Nästan alla biokemiska reaktioner är enzymatiska. Enzymer(biokatalysatorer) är proteinämnen som aktiveras av metallkatjoner. Cirka 2000 olika enzymer är kända och cirka 150 av dem har isolerats, varav några används som läkemedel. Trypsin och chymotrypsin används för att behandla bronkit och lunginflammation; pepsin - för behandling av gastrit; plasmin - för behandling av hjärtinfarkt; Pankreatin – för behandling av bukspottkörteln. Enzymer skiljer sig från konventionella katalysatorer: (a) genom högre katalytisk aktivitet; (b) hög specificitet, dvs. handlingens selektivitet.
Mekanismen för en enzymreaktion med ett substrat kan representeras av följande diagram:
där E är ett enzym,
S - substrat,
ES - enzym-substratkomplex,
P är reaktionsprodukten.
Kännetecknet för det första steget av den enzymatiska reaktionen är Michaelis konstant (K M). K M är den reciproka av jämviktskonstanten:
Michaelis-konstanten (K M) karakteriserar stabiliteten hos enzym-substratkomplexet (ES). Ju lägre Michaelis-konstanten (K M), desto stabilare är komplexet.
Hastigheten för en enzymatisk reaktion är lika med hastigheten för dess hastighetsbegränsande steg:
där k 2 är hastighetskonstanten, kallad varvtal eller enzymets molekylära aktivitet.
molekylär enzymaktivitet(k 2) är lika med antalet substratmolekyler som genomgår transformationer under påverkan av en enzymmolekyl på 1 minut vid 25 0 C. Denna konstant tar värden inom intervallet: 1·10 4< k 2 < 6·10 6 мин‾ 1 .
För ureas, som påskyndar hydrolysen av urea, k 2 = 1,85∙10 6 min‾ 1; för adenosintrifosfatas, som accelererar ATP-hydrolys, k 2 = 6,24∙10 6 min‾ 1; för katalas, som påskyndar nedbrytningen av H 2 O 2, k 2 = 5∙10 6 min‾ 1.
Den kinetiska ekvationen för den enzymatiska reaktionen i den form i vilken den ges ovan är emellertid praktiskt taget omöjlig att använda på grund av omöjligheten att experimentellt bestämma koncentrationen av enzym-substratkomplexet (). Uttryckt i termer av andra kvantiteter som lätt kan bestämmas experimentellt, vi får den kinetiska ekvationen för enzymatiska reaktioner, kallad enligt Michaelis-Mentens ekvation (1913):
,
där produkten k 2 [E] totalt är ett konstant värde, vilket betecknas (maximal hastighet).
Respektive: 
Låt oss betrakta speciella fall av Michaelis-Mentens ekvation.
1) Vid låg substratkoncentration K M >> [S], därför
vilket motsvarar den kinetiska ekvationen för reaktionen av första ordningen.
2) Vid hög substratkoncentration K m<< [S], поэтому
vilket motsvarar den kinetiska ekvationen för nollordningens reaktion.
Således, vid en låg substratkoncentration, ökar hastigheten för den enzymatiska reaktionen med ökande substrathalt i systemet, och vid en hög substratkoncentration når den kinetiska kurvan en platå (reaktionshastigheten beror inte på substratkoncentrationen) (Fig. 30).
Figur 30. - Kinetisk kurva för en enzymatisk reaktion
Om [S] = K M, då
som låter dig bestämma Michaelis-konstanten K m grafiskt (fig. 31).
Figur 31. - Grafisk definition av Michaelis-konstanten
Aktiviteten hos enzymer påverkas av: (a) temperatur, (b) surhet i mediet, (c) närvaron av inhibitorer. Temperaturens inverkan på hastigheten av en enzymatisk reaktion diskuteras i kapitel 9.3.
Inverkan av surheten i mediet på hastigheten för den enzymatiska reaktionen visas i figur 32. Den maximala enzymaktiviteten motsvarar det optimala pH-värdet (pH opt).
Figur 32. - Effekt av lösningens surhet på enzymaktivitet
För de flesta enzymer sammanfaller optimala pH-värden med fysiologiska värden (7,3 - 7,4). Det finns dock enzymer vars normala funktion kräver en starkt sur (pepsin - 1,5 - 2,5) eller tillräckligt alkalisk miljö (arginas - 9,5 - 9,9).
Enzyminhibitorer- dessa är ämnen som upptar en del av enzymmolekylernas aktiva centra, som ett resultat av vilket hastigheten på den enzymatiska reaktionen minskar. Tungmetallkatjoner, organiska syror och andra föreningar fungerar som inhibitorer.
Föreläsning 11
Atomstruktur
Det finns två definitioner av begreppet "atom". Atomär den minsta partikeln av ett kemiskt element som behåller sina kemiska egenskaper.
Atomär ett elektriskt neutralt mikrosystem som består av en positivt laddad kärna och ett negativt laddat elektronskal.
