Deyarli barcha biokimyoviy reaktsiyalar fermentativdir. Fermentlar(biokatalizatorlar) metall kationlari bilan faollashtirilgan oqsil moddalardir. 2000 ga yaqin turli fermentlar ma'lum bo'lib, ulardan 150 ga yaqini ajratilgan, ulardan ba'zilari dori sifatida ishlatiladi. Tripsin va ximotripsin bronxit va pnevmoniyani davolash uchun ishlatiladi; pepsin - gastritni davolash uchun; plazmin - yurak xurujini davolash uchun; Pankreatin - oshqozon osti bezini davolash uchun. Fermentlar an'anaviy katalizatorlardan: (a) yuqori katalitik faolligi bilan; (b) yuqori o'ziga xoslik, ya'ni. harakatning selektivligi.
Bitta substratli fermentativ reaktsiyaning mexanizmi quyidagi diagramma bilan ifodalanishi mumkin:
bu erda E - ferment,
S - substrat,
ES - ferment-substrat kompleksi,
P - reaksiya mahsuloti.
Enzimatik reaksiyaning birinchi bosqichining xarakteristikasi Michaelis doimiysi (K M). K M - muvozanat konstantasining o'zaro nisbati:
Michaelis doimiysi (K M) ferment-substrat kompleksining (ES) barqarorligini tavsiflaydi. Michaelis konstantasi (K M) qancha past bo'lsa, kompleks shunchalik barqaror.
Enzimatik reaksiya tezligi uning tezligini cheklovchi bosqich tezligiga teng:
bu yerda k 2 tezlik konstantasi, deyiladi inqiloblar soni yoki fermentning molekulyar faolligi.
molekulyar ferment faolligi(k 2) 25 0 S da 1 daqiqada bitta ferment molekulasi ta'sirida o'zgargan substrat molekulalari soniga teng. Bu konstanta 1·10 4 oralig'ida qiymatlarni oladi.< k 2 < 6·10 6 мин‾ 1 .
Karbamidning gidrolizlanishini tezlashtiradigan ureaza uchun k 2 = 1,85∙10 6 min‾ 1; ATP gidrolizini tezlashtiradigan adenozin trifosfataza uchun k 2 = 6,24∙10 6 min‾ 1; H 2 O 2 ning parchalanishini tezlashtiradigan katalaza uchun k 2 = 5∙10 6 min‾ 1.
Biroq, ferment-substrat kompleksining kontsentratsiyasini eksperimental ravishda aniqlashning iloji yo'qligi sababli yuqorida keltirilgan shakldagi fermentativ reaktsiyaning kinetik tenglamasidan foydalanish deyarli mumkin emas (). Tajriba yo'li bilan osongina aniqlanadigan boshqa miqdorlar bilan ifodalanadi, biz fermentativ reaktsiyalarning kinetik tenglamasini olamiz, chaqirdi Michaelis-Menten tenglamasi bo'yicha (1913):
,
bu erda mahsulot k 2 [E] jami doimiy qiymat bo'lib, u belgilanadi (maksimal tezlik).
Mos ravishda: 
Keling, Michaelis-Menten tenglamasining maxsus holatlarini ko'rib chiqaylik.
1) Past substrat konsentratsiyasida K M >> [S], shuning uchun
birinchi tartibli reaksiyaning kinetik tenglamasiga mos keladi.
2) Yuqori substrat konsentratsiyasida K m<< [S], поэтому
nol tartibli reaksiyaning kinetik tenglamasiga mos keladi.
Shunday qilib, past substrat konsentratsiyasida fermentativ reaktsiya tezligi tizimdagi substrat tarkibining ortishi bilan ortadi va yuqori substrat konsentratsiyasida kinetik egri platoga etadi (reaktsiya tezligi substrat konsentratsiyasiga bog'liq emas) (1-rasm). 30).
30-rasm. - Enzimatik reaksiyaning kinetik egri chizig'i
Agar [S] = K M bo'lsa, u holda
bu sizga Michaelis doimiysi K m ni grafik tarzda aniqlash imkonini beradi (31-rasm).
Shakl 31. - Michaelis doimiysining grafik ta'rifi
Fermentlarning faolligiga quyidagilar ta'sir qiladi: (a) harorat, (b) muhitning kislotaligi, (c) inhibitorlarning mavjudligi. Haroratning fermentativ reaksiya tezligiga ta'siri 9.3-bobda muhokama qilinadi.
Muhit kislotaligining fermentativ reaksiya tezligiga ta'siri 32-rasmda keltirilgan. Fermentning maksimal faolligi optimal pH qiymatiga (pH opt) mos keladi.
Shakl 32. - Eritma kislotasining ferment faolligiga ta'siri
Ko'pgina fermentlar uchun optimal pH qiymatlari fiziologik qiymatlarga to'g'ri keladi (7,3 - 7,4). Shu bilan birga, normal ishlashi uchun kuchli kislotali (pepsin - 1,5 - 2,5) yoki etarli darajada ishqoriy muhit (arginaza - 9,5 - 9,9) talab qilinadigan fermentlar mavjud.
Ferment inhibitörleri- bular ferment molekulalarining faol markazlarining bir qismini egallagan moddalar bo'lib, buning natijasida fermentativ reaksiya tezligi pasayadi. Og'ir metallar kationlari, organik kislotalar va boshqa birikmalar ingibitor vazifasini bajaradi.
11-ma'ruza
Atom tuzilishi
"Atom" tushunchasining ikkita ta'rifi mavjud. Atom kimyoviy elementning kimyoviy xossalarini saqlaydigan eng kichik zarrasi.
Atom musbat zaryadlangan yadro va manfiy zaryadlangan elektron qobiqdan tashkil topgan elektr neytral mikrotizimdir.
Atom haqidagi ta'limot uzoq rivojlanish yo'lini bosib o'tdi. Atomizm rivojlanishining asosiy bosqichlariga quyidagilar kiradi:
1) naturalfalsafiy bosqich - tajriba bilan tasdiqlanmagan materiyaning atom tuzilishi haqidagi tushunchaning shakllanish davri (miloddan avvalgi V asr - milodiy 16-asr);
2) atom kimyoviy elementning eng kichik zarrasi sifatidagi gipotezaning shakllanish bosqichi (XVIII-XIX asrlar);
3) atom tuzilishining murakkabligini aks ettiruvchi va uning xususiyatlarini tavsiflashga imkon beradigan fizik modellarni yaratish bosqichi (XX asr boshlari).
