Hemen hemen tüm biyokimyasal reaksiyonlar enzimatiktir. Enzimler(biyokatalizörler) metal katyonları tarafından aktive edilen protein maddeleridir. Yaklaşık 2000 farklı enzim bilinmektedir ve bunlardan yaklaşık 150'si izole edilmiştir ve bunların bir kısmı ilaç olarak kullanılmaktadır. Tripsin ve kimotripsin bronşit ve zatürreyi tedavi etmek için kullanılır; pepsin - gastrit tedavisi için; plazmin - kalp krizinin tedavisi için; Pankreatin – pankreasın tedavisi için. Enzimler geleneksel katalizörlerden: (a) daha yüksek katalitik aktiviteyle; (b) yüksek özgüllük, yani. Eylemin seçiciliği.
Tek substratlı bir enzimatik reaksiyonun mekanizması aşağıdaki diyagramla gösterilebilir:
burada E bir enzimdir,
S - substrat,
ES - enzim-substrat kompleksi,
P reaksiyon ürünüdür.
Enzimatik reaksiyonun ilk aşamasının özelliği Michaelis sabiti (KM). K M denge sabitinin tersidir:
Michaelis sabiti (KM), enzim-substrat kompleksinin (ES) stabilitesini karakterize eder. Michaelis sabiti (KM) ne kadar düşük olursa kompleks o kadar kararlı olur.
Bir enzimatik reaksiyonun hızı, hız sınırlayıcı aşamanın hızına eşittir:
burada k 2 hız sabitidir, adı verilen Devir sayısı veya Enzimin moleküler aktivitesi.
moleküler enzim aktivitesi(k 2), 25 0 C'de 1 dakikada bir enzim molekülünün etkisi altında dönüşüme uğrayan substrat moleküllerinin sayısına eşittir. Bu sabit, şu aralıktaki değerleri alır: 1·10 4< k 2 < 6·10 6 мин‾ 1 .
Ürenin hidrolizini hızlandıran üreaz için k 2 = 1,85∙10 6 min‾ 1; ATP hidrolizini hızlandıran adenosin trifosfataz için k2 = 6,24∙10 6 dk‾1; H 2 O 2'nin ayrışmasını hızlandıran katalaz için k 2 = 5∙10 6 dk‾ 1.
Bununla birlikte, enzimatik reaksiyonun yukarıda verildiği formdaki kinetik denkleminin, enzim-substrat kompleksinin () konsantrasyonunu deneysel olarak belirlemenin imkansızlığı nedeniyle kullanılması pratik olarak imkansızdır. Deneysel olarak kolayca belirlenebilen diğer nicelikler cinsinden ifade edilirse, enzimatik reaksiyonların kinetik denklemini elde ederiz, isminde Michaelis-Menten denklemine göre (1913):
,
k 2 [E] toplamının çarpımı, (maksimum hız) olarak gösterilen sabit bir değerdir.
Sırasıyla: 
Michaelis-Menten denkleminin özel durumlarını ele alalım.
1) Düşük substrat konsantrasyonunda K M >> [S], dolayısıyla
bu birinci dereceden reaksiyonun kinetik denklemine karşılık gelir.
2) Yüksek substrat konsantrasyonunda K m<< [S], поэтому
sıfır dereceli reaksiyonun kinetik denklemine karşılık gelir.
Böylece, düşük substrat konsantrasyonunda, sistemdeki substrat içeriğinin artmasıyla birlikte enzimatik reaksiyonun hızı artar ve yüksek substrat konsantrasyonunda kinetik eğri bir platoya ulaşır (reaksiyon hızı substrat konsantrasyonuna bağlı değildir) (Şekil 1). .30).
Şekil 30. - Bir enzimatik reaksiyonun kinetik eğrisi
Eğer [S] = KM ise, o zaman
bu, Michaelis sabiti K m'yi grafiksel olarak belirlemenizi sağlar (Şekil 31).
Şekil 31. - Michaelis sabitinin grafiksel tanımı
Enzimlerin aktivitesi aşağıdakilerden etkilenir: (a) sıcaklık, (b) ortamın asitliği, (c) inhibitörlerin varlığı. Sıcaklığın enzimatik reaksiyon hızı üzerindeki etkisi Bölüm 9.3'te tartışılmaktadır.
Ortamın asitliğinin enzimatik reaksiyon hızı üzerindeki etkisi Şekil 32'de gösterilmektedir. Maksimum enzim aktivitesi, optimum pH değerine (pH opt) karşılık gelir.
Şekil 32. - Çözelti asitliğinin enzim aktivitesi üzerindeki etkisi
Çoğu enzim için optimal pH değerleri fizyolojik değerlerle (7,3 - 7,4) örtüşür. Bununla birlikte, normal işleyişi kuvvetli asidik (pepsin - 1,5 - 2,5) veya yeterince alkalin bir ortam (arginaz - 9,5 - 9,9) gerektiren enzimler vardır.
Enzim inhibitörleri- bunlar, enzim moleküllerinin aktif merkezlerinin bir kısmını işgal eden ve bunun sonucunda enzimatik reaksiyon hızının azaldığı maddelerdir. Ağır metal katyonları, organik asitler ve diğer bileşikler inhibitör görevi görür.
Ders 11
Atomik yapı
Atom kavramının iki tanımı vardır. Atom bir kimyasal elementin kimyasal özelliklerini koruyan en küçük parçacığıdır.
Atom pozitif yüklü bir çekirdek ve negatif yüklü bir elektron kabuğundan oluşan elektriksel olarak nötr bir mikrosistemdir.