Läran om atomen har gått igenom en lång utvecklingsväg. Huvudstadierna i utvecklingen av atomism inkluderar:
1) naturligt filosofiskt stadium - perioden för bildandet av begreppet materiens atomstruktur, inte bekräftad av experiment (5:e århundradet f.Kr. - 1500-talet e.Kr.);
2) stadiet för bildandet av hypotesen om atomen som den minsta partikeln av ett kemiskt element (XVIII-XIX århundraden);
3) stadiet för att skapa fysiska modeller som återspeglar komplexiteten i atomens struktur och gör det möjligt att beskriva dess egenskaper (början av 1900-talet)
4) det moderna stadiet av atomism kallas kvantmekanisk. Kvantmekanikär en gren av fysiken som studerar elementarpartiklars rörelse.
PLANEN
11.1. Strukturen av kärnan. Isotoper.
11.2. Kvantmekanisk modell av en atoms elektronskal.
11.3. Fysikalisk-kemiska egenskaper hos atomer.
Strukturen av kärnan. Isotoper
Atomkärnaär en positivt laddad partikel som består av protoner, neutroner och några andra elementarpartiklar.
Det är allmänt accepterat att kärnans huvudsakliga elementarpartiklar är protoner och neutroner. Proton (p) –är en elementarpartikel vars relativa atommassa är 1 amu och dess relativa laddning är +1. Neutron (n) – Detta är en elementarpartikel som inte har någon elektrisk laddning och vars massa är lika med massan av en proton.
99,95 % av en atoms massa är koncentrerad i kärnan. Mellan elementarpartiklar finns speciella kärnkrafter av förlängning, som avsevärt överstiger krafterna för elektrostatisk repulsion.
Den grundläggande egenskapen hos en atom är avgift hans kärnor, lika med antalet protoner och sammanfaller med grundämnets atomnummer i det periodiska systemet för kemiska grundämnen. En uppsättning (typ) av atomer med samma kärnladdning kallas kemiskt element. Element med siffror från 1 till 92 finns i naturen.
Isotoper- dessa är atomer av samma kemiska grundämne som innehåller samma antal protoner och olika antal neutroner i kärnan.
där massnummer (A) är kärnans massa, z är kärnans laddning.
Varje kemiskt element är en blandning av isotoper. Som regel sammanfaller namnet på isotoper med namnet på det kemiska elementet. Särskilda namn har dock införts för väteisotoper. Det kemiska elementet väte representeras av tre isotoper:
Nummer p Nummer n
Protium N 1 0
Deuterium D 1 1
Tritium T 1 2
Isotoper av ett kemiskt element kan vara både stabila och radioaktiva. Radioaktiva isotoper innehåller kärnor som spontant bryts ner och frigör partiklar och energi. Stabiliteten hos en kärna bestäms av dess neutron-protonförhållande.
Väl i kroppen stör radionuklider de viktigaste biokemiska processerna, minskar immuniteten och dömer kroppen till sjukdom. Kroppen skyddar sig mot effekterna av strålning genom att selektivt absorbera element från omgivningen. Stabila isotoper har företräde framför radioaktiva isotoper. Med andra ord blockerar stabila isotoper ackumuleringen av radioaktiva isotoper i levande organismer (tabell 8).
S. Shannons bok "Nutrition in the Atomic Age" tillhandahåller följande data. Om en blockerande dos på ~100 mg stabil isotopjod tas senast 2 timmar efter att I-131 kommit in i kroppen kommer upptaget av radiojod i sköldkörteln att minska med 90 %.
Radioisotoper används inom medicinen
för diagnos av vissa sjukdomar,
· för behandling av alla former av cancer,
· för patofysiologiska studier.
Tabell 8 - Blockerande effekt av stabila isotoper
Enzymkinetik studerar hastigheten för reaktioner som katalyseras av enzymer beroende på olika förhållanden (koncentration, temperatur, pH, etc.) för deras interaktion med substratet.
Emellertid är enzymer proteiner som är känsliga för påverkan av olika yttre påverkan. Därför, när de studerar hastigheten för enzymatiska reaktioner, tar de främst hänsyn till koncentrationerna av reagerande ämnen och försöker minimera påverkan av temperatur, pH i miljön, aktivatorer, inhibitorer och andra faktorer och skapa standardförhållanden. För det första är detta pH-värdet i miljön som är optimalt för ett givet enzym. För det andra rekommenderas att hålla en temperatur på 25°C, där så är möjligt. För det tredje uppnås fullständig mättnad av enzymet med substratet. Denna punkt är särskilt viktig eftersom vid låga substratkoncentrationer deltar inte alla enzymmolekyler i reaktionen (Fig. 6.5, A), vilket innebär att resultatet blir långt ifrån det maximala möjliga. Den största kraften i den katalyserade reaktionen, allt annat lika, uppnås om varje enzymmolekyl deltar i omvandlingen, d.v.s. vid en hög koncentration av enzym-substratkomplexet (Fig. 6.5, V). Om substratkoncentrationen inte säkerställer fullständig mättnad av enzymet (Fig. 6.5, b), så når reaktionshastigheten inte sitt maximala värde.
