوتوپ ها

هسته اتمیذره ای با بار مثبت متشکل از پروتون، نوترون و برخی ذرات بنیادی دیگر است.

به طور کلی پذیرفته شده است که ذرات اصلی هسته پروتون و نوترون هستند. پروتون (p) -ذره ای بنیادی است که جرم اتمی نسبی آن 1 آمو و بار نسبی آن 1+ است. نوترون (n) -این یک ذره بنیادی است که بار الکتریکی ندارد و جرم آن برابر با جرم یک پروتون است.

99.95 درصد از جرم یک اتم در هسته متمرکز است. بین ذرات بنیادی نیروهای هسته ای ویژه ای وجود دارد که به طور قابل توجهی از نیروهای دافعه الکترواستاتیک فراتر می رود.

ویژگی اساسی یک اتم این است شارژخود هسته هابرابر با تعداد پروتون ها و منطبق بر عدد اتمی عنصر در جدول تناوبی عناصر شیمیایی. مجموعه ای از اتم ها با بار هسته ای یکسان نامیده می شود عنصر شیمیایی. عناصری با اعداد از 1 تا 92 در طبیعت یافت می شوند.

ایزوتوپ ها- اینها اتمهای یک عنصر شیمیایی هستند که تعداد پروتونهای مشابه و تعداد نوترونهای مختلف در هسته دارند.

جایی که عدد جرمی (A) جرم هسته است، z بار هسته است.

هر عنصر شیمیایی مخلوطی از ایزوتوپ ها است. به عنوان یک قاعده، نام ایزوتوپ ها با نام عنصر شیمیایی مطابقت دارد. با این حال، نام های ویژه ای برای ایزوتوپ های هیدروژن معرفی شده است. عنصر شیمیایی هیدروژن با سه ایزوتوپ نشان داده می شود:

عدد p شماره n

پروتیوم N 1 0

دوتریوم D 1 1

تریتیوم T 1 2

ایزوتوپ های یک عنصر شیمیایی می توانند هم پایدار و هم رادیواکتیو باشند. ایزوتوپ های رادیواکتیو حاوی هسته هایی هستند که به طور خود به خود تجزیه می شوند و ذرات و انرژی آزاد می کنند. پایداری یک هسته با نسبت نوترون به پروتون آن تعیین می شود.

رادیونوکلئیدها پس از ورود به بدن، مهمترین فرآیندهای بیوشیمیایی را مختل می کنند، ایمنی را کاهش می دهند و بدن را محکوم به بیماری می کنند. بدن با جذب انتخابی عناصر محیط از خود در برابر اثرات تشعشعات محافظت می کند. ایزوتوپ های پایدار نسبت به ایزوتوپ های رادیواکتیو اولویت دارند. به عبارت دیگر، ایزوتوپ های پایدار از تجمع ایزوتوپ های رادیواکتیو در موجودات زنده جلوگیری می کنند (جدول 8).

کتاب S. Shannon "تغذیه در عصر اتمی" داده های زیر را ارائه می دهد. اگر دوز مسدودکننده 100 میلی گرم ایزوتوپ ید پایدار حداکثر 2 ساعت پس از ورود I-131 به بدن مصرف شود، جذب ید رادیویی در غده تیروئید تا 90٪ کاهش می یابد.

رادیوایزوتوپ ها در پزشکی استفاده می شوند

برای تشخیص بیماری های خاص،

· برای درمان انواع سرطان،

· برای مطالعات پاتوفیزیولوژیک.

جدول 8 - اثر مسدود کننده ایزوتوپ های پایدار

سینتیک آنزیم سرعت واکنش های کاتالیز شده توسط آنزیم ها را بسته به شرایط مختلف (غلظت، دما، pH و غیره) برهمکنش آنها با بستر مطالعه می کند.

با این حال، آنزیم ها پروتئین هایی هستند که به تأثیرات مختلف خارجی حساس هستند. بنابراین، هنگام مطالعه سرعت واکنش های آنزیمی، عمدتاً غلظت مواد واکنش دهنده را در نظر می گیرند و سعی می کنند تأثیر دما، pH محیط، فعال کننده ها، بازدارنده ها و سایر عوامل را به حداقل برسانند و شرایط استاندارد را ایجاد کنند. اولاً، این مقدار pH محیط است که برای یک آنزیم معین بهینه است. ثانیاً توصیه می شود در صورت امکان دمای 25 درجه سانتیگراد را حفظ کنید. ثالثاً اشباع کامل آنزیم با سوبسترا حاصل می شود. این نکته به ویژه مهم است زیرا در غلظت های کم سوبسترا، همه مولکول های آنزیم در واکنش شرکت نمی کنند (شکل 6.5، آ) به این معنی که نتیجه از حداکثر ممکن دور خواهد بود. بیشترین قدرت واکنش کاتالیز شده، در صورتی که هر مولکول آنزیم در تبدیل شرکت کند، به‌عنوان سایر چیزها برابر است، به دست می‌آید. در غلظت بالایی از کمپلکس آنزیم-سوبسترا (شکل 6.5، V).اگر غلظت سوبسترا اشباع کامل آنزیم را تضمین نکند (شکل 6.5، ب، سپس سرعت واکنش به حداکثر مقدار خود نمی رسد.