Atom doktrini uzun bir gelişme yolundan geçmiştir. Atomizmin gelişimindeki ana aşamalar şunları içerir:
1) doğal felsefi aşama - deneyle doğrulanmayan maddenin atomik yapısı kavramının oluşum dönemi (MÖ 5. yüzyıl - MS 16. yüzyıl);
2) kimyasal bir elementin en küçük parçacığı olarak atom hakkındaki hipotezin oluşma aşaması (XVIII-XIX yüzyıllar);
3) atomun yapısının karmaşıklığını yansıtan ve özelliklerini tanımlamayı mümkün kılan fiziksel modellerin oluşturulması aşaması (20. yüzyılın başı)
4) Atomizmin modern aşamasına kuantum mekaniği denir. Kuantum mekaniği Temel parçacıkların hareketini inceleyen bir fizik dalıdır.
PLAN
11.1. Çekirdeğin yapısı. İzotoplar.
11.2. Bir atomun elektron kabuğunun kuantum mekanik modeli.
11.3. Atomların fizikokimyasal özellikleri.
Çekirdeğin yapısı. İzotoplar
Atom çekirdeği protonlardan, nötronlardan ve diğer bazı temel parçacıklardan oluşan pozitif yüklü bir parçacıktır.
Çekirdeğin ana temel parçacıklarının protonlar ve nötronlar olduğu genel olarak kabul edilmektedir. Proton (p) – bağıl atom kütlesi 1 amu ve bağıl yükü +1 olan temel bir parçacıktır. Nötron (n) – Bu, elektrik yükü olmayan ve kütlesi bir protonun kütlesine eşit olan temel bir parçacıktır.
Bir atomun kütlesinin %99,95'i çekirdekte yoğunlaşmıştır. Temel parçacıklar arasında, elektrostatik itme kuvvetlerini önemli ölçüde aşan özel nükleer uzatma kuvvetleri vardır.
Bir atomun temel özelliği şarj onun çekirdekler Proton sayısına eşit ve kimyasal elementlerin periyodik tablosundaki elementin atom numarasına denk gelir. Aynı nükleer yüke sahip bir grup (tip) atom denir. kimyasal element. Doğada sayıları 1'den 92'ye kadar olan elementler bulunur.
İzotoplar- bunlar, çekirdekte aynı sayıda proton ve farklı sayıda nötron içeren aynı kimyasal elementin atomlarıdır.
kütle numarası (A) çekirdeğin kütlesi, z ise çekirdeğin yüküdür.
Her kimyasal element izotopların bir karışımıdır. Kural olarak izotopların adı kimyasal elementin adıyla örtüşür. Ancak hidrojen izotopları için özel isimler getirilmiştir. Hidrojen kimyasal elementi üç izotopla temsil edilir:
Sayı p Sayı n
Protiyum N 1 0
Döteryum D 1 1
Trityum T 1 2
Bir kimyasal elementin izotopları hem kararlı hem de radyoaktif olabilir. Radyoaktif izotoplar, kendiliğinden parçalanan, parçacık ve enerji açığa çıkaran çekirdekler içerir. Bir çekirdeğin kararlılığı nötron-proton oranıyla belirlenir.
Radyonüklidler vücuda girdikten sonra en önemli biyokimyasal süreçleri bozar, bağışıklığı azaltır ve vücudu hastalığa mahkum eder. Vücut, çevredeki elementleri seçici olarak emerek kendisini radyasyonun etkilerinden korur. Kararlı izotopların radyoaktif izotoplara göre önceliği vardır. Başka bir deyişle kararlı izotoplar, radyoaktif izotopların canlı organizmalarda birikmesini engeller (Tablo 8).
S. Shannon’ın “Atom Çağında Beslenme” adlı kitabında şu veriler yer alıyor. I-131'in vücuda girmesinden en geç 2 saat sonra ~100 mg stabil izotop iyot blokaj dozu alınırsa, tiroid bezinde radyoiyot alımı %90 oranında azalacaktır.
Radyoizotoplar tıpta kullanılır
Bazı hastalıkların teşhisi için,
· Her türlü kanserin tedavisinde,
· patofizyolojik çalışmalar için.
Tablo 8 - Kararlı izotopların engelleme etkisi
Enzim kinetiği, enzimlerin substratla etkileşiminin çeşitli koşullarına (konsantrasyon, sıcaklık, pH vb.) bağlı olarak enzimler tarafından katalize edilen reaksiyonların hızını inceler.
Ancak enzimler çeşitli dış etkenlerin etkisine duyarlı proteinlerdir. Bu nedenle, enzimatik reaksiyonların hızı incelenirken, esas olarak reaksiyona giren maddelerin konsantrasyonları dikkate alınır ve sıcaklığın, ortamın pH'ının, aktivatörlerin, inhibitörlerin ve diğer faktörlerin etkisini en aza indirmeye çalışırlar ve standart koşullar yaratmaya çalışırlar. Öncelikle bu, belirli bir enzim için ortamın optimal pH değeridir. İkinci olarak, mümkün olan yerlerde sıcaklığın 25°C'de tutulması tavsiye edilir. Üçüncü olarak enzimin substratla tamamen doyması sağlanır. Bu nokta özellikle önemlidir çünkü düşük substrat konsantrasyonlarında tüm enzim molekülleri reaksiyona katılmaz (Şekil 6.5, A), bu da sonucun mümkün olan maksimumdan uzak olacağı anlamına gelir. Katalizlenen reaksiyonun en büyük gücü, diğer koşullar eşit olmak üzere, her enzim molekülünün dönüşüme katılması durumunda elde edilir; enzim-substrat kompleksinin yüksek konsantrasyonunda (Şekil 6.5, V). Substrat konsantrasyonu enzimin tam doygunluğunu garantilemiyorsa (Şekil 6.5, B), o zaman reaksiyonun hızı maksimum değerine ulaşmaz.
Pirinç. 65.
A - düşük substrat konsantrasyonunda; 6 - yetersiz substrat konsantrasyonu ile; V- Enzim substratla tamamen doyurulduğunda
Yukarıdaki koşullar altında ölçülen bir enzimatik reaksiyonun hızına ve enzimin substrat ile tamamen doygunluğuna denir. maksimum enzimatik reaksiyon hızı (V).