Ris. 65.
A - vid låg substratkoncentration; 6 - med otillräcklig substratkoncentration; V - när enzymet är helt mättat med substrat
Hastigheten för en enzymatisk reaktion mätt under ovanstående förhållanden och fullständig mättnad av enzymet med substratet kallas maximal hastighet för enzymatisk reaktion (V).
Hastigheten för den enzymatiska reaktionen, bestäms när enzymet inte är helt mättat med substratet, anges v.
Enzymkatalys kan förenklas med följande diagram:
där F är ett enzym; S - substrat; FS - enzym-substratkomplex.
Varje steg i denna process kännetecknas av en viss hastighet. Måttenheten för hastigheten för en enzymatisk reaktion är antalet mol substrat som omvandlas per tidsenhet(samma som hastigheten för en normal reaktion).
Enzymets interaktion med substratet leder till bildandet av ett enzym-substratkomplex, men denna process är reversibel. Hastigheterna för framåt- och bakåtreaktioner beror på koncentrationerna av reaktanterna och beskrivs med motsvarande ekvationer:
I jämvikt är ekvation (6.3) giltig, eftersom hastigheterna för framåt- och bakåtreaktionerna är lika.
Genom att ersätta hastighetsvärdena för framåt (6.1) och bakåt (6.2) reaktioner med ekvation (6.3), får vi likheten:
Jämviktstillståndet kännetecknas av en lämplig jämviktskonstant K p, lika med förhållandet mellan konstanterna för framåt- och bakåtreaktionen (6.5). Det reciproka av jämviktskonstanten kallas substratkonstant Ks, eller dissociationskonstanten för enzym-substratkomplexet:
Av ekvation (6.6) framgår att substratkonstanten minskar vid höga koncentrationer av enzym-substratkomplexet, d.v.s. med stor stabilitet. Följaktligen karaktäriserar substratkonstanten affiniteten hos enzymet och substratet och förhållandet mellan hastighetskonstanterna för bildning och dissociation av enzym-substratkomplexet.
Fenomenet enzymmättnad med substrat studerades av Leonor Michaelis och Maud Mepten. Baserat på matematisk bearbetning av resultaten härledde de ekvationen (6.7), som fick sina namn, från vilken det är tydligt att vid en hög substratkoncentration och ett lågt värde på substratkonstanten tenderar hastigheten för den enzymatiska reaktionen till det maximala . Denna ekvation är dock begränsad eftersom den inte tar hänsyn till alla parametrar:
Enzym-substratkomplexet under reaktionen kan genomgå transformationer i olika riktningar:
- dissociera till modersubstanser;
- omvandlas till en produkt från vilken enzymet separeras oförändrat.
Därför, för att beskriva den övergripande verkan av den enzymatiska processen, konceptet Michaelis konstanter Kt, som uttrycker förhållandet mellan hastighetskonstanterna för alla tre reaktionerna av enzymatisk katalys (6.8). Om båda termerna divideras med reaktionshastighetskonstanten för bildandet av enzym-substratkomplexet får vi uttryck (6.9):
En viktig följd följer av ekvation (6.9): Michaelis-konstanten är alltid större än substratkonstanten med mängden k 2 /k v
Numeriskt K t lika med koncentrationen av substratet vid vilken reaktionshastigheten är hälften av den maximala möjliga hastigheten och motsvarar mättnaden av enzymet med substratet, som i fig. 6,5, b. Eftersom det i praktiken inte alltid är möjligt att uppnå fullständig mättnad av enzymet med substratet, är det just K t används för jämförande karakterisering av enzymers kinetiska egenskaper.
Hastigheten för den enzymatiska reaktionen när enzymet inte är helt mättat med substratet (6.10) beror på koncentrationen av enzym-substratkomplexet. Proportionalitetskoefficienten är reaktionskonstanten för frisättningen av enzymet och produkten, eftersom detta ändrar koncentrationen av enzym-substratkomplexet:
Efter transformationer, med hänsyn till ovanstående beroenden, beskrivs hastigheten för den enzymatiska reaktionen när enzymet inte är helt mättat med substratet med ekvation (6.11), dvs. beror på koncentrationerna av enzymet, substratet och deras affinitet K s:
Det grafiska beroendet av hastigheten för en enzymatisk reaktion på koncentrationen av substratet är inte linjärt. Som framgår av fig. 6.6, med ökande substratkoncentration observeras en ökning i enzymaktivitet. Men när maximal mättnad av enzymet med substratet uppnås, blir hastigheten för den enzymatiska reaktionen maximal. Därför är den hastighetsbegränsande faktorn för reaktionen bildningen av ett enzym-substratkomplex.
Praxis har visat att substratkoncentrationer som regel uttrycks i värden mycket mindre än enhet (10 6 -10 3 mol). Det är ganska svårt att arbeta med sådana mängder i beräkningar. Därför föreslog G. Lineweaver och D. Burke att uttrycka det grafiska beroendet av hastigheten för en enzymatisk reaktion inte i direkta koordinater, utan i omvända. De utgick från antagandet att för lika storheter är deras inverser också lika:
Ris. 6.6.
