Pothuajse të gjitha reaksionet biokimike janë enzimatike. Enzimat(biokatalizatorët) janë substanca proteinike të aktivizuara nga kationet metalike. Njihen rreth 2000 enzima të ndryshme dhe rreth 150 prej tyre janë izoluar, disa prej të cilave përdoren si ilaçe. Tripsina dhe kimotripsina përdoren për trajtimin e bronkitit dhe pneumonisë; pepsina - për trajtimin e gastritit; plazmina - për trajtimin e sulmit në zemër; Pankreatina – për trajtimin e pankreasit. Enzimat ndryshojnë nga katalizatorët konvencionalë: (a) nga aktiviteti më i lartë katalitik; (b) specifikë e lartë, d.m.th. selektiviteti i veprimit.
Mekanizmi i një reaksioni enzimatik me një substrat mund të përfaqësohet nga diagrami i mëposhtëm:
ku E është një enzimë,
S - substrati,
ES - kompleks enzimë-substrat,
P është produkti i reaksionit.
Karakteristikë e fazës së parë të reaksionit enzimatik është Konstanta Michaelis (K M). K M është reciproke e konstantës së ekuilibrit:
Konstanta Michaelis (K M) karakterizon qëndrueshmërinë e kompleksit enzimë-substrat (ES). Sa më e ulët të jetë konstanta e Michaelis (K M), aq më i qëndrueshëm është kompleksi.
Shpejtësia e një reaksioni enzimatik është e barabartë me shpejtësinë e fazës së tij kufizuese të shpejtësisë:
ku k 2 është konstanta e shpejtësisë, e quajtur numri i revolucioneve ose aktiviteti molekular i enzimës.
aktiviteti i enzimës molekulare(k 2) është e barabartë me numrin e molekulave të substratit që pësojnë transformime nën ndikimin e një molekule enzime në 1 minutë në 25 0 C. Kjo konstante merr vlera në intervalin: 1·10 4< k 2 < 6·10 6 мин‾ 1 .
Për ureazën, e cila përshpejton hidrolizën e uresë, k 2 = 1,85∙10 6 min‾ 1 ; për adenozintrifosfatazën, e cila përshpejton hidrolizën e ATP, k 2 = 6,24∙10 6 min‾ 1 ; për katalazën, e cila përshpejton zbërthimin e H 2 O 2, k 2 = 5∙10 6 min‾ 1.
Sidoqoftë, ekuacioni kinetik i reaksionit enzimatik në formën në të cilën është dhënë më sipër është praktikisht i pamundur të përdoret për shkak të pamundësisë së përcaktimit eksperimental të përqendrimit të kompleksit enzimë-substrat (). E shprehur në terma të sasive të tjera që përcaktohen lehtësisht eksperimentalisht, marrim ekuacionin kinetik të reaksioneve enzimatike, thirrur nga ekuacioni Michaelis-Menten (1913):
,
ku prodhimi k 2 [E] total është një vlerë konstante, e cila shënohet (shpejtësia maksimale).
Përkatësisht: 
Le të shqyrtojmë raste të veçanta të ekuacionit Michaelis-Menten.
1) Në përqendrim të ulët të substratit K M >> [S], pra
që i përgjigjet ekuacionit kinetik të reaksionit të rendit të parë.
2) Në përqendrim të lartë të substratit K m<< [S], поэтому
që i përgjigjet ekuacionit kinetik të reaksionit të rendit zero.
Kështu, në një përqendrim të ulët të substratit, shpejtësia e reaksionit enzimatik rritet me rritjen e përmbajtjes së substratit në sistem, dhe në një përqendrim të lartë të substratit, kurba kinetike arrin një pllajë (shkalla e reagimit nuk varet nga përqendrimi i substratit) (Fig. 30).
Figura 30. - Kurba kinetike e një reaksioni enzimatik
Nëse [S] = K M, atëherë
e cila ju lejon të përcaktoni grafikisht konstantën e Michaelis K m (Fig. 31).
Figura 31. - Përkufizimi grafik i konstantës Michaelis
Aktiviteti i enzimave ndikohet nga: (a) temperatura, (b) aciditeti i mjedisit, (c) prania e inhibitorëve. Efekti i temperaturës në shpejtësinë e një reaksioni enzimatik është diskutuar në kapitullin 9.3.
Ndikimi i aciditetit të mediumit në shpejtësinë e reaksionit enzimatik është paraqitur në figurën 32. Aktiviteti maksimal i enzimës korrespondon me vlerën optimale të pH (pH opt).
Figura 32. - Efekti i aciditetit të tretësirës në aktivitetin e enzimës
Për shumicën e enzimave, vlerat optimale të pH përkojnë me vlerat fiziologjike (7,3 - 7,4). Megjithatë, ka enzima, funksionimi normal i të cilave kërkon një mjedis shumë acid (pepsin - 1,5 - 2,5) ose mjaftueshëm alkalik (arginazë - 9,5 - 9,9).
Frenuesit e enzimës- këto janë substanca që zënë një pjesë të qendrave aktive të molekulave të enzimës, si rezultat i të cilave ulet shpejtësia e reaksionit enzimatik. Kationet e metaleve të rënda, acidet organike dhe komponimet e tjera veprojnë si frenues.
Leksioni 11
Struktura atomike
Ekzistojnë dy përkufizime të konceptit "atom". Atomiështë grimca më e vogël e një elementi kimik që ruan vetitë e veta kimike.
Atomiështë një mikrosistem elektrik neutral i përbërë nga një bërthamë e ngarkuar pozitivisht dhe një shtresë elektronike e ngarkuar negativisht.