4) atomizmning hozirgi bosqichi kvant mexanikasi deb ataladi. Kvant mexanikasi fizikaning elementar zarrachalar harakatini oʻrganuvchi boʻlimi.
REJA
11.1. Yadroning tuzilishi. Izotoplar.
11.2. Atomning elektron qobig'ining kvant mexanik modeli.
11.3. Atomlarning fizik-kimyoviy xususiyatlari.
Yadroning tuzilishi. Izotoplar
Atom yadrosi protonlar, neytronlar va boshqa ba'zi elementar zarralardan tashkil topgan musbat zaryadlangan zarrachadir.
Yadroning asosiy elementar zarralari proton va neytronlar ekanligi umumiy qabul qilingan. Proton (p) - nisbiy atom massasi 1 amu va nisbiy zaryadi + 1 boʻlgan elementar zarrachadir. Neytron (n) - Bu elektr zaryadiga ega bo'lmagan va massasi protonning massasiga teng bo'lgan elementar zarradir.
Atom massasining 99,95% yadroda to'plangan. Elementar zarralar o'rtasida elektrostatik itarilish kuchlaridan sezilarli darajada oshib ketadigan maxsus yadro kuchlari mavjud.
Atomning asosiy xususiyati zaryad uning yadrolari, protonlar soniga teng va kimyoviy elementlarning davriy jadvalidagi elementning atom raqamiga to'g'ri keladi. Yadro zaryadi bir xil bo'lgan atomlar to'plami (turi) deyiladi kimyoviy element. 1 dan 92 gacha raqamlarga ega elementlar tabiatda uchraydi.
Izotoplar- bular yadroda bir xil miqdordagi proton va turli xil miqdordagi neytronlarni o'z ichiga olgan bir xil kimyoviy element atomlari.
bu yerda massa soni (A) yadro massasi, z yadro zaryadi.
Har bir kimyoviy element izotoplar aralashmasidir. Qoida tariqasida, izotoplarning nomi kimyoviy element nomi bilan mos keladi. Biroq, vodorod izotoplari uchun maxsus nomlar kiritilgan. Vodorod kimyoviy elementi uchta izotop bilan ifodalanadi:
Raqam p raqami n
Protium N 10
Deyteriy D 1 1
Tritiy T 1 2
Kimyoviy elementning izotoplari ham barqaror, ham radioaktiv bo'lishi mumkin. Radioaktiv izotoplar o'z-o'zidan parchalanib, zarrachalar va energiya chiqaradigan yadrolarni o'z ichiga oladi. Yadroning barqarorligi uning neytron-proton nisbati bilan belgilanadi.
Vujudga kirgach, radionuklidlar eng muhim biokimyoviy jarayonlarni buzadi, immunitetni pasaytiradi va tanani kasallikka mahkum qiladi. Tana atrof-muhitdan elementlarni tanlab singdirish orqali o'zini nurlanish ta'siridan himoya qiladi. Barqaror izotoplar radioaktiv izotoplarga nisbatan ustunlikka ega. Boshqacha aytganda, barqaror izotoplar tirik organizmlarda radioaktiv izotoplarning to‘planishiga to‘sqinlik qiladi (8-jadval).
S. Shennonning "Atom asrida ovqatlanish" kitobida quyidagi ma'lumotlar keltirilgan. Agar I-131 tanaga kirgandan keyin 2 soatdan kechiktirmay barqaror yod izotopining ~100 mg blokirovka qiluvchi dozasi qabul qilinsa, qalqonsimon bezda radioyodning so'rilishi 90% ga kamayadi.
Radioizotoplar tibbiyotda qo'llaniladi
ba'zi kasalliklarni tashxislash uchun,
· saratonning barcha shakllarini davolash uchun,
· patofiziologik tadqiqotlar uchun.
8-jadval - Barqaror izotoplarning blokirovkalash ta'siri
Fermentlar kinetikasi fermentlarning substrat bilan oʻzaro taʼsirining turli sharoitlariga (konsentratsiya, harorat, pH va boshqalar) qarab katalizlanadigan reaksiyalar tezligini oʻrganadi.
Biroq, fermentlar turli xil tashqi ta'sirlarning ta'siriga sezgir bo'lgan oqsillardir. Shuning uchun fermentativ reaktsiyalar tezligini o'rganishda ular asosan reaksiyaga kirishuvchi moddalarning konsentratsiyasini hisobga oladilar va harorat, muhitning pH, faollashtiruvchilar, ingibitorlar va boshqa omillarning ta'sirini minimallashtirishga va standart sharoitlarni yaratishga harakat qilishadi. Birinchidan, bu ma'lum bir ferment uchun optimal bo'lgan muhitning pH qiymati. Ikkinchidan, iloji bo'lsa, 25 ° C haroratni saqlash tavsiya etiladi. Uchinchidan, fermentning substrat bilan to'liq to'yinganligiga erishiladi. Bu nuqta ayniqsa muhimdir, chunki past substrat konsentratsiyasida barcha ferment molekulalari reaktsiyada qatnashmaydi (6.5-rasm, A), bu natija mumkin bo'lgan maksimaldan uzoq bo'lishini anglatadi. Katalizatsiyalangan reaktsiyaning eng katta kuchi, boshqa narsalar teng bo'lsa, har bir ferment molekulasi transformatsiyada ishtirok etsa, ya'ni. ferment-substrat kompleksining yuqori konsentratsiyasida (6.5-rasm, V). Agar substrat kontsentratsiyasi fermentning to'liq to'yinganligini ta'minlamasa (6.5-rasm, b), u holda reaksiya tezligi maksimal qiymatga etib bormaydi.
Guruch. 65.
A - past substrat konsentratsiyasida; 6 - substrat konsentratsiyasining etarli emasligi bilan; V - ferment substrat bilan to'liq to'yingan bo'lsa
Yuqoridagi sharoitlarda va fermentning substrat bilan toʻliq toʻyinganligida oʻlchanadigan fermentativ reaksiya tezligi deyiladi. fermentativ reaktsiyaning maksimal tezligi (V).
Ferment substrat bilan to'liq to'yinmaganda aniqlanadigan fermentativ reaksiya tezligi belgilanadi. v.
Ferment katalizini quyidagi diagramma orqali soddalashtirish mumkin:
bu erda F - ferment; S - substrat; FS - ferment-substrat kompleksi.
Ushbu jarayonning har bir bosqichi ma'lum bir tezlik bilan tavsiflanadi. Enzimatik reaksiya tezligining o'lchov birligi - vaqt birligida aylantirilgan substratning mollari soni(normal reaksiya tezligi bilan bir xil).
Fermentning substrat bilan o'zaro ta'siri ferment-substrat kompleksining hosil bo'lishiga olib keladi, ammo bu jarayon teskari. To'g'ridan-to'g'ri va teskari reaktsiyalarning tezligi reaktivlarning kontsentratsiyasiga bog'liq va tegishli tenglamalar bilan tavsiflanadi:
Muvozanat holatida (6.3) tenglama to'g'ri keladi, chunki to'g'ridan-to'g'ri va teskari reaktsiyalarning tezligi tengdir.
To'g'ridan-to'g'ri (6.1) va teskari (6.2) reaktsiyalarning tezlik qiymatlarini (6.3) tenglamaga almashtirib, biz tenglikni olamiz:
Muvozanat holati tegishli bilan tavsiflanadi muvozanat konstantasi K p, to'g'ridan-to'g'ri va teskari reaktsiyalar konstantalarining nisbatiga teng (6.5). Muvozanat konstantasining teskarisi deyiladi substrat konstantasi Ks, yoki ferment-substrat kompleksining dissotsilanish konstantasi:
(6.6) tenglamadan ko'rinib turibdiki, substrat konstantasi ferment-substrat kompleksining yuqori konsentratsiyasida kamayadi, ya'ni. katta barqarorlik bilan. Binobarin, substrat konstantasi ferment va substratning yaqinligini hamda ferment-substrat kompleksining hosil bo‘lishi va dissotsilanish tezligi konstantalarining nisbatini tavsiflaydi.
Fermentning substrat bilan to'yinganligi hodisasi Leonor Michaelis va Maud Mepten tomonidan o'rganilgan. Natijalarni matematik qayta ishlash asosida ular o'z nomlarini olgan (6.7) tenglamani oldilar, undan ko'rinib turibdiki, yuqori substrat konsentratsiyasida va substrat konstantasining past qiymatida fermentativ reaktsiya tezligi maksimal darajaga intiladi. . Biroq, bu tenglama cheklangan, chunki u barcha parametrlarni hisobga olmaydi:
Reaksiya jarayonida ferment-substrat kompleksi turli yo'nalishlarda o'zgarishi mumkin:
- asosiy moddalarga ajraladi;
- fermenti o'zgarmagan holda ajralib chiqadigan mahsulotga aylanadi.
Shuning uchun fermentativ jarayonning umumiy harakatini, tushunchasini tavsiflash Michaelis konstantalari Kt, fermentativ katalizning har uchala reaksiyasining tezlik konstantalari orasidagi bog'lanishni ifodalaydi (6.8). Agar ikkala shart ham ferment-substrat kompleksining hosil bo'lishi uchun reaktsiya tezligi konstantasiga bo'linsa, biz (6.9) ifodani olamiz:
(6.9) tenglamadan muhim xulosa kelib chiqadi: Michaelis doimiysi har doim substrat konstantasidan miqdori bo'yicha kattaroqdir. k 2 /k v
Raqamli K t reaktsiya tezligi maksimal mumkin bo'lgan tezlikning yarmiga teng bo'lgan substrat kontsentratsiyasiga teng va fermentning substrat bilan to'yinganligiga to'g'ri keladi, rasmda bo'lgani kabi. 6,5, b. Amalda har doim ham fermentning substrat bilan to'liq to'yinganligiga erishish mumkin emasligi sababli, bu aniq. K t fermentlarning kinetik xususiyatlarini qiyosiy tavsiflash uchun ishlatiladi.
Ferment substrat bilan to'liq to'yinmaganda fermentativ reaksiya tezligi (6.10) ferment-substrat kompleksining konsentratsiyasiga bog'liq. Proportsionallik koeffitsienti ferment va mahsulotning chiqishi uchun reaktsiya konstantasidir, chunki bu ferment-substrat kompleksining kontsentratsiyasini o'zgartiradi:
Transformatsiyalardan so'ng, yuqoridagi bog'liqliklarni hisobga olgan holda, ferment substrat bilan to'liq to'yinmaganda fermentativ reaksiya tezligi (6.11) tenglama bilan tavsiflanadi, ya'ni. ferment, substrat kontsentratsiyasi va ularning yaqinligiga bog'liq K s:
Enzimatik reaksiya tezligining substrat kontsentratsiyasiga grafik bog'liqligi chiziqli emas. Shakldan ko'rinib turibdiki. 6.6, substrat konsentratsiyasining oshishi bilan ferment faolligining oshishi kuzatiladi. Biroq, fermentning substrat bilan maksimal to'yinganligiga erishilganda, fermentativ reaktsiya tezligi maksimal bo'ladi. Shuning uchun reaksiya uchun tezlikni cheklovchi omil ferment-substrat kompleksining hosil bo'lishidir.
Amaliyot shuni ko'rsatdiki, substrat kontsentratsiyasi, qoida tariqasida, birlikdan (10 6 -10 3 mol) kamroq qiymatlarda ifodalanadi. Hisob-kitoblarda bunday miqdorlar bilan ishlash juda qiyin. Shuning uchun G.Lineweaver va D.Byork fermentativ reaksiya tezligining grafik bogʻliqligini toʻgʻridan-toʻgʻri koordinatalarda emas, balki teskari koordinatalarda ifodalashni taklif qildilar. Ular teng miqdorlar uchun ularning teskarilari ham teng degan farazdan kelib chiqdilar:
Guruch. 6.6.
(6.13) ifodani o'zgartirgandan so'ng, biz deyilgan ifodani olamiz Lineweaver-Burk tenglamasi (6.14):
Lineweaver-Burk tenglamasining grafik bog'liqligi chiziqli (6.7-rasm). Fermentning kinetik xususiyatlari quyidagicha aniqlanadi:
- ordinata o'qi bo'yicha kesilgan segment ga teng 1/V;
- abscissa o'qida kesilgan segment -1 ga teng / To t.
Guruch. 6.7.
Lineweaver-Burk usuli to'g'ridan-to'g'ri koordinatalarga qaraganda maksimal reaktsiya tezligini aniqroq aniqlashga imkon beradi, deb ishoniladi. Ferment inhibisyoniga oid qimmatli ma'lumotlarni ushbu grafikdan ham olish mumkin.
Michaelis-Menten tenglamasini o'zgartirishning boshqa usullari mavjud. Grafik bog'liqliklar fermentativ jarayonga turli xil tashqi ta'sirlarning ta'sirini o'rganish uchun ishlatiladi.
Enzimologiyaning bu bo'limi turli omillarning fermentativ reaksiya tezligiga ta'sirini o'rganadi. Bitta substratni bitta mahsulotga aylantirishning teskari reaktsiyasining fermentativ katalizi uchun umumiy tenglamani hisobga olgan holda (1),
Enzimatik reaktsiya tezligiga ta'sir qiluvchi asosiy omillarni nomlash kerak: substrat konsentratsiyasi [S], ferment konsentratsiyasi [E] va reaktsiya mahsuloti konsentratsiyasi [P].
Ayrim fermentlarning ularning substrati bilan oʻzaro taʼsirini fermentativ reaksiya V tezligining substrat konsentratsiyasiga [S] bogʻliqligi giperbolik egri chizigʻi bilan tasvirlash mumkin (19-rasm):
19-rasm. Enzimatik reaksiya tezligining substrat konsentratsiyasiga bog'liqligi.
Ushbu egri chiziqda uchta bo'limni ajratib ko'rsatish mumkin, bu fermentning substrat bilan o'zaro ta'sir qilish mexanizmining qoidalari bilan izohlanishi mumkin: OA - V ning [S] ga to'g'ridan-to'g'ri proportsional bog'liqligi, fermentning faol markazlari. beqaror kompleks ES hosil bo'lishi bilan asta-sekin substrat molekulalari bilan to'ldiriladi; AB bo'limi - V ning [S] ga egri chiziqli bog'liqligi, fermentning faol markazlarining substrat molekulalari bilan to'liq to'yinganligiga hali erishilmagan. ES kompleksi o'tish holatiga etgunga qadar beqaror, E va S ga teskari dissotsiatsiyalanish ehtimoli hali ham yuqori; BC bo'limi - bog'liqlik nol tartibli tenglama bilan tavsiflanadi, kesma [S] o'qiga parallel, faol fermentlarning substrat molekulalari bilan to'liq to'yinganligiga erishildi, V=V max.
Egri chiziqning xarakterli shakli matematik jihatdan Briggs-Xaldan tenglamasi bilan tavsiflanadi:
V=V maks ● [S]/ Km + [S] (2),
Bu erda Km - Michaelis-Menten doimiysi, son jihatdan fermentativ reaktsiya tezligi yarim V max ga teng bo'lgan substrat konsentratsiyasiga teng.
Fermentning K m i qancha past bo'lsa, fermentning substratga yaqinligi shunchalik yuqori bo'lsa, substratning o'tish holatiga tezroq erishiladi va u reaksiya mahsulotiga aylanadi. Har bir guruhga xos ferment substrati uchun Km qiymatlarini topish ushbu fermentning hujayradagi biologik rolini aniqlashda muhim ahamiyatga ega.
Aksariyat fermentlar uchun giperbolik egri chiziqni qurish mumkin emas (19-rasm) Bu holda ikki tomonlama o'zaro (Lineweaver-Burk) usuli qo'llaniladi, ya'ni. 1/[V] ning 1/[S] ga grafik bog’liqligi chizilgan (20-rasm). Har xil turdagi ingibitorlarning ferment faolligiga ta'sirini o'rganishda eksperimentda bunday egri chiziqlarni qurish usuli juda qulaydir (batafsil matnga qarang).
20-rasm. 1/[V] ga nisbatan 1/[S] grafigi (Lineweaver-Burk usuli),
bu yerda y kesma qism - , x esa kesma qism - 
, burchakning tangensi a - .
Enzimatik reaksiya tezligi V ning ferment konsentratsiyasiga bog'liqligi [E].
Ushbu grafik bog'liqlik (21-rasm) optimal harorat va muhitning pH darajasida, fermentning faol markazlarining to'yinganlik kontsentratsiyasidan sezilarli darajada yuqori bo'lgan substrat konsentrasiyalarida ko'rib chiqiladi.
Guruch. 21. Ferment konsentratsiyasining fermentativ reaksiya tezligiga ta'siri.
Enzimatik reaksiya tezligining kofaktor yoki koenzim konsentratsiyasiga bog'liqligi. Murakkab fermentlar uchun shuni hisobga olish kerakki, gipovitaminozda vitaminlarning koenzim shakllarining etishmasligi va tanaga metall ionlarini qabul qilishning buzilishi kurs uchun zarur bo'lgan tegishli fermentlar kontsentratsiyasining pasayishiga olib keladi. metabolik jarayonlar. Shuning uchun fermentning faolligi bevosita kofaktor yoki koenzimning konsentratsiyasiga bog'liq degan xulosaga kelish kerak.
Mahsulot konsentratsiyasining fermentativ reaktsiya tezligiga ta'siri. Inson tanasida sodir bo'ladigan qaytar reaktsiyalar uchun, to'g'ridan-to'g'ri reaktsiya mahsulotlari ferment tomonidan teskari reaktsiya uchun substrat sifatida ishlatilishi mumkinligini hisobga olish kerak. Shuning uchun oqim yo'nalishi va Vmax ga erishish momenti boshlang'ich substratlar va reaktsiya mahsulotlari konsentratsiyasining nisbatiga bog'liq. Masalan, transformatsiyani katalizlovchi alanin aminotransferaza faolligi:
Alanin + Alfa-ketoglutarat ↔ Piruvat + Glutamat
hujayradagi konsentratsiya nisbatiga bog'liq:
[alanin + alfa-ketoglutarat] / [piruvat + glutamat].
FERMENTLARNING TA'SIR MEXANIZMASI. FERMENTLAR KATALIZASI NAZARIYALARI
Fermentlar, oqsil bo'lmagan katalizatorlar kabi, bu reaktsiyaning faollashuv energiyasini kamaytirish qobiliyati tufayli kimyoviy reaksiya tezligini oshiradi. Enzimatik reaksiyaning aktivlanish energiyasi davom etayotgan reaksiya tizimidagi o‘tish holatiga yetgan energiya qiymati va reaksiya boshida aniqlangan energiya o‘rtasidagi farq sifatida hisoblanadi (22-rasmdagi grafik bog‘liqlikka qarang).
Guruch. 22. Fermentsiz (1) va ferment ishtirokida (2) kimyoviy reaksiyaning energiya holatining reaksiya vaqtiga grafik bog’liqligi.
V.Genri va, xususan, L.Michaelis, M.Mentenlarning monosubstratning qaytar fermentativ reaksiyalari mexanizmini oʻrganish boʻyicha ishi E fermenti birinchi boʻlib oʻz substrati S bilan teskari va nisbatan tez birikib, fermentni hosil qilishini taxmin qilishga imkon berdi substrat kompleksi (ES):
E+S<=>ES (1)
ES ning hosil bo'lishi vodorod aloqalari, elektrostatik, hidrofobik o'zaro ta'sirlar, ba'zi hollarda faol markazning aminokislotalar qoldiqlarining yon radikallari va substratning funktsional guruhlari o'rtasidagi kovalent, koordinatsion aloqalar tufayli yuzaga keladi. Murakkab fermentlarda substrat bilan aloqa qilish funktsiyasini strukturaning oqsil bo'lmagan qismi ham bajarishi mumkin.
Keyin ferment-substrat kompleksi ikkinchi, sekinroq, qaytariladigan reaktsiyada parchalanib, reaktsiya mahsuloti P va erkin ferment E hosil bo'ladi:
ES<=>EP<=>E+P (2)
Hozirgi vaqtda yuqorida qayd etilgan olimlar, shuningdek, Keylin D., Chance B., Koshland D. ("induktsiyalangan yozishmalar" nazariyasi) ishi tufayli harakat mexanizmining to'rtta asosiy nuqtasi haqida nazariy qoidalar mavjud. Fermentlarning kimyoviy reaktsiyalarni tezlashtirish qobiliyatini aniqlaydigan substratdagi ferment:
1. Orientatsiya va yondashuv . Ferment substrat molekulasini shunday bog'lashi mumkinki, ferment tomonidan hujum qilingan aloqa nafaqat katalitik guruhga yaqin joylashgan, balki unga nisbatan to'g'ri yo'naltirilgan. ES kompleksining orientatsiya va yaqinlik orqali o'tish holatiga erishish ehtimoli sezilarli darajada oshadi.
2. Stress va kuchlanish : induksiyalangan yozishmalar. Substratning biriktirilishi ferment molekulasida konformatsion o'zgarishlarga olib kelishi mumkin, bu esa faol markazning strukturasining kuchlanishiga olib keladi, shuningdek, bog'langan substratni biroz deformatsiya qiladi va shu bilan ES kompleksining o'tish holatiga erishishni osonlashtiradi. E va S molekulalari o'rtasida induktsiya qilingan yozishmalar paydo bo'ladi.
ENZİMATIV REAKSIYALARNING KINETIKASI
Vfr vaqt birligida aylanadigan moddaning miqdori bilan belgilanadi. Bu reaksiyalarning V tashqi omillar ta'siriga bog'liq (harorat, pH, tabiiy va begona birikmalar ta'siri va boshqalar).
Vfr katalitik faollikning o'lchovidir va oddiygina ferment faolligi deb ataladi.
Ferment faolligini faqat bilvosita o'lchash mumkin:
1) konvertatsiya qilingan S miqdori bo'yicha;
2) vaqt birligida P konsentratsiyasining ortishi.
Ferment konsentratsiyasini ifodalash uchun:
a) fermentlarning o'lchov birligi - daqiqada 1 mkmol S ga aylanishini katalizlovchi ferment miqdori. [mkmol/min];
b) 1 kata (mushuk) - 1 sekundda 1 mol S ni P ga aylantirishga qodir fermentlar miqdori. [mol/s].
1 mushuk = 6×107E; 1E = 16,67 (n mushuk)
Ferment faolligini ifodalash uchun quyidagilardan foydalaning:
a) fermentlarning o'ziga xos faolligi - 1 mg ga fermentlar soni yoki mushuk soni. 1 kg protein uchun;
b) molekulyar faollik yoki aylanish soni - 1 minutda bir molekula E tomonidan konvertatsiya qilinadigan molekulalar S soni.
Eritrosit katalazasining bir molekulasi 1 daqiqada H2O2 ning 5 × 106 molekulasini parchalaydi.
Ferment ta'sirining o'ziga xosligi
E S kompleksi va ACP tushunchasi fermentlarning maxsus xususiyati - ularning o'ziga xosligi bilan chambarchas bog'liq. O'ziga xoslik darajasiga ko'ra (kamayish tartibida) quyidagilar mavjud:
I. Stereokimyoviy substratning o'ziga xosligi - bu holda fermentlar S ning faqat 1 shaklini (1 izomerni) katalizlaydi. Masalan, fumaratgidrataz faqat fumarat kislotaning aylanishini katalizlaydi, lekin uning izomeri, malein kislotasining aylanishini katalizlamaydi.
II. Substratning mutlaq o'ziga xosligi - E faqat 1S bilan aylanadi. Masalan, ureaza faqat karbamidni aylantiradi.
III. Mutlaq S guruhining o'ziga xosligi. Fermentlar o'xshash S-b guruhiga ta'sir qiladi. Masalan, spirtli DG nafaqat etanolni, balki boshqa alifatik spirtlarni ham aylantiradi.
IV. Nisbiy S guruhining o'ziga xosligi. Ferment S molekulalari guruhiga emas, balki ma'lum S guruhlarning ma'lum bog'lariga ta'sir qiladi. Masalan, pepsin va tripsin turli xil oqsillardagi peptid aloqalari uchun xosdir.