Efter att ha transformerat uttryck (6.13) får vi ett uttryck som kallas Lineweaver-Burks ekvation (6.14):
Det grafiska beroendet för Lineweaver-Burk-ekvationen är linjär (Fig. 6.7). Enzymets kinetiska egenskaper bestäms enligt följande:
- segmentet avskuret på ordinataaxeln är lika med 1/V;
- segmentet avskuret på abskissaxeln är lika med -1 /Till t.
Ris. 6.7.
Man tror att Lineweaver-Burk-metoden gör det möjligt att bestämma den maximala reaktionshastigheten mer exakt än i direkta koordinater. Värdefull information om enzymhämning kan också hämtas från denna graf.
Det finns andra sätt att transformera Michaelis-Mentens ekvation. Grafiska beroenden används för att studera påverkan av olika yttre påverkan på den enzymatiska processen.
Denna gren av enzymologi studerar inverkan av olika faktorer på hastigheten för en enzymatisk reaktion. Med tanke på den allmänna ekvationen för enzymatisk katalys av den reversibla reaktionen att omvandla ett substrat till en produkt (1),
De viktigaste faktorerna som påverkar hastigheten för en enzymatisk reaktion bör nämnas: substratkoncentration [S], enzymkoncentration [E] och reaktionsproduktkoncentration [P].
Interaktionen mellan vissa enzymer och deras substrat kan beskrivas med en hyperbolisk kurva över beroendet av hastigheten för enzymatisk reaktion V på koncentrationen av substratet [S] (Fig. 19):
Fig. 19. Beroende av hastigheten för enzymatisk reaktion på koncentrationen av substratet.
På denna kurva kan tre sektioner särskiljas, vilket kan förklaras av bestämmelserna om mekanismen för interaktion mellan enzymet och substratet: OA - en sektion med direkt proportionellt beroende av V på [S], enzymets aktiva centra fylls gradvis med substratmolekyler med bildandet av ett instabilt komplex ES; avsnitt AB - kurvlinjärt beroende av V på [S], fullständig mättnad av enzymets aktiva centra med substratmolekyler har ännu inte uppnåtts. ES-komplexet är instabilt innan det når övergångstillståndet, sannolikheten för omvänd dissociation till E och S är fortfarande hög; sektion BC - beroendet beskrivs av en nollordningens ekvation, sektionen är parallell med [S]-axeln, fullständig mättnad av aktiva enzymer med substratmolekyler har uppnåtts, V=V max.
Den karakteristiska formen på kurvan beskrivs matematiskt av Briggs-Haldane-ekvationen:
V=V max ● [S]/ Km + [S] (2),
där Km är Michaelis-Menten-konstanten, numeriskt lika med substratkoncentrationen vid vilken hastigheten för den enzymatiska reaktionen är lika med halva Vmax.
Ju lägre Km för enzymet, desto högre affinitet har enzymet för substratet, desto snabbare uppnås övergångstillståndet för substratet, och det förvandlas till en reaktionsprodukt. Att hitta Km-värden för varje gruppspecifikt enzymsubstrat är viktigt för att bestämma den biologiska rollen för detta enzym i cellen.
För de flesta enzymer är det omöjligt att konstruera en hyperbolisk kurva (Fig. 19) I detta fall används metoden med dubbla reciproka (Lineweaver-Burk), d.v.s. ett grafiskt beroende av 1/[V] på 1/[S] plottas (fig. 20). Metoden att konstruera sådana kurvor i ett experiment är mycket bekväm när man studerar effekten av olika typer av inhibitorer på enzymaktivitet (se vidare i texten).
Fig.20. Graf av 1/[V] kontra 1/[S] (Lineweaver-Burk-metoden),
där y är gränssnittet - och x är gränssnittet - 
, tangens av vinkeln α - .
Beroende av hastigheten för enzymatisk reaktion V på enzymkoncentrationen [E].
Detta grafiska beroende (fig. 21) anses vid optimal temperatur och pH i miljön, vid substratkoncentrationer som är betydligt högre än mättnadskoncentrationen av enzymets aktiva centra.
Ris. 21. Inverkan av enzymkoncentration på hastigheten för enzymatisk reaktion.
Beroende av hastigheten för en enzymatisk reaktion på koncentrationen av en kofaktor eller koenzym. För komplexa enzymer bör det beaktas att en brist på koenzymformer av vitaminer vid hypovitaminos och en kränkning av intaget av metalljoner i kroppen nödvändigtvis leder till en minskning av koncentrationen av motsvarande enzymer som är nödvändiga för kursen av metaboliska processer. Därför bör man dra slutsatsen att enzymets aktivitet är direkt beroende av koncentrationen av kofaktorn eller koenzymet.
