Въпрос 18. Прилики и разлики между ензими и неорганични катализатори. Зависимост на скоростта на ензимните реакции от температурата, pH. Видове специфичност.
Структурата на прости и сложни ензими (например хидролази, дехидрогенази).
Според състава си ензимите се делят на прости и сложни.
Простите ензими са направени от аминокиселини. Те включват ензими на стомашно-чревния тракт - α-амилаза, пепсин, трипсин, липаза и др. Всички тези ензими принадлежат към клас 3 - хидролази.
Сложните ензими се състоят от протеинова част, апоензим, и непротеинова част, кофактор. Каталитично активният комплекс ензим-кофактор се нарича холоензим. Както металните йони, така и органичните съединения, много от които са производни на витамини, могат да действат като кофактори.
Например оксидоредуктазите използват Fe²+, Cu²+, Mn²+, Mg²+ кинази като кофактори; глутатион пероксидазата, ензим, който неутрализира водородния прекис, изисква селен.
Коензимите са органични вещества, които са хлабаво свързани с протеиновата част. Например, NAD-зависимите дехидрогенази се състоят от протеин и коензими NAD, NADP, производни на витамин РР.
Простетична група е коензим, който е тясно (често ковалентно) свързан с апоензим. Например флавин дехидрогеназите се състоят от протеинови и простетични групи FAD, FMN и производни на витамин В2. Апоензимът определя посоката или специфичността на действието на ензима.
. Общи свойства на ензимите: специфичност, влияние на температурата, pH на средата върху ензимната активност.
Активността на ензимите се влияе от температурата, pH на средата и йонната сила на разтворите.
Тъй като ензимите са протеини по химическа природа, повишаването на температурата над 45-50˚C води до термична денатурация и ензимите се инактивират (с изключение на мускулната миокиназа, папаин).
Ниските температури не разрушават ензимите, а само спират тяхното действие. Оптималната температура за проява на ензимната активност е 37-40˚C.
Активността на ензимите се влияе от реакцията на околната среда. Стойността на pH на средата, при която ензимът проявява максимална активност, се нарича оптимално pH на средата за действието на този ензим. Оптималното рН за действие на ензима е във физиологичния диапазон от 6,0-8,0. Изключения: пепсин, чийто рН оптимум е 2,0; аргиназа – оптималното pH е 10,0.
Ензимите имат специфичност. Има няколко вида специфичност:
1. Абсолютна специфичност – ензимът взаимодейства само с един субстрат. Например уреазата ускорява хидролизата на уреята, но не разгражда тиоуреята.
2. Стереоспецифичност – ензимът взаимодейства с определен оптичен и геометричен изомер.
3. Абсолютна групова специфичност - ензимите са специфични по отношение на характера на връзката, както и тези съединения, които образуват тази връзка. Например, α-амилазата разцепва α-гликозидната връзка в молекула малтоза, състояща се от две молекули глюкоза, но не разцепва молекула захароза, състояща се от молекула глюкоза и молекула фруктоза.
4. Относителна групова специфика. В този случай ензимите са специфични само по отношение на връзката, но са безразлични към онези съединения, които образуват тази връзка. Например, протеазите ускоряват хидролизата на пептидните връзки в различни протеини, липазите ускоряват разграждането на естерните връзки в мазнините.
Въпрос 19 Ензимни активатори и инхибитори. Механизмът на тяхното действие. Обратимо и необратимо, конкурентно и неконкурентно инхибиране. Използване на принципа на конкурентното инхибиране в медицината.
.Ензимни активатори и инхибитори, механизми на тяхното влияние и значение.
Скоростта на химичните реакции се влияе от различни вещества. Въз основа на естеството на тяхното въздействие веществата се разделят на активатори, които повишават ензимната активност, и инхибитори (парализатори), които потискат ензимната активност.
Ензимното активиране може да бъде причинено от:
1. Наличие на кофактори – метални йони Fe²+, Mg²+, Mn²+, Cu²+, Zn²+, ATP, липоева киселина.
2. Тяхната частична протеолиза.
Ензимите на стомашно-чревния тракт се произвеждат под формата на неактивни форми - зимогени. Под въздействието на различни фактори пептидът се разцепва, образувайки активен център и зимогенът се превръща в активната форма на ензима.
Пепсиноген HCl пепсин + пептид
Трипсиноген ентерокиназа трипсин + пептид
Този тип активиране предпазва клетките на стомашно-чревния тракт от самосмилане.
3. Фосфорилиране и дефосфорилиране. Например:
неактивен липаза + АТФ → липаза-фосфат (активна липаза);
липаза-фосфат + H3PO4 → липаза (неактивна липаза)
Инхибиторите, въз основа на естеството на тяхното действие, се делят на обратими и необратими. Това разделение се основава на силата на връзката между инхибитора и ензима.