V. Nisbiy S o‘ziga xosligi. Ferment katalizlaydi, S-b ga aylanadi, kimyoviy birikmalarning turli guruhlariga kiradi. Masalan, sitoxrom-450 fermenti 7000 tagacha turli S-b ning gidroksillanish reaksiyalarini katalizlaydi. Bu eng kam o'ziga xos ferment tizimi.
Fermentning o'ziga xosligini tushuntirish uchun ikkita nazariya mavjud.
E. Fisher gipotezasi “kalit va qulf” gipotezasi yoki “shablon” gipotezasidir. Fisherning fikriga ko'ra, ferment qattiq tuzilish bo'lib, uning ACP si S. ning aniq "quymasi" dir. Agar S qulfning kaliti kabi E ga mos kelsa, u holda reaktsiya sodir bo'ladi. Agar S biroz o'zgartirilsa ("kalit"), u ACFga ("qulf") mos kelmaydi va reaktsiya imkonsiz bo'ladi. Garchi bu tushuntirish mantiqiy bo'lsa-da, Fisherning gipotezasi mutlaq va nisbiy guruh o'ziga xosligi nimaga asoslanganligini tushuntirmaydi. Masalan, sitoxrom-450 tuzilishi jihatidan har xil bo'lgan shunday ko'p sonli S-b bilan birlashadi.
Bu tashqi qarama-qarshiliklar Koshland gipotezasi yoki majburiy yozishmalar gipotezasi bilan izohlanadi. Koshlandning fikriga ko'ra, ferment molekulasi "qattiq" emas, balki moslashuvchan, fermentning tuzilishi va konfiguratsiyasi va uning ACP fermentning S yoki boshqa ligandlarga biriktirilishi momentini o'zgartira boshlaydi. E-S kompleksining hosil bo`lishi jarayonida geometrik komplementarlikdan tashqari, qarama-qarshi zaryadlangan E va S molekulalarining juftlashishi natijasida yuzaga keladigan elektrostatik komplementarlik ham sodir bo`ladi.Haqiqatda, aftidan, qo`shishning ikkala varianti ham sodir bo`ladi.
Koshland gipotezasi S-inning yaqin analoglarining transformatsiyasi nima uchun sodir bo'lishini tushuntirishga imkon beradi. Agar "yolg'on" substrat (kvazi-S) tabiiydan farq qilsa va ACP haqiqiy substratga yaqin konformatsiyaga ega bo'lsa, unda bunday E-S kompleksida katalitik guruhlarning joylashishi reaksiya sodir bo'lishiga imkon beradi. Ferment bu "aldashni" sezmaydi, garchi reaksiya haqiqiy substrat bilan bo'lgani kabi tez davom etmasa ham. Agar kvaz-substratning konfiguratsiyasi katalitik guruhni to'g'ri joylashtirishga imkon bermasa, unda bu holda reaktsiya davom etmaydi. Bular. agar konformatsion o'zgarishlar diapazoni faqat bitta mumkin bo'lgan bilan cheklangan bo'lsa, u holda ferment yuqori darajada o'ziga xosdir va agar ACPni qayta tashkil etish imkoniyatlari katta bo'lsa, u holda ferment kvaz-substratlarda ham ishlaydi.
Vfr ning pH muhitiga bog'liqligi
Har bir ferment o'zining optimal pH qiymatiga ega, bunda Vfr maksimaldir. Bir yo'nalishda yoki boshqa yo'nalishda pH og'ishi ferment faolligining pasayishiga olib keladi. Ko'pgina fermentlarning pH qiymati ~ 7,0 ga teng, ya'ni u fiziologik pH qiymatlariga to'g'ri keladi.
Optimal pH qiymatida ACP va S ning funktsional guruhlari bog'lanish uchun eng ko'p afzal qilingan shaklda bo'ladi. Ba'zi fermentlar fiziologik qiymatlardan keskin farq qiluvchi optimal pHga ega, pepsin pH = 1,5-2,5 da 100% faol; arginaza - pH = 10 da.
Vfr ning haroratga bog'liqligi
Atrof-muhit haroratining oshishi bilan Vfr ko'tarilib, ko'pgina fermentlar uchun ~ 20-40ºS optimal qiymatlarga etadi.
Fermentlarning issiqlikka chidamliligi ularning oqsil tuzilishi bilan bog'liq: harorat 40-50ºC va undan yuqori ko'tarilganda ular denatüratsiyalanadi.
Ba'zi fermentlar uchun denaturatsiya 0ºC da sodir bo'ladi.
Har qanday kimyoviy reaktsiyalar uchun harorat har 10ºC uchun ko'tarilganda, reaktsiyaning V 2-3 baravar ortadi; fermentativ reaktsiyalar uchun bu koeffitsient past - 2 yoki undan ham kamroq. Istisno: termostabil ferment adenimat siklaza 100ºC haroratga bardosh bera oladi, katalaza fermenti esa 0ºC da faoldir.
Vfr ning konsentratsiyaga bog'liqligi. S.
Fermentlarning ta'sir qilish mexanizmi Michaelis-Menten tenglamasi bilan tavsiflanadi. Vfr ning [S] ga bog'liqligini grafik tarzda aniqlash mumkin.
a) Michaelis egri chizig'iga ko'ra: Km qanchalik kichik bo'lsa, Vm shuncha katta bo'ladi va E ning S ga yaqinligi shunchalik yuqori bo'ladi.
Vmax S-vol fermentining to'liq to'yinganlik holatiga mos keladi.
eritmada E ning ortiqcha miqdori mavjud (3 mol S, 5 mol E) bu S-vol fermentining to'yingan joyi.
b) Laynsiver-Burk o'zaro usuli, bunda Vfr ning [S] ga bog'liqligi o'zaro kattaliklarda hisoblanadi.
Fermentlar faolligini tartibga solish.
Fermentlar boshqariladigan faollikka ega katalizatorlardir, shuning uchun Vfr ni fermentlar orqali boshqarish mumkin. Faoliyatni tartibga solish fermentlarning modifikatorlar deb ataladigan turli xil biologik komponentlar yoki begona birikmalar (dorilar, zaharlar) bilan o'zaro ta'siri orqali amalga oshirilishi mumkin. Agar modifikator ishtirokida Vfr ortib ketsa, bunday modifikatorlar aktivatorlar, kamaysa ingibitorlar deyiladi.
Fermentlarning faollashishi.
Ferment faollashuvining bir necha turlari mavjud.
1. Ferment molekulalarining subbirliklariga ta'sir qilish orqali faollashuv. Ba'zi fermentlar 2 ta subbirlik shaklida SNga ega: katalitik va tartibga soluvchi. Favqulodda vaziyatni saqlashda ACF yashirin bo'ladi.
Masalan, organizmdagi ko'pgina fermentlar profermentlar yoki zimogenlar shaklida, ya'ni faol bo'lmagan holatda ishlab chiqariladi. Zarur bo'lganda, ularning ma'lum soni faollashtiriladi. Masalan, faol bo'lmagan tripsinogen enterokinaza fermenti tomonidan faol tripsinga aylanadi.
2. Ionlar fermentlarning faollashishiga ta'sir qiladi:
a) kationlar - ularning ta'siri anionlarga qaraganda o'ziga xosdir. Kationlarning o'zlari fermentlarda protez guruhlar rolini o'ynashi mumkin (sitoxromda Fe) yoki ularning mavjudligi bilan fermentga ta'sir qiladi va uni faollashtiradi. Masalan, karbonat angidraz Zn+2 ishtirokida faollashadi.
b) anionlar - kamroq aniq harakat qiladi va odatda d.f ning 2-bosqichiga ta'sir qiladi. - ES kompleksining parchalanishi. Biroq, ba'zida anionlar fermentlarning bevosita faollashtiruvchisi hisoblanadi. Masalan, Cl- faol bo'lmagan pepsinogenni faollashtiradi va uni faol pepsinga aylantiradi.
3. Fermentlarni turli ta'sirlarning inaktivlashtiruvchi ta'siridan himoya qilish orqali faollashtirish. Fermentlarga salbiy ta'sir ko'rsatishni oldini oladigan maxsus moddalar bilan ta'minlangan.
Ferment inhibisyonu.
Fermentlarning qisman yoki to'liq inhibisyoniga olib keladigan moddalar inhibitorlar (I) deb ataladi. Inhibitorlar ferment bilan mahkam bog'lanish xususiyatiga ega. Shu asosda inhibisyon ajralib turadi: qaytariladigan va qaytarilmas.
Qaytariladigan inhibisyon bilan I va E o'zaro ta'sir qiladi. Agar inhibitor qandaydir tarzda neytrallangan bo'lsa (masalan, dializ orqali), u holda E ning faolligi tiklanadi. Agar bunga erishib bo'lmasa, unda biz qaytarilmas inhibisyon haqida gapiramiz.
Qaytariladigan inhibisyon
raqobatbardosh raqobatdosh bo'lmagan
Raqobat inhibisyoniga haqiqiy S ga oʻxshash tuzilishga ega moddalar sabab boʻlishi mumkin.
I va S ACP uchun raqobatlashadi va ferment bilan kompleks ko'proq molekulalarga ega bo'lgan birikma hosil qiladi. I yoki S ferment bilan bog'lanadi, bunday inhibisyon uchun tenglama o'rinli: .
Raqobatli tormozlanish vaqtida uchlik E S I kompleksi HECH QACHON hosil bo‘lmaydi, bu inhibisyonning bu turi boshqalardan farq qiladi.
Misol uchun, DG succinate fermer xo'jaliklariga kiritilgan. CTK tizimlari. Uning tabiiy S si suksinatdir. Inhibitorlar oksaloatsetat, malonat (kvazi-substratlar) bo'lishi mumkin.
Ortiqcha bo'lsa, inhibitor polarizatsiyalangan guruhlarda ACP suksinat DG bilan bog'lanadi.
Raqobatbardosh inhibisyon bilan Vmax hech qachon o'zgarmaydi, lekin Km. I ishtirokida egri chiziqlarning qiyaligi ortadi, natijada Km ortadi
Michaelis-Menten egri chizig'idan foydalangan holda tajriba natijalariga asoslanib, I ning raqobatbardoshligini (Km ni oshirish va Vmax barqarorligini oshirish orqali) aniqlash mumkin. Bu egri chiziqning tabiati ham jarayonning teskari ekanligini ko'rsatadi, ya'ni [S] ni oshirish orqali Vmax ga etish vaqtini qisqartirish mumkin.
Raqobatbardosh inhibisyon usuli tibbiyot amaliyotida keng qo'llanilishini topdi.
Para-aminobenzoy kislotasi va sulfanilamid ham xuddi shunday tuzilishga ega. Bakterial hujayra bakterial fermentlarning tarkibiy qismi bo'lgan foliy kislotasini sintez qilish uchun p-ABA dan foydalanadi. S/a foliy kislotasini sintez qiluvchi fermentlar ta'sirini bloklaydi, natijada bakteriyalar o'sishi to'xtaydi.
Raqobatsiz tormozlanish men ACP bilan emas, balki fermentlarning boshqa funktsional guruhlari bilan o'zaro ta'sir qilganda qaytariladigan inhibisyondir, ya'ni bu holda I S ga tizimli o'xshashlikka ega emas. Bunday inhibitorning qo'shilishi fermentning faolligini pasaytiradi, va uning S ga yaqinligi emas, ya'ni inhibitor Km ni o'zgartirmaydi, balki maks.ni kamaytiradi. Vfr.
Ushbu turdagi inhibisyon bilan faol bo'lmagan past dissotsiatsiyali E I yoki E I S komplekslari hosil bo'ladi.Masalan, HCN, Me ionlarini yoki ferment molekulasidagi boshqa funktsional guruhlarni bog'laydigan boshqa kimyoviy birikmalar ta'siri.
Aralash inhibisyon (yoki qisman raqobatdosh bo'lmagan turdagi) - Vmax ning pasayishi Km ning oshishi bilan birlashtiriladi.
Bunda E I S kompleks hosil bo'ladi va undagi S sekin katalitik transformatsiyaga uchraydi.
Substrat inhibisyonu [S] ning sezilarli o'sishi bilan Vfrning pasayishi hisoblanadi. Dastlab, [S] ning ortishi bilan Vfr oshadi, maksimal darajaga etadi, lekin [S] ning yanada oshishi bilan Vfr pasaya boshlaydi.