Produktkoncentrationens inverkan på hastigheten för enzymatisk reaktion. För reversibla reaktioner som inträffar i människokroppen måste man ta hänsyn till att produkterna från den direkta reaktionen kan användas av enzymet som substrat för den omvända reaktionen. Därför beror flödesriktningen och ögonblicket för att nå Vmax på förhållandet mellan koncentrationerna av de initiala substraten och reaktionsprodukterna. Till exempel aktiviteten av alaninaminotransferas, som katalyserar transformationen:
Alanin + Alfa-ketoglutarat ↔ Pyruvat + Glutamat
beror i cellen på koncentrationsförhållandet:
[alanin + alfa-ketoglutarat] / [pyruvat + glutamat].
MEKANISM FÖR ENZYMVERKNING. TEORIER OM ENZYMKATALYS
Enzymer, liksom icke-proteinkatalysatorer, ökar hastigheten för en kemisk reaktion på grund av deras förmåga att minska aktiveringsenergin för denna reaktion. Aktiveringsenergin för en enzymatisk reaktion beräknas som skillnaden mellan energivärdet i systemet för den pågående reaktionen som har nått övergångstillståndet och energin som bestäms i början av reaktionen (se grafiskt beroende i fig. 22).
Ris. 22. Grafiskt beroende av energitillståndet för en kemisk reaktion utan ett enzym (1) och i närvaro av ett enzym (2) på reaktionstiden.
V. Henrys och i synnerhet L. Michaelis, M. Mentens arbete med att studera mekanismen för monosubstrat reversibla enzymatiska reaktioner gjorde det möjligt att postulera att enzym E först reversibelt och relativt snabbt kombineras med sitt substrat S för att bilda ett enzym- substratkomplex (ES):
E+S<=>ES (1)
Bildningen av ES sker på grund av vätebindningar, elektrostatiska, hydrofoba interaktioner, i vissa fall kovalenta, koordinationsbindningar mellan sidoradikalerna av aminosyrarester i det aktiva centret och de funktionella grupperna i substratet. I komplexa enzymer kan funktionen av kontakt med substratet också utföras av den icke-proteiniska delen av strukturen.
Enzym-substratkomplexet sönderfaller sedan i en andra, långsammare, reversibel reaktion för att producera reaktionsprodukt P och fritt enzym E:
ES<=>EP<=>E+P (2)
För närvarande, tack vare de ovan nämnda forskarnas arbete, såväl som Keilin D., Chance B., Koshland D. (teorin om "inducerad korrespondens"), finns det teoretiska bestämmelser om fyra huvudpunkter i verkningsmekanismen av ett enzym på ett substrat, som bestämmer enzymers förmåga att påskynda kemiska reaktioner:
1. Orientering och förhållningssätt . Enzymet kan binda en substratmolekyl på ett sådant sätt att bindningen som angrips av enzymet inte bara är belägen i närheten av den katalytiska gruppen, utan också korrekt orienterad med avseende på den. Sannolikheten för att ES-komplexet kommer att nå övergångstillståndet genom orientering och närhet ökar kraftigt.
2. Stress och belastning : framkallad korrespondens. Fästningen av ett substrat kan orsaka konformationsförändringar i enzymmolekylen, vilket leder till spänningar i strukturen av det aktiva centret, och även något deformerar det bundna substratet, vilket underlättar uppnåendet av ett övergångstillstånd av ES-komplexet. En så kallad inducerad överensstämmelse uppstår mellan molekylerna E och S.
KINETIK FÖR ENSYMATIVA REAKTIONER
Vfr bestäms av mängden ämne som omvandlas per tidsenhet. V av dessa reaktioner beror på påverkan av yttre faktorer (temperatur, pH, exponering för naturliga och främmande föreningar, etc.).
Vfr är ett mått på katalytisk aktivitet och kallas helt enkelt för enzymaktivitet.
Enzymaktivitet kan endast mätas indirekt:
1) med mängden konverterat S;
2) ökning av koncentrationen P per tidsenhet.
För att uttrycka enzymkoncentration använd:
a) måttenheten för enzymer är mängden enzym som katalyserar omvandlingen av 1 µmol S per minut. [µmol/min];
b) 1 katal (katt) - mängden enzymer som kan orsaka omvandlingen av 1 mol S till P på 1 sekund. [mol/s].
1 kat = 6x107E; 1E = 16,67 (n katt)
För att uttrycka enzymaktivitet, använd:
a) specifik aktivitet hos enzymer är antalet enzymer per 1 mg eller antalet katter. per 1 kg protein;
b) molekylär aktivitet eller omsättningstal är antalet molekyler S som genomgår omvandling med en molekyl E per 1 minut.
En molekyl av erytrocytkatalas bryter ner 5 × 106 molekyler H2O2 på 1 minut.
Specificitet för enzymverkan
Konceptet med E S-komplexet och ACP är nära besläktade med enzymernas speciella egenskap - deras specificitet. Beroende på graden av specificitet (i fallande ordning) finns det:
I. Stereokemisk substratspecificitet - i detta fall katalyserar enzymer endast en form av S (1 isomer). Till exempel katalyserar fumarathydratas endast omvandlingen av fumarsyra, men katalyserar inte omvandlingen av dess isomer, maleinsyra.
II. Absolut substratspecificitet - E omvandlas endast av 1S. Till exempel omvandlar ureas endast urea.
III. Absolut grupp S-specificitet. Enzymer verkar på en grupp av liknande S-b. Till exempel omvandlar alkohol DG inte bara etanol utan även andra alifatiska alkoholer.
IV. Relativ grupp S-specificitet. Enzymet verkar inte på en grupp av S-molekyler, utan på vissa bindningar av vissa S-grupper. Till exempel är pepsin och trypsin specifika för peptidbindningar i olika proteiner.
V. Relativ S-specificitet. Enzymet katalyserar, omvandlas till S-b, som tillhör olika grupper av kemiska föreningar. Till exempel katalyserar enzymet cytokrom-450 hydroxyleringsreaktioner av upp till 7000 olika S-b. Detta är det minst specifika enzymsystemet.
Det finns två teorier för att förklara enzymspecificitet.
E. Fishers hypotes är "nyckel och lås"-hypotesen eller "mall"-hypotesen. Enligt Fischer är ett enzym en stel struktur, vars ACP är en exakt "cast" av S. Om S passar E som en nyckel till ett lås, kommer reaktionen att inträffa. Om S ändras något ("nyckeln"), motsvarar det inte ACF ("låset"), och reaktionen blir omöjlig. Även om denna förklaring är logisk, förklarar Fishers hypotes inte vad absolut och relativ gruppspecificitet sedan baseras på. Till exempel kombineras cytokrom-450 med ett så stort antal S-b, olika i struktur.
Dessa yttre motsägelser förklaras av Koshland-hypotesen, eller den påtvingade korrespondenshypotesen. Enligt Koshland är enzymmolekylen inte "stel", utan flexibel, strukturen och konfigurationen av enzymet och dess ACP börjar förändras i samma ögonblick som enzymet fäster vid S eller andra ligander. Under bildandet av ett E-S-komplex uppstår förutom geometrisk komplementaritet även elektrostatisk komplementaritet, vilket uppstår på grund av parningen av motsatt laddade molekyler E och S. I verkligheten sker tydligen båda varianterna av addition.
Koshlands hypotes tillåter oss att förklara varför transformationen av nära analoger av S-in sker. Om det "falska" substratet (kvasi-S) skiljer sig från det naturliga och ACP antar en konformation nära det sanna substratet, kommer arrangemanget av katalytiska grupper i ett sådant E-S-komplex att tillåta reaktionen att inträffa. Enzymet verkar inte märka detta "bedrägeri", även om reaktionen inte går lika snabbt som med det verkliga substratet. Om konfigurationen av kvasi-substratet inte tillåter korrekt placering av den katalytiska gruppen, kommer reaktionen i detta fall inte att fortsätta. De där. om intervallet av konformationella omarrangemang är begränsat till en enda möjlig, så är enzymet mycket specifikt, och om möjligheterna för ACP-omarrangemang är stora, så fungerar enzymet också på kvasisubstrat.
Beroende av Vfr på pH-miljö
Varje enzym har sitt eget optimala pH, vid vilket Vfr är maximalt. En pH-avvikelse i en eller annan riktning leder till en minskning av enzymaktiviteten. De flesta enzymer har ett pH på ~7,0, det vill säga det sammanfaller med fysiologiska pH-värden.
Vid det optimala pH-värdet är de funktionella grupperna av ACP och S själva i den mest föredragna formen för bindning. Vissa enzymer har ett optimalt pH som skiljer sig kraftigt från fysiologiska värden, pepsin är 100 % aktivt vid pH = 1,5-2,5; arginas – vid pH = 10.
Beroende av Vfr på temperatur
Med ökande omgivningstemperatur ökar Vfr och når optimala värden på ~ 20-40ºС för de flesta enzymer.
Termolabiliteten hos enzymer är förknippad med deras proteinstruktur: när temperaturen stiger till 40-50ºC och över, denaturerar de.
För vissa enzymer sker denaturering vid 0ºC.
För alla kemiska reaktioner, med en ökning av temperaturen för varje 10ºC, ökar reaktionens V med 2-3 gånger; för enzymatiska reaktioner är denna koefficient lägre - 2 eller ännu mindre. Undantag: det termostabila enzymet adenymatcyklas tål temperaturer på 100ºC, och enzymet katalas är aktivt vid 0ºC.
Vfrs beroende av koncentration. S.
Verkningsmekanismen för enzymer beskrivs av Michaelis-Menten-ekvationen. Vfrs beroende av [S] kan fastställas grafiskt.
a) enligt Michaelis-kurvan: ju mindre Km, desto större Vm och desto högre affinitet har E för S.
Vmax motsvarar tillståndet för fullständig mättnad av enzymet S-vol.
i lösning finns ett överskott av E (3 mol S, 5 mol E) detta är platsen för mättnad av enzymet S-vol.
b) Lainciver-Burks ömsesidiga metod, där Vfrs beroende av [S] beräknas i ömsesidiga kvantiteter.