Enzim substrata tamamen doygun hale gelmediğinde belirlenen enzimatik reaksiyonun hızı gösterilir. v.
Enzim katalizi aşağıdaki diyagramla basitleştirilebilir:
burada F bir enzimdir; S - substrat; FS - enzim-substrat kompleksi.
Bu sürecin her aşaması belirli bir hız ile karakterize edilir. Bir enzimatik reaksiyonun hızının ölçüm birimi, birim zamanda dönüştürülen substratın mol sayısıdır.(normal reaksiyonun hızıyla aynı).
Enzimin substratla etkileşimi, bir enzim-substrat kompleksi oluşumuna yol açar, ancak bu süreç tersine çevrilebilir. İleri ve geri reaksiyonların hızları reaktanların konsantrasyonlarına bağlıdır ve karşılık gelen denklemlerle tanımlanır:
Denge durumunda ileri ve geri reaksiyonların hızları eşit olduğundan denklem (6.3) geçerlidir.
İleri (6.1) ve geri (6.2) reaksiyonların hız değerlerini denklem (6.3) ile değiştirerek eşitliği elde ederiz:
Denge durumu uygun bir şekilde karakterize edilir denge sabiti K p, ileri ve geri reaksiyonların sabitlerinin oranına eşittir (6.5). Denge sabitinin tersi denir substrat sabiti Ks, veya enzim-substrat kompleksinin ayrışma sabiti:
Denklem (6.6)'dan, enzim-substrat kompleksinin yüksek konsantrasyonlarında substrat sabitinin azaldığı açıktır; büyük bir istikrarla. Sonuç olarak, substrat sabiti, enzim ve substratın afinitesini ve enzim-substrat kompleksinin oluşumu ve ayrışması için hız sabitlerinin oranını karakterize eder.
Substrat ile enzim doygunluğu olgusu Leonor Michaelis ve Maud Mepten tarafından incelenmiştir. Sonuçların matematiksel işlenmesine dayanarak, yüksek substrat konsantrasyonunda ve substrat sabitinin düşük değerinde, enzimatik reaksiyon hızının maksimuma doğru yöneldiği açık olan, isimlerini alan denklem (6.7)'yi türetmişlerdir. . Ancak bu denklem sınırlıdır çünkü tüm parametreleri hesaba katmaz:
Reaksiyon sırasındaki enzim-substrat kompleksi farklı yönlerde dönüşümlere uğrayabilir:
- ana maddelere ayrışır;
- enzimin değişmeden ayrıldığı bir ürüne dönüşür.
Bu nedenle, enzimatik sürecin genel eylemini tanımlamak için kavram Michaelis sabitleri Kt, enzimatik katalizde her üç reaksiyonun hız sabitleri arasındaki ilişkiyi ifade eder (6.8). Her iki terim de enzim-substrat kompleksinin oluşumu için reaksiyon hızı sabitine bölünürse, (6.9) ifadesini elde ederiz:
Denklem (6.9)'dan önemli bir sonuç çıkar: Michaelis sabiti her zaman substrat sabitinden şu miktar kadar büyüktür: k 2 /k v
Sayısal olarak K t Reaksiyon hızının mümkün olan maksimum hızın yarısı olduğu ve enzimin substratla doygunluğuna karşılık geldiği substrat konsantrasyonuna eşittir (Şekil 1). 6.5, B. Pratikte enzimin substratla tam doygunluğunu sağlamak her zaman mümkün olmadığından, tam olarak K t Enzimlerin kinetik özelliklerinin karşılaştırmalı karakterizasyonu için kullanılır.
Enzim substrata (6.10) tamamen doyurulmadığında enzimatik reaksiyonun hızı, enzim-substrat kompleksinin konsantrasyonuna bağlıdır. Orantılılık katsayısı, enzim-substrat kompleksinin konsantrasyonunu değiştirdiğinden, enzim ve ürünün salınımına ilişkin reaksiyon sabitidir:
Dönüşümlerden sonra, yukarıdaki bağımlılıklar dikkate alınarak, enzim substrata tamamen doyurulmadığında enzimatik reaksiyonun hızı denklem (6.11) ile tanımlanır, yani. enzimin, substratın konsantrasyonuna ve bunların afinitesine bağlıdır K:
Bir enzimatik reaksiyon hızının substrat konsantrasyonuna grafiksel bağımlılığı doğrusal değildir. Şekil 2'den açıkça görüldüğü gibi. 6.6'da substrat konsantrasyonunun artmasıyla birlikte enzim aktivitesinde bir artış gözlenmektedir. Ancak enzimin substratla maksimum doygunluğuna ulaşıldığında enzimatik reaksiyonun hızı maksimum olur. Bu nedenle reaksiyon için hız sınırlayıcı faktör, bir enzim-substrat kompleksinin oluşmasıdır.
Uygulama, substrat konsantrasyonlarının kural olarak birden çok daha düşük değerlerle ifade edildiğini göstermiştir (10 6 -10 3 mol). Hesaplamalarda bu büyüklüklerle işlem yapmak oldukça zordur. Bu nedenle, G. Lineweaver ve D. Burke, enzimatik reaksiyon hızının grafiksel bağımlılığını doğrudan koordinatlarda değil, ters koordinatlarda ifade etmeyi önerdiler. Eşit miktarlar için terslerinin de eşit olduğu varsayımından yola çıktılar:
Pirinç. 6.6.
(6.13) ifadesini dönüştürdükten sonra, adı verilen bir ifade elde ederiz. Lineweaver-Burk denklemi (6.14):
Lineweaver-Burk denkleminin grafiksel bağımlılığı doğrusaldır (Şekil 6.7). Enzimin kinetik özellikleri şu şekilde belirlenir:
- ordinat ekseninde kesilen segment eşittir 1/V;
- apsis ekseninde kesilen parça -1'e eşittir /T'ye.
