Enzymy

Metabolizm w organizmie można zdefiniować jako ogół wszystkich przemian chemicznych, jakim ulegają związki pochodzące z zewnątrz. Przekształcenia te obejmują wszystkie znane typy reakcji chemicznych: międzycząsteczkowe przeniesienie grup funkcyjnych, hydrolityczne i niehydrolityczne rozszczepienie wiązań chemicznych, przegrupowanie wewnątrzcząsteczkowe, nowe tworzenie wiązań chemicznych i reakcje redoks. Reakcje takie zachodzą w organizmie z niezwykle dużą szybkością jedynie w obecności katalizatorów. Wszystkie katalizatory biologiczne są substancjami o charakterze białkowym i nazywane są enzymami (dalej F) lub enzymami (E).

Enzymy nie są składnikami reakcji, a jedynie przyspieszają osiągnięcie równowagi poprzez zwiększenie szybkości przemian zarówno bezpośrednich, jak i odwrotnych. Przyspieszenie reakcji następuje na skutek spadku energii aktywacji – bariery energetycznej oddzielającej jeden stan układu (początkowy związek chemiczny) od drugiego (produkt reakcji).

Enzymy przyspieszają wiele różnych reakcji w organizmie. A więc dość prosta z punktu widzenia chemii tradycyjnej reakcja odszczepienia wody od kwasu węglowego z utworzeniem CO 2 wymaga udziału enzymu, gdyż bez niego regulacja pH krwi przebiega zbyt wolno. Dzięki katalitycznemu działaniu enzymów w organizmie możliwe staje się przeprowadzenie takich reakcji, które bez katalizatora przebiegałyby setki i tysiące razy wolniej.

Właściwości enzymów

1. Wpływ na szybkość reakcji chemicznej: enzymy zwiększają szybkość reakcji chemicznej, ale same nie są zużywane.

Szybkość reakcji to zmiana stężenia składników reakcji w jednostce czasu. Jeśli idzie w kierunku do przodu, to jest proporcjonalne do stężenia reagentów, jeśli idzie w przeciwnym kierunku, to jest proporcjonalne do stężenia produktów reakcji. Stosunek szybkości reakcji do przodu i do tyłu nazywany jest stałą równowagi. Enzymy nie mogą zmieniać wartości stałej równowagi, ale stan równowagi w obecności enzymów następuje szybciej.

2. Specyfika działania enzymów. W komórkach organizmu zachodzi 2-3 tysiące reakcji, z których każda jest katalizowana przez określony enzym. Specyfiką działania enzymu jest zdolność do przyspieszania przebiegu jednej konkretnej reakcji bez wpływu na szybkość innych, nawet bardzo podobnych.

Wyróżnić:

Absolutny- gdy F katalizuje tylko jedną konkretną reakcję (arginaza - rozkład argininy)

Względny(grupa szczególna) - F katalizuje pewną klasę reakcji (np. rozkład hydrolityczny) lub reakcje z udziałem określonej klasy substancji.

Specyficzność enzymów wynika z ich unikalnej sekwencji aminokwasów, która determinuje konformację centrum aktywnego oddziałującego ze składnikami reakcji.

Substancja, której przemiana chemiczna jest katalizowana przez enzym, nazywa się podłoże (S) .

3. Aktywność enzymów to zdolność do przyspieszania szybkości reakcji w różnym stopniu. Aktywność wyraża się w:

1) Międzynarodowe jednostki aktywności - (IU) ilość enzymu katalizującego konwersję 1 μM substratu w ciągu 1 minuty.

2) Katalakh (cat) - ilość katalizatora (enzymu) zdolna do przekształcenia 1 mola substratu w ciągu 1 sekundy.

3) Aktywność właściwa – liczba jednostek aktywności (dowolnej z powyższych) w badanej próbce w stosunku do całkowitej masy białka w tej próbce.

4) Rzadziej stosuje się aktywność molową - liczbę cząsteczek substratu przekształcanych przez jedną cząsteczkę enzymu na minutę.

aktywność zależy od temperatura . Ten lub inny enzym wykazuje największą aktywność w optymalnej temperaturze. Dla F organizmu żywego wartość ta mieści się w przedziale +37,0 - +39,0°C, w zależności od gatunku zwierzęcia. Wraz ze spadkiem temperatury następuje spowolnienie ruchu Browna, zmniejsza się szybkość dyfuzji, a co za tym idzie, spowalnia proces tworzenia kompleksu pomiędzy enzymem a składnikami reakcji (substratami). Jeżeli temperatura wzrośnie powyżej +40 - +50°C, cząsteczka enzymu, czyli białko, ulega procesowi denaturacji. Jednocześnie zauważalnie spada szybkość reakcji chemicznej (ryc. 4.3.1.).

Aktywność enzymów zależy również od średnie pH . Dla większości z nich istnieje pewna optymalna wartość pH, przy której ich aktywność jest maksymalna. Ponieważ komórka zawiera setki enzymów i każdy z nich ma swoje własne optymalne granice pH, zmiana pH jest jednym z ważnych czynników regulujących aktywność enzymatyczną. Zatem w wyniku jednej reakcji chemicznej z udziałem określonego enzymu, którego pH mieści się w przedziale 7,0 - 7,2, powstaje produkt, którym jest kwas. W tym przypadku wartość pH przesuwa się do zakresu 5,5 - 6,0. Aktywność enzymu gwałtownie maleje, tempo tworzenia produktu zwalnia, ale aktywowany jest inny enzym, dla którego te wartości pH są optymalne, a produkt pierwszej reakcji ulega dalszej przemianie chemicznej. (Kolejny przykład dotyczący pepsyny i trypsyny).

1. zmienić energię swobodną reakcji

2. Zahamuj reakcję zwrotną

3. zmienić stałą równowagi reakcji

4. skierować reakcję wzdłuż obejścia o niższych energiach aktywacji reakcji pośrednich

102. Zmiana konformacji cząsteczki enzymu może nastąpić:

2. tylko przy zmianie pH

103. Zmiana stopnia jonizacji grup funkcyjnych enzymu następuje, gdy:

1. tylko przy zmianie temperatury

2. tylko przy zmianie pH

3. tylko wtedy, gdy ulegną zmianie oba warunki

4. nie występuje przy jakichkolwiek zmianach

104. Hydroliza wiązań peptydowych zachodzi, gdy:

1. tylko przy zmianie temperatury

2. tylko przy zmianie pH

3. gdy oba warunki ulegną zmianie

4. nie zachodzi przy zmianach temperatury i pH

105. Naruszenie słabych wiązań w cząsteczce enzymu następuje, gdy:

2. tylko przy zmianie pH

3. gdy oba warunki ulegną zmianie

4. nie występuje przy jakichkolwiek zmianach

106 Pepsyna wykazuje optymalną aktywność przy wartości pH:

1. 1,5-2,5

107. Optymalne pH dla pracy większości enzymów to:

1. pH< 4,0

3. 6,0 < pH < 8,0

108. Wybierz prawidłowe stwierdzenia spośród poniższych:

1. wszystkie enzymy wykazują maksymalną aktywność przy pH=7

2. większość enzymów wykazuje maksymalną aktywność przy pH zbliżonym do obojętnego

3. pepsyna wykazuje maksymalną aktywność przy pH = 1,5-2,5

109. Korzystając z równania Michaelisa-Mentena, możesz obliczyć:

4. zmiana energii swobodnej podczas reakcji chemicznej

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

1. energia aktywacji reakcji chemicznej

2. szybkość reakcji katalizowanej enzymatycznie

3. bariera energetyczna reakcji chemicznej

111. Wybierz prawidłowe odpowiedzi: Stała Michaelisa (K m) wynosi:

2. Może mieć różne znaczenia dla izoenzymów

3. Wartość, przy której wszystkie cząsteczki enzymu mają postać ES

4. Im większa jego wartość, tym większe powinowactwo enzymu do substratu

112. Wybierz prawidłowe odpowiedzi: Stała Michaelisa (K m) wynosi:

1. Parametr kinetyki reakcji enzymatycznej

2. Wartość, przy której wszystkie cząsteczki enzymu mają postać ES

3. Im większa jego wartość, tym większe powinowactwo enzymu do substratu

4. Stężenie substratu, przy którym osiągana jest połowa maksymalnej szybkości reakcji (Vmax)

113. Wymień cechy budowy i funkcjonowania enzymów allosterycznych:

3. podczas interakcji z ligandami obserwuje się kooperacyjną zmianę konformacji podjednostek

4. podczas interakcji z ligandami obserwuje się kooperacyjną zmianę konformacji podjednostek

114. Wymień cechy budowy i funkcjonowania enzymów allosterycznych:

1. z reguły są to białka oligomeryczne

2. z reguły nie są białkami oligomerycznymi

3. wykazują właściwości regulacyjne podczas dysocjacji cząsteczki na protomery

4. podczas interakcji z ligandami obserwuje się kooperacyjną zmianę konformacji podjednostek

Enzymy. Kinetyka reakcji enzymatycznych

Reakcje biochemiczne zachodzą wyłącznie przy udziale enzymów, czyli katalizatorów będących w swoim składzie i strukturze białkami. Substancje wykazujące działanie katalityczne znane są zarówno z chemii nieorganicznej, jak i chemii organicznej. Substancje takie, zwane katalizatorami, występują we wszystkich klasach substancji - substancjach prostych (zarówno metalach, jak i niemetalach), kwasach, zasadach, tlenkach, solach. Katalizatory są szczególnie szeroko stosowane w chemii organicznej, ponieważ substancje organiczne charakteryzują się stosunkowo niską reaktywnością. Przechodząc do nowego etapu chemii – biochemii, spotykamy się także z nową klasą katalizatorów – enzymami. Nieskończona różnorodność struktury cząsteczek białek okazuje się warunkiem niezbędnym do biosyntezy specjalnych białek, odpowiednich jako katalizatory wszelkich procesów biochemicznych zachodzących w przyrodzie.

Kataliza enzymatyczna ma cechy charakterystyczne dla wszystkich procesów katalitycznych, ale istnieją także zasadnicze różnice. Ogólne zasady obejmują:

Enzymy zwiększają szybkość reakcji, ale nie zmieniają równowagi chemicznej;

Enzymy przyspieszają te reakcje, które w danych warunkach mogą zachodzić samoistnie;

Reakcja niespontaniczna, połączona ze spontaniczną, zachodzi także z udziałem enzymów

Szybkość reakcji enzymatycznej zależy od temperatury i stężenia reagentów (substratu i enzymu).

Specyficzne cechy reakcji enzymatycznych obejmują:

Enzymy wyróżniają się wyższą selektywnością wobec substratów niż konwencjonalne katalizatory. Często enzym przyspiesza tylko jedną reakcję biochemiczną lub raczej wąską grupę powiązanych reakcji;

Enzymy działają stereospecyficznie, przyspieszając syntezę tylko jednego z możliwych izomerów przestrzennych.

Enzymy działają w ograniczonym zakresie temperatur - poniżej temperatury denaturacji danego białka;

Aktywność enzymu zależy od pH podłoża; każdy enzym ma optymalną wartość pH, przy której aktywność jest maksymalna.

Wiele enzymów działa tylko wtedy, gdy są aktywowane przez koenzymy – cząsteczki i jony o niskiej masie cząsteczkowej.

Enzymy mogą być rozpuszczone lub osadzone w błonach komórkowych.

Aktywność enzymu może zależeć od stężenia produktu reakcji.

Enzymy występują w komórkach w wyjątkowo niskich stężeniach. Oznaczanie ich w ekstraktach tkankowych lub płynach jest zadaniem trudnym. Dlatego opracowano specjalne podejścia do określania aktywności katalitycznej enzymów. Mierzy się szybkość reakcji zachodzącej pod działaniem istniejącego enzymu. Wynik wyraża się w jednostkach aktywności enzymu. Następnie porównuje się względne ilości enzymu w różnych ekstraktach. Jednostki aktywności wyrażane są w µmol (10–6), nmol (10–9) lub pmol (10–12) zużytego substratu lub utworzonego produktu na jednostkę czasu (minutę). Międzynarodowe jednostki aktywności są oznaczone U, nU i pU.

Główne założenia teorii szybkości reakcji chemicznych mają zastosowanie do katalizy enzymatycznej. Aby reakcja mogła zachodzić konieczne jest, aby cząsteczki enzymu (są oznaczenia F, E, Enz) i substrat (S) zbliżyły się (zderzyły) na tyle, aby utworzyły się wiązania. Aby zderzenie było produktywne (aktywne), cząsteczki muszą mieć wystarczającą ilość energii, aby pokonać barierę energetyczną. Jak wiadomo, bariera ta nazywana jest energią aktywacji. Na pewnych etapach reakcji enzymatycznej enzym działa jak zwykły reagent, reagując w stosunku molowym 1:1. Procesy enzymatyczne są często reprezentowane przez specjalne schematy. Na przykład reakcja przeniesienia grupy

A–B+D A–D+B

z udziałem enzymu przedstawia się następująco:

A–B Enz A–D

Jako kolejny przykład napisania schematu reakcji enzymatycznej, weźmy reakcję izomeryzacji

S  iso-S

Przy udziale enzymu reakcję zapisuje się w następujący sposób:

S Enz iso-S

Strzałki przedstawiają cykliczny proces, w którym biorą udział cząsteczki substratu S i uwalniane są cząsteczki produktu, często określane jako P.

Enzym to złożona cząsteczka złożona z setek reszt aminokwasowych i tysięcy atomów. Tylko niewielka grupa atomów w takiej cząsteczce może brać udział w wiązaniu z podłożem. Ta grupa nazywana jest centrum aktywnym. E. Fischer zaproponował model interakcji Enza – S jako odpowiednik klucza i zamka. Tylko w obecności takiej zgodności może nastąpić transformacja podłoża. Selektywność działania enzymu staje się wyraźna. Model ten nie stracił na znaczeniu, ale później zaproponowano model dopasowania indukowanego (Koshland), który uwzględnia elastyczność cząsteczki enzymu. Kiedy cząsteczki enzymu i substratu zbliżają się do siebie, zachodzą zmiany konformacyjne w enzymie, nadając ostateczną konfigurację centrum reakcji. Cząsteczki podobne do substratu mogą również powodować zmiany konformacyjne w enzymie, ale pojawiają się różnice w konformacjach, przy których nie powstaje działające centrum aktywne.

Efekt temperaturowy

W ograniczonym zakresie temperatur przed denaturacją białka szybkość reakcji enzymatycznej wzrasta, zgodnie ze zwykłym prawem wyrażonym równaniem Arrheniusa. Wiele reakcji enzymatycznych charakteryzuje się współczynnikiem temperaturowym szybkości Q 10 bliskim dwa. Odpowiada to energii aktywacji E a = 55 kJ/mol przy 37.

Gdy zbliża się temperatura denaturacji białka, wzrost szybkości zwalnia, następnie osiągana jest prędkość maksymalna, a następnie rozpoczyna się gwałtowny spadek szybkości, ponieważ znikają cząsteczki enzymu zdolne do katalizy. Zależność temperaturową szybkości reakcji katalitycznej pokazano na rysunku 1.

zależność od pH

Kiedy zmienia się pH, przesuwa się równowaga przenoszenia protonów, a co za tym idzie, ładunki na cząsteczkach enzymu, a często także na cząsteczkach substratu. Przy niskich wartościach pH enzym ulega protonowaniu i uzyskuje ładunek dodatni. Na wysokich poziomach deprotonuje i uzyskuje ładunek ujemny. Wpływa to na szybkość reakcji enzymatycznych. Jeżeli tylko jedna z form cząsteczki enzymu o określonej wartości ładunku wykazuje aktywność, to jej stężenie przechodzi przez maksimum przy określonej wartości pH M, a aktywność ujawni się w obrębie pH M 1. Otrzymuje się zależność aktywności od pH, co pokazano na ryc. 2.

Dla każdego enzymu istnieje optymalna wartość pH, przy której przejawia się największa aktywność. Przy dużych odchyleniach pH od wartości optymalnej może nastąpić denaturacja enzymu.

Zależność od stężenia

W formie matematycznej zależność prędkości od stężenia przedstawia się jako równanie kinetyczne. Szybkość reakcji enzymatycznej zależy zarówno od stężenia substratu, jak i od stężenia enzymu, przy założeniu, że wszystkie inne czynniki są niezmienne (T, pH). Należy wziąć pod uwagę, że enzym jest substancją wielkocząsteczkową, a jego stężenie jest wielokrotnie mniejsze niż stężenie substratu. Niech roztwór zawiera substrat z M r = 100 i enzym c M r = 100000. Stężenia masowe obu reagentów 1 mg/l. Ich stężenia molowe będą wynosić:

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

Na 1000 cząsteczek substratu przypada jedna cząsteczka enzymu. Rzeczywisty współczynnik mógłby być znacznie wyższy. Określa to postać równań kinetycznych w kinetyce enzymatycznej.

Typową cechą kinetyki reakcji enzymatycznych okazało się, że szybkość jest proporcjonalna do stężenia substratu w jego niskim stężeniu i staje się niezależna od stężenia w wysokim stężeniu. Te wyniki eksperymentów przedstawiono graficznie za pomocą zakrzywionej linii na ryc. 3.

Aby wyjaśnić tę zależność, zaproponowano dwuetapowy schemat reakcji. Na początku, w wyniku odwracalnej reakcji, kompleks enzym-substrat S … E, w którym następuje przemiana cząsteczki substratu. W drugim etapie wiązanie zmienionej cząsteczki substratu z enzymem zostaje zerwane i powstaje wolna cząsteczka produktu P. Każda transformacja charakteryzuje się własną stałą szybkości.

k 1 k 2

S + E S .... Mi  Mi + P

Dla procesu z takim mechanizmem L. Michaelis i Menten wyprowadzili równanie zależności szybkości od stężenia S, które nazwano równaniem Michaelisa-Mentena.

Zapiszmy równania kinetyczne tworzenia produktu końcowego i kompleksu enzym-substrat:

w =
= k 2 C(SE) (1)

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

Jak zauważono powyżej, całkowite (początkowe) stężenie enzymu jest zawsze znacznie mniejsze niż stężenie substratu. Podczas reakcji stężenie wolnego enzymu C(E) maleje w wyniku tworzenia się kompleksu

C(MI) = C o(MI)  C(SE) (3)

W stanie stacjonarnym stężenie kompleksu pozostaje stałe:

= 0

Z tego warunku otrzymujemy

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

Zastępujemy wyrażenie (3) w (4)

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

W równaniu (5) otwórz nawiasy kwadratowe i przekształć je, aby znaleźć stężenie kompleksu enzym-substrat SE:

Dzielenie licznika i mianownika przez k 1, otrzymujemy

(6)

Nazywa się wyrażenie składające się ze stałych w mianowniku równania Stała MichaelisaK M :

(7)

Podstawiamy otrzymane wyrażenie w równaniu. 1:

(8)

Otrzymano poz. 8 jest jedną z form zapisu równania Michaelisa-Mentena. Przeanalizujmy to równanie. W wielu reakcjach enzymatycznych stała drugiego stopnia k 2 jest znacznie mniejsza niż stałe formowania k 1 i rozpad k–1 kompleks enzym-substrat. W takich przypadkach stała Michaelisa jest w przybliżeniu równa stałej równowagi rozkładu kompleksu na pierwotne cząsteczki:

Kiedy przy wysokim stężeniu substratu C(S) K M , stały K M można pominąć i wtedy C(S) w ur. 8 maleje; natomiast prędkość przyjmuje wartość maksymalną:

w maks. = k 2 C o(E)(9)

Maksymalna szybkość zależy od stężenia enzymu i nie zależy od stężenia substratu. Oznacza to, że reakcja przebiega w porządku zerowym względem substratu.

Kiedy przy niskich stężeniach substratu C(S) K M, reakcja przebiega w pierwszym rzędzie względem substratu:

w =

Zatem wraz ze wzrostem stężenia substratu kolejność reakcji zmienia się od pierwszego (obszar I na ryc. 4) do zera (obszar III).

1/2w maks

Równanie Michaelisa-Mentena można zapisać wykorzystując prędkość maksymalną:

(10)

Ta postać równania jest wygodna do przedstawienia wyników eksperymentów, gdy stężenie enzymu nie jest znane.

Jeżeli szybkość reakcji jest o połowę mniejsza niż maksymalna, to z równania. 10 wynika, że ​​stała Michaelisa jest równa odpowiedniemu stężeniu substratu (ryc. 4):

, Gdzie K M= C"(S)

W celu dokładniejszego określenia stałej Michaelisa metodą graficzną należy zastosować transformację równania. 10 poprzez odwrotność zmiennych. Zamień licznik i mianownik w równaniu. 10:

Lub

Graficzne przedstawienie równania Michaelisa-Mentena we odwrotnych współrzędnych 1/ w – 1/C(S) nazywa się wykresem Lineweavera-Burka (ryc. 5). To jest wykres linii prostej odcinającej się na 1/ w odcinek równy odwrotności prędkości maksymalnej. Kontynuacja linii prostej w obszarze ujemnym aż do przecięcia jej z osią poziomą daje odcinek, którego wartość bezwzględna wynosi 1/ K M. Zatem z wykresu odwrotne wartości parametrów 1/ w maks. i 1/ K M , a następnie same parametry.

Istnieją enzymy, których działanie nie jest ściśle zależne od człowieka. Michaelisa-Mentena. Przy wysokim stężeniu substratu osiągana jest maksymalna prędkość, natomiast przy niskim stężeniu wykres zależności w- S przyjmuje tzw. formę esowatą. Oznacza to, że początkowo prędkość rośnie wraz z przyspieszaniem (wypukłość krzywej skierowana jest w dół, patrz rys. 6), a następnie po osiągnięciu punktu przegięcia prędkość rośnie wraz ze zwalnianiem i zbliża się do prędkości maksymalnej. Wyjaśnia to kooperatywny efekt substratu w obecności kilku miejsc wiązania w enzymie. Wiązanie jednej cząsteczki S ułatwia wiązanie drugiej cząsteczki w drugim miejscu.

Enzymy to wysoce wyspecjalizowane katalizatory białkowe, które przyspieszają reakcje chemiczne u zwierząt i roślin. Prawie wszystkie przemiany chemiczne w materii żywej przeprowadzane są za pomocą enzymów. Można powiedzieć, że enzymy są siłą napędową procesów biochemicznych zachodzących w organizmach żywych.

W zależności od charakteru i przeznaczenia enzymy mogą być uwalniane do środowiska lub zatrzymywane w komórce. Nie tracą swoich zdolności katalitycznych nawet po usunięciu z organizmu (jednak poza komórkami enzymy jedynie rozkładają substancje). Stanowi to podstawę do ich zastosowania w przemyśle spożywczym, lekkim, medycznym, rolnictwie i innych sektorach gospodarki narodowej.

Akademik I.P. Pavlov napisał: „Enzymy są, że tak powiem, pierwszym aktem życiowej aktywności. Wszystkie procesy chemiczne w organizmie są właśnie kierowane przez te substancje, to one są sprawcami wszelkich przemian chemicznych. Wszystkie te substancje odgrywają ogromną rolę, determinują procesy, dzięki którym objawia się życie, są w pełnym tego słowa znaczeniu aktywatorami życia.

Wszystkie reakcje enzymatyczne przebiegają łatwo i szybko. Reakcjom enzymatycznym katalizowanym w organizmie nie towarzyszy powstawanie produktów ubocznych, natomiast reakcjom organicznym prowadzonym przy pomocy sztucznych katalizatorów zawsze powstaje co najmniej jeden lub więcej takich produktów.

W organizmach żywych enzymy są w stanie uporządkowanym. W poszczególnych formacjach strukturalnych komórki reakcje enzymatyczne przebiegają w ściśle określonej kolejności. Precyzyjnie skoordynowane ze sobą poszczególne cykle reakcji zapewniają żywotną aktywność komórek, narządów, tkanek i organizmu jako całości. W określonych częściach komórki zachodzą ściśle określone procesy biochemiczne.

Oprócz tego, że enzymy odgrywają decydującą rolę w organizmach żywych, zajmują one poczesne miejsce w produkcji produktów spożywczych i wielu innych gałęziach przemysłu, a także w rolnictwie. Produkcja alkohol etylowy, piwo, wino, herbata, pieczywo, mleko fermentowane i wiele innych produktów opartych na działaniu enzymów . Enzymy biorą udział w dojrzewanie i przejrzałość owoce i warzywa, dojrzewanie i degradacja mięso i ryba, trwałość zboża, mąka, zboża i inne produkty .