Reglering av enzymaktivitet.
Enzymer är katalysatorer med kontrollerad aktivitet, så Vfr kan kontrolleras genom enzymer. Reglering av aktivitet kan utföras genom interaktion av enzymer med olika biologiska komponenter eller främmande föreningar (läkemedel, gifter), som kallas modifierare. Om i närvaro av en modifierare Vfr ökar, kallas sådana modifierare aktivatorer, och om den minskar kallas de inhibitorer.
Aktivering av enzymer.
Det finns flera typer av enzymaktivering.
1. Aktivering genom att påverka enzymmolekylernas subenheter. Vissa enzymer har ett SN i form av 2 subenheter: katalytisk och regulatorisk. När en nödsituation sparas döljs ACF.
Till exempel produceras många enzymer i kroppen som proenzymer eller zymogener, det vill säga i ett inaktivt tillstånd. Vid behov aktiveras ett visst antal av dem. Till exempel omvandlas inaktivt trypsinogen till aktivt trypsin av enzymet enterokinas.
2. Joner påverkar aktiveringen av enzymer:
a) katjoner - deras effekt är mer specifik än anjoner. Katjoner kan själva fungera som protesgrupper i enzymer (Fe i cytokrom) eller genom sin närvaro påverka enzymet och aktivera det. Till exempel aktiveras kolsyraanhydras i närvaro av Zn+2.
b) anjoner - verkar mindre specifikt och påverkar vanligtvis 2:a stadiet av d.f. – Upplösning av ES-komplexet. Emellertid är ibland anjoner direkta aktivatorer av enzymer. Till exempel aktiverar Cl– inaktivt pepsinogen och omvandlar det till aktivt pepsin.
3. Aktivering genom att skydda enzymer från inaktiverande påverkan av olika influenser. Försedd med specifika ämnen som förhindrar negativa effekter på enzymer.
Enzyminhibering.
Ämnen som orsakar partiell eller fullständig hämning av enzymer kallas inhibitorer (I). Inhibitorer har egenskapen att binda tätt till enzymet. På grundval av detta särskiljs hämning: reversibel och irreversibel.
Med reversibel hämning interagerar I och E. Om inhibitorn på något sätt neutraliseras (till exempel genom dialys), återställs aktiviteten av E. Om detta inte kan uppnås, då talar vi om irreversibel hämning.
Reversibel hämning
konkurrenskraftig icke-konkurrenskraftig
Konkurrensmässig hämning kan orsakas av ämnen med en struktur som liknar den hos sant S.
I och S tävlar om ACP, och komplexet med enzymet bildar föreningen som har fler molekyler. Antingen I eller S binder till enzymet; för sådan hämning är ekvationen giltig: .
Vid kompetitiv hämning bildas ALDRIG ett ternärt E S I-komplex, vilket är hur denna typ av hämning skiljer sig från andra.
Till exempel ingår GD succinat i gårdar. CTK-system. Dess naturliga S är succinat. Inhibitorer kan vara oxaloacetat, malonat (kvasisubstrat).
I överskott binder hämmaren i polariserade grupper till ACP-succinat DG.
Med kompetitiv hämning förändras aldrig Vmax, men Km gör det. Kurvornas lutning i närvaro av I ökar, som ett resultat ökar Km
Baserat på resultaten av experimentet med Michaelis-Menten-kurvan är det möjligt att fastställa konkurrenskraften hos I (genom att öka Km och stabiliteten hos Vmax). Karaktären hos denna kurva indikerar också att processen är reversibel, det vill säga genom att öka [S] kan tiden för att nå Vmax reduceras.
Den kompetitiva inhiberingsmetoden har fått bred tillämpning i medicinsk praxis.
Para-aminobensoesyra och sulfonamid har en liknande struktur. Bakteriecellen använder p-ABA för att syntetisera folsyra, som är en komponent i bakteriella enzymer. S/a blockerar verkan av enzymer som syntetiserar folsyra, som ett resultat stoppar bakterietillväxten.
Icke-kompetitiv hämning är reversibel hämning när jag inte interagerar med ACP, utan med andra funktionella grupper av enzymer, det vill säga i det här fallet har jag ingen strukturell likhet med S. Tillsatsen av en sådan hämmare minskar aktiviteten av enzymet, och inte dess affinitet för S, det vill säga inhibitorn ändrar inte Km, utan minskar max. Vfr.
Vid denna typ av hämning bildas inaktiva lågdissociationskomplex E I eller E I S. Till exempel verkan av HCN, andra kemiska föreningar som binder Me-joner eller andra funktionella grupper i enzymmolekylen.
Blandad hämning (eller delvis icke-konkurrenskraftig typ) - en minskning av Vmax kombineras med en ökning av Km.
I detta fall bildas ett EIS-komplex och S i det genomgår en långsam katalytisk transformation.
Substratinhibering är en minskning av Vfr med en signifikant ökning av [S]. Inledningsvis, med en ökning av [S], ökar Vfr och når sitt maximum, men med en ytterligare ökning av [S], börjar Vfr att falla.