برنج. 65.

آ -در غلظت کم بستر؛ 6 - با غلظت ناکافی بستر؛ V -زمانی که آنزیم کاملاً از سوبسترا اشباع شود

سرعت یک واکنش آنزیمی اندازه گیری شده در شرایط فوق و اشباع کامل آنزیم از سوبسترا نامیده می شود. حداکثر سرعت واکنش آنزیمی (V).

سرعت واکنش آنزیمی، زمانی که آنزیم به طور کامل از سوبسترا اشباع نشده است، تعیین می شود. v

کاتالیز آنزیمی را می توان با نمودار زیر ساده کرد:

جایی که F یک آنزیم است. S - بستر؛ FS - کمپلکس آنزیم-سوبسترا.

هر مرحله از این فرآیند با سرعت خاصی مشخص می شود. واحد اندازه گیری سرعت یک واکنش آنزیمی، تعداد مول های بستر تبدیل شده در واحد زمان است.(همان سرعت یک واکنش عادی).

برهمکنش آنزیم با سوبسترا منجر به تشکیل کمپلکس آنزیم- سوبسترا می شود، اما این فرآیند برگشت پذیر است. سرعت واکنش های رو به جلو و معکوس به غلظت واکنش دهنده ها بستگی دارد و با معادلات مربوطه توصیف می شود:

در حالت تعادل، معادله (6.3) معتبر است، زیرا سرعت واکنش های رو به جلو و معکوس برابر است.

با جایگزینی مقادیر سرعت واکنش های رو به جلو (6.1) و معکوس (6.2) به معادله (6.3)، برابری را به دست می آوریم:

حالت تعادل با یک مناسب مشخص می شود ثابت تعادل K pبرابر با نسبت ثابت های واکنش های رو به جلو و معکوس (6.5). متقابل ثابت تعادل نامیده می شود Ks ثابت بستر،یا ثابت تفکیک کمپلکس آنزیم-سوبسترا:

از معادله (6.6) واضح است که ثابت سوبسترا در غلظت های بالای کمپلکس آنزیم-سوبسترا کاهش می یابد. با ثبات عالی در نتیجه، ثابت سوبسترا میل ترکیبی آنزیم و بستر و نسبت ثابت‌های سرعت برای تشکیل و تفکیک کمپلکس آنزیم-سوبسترا را مشخص می‌کند.

پدیده اشباع آنزیمی با سوبسترا توسط Leonor Michaelis و Maud Mepten مورد مطالعه قرار گرفت. بر اساس پردازش ریاضی نتایج، معادله (6.7) را به دست آوردند که نام خود را دریافت کرد، که از آن مشخص است که در غلظت سوبسترا بالا و مقدار پایین ثابت بستر، سرعت واکنش آنزیمی به حداکثر می‌رسد. . با این حال، این معادله محدود است زیرا تمام پارامترها را در نظر نمی گیرد:

کمپلکس آنزیم-سوبسترا در طول واکنش می تواند در جهات مختلف دچار دگرگونی شود:

• تجزیه به مواد اصلی؛
• تبدیل به محصولی می شود که آنزیم بدون تغییر از آن جدا می شود.

بنابراین، برای توصیف عملکرد کلی فرآیند آنزیمی، مفهوم ثابت های Michaelis Kt،که رابطه بین ثابت های سرعت هر سه واکنش کاتالیز آنزیمی را بیان می کند (6.8). اگر هر دو عبارت بر ثابت سرعت واکنش برای تشکیل کمپلکس آنزیم- سوبسترا تقسیم شوند، بیان (6.9) را به دست می آوریم:

یک نتیجه مهم از معادله (6.9) به دست می آید: ثابت مایکلیس همیشه به مقدار مقدار از ثابت زیرلایه بزرگتر است. k 2 /k v

به صورت عددی K tبرابر با غلظت بستری است که در آن سرعت واکنش نصف حداکثر سرعت ممکن است و مطابق با اشباع آنزیم از سوبسترا است، همانطور که در شکل. 6.5، باز آنجایی که در عمل همیشه نمی توان به اشباع کامل آنزیم با سوبسترا دست یافت، دقیقاً K tبرای توصیف مقایسه ای ویژگی های جنبشی آنزیم ها استفاده می شود.

سرعت واکنش آنزیمی زمانی که آنزیم به طور کامل با سوبسترا اشباع نشده است (6.10) به غلظت کمپلکس آنزیم- سوبسترا بستگی دارد. ضریب تناسب ثابت واکنش برای آزادسازی آنزیم و محصول است، زیرا غلظت کمپلکس آنزیم-سوبسترا را تغییر می دهد:

پس از تبدیل ها، با در نظر گرفتن وابستگی های فوق، سرعت واکنش آنزیمی هنگامی که آنزیم به طور کامل از بستر اشباع نشده است با معادله (6.11) توصیف می شود، یعنی. به غلظت آنزیم، سوبسترا و میل ترکیبی آنها بستگی دارد K s:

وابستگی گرافیکی سرعت یک واکنش آنزیمی به غلظت سوبسترا خطی نیست. همانطور که از شکل مشخص است. 6.6، با افزایش غلظت سوبسترا، افزایش فعالیت آنزیم مشاهده می شود. با این حال، هنگامی که حداکثر اشباع آنزیم با سوبسترا به دست آید، سرعت واکنش آنزیمی به حداکثر می رسد. بنابراین، عامل محدود کننده سرعت برای واکنش، تشکیل کمپلکس آنزیم-سوبسترا است.