W niektórych przypadkach obecność enzymów w przetwarzaniu produktów jest niepożądana. Przykładem tego jest reakcja enzymatycznego brązowienia owoców i warzyw w wyniku działania enzymu oksydazy polifenolowej lub jełczenie tłuszczów mąki w wyniku działania enzymów lipazy i lipoksydazy obecnych w zarodkach zbóż.

Obecnie z obiektów biologicznych wyizolowano około 3500 enzymów i przebadano kilkaset enzymów. Uważa się, że żywa komórka może zawierać ponad 1000 różnych enzymów. Każdy enzym zazwyczaj katalizuje tylko jeden rodzaj reakcji chemicznej. Ponieważ enzym może przyspieszyć tylko jedną reakcję lub rzadko grupę reakcji jednego typu, nie wpływając na inne, w organizmach żywych może zachodzić jednocześnie wiele różnych reakcji. Choć reakcje poszczególnych enzymów przebiegają niezależnie od siebie, to jednak najczęściej łączy je złożona sekwencja powstawania produktów pośrednich. W takim przypadku produkt jednej reakcji może służyć jako substrat lub odczynnik dla innej. Dlatego w tej samej komórce zachodzą jednocześnie setki i tysiące reakcji enzymatycznych, przebiegających w określonej kolejności i w takich ilościach, które zapewniają normalny stan komórki.

Każdy żywy organizm w sposób ciągły syntetyzuje enzymy. W procesie wzrostu organizmu zwiększa się także ilość niezbędnych enzymów. Nieproporcjonalny wzrost lub spadek liczby enzymów może prowadzić do naruszenia charakteru metabolizmu, który rozwinął się w organizmie.

W żywej komórce enzymy można syntetyzować w różnych formacjach strukturalnych - jądrze, cytoplazmie, chloroplastach, mitochondriach, błonie cytoplazmatycznej itp.

jako katalizatory biologiczne enzymy, istnienie w małych ilościach, zdolna do transformacji ogromne ilości podłoża, na którym działają. Zatem enzym amylaza śliny wykazuje zauważalną aktywność katalityczną w rozcieńczeniu 1: 1 000 000, a enzym peroksydaza jest aktywny w rozcieńczeniu 1: 5 000 000. Jedna cząsteczka katalazy rozkłada 5 milionów cząsteczek nadtlenku wodoru w ciągu jednej minuty.

Aktywność katalityczna enzymów jest wielokrotnie większa niż aktywność katalizatorów nieorganicznych.. Zatem hydroliza białek do aminokwasów w obecności katalizatorów nieorganicznych w temperaturze 100°C i wyższej przebiega w ciągu kilkudziesięciu godzin. Ta sama hydroliza z udziałem specyficznych enzymów kończy się w niecałą godzinę i przebiega w temperaturze 30-40°C. Całkowita hydroliza skrobi kwasem następuje w ciągu kilku godzin, natomiast hydroliza enzymatyczna w temperaturze pokojowej trwa kilka minut. Wiadomo, że jony żelaza katalitycznie przyspieszają rozkład nadtlenku wodoru na wodór i tlen. Ale atomy żelaza tworzące enzym katalazę działają na nadtlenek wodoru 10 miliardów razy silniej niż zwykłe żelazo: 1 mg żelaza w enzymie jest w stanie zastąpić 10 ton żelaza nieorganicznego podczas katalitycznego rozkładu nadtlenku wodoru.

Ważna cecha charakterystyczna enzymów polega na specyfice ich działania . Specyficzność enzymów jest znacznie wyższa niż katalizatorów nieorganicznych. Czasami niewielkie zmiany w strukturze chemicznej substancji wykluczają przejaw działania określonego enzymu na tę substancję. Specyfika działania enzymów objawia się również w przypadkach, gdy substancja różni się budową chemiczną. Zatem enzymy przyspieszające hydrolizę białek nie mają żadnego wpływu na hydrolizę skrobi i odwrotnie.

Enzymy różnią się swoistością. Niektóre enzymy katalizują tylko jedną reakcję, podczas gdy inne katalizują dużą liczbę reakcji. Zatem enzym glikooksydaza katalizuje utlenianie glukozy, a trypsyna hydrolizuje specyficzne wiązania peptydowe w białkach i eterach aminokwasów.

Specyfika działania enzymów czasami prowadzi do tego, że na związek organiczny wpływa nie jeden, ale dwa enzymy.

specyfika grupy reprezentują wszystkie enzymy, to znaczy katalizują tylko specjalny rodzaj reakcji, taki jak utlenianie monosacharydów lub hydroliza oligosacharydów.

Enzymy, będące specyficznymi katalizatorami, przyspieszyć reakcje do przodu i do tyłu , tj. hydroliza i synteza substancji, na którą działają. Kierunek tego procesu zależy od stężenia produktów początkowych i końcowych oraz warunków, w jakich przebiega reakcja. Jednocześnie udowodniono, że większość syntez w żywej komórce zachodzi pod działaniem enzymów innych niż te, które katalizują rozszczepienie tego lub innego związku.