Mekanismen för den hämmande effekten av överskott av S varierar. Oftast är detta växelverkan mellan intermediära föreningar E S med en eller flera molekyler av S, vilket resulterar i bildandet av en inaktiv förening, sedan
det finns ett komplex som inte producerar reaktionsprodukter.
Metoder för att reglera enzymaktivitet
I en levande organism inträffar reaktioner av syntes, sönderdelning och omvandling av tusentals olika ämnen samtidigt. Alla dessa många reaktioner regleras i kroppen genom olika mekanismer, av vilka de viktigaste är:
a) reglering av återkopplingstyp; vanligtvis karakteristiska för syntesreaktioner. Ackumuleringen av reaktionsprodukter över den tillåtna nivån har en stark hämmande effekt på det första steget av processen:
b) allosterisk reglering av enzymaktivitet - karakteristisk endast för en speciell grupp av enzymer med SN, som har regulatoriska centra för att binda allosteriska effektorer. Negativa effektorer hämmar omvandlingen av S och fungerar som allosteriska hämmare. Positiva effektorer, tvärtom, accelererar Vfr, därför klassificeras de som allosteriska aktivatorer.
Verkningsmekanismen för allosteriska inhibitorer på ett enzym är att ändra ACP för detta enzym. En minskning av Vfr är antingen en konsekvens av en ökning av Km, eller ett resultat av en minskning av Vmax, vid samma mättande koncentrationer av S. Allosteriska aktivatorer, tvärtom, underlättar omvandlingen av S till ACP, vilket åtföljs av antingen en minskning av Km eller en ökning av Vmax.
Kompartmentalisering är ett fenomen där membran används för att separera rumsligt
a) ett enzym från dess S (till exempel lysomala enzymer från de ämnen som de verkar på i cytoplasman);
b) processer som samtidigt är ömsesidigt oförenliga. Syntesen av fettsyror sker i den lösliga delen av cytoplasman, och nedbrytningen av fettsyror sker i mitokondrierna.
Kinetiken för enzymatiska reaktioner. Denna gren av enzymologi studerar inverkan av kemiska och fysikaliska faktorer på hastigheten av enzymatiska reaktioner. 1913 skapade Michaelis och Menten teorin om enzymatisk kinetik, baserad på det faktum att enzymet (E) interagerar med substratet (S) för att bilda ett intermediärt enzym-substratkomplex (ES), som ytterligare sönderdelas till enzymet och reaktionsprodukt enligt ekvationen:
Varje steg av interaktion mellan substratet och enzymet kännetecknas av sina egna hastighetskonstanter. Förhållandet mellan summan av hastighetskonstanterna för sönderdelningen av enzym-substratkomplexet och hastighetskonstanten för bildningen av enzym-substratkomplexet kallas Michaelis-konstanten (Km). De bestämmer enzymets affinitet för substratet. Ju lägre Michaelis-konstanten är, desto högre affinitet har enzymet för substratet, desto högre reaktionshastighet katalyserar det. Baserat på Km-värdet kan katalytiska reaktioner delas in i snabba (Km 106 mol/l eller mindre) och långsamma (Km 102 till 106).
Hastigheten för en enzymatisk reaktion beror på temperatur, reaktionsmedium, koncentration av reaktanter, mängd enzym och andra faktorer.
1. Låt oss betrakta reaktionshastighetens beroende av mängden enzym. Förutsatt att det finns ett överskott av substrat är reaktionshastigheten proportionell mot mängden enzym, men med en överskottsmängd av enzym kommer ökningen av reaktionshastigheten att minska, eftersom det inte längre kommer att finnas tillräckligt med substrat.
2. Hastigheten för kemiska reaktioner är proportionell mot koncentrationen av reagerande ämnen (lagen om massverkan). Denna lag gäller även enzymatiska reaktioner, men med vissa begränsningar. Vid konstant
I stora mängder av enzymet är reaktionshastigheten verkligen proportionell mot koncentrationen av substratet, men endast i området med låga koncentrationer. Vid höga substratkoncentrationer blir enzymet mättat med substratet, det vill säga ett ögonblick kommer när alla enzymmolekyler redan är involverade i den katalytiska processen och det kommer inte att ske någon ökning av reaktionshastigheten. Reaktionshastigheten når maximal nivå (Vmax) och beror sedan inte längre på substratkoncentrationen. Reaktionshastighetens beroende av substratkoncentrationen bör bestämmas i den del av kurvan som ligger under Vmax. Tekniskt sett är det lättare att bestämma inte maxhastigheten, utan ½ Vmax. Denna parameter är huvudkaraktäristiken för den enzymatiska reaktionen och gör det möjligt att bestämma Michaelis-konstanten (Km).
Km (Michaelis konstant) är koncentrationen av substratet med vilken hastigheten för den enzymatiska reaktionen är hälften av det maximala. Från detta härleder vi Michaelis–Menten-ekvationen för hastigheten på en enzymatisk reaktion.