Pirinç. 6.7.
Lineweaver-Burk yönteminin, maksimum reaksiyon hızının doğrudan koordinatlardan daha doğru bir şekilde belirlenmesini mümkün kıldığına inanılmaktadır. Enzim inhibisyonuna ilişkin değerli bilgiler de bu grafikten toplanabilir.
Michaelis-Menten denklemini dönüştürmenin başka yolları da var. Grafik bağımlılıkları, çeşitli dış etkilerin enzimatik süreç üzerindeki etkisini incelemek için kullanılır.
Enzimolojinin bu dalı, çeşitli faktörlerin bir enzimatik reaksiyonun hızı üzerindeki etkisini inceler. Bir substratın tek bir ürüne dönüştürülmesinin tersinir reaksiyonunun enzimatik katalizine ilişkin genel denklem göz önüne alındığında (1),
Bir enzimatik reaksiyonun hızını etkileyen ana faktörler şu şekilde adlandırılmalıdır: substrat konsantrasyonu [S], enzim konsantrasyonu [E] ve reaksiyon ürünü konsantrasyonu [P].
Bazı enzimlerin substratlarıyla etkileşimi, enzimatik reaksiyon V hızının substrat konsantrasyonuna [S] bağımlılığının hiperbolik bir eğrisi ile tanımlanabilir (Şekil 19):
Şekil 19. Enzimatik reaksiyon hızının substrat konsantrasyonuna bağımlılığı.
Bu eğride, enzimin substrat ile etkileşim mekanizmasının hükümleriyle açıklanabilen üç bölüm ayırt edilebilir: OA - V'nin, enzimin aktif merkezleri olan [S]'ye doğrudan orantılı bağımlılığının bir bölümü kararsız bir kompleks ES'nin oluşumu ile yavaş yavaş substrat molekülleri ile doldurulur; AB bölümü - V'nin [S]'ye eğrisel bağımlılığı, enzimin aktif merkezlerinin substrat molekülleri ile tam doygunluğuna henüz ulaşılamamıştır. ES kompleksi geçiş durumuna ulaşmadan önce kararsızdır; E ve S'ye ters ayrışma olasılığı hala yüksektir; BC bölümü - bağımlılık sıfır dereceli bir denklemle tanımlanır, bölüm [S] eksenine paraleldir, aktif enzimlerin substrat molekülleriyle tam doygunluğu elde edilmiştir, V=V maks.
Eğrinin karakteristik şekli matematiksel olarak Briggs-Haldane denklemiyle tanımlanır:
V=V maks ● [S]/ Km + [S] (2),
burada Km Michaelis-Menten sabitidir; enzimatik reaksiyon hızının Vmax'ın yarısına eşit olduğu substrat konsantrasyonuna sayısal olarak eşittir.
Enzimin Km'si ne kadar düşük olursa, enzimin substrata afinitesi o kadar yüksek olur, substratın geçiş durumuna o kadar hızlı ulaşılır ve reaksiyon ürününe dönüşür. Her gruba özgü enzim substratı için Km değerlerinin bulunması, bu enzimin hücredeki biyolojik rolünün belirlenmesi açısından önemlidir.
Çoğu enzim için hiperbolik bir eğri oluşturmak imkansızdır (Şekil 19).Bu durumda çift karşılıklılık yöntemi (Lineweaver-Burk) kullanılır, yani. 1/[V]'nin 1/[S]'ye grafiksel bağımlılığı çizilmiştir (Şekil 20). Bir deneyde bu tür eğrileri oluşturma yöntemi, çeşitli inhibitörlerin enzim aktivitesi üzerindeki etkisini incelerken çok uygundur (metnin devamına bakınız).
Şekil 20. 1/[V] ve 1/[S] grafiği (Lineweaver-Burk yöntemi),
burada y kesme bölümüdür - ve x kesme bölümüdür - 
, α - açısının tanjantı.
Enzimatik reaksiyon V hızının enzim konsantrasyonuna bağımlılığı [E].
Bu grafiksel bağımlılık (Şekil 21), ortamın optimal sıcaklığı ve pH'ında, enzimin aktif merkezlerinin doyma konsantrasyonundan önemli ölçüde daha yüksek substrat konsantrasyonlarında dikkate alınır.
Pirinç. 21. Enzim konsantrasyonunun enzimatik reaksiyon hızı üzerindeki etkisi.
Bir enzimatik reaksiyonun hızının bir kofaktör veya koenzimin konsantrasyonuna bağımlılığı. Karmaşık enzimler için, hipovitaminoz durumunda vitaminlerin koenzim formlarının eksikliğinin ve vücuda metal iyonlarının alımının ihlalinin mutlaka süreç için gerekli olan karşılık gelen enzimlerin konsantrasyonunda bir azalmaya yol açtığı dikkate alınmalıdır. metabolik süreçlerin. Bu nedenle enzim aktivitesinin doğrudan kofaktör veya koenzim konsantrasyonuna bağlı olduğu sonucuna varılmalıdır.
Ürün konsantrasyonunun enzimatik reaksiyon hızı üzerindeki etkisi.İnsan vücudunda meydana gelen geri dönüşümlü reaksiyonlar için, doğrudan reaksiyon ürünlerinin enzim tarafından ters reaksiyon için substrat olarak kullanılabileceği dikkate alınmalıdır. Bu nedenle, akışın yönü ve Vmax'a ulaşma anı, başlangıç substratlarının ve reaksiyon ürünlerinin konsantrasyonlarının oranına bağlıdır. Örneğin, dönüşümü katalize eden alanin aminotransferazın aktivitesi:
Alanin + Alfa-ketoglutarat ↔ Piruvat + Glutamat
hücredeki konsantrasyon oranına bağlıdır:
[alanin + alfa-ketoglutarat] / [piruvat + glutamat].