تمرین نشان داده است که غلظت سوبسترا، به عنوان یک قاعده، در مقادیر بسیار کمتر از واحد بیان می شود (10 6 -10 3 مول). کار کردن با چنین مقادیری در محاسبات بسیار دشوار است. بنابراین، G. Lineweaver و D. Burke پیشنهاد کردند که وابستگی گرافیکی سرعت یک واکنش آنزیمی را نه در مختصات مستقیم، بلکه در مختصات معکوس بیان کنند. آنها از این فرض برداشت کردند که برای مقادیر مساوی، معکوس آنها نیز برابر است:

برنج. 6.6.

پس از تبدیل عبارت (6.13)، عبارتی به نام به دست می آوریم معادله لاین ویور-برک (6.14):

وابستگی گرافیکی معادله Lineweaver-Burk خطی است (شکل 6.7). خصوصیات جنبشی آنزیم به شرح زیر تعیین می شود:

• قطعه قطع شده روی محور ارتین برابر است با 1/V;
• قطعه قطع شده روی محور آبسیسا برابر با 1- است /به تی.

برنج. 6.7.

اعتقاد بر این است که روش Lineweaver-Burk تعیین حداکثر سرعت واکنش را با دقت بیشتری نسبت به مختصات مستقیم ممکن می کند. از این نمودار نیز می توان اطلاعات ارزشمندی در مورد مهار آنزیم به دست آورد.

راه های دیگری برای تبدیل معادله Michaelis-Menten وجود دارد. وابستگی های گرافیکی برای مطالعه تأثیر تأثیرات مختلف خارجی بر روی فرآیند آنزیمی استفاده می شود.

این شاخه از آنزیم شناسی تأثیر عوامل مختلف بر سرعت یک واکنش آنزیمی را مطالعه می کند. با در نظر گرفتن معادله کلی برای کاتالیز آنزیمی واکنش برگشت پذیر تبدیل یک بستر به یک محصول (1)،

عوامل اصلی مؤثر بر سرعت یک واکنش آنزیمی را باید نام برد: غلظت سوبسترا [S]، غلظت آنزیم [E] و غلظت محصول واکنش [P].

برهمکنش برخی آنزیم ها با بستر آنها را می توان با یک منحنی هذلولی از وابستگی سرعت واکنش آنزیمی V به غلظت بستر [S] توصیف کرد (شکل 19):

شکل 19. وابستگی سرعت واکنش آنزیمی به غلظت سوبسترا.

در این منحنی، سه بخش قابل تشخیص است که با مفاد مکانیسم تعامل آنزیم با بستر قابل توضیح است: OA - بخشی از وابستگی مستقیم V به [S]، مراکز فعال آنزیم. با تشکیل یک ES پیچیده ناپایدار به تدریج با مولکول های بستر پر می شوند. بخش AB - وابستگی منحنی V به [S]، اشباع کامل مراکز فعال آنزیم با مولکول‌های سوبسترا هنوز به دست نیامده است. کمپلکس ES قبل از رسیدن به حالت گذار ناپایدار است؛ احتمال تفکیک معکوس به E و S هنوز زیاد است. بخش قبل از میلاد - وابستگی با یک معادله مرتبه صفر توصیف می شود، بخش موازی با محور [S] است، اشباع کامل آنزیم های فعال با مولکول های بستر به دست آمده است، V=V max.

شکل مشخصه منحنی به صورت ریاضی با معادله بریگز-هالدان توصیف می شود:

V=V حداکثر ● [S]/ کیلومتر + [S] (2)،

که در آن Km ثابت Michaelis-Menten است که از نظر عددی برابر با غلظت سوبسترا است که در آن سرعت واکنش آنزیمی برابر با نصف V max است.

هر چه Km آنزیم کمتر باشد، میل ترکیبی آنزیم به سوبسترا بیشتر می شود، به حالت گذار برای سوبسترا سریعتر می رسد و به محصول واکنش تبدیل می شود. یافتن مقادیر کیلومتر برای هر سوبسترای آنزیمی خاص گروه در تعیین نقش بیولوژیکی این آنزیم در سلول مهم است.

برای اکثر آنزیم ها ساختن منحنی هذلولی غیرممکن است (شکل 19) در این مورد از روش متقابل دوگانه (Lineweaver-Burk) استفاده می شود. یک وابستگی گرافیکی 1/[V] به 1/[S] رسم شده است (شکل 20). روش ساخت چنین منحنی‌هایی در آزمایش هنگام مطالعه تأثیر انواع مختلف مهارکننده‌ها بر فعالیت آنزیم بسیار راحت است (به ادامه متن مراجعه کنید).

شکل 20. نمودار 1/[V] در مقابل 1/[S] (روش Lineweaver-Burk)،

که در آن y بخش برش است - و x بخش برش است - مماس زاویه α - .

وابستگی سرعت واکنش آنزیمی V به غلظت آنزیم [E].

این وابستگی گرافیکی (شکل 21) در دمای بهینه و pH محیط، در غلظت های بستر به طور قابل توجهی بالاتر از غلظت اشباع مراکز فعال آنزیم در نظر گرفته می شود.

برنج. 21. تأثیر غلظت آنزیم بر سرعت واکنش آنزیمی.

وابستگی سرعت یک واکنش آنزیمی به غلظت کوفاکتور یا کوآنزیم.برای آنزیم های پیچیده، باید در نظر گرفت که کمبود اشکال کوآنزیمی ویتامین ها در صورت هیپوویتامینوز و نقض ورود یون های فلزی به بدن، لزوماً منجر به کاهش غلظت آنزیم های مربوطه لازم برای دوره می شود. از فرآیندهای متابولیک بنابراین باید نتیجه گرفت که فعالیت آنزیم به طور مستقیم به غلظت کوفاکتور یا کوآنزیم وابسته است.

تاثیر غلظت محصول بر سرعت واکنش آنزیمیبرای واکنش‌های برگشت‌پذیری که در بدن انسان اتفاق می‌افتد، باید در نظر گرفت که محصولات حاصل از واکنش مستقیم می‌تواند توسط آنزیم به عنوان سوبسترا برای واکنش معکوس استفاده شود. بنابراین جهت جریان و لحظه رسیدن به Vmax به نسبت غلظت زیرلایه های اولیه و محصولات واکنش بستگی دارد. به عنوان مثال، فعالیت آلانین آمینوترانسفراز، که تبدیل را کاتالیز می کند:

آلانین + آلفا کتوگلوتارات ↔ پیروات + گلوتامات

در سلول به نسبت غلظت بستگی دارد:

[آلانین + آلفا کتوگلوتارات] / [پیروات + گلوتامات].

مکانیسم عمل آنزیم. نظریه های کاتالیز آنزیمی

آنزیم ها مانند کاتالیزورهای غیر پروتئینی به دلیل توانایی آنها در کاهش انرژی فعال سازی این واکنش، سرعت یک واکنش شیمیایی را افزایش می دهند. انرژی فعال سازی یک واکنش آنزیمی به عنوان تفاوت بین مقدار انرژی در سیستم واکنش در حال انجام که به حالت گذار رسیده است و انرژی تعیین شده در ابتدای واکنش محاسبه می شود (به وابستگی گرافیکی در شکل 22 مراجعه کنید).

برنج. 22. وابستگی گرافیکی حالت انرژی یک واکنش شیمیایی بدون آنزیم (1) و در حضور آنزیم (2) به زمان واکنش.

کار V. Henry و، به ویژه، L. Michaelis، M. Menten در مورد مطالعه مکانیسم واکنش های آنزیمی برگشت پذیر تک سوبسترا این امکان را فراهم کرد که فرض کنیم که آنزیم E ابتدا به طور برگشت پذیر و نسبتاً سریع با سوبسترا S خود ترکیب می شود تا یک آنزیم را تشکیل دهد. کمپلکس بستر (ES):

E+S<=>ES (1)

تشکیل ES به دلیل پیوندهای هیدروژنی، برهمکنش های الکترواستاتیکی، آبگریز، در برخی موارد کووالانسی، پیوندهای هماهنگی بین رادیکال های جانبی باقی مانده های اسید آمینه مرکز فعال و گروه های عاملی بستر رخ می دهد. در آنزیم های پیچیده، عملکرد تماس با سوبسترا توسط بخش غیر پروتئینی ساختار نیز قابل انجام است.

سپس کمپلکس آنزیم-سوبسترا در یک واکنش دوم، کندتر و برگشت پذیر متلاشی می شود تا محصول واکنش P و آنزیم آزاد E تولید شود:

ES<=>EP<=>E+P (2)

در حال حاضر به لطف کار دانشمندان فوق الذکر و همچنین Keilin D., Chance B., Koshland D. (نظریه "مطابقات القایی") مفاد نظری در مورد چهار نکته اصلی در مکانیسم عمل وجود دارد. یک آنزیم روی یک بستر، که توانایی آنزیم ها را برای تسریع واکنش های شیمیایی تعیین می کند:

1. جهت گیری و رویکرد . آنزیم قادر است یک مولکول سوبسترا را به گونه ای متصل کند که پیوند مورد حمله آنزیم نه تنها در مجاورت گروه کاتالیزوری قرار گیرد، بلکه به درستی نسبت به آن جهت گیری کند. احتمال اینکه کمپلکس ES از طریق جهت گیری و مجاورت به حالت گذار برسد بسیار افزایش یافته است.

2. استرس و فشار : مکاتبات القایی اتصال یک بستر می‌تواند باعث تغییرات ساختاری در مولکول آنزیم شود که منجر به تنش در ساختار مرکز فعال می‌شود و همچنین تا حدودی بستر محدود شده را تغییر شکل می‌دهد و در نتیجه دستیابی به یک حالت گذار توسط کمپلکس ES را تسهیل می‌کند. به اصطلاح مطابقت القایی بین مولکول های E و S ایجاد می شود.

سینتیک واکنش های آنزیمی

Vfr با مقدار ماده ای که در واحد زمان تبدیل می شود تعیین می شود. V این واکنش ها به تأثیر عوامل خارجی (دما، pH، قرار گرفتن در معرض ترکیبات طبیعی و خارجی و غیره) بستگی دارد.

Vfr معیاری از فعالیت کاتالیزوری است و به سادگی به عنوان فعالیت آنزیم شناخته می شود.
فعالیت آنزیم را فقط می توان به طور غیر مستقیم اندازه گیری کرد:
1) با مقدار S تبدیل شده؛
2) افزایش غلظت P در واحد زمان.
برای بیان غلظت آنزیم از:
الف) واحد اندازه گیری آنزیم ها مقدار آنزیمی است که تبدیل 1 میکرومول S در دقیقه را کاتالیز می کند. [µmol/min]؛
ب) 1 کاتال (گربه) - مقدار آنزیم هایی که قادر به تبدیل 1 مول S به P در 1 ثانیه هستند. [مول/ثانیه].
1 گربه = 6×107E; 1E = 16.67 (n گربه)
برای بیان فعالیت آنزیم، از موارد زیر استفاده کنید:
الف) فعالیت خاص آنزیم ها تعداد آنزیم ها در 1 میلی گرم یا تعداد گربه است. به ازای هر 1 کیلوگرم پروتئین؛
ب) فعالیت مولکولی یا عدد گردش مولکولی تعداد مولکولهای S است که توسط یک مولکول E در هر دقیقه تبدیل می شوند.
یک مولکول کاتالاز گلبول قرمز 5 × 106 مولکول H2O2 را در 1 دقیقه تجزیه می کند.

ویژگی عملکرد آنزیم
مفهوم کمپلکس E S و ACP ارتباط نزدیکی با ویژگی خاص آنزیم ها - ویژگی آنها دارد. با توجه به درجه اختصاصی بودن (به ترتیب نزولی) عبارتند از:
I. ویژگی سوبسترای استریوشیمیایی - در این مورد، آنزیم ها تنها 1 شکل S (1 ایزومر) را کاتالیز می کنند. به عنوان مثال، فومارات هیدراتاز تنها تبدیل اسید فوماریک را کاتالیز می کند، اما تبدیل ایزومر آن، اسید مالئیک را کاتالیز نمی کند.
II. ویژگی مطلق بستر - E فقط توسط 1S تبدیل می شود. به عنوان مثال، اوره آز فقط اوره را تبدیل می کند.
III. ویژگی مطلق گروه S. آنزیم ها روی گروهی از S-b مشابه عمل می کنند. به عنوان مثال، الکل DG نه تنها اتانول، بلکه سایر الکل های آلیفاتیک را نیز تبدیل می کند.
IV. ویژگی نسبی گروه S. این آنزیم بر روی گروهی از مولکول های S عمل نمی کند، بلکه روی پیوندهای خاصی از گروه های S خاص عمل می کند. به عنوان مثال، پپسین و تریپسین برای پیوندهای پپتیدی در پروتئین های مختلف خاص هستند.
V. ویژگی S نسبی. این آنزیم کاتالیز می کند و به S-b تبدیل می شود که به گروه های مختلفی از ترکیبات شیمیایی تعلق دارد. به عنوان مثال، آنزیم سیتوکروم-450 واکنش های هیدروکسیلاسیون تا 7000 S-b مختلف را کاتالیز می کند. این سیستم آنزیمی کم خاصیت است.

دو نظریه برای توضیح اختصاصی بودن آنزیم وجود دارد.
E. فرضیه فیشر فرضیه «کلید و قفل» یا فرضیه «الگو» است. به گفته فیشر، یک آنزیم یک ساختار سفت و سخت است که ACP آن یک "کست" دقیق از S است. اگر S مانند کلید قفل با E مطابقت داشته باشد، واکنش رخ خواهد داد. اگر S کمی تغییر کند ("کلید")، آنگاه با ACF ("قفل") مطابقت ندارد و واکنش غیرممکن می شود. اگرچه این توضیح منطقی است، اما فرضیه فیشر توضیح نمی دهد که ویژگی مطلق و نسبی گروه بر چه اساسی استوار است. به عنوان مثال، سیتوکروم-450 با تعداد زیادی S-b ترکیب می شود که ساختار متفاوتی دارند.
این تضادهای بیرونی با فرضیه کوشلند یا فرضیه مطابقت اجباری توضیح داده می شود. به گفته کوشلند، مولکول آنزیم "سفت" نیست، اما انعطاف پذیر است، ساختار و پیکربندی آنزیم و ACP آن از لحظه ای که آنزیم به S یا لیگاندهای دیگر متصل می شود، شروع به تغییر می کند. در طول تشکیل یک کمپلکس E-S، علاوه بر مکملیت هندسی، مکملیت الکترواستاتیکی نیز رخ می دهد که به دلیل جفت شدن مولکول های دارای بار مخالف E و S رخ می دهد. در واقعیت، ظاهراً هر دو نوع جمع اتفاق می افتد.

فرضیه کوشلند به ما اجازه می دهد توضیح دهیم که چرا تبدیل آنالوگ های نزدیک S-in رخ می دهد. اگر بستر "کاذب" (شبه S) با زیرلایه طبیعی متفاوت باشد و ACP ترکیبی نزدیک به بستر واقعی به خود بگیرد، در آن صورت آرایش گروه های کاتالیزوری در چنین کمپلکس E-S اجازه می دهد تا واکنش رخ دهد. به نظر می رسد آنزیم متوجه این "فریب" نمی شود، اگرچه واکنش به سرعت سوبسترای واقعی پیش نمی رود. اگر پیکربندی شبه بستر اجازه قرارگیری صحیح گروه کاتالیزوری را ندهد، در این صورت واکنش ادامه نخواهد داشت. آن ها اگر دامنه بازآرایی‌های ساختاری فقط به یک مورد ممکن محدود شود، آنزیم بسیار خاص است، و اگر احتمالات بازآرایی ACP زیاد باشد، آنزیم روی شبه سوبستراها نیز کار می‌کند.

وابستگی Vfr به pH محیط
هر آنزیم pH بهینه خود را دارد که در آن Vfr حداکثر است. انحراف pH در یک جهت یا دیگری منجر به کاهش فعالیت آنزیم می شود. اکثر آنزیم ها دارای pH ~7.0 هستند، یعنی با مقادیر pH فیزیولوژیکی منطبق است.
در مقدار pH بهینه، گروه‌های عاملی ACP و S خود در بهترین شکل برای پیوند هستند. برخی از آنزیم ها دارای pH بهینه هستند که به شدت با مقادیر فیزیولوژیکی متفاوت است؛ پپسین در pH = 1.5-2.5 100٪ فعال است. آرژیناز - در pH = 10.

وابستگی Vfr به دما
با افزایش دمای محیط، Vfr افزایش می یابد و برای اکثر آنزیم ها به مقادیر بهینه ~ 20-40ºC می رسد.
حرارت پذیری آنزیم ها با ساختار پروتئینی آنها مرتبط است: هنگامی که درجه حرارت به 40-50 درجه سانتیگراد و بالاتر می رسد، آنها دنچر می شوند.
برای برخی از آنزیم ها، دناتوره شدن در دمای 0 درجه سانتیگراد رخ می دهد.
برای هر واکنش شیمیایی، با افزایش دما برای هر 10 درجه سانتیگراد، V واکنش 2-3 برابر افزایش می یابد؛ برای واکنش های آنزیمی این ضریب کمتر است - 2 یا حتی کمتر. استثنا: آنزیم آدنیمات سیکلاز مقاوم در برابر حرارت می تواند دمای 100 درجه سانتیگراد را تحمل کند و آنزیم کاتالاز در دمای 0 درجه سانتیگراد فعال است.

وابستگی Vfr به غلظت اس.
مکانیسم اثر آنزیم ها با معادله Michaelis-Menten توضیح داده شده است. وابستگی Vfr به [S] را می توان به صورت گرافیکی تعیین کرد.
الف) با توجه به منحنی Michaelis: هر چه Km کوچکتر باشد، Vm بیشتر و میل E برای S بیشتر است.
Vmax مربوط به حالت اشباع کامل آنزیم S-vol است.

در محلول مقدار E اضافی وجود دارد (3 مول S، 5 مول E) این محل اشباع آنزیم S-vol است.
ب) روش متقابل Lainciver-Burk، که در آن وابستگی Vfr به [S] در مقادیر متقابل محاسبه می شود.

تنظیم فعالیت آنزیم
آنزیم ها کاتالیزورهایی با فعالیت کنترل شده هستند، بنابراین Vfr را می توان از طریق آنزیم ها کنترل کرد. تنظیم فعالیت را می توان از طریق تعامل آنزیم ها با اجزای مختلف بیولوژیکی یا ترکیبات خارجی (داروها، سموم) انجام داد که به آنها اصلاح کننده می گویند. اگر در حضور یک اصلاح کننده Vfr افزایش یابد، به این اصلاح کننده ها فعال کننده و اگر کاهش یابد، آنها را بازدارنده می گویند.

فعال سازی آنزیم ها
انواع مختلفی از فعال سازی آنزیم وجود دارد.
1. فعال سازی با تأثیرگذاری بر زیر واحدهای مولکول های آنزیم. برخی از آنزیم ها دارای SN به شکل 2 زیر واحد هستند: کاتالیزوری و تنظیمی. هنگام ذخیره یک موقعیت اضطراری، ACF پنهان می شود.

به عنوان مثال، بسیاری از آنزیم ها در بدن به صورت پروآنزیم یا زیموژن تولید می شوند، یعنی در حالت غیر فعال. در صورت نیاز تعداد مشخصی از آنها فعال می شوند. به عنوان مثال، تریپسینوژن غیر فعال توسط آنزیم انتروکیناز به تریپسین فعال تبدیل می شود.
2. یون ها بر فعال شدن آنزیم ها تأثیر می گذارند:
الف) کاتیون ها - اثر آنها از آنیون ها خاص تر است. کاتیون‌ها خود می‌توانند به‌عنوان گروه‌های مصنوعی در آنزیم‌ها (Fe در سیتوکروم) عمل کنند یا با حضورشان بر آنزیم تأثیر بگذارند و آن را فعال کنند. به عنوان مثال کربنیک انیدراز در حضور Zn+2 فعال می شود.
ب) آنیون ها - به طور خاص کمتر عمل می کنند و معمولاً مرحله دوم d.f را تحت تأثیر قرار می دهند. - فروپاشی مجتمع ES. با این حال، گاهی اوقات آنیون ها فعال کننده مستقیم آنزیم ها هستند. به عنوان مثال، کلر پپسینوژن غیر فعال را فعال می کند و آن را به پپسین فعال تبدیل می کند.
3. فعال سازی با محافظت از آنزیم ها از تأثیر غیرفعال کننده تأثیرات مختلف. دارای مواد خاصی است که از اثرات منفی آنزیم ها جلوگیری می کند.

مهار آنزیم
موادی که باعث مهار جزئی یا کامل آنزیم ها می شوند، مهار کننده (I) نامیده می شوند. مهارکننده ها دارای خاصیت اتصال محکم به آنزیم هستند. بر این اساس، مهار متمایز می شود: برگشت پذیر و غیر قابل برگشت.
با مهار برگشت پذیر، I و E با هم تعامل دارند. اگر بازدارنده به نحوی خنثی شود (مثلاً با دیالیز)، فعالیت E بازیابی می شود. اگر نمی توان به این امر دست یافت، پس ما در مورد بازداری غیرقابل برگشت صحبت می کنیم.
مهار برگشت پذیر

رقابتی غیر رقابتی
مهار رقابتی می تواند توسط موادی با ساختاری مشابه ساختار S واقعی ایجاد شود.

I و S برای ACP رقابت می کنند و کمپلکس با آنزیم ترکیبی را تشکیل می دهد که مولکول های بیشتری دارد. I یا S به آنزیم متصل می شود؛ برای چنین مهاری، معادله معتبر است: .
در طول بازداری رقابتی، یک کمپلکس سه تایی E SI هرگز تشکیل نمی‌شود، که تفاوت این نوع بازداری با سایرین است.
به عنوان مثال، DG سوکسینات در مزارع گنجانده شده است. سیستم های CTK S طبیعی آن سوکسینات است. مهارکننده ها می توانند اگزالواستات، مالونات (شبه سوبستراها) باشند.

هنگامی که بیش از حد باشد، مهار کننده در گروه های پلاریزه به DG سوکسینات ACP متصل می شود.
با مهار رقابتی، Vmax هرگز تغییر نمی کند، اما Km تغییر می کند. شیب منحنی ها در حضور I افزایش می یابد، در نتیجه کیلومتر افزایش می یابد

بر اساس نتایج آزمایش با استفاده از منحنی Michaelis-Menten، می توان ماهیت رقابتی I (با افزایش کیلومتر و پایداری Vmax) را تعیین کرد. ماهیت این منحنی نیز نشان دهنده برگشت پذیر بودن فرآیند است، یعنی با افزایش [S] می توان زمان رسیدن به Vmax را کاهش داد.
روش بازداری رقابتی کاربرد وسیعی در عمل پزشکی پیدا کرده است.

پارا آمینو بنزوئیک اسید و سولفونامید ساختار مشابهی دارند. سلول باکتری از p-ABA برای سنتز اسید فولیک، که جزء آنزیم های باکتری است، استفاده می کند. S/a فعالیت آنزیم هایی را که اسید فولیک را سنتز می کنند مسدود می کند، در نتیجه رشد باکتری متوقف می شود.

مهار غیر رقابتی زمانی که من نه با ACP، بلکه با سایر گروه‌های عملکردی آنزیم‌ها تعامل داشته باشم، مهار برگشت‌پذیر است، یعنی در این مورد، من هیچ شباهتی ساختاری به S ندارم. افزودن چنین بازدارنده‌ای فعالیت آنزیم را کاهش می‌دهد. و نه تمایل آن به S، یعنی بازدارنده کیلومتر را تغییر نمی دهد، اما حداکثر را کاهش می دهد. Vfr.

با این نوع مهار، کمپلکس های غیرفعال با تفکیک کم E I یا E I S تشکیل می شوند، به عنوان مثال، عمل HCN، سایر ترکیبات شیمیایی که یون های Me یا سایر گروه های عاملی را در مولکول آنزیم متصل می کنند.

مهار مختلط (یا نوع جزئی غیر رقابتی) - کاهش Vmax با افزایش کیلومتر ترکیب می شود.

در این حالت، یک کمپلکس E I S تشکیل می‌شود و S موجود در آن دچار یک تبدیل کاتالیزوری کند می‌شود.

مهار بستر کاهش Vfr با افزایش قابل توجه [S] است. در ابتدا، با افزایش [S]، Vfr افزایش می یابد و به حداکثر خود می رسد، اما با افزایش بیشتر در [S]، Vfr شروع به سقوط می کند.
مکانیسم اثر مهاری S اضافی متنوع است. اغلب، این برهمکنش ترکیبات میانی E S با یک یا چند مولکول S است که منجر به تشکیل یک ترکیب غیر فعال می شود، سپس
مجموعه ای وجود دارد که محصولات واکنشی تولید نمی کند.

روشهای تنظیم فعالیت آنزیم
در یک موجود زنده، واکنش های سنتز، تجزیه و تبدیل هزاران ماده مختلف به طور همزمان رخ می دهد. همه این واکنش‌های متعدد از طریق مکانیسم‌های مختلفی در بدن تنظیم می‌شوند که مهمترین آنها عبارتند از:
الف) مقررات از نوع بازخورد؛ معمولاً مشخصه واکنش های سنتز است. تجمع محصولات واکنش بالاتر از حد مجاز اثر بازدارندگی قوی در مرحله اول فرآیند دارد:

ب) تنظیم آلوستریک فعالیت آنزیم - مشخصه فقط گروه خاصی از آنزیم های دارای SN است که دارای مراکز تنظیمی برای اتصال عوامل آلوستریک هستند. عوامل منفی تبدیل S را مهار می کنند و به عنوان بازدارنده آلوستریک عمل می کنند. برعکس، عوامل مثبت Vfr را تسریع می کنند، بنابراین به عنوان فعال کننده های آلوستریک طبقه بندی می شوند.

مکانیسم اثر مهارکننده های آلوستریک بر روی آنزیم، تغییر ACP این آنزیم است. کاهش Vfr یا نتیجه افزایش کیلومتر است یا در نتیجه کاهش Vmax، در همان غلظت های اشباع کننده S. فعال کننده های آلوستریک، برعکس، تبدیل S به ACP را تسهیل می کنند، که همراه با آن است. یا کاهش کیلومتر یا افزایش Vmax.

بخش بندی پدیده ای است که در آن از غشاها برای جداسازی فضایی استفاده می شود
الف) آنزیمی از S آن (به عنوان مثال، آنزیم های لیزومال از موادی که در سیتوپلاسم بر روی آنها عمل می کنند).
ب) فرآیندهایی که همزمان با یکدیگر ناسازگار هستند. سنتز اسیدهای چرب در قسمت محلول سیتوپلاسم و تجزیه اسیدهای چرب در میتوکندری اتفاق می افتد.

سینتیک واکنش های آنزیمی. این شاخه از آنزیم شناسی تأثیر عوامل شیمیایی و فیزیکی را بر سرعت واکنش های آنزیمی مطالعه می کند. در سال 1913، مایکلیس و منتن نظریه سینتیک آنزیمی را بر اساس این واقعیت ایجاد کردند که آنزیم (E) با سوبسترا (S) تعامل می کند و یک کمپلکس میانی آنزیم-سوبسترا (ES) تشکیل می دهد که بیشتر به آنزیم تجزیه می شود. محصول واکنش با توجه به معادله:

هر مرحله از تعامل بین سوبسترا و آنزیم با ثابت های سرعت خاص خود مشخص می شود. نسبت مجموع ثابت های سرعت برای تجزیه کمپلکس آنزیم- بستر به ثابت سرعت تشکیل کمپلکس آنزیم- بستر را ثابت میکایلیس (Km) می گویند. آنها میل ترکیبی آنزیم را برای سوبسترا تعیین می کنند. هرچه ثابت Michaelis کمتر باشد، میل ترکیبی آنزیم برای سوبسترا بیشتر می شود، سرعت واکنش آن کاتالیز می شود. بر اساس مقدار Km، واکنش های کاتالیزوری را می توان به سریع (Km 106 mol/l یا کمتر) و آهسته (Km 102 تا 106) تقسیم کرد.

سرعت واکنش آنزیمی به دما، محیط واکنش، غلظت واکنش دهنده ها، مقدار آنزیم و عوامل دیگر بستگی دارد.

1. اجازه دهید وابستگی سرعت واکنش به مقدار آنزیم را در نظر بگیریم. به شرطی که سوبسترا زیاد باشد، سرعت واکنش متناسب با مقدار آنزیم است، اما با مقدار اضافی آنزیم، افزایش سرعت واکنش کاهش می‌یابد، زیرا دیگر بستر کافی وجود نخواهد داشت.

2. سرعت واکنش های شیمیایی با غلظت مواد واکنش دهنده متناسب است (قانون عمل جرم). این قانون برای واکنش های آنزیمی نیز اعمال می شود، اما با محدودیت های خاصی. ثابت

در مقادیر زیاد آنزیم، سرعت واکنش در واقع با غلظت سوبسترا متناسب است، اما فقط در ناحیه غلظت‌های پایین. در غلظت‌های بالای سوبسترا، آنزیم از سوبسترا اشباع می‌شود، یعنی لحظه‌ای فرا می‌رسد که تمام مولکول‌های آنزیم از قبل در فرآیند کاتالیزوری درگیر هستند و هیچ افزایشی در سرعت واکنش وجود نخواهد داشت. سرعت واکنش به حداکثر سطح (Vmax) می رسد و سپس دیگر به غلظت بستر بستگی ندارد. وابستگی سرعت واکنش به غلظت بستر باید در قسمتی از منحنی که کمتر از Vmax است تعیین شود. از نظر فنی، تعیین حداکثر سرعت، بلکه ½ Vmax آسان تر است. این پارامتر مشخصه اصلی واکنش آنزیمی است و تعیین ثابت Michaelis (Km) را ممکن می سازد.

کیلومتر (ثابت Michaelis) غلظت سوبسترای است که در آن سرعت واکنش آنزیمی نصف حداکثر است. از این معادله مایکلیس-منتن را برای سرعت یک واکنش آنزیمی استخراج می کنیم.