Enzimat

Metabolizmi në trup mund të përkufizohet si tërësia e të gjitha transformimeve kimike të pësuar nga komponimet që vijnë nga jashtë. Këto transformime përfshijnë të gjitha llojet e njohura të reaksioneve kimike: transferimin ndërmolekular të grupeve funksionale, ndarjen hidrolitike dhe johidrolitike të lidhjeve kimike, rirregullimin intramolekular, formimin e ri të lidhjeve kimike dhe reaksionet redoks. Reaksione të tilla zhvillohen në trup me një shpejtësi jashtëzakonisht të lartë vetëm në prani të katalizatorëve. Të gjithë katalizatorët biologjikë janë substanca me natyrë proteinike dhe quhen enzima (në tekstin e mëtejmë F) ose enzima (E).

Enzimat nuk janë përbërës të reaksioneve, por vetëm përshpejtojnë arritjen e ekuilibrit duke rritur shpejtësinë e transformimeve të drejtpërdrejta dhe të kundërta. Përshpejtimi i reaksionit ndodh për shkak të një rënie në energjinë e aktivizimit - pengesë energjetike që ndan një gjendje të sistemit (përbërja kimike fillestare) nga një tjetër (produkti i reagimit).

Enzimat përshpejtojnë një sërë reaksionesh në trup. Pra, fare e thjeshtë nga pikëpamja e kimisë tradicionale, reagimi i ndarjes së ujit nga acidi karbonik me formimin e CO 2 kërkon pjesëmarrjen e një enzime, sepse pa të, ai vazhdon shumë ngadalë për të rregulluar pH-në e gjakut. Falë veprimit katalitik të enzimave në trup, bëhet e mundur të kryhen reaksione të tilla që do të shkonin qindra e mijëra herë më ngadalë pa një katalizator.

Vetitë e enzimës

1. Ndikimi në shpejtësinë e një reaksioni kimik: enzimat rrisin shpejtësinë e një reaksioni kimik, por ato vetë nuk konsumohen.

Shpejtësia e reagimit është ndryshimi në përqendrimin e përbërësve të reaksionit për njësi të kohës. Nëse shkon në drejtimin përpara, atëherë është proporcional me përqendrimin e reaktantëve; nëse shkon në drejtim të kundërt, atëherë është proporcional me përqendrimin e produkteve të reaksionit. Raporti i shpejtësisë së reaksioneve të përparme dhe të kundërta quhet konstanta e ekuilibrit. Enzimat nuk mund të ndryshojnë vlerat e konstantës së ekuilibrit, por gjendja e ekuilibrit në prani të enzimave vjen më shpejt.

2. Specifikimi i veprimit të enzimave. Në qelizat e trupit ndodhin 2-3 mijë reaksione, secila prej të cilave katalizohet nga një enzimë e caktuar. Specifikimi i veprimit të një enzime është aftësia për të përshpejtuar rrjedhën e një reaksioni të veçantë pa ndikuar në shpejtësinë e të tjerëve, madje edhe shumë të ngjashëm.

Të dallojë:

Absolute- kur F katalizon vetëm një reaksion specifik (arginaza - ndarja e argininës)

I afërm(grupi i veçantë) - F katalizon një klasë të caktuar reaksionesh (p.sh. ndarje hidrolitike) ose reaksione që përfshijnë një klasë të caktuar substancash.

Specifikimi i enzimave është për shkak të sekuencës së tyre unike të aminoacideve, e cila përcakton konformimin e qendrës aktive që ndërvepron me përbërësit e reaksionit.

Një substancë, transformimi kimik i së cilës katalizohet nga një enzimë quhet substrati (S) .

3. Aktiviteti i enzimave është aftësia për të përshpejtuar shpejtësinë e reaksionit në shkallë të ndryshme. Aktiviteti shprehet në:

1) Njësitë ndërkombëtare të aktivitetit - (IU) sasia e enzimës që katalizon shndërrimin e 1 μM të substratit në 1 min.

2) Katalakh (mace) - sasia e katalizatorit (enzimës) e aftë të konvertojë 1 mol substrate në 1 s.

3) Aktiviteti specifik - numri i njësive të aktivitetit (ndonjë nga sa më sipër) në mostrën e provës ndaj masës totale të proteinës në këtë kampion.

4) Më rrallë, përdoret aktiviteti molar - numri i molekulave të substratit të konvertuar nga një molekulë enzimë në minutë.

aktiviteti varet nga temperatura . Kjo ose ajo enzimë tregon aktivitetin më të madh në një temperaturë optimale. Për F të një organizmi të gjallë, kjo vlerë është në intervalin +37,0 - +39,0 °C, në varësi të llojit të kafshës. Me një ulje të temperaturës, lëvizja Brownian ngadalësohet, shpejtësia e difuzionit zvogëlohet dhe, për rrjedhojë, procesi i formimit të kompleksit midis enzimës dhe përbërësve të reaksionit (substrateve) ngadalësohet. Nëse temperatura rritet mbi +40 - +50 °C, molekula e enzimës, e cila është një proteinë, i nënshtrohet një procesi denatyrimi. Në të njëjtën kohë, shpejtësia e reaksionit kimik bie dukshëm (Fig. 4.3.1.).