ENZİM ETKİSİNİN MEKANİZMASI. ENZİM KATALİZİNİN TEORİLERİ
Enzimler, protein olmayan katalizörler gibi, bu reaksiyonun aktivasyon enerjisini azaltma yetenekleri nedeniyle kimyasal reaksiyonun hızını arttırır. Bir enzimatik reaksiyonun aktivasyon enerjisi, geçiş durumuna ulaşan devam eden reaksiyonun sistemindeki enerji değeri ile reaksiyonun başlangıcında belirlenen enerji arasındaki fark olarak hesaplanır (Şekil 22'deki grafiksel bağımlılığa bakınız).
Pirinç. 22. Enzim olmadan (1) ve bir enzimin (2) varlığında kimyasal bir reaksiyonun enerji durumunun reaksiyon süresine grafiksel bağımlılığı.
V. Henry ve özellikle L. Michaelis, M. Menten'in tek substratlı tersinir enzimatik reaksiyonların mekanizmasını incelemeye yönelik çalışmaları, E enziminin ilk olarak geri dönüşümlü ve nispeten hızlı bir şekilde substrat S ile birleşerek bir enzim oluşturduğunu öne sürmeyi mümkün kıldı. substrat kompleksi (ES):
E+S<=>TR (1)
ES oluşumu, hidrojen bağları, elektrostatik, hidrofobik etkileşimler, bazı durumlarda aktif merkezin amino asit kalıntılarının yan radikalleri ile substratın fonksiyonel grupları arasındaki kovalent koordinasyon bağları nedeniyle meydana gelir. Kompleks enzimlerde substratla temas işlevi yapının protein olmayan kısmı tarafından da gerçekleştirilebilir.
Enzim-substrat kompleksi daha sonra reaksiyon ürünü P ve serbest enzim E'yi üretmek için ikinci, daha yavaş, geri dönüşümlü bir reaksiyonda parçalanır:
ES<=>EP<=>E+P (2)
Şu anda, yukarıda adı geçen bilim adamlarının yanı sıra Keilin D., Chance B., Koshland D.'nin (“uyarılmış yazışma teorisi”) çalışmaları sayesinde, etki mekanizmasındaki dört ana nokta hakkında teorik hükümler bulunmaktadır. Enzimlerin kimyasal reaksiyonları hızlandırma yeteneğini belirleyen bir substrat üzerindeki bir enzimin etkisi:
1. Yönelim ve yaklaşım . Enzim, bir substrat molekülünü, enzim tarafından saldırıya uğrayan bağın yalnızca katalitik gruba yakın konumlandırılmasını değil aynı zamanda ona göre doğru yönlendirilmesini sağlayacak şekilde bağlayabilir. ES kompleksinin yönelim ve yakınlık yoluyla geçiş durumuna ulaşma olasılığı büyük ölçüde artıyor.
2. Gerilme ve Gerinim : yazışmaları tetikledi. Bir substratın eklenmesi, enzim molekülünde konformasyonel değişikliklere neden olabilir, bu da aktif merkezin yapısında gerilime neden olur ve ayrıca bağlı substratı bir şekilde deforme eder, böylece ES kompleksi tarafından bir geçiş durumuna ulaşılması kolaylaştırılır. E ve S molekülleri arasında indüklenmiş bir yazışma ortaya çıkar.
ENZİMATİF REAKSİYONLARIN KİNETİĞİ
Vfr, birim zamanda dönüştürülen madde miktarına göre belirlenir. Bu reaksiyonların V'si dış faktörlerin (sıcaklık, pH, doğal ve yabancı bileşiklere maruz kalma vb.) etkisine bağlıdır.
Vfr, katalitik aktivitenin bir ölçüsüdür ve basitçe enzim aktivitesi olarak anılır.
Enzim aktivitesi yalnızca dolaylı olarak ölçülebilir:
1) dönüştürülen S miktarına göre;
2) birim zaman başına P konsantrasyonundaki artış.
Enzim konsantrasyonunu ifade etmek için aşağıdakileri kullanın:
a) Enzimlerin ölçü birimi dakikada 1 µmol S'nin dönüşümünü katalize eden enzim miktarıdır. [umol/dak];
b) 1 katal (cat) - 1 saniyede 1 mol S'nin P'ye dönüşmesine neden olabilecek enzim miktarı. [mol/sn].
1 kedi = 6×107E; 1E = 16,67 (n kedi)
Enzim aktivitesini ifade etmek için şunu kullanın:
a) Enzimlerin spesifik aktivitesi 1 mg başına düşen enzim sayısı veya kedi sayısıdır. 1 kg protein başına;
b) moleküler aktivite veya devir sayısı, 1 dakikada bir E molekülü tarafından dönüşüme uğrayan S moleküllerinin sayısıdır.
Bir eritrosit katalaz molekülü 1 dakikada 5x106 molekül H2O2'yi parçalar.
Enzim eyleminin özgüllüğü
E S kompleksi ve ACP kavramı, enzimlerin özel özelliğiyle, yani özgüllükleriyle yakından ilgilidir. Spesifiklik derecesine göre (azalan sırayla) şunlar vardır:
I. Stereokimyasal substrat spesifikliği - bu durumda enzimler yalnızca 1 S formunu (1 izomer) katalize eder. Örneğin, fumarat hidrataz yalnızca fumarik asidin dönüşümünü katalize eder, ancak izomeri maleik asidin dönüşümünü katalize etmez.
II. Mutlak substrat özgüllüğü - E yalnızca 1S tarafından dönüştürülür. Örneğin üreaz yalnızca üreyi dönüştürür.
III. Mutlak S grubu özgüllüğü. Enzimler benzer S-b grubu üzerinde etki gösterir. Örneğin alkol DG sadece etanolü değil aynı zamanda diğer alifatik alkolleri de dönüştürür.