Doktrina e atomit ka kaluar një rrugë të gjatë zhvillimi. Fazat kryesore në zhvillimin e atomizmit përfshijnë:
1) faza natyrore filozofike - periudha e formimit të konceptit të strukturës atomike të materies, e pa konfirmuar me eksperiment (shekulli V para Krishtit - shekulli i 16 pas Krishtit);
2) faza e formimit të hipotezës për atomin si grimca më e vogël e një elementi kimik (shek. XVIII-XIX);
3) faza e krijimit të modeleve fizike që pasqyrojnë kompleksitetin e strukturës së atomit dhe bëjnë të mundur përshkrimin e vetive të tij (fillimi i shekullit të 20-të)
4) faza moderne e atomizmit quhet mekanike kuantike. Mekanika kuantikeështë një degë e fizikës që studion lëvizjen e grimcave elementare.
PLANI
11.1. Struktura e bërthamës. Izotopet.
11.2. Modeli mekanik kuantik i shtresës elektronike të një atomi.
11.3. Karakteristikat fiziko-kimike të atomeve.
Struktura e bërthamës. Izotopet
Bërthama atomikeështë një grimcë e ngarkuar pozitivisht e përbërë nga protone, neutrone dhe disa grimca të tjera elementare.
Në përgjithësi pranohet se grimcat kryesore elementare të bërthamës janë protonet dhe neutronet. Protoni (p) -është një grimcë elementare masa atomike relative e së cilës është 1 amu dhe ngarkesa relative e saj është + 1. Neutron (n) - Kjo është një grimcë elementare që nuk ka ngarkesë elektrike dhe masa e së cilës është e barabartë me masën e një protoni.
99.95% e masës së një atomi është e përqendruar në bërthamë. Midis grimcave elementare ekzistojnë forca të veçanta bërthamore të shtrirjes, të cilat tejkalojnë dukshëm forcat e sprapsjes elektrostatike.
Karakteristika themelore e një atomi është ngarkuar e tij bërthamat, e barabartë me numrin e protoneve dhe që përkon me numrin atomik të elementit në tabelën periodike të elementeve kimike. Një grup (lloj) atomesh me të njëjtën ngarkesë bërthamore quhet element kimik. Elementet me numra nga 1 deri në 92 gjenden në natyrë.
Izotopet- këto janë atome të të njëjtit element kimik që përmbajnë të njëjtin numër protonesh dhe numër të ndryshëm neutronesh në bërthamë.
ku numri masiv (A) është masa e bërthamës, z është ngarkesa e bërthamës.
Çdo element kimik është një përzierje izotopësh. Si rregull, emri i izotopeve përkon me emrin e elementit kimik. Megjithatë, emra të veçantë janë futur për izotopet e hidrogjenit. Elementi kimik hidrogjen përfaqësohet nga tre izotope:
Numri p Numri n
Protium N 1 0
Deuterium D 1 1
Tritium T 1 2
Izotopet e një elementi kimik mund të jenë të qëndrueshme dhe radioaktive. Izotopet radioaktive përmbajnë bërthama që shpërbëhen spontanisht, duke lëshuar grimca dhe energji. Stabiliteti i një bërthame përcaktohet nga raporti i saj neutron-proton.
Pasi në trup, radionuklidet prishin proceset më të rëndësishme biokimike, reduktojnë imunitetin dhe e dënojnë trupin me sëmundje. Trupi mbrohet nga efektet e rrezatimit duke thithur në mënyrë selektive elementë nga mjedisi. Izotopet e qëndrueshme kanë përparësi ndaj izotopeve radioaktive. Me fjalë të tjera, izotopet e qëndrueshme bllokojnë akumulimin e izotopeve radioaktive në organizmat e gjallë (Tabela 8).
Libri i S. Shannon "Ushqyerja në epokën atomike" ofron të dhënat e mëposhtme. Nëse një dozë bllokuese prej ~ 100 mg jod izotop i qëndrueshëm merret jo më vonë se 2 orë pasi I-131 hyn në trup, thithja e radiojodit në gjëndrën tiroide do të reduktohet me 90%.
Radioizotopet përdoren në mjekësi
për diagnostikimin e disa sëmundjeve,
· për trajtimin e të gjitha formave të kancerit,
· për studime patofiziologjike.
Tabela 8 - Efekti bllokues i izotopeve të qëndrueshme
Kinetika e enzimave studion shpejtësinë e reaksioneve të katalizuara nga enzimat në varësi të kushteve të ndryshme (përqendrimi, temperatura, pH, etj.) të ndërveprimit të tyre me substratin.
Megjithatë, enzimat janë proteina që janë të ndjeshme ndaj ndikimit të ndikimeve të ndryshme të jashtme. Prandaj, kur studiojnë shpejtësinë e reaksioneve enzimatike, ata kryesisht marrin parasysh përqendrimet e substancave reaguese dhe përpiqen të minimizojnë ndikimin e temperaturës, pH të mjedisit, aktivizuesve, frenuesve dhe faktorëve të tjerë dhe krijojnë kushte standarde. Së pari, kjo është vlera e pH e mjedisit që është optimale për një enzimë të caktuar. Së dyti, rekomandohet të ruhet një temperaturë prej 25°C, kur është e mundur. Së treti, arrihet ngopja e plotë e enzimës me substratin. Kjo pikë është veçanërisht e rëndësishme sepse në përqendrime të ulëta të substratit, jo të gjitha molekulat e enzimës marrin pjesë në reaksion (Fig. 6.5, A), që do të thotë se rezultati do të jetë larg nga maksimumi i mundshëm. Fuqia më e madhe e reaksionit të katalizuar, duke qenë të barabarta gjërat e tjera, arrihet nëse secila molekulë enzime merr pjesë në transformim, d.m.th. në një përqendrim të lartë të kompleksit enzimë-substrat (Fig. 6.5, V). Nëse përqendrimi i substratit nuk siguron ngopje të plotë të enzimës (Fig. 6.5, b), atëherë shpejtësia e reaksionit nuk e arrin vlerën e saj maksimale.