Charakter chemiczny enzymów

Enzymy dzielą się na dwie główne klasy - jednoskładnikowy, składa się wyłącznie z białka i dwuskładnikowy, składa się z białka i części niebiałkowej, tzw protetyczny Grupa. Białka enzymatyczne mogą być proste (białka) lub złożone (białka). Aktywna grupa protetyczna (miejsce aktywne) enzymu agonia , A nośnik białka – feron . Grupa prostetyczna w składzie enzymu zajmuje do około 1% jego masy.

Siła wiązania pomiędzy grupą prostetyczną (agonem) a feronem nie jest taka sama dla różnych enzymów. Przy słabym wiązaniu enzym dysocjuje na część białkową i protetyczną, którą nazywa się koenzym . Każda z powstałych grup wykazuje aktywność katalityczną. Rolę koenzymów pełni większość witamin - C, B 1, B 2, B 6, B 12, H, E, K itp., A także nukleotydy, RNA, grupy sulfhydrylowe, glutation, żelazo, miedź, magnez atomy itp. Wiele enzymów ma wysoką zdolność katalityczną tylko wtedy, gdy enzym nie rozkłada się na feron i agon.

DO jednoskładnikowy zawierają wiele enzymów rozkładających białka lub węglowodany (pepsyna, trypsyna, papina, amylaza).

Typowy dwuskładnikowy enzymem jest α-karboksylaza, która katalizuje rozkład kwasu pirogronowego na dwutlenek węgla i aldehyd octowy:

α-karboksylaza

CH3COCOOH ---- →CH3CHO + CO 2 .

Charakter chemiczny α-karboksylazy jest w pełni poznany, grupa aktywna tego enzymu zawiera witaminę B 1 .

Często koenzymy działają jako półprodukty w reakcjach enzymatycznych związanych z przenoszeniem wodoru. Należą do nich dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy (NAD), glutation, kwas L-askorbinowy, chinony i cytochromy. Inne koenzymy działają jako nośniki lub przekaźniki grup fosforanowych, aminowych i metylowych.

Waga molekularna enzymy są bardzo zróżnicowane. od kilku tysięcy do miliona , ale większość enzymów tak wysoka masa cząsteczkowa .

Wiele enzymów zawiera metale które biorą udział w działaniu katalitycznym. Więc, żelazo należy do grupy prostetycznej enzymów katalazy i peroksydazy, a także oksydazy cytochromowej, która bierze udział w procesach oddychania. Miedź wchodzi w skład enzymów utleniających, oksydazy polifenolowej i oksydazy askorbinianowej, które odgrywają ważną rolę w metabolizmie roślin.

W czystej postaci wszystkie enzymy są kryształami..

Reakcje katalityczne zachodzą na powierzchni cząsteczek enzymów. Enzym-białko tworzy fazę rozproszoną, na powierzchni której zachodzą reakcje pomiędzy substancjami rozpuszczonymi w ośrodku dyspersyjnym. Powierzchnia cząsteczki enzym-białko jest niejednorodna; na powierzchni cząsteczki znajdują się różne grupy aktywne chemicznie, które łatwo wiążą inne związki.

Właściwości enzymów wynikają Po pierwsze obecność szczególnie aktywnych centrów na powierzchni cząsteczki białka - rodniki aminokwasów lub specjalne grupy chemiczne trwale związane z białkiem. Centrum aktywne to ta część enzymu, która łączy się z substancją (substratem) w procesie działania katalitycznego. .

Enzymy, kompleks enzym-substrat i energia aktywacji

Najważniejszą funkcją białek jest katalityczna, pełni ją pewna klasa białek – enzymy. W organizmie zidentyfikowano ponad 2000 enzymów. Enzymy to biologiczne katalizatory o charakterze białkowym, które znacząco przyspieszają reakcje biochemiczne. Zatem reakcja enzymatyczna zachodzi 100-1000 razy szybciej niż bez enzymów. Różnią się wieloma właściwościami od katalizatorów stosowanych w chemii. Enzymy przyspieszają reakcje w normalnych warunkach, w przeciwieństwie do katalizatorów chemicznych.

U ludzi i zwierząt w ciągu kilku sekund zachodzi złożona sekwencja reakcji, co wymaga długiego czasu (dni, tygodni, a nawet miesięcy) przy zastosowaniu konwencjonalnych katalizatorów chemicznych. W przeciwieństwie do reakcji bez enzymów, w reakcjach enzymatycznych nie powstają produkty uboczne (wydajność produktu końcowego wynosi prawie 100%). W procesie przemian enzymy nie ulegają zniszczeniu, dlatego już niewielka ich ilość jest w stanie katalizować reakcje chemiczne dużej liczby substancji. Wszystkie enzymy są białkami i mają swoje charakterystyczne właściwości (wrażliwość na zmiany pH podłoża, denaturację w wysokich temperaturach itp.).

Enzymy dzielą się na: chemiczne jednoskładnikowy (prosty) I dwuskładnikowy (złożony) .