Обратимите инхибитори са съединения, които взаимодействат нековалентно с ензима и могат да бъдат отцепени от ензима.
Необратимите инхибитори са съединения, които образуват ковалентни, силни връзки с ензима.
Необратимото инхибиране може да бъде специфично или неспецифично.
При специфично инхибиране инхибиторите инхибират действието на определени ензими чрез свързване на отделни функционални групи на активния център. Например тиоловите отрови инхибират ензими, чийто активен център включва SH групи; въглеродният окис (CO) инхибира ензимите, които имат Fe²+ в активния център.
Неспецифичните инхибитори инхибират действието на всички ензими. Те включват всички денатуриращи фактори (висока температура, органични и минерални киселини, соли на тежки метали и др.).
Обратимото инхибиране може да бъде конкурентно. В този случай инхибиторът е структурен аналог на субстрата и се конкурира с него за свързване в мястото на свързване на субстрата на активния център.
Отличителна черта на конкурентното инхибиране е, че то може да бъде отслабено или напълно елиминирано чрез увеличаване на концентрацията на субстрата.
Сукцинат дехидрогеназата (SDH), ензим в цитратния цикъл, дехидрогенира сукцината, превръщайки го във фумарат. Малонатът, който е структурно подобен на сукцината, се свързва с активния център на LDH, но не може да бъде дехидрогениран. Следователно, малонатът е конкурентен инхибитор на SDH.
Много лекарства са конкурентни ензимни инхибитори. Например, сулфонамидните лекарства, които са структурни аналози на пара-аминобензоената киселина (PABA), основният растежен фактор на патогенните микроорганизми, се конкурират с него за свързване в мястото на свързване на субстрата на активния център на ензима. На това се основава антимикробният ефект на сулфонамидните лекарства.
Ензимите и тяхното значение в жизнените процеси
От курса си по химия знаете какво е катализатор. Това е вещество, което ускорява реакцията, като остава непроменено в края на реакцията (не се изразходва). Биологичните катализатори се наричат ензими(от лат. ферментум– ферментация, закваска), или ензими.
Почти всички ензими са протеини (но не всички протеини са ензими!). През последните години стана известно, че някои РНК молекули имат и свойствата на ензими.
Високо пречистеният кристален ензим е изолиран за първи път през 1926 г. от американския биохимик J. Sumner. Този ензим беше уреаза, който катализира разграждането на уреята. Към днешна дата са известни повече от 2 хиляди ензими и броят им продължава да расте. Много от тях са изолирани от живи клетки и получени в чист вид.
В клетката непрекъснато протичат хиляди реакции. Ако смесите органични и неорганични вещества в епруветка в точно същите пропорции като в жива клетка, но без ензими, тогава почти никакви реакции няма да се появят със забележима скорост. Именно благодарение на ензимите се реализира генетичната информация и се осъществява целият метаболизъм.
Името на повечето ензими се характеризира с наставката -ase, която най-често се добавя към името на субстрата - веществото, с което ензимът взаимодейства.
Структурата на ензимите
В сравнение с молекулното тегло на субстрата, ензимите имат много по-голяма маса. Това несъответствие предполага, че не цялата ензимна молекула участва в катализата. За да разберете този въпрос, трябва да се запознаете със структурата на ензимите.
По структура ензимите могат да бъдат прости и сложни протеини. Във втория случай ензимът съдържа освен протеиновата част ( апоензим) има допълнителна група от непротеинова природа - активатор ( кофактор, или коензим), което води до образуването на активни холоензим. Ензимните активатори са:
1) неорганични йони (например за активиране на ензима амилаза, който се намира в слюнката, са необходими хлоридни йони (Cl–);
2) простетични групи (FAD, биотин), плътно свързани със субстрата;
3) коензими (NAD, NADP, коензим А), слабо свързани със субстрата.
Протеиновата част и непротеиновият компонент отделно нямат ензимна активност, но когато се комбинират заедно, те придобиват характерните свойства на ензим.
Белтъчната част на ензимите съдържа уникални по своята структура активни центрове, които представляват комбинация от определени аминокиселинни остатъци, строго ориентирани един спрямо друг (структурата на активните центрове на редица ензими вече е дешифрирана). Активният център взаимодейства с молекулата на субстрата, за да образува „комплекс ензим-субстрат“. След това "комплексът ензим-субстрат" се разпада на ензима и продукта или продуктите на реакцията.