IV. Göreli grup S özgüllüğü. Enzim bir grup S molekülü üzerinde değil, belirli S gruplarının belirli bağları üzerinde etki gösterir. Örneğin pepsin ve trypsin, çeşitli proteinlerdeki peptit bağlarına spesifiktir.
V. Göreceli S özgüllüğü. Enzim, çeşitli kimyasal bileşik gruplarına ait S-b'ye dönüşerek katalize edilir. Örneğin sitokrom-450 enzimi 7000'e kadar farklı S-b'nin hidroksilasyon reaksiyonlarını katalize eder. Bu en az spesifik enzim sistemidir.
Enzim özgüllüğünü açıklayan iki teori vardır.
E. Fisher'in hipotezi “anahtar ve kilit” hipotezi veya “şablon” hipotezidir. Fischer'a göre bir enzim, ACP'si S'nin tam bir "dökümü" olan katı bir yapıdır. Eğer S, E'yi kilidin anahtarı gibi yerleştirirse reaksiyon meydana gelecektir. Eğer S biraz değiştirilirse ("anahtar"), o zaman ACF'ye ("kilit") karşılık gelmez ve reaksiyon imkansız hale gelir. Bu açıklama mantıklı olmasına rağmen Fisher'in hipotezi mutlak ve göreceli grup özgüllüğünün neye dayandığını açıklamıyor. Örneğin sitokrom-450, yapısı farklı olan bu kadar çok sayıda S-b ile birleşir.
Bu dış çelişkiler Koshland hipotezi veya zorunlu yazışma hipotezi ile açıklanmaktadır. Koshland'a göre enzim molekülü "rijit" değil, esnektir, enzimin yapısı ve konfigürasyonu ve ACP'si, enzimin S veya diğer ligandlara bağlandığı anda değişmeye başlar. Bir E-S kompleksinin oluşumu sırasında, geometrik tamamlayıcılığa ek olarak, zıt yüklü E ve S moleküllerinin eşleşmesi nedeniyle ortaya çıkan elektrostatik tamamlayıcılık da meydana gelir. Gerçekte, görünüşe göre, eklemenin her iki çeşidi de gerçekleşir.
Koshland'ın hipotezi, S-in'in yakın analoglarının dönüşümünün neden meydana geldiğini açıklamamıza olanak tanır. Eğer "yanlış" substrat (yarı-S) doğal olandan farklıysa ve ACP gerçek substrata yakın bir konformasyon alırsa, böyle bir E-S kompleksindeki katalitik grupların düzenlenmesi reaksiyonun gerçekleşmesine izin verecektir. Reaksiyon gerçek substratta olduğu kadar hızlı ilerlemese de enzim bu "aldatmacayı" fark etmemektedir. Substrat benzeri konfigürasyon katalitik grubun doğru konumlandırılmasına izin vermiyorsa bu durumda reaksiyon ilerlemeyecektir. Onlar. konformasyonel yeniden düzenleme aralığı yalnızca bir olası düzenlemeyle sınırlıysa, bu durumda enzim oldukça spesifiktir ve eğer ACP yeniden düzenleme olasılıkları büyükse, o zaman enzim aynı zamanda yarı substratlar üzerinde de çalışır.
Vfr'nin pH ortamına bağımlılığı
Her enzimin, Vfr'nin maksimum olduğu kendi optimum pH'ı vardır. Bir yönde veya başka bir yöndeki pH sapması, enzim aktivitesinde bir azalmaya yol açar. Çoğu enzimin pH'ı ~7,0'dır, yani fizyolojik pH değerleriyle örtüşür.
Optimum pH değerinde ACP ve S'nin fonksiyonel grupları bağlanma için en çok tercih edilen formdadır. Bazı enzimlerin fizyolojik değerlerden keskin bir şekilde farklı olan optimal pH'ları vardır, pepsin pH = 1,5-2,5'te %100 aktiftir; arginaz – pH = 10'da.
Vfr'nin sıcaklığa bağımlılığı
Ortam sıcaklığının artmasıyla birlikte Vfr artar ve çoğu enzim için optimal ~ 20-40ºС değerlerine ulaşır.
Enzimlerin termolabilitesi protein yapılarıyla ilişkilidir: sıcaklık 40-50°C ve üzerine çıktığında denatüre olurlar.
Bazı enzimler için denatürasyon 0°C'de meydana gelir.
Herhangi bir kimyasal reaksiyon için, sıcaklığın her 10°C'de artmasıyla reaksiyonun V'si 2-3 kat artar; enzimatik reaksiyonlar için bu katsayı daha düşüktür - 2 veya hatta daha azdır. İstisna: Termostabil enzim adenimat siklaz 100°C sıcaklığa dayanabilir ve katalaz enzimi 0°C'de aktiftir.
Vfr'nin konsantrasyona bağımlılığı. S.
Enzimlerin etki mekanizması Michaelis-Menten denklemi ile açıklanmaktadır. Vfr'nin [S]'ye bağımlılığı grafiksel olarak belirlenebilir.
a) Michaelis eğrisine göre: Km ne kadar küçük olursa, Vm o kadar büyük olur ve E'nin S'ye afinitesi o kadar yüksek olur.
Vmax, S-vol enziminin tamamen doygunluk durumuna karşılık gelir.
çözeltide fazla miktarda E bulunur (3 mol S, 5 mol E), burası S-vol enziminin doyma bölgesidir.
b) Vfr'nin [S]'ye bağımlılığının karşılıklı miktarlarda hesaplandığı Lainciver-Burk karşılıklı yöntemi.
Enzim aktivitesinin düzenlenmesi.
Enzimler kontrollü aktiviteye sahip katalizörlerdir, dolayısıyla Vfr enzimler aracılığıyla kontrol edilebilir. Aktivitenin düzenlenmesi, enzimlerin çeşitli biyolojik bileşenlerle veya değiştirici adı verilen yabancı bileşiklerle (ilaçlar, zehirler) etkileşimi yoluyla gerçekleştirilebilir. Bir değiştiricinin varlığında Vfr artarsa, bu tür değiştiricilere aktivatörler, azalırsa inhibitörler denir.
Enzimlerin aktivasyonu.
Enzim aktivasyonunun birkaç türü vardır.
1. Enzim moleküllerinin alt birimlerini etkileyerek aktivasyon. Bazı enzimlerin 2 alt birim şeklinde bir SN'si vardır: katalitik ve düzenleyici. Acil bir durumu kaydederken ACF gizlenir.
Örneğin vücutta birçok enzim proenzim veya zimojen olarak yani inaktif halde üretilir. Gerektiğinde belirli sayıda tanesi etkinleştirilir. Örneğin, aktif olmayan trypsinojen, enterokinaz enzimi tarafından aktif trypsine dönüştürülür.
2. İyonlar enzimlerin aktivasyonunu etkiler:
a) katyonlar - etkileri anyonlardan daha spesifiktir. Katyonların kendileri enzimlerde prostetik gruplar olarak hareket edebilir (sitokromda Fe) veya varlıkları enzimi etkileyerek onu aktive edebilir. Örneğin karbonik anhidraz Zn+2 varlığında aktive edilir.
b) anyonlar - daha az spesifik etki gösterir ve genellikle d.f.'nin 2. aşamasını etkiler. – ES kompleksinin parçalanması. Ancak bazen anyonlar enzimlerin doğrudan aktivatörleridir. Örneğin Cl- aktif olmayan pepsinojeni aktive eder ve onu aktif pepsine dönüştürür.
3. Enzimleri çeşitli etkilerin etkisizleştirici etkisinden koruyarak aktivasyon. Enzimler üzerindeki olumsuz etkileri önleyen özel maddelerle donatılmıştır.
Enzim inhibisyonu.
Enzimlerin kısmen veya tamamen inhibisyonuna neden olan maddelere inhibitör (I) adı verilir. İnhibitörler enzime sıkı bağlanma özelliğine sahiptir. Bu temelde inhibisyon ayırt edilir: geri döndürülebilir ve geri döndürülemez.
Geri dönüşümlü engelleme ile I ve E etkileşime girer. İnhibitör bir şekilde nötralize edilirse (örneğin diyaliz yoluyla), E'nin aktivitesi geri yüklenir. Eğer bu sağlanamıyorsa geri dönüşü olmayan bir engellemeden bahsediyoruz demektir.
Geri dönüşümlü inhibisyon
rekabetçi rekabetçi olmayan
Rekabetçi inhibisyon, gerçek S'ye benzer yapıya sahip maddelerden kaynaklanabilir.
I ve S, ACP için rekabet eder ve enzimle oluşan kompleks, daha fazla moleküle sahip bileşiği oluşturur. I ya da S enzime bağlanır; böyle bir inhibisyon için denklem geçerlidir: .
Rekabetçi inhibisyon sırasında üçlü bir ESI kompleksi ASLA oluşmaz, bu tür inhibisyonun diğerlerinden farkı budur.
Örneğin çiftliklerde DG süksinat yer almaktadır. CTK sistemleri. Doğal S süksinattır. İnhibitörler oksaloasetat, malonat (yarı substratlar) olabilir.
Aşırı olduğunda, inhibitör polarize gruplar halinde ACP süksinat DG'ye bağlanır.
Rekabetçi engellemeyle Vmax asla değişmez, ancak Km değişir. I varlığında eğrilerin eğimi artar, bunun sonucunda Km artar
Michaelis-Menten eğrisini kullanan deneyin sonuçlarına dayanarak, I'in rekabetçi doğasını belirlemek mümkündür (Km'yi artırarak ve Vmax'ın kararlılığını artırarak). Bu eğrinin doğası aynı zamanda sürecin tersinir olduğunu da gösterir; yani [S] artırılarak Vmax'a ulaşma süresi azaltılabilir.
Rekabetçi inhibisyon yöntemi tıbbi uygulamada geniş uygulama alanı bulmuştur.
Para-aminobenzoik asit ve sülfonamid benzer bir yapıya sahiptir. Bakteri hücresi, bakteriyel enzimlerin bir bileşeni olan folik asidi sentezlemek için p-ABA'yı kullanır. S/a, folik asit sentezleyen enzimlerin etkisini bloke eder, bunun sonucunda bakteri üremesi durur.
Rekabetçi olmayan inhibisyon, I ACP ile değil, diğer fonksiyonel enzim grupları ile etkileşime girdiğinde geri dönüşümlü inhibisyondur, yani bu durumda I'in S ile yapısal bir benzerliği yoktur. Böyle bir inhibitörün eklenmesi, enzimin aktivitesini azaltır, S'ye olan afinitesi değil, yani inhibitör Km'yi değiştirmez ancak maksimumu azaltır. Vfr.
Bu tür bir inhibisyonla, aktif olmayan düşük ayrışma kompleksleri E I veya E I S oluşturulur, örneğin HCN'nin, Me iyonlarını bağlayan diğer kimyasal bileşiklerin veya enzim molekülündeki diğer fonksiyonel grupların etkisi.
Karışık inhibisyon (veya kısmen rekabetçi olmayan tip) - Vmax'taki bir azalma, Km'deki bir artışla birleştirilir.
Bu durumda bir E I S kompleksi oluşur ve içindeki S yavaş bir katalitik dönüşüme uğrar.
Substrat inhibisyonu, [S]'de önemli bir artışla birlikte Vfr'de bir azalmadır. Başlangıçta, [S]'deki bir artışla Vfr artar ve maksimuma ulaşır, ancak [S]'deki daha fazla bir artışla Vfr düşmeye başlar.
Aşırı S'nin önleyici etkisinin mekanizması çeşitlidir. Çoğu zaman, bu, E S ara bileşiklerinin bir veya daha fazla S molekülü ile etkileşimi olup, aktif olmayan bir bileşiğin oluşmasıyla sonuçlanır, daha sonra
reaksiyon ürünleri üretmeyen bir kompleks var.
Enzim aktivitesini düzenleme yöntemleri
Canlı bir organizmada binlerce farklı maddenin sentez, ayrışma ve birbirine dönüşme reaksiyonları aynı anda meydana gelir. Tüm bu reaksiyonlar vücutta çeşitli mekanizmalar aracılığıyla düzenlenir. Bunlardan en önemlileri şunlardır:
a) geri besleme tipi düzenleme; genellikle sentez reaksiyonlarının karakteristiğidir. Reaksiyon ürünlerinin izin verilen seviyenin üzerinde birikmesi, prosesin ilk aşamasında güçlü bir engelleyici etkiye sahiptir:
b) enzim aktivitesinin allosterik düzenlenmesi - yalnızca allosterik efektörlerin bağlanması için düzenleyici merkezlere sahip olan SN'li özel bir enzim grubunun karakteristiği. Negatif efektörler S'nin dönüşümünü engeller ve allosterik inhibitörler olarak görev yapar. Pozitif efektörler ise tam tersine Vfr'yi hızlandırır, dolayısıyla allosterik aktivatörler olarak sınıflandırılırlar.
Allosterik inhibitörlerin bir enzim üzerindeki etki mekanizması, bu enzimin ACP'sini değiştirmektir. Vfr'deki bir azalma, S'nin aynı doygunluk konsantrasyonlarında ya Km'deki bir artışın bir sonucudur ya da Vmax'taki bir azalmanın bir sonucudur. Allosterik aktivatörler, aksine, S'nin eşlik ettiği ACP'ye dönüşümünü kolaylaştırır. ya Km'de bir azalma ya da Vmax'ta bir artış.
Bölümlendirme, membranların mekansal olarak ayrılması için kullanıldığı bir olgudur.
a) S'sinden bir enzim (örneğin, sitoplazmada etki ettikleri maddelerden gelen lizomal enzimler);
b) aynı anda karşılıklı olarak uyumsuz olan süreçler. Yağ asitlerinin sentezi sitoplazmanın çözünür kısmında meydana gelir ve yağ asitlerinin parçalanması mitokondride meydana gelir.
Enzimatik reaksiyonların kinetiği. Enzimolojinin bu dalı, kimyasal ve fiziksel faktörlerin enzimatik reaksiyonların hızı üzerindeki etkisini inceler. 1913'te Michaelis ve Menten, enzimin (E) substrat (S) ile etkileşime girerek bir ara enzim-substrat kompleksi (ES) oluşturduğu ve bu kompleksin daha sonra enzime ve substrata ayrıştığı gerçeğine dayanarak enzimatik kinetik teorisini oluşturdular. Denkleme göre reaksiyon ürünü:
Substrat ve enzim arasındaki etkileşimin her aşaması kendi hız sabitleriyle karakterize edilir. Enzim-substrat kompleksinin ayrışması için hız sabitlerinin toplamının, enzim-substrat kompleksinin oluşumu için hız sabitine oranına Michaelis sabiti (Km) denir. Enzimin substrata olan afinitesini belirlerler. Michaelis sabiti ne kadar düşükse, enzimin substrata afinitesi o kadar yüksek, katalize ettiği reaksiyonun hızı da o kadar yüksek olur. Km değerine bağlı olarak katalitik reaksiyonlar hızlı (Km 106 mol/l veya daha az) ve yavaş (Km 102 ila 106) olarak ikiye ayrılabilir.
Bir enzimatik reaksiyonun hızı sıcaklığa, reaksiyon ortamına, reaktanların konsantrasyonuna, enzim miktarına ve diğer faktörlere bağlıdır.
1. Reaksiyon hızının enzim miktarına bağlı olduğunu düşünelim. Substratın fazla olması durumunda reaksiyon hızı enzim miktarıyla orantılıdır, ancak enzimin fazla olması durumunda yeterli substrat olmayacağından reaksiyon hızındaki artış azalacaktır.
2. Kimyasal reaksiyonların hızı, reaksiyona giren maddelerin konsantrasyonuyla orantılıdır (kütle etkisi yasası). Bu yasa aynı zamanda enzimatik reaksiyonlar için de geçerlidir, ancak belirli kısıtlamalarla. Sabit
Enzimin büyük miktarlarında, reaksiyon hızı aslında substratın konsantrasyonuyla orantılıdır, ancak yalnızca düşük konsantrasyonlar bölgesinde. Yüksek substrat konsantrasyonlarında, enzim substratla doygun hale gelir, yani tüm enzim moleküllerinin zaten katalitik sürece dahil olduğu bir an gelir ve reaksiyon hızında bir artış olmaz. Reaksiyon hızı maksimum seviyeye (Vmax) ulaşır ve artık substrat konsantrasyonuna bağlı değildir. Reaksiyon hızının substrat konsantrasyonuna bağımlılığı, eğrinin Vmax'ın altındaki kısmında belirlenmelidir. Teknik olarak maksimum hızı değil ½ Vmax'ı belirlemek daha kolaydır. Bu parametre enzimatik reaksiyonun temel özelliğidir ve Michaelis sabitinin (Km) belirlenmesini mümkün kılar.
Km (Michaelis sabiti), enzimatik reaksiyon hızının maksimumun yarısı olduğu substrat konsantrasyonudur. Bundan enzimatik reaksiyonun hızı için Michaelis-Menten denklemini türetiyoruz.