Oriz. 65.
A - në përqendrim të ulët të substratit; 6 - me përqendrim të pamjaftueshëm të substratit; V - kur enzima është plotësisht e ngopur me substrat
Shpejtësia e një reaksioni enzimatik të matur në kushtet e mësipërme dhe ngopja e plotë e enzimës me substratin quhet shpejtësia maksimale e reaksionit enzimatik (V).
Shpejtësia e reaksionit enzimatik, e përcaktuar kur enzima nuk është plotësisht e ngopur me substratin, shënohet v.
Kataliza e enzimës mund të thjeshtohet nga diagrami i mëposhtëm:
ku F është një enzimë; S - substrate; FS - kompleks enzimë-substrat.
Çdo fazë e këtij procesi karakterizohet nga një shpejtësi e caktuar. Njësia matëse për shpejtësinë e një reaksioni enzimatik është numri i moleve të substratit të konvertuar për njësi të kohës(e njëjtë me shpejtësinë e një reaksioni normal).
Ndërveprimi i enzimës me substratin çon në formimin e një kompleksi enzimë-substrat, por ky proces është i kthyeshëm. Shpejtësia e reaksioneve të përparme dhe të kundërta varen nga përqendrimet e reaktantëve dhe përshkruhen nga ekuacionet përkatëse:
Në një gjendje ekuilibri, ekuacioni (6.3) është i vlefshëm, pasi shpejtësia e reaksioneve të përparme dhe të kundërta janë të barabarta.
Duke zëvendësuar vlerat e shpejtësisë së reaksioneve të përparme (6.1) dhe të kundërt (6.2) në ekuacionin (6.3), marrim barazinë:
Gjendja e ekuilibrit karakterizohet nga një e përshtatshme konstanta e ekuilibrit K p, e barabartë me raportin e konstanteve të reaksioneve të përparme dhe të kundërta (6.5). Reciproku i konstantës së ekuilibrit quhet Ks konstante e substratit, ose konstanta e disociimit të kompleksit enzimë-substrat:
Nga ekuacioni (6.6) shihet qartë se konstanta e substratit zvogëlohet në përqëndrime të larta të kompleksit enzimë-substrat, d.m.th. me stabilitet të madh. Për rrjedhojë, konstanta e substratit karakterizon afinitetin e enzimës dhe substratit dhe raportin e konstanteve të shpejtësisë për formimin dhe shpërbërjen e kompleksit enzimë-substrat.
Fenomeni i ngopjes së enzimës me substrat u studiua nga Leonor Michaelis dhe Maud Mepten. Bazuar në përpunimin matematikor të rezultateve, ata kanë nxjerrë ekuacionin (6.7), i cili ka marrë emrat e tyre, nga i cili është e qartë se në një përqendrim të lartë të substratit dhe një vlerë të ulët të konstantës së substratit, shpejtësia e reaksionit enzimatik priret në maksimum. . Megjithatë, ky ekuacion është i kufizuar sepse nuk merr parasysh të gjithë parametrat:
Kompleksi enzimë-substrat gjatë reaksionit mund të pësojë transformime në drejtime të ndryshme:
- ndahet në substanca mëmë;
- shndërrohen në një produkt nga i cili enzima ndahet e pandryshuar.
Prandaj, për të përshkruar veprimin e përgjithshëm të procesit enzimatik, koncepti Konstantet e Michaelis Kt, që shpreh marrëdhënien ndërmjet konstanteve të shpejtësisë së të tre reaksioneve të katalizimit enzimatik (6.8). Nëse të dy termat ndahen me konstanten e shpejtësisë së reagimit për formimin e kompleksit enzimë-substrat, marrim shprehjen (6.9):
Një rrjedhim i rëndësishëm rrjedh nga ekuacioni (6.9): konstanta e Michaelis është gjithmonë më e madhe se konstanta e substratit për nga sasia k 2 /k v
Numerikisht K t e barabartë me përqendrimin e substratit në të cilin shpejtësia e reagimit është gjysma e shpejtësisë maksimale të mundshme dhe korrespondon me ngopjen e enzimës me substratin, si në Fig. 6.5, b. Meqenëse në praktikë nuk është gjithmonë e mundur të arrihet ngopja e plotë e enzimës me substratin, është pikërisht K t përdoret për karakterizimin krahasues të karakteristikave kinetike të enzimave.
Shpejtësia e reaksionit enzimatik kur enzima nuk është plotësisht e ngopur me substratin (6.10) varet nga përqendrimi i kompleksit enzimë-substrat. Koeficienti i proporcionalitetit është konstanta e reagimit për çlirimin e enzimës dhe produktit, pasi kjo ndryshon përqendrimin e kompleksit enzimë-substrat:
Pas transformimeve, duke marrë parasysh varësitë e mësipërme, shpejtësia e reaksionit enzimatik kur enzima nuk është plotësisht e ngopur me substratin përshkruhet nga ekuacioni (6.11), d.m.th. varet nga përqendrimet e enzimës, substratit dhe afiniteti i tyre K s:
Varësia grafike e shpejtësisë së një reaksioni enzimatik nga përqendrimi i substratit nuk është lineare. Siç është e qartë nga Fig. 6.6, me rritjen e përqendrimit të substratit, vërehet një rritje e aktivitetit të enzimës. Megjithatë, kur arrihet ngopja maksimale e enzimës me substratin, shpejtësia e reaksionit enzimatik bëhet maksimale. Prandaj, faktori kufizues i shpejtësisë për reaksionin është formimi i një kompleksi enzimë-substrat.