Според хипотезата, изложена през 1890 г. от Е. Фишър, субстратът се доближава до ензима като ключ към ключалката, т.е. пространствените конфигурации на активния център на ензима и субстрата съответстват точно ( допълващи се) един към друг. Субстратът се сравнява с „ключ“, който пасва на „ключалката“ - ензима. Така активният център на лизозима (ензимът на слюнката) има вид на процеп и по форма точно съответства на фрагмент от сложна въглехидратна молекула на бактериален бацил, който се разгражда под действието на този ензим.
През 1959 г. Д. Кошланд излага хипотеза, според която пространственото съответствие на структурата на субстрата и активния център на ензима се създава само в момента на тяхното взаимодействие един с друг. Тази хипотеза беше наречена хипотеза "ръце и ръкавици".(хипотеза за индуцирано взаимодействие). Този процес на „динамично разпознаване“ е най-широко приетата хипотеза днес.
Разлики между ензими и небиологични катализатори
Ензимите се различават от небиологичните катализатори по много начини.
1. Ензимите са много по-ефективни (10 4 –10 9 пъти). Така една молекула от ензима каталаза може да разгради 10 хиляди молекули водороден прекис, който е токсичен за клетките, за една секунда:
2H 2 O 2 ––> 2H 2 O + O 2,
което възниква при окисляването на различни съединения в тялото. Или друг пример, потвърждаващ високата ефективност на ензимите: при стайна температура една молекула уреаза е в състояние да разгради до 30 хиляди молекули урея за една секунда:
H 2 N–CO–NH 2 + H 2 O ––> CO 2 + 2NH 3.
Без катализатор това би отнело около 3 милиона години.
2. Висока специфичност на ензимното действие. Повечето ензими действат само върху едно или много малък брой „свои“ естествени съединения (субстрати). Спецификата на ензимите се отразява от формулата "един ензим - един субстрат". Поради това в живите организми много реакции се катализират независимо.
3. Ензимите подлежат на фина и прецизна регулация. Активността на ензима може да се увеличи или намали с леки промени в условията, в които той "работи".
4. Небиологичните катализатори в повечето случаи работят добре само при високи температури. Ензимите, присъстващи в клетките в малки количества, работят при нормална температура и налягане (въпреки че обхватът на действие на ензимите е ограничен, тъй като високата температура причинява денатурация). Тъй като повечето ензими са протеини, тяхната активност е най-висока при физиологично нормални условия: t=35–45 °C; леко алкална среда (въпреки че всеки ензим има своя собствена оптимална рН стойност).
5. Ензимите образуват комплекси - т. нар. биологични конвейери. Процесът на разграждане или синтез на всяко вещество в клетка обикновено се разделя на редица химични операции. Всяка операция се извършва от отделен ензим. Група от такива ензими представлява един вид биохимичен конвейер.
6. Ензимите са способни да се регулират, т.е. „включване“ и „изключване“ (това обаче не се отнася за всички ензими; например слюнчената амилаза и редица други храносмилателни ензими не са регулирани). В повечето апоензимни молекули има секции, които също разпознават крайния продукт, който „слиза“ от мултиензимния конвейер. Ако има твърде много от такъв продукт, тогава активността на самия първоначален ензим се инхибира от него и обратно, ако няма достатъчно продукт, тогава ензимът се активира. Така се регулират много биохимични процеси.
По този начин ензимите имат редица предимства пред небиологичните катализатори.
| | | следваща лекция ==> | |
| Анализ на оставащи изследвания и публикации. Проблемите на финансирането на регионите на Европейския съюз и Украйна бяха разгледани от следните учени: Возняк Г.В., Григорьева О.Н., Беличенко А.Ф. | | |
|
Прилики между ензимите и
|
Разликата между ензимите и неорганични катализатори |
|
1. Ускоряват се само термодинамично възможни реакции |
1. Ензимите се характеризират с висока специфичност: специфичност на субстрата : ▪ абсолютно (1 ензим - 1 субстрат), ▪ група (1 ензим – няколко подобни субстрата) ▪ стереоспецифичност (ензимите работят само със субстрати от определена стерео серия L или D). каталитична специфичност (ензимите катализират реакции предимно на един вид химична реакция - хидролиза, окисление-редукция и др.) |
|
2. Не променят състоянието на реакционното равновесие, а само ускоряват постигането му. |
2. Висока ефективност: ензимите ускоряват реакциите 10 8 -10 14 пъти. |
|
3. Не се изразходват в реакции |
3. Ензимите действат само при меки условия (t = 36-37ºС, pH ~ 7,4, атмосферно налягане), т.к. имат конформационна лабилност - способността да променят конформацията на молекулата под въздействието на денатуриращи агенти (рН, Т, химикали). |
|
4. Ефективен в малки количества |
4. В тялото действието на ензимите се регулира специфично (катализаторите са само неспецифични) |
|
5. Чувствителен към активатори и инхибитори |
5. Широк спектър на действие (повечето процеси в организма се катализират от ензими). |
Понастоящем изследването на ензимите е централно в биохимията и е отделено в самостоятелна наука - ензимология . Постиженията на ензимологията се използват в медицината за диагностика и лечение, за изучаване на механизмите на патологията и, освен това, в други области, например в селското стопанство, хранително-вкусовата промишленост, химическата, фармацевтичната и др.