Ortiqcha S ning inhibitiv ta'sirining mexanizmi xilma-xildir. Ko'pincha bu E S oraliq birikmalarining bir yoki bir nechta S molekulalari bilan o'zaro ta'siri bo'lib, natijada faol bo'lmagan birikma hosil bo'ladi, keyin
reaksiya mahsulotlarini ishlab chiqarmaydigan kompleks mavjud.
Ferment faolligini tartibga solish usullari
Tirik organizmda bir vaqtning o'zida minglab turli moddalarning sintezi, parchalanishi va o'zaro aylanishi reaktsiyalari sodir bo'ladi. Bu ko'plab reaktsiyalar organizmda turli mexanizmlar orqali tartibga solinadi, ulardan eng muhimi:
a) teskari aloqa tipidagi tartibga solish; odatda sintez reaksiyalariga xosdir. Reaktsiya mahsulotlarining ruxsat etilgan darajadan yuqori to'planishi jarayonning birinchi bosqichiga kuchli inhibitiv ta'sir ko'rsatadi:
b) ferment faolligining allosterik regulyatsiyasi - faqat allosterik effektorlarni bog'lash uchun tartibga soluvchi markazlarga ega bo'lgan SN bilan fermentlarning maxsus guruhiga xosdir. Salbiy effektorlar S ning konversiyasini inhibe qiladi va allosterik ingibitorlar vazifasini bajaradi. Ijobiy effektorlar, aksincha, Vfr ni tezlashtiradi, shuning uchun ular allosterik aktivatorlar deb tasniflanadi.
Allosterik inhibitorlarning fermentga ta'sir qilish mexanizmi bu fermentning ACP ni o'zgartirishdan iborat. Vfr ning kamayishi yoki Km ning ortishi oqibatidir, yoki S ning bir xil to'yingan konsentrasiyalarida Vmax ning kamayishi natijasidir. Allosterik faollashtiruvchilar, aksincha, S ning ACP ga aylanishini osonlashtiradi, bu bilan birga keladi. yoki Km ning pasayishi yoki Vmax ning oshishi.
Kompartmentalizatsiya - bu membranalarni fazoviy ajratish uchun ishlatiladigan hodisa
a) uning S dan ferment (masalan, sitoplazmada ta'sir qiladigan moddalardan lizomal fermentlar);
b) bir vaqtning o'zida bir-biriga mos kelmaydigan jarayonlar. Yog 'kislotalarining sintezi sitoplazmaning eruvchan qismida, yog' kislotalarining parchalanishi esa mitoxondriyalarda sodir bo'ladi.
Enzimatik reaksiyalarning kinetikasi. Enzimologiyaning bu bo'limi kimyoviy va fizik omillarning fermentativ reaksiyalar tezligiga ta'sirini o'rganadi. 1913 yilda Michaelis va Menten ferment (E) substrat (S) bilan o'zaro ta'sirlashib, oraliq ferment-substrat kompleksini (ES) hosil qilishiga asoslanib, fermentativ kinetika nazariyasini yaratdilar, bu esa keyinchalik ferment va fermentga parchalanadi. Tenglama bo'yicha reaktsiya mahsuloti:
Substrat va ferment o'rtasidagi o'zaro ta'sirning har bir bosqichi o'ziga xos tezlik konstantalari bilan tavsiflanadi. Ferment-substrat kompleksining parchalanish tezligi konstantalari yig’indisining ferment-substrat kompleks hosil bo’lish tezligi konstantasiga nisbati Mikaelis konstantasi (Km) deyiladi. Ular fermentning substratga yaqinligini aniqlaydi. Michaelis konstantasi qanchalik past bo'lsa, fermentning substratga yaqinligi qanchalik yuqori bo'lsa, u katalizlaydigan reaktsiya tezligi shunchalik yuqori bo'ladi. Km qiymatiga ko'ra, katalitik reaksiyalar tez (Km 106 mol/l yoki undan kam) va sekin (Km 102 dan 106 gacha) bo'linadi.
Enzimatik reaksiya tezligi harorat, reaksiya muhiti, reaksiyaga kirishuvchi moddalar konsentratsiyasi, ferment miqdori va boshqa omillarga bog'liq.
1. Reaksiya tezligining ferment miqdoriga bog'liqligini ko'rib chiqamiz. Agar substrat ortiqcha bo'lsa, reaktsiya tezligi ferment miqdoriga mutanosib bo'ladi, lekin ortiqcha miqdorda ferment bilan reaksiya tezligining oshishi kamayadi, chunki substrat etarli bo'lmaydi.
2. Kimyoviy reaksiyalar tezligi reaksiyaga kirishuvchi moddalar konsentratsiyasiga proporsionaldir (massalar ta’siri qonuni). Bu qonun fermentativ reaktsiyalar uchun ham amal qiladi, lekin ma'lum cheklovlar bilan. Doimiy holatda
Fermentning ko'p miqdorida reaktsiya tezligi, albatta, substrat konsentratsiyasiga mutanosibdir, lekin faqat past konsentratsiyali mintaqada. Substratning yuqori konsentratsiyasida ferment substrat bilan to'yingan bo'ladi, ya'ni barcha ferment molekulalari allaqachon katalitik jarayonda ishtirok etgan va reaktsiya tezligining oshishi bo'lmaydi. Reaktsiya tezligi maksimal darajaga etadi (Vmax) va keyin endi substrat konsentratsiyasiga bog'liq emas. Reaksiya tezligining substrat kontsentratsiyasiga bog'liqligi egri chiziqning Vmax dan past bo'lgan qismida aniqlanishi kerak. Texnik jihatdan, maksimal tezlikni emas, balki ½ Vmax ni aniqlash osonroq. Bu parametr enzimatik reaksiyaning asosiy xarakteristikasi bo'lib, Michaelis doimiyligini (Km) aniqlash imkonini beradi.
Km (Maykl konstantasi) - fermentativ reaksiya tezligi maksimalning yarmiga teng bo'lgan substrat konsentratsiyasi. Bundan fermentativ reaksiya tezligi uchun Michaelis-Menten tenglamasini olamiz.