Aktiviteti i enzimës varet gjithashtu nga pH mesatar . Për shumicën e tyre, ekziston një vlerë e caktuar pH optimale në të cilën aktiviteti i tyre është maksimal. Meqenëse qeliza përmban qindra enzima dhe secila prej tyre ka kufijtë e vet të pH-së, ndryshimi i pH është një nga faktorët e rëndësishëm në rregullimin e aktivitetit enzimatik. Pra, si rezultat i një reaksioni kimik me pjesëmarrjen e një enzime të caktuar, pH zgjedhja e së cilës qëndron në intervalin 7.0 - 7.2, formohet një produkt, i cili është një acid. Në këtë rast, vlera e pH zhvendoset në rajonin 5.5 - 6.0. Aktiviteti i enzimës zvogëlohet ndjeshëm, shkalla e formimit të produktit ngadalësohet, por aktivizohet një tjetër enzimë, për të cilën këto vlera të pH janë optimale, dhe produkti i reagimit të parë i nënshtrohet transformimit të mëtejshëm kimik. (Një shembull tjetër rreth pepsinës dhe tripsinës).

1. të ndryshojë energjinë e lirë të reaksionit

2. Frenoni reagimin e shpinës

3. të ndryshojë konstantën e ekuilibrit të reaksionit

4. drejtojnë reaksionin përgjatë një anashkalimi me energji më të ulëta aktivizimi të reaksioneve të ndërmjetme

102. Një ndryshim në konformitetin e një molekule enzime mund të ndodhë:

2. vetëm kur pH ndryshon

103. Ndryshimi i shkallës së jonizimit të grupeve funksionale të enzimës ndodh kur:

1. vetëm kur ndryshon temperatura

2. vetëm kur pH ndryshon

3. vetëm kur ndryshojnë të dyja kushtet

4. nuk ndodh me asnjë ndryshim

104. Hidroliza e lidhjeve peptide ndodh kur:

1. vetëm kur ndryshon temperatura

2. vetëm kur pH ndryshon

3. kur ndryshojnë të dyja kushtet

4. nuk ndodh në asnjë temperaturë dhe pH ndryshon

105. Shkelja e lidhjeve të dobëta në një molekulë enzime ndodh kur:

2. vetëm kur pH ndryshon

3. kur ndryshojnë të dyja kushtet

4. nuk ndodh me asnjë ndryshim

106 Pepsina shfaq aktivitet optimal në një vlerë pH prej:

1. 1,5-2,5

107. PH optimal për punën e shumicës së enzimave është:

1. pH< 4,0

3. 6,0 < pH < 8,0

108. Zgjidhni pohimet e sakta nga sa vijon:

1. të gjitha enzimat tregojnë aktivitet maksimal në pH=7

2. shumica e enzimave tregojnë aktivitet maksimal në një pH afër neutralit

3. pepsina tregon aktivitet maksimal në pH = 1.5-2.5

109. Duke përdorur ekuacionin Michaelis-Menten, mund të llogarisni:

4. ndryshimi i energjisë së lirë gjatë një reaksioni kimik

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

1. energjia e aktivizimit të një reaksioni kimik

2. shpejtësia e reaksionit të katalizuar nga enzima

3. pengesë energjetike e një reaksioni kimik

111. Zgjidhni përgjigjet e sakta: Konstanta e Michaelis (K m) është:

2. Mund të ketë kuptime të ndryshme për izoenzimat

3. Vlera në të cilën të gjitha molekulat e enzimës janë në formën e ES

4. Sa më e madhe vlera e saj, aq më i madh është afiniteti i enzimës për substratin

112. Zgjidhni përgjigjet e sakta: Konstanta e Michaelis (K m) është:

1. Parametri i kinetikës së reaksionit enzimatik

2. Vlera në të cilën të gjitha molekulat e enzimës janë në formën e ES

3. Sa më e madhe vlera e saj, aq më i madh është afiniteti i enzimës për substratin

4. Përqendrimi i substratit në të cilin arrihet gjysma e shpejtësisë maksimale të reaksionit (V max)

113. Emërtoni veçoritë e strukturës dhe funksionimit të enzimave alosterike:

3. kur ndërveprohet me ligandët, vërehet një ndryshim bashkëpunues në konformacionin e nënnjësive.

4. kur ndërveprohet me ligandët, vërehet një ndryshim bashkëpunues në konformacionin e nënnjësive.

114. Emërtoni veçoritë e strukturës dhe funksionimit të enzimave alosterike:

1. si rregull janë proteina oligomerike

2. si rregull, nuk janë proteina oligomerike

3. shfaqin veti rregulluese gjatë shpërbërjes së molekulës në protomere

4. kur ndërveprohet me ligandët, vërehet një ndryshim bashkëpunues në konformacionin e nënnjësive.

Enzimat. Kinetika e reaksioneve enzimatike

Reaksionet biokimike zhvillohen vetëm me pjesëmarrjen e enzimave, d.m.th., katalizatorëve që janë proteina në përbërjen dhe strukturën e tyre. Substancat që shfaqin një efekt katalitik njihen si nga rrjedha e kimisë inorganike ashtu edhe nga rrjedha e kimisë organike. Substancat e tilla, të quajtura katalizatorë, gjenden në të gjitha klasat e substancave - substanca të thjeshta (metale dhe jometale), acide, baza, okside, kripëra. Katalizatorët përdoren veçanërisht gjerësisht në kiminë organike, pasi substancat organike karakterizohen nga një reaktivitet relativisht i ulët. Duke kaluar në një fazë të re të kimisë - biokimisë, ne gjithashtu takohemi me një klasë të re katalizatorësh - enzimat. Diversiteti i pafund i strukturës së molekulave të proteinave rezulton të jetë një parakusht për biosintezën e proteinave speciale të përshtatshme si katalizatorë për të gjitha proceset biokimike që ndodhin në natyrë.