Jednoskładnikowy (prosty)

Enzymy jednoskładnikowe składają się wyłącznie z białek. Do prostych zaliczają się głównie enzymy przeprowadzające reakcje hydrolizy (pepsyna, trypsyna, amylaza, papaina itp.).

Dwuskładnikowy (kompleksowy)

W przeciwieństwie do prostych enzymów, złożone enzymy zawierają część niebiałkową - składnik o niskiej masie cząsteczkowej. Część białkowa nazywa się apoenzym (nośnik enzymatyczny), niebiałkowy - koenzym (grupa aktywna lub protetyczna). Niebiałkową część enzymów mogą reprezentować substancje organiczne (na przykład pochodne witamin, NAD, NADP, urydyna, nukleotydy cytydylowe, flawiny) lub nieorganiczne (na przykład atomy metali - żelazo, magnez, kobalt, miedź , cynk, molibden itp.).

Nie wszystkie niezbędne koenzymy mogą być syntetyzowane przez organizmy i dlatego muszą być dostarczane z pożywieniem. Brak witamin w pożywieniu ludzi i zwierząt powoduje utratę lub zmniejszenie aktywności enzymów, w skład których wchodzą. W przeciwieństwie do części białkowej, koenzymy organiczne i nieorganiczne są bardzo odporne na niekorzystne warunki (wysokie lub niskie temperatury, promieniowanie itp.) i można je oddzielić od apoenzymu.

Enzymy charakteryzują się dużą specyficznością: potrafią jedynie przekształcić odpowiednie substraty i katalizować tylko niektóre reakcje tego samego typu. Określa jego składnik białkowy, ale nie całą cząsteczkę, ale tylko jej niewielką część - aktywny ośrodek . Jego budowa odpowiada budowie chemicznej substancji, które reagują. Enzymy charakteryzują się przestrzenną zgodnością między substratem a centrum aktywnym. Pasują do siebie jak klucz do zamka. W jednej cząsteczce enzymu może znajdować się kilka centrów aktywnych. Centrum aktywne, czyli połączenie z innymi cząsteczkami, znajduje się nie tylko w enzymach, ale także w niektórych innych białkach (hem w centrach aktywnych mioglobiny i hemoglobiny). Reakcje enzymatyczne przebiegają w formie kolejnych etapów – od kilku do kilkudziesięciu.

Aktywność złożonych enzymów objawia się dopiero wtedy, gdy część białkowa jest połączona z częścią niebiałkową. Ponadto ich aktywność objawia się tylko w określonych warunkach: temperaturze, ciśnieniu, pH środowiska itp. Enzymy różnych organizmów są najbardziej aktywne w temperaturze, do której przystosowane są te stworzenia.

Kompleks enzym-substrat

Tworzą się wiązania substrat-enzym substrat enzymatyczny złożony.

Jednocześnie zmienia nie tylko swoją konformację, ale także konformację podłoża. Reakcje enzymatyczne mogą być hamowane przez własne produkty reakcji - wraz z akumulacją produktów szybkość reakcji maleje. Jeśli produktów reakcji jest niewiele, enzym jest aktywowany.

Substancje, które przenikają w obszar centrum aktywnego i blokują grupy katalityczne enzymów, nazywane są substancjami inhibitory (od łac. hamować- powstrzymać, zatrzymać). Aktywność enzymów zmniejszają jony metali ciężkich (ołów, rtęć itp.).

Enzymy zmniejszają energię aktywacji, to znaczy poziom energii wymagany do reaktywności cząsteczek.

Energia aktywacji

Energia aktywacji - jest to energia zużywana na zerwanie określonego wiązania w celu chemicznego oddziaływania dwóch związków. Enzymy zajmują określone miejsce w komórce i organizmie jako całości. W komórce enzymy znajdują się w niektórych jej częściach. Wiele z nich jest związanych z błonami komórkowymi lub pojedynczymi organellami: mitochondriami, plastydami itp.

Biosynteza enzymów, które organizmy są w stanie regulować. Dzięki temu możliwe jest utrzymanie ich stosunkowo stałego składu przy znacznych zmianach warunków środowiskowych oraz częściowa modyfikacja enzymów w odpowiedzi na te zmiany. Działanie różnych substancji biologicznie czynnych - hormonów, leków, stymulatorów wzrostu roślin, trucizn itp. - polega na tym, że mogą one stymulować lub tłumić ten lub inny proces enzymatyczny.

Niektóre enzymy biorą udział w aktywnym transporcie substancji przez błony.

Przyrostek do nazw większości enzymów to -az-. Dodaje się go do nazwy substratu, z którym enzym oddziałuje. Na przykład, hydrolazy - katalizują reakcje rozszczepienia związków złożonych na monomery poprzez dodanie cząsteczki wody w miejscu pęknięcia wiązania chemicznego w cząsteczkach białek, polisacharydów, tłuszczów; oksydoreduktaza - przyspieszają reakcje redoks (przeniesienie elektronów lub protonów); izomeraza- przyczyniają się do wewnętrznego przegrupowania molekularnego (izomeryzacji), transformacji izomerów itp.