Praktika ka treguar se përqendrimet e substratit, si rregull, shprehen në vlera shumë më të vogla se uniteti (10 6 -10 3 mol). Është mjaft e vështirë të operosh me sasi të tilla në llogaritje. Prandaj, G. Lineweaver dhe D. Burke propozuan të shprehin varësinë grafike të shpejtësisë së një reaksioni enzimatik jo në koordinata të drejtpërdrejta, por në ato të anasjellta. Ata dolën nga supozimi se për sasi të barabarta inverset e tyre janë gjithashtu të barabarta:
Oriz. 6.6.
Pas transformimit të shprehjes (6.13), marrim një shprehje të quajtur Ekuacioni Lineweaver-Burk (6.14):
Varësia grafike e ekuacionit Lineweaver-Burk është lineare (Fig. 6.7). Karakteristikat kinetike të enzimës përcaktohen si më poshtë:
- segmenti i prerë në boshtin e ordinatave është i barabartë me 1/V;
- segmenti i prerë në boshtin e abshisës është i barabartë me -1 /Për t.
Oriz. 6.7.
Besohet se metoda Lineweaver-Burk bën të mundur përcaktimin e shkallës maksimale të reagimit më saktë sesa në koordinatat e drejtpërdrejta. Informacione të vlefshme në lidhje me frenimin e enzimës mund të nxirren gjithashtu nga ky grafik.
Ka mënyra të tjera për të transformuar ekuacionin Michaelis-Menten. Varësitë grafike përdoren për të studiuar ndikimin e ndikimeve të ndryshme të jashtme në procesin enzimatik.
Kjo degë e enzimologjisë studion ndikimin e faktorëve të ndryshëm në shpejtësinë e një reaksioni enzimatik. Duke marrë parasysh ekuacionin e përgjithshëm për katalizën enzimatike të reaksionit të kthyeshëm të shndërrimit të një substrati në një produkt (1),
Faktorët kryesorë që ndikojnë në shpejtësinë e një reaksioni enzimatik duhet të emërtohen: përqendrimi i substratit [S], përqendrimi i enzimës [E] dhe përqendrimi i produktit të reaksionit [P].
Ndërveprimi i disa enzimave me substratin e tyre mund të përshkruhet nga një kurbë hiperbolike e varësisë së shpejtësisë së reaksionit enzimatik V nga përqendrimi i substratit [S] (Fig. 19):
Fig. 19. Varësia e shpejtësisë së reaksionit enzimatik nga përqendrimi i substratit.
Në këtë kurbë, mund të dallohen tre seksione, të cilat mund të shpjegohen me dispozitat e mekanizmit të ndërveprimit të enzimës me substratin: OA - një seksion i varësisë drejtpërdrejt proporcionale të V nga [S], qendrat aktive të enzimës. mbushen gradualisht me molekula substrate me formimin e një kompleksi të paqëndrueshëm ES; seksioni AB - varësia lakorike e V nga [S], ngopja e plotë e qendrave aktive të enzimës me molekula substrate nuk është arritur ende. Kompleksi ES është i paqëndrueshëm përpara se të arrijë në gjendjen e tranzicionit; probabiliteti i disociimit të kundërt në E dhe S është ende i lartë; seksioni BC - varësia përshkruhet me një ekuacion të rendit zero, seksioni është paralel me boshtin [S], është arritur ngopja e plotë e enzimave aktive me molekula të substratit, V=V max.
Forma karakteristike e kurbës përshkruhet matematikisht nga ekuacioni Briggs-Haldane:
V=V max ● [S]/ Km + [S] (2),
ku Km është konstanta Michaelis-Menten, numerikisht e barabartë me përqendrimin e substratit në të cilin shpejtësia e reaksionit enzimatik është e barabartë me gjysmën V max.
Sa më i ulët të jetë K m i enzimës, aq më i lartë është afiniteti i enzimës për substratin, aq më shpejt arrihet gjendja e tranzicionit për substratin dhe ai shndërrohet në produkt reaksioni. Gjetja e vlerave Km për çdo substrat enzimë specifike për grupin është e rëndësishme në përcaktimin e rolit biologjik të kësaj enzime në qelizë.
Për shumicën e enzimave është e pamundur të ndërtohet një kurbë hiperbolike (Fig. 19) Në këtë rast përdoret metoda e dyfishtë reciproke (Lineweaver-Burk), d.m.th. është paraqitur një varësi grafike prej 1/[V] nga 1/[S] (Fig. 20). Metoda e ndërtimit të kthesave të tilla në një eksperiment është shumë e përshtatshme kur studiohet efekti i llojeve të ndryshme të frenuesve në aktivitetin e enzimës (shih më tej në tekst).
Fig.20. Grafiku i 1/[V] kundrejt 1/[S] (metoda Lineweaver-Burk),
ku y është seksioni prerës - , dhe x është seksioni prerës - 
, tangjentja e këndit α - .
Varësia e shpejtësisë së reaksionit enzimatik V nga përqendrimi i enzimës [E].
Kjo varësi grafike (Fig. 21) konsiderohet në temperaturën dhe pH optimale të mjedisit, në përqendrime të substratit dukshëm më të larta se përqendrimi i ngopjes së qendrave aktive të enzimës.
Oriz. 21. Ndikimi i përqendrimit të enzimës në shpejtësinë e reaksionit enzimatik.
Varësia e shpejtësisë së një reaksioni enzimatik nga përqendrimi i një kofaktori ose koenzime. Për enzimat komplekse, duhet të merret parasysh se mungesa e formave koenzimë të vitaminave në rast të hipovitaminozës dhe një shkelje e marrjes së joneve metalike në trup çojnë domosdoshmërisht në një ulje të përqendrimit të enzimave përkatëse të nevojshme për kursin. e proceseve metabolike. Prandaj, duhet të konkludohet se aktiviteti i enzimës varet drejtpërdrejt nga përqendrimi i kofaktorit ose koenzimës.
Ndikimi i përqendrimit të produktit në shpejtësinë e reaksionit enzimatik. Për reaksionet e kthyeshme që ndodhin në trupin e njeriut, duhet të merret parasysh që produktet e reaksionit të drejtpërdrejtë mund të përdoren nga enzima si substrate për reaksionin e kundërt. Prandaj, drejtimi i rrjedhjes dhe momenti i arritjes së Vmax varen nga raporti i përqendrimeve të substrateve fillestare dhe produkteve të reaksionit. Për shembull, aktiviteti i alaninës aminotransferazës, e cila katalizon transformimin:
Alanine + Alfa-ketoglutarat ↔ Piruvat + Glutamat
varet në qelizë nga raporti i përqendrimit:
[alanine + alfa-ketoglutarat] / [piruvat + glutamat].
MEKANIZMI I VEPRIMIT TË ENZIMËS. TEORITË E KATALIZËS SË ENZIMËS
Enzimat, si katalizatorët joproteinikë, rrisin shpejtësinë e një reaksioni kimik për shkak të aftësisë së tyre për të reduktuar energjinë e aktivizimit të këtij reaksioni. Energjia e aktivizimit të një reaksioni enzimatik llogaritet si diferencë midis vlerës së energjisë në sistemin e reaksionit në vazhdim që ka arritur gjendjen e tranzicionit dhe energjisë së përcaktuar në fillim të reaksionit (shih varësinë grafike në Fig. 22).
Oriz. 22. Varësia grafike e gjendjes energjetike të një reaksioni kimik pa enzimë (1) dhe në prani të një enzime (2) nga koha e reaksionit.
Puna e V. Henry dhe, në veçanti, L. Michaelis, M. Menten për studimin e mekanizmit të reaksioneve enzimatike të kthyeshme monosubstrate bëri të mundur që të supozohet se enzima E së pari në mënyrë të kthyeshme dhe relativisht shpejt kombinohet me substratin e saj S për të formuar një enzimë- Kompleksi i substratit (ES):
E+S<=>ES (1)
Formimi i ES ndodh për shkak të lidhjeve hidrogjenore, ndërveprimeve elektrostatike, hidrofobike, në disa raste kovalente, lidhjeve koordinuese midis radikaleve anësore të mbetjeve aminoacide të qendrës aktive dhe grupeve funksionale të substratit. Në enzimat komplekse funksionin e kontaktit me substratin mund ta kryejë edhe pjesa joproteinike e strukturës.
Kompleksi enzimë-substrat më pas shpërbëhet në një reaksion të dytë, më të ngadalshëm, të kthyeshëm për të prodhuar produktin e reaksionit P dhe enzimën e lirë E:
ES<=>EP<=>E+P (2)
Aktualisht, falë punës së shkencëtarëve të lartpërmendur, si dhe Keilin D., Chance B., Koshland D. (teoria e "korrespondencës së induktuar"), ekzistojnë dispozita teorike rreth katër pikave kryesore në mekanizmin e veprimit. të një enzime në një substrat, të cilat përcaktojnë aftësinë e enzimave për të përshpejtuar reaksionet kimike:
1. Orientimi dhe qasja . Enzima është në gjendje të lidhë një molekulë substrati në atë mënyrë që lidhja e sulmuar nga enzima të jetë jo vetëm e vendosur në afërsi të grupit katalitik, por edhe e orientuar saktë në lidhje me të. Mundësia që kompleksi ES të arrijë në gjendjen e tranzicionit përmes orientimit dhe afërsisë është rritur shumë.
2. Stresi dhe tendosja : korrespondencë e nxitur. Lidhja e një substrati mund të shkaktojë ndryshime konformacionale në molekulën e enzimës, të cilat çojnë në tension në strukturën e qendrës aktive, dhe gjithashtu deformojnë disi substratin e lidhur, duke lehtësuar kështu arritjen e një gjendjeje kalimtare nga kompleksi ES. Një e ashtuquajtur korrespondencë e induktuar lind midis molekulave E dhe S.
KINETIKA E REAKSIONEVE ENZIMATIVE
Vfr përcaktohet nga sasia e substancës që konvertohet për njësi të kohës. V i këtyre reaksioneve varet nga ndikimi i faktorëve të jashtëm (temperatura, pH, ekspozimi ndaj komponimeve natyrore dhe të huaja, etj.).
Vfr është një masë e aktivitetit katalitik dhe quhet thjesht aktivitet enzimë.
Aktiviteti i enzimës mund të matet vetëm në mënyrë indirekte:
1) me shumën e S të konvertuar;
2) rritja e përqendrimit P për njësi të kohës.
Për të shprehur përqendrimin e enzimës përdorni:
a) njësia e matjes së enzimave është sasia e enzimës që katalizon shndërrimin e 1 µmol S në minutë. [µmol/min];
b) 1 katal (mace) - sasia e enzimave të afta të shkaktojnë shndërrimin e 1 mol S në P në 1 sekondë. [mol/s].
1 mace = 6×107E; 1E = 16,67 (n mace)
Për të shprehur aktivitetin e enzimës, përdorni:
a) aktiviteti specifik i enzimave është numri i enzimave për 1 mg ose numri i maceve. për 1 kg proteinë;
b) aktiviteti molekular ose numri i qarkullimit është numri i molekulave S që i nënshtrohen shndërrimit nga një molekulë E për 1 minutë.
Një molekulë e katalazës eritrocitare zbërthen 5 × 106 molekula H2O2 në 1 minutë.
Specifikimi i veprimit të enzimës
Koncepti i kompleksit E S dhe ACP janë të lidhura ngushtë me vetinë e veçantë të enzimave - specifikën e tyre. Sipas shkallës së specifikës (në rend zbritës) dallohen:
I. Specifikimi i substratit stereokimik - në këtë rast, enzimat katalizojnë vetëm 1 formë të S (1 izomer). Për shembull, hidrataza fumarate katalizon vetëm shndërrimin e acidit fumarik, por nuk katalizon shndërrimin e izomerit të tij, acidit maleik.
II. Specifikimi absolut i substratit - E konvertohet vetëm nga 1S. Për shembull, ureaza konverton vetëm ure.
III. Specifikimi absolut i grupit S. Enzimat veprojnë në një grup S-b të ngjashëm. Për shembull, alkooli DG konverton jo vetëm etanolin, por edhe alkoolet e tjera alifatike.
IV. Specifikimi i grupit relativ S. Enzima nuk vepron në një grup molekulash S, por në lidhje të caktuara të grupeve të caktuara S. Për shembull, pepsina dhe tripsina janë specifike për lidhjet peptide në proteina të ndryshme.
V. Specifikimi relativ S. Enzima katalizon, duke u kthyer në S-b, që i përket grupeve të ndryshme të përbërjeve kimike. Për shembull, enzima citokrom-450 katalizon reaksione hidroksilimi deri në 7000 S-b të ndryshëm. Ky është sistemi enzimë më pak specifik.
Ekzistojnë dy teori për të shpjeguar specifikën e enzimës.
Hipoteza e E. Fisher-it është hipoteza e “kyçit dhe bllokimit” ose hipoteza e “shabllonit”. Sipas Fischer, një enzimë është një strukturë e ngurtë, ACP e së cilës është një "cast" i saktë i S. Nëse S i përshtatet E si një çelës në një bllokim, atëherë reagimi do të ndodhë. Nëse S ndryshohet pak ("çelësi"), atëherë nuk korrespondon me ACF ("kyçja") dhe reagimi bëhet i pamundur. Edhe pse ky shpjegim është logjik, hipoteza e Fisherit nuk shpjegon se në çfarë bazohet më pas specifika absolute dhe relative e grupit. Për shembull, citokrom-450 kombinohet me një numër kaq të madh të S-b, të ndryshëm në strukturë.
Këto kontradikta të jashtme shpjegohen nga hipoteza Koshland, ose hipoteza e korrespondencës së detyruar. Sipas Koshland, molekula e enzimës nuk është "e ngurtë", por fleksibël, struktura dhe konfigurimi i enzimës dhe ACP-së së saj fillojnë të ndryshojnë në momentin që enzima bashkohet me S ose ligandë të tjerë. Gjatë formimit të një kompleksi E-S, përveç komplementaritetit gjeometrik, ndodh edhe komplementariteti elektrostatik, i cili ndodh për shkak të çiftëzimit të molekulave të ngarkuara në mënyrë të kundërt E dhe S. Në realitet, me sa duket, ndodhin të dy variantet e mbledhjes.
Hipoteza e Koshland na lejon të shpjegojmë pse ndodh transformimi i analogëve të afërt të S-in. Nëse substrati "false" (kuazi-S) ndryshon nga ai natyral dhe ACP merr një konformacion afër substratit të vërtetë, atëherë rregullimi i grupeve katalitike në një kompleks të tillë E-S do të lejojë që reaksioni të ndodhë. Enzima duket se nuk e vëren këtë "mashtrim", megjithëse reagimi nuk vazhdon aq shpejt sa me substratin e vërtetë. Nëse konfigurimi i kuazi-substratit nuk lejon pozicionimin e saktë të grupit katalitik, atëherë në këtë rast reaksioni nuk do të vazhdojë. ato. nëse diapazoni i rirregullimeve konformacionale është i kufizuar vetëm në një të mundshëm, atëherë enzima është shumë specifike dhe nëse mundësitë e rirregullimit të ACP janë të mëdha, atëherë enzima funksionon edhe në kuazi-substrate.
Varësia e Vfr nga pH mjedisi
Çdo enzimë ka pH-në e vet optimale, në të cilën Vfr është maksimal. Një devijim i pH në një drejtim ose në një tjetër çon në një ulje të aktivitetit të enzimës. Shumica e enzimave kanë një pH prej ~ 7.0, domethënë përkon me vlerat fiziologjike të pH.
Në vlerën optimale të pH, grupet funksionale të ACP dhe vetë S janë në formën më të preferuar për lidhje. Disa enzima kanë një pH optimal që ndryshon ndjeshëm nga vlerat fiziologjike; pepsina është 100% aktive në pH = 1,5-2,5; arginaza - në pH = 10.
Varësia e Vfr nga temperatura
Me rritjen e temperaturës mjedisore, Vfr rritet, duke arritur vlerat optimale prej ~ 20-40ºС për shumicën e enzimave.
Termolueshmëria e enzimave lidhet me strukturën e tyre proteinike: kur temperatura rritet në 40-50ºC e lart, ato denatyrohen.
Për disa enzima, denatyrimi ndodh në 0ºC.
Për çdo reaksion kimik, me një rritje të temperaturës për çdo 10ºC, V e reaksionit rritet me 2-3 herë; për reaksionet enzimatike ky koeficient është më i ulët - 2 ose edhe më pak. Përjashtim: enzima adenimate ciklazë e qëndrueshme ndaj temperaturës mund të përballojë temperaturat prej 100ºC dhe enzima katalaza është aktive në 0ºC.
Varësia e Vfr nga përqendrimi. S.
Mekanizmi i veprimit të enzimave përshkruhet nga ekuacioni Michaelis-Menten. Varësia e Vfr nga [S] mund të përcaktohet grafikisht.
a) sipas kurbës Michaelis: sa më i vogël Km, aq më i madh është Vm dhe aq më i lartë është afiniteti i E për S.
Vmax korrespondon me gjendjen e ngopjes së plotë të enzimës S-vol.
në tretësirë ka një tepricë të E (3 mol S, 5 mol E) ky është vendi i ngopjes së enzimës S-vol.
b) metodën reciproke Lainciver-Burk, ku varësia e Vfr nga [S] llogaritet në sasi reciproke.
Rregullimi i aktivitetit të enzimës.
Enzimat janë katalizatorë me aktivitet të kontrolluar, kështu që Vfr mund të kontrollohet përmes enzimeve. Rregullimi i aktivitetit mund të kryhet nëpërmjet ndërveprimit të enzimave me përbërës të ndryshëm biologjikë ose komponime të huaja (barna, helme), të cilat quhen modifikues. Nëse në prani të një modifikuesi rritet Vfr, atëherë modifikuesit e tillë quhen aktivizues, dhe nëse zvogëlohet, quhen frenues.
Aktivizimi i enzimave.
Ekzistojnë disa lloje të aktivizimit të enzimës.
1. Aktivizimi duke ndikuar në nënnjësitë e molekulave të enzimës. Disa enzima kanë një SN në formën e 2 nënnjësive: katalitike dhe rregullatore. Kur ruani një situatë emergjente, ACF fshihet.
Për shembull, shumë enzima në trup prodhohen si proenzima ose zimogjene, domethënë në gjendje joaktive. Sipas nevojës, aktivizohet një numër i caktuar i tyre. Për shembull, tripsinogeni joaktiv shndërrohet në tripsinë aktive nga enzima enterokinaza.
2. Jonet ndikojnë në aktivizimin e enzimave:
a) kationet - efekti i tyre është më specifik se anionet. Vetë kationet mund të veprojnë si grupe protetike në enzima (Fe në citokrom) ose nga prania e tyre ndikojnë në enzimë, duke e aktivizuar atë. Për shembull, anhidraza karbonike aktivizohet në prani të Zn+2.
b) anionet - veprojnë më pak në mënyrë specifike dhe zakonisht prekin fazën e 2-të të d.f. – shpërbërja e kompleksit ES. Sidoqoftë, ndonjëherë anionet janë aktivizues të drejtpërdrejtë të enzimave. Për shembull, Cl– aktivizon pepsinogjenin joaktiv dhe e shndërron atë në pepsinë aktive.
3. Aktivizimi duke mbrojtur enzimat nga ndikimi inaktivizues i ndikimeve të ndryshme. I pajisur me substanca specifike që parandalojnë efektet negative në enzima.
Frenimi i enzimës.
Substancat që shkaktojnë frenim të pjesshëm ose të plotë të enzimave quhen frenues (I). Frenuesit kanë vetinë të lidhen fort me enzimën. Mbi këtë bazë, frenimi dallohet: i kthyeshëm dhe i pakthyeshëm.
Me frenim të kthyeshëm, unë dhe E ndërveprojnë. Nëse frenuesi neutralizohet disi (për shembull, me dializë), atëherë aktiviteti i E rikthehet. Nëse kjo nuk mund të arrihet, atëherë flasim për frenim të pakthyeshëm.
Frenim i kthyeshëm
konkurruese jokonkurruese
Frenimi konkurrues mund të shkaktohet nga substanca me një strukturë të ngjashme me atë të S-së së vërtetë.
I dhe S konkurrojnë për ACP, dhe kompleksi me enzimën formon përbërjen që ka më shumë molekula. Ose I ose S lidhen me enzimën; për një frenim të tillë, ekuacioni është i vlefshëm: .
Gjatë frenimit konkurrues, një kompleks tresh E S I nuk formohet KURRË, kështu që ky lloj frenimi ndryshon nga të tjerët.
Për shembull, DG succinate përfshihet në ferma. Sistemet CTK. S-ja e tij natyrale është suksinat. Frenuesit mund të jenë oksaloacetati, malonati (kuazi-substrate).
Kur është i tepërt, frenuesi lidhet në grupe të polarizuara me DG suksinat ACP.
Me frenimin konkurrues, Vmax nuk ndryshon kurrë, por Km ndryshon. Pjerrësia e kthesave në prani të I rritet, si rrjedhojë rritet Km
Bazuar në rezultatet e eksperimentit duke përdorur kurbën Michaelis-Menten, është e mundur të përcaktohet natyra konkurruese e I (duke rritur Km dhe stabilitetin e Vmax). Natyra e kësaj kurbë tregon gjithashtu se procesi është i kthyeshëm, domethënë, duke rritur [S], koha për të arritur Vmax mund të reduktohet.
Metoda e frenimit konkurrues ka gjetur aplikim të gjerë në praktikën mjekësore.
Acidi para-aminobenzoik dhe sulfonamidi kanë një strukturë të ngjashme. Qeliza bakteriale përdor p-ABA për të sintetizuar acidin folik, i cili është një përbërës i enzimave bakteriale. S/a bllokon veprimin e enzimave që sintetizojnë acidin folik, si rezultat, rritja e baktereve ndalon.
Frenimi jo konkurrues është frenim i kthyeshëm kur ndërveproj jo me ACP, por me grupe të tjera funksionale enzimash, domethënë në këtë rast nuk kam ngjashmëri strukturore me S. Shtimi i një frenuesi të tillë redukton aktivitetin e enzimës. dhe jo afiniteti i tij për S, pra inhibitori nuk ndryshon Km, por zvogëlon max. Vfr.
Me këtë lloj frenimi krijohen komplekse joaktive me disociim të ulët E I ose E I S. Për shembull, veprimi i HCN, komponimeve të tjera kimike që lidhin jonet Me ose grupe të tjera funksionale në molekulën e enzimës.
Frenim i përzier (ose tip pjesërisht jo konkurrues) - një rënie në Vmax kombinohet me një rritje në Km.
Në këtë rast, formohet një kompleks E I S, dhe S në të pëson një transformim të ngadaltë katalitik.
Inhibimi i substratit është një ulje e Vfr me një rritje të konsiderueshme në [S]. Fillimisht, me një rritje në [S], Vfr rritet, duke arritur maksimumin e saj, por me një rritje të mëtejshme në [S], Vfr fillon të bjerë.
Mekanizmi i efektit frenues të tepricës S është i larmishëm. Më shpesh, ky është ndërveprimi i përbërjeve të ndërmjetme E S me një ose më shumë molekula të S, duke rezultuar në formimin e një përbërjeje joaktive, pastaj
ekziston një kompleks që nuk prodhon produkte reaksioni.
Metodat për rregullimin e aktivitetit të enzimës
Në një organizëm të gjallë, reaksionet e sintezës, dekompozimit dhe ndërthurjes së mijëra substancave të ndryshme ndodhin njëkohësisht. Të gjitha këto reagime të shumta rregullohen në organizëm nëpërmjet mekanizmave të ndryshëm, ndër të cilët më kryesorët janë:
a) rregullimi i tipit feedback; zakonisht karakteristike për reaksionet e sintezës. Akumulimi i produkteve të reagimit mbi nivelin e lejuar ka një efekt të fortë frenues në fazën e parë të procesit:
b) rregullimi alosterik i aktivitetit të enzimës - karakteristikë vetëm për një grup të veçantë enzimash me SN, të cilat kanë qendra rregullatore për lidhjen e efektorëve alosterikë. Efektorët negativë pengojnë shndërrimin e S dhe veprojnë si frenues alosterikë. Efektorët pozitivë, përkundrazi, përshpejtojnë Vfr, prandaj ato klasifikohen si aktivizues alosterikë.
Mekanizmi i veprimit të inhibitorëve alosterikë në një enzimë është ndryshimi i ACP të kësaj enzime. Rënia e Vfr është ose pasojë e rritjes së Km, ose e rënies së Vmax, në të njëjtat përqendrime ngopëse të S. Aktivizuesit alosterikë, përkundrazi, lehtësojnë shndërrimin e S në ACP, i cili shoqërohet me ose një ulje në Km ose një rritje në Vmax.
Kompartmentalizimi është një fenomen në të cilin membranat përdoren për t'u ndarë në hapësirë
a) një enzimë nga S e saj (për shembull, enzimat lizomale nga substancat mbi të cilat ato veprojnë në citoplazmë);
b) procese që janë të papajtueshme reciprokisht në të njëjtën kohë. Sinteza e acideve yndyrore ndodh në pjesën e tretshme të citoplazmës, dhe zbërthimi i acideve yndyrore ndodh në mitokondri.
Kinetika e reaksioneve enzimatike. Kjo degë e enzimologjisë studion ndikimin e faktorëve kimikë dhe fizikë në shpejtësinë e reaksioneve enzimatike. Në vitin 1913, Michaelis dhe Menten krijuan teorinë e kinetikës enzimatike, bazuar në faktin se enzima (E) ndërvepron me substratin (S) për të formuar një kompleks të ndërmjetëm enzimë-substrat (ES), i cili më tej zbërthehet në enzimë dhe produkti i reaksionit sipas ekuacionit:
Çdo fazë e ndërveprimit ndërmjet substratit dhe enzimës karakterizohet nga konstantet e veta të shpejtësisë. Raporti i shumës së konstantave të shpejtësisë për zbërthimin e kompleksit enzimë-substrat ndaj konstantës së shpejtësisë për formimin e kompleksit enzimë-substrat quhet konstanta Michaelis (Km). Ato përcaktojnë afinitetin e enzimës për substratin. Sa më e ulët të jetë konstanta e Michaelis, aq më i lartë është afiniteti i enzimës për substratin, aq më i lartë është shpejtësia e reaksionit që ajo katalizon. Bazuar në vlerën Km, reaksionet katalitike mund të ndahen në të shpejta (Km 106 mol/l ose më pak) dhe të ngadalta (Km 102 deri në 106).
Shpejtësia e një reaksioni enzimatik varet nga temperatura, mjedisi i reagimit, përqendrimi i reaktantëve, sasia e enzimës dhe faktorë të tjerë.
1. Le të shqyrtojmë varësinë e shpejtësisë së reaksionit nga sasia e enzimës. Me kusht që të ketë një tepricë të substratit, shpejtësia e reagimit është proporcionale me sasinë e enzimës, por me një sasi të tepërt të enzimës, rritja e shpejtësisë së reagimit do të ulet, pasi nuk do të ketë më substrat të mjaftueshëm.
2. Shpejtësia e reaksioneve kimike është proporcionale me përqendrimin e substancave reaguese (ligji i veprimit të masës). Ky ligj vlen edhe për reaksionet enzimatike, por me kufizime të caktuara. Në konstante
Në sasi të mëdha të enzimës, shpejtësia e reagimit është vërtet proporcionale me përqendrimin e substratit, por vetëm në rajonin e përqendrimeve të ulëta. Në përqendrime të larta të substratit, enzima bëhet e ngopur me substratin, domethënë vjen një moment kur të gjitha molekulat e enzimës janë tashmë të përfshira në procesin katalitik dhe nuk do të ketë rritje të shpejtësisë së reagimit. Shpejtësia e reagimit arrin nivelin maksimal (Vmax) dhe më pas nuk varet më nga përqendrimi i substratit. Varësia e shpejtësisë së reaksionit nga përqendrimi i substratit duhet të përcaktohet në atë pjesë të kurbës që është nën Vmax. Teknikisht, është më e lehtë të përcaktohet jo shpejtësia maksimale, por ½ Vmax. Ky parametër është karakteristika kryesore e reaksionit enzimatik dhe bën të mundur përcaktimin e konstantës Michaelis (Km).
Km (konstanta e Michaelis) është përqendrimi i substratit në të cilin shpejtësia e reaksionit enzimatik është gjysma e maksimumit. Nga kjo ne nxjerrim ekuacionin Michaelis-Menten për shpejtësinë e një reaksioni enzimatik.