Kataliza enzimatike ka tipare karakteristike të të gjitha proceseve katalitike, por ka edhe dallime thelbësisht të rëndësishme. Rregullat e përgjithshme përfshijnë si më poshtë:

Enzimat rrisin shpejtësinë e një reaksioni, por nuk e zhvendosin ekuilibrin kimik;

Enzimat përshpejtojnë ato reaksione që mund të vazhdojnë spontanisht në kushte të caktuara;

Një reagim jo spontan, i shoqëruar me një spontan, gjithashtu vazhdon me pjesëmarrjen e enzimave

Shpejtësia e reaksionit enzimatik varet nga temperatura dhe përqendrimet e reaktantëve (substrati dhe enzima).

Karakteristikat specifike të reaksioneve enzimatike përfshijnë si më poshtë:

Enzimat dallohen nga një selektivitet më i lartë për substrate sesa katalizatorët konvencionalë. Shpesh një enzimë përshpejton vetëm një reaksion biokimik ose një grup mjaft të ngushtë reaksionesh të lidhura;

Enzimat veprojnë në mënyrë stereospecifike, duke përshpejtuar sintezën e vetëm njërit prej izomerëve të mundshëm hapësinor.

Enzimat janë aktive në një interval të kufizuar të temperaturës - nën temperaturën e denatyrimit të një proteine ​​të caktuar;

Aktiviteti i enzimës varet nga pH e mediumit; çdo enzimë ka një vlerë pH optimale në të cilën aktiviteti është maksimal.

Shumë enzima funksionojnë vetëm kur aktivizohen nga koenzimat - molekula dhe jone me peshë të ulët molekulare.

Enzimat mund të treten ose të futen në membranat qelizore.

Aktiviteti i enzimës mund të varet nga përqendrimi i produktit të reaksionit.

Enzimat janë të pranishme në qeliza në përqendrime jashtëzakonisht të ulëta. Përcaktimi i tyre në ekstrakte ose lëngje të indeve është një detyrë e vështirë. Prandaj, janë zhvilluar qasje të veçanta për të përcaktuar aktivitetin katalitik të enzimave. Shpejtësia e reaksionit që vazhdon nën veprimin e enzimës ekzistuese matet. Rezultati shprehet në njësi të aktivitetit të enzimës. Më pas krahasohen sasitë relative të enzimës në ekstrakte të ndryshme. Njësitë e aktivitetit shprehen në µmol (10-6), nmol (10-9) ose pmol (10-12) të substratit ose produktit të konsumuar të formuar për njësi të kohës (minutë). Njësitë e aktivitetit ndërkombëtar shënohen U, nU dhe pU.

Dispozitat kryesore të teorisë së shpejtësisë së reaksioneve kimike janë të zbatueshme për katalizën enzimatike. Që reaksioni të vazhdojë, është e nevojshme që molekulat e enzimës (ka emërtime F, E, Enz) dhe substrati (S) të afrohen (përplasja) aq sa të formojnë lidhje. Në mënyrë që përplasja të jetë produktive (aktive), molekulat duhet të kenë energji të mjaftueshme për të kapërcyer pengesën e energjisë. Siç e dini, kjo pengesë quhet energjia e aktivizimit. Në faza të caktuara të reaksionit enzimatik, enzima vepron si një reaktant i zakonshëm, duke reaguar në një raport molar 1:1. Proceset enzimatike shpesh përfaqësohen nga skema të veçanta. Për shembull, reagimi i transferimit të grupit

A–B+D A–D+B

me pjesëmarrjen e enzimës përshkruhet si më poshtë:

A–B Enz A–D

Si një shembull tjetër i shkrimit të një skeme reaksioni enzimatik, le të marrim reaksionin e izomerizimit

S  iso-S

Me pjesëmarrjen e enzimës, reagimi shkruhet si më poshtë:

S Enz iso-S

Shigjetat përshkruajnë një proces ciklik në të cilin përfshihen molekulat e substratit S dhe lëshohen molekulat e produktit, shpesh të referuara si P.

Një enzimë është një molekulë komplekse e përbërë nga qindra mbetje aminoacide dhe mijëra atome. Vetëm një grup i vogël atomesh në një molekulë të tillë mund të marrë pjesë në lidhjen me një substrat. Ky grup quhet qendra aktive. E. Fisher propozoi një model të ndërveprimit Enz-S si një korrespondencë midis një çelësi dhe një bllokimi. Vetëm në prani të një korrespondence të tillë mund të bëhet transformimi i substratit. Selektiviteti i veprimit të enzimës bëhet i qartë. Ky model nuk e ka humbur rëndësinë e tij, por më vonë u propozua modeli i përshtatjes së induktuar (Koshland), i cili merr parasysh fleksibilitetin e molekulës së enzimës. Kur molekulat e enzimës dhe substratit afrohen me njëra-tjetrën, ndodhin ndryshime konformacionale në enzimë, duke i dhënë konfigurimin përfundimtar qendrës së reaksionit. Molekulat e ngjashme me substratin mund të shkaktojnë gjithashtu ndryshime konformacionale në enzimë, por shfaqen ndryshime në konformacione në të cilat nuk lind një qendër aktive aktive.

Efekti i temperaturës

Në një interval të kufizuar temperaturash përpara denatyrimit të proteinave, shpejtësia e reaksionit enzimatik rritet, duke iu bindur ligjit të zakonshëm të shprehur nga ekuacioni Arrhenius. Shumë reaksione enzimatike karakterizohen nga një koeficient i temperaturës me shpejtësi Q 10 afër dy. Kjo korrespondon me energjinë e aktivizimit E a = 55 kJ/mol në 37.

Kur i afrohet temperaturës së denatyrimit të proteinave, rritja e shpejtësisë ngadalësohet, më pas arrihet shkalla maksimale dhe më pas fillon një rënie e mprehtë e shpejtësisë, pasi molekulat enzimë të afta për katalizim zhduken. Varësia nga temperatura e shpejtësisë së reaksionit katalitik është paraqitur në figurën 1.

varësia nga pH

Kur pH ndryshon, ekuilibrat e transferimit të protoneve ndryshojnë, dhe, në përputhje me rrethanat, ngarkesat në molekulat e enzimës, dhe shpesh edhe në molekulat e substratit. Në vlerat e ulëta të pH, enzima protonohet dhe fiton një ngarkesë pozitive. Në nivele të larta, ajo deprotonohet dhe fiton një ngarkesë negative. Kjo ndikon në shpejtësinë e reaksioneve enzimatike. Nëse vetëm një nga format e molekulës së enzimës me një vlerë të caktuar ngarkese shfaq aktivitet, atëherë përqendrimi i saj kalon në një maksimum në një vlerë të caktuar të pH M, dhe aktiviteti do të shfaqet brenda pH M 1. Varësia e aktivitetit nga pH është marrë, e paraqitur në Fig. 2.

Për çdo enzimë, ekziston një vlerë optimale e pH, në të cilën manifestohet aktiviteti më i madh. Me devijime të mëdha të pH nga vlera optimale, mund të ndodhë denatyrimi i enzimës.

Varësia nga përqendrimi

Në formën matematikore, varësia e shpejtësisë nga përqendrimi paraqitet si një ekuacion kinetik. Shpejtësia e reaksionit enzimatik varet si nga përqendrimi i substratit ashtu edhe nga përqendrimi i enzimës, të gjitha gjërat e tjera janë të barabarta (T, pH). Duhet të kihet parasysh se enzima është një substancë makromolekulare dhe përqendrimi i saj është shumë herë më i ulët se përqendrimi i substratit. Lëreni tretësirën të përmbajë një substrat me M r = 100 dhe enzima c M r = 100000. Përqendrimet në masë të të dy reaktantëve 1 mg/l. Përqendrimet molare të tyre do të jenë:

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

Ekziston një molekulë enzime për 1000 molekula të substratit. Raporti aktual mund të jetë shumë më i lartë. Kjo përcakton formën e ekuacioneve kinetike në kinetikën enzimatike.

Një tipar tipik i kinetikës së reaksioneve enzimatike doli të ishte se shpejtësia është proporcionale me përqendrimin e substratit në përqendrimin e tij të ulët dhe bëhet e pavarur nga përqendrimi në një përqendrim të lartë. Këto rezultate eksperimentale janë paraqitur grafikisht nga vija e lakuar në Fig. 3.

Për të shpjeguar këtë varësi, u propozua një skemë reagimi me dy faza. Në fillim, me një reaksion të kthyeshëm, kompleksi enzimë-substrat S … E, në të cilën bëhet transformimi i molekulës së substratit. Në fazën e dytë, lidhja midis molekulës së substratit të ndryshuar dhe enzimës prishet dhe shfaqet një molekulë e lirë e produktit P. Çdo transformim karakterizohet nga konstanta e vet e shpejtësisë.

k 1 k 2

S + E S .... E  E + P

Për një proces me një mekanizëm të tillë, L. Michaelis dhe Menten nxorrën një ekuacion për varësinë e shpejtësisë nga përqendrimi S, i cili u quajt ekuacioni Michaelis-Menten.

Le të shkruajmë ekuacionet kinetike për formimin e produktit përfundimtar dhe kompleksit enzimë-substrat:

v =
= k 2 c(SE) (1)

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

Përqendrimi total (fillestar) i enzimës është gjithmonë shumë më i vogël se përqendrimi i substratit, siç u përmend më lart. Gjatë reaksionit, përqendrimi i enzimës së lirë c(E) zvogëlohet për shkak të formimit të kompleksit

c(E) = c o(E)  c(SE) (3)

Në gjendje stacionare, përqendrimi i kompleksit mbetet konstant:

= 0

Nga kjo gjendje marrim

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

Ne e zëvendësojmë shprehjen (3) në (4)

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

Në ekuacionin (5), hapni kllapat katrore dhe transformojeni atë për të gjetur përqendrimin e kompleksit enzimë-substrat SE:

Pjesëtimi i numëruesit dhe emëruesit me k 1, marrim

(6)

Një shprehje e përbërë nga konstante në emëruesin e ekuacionit quhet Michaelis konstanteK M :

(7)

Ne e zëvendësojmë shprehjen që rezulton në barazimin. një:

(8)

Mori Lv. 8 është një nga format e shkrimit të ekuacionit Michaelis-Menten. Le të analizojmë këtë ekuacion. Në shumë reaksione enzimatike, hapi i dytë konstant k 2 është dukshëm më pak se konstantet e formimit k 1 dhe kalbje k– 1 kompleks enzimë-substrat. Në raste të tilla, konstanta Michaelis është afërsisht e barabartë me konstantën e ekuilibrit të zbërthimit të kompleksit në molekulat origjinale:

Në një përqendrim të lartë të substratit, kur c(S) K M , konstante K M mund të neglizhohet, dhe më pas c(S) në ur. 8 po zvogëlohet; ndërsa shpejtësia merr vlerën maksimale:

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

Shkalla maksimale varet nga përqendrimi i enzimës dhe nuk varet nga përqendrimi i substratit. Kjo do të thotë që reaksioni vazhdon në rend zero në lidhje me substratin.

Në përqëndrime të ulëta të substratit, kur c(S) K M, reagimi vazhdon në rendin e parë në lidhje me substratin:

v =

Kështu, me rritjen e përqendrimit të substratit, rendi i reagimit ndryshon nga i pari (rajoni I në figurën 4) në zero (rajoni III).

1/2v maksimumi

Ekuacioni Michaelis-Menten mund të shkruhet duke përdorur shpejtësinë maksimale:

(10)

Kjo formë e ekuacionit është e përshtatshme për paraqitjen e rezultateve eksperimentale kur përqendrimi i enzimës nuk dihet.

Nëse shpejtësia e reagimit është gjysma e shpejtësisë maksimale, atëherë nga barazimi. 10 rrjedh se konstanta Michaelis është e barabartë me përqendrimin përkatës të substratit (Fig. 4):

, ku K M= c"(S)

Për një përcaktim më të saktë të konstantës Michaelis me një metodë grafike, një transformim i barazimit. 10 përmes reciprocaleve të variablave. Ndërroni numëruesin dhe emëruesin në barazimin. dhjetë:

ose

Paraqitja grafike e ekuacionit Michaelis-Menten ne koordinata reciproke 1/ v – 1/c(S) quhet grafiku Lineweaver-Burk (Fig. 5). Ky është një grafik i një vije të drejtë që ndërpritet në 1/ v segment i barabartë me reciprocitetin e shpejtësisë maksimale. Vazhdimi i një vije të drejtë në rajonin negativ derisa të kryqëzohet me boshtin horizontal jep një segment vlera absolute e të cilit është 1/ K M. Kështu, nga grafiku, vlerat e anasjellta të parametrave 1/ v maksimale dhe 1/ K M , dhe më pas vetë parametrat.

Ka enzima, veprimi i të cilave nuk i nënshtrohet rreptësisht ur. Michaelis-Menten. Në një përqendrim të lartë të substratit, arrihet shpejtësia maksimale, por në një përqendrim të ulët, grafiku i varësisë v- S merr të ashtuquajturën formë sigmoide. Kjo do të thotë se në fillim shpejtësia rritet me nxitimin (konveksiteti i kurbës drejtohet nga poshtë, shih Fig. 6), dhe pastaj pas pikës së lakimit shpejtësia rritet me ngadalësim dhe i afrohet shpejtësisë maksimale. Kjo shpjegohet me efektin kooperativ të substratit në prani të disa vendeve lidhëse në enzimë. Lidhja e një molekule S lehtëson lidhjen e molekulës së dytë në vendin tjetër.

Enzimat janë katalizatorë proteinikë shumë të specializuar që përshpejtojnë reaksionet kimike te kafshët dhe bimët. Pothuajse të gjitha shndërrimet kimike në lëndën e gjallë kryhen me ndihmën e enzimave. Mund të themi se enzimat janë forca lëvizëse e proceseve biokimike në organizmat e gjallë.

Në varësi të natyrës dhe qëllimit, enzimat mund të lirohen në mjedis ose të mbahen brenda qelizës. Ata nuk e humbin aftësinë e tyre katalitike edhe pas ekskretimit nga trupi (por jashtë qelizave, enzimat shpërbëjnë vetëm substancat). Kjo është baza për përdorimin e tyre në industrinë ushqimore, të lehta dhe mjekësore, bujqësi dhe sektorë të tjerë të ekonomisë kombëtare.

Akademiku I.P. Pavlov shkroi: "Enzimat janë, si të thuash, akti i parë i aktivitetit jetësor. Të gjitha proceset kimike në trup drejtohen pikërisht nga këto substanca; ato janë agjentët shkaktarë të të gjitha transformimeve kimike. Të gjitha këto substanca luajnë një rol të madh, ato përcaktojnë proceset për shkak të të cilave manifestohet jeta, ato janë në kuptimin e plotë aktivizuesit e jetës.

Të gjitha reaksionet enzimatike zhvillohen lehtësisht dhe shpejt. Reaksionet enzimatike të katalizuara në organizëm nuk shoqërohen me formimin e nënprodukteve, ndërsa reaksionet organike të kryera me ndihmën e katalizatorëve artificialë formojnë gjithmonë të paktën një ose më shumë nga këto produkte.

Në organizmat e gjallë, enzimat janë në një gjendje të renditur. Në formacionet individuale strukturore të qelizës, reaksionet enzimatike zhvillohen në një rend të përcaktuar rreptësisht. Duke qenë të koordinuara saktësisht me njëri-tjetrin, ciklet individuale të reaksioneve sigurojnë aktivitetin jetësor të qelizave, organeve, indeve dhe organizmit në tërësi. Proceset biokimike të përcaktuara rreptësisht kryhen në pjesë të caktuara të qelizës.

Krahas faktit që enzimat luajnë një rol vendimtar në organizmat e gjallë, ato zënë një vend të spikatur në prodhimin e produkteve ushqimore dhe në shumë industri të tjera, si dhe në bujqësi. Prodhimi alkool etilik, birrë, verë, çaj, bukë, qumësht të fermentuar dhe shumë produkte të tjera të bazuara në veprimin e enzimave . Enzimat janë të përfshira në maturimi dhe mbipjekja fruta dhe perime, maturimi dhe përkeqësimi mish dhe peshk, këmbëngulje drithëra, miell, drithëra dhe produkte të tjera .

Në disa raste, prania e enzimave në përpunimin e produkteve është e padëshirueshme. Një shembull i kësaj është reagimi i nxirjes enzimatike të frutave dhe perimeve si rezultat i veprimit të enzimës së polifenol oksidazës ose rraskapitjes së yndyrave të miellit si rezultat i veprimit të enzimave lipazë dhe lipooksidazë të pranishme në embrionin e grurit.

Aktualisht, rreth 3500 enzima janë izoluar nga objektet biologjike dhe janë studiuar disa qindra enzima. Besohet se një qelizë e gjallë mund të përmbajë më shumë se 1000 enzima të ndryshme. Çdo enzimë zakonisht katalizon vetëm një lloj reaksioni kimik. Meqenëse një enzimë mund të përshpejtojë vetëm një reaksion, ose rrallë një grup reaksionesh të një lloji, pa prekur të tjerët, shumë reagime të ndryshme mund të ndodhin njëkohësisht në organizmat e gjallë. Megjithëse reagimet e enzimave individuale zhvillohen në mënyrë të pavarur nga njëra-tjetra, megjithatë, më shpesh ato janë të ndërlidhura nga një sekuencë komplekse e formimit të produkteve të ndërmjetme. Në këtë rast, produkti i një reaksioni mund të shërbejë si substrat ose reagent për një tjetër. Prandaj, në të njëjtën qelizë, qindra e mijëra reaksione enzimatike ndodhin njëkohësisht, duke vazhduar në një sekuencë të caktuar dhe në sasi të tilla që sigurojnë gjendjen normale të qelizës.

Çdo organizëm i gjallë sintetizon vazhdimisht enzimat. Në procesin e rritjes së trupit, rritet edhe numri i enzimave të nevojshme. Një rritje ose ulje disproporcionale e numrit të enzimave mund të çojë në një shkelje të natyrës së metabolizmit që është zhvilluar në trup.

Në një qelizë të gjallë, enzimat mund të sintetizohen në formacione të ndryshme strukturore - bërthama, citoplazma, kloroplastet, mitokondria, membrana citoplazmike, etj.

si katalizatorë biologjikë enzimat, duke qenë në sasi të vogla, të aftë për të transformuar sasi të mëdha të substratit mbi të cilin veprojnë. Kështu, enzima e pështymës amilaza shfaq aktivitet të dukshëm katalitik në një hollim 1: 1,000,000, dhe enzima e peroksidazës është aktive në një hollim prej 1: 5,000,000. Një molekulë katalazë zbërthen 5 milionë molekula të peroksidit të hidrogjenit në një minutë.

Aktiviteti katalitik i enzimave është shumë herë më i madh se aktiviteti i katalizatorëve inorganik.. Kështu, hidroliza e proteinave në aminoacide në prani të katalizatorëve inorganik në një temperaturë prej 100 °C e lart kryhet në disa dhjetëra orë. E njëjta hidrolizë me pjesëmarrjen e enzimave specifike përfundon në më pak se një orë dhe vazhdon në një temperaturë prej 30-40 °C. Hidroliza e plotë e niseshtës me acid ndodh në disa orë, ndërsa hidroliza enzimatike në temperaturën e dhomës zgjat disa minuta. Dihet se jonet e hekurit përshpejtojnë në mënyrë katalitike ndarjen e peroksidit të hidrogjenit në hidrogjen dhe oksigjen. Por atomet e hekurit që përbëjnë enzimën katalazë veprojnë në peroksid hidrogjeni 10 miliardë herë më energjikisht se hekuri i zakonshëm: 1 mg hekur në enzimë është në gjendje të zëvendësojë 10 tonë hekur inorganik gjatë zbërthimit katalitik të peroksidit të hidrogjenit.

Një tipar karakteristik i rëndësishëm enzimat është specifika e veprimit të tyre . Specifikimi i enzimave është shumë më i lartë se ai i katalizatorëve inorganik. Ndonjëherë ndryshimet e lehta në strukturën kimike të një substance përjashtojnë shfaqjen e veprimit të një enzime specifike në këtë substancë. Specifikimi i veprimit të enzimave manifestohet edhe në rastet kur substanca ndryshon në strukturën kimike. Kështu, enzimat që përshpejtojnë hidrolizën e proteinave nuk kanë asnjë efekt në hidrolizën e niseshtës dhe anasjelltas.

Enzimat ndryshojnë në specifikat. Disa enzima katalizojnë vetëm një reaksion të vetëm, ndërsa të tjerat katalizojnë një numër të madh reaksionesh. Kështu, enzima glikooksidazë katalizon oksidimin e glukozës dhe tripsina hidrolizon lidhjet peptide specifike në proteina dhe eterë aminoacidesh.

Specifikimi i veprimit të enzimave ndonjëherë çon në faktin se një përbërës organik ndikohet jo nga një, por nga dy enzima.

specifikat e grupit përfaqësojnë të gjitha enzimat, pra, ato katalizojnë vetëm një lloj të veçantë reaksioni, siç është oksidimi i monosakarideve ose hidroliza e oligosakarideve.

Enzimat, duke qenë katalizatorë specifikë, përshpejtoni si reagimin përpara ashtu edhe atë të kundërt d.m.th., hidroliza dhe sinteza e substancës mbi të cilën veprojnë. Drejtimi i këtij procesi varet nga përqendrimi i produkteve fillestare dhe përfundimtare dhe nga kushtet në të cilat zhvillohet reaksioni. Në të njëjtën kohë, është vërtetuar se shumica e sintezave në një qelizë të gjallë ndodhin nën veprimin e enzimave të ndryshme nga ato që katalizojnë ndarjen e një ose një përbërjeje tjetër.

Natyra kimike e enzimave

Enzimat ndahen në dy klasa kryesore - njëkomponentësh, i përbërë vetëm nga proteina, dhe dy komponentësh, i përbërë nga një proteinë dhe një pjesë joproteinike e quajtur protetike grup. Proteinat enzimatike mund të jenë të thjeshta (proteina) ose komplekse (proteina). Grupi aktiv i protezave (vend aktiv) i një enzime quhet agoni , a bartës proteinash – feroni . Grupi protetik në përbërjen e enzimës zë deri në rreth 1% të masës së tij.

Forca e lidhjes midis grupit protetik (agonit) dhe feronit nuk është e njëjtë për enzima të ndryshme. Me një lidhje të dobët, enzima shpërndahet në një pjesë proteinike dhe protetike, e cila quhet koenzimë . Secili nga grupet që rezulton shfaq aktivitet katalitik. Rolin e koenzimave e luajnë shumica e vitaminave - C, B 1, B 2, B 6, B 12, H, E, K etj., si dhe nukleotidet, ARN, grupet sulfhidrile, glutationi, atomet e hekurit, bakrit. , magnez, etj. Shumë enzima kanë një kapacitet të lartë katalitik vetëm nëse enzima nuk dekompozohet në feron dhe agon.

te njëkomponentësh përfshijnë shumë enzima që shpërbëjnë proteinat ose karbohidratet (pepsinë, tripsinë, papin, amilazë).

Tipike dy komponentësh enzima është α-karboksilaza, e cila katalizon zbërthimin e acidit piruvik në dioksid karboni dhe acetaldehid:

α-karboksilaza

CH3COCOOH ----→CH3CHO + CO 2 .

Natyra kimike e α-karboksilazës është vërtetuar plotësisht; grupi aktiv i kësaj enzime përmban vitaminë B1.

Shpesh, koenzimat veprojnë si ndërmjetës në reaksionet enzimatike të përfshira në transferimin e hidrogjenit. Këto përfshijnë nikotinamid adenine dinukleotid (NAD), glutation, acid L-askorbik, kinone dhe citokrome. Koenzima të tjera veprojnë si bartës ose transmetues për grupet e fosfatit, aminës dhe metilit.

Peshë molekulare enzimat ndryshojnë shumë. nga disa mijëra në një milion , por shumica e enzimave kanë peshë të lartë molekulare .

Shumë enzima përmbajnë metale që marrin pjesë në veprimin katalitik. Kështu që, hekuri bën pjesë në grupin protetik të enzimave të katalazës dhe peroksidazës, si dhe citokrom oksidazës, e cila është e përfshirë në proceset e frymëmarrjes. Bakri është pjesë e enzimave oksiduese polifenol oksidazë dhe askorbat oksidazë, të cilat luajnë një rol të rëndësishëm në metabolizmin e bimëve.

Në formën e tyre të pastër, të gjitha enzimat janë kristale..

Reaksionet katalitike kryhen në sipërfaqen e molekulave të enzimës. Enzima-proteina formon një fazë të shpërndarë, në sipërfaqen e së cilës ndodhin reaksione midis substancave të tretura në mjedisin e shpërndarjes. Sipërfaqja e molekulës enzimë-proteinë është heterogjene; në sipërfaqen e molekulës ka grupe të ndryshme kimikisht aktive që lidhin lehtësisht përbërjet e tjera.

Vetitë e enzimave janë për shkak para së gjithash prania e qendrave veçanërisht aktive në sipërfaqen e molekulës së proteinës - radikalet e aminoacideve ose grupe të veçanta kimike të lidhura fort me proteinën. Qendra aktive është ajo pjesë e enzimës që bashkohet me substancën (substratin) në procesin e veprimit katalitik. .

Enzimat, Kompleksi Enzimo-Substrat dhe Energjia e Aktivizimit

Funksioni më i rëndësishëm i proteinave është katalitik, ai kryhet nga një klasë e caktuar e proteinave - enzimave. Më shumë se 2000 enzima janë identifikuar në trup. Enzimat janë katalizatorë biologjikë të një natyre proteinike që përshpejtojnë ndjeshëm reaksionet biokimike. Kështu, reaksioni enzimatik ndodh 100-1000 herë më shpejt se pa enzima. Ato ndryshojnë në shumë veti nga katalizatorët e përdorur në kimi. Enzimat përshpejtojnë reaksionet në kushte normale, ndryshe nga katalizatorët kimikë.

Tek njerëzit dhe kafshët, një sekuencë komplekse reaksionesh ndodh në pak sekonda, e cila kërkon një kohë të gjatë (ditë, javë apo edhe muaj) me përdorimin e katalizatorëve kimikë konvencionalë. Ndryshe nga reaksionet pa enzima, nënproduktet nuk formohen në reaksionet enzimatike (rendimenti i produktit përfundimtar është pothuajse 100%). Në procesin e transformimit, enzimat nuk shkatërrohen, prandaj një sasi e vogël e tyre është në gjendje të katalizojë reaksionet kimike të një numri të madh substancash. Të gjitha enzimat janë proteina dhe kanë vetitë e tyre karakteristike (ndjeshmëria ndaj ndryshimeve të pH të mjedisit, denatyrimi në temperatura të larta, etj.).

Enzimat klasifikohen kimikisht në njëkomponentësh (e thjeshte) dhe me dy komponentë (komplekse) .

Një përbërës (i thjeshtë)

Enzimat me një përbërës përbëhen vetëm nga proteina. Më të thjeshtat përfshijnë kryesisht enzimat që kryejnë reaksione hidrolize (pepsina, tripsina, amilaza, papaina, etj.).

Dy komponentë (komplekse)

Ndryshe nga enzimat e thjeshta, enzimat komplekse përmbajnë një pjesë jo proteinike - një komponent me peshë të ulët molekulare. Pjesa e proteinave quhet apoenzimë (bartës enzimë), jo proteinike - koenzimë (grup aktiv ose protetik). Pjesa jo proteinike e enzimave mund të përfaqësohet ose nga substanca organike (për shembull, derivatet e vitaminave, NAD, NADP, uridina, nukleotidet citidyl, flavinat), ose inorganike (për shembull, atomet metalike - hekur, magnez, kobalt, bakër , zink, molibden, etj.).

Jo të gjitha koenzimat e nevojshme mund të sintetizohen nga organizmat dhe për këtë arsye duhet të furnizohen me ushqim. Mungesa e vitaminave në ushqimin e njerëzve dhe kafshëve shkakton humbjen ose uljen e aktivitetit të atyre enzimave në të cilat ato përfshihen. Ndryshe nga pjesa proteinike, koenzimat organike dhe inorganike janë shumë rezistente ndaj kushteve të pafavorshme (temperatura të larta ose të ulëta, rrezatim etj.) dhe mund të ndahen nga apoenzima.

Enzimat karakterizohen nga specifikë e lartë: ato mund të konvertojnë vetëm substratet e duhura dhe të katalizojnë vetëm disa reaksione të të njëjtit lloj. Ai përcakton përbërësin e tij proteinik, por jo të gjithë molekulën e tij, por vetëm pjesën e tij të vogël - qendër aktive . Struktura e saj korrespondon me strukturën kimike të substancave që reagojnë. Enzimat karakterizohen nga një korrespondencë hapësinore midis substratit dhe qendrës aktive. Ata përshtaten së bashku si një çelës në një bravë. Mund të ketë disa qendra aktive në një molekulë enzime. Qendra aktive, pra bashkimi me molekula të tjera, nuk është vetëm në enzima, por edhe në disa proteina të tjera (hema në qendrat aktive të mioglobinës dhe hemoglobinës). Reaksionet enzimatike zhvillohen në formën e fazave të njëpasnjëshme - nga disa në dhjetëra.

Aktiviteti i enzimave komplekse manifestohet vetëm kur pjesa proteinike kombinohet me pjesën joproteinike. Gjithashtu, aktiviteti i tyre manifestohet vetëm në kushte të caktuara: temperaturë, presion, pH të mjedisit etj. Enzimat e organizmave të ndryshëm janë më aktive në temperaturën në të cilën janë përshtatur këto krijesa.

Kompleksi enzimë-substrat

Formohen lidhje substrate-enzimë enzimë-substrat komplekse.

Në të njëjtën kohë, ai ndryshon jo vetëm konformacionin e tij, por edhe konformimin e substratit. Reaksionet enzimatike mund të frenohen nga produktet e tyre të reagimit - me akumulimin e produkteve, shpejtësia e reagimit zvogëlohet. Nëse ka pak produkte të reagimit, atëherë enzima aktivizohet.

Substancat që depërtojnë në rajonin e qendrës aktive dhe bllokojnë grupet katalitike të enzimave quhen frenuesit (nga lat. frenoj- frenoj, ndal). Aktiviteti i enzimave zvogëlohet nga jonet e metaleve të rënda (plumbi, merkuri, etj.).

Enzimat zvogëlojnë energjinë e aktivizimit, domethënë nivelin e energjisë së nevojshme për t'i bërë molekulat reaktive.

Energjia e aktivizimit

Energjia e aktivizimit - kjo është energjia që shpenzohet për thyerjen e një lidhjeje të caktuar për bashkëveprimin kimik të dy përbërjeve. Enzimat kanë një vendndodhje specifike në qelizë dhe në trup në tërësi. Në një qelizë, enzimat gjenden në pjesë të caktuara të saj. Shumë prej tyre shoqërohen me membrana qelizore ose organele individuale: mitokondri, plastide, etj.

Biosintezën e enzimave që organizmat janë në gjendje të rregullojnë. Kjo bën të mundur ruajtjen e përbërjes së tyre relativisht konstante nën ndryshime të rëndësishme të kushteve mjedisore dhe modifikimin pjesërisht të enzimave në përgjigje të ndryshimeve të tilla. Efekti i substancave të ndryshme biologjikisht aktive - hormonet, ilaçet, stimuluesit e rritjes së bimëve, helmet, etj. - është se ato mund të stimulojnë ose shtypin një ose një tjetër proces enzimatik.

Disa enzima janë të përfshira në transportin aktiv të substancave nëpër membrana.

Prapashtesa për emrat e shumicës së enzimave është -az-. I shtohet emrit të substratit me të cilin ndërvepron enzima. Për shembull, hidrolaza - katalizojë reaksionet e ndarjes së përbërjeve komplekse në monomere për shkak të shtimit të një molekule uji në vendin e prishjes së lidhjes kimike në molekulat e proteinave, polisaharideve, yndyrave; oksidoreduktaza - të përshpejtojë reaksionet redoks (transferimi i elektroneve ose protoneve); izomeraza- kontribuojnë në rirregullimin e brendshëm molekular (izomerizimin), transformimin e izomerëve etj.