Структурата на ензимите
Метаболит - вещество, което участва в метаболитните процеси.
Субстрат – вещество, което претърпява химична реакция.
Продукт – вещество, което се образува по време на химична реакция.
Ензимите се характеризират с наличието на специфични центрове на катализа.
Активен център (Ac) е част от ензимната молекула, която специфично взаимодейства със субстрата и участва пряко в катализата. Ats, като правило, се намира в ниша (джоб). Могат да се разграничат два региона в Ac: мястото на свързване на субстрата - площ на субстрата (контактна подложка) и всъщност каталитичен център .
Повечето субстрати образуват най-малко три връзки с ензима, поради което субстратната молекула се прикрепя към активния център по единствения възможен начин, който осигурява субстратната специфичност на ензима. Каталитичният център осигурява избора на пътя на химическата трансформация и каталитичната специфичност на ензима.
Група регулаторни ензими има алостерични центрове , които се намират извън активния център. „+“ или „–“ модулатори, които регулират ензимната активност, могат да бъдат прикрепени към алостеричния център.
Има прости ензими, състоящи се само от аминокиселини, и сложни ензими, които също включват нискомолекулни органични съединения с непротеинова природа (коензими) и (или) метални йони (кофактори).
Коензими са органични вещества с непротеинова природа, които участват в катализа като част от каталитичното място на активния център. В този случай протеиновият компонент се нарича апоензим , а каталитично активната форма на сложен протеин е холоензим . Така: холоензим = апоензим + коензим.
Следните функции като коензими:
нуклеотиди,
коензим Q,
Глутатион
производни на водоразтворими витамини:
Коензим, който е прикрепен към протеиновата част чрез ковалентни връзки, се нарича протезна група . Това са например FAD, FMN, биотин, липоева киселина. Протетичната група не е отделена от протеиновата част. Коензим, който е прикрепен към протеиновата част чрез нековалентни връзки, се нарича косубстрат . Това са например NAD +, NADP +. Косубстратът се прикрепя към ензима по време на реакцията.
Ензимни кофактори са метални йони, необходими за каталитичната активност на много ензими. Като кофактори действат йони на калий, магнезий, калций, цинк, мед, желязо и др. Тяхната роля е разнообразна, те стабилизират субстратните молекули, активния център на ензима, неговата третична и кватернерна структура и осигуряват субстратно свързване и катализа. Например, АТФ се свързва с кинази само във връзка с Mg 2+.
Изоензими - това са множество форми на един ензим, които катализират една и съща реакция, но се различават по физични и химични свойства (афинитет към субстрата, максимална скорост на катализираната реакция, електрофоретична подвижност, различна чувствителност към инхибитори и активатори, рН оптимум и термична стабилност) . Изоензимите имат кватернерна структура, която се образува от четен брой субединици (2, 4, 6 и т.н.). Ензимните изоформи се образуват от различни комбинации от субединици.
Като пример, помислете за лактат дехидрогеназа (LDH), ензим, който катализира обратима реакция:
NADH 2 NAD +
пируват ← LDH → лактат
LDH съществува под формата на 5 изоформи, всяка от които се състои от 4 протомера (субединици) от 2 типа М (мускул) и Н (сърце). Синтезът на М и Н тип протомери е кодиран от два различни генетични локуса. LDH изоензимите се различават на ниво кватернерна структура: LDH 1 (NNNN), LDH 2 (NNMM), LDH 3 (NNMM), LDH 4 (NMMM), LDH 5 (MMMM).
Полипептидните вериги от типа Н и М имат еднакво молекулно тегло, но първите са доминирани от карбоксилни аминокиселини, а вторите от диаминокиселини, така че те носят различни заряди и могат да бъдат разделени чрез електрофореза.
Кислородният метаболизъм в тъканите влияе върху изоензимния състав на LDH. Там, където доминира аеробният метаболизъм, преобладават LDH 1, LDH 2 (миокард, надбъбречни жлези), където анаеробният метаболизъм - LDH 4, LDH 5 (скелетни мускули, черен дроб). По време на индивидуалното развитие на организма в тъканите настъпват промени в съдържанието на кислород и LDH изоформите. В ембриона преобладават LDH 4 и LDH 5. След раждането съдържанието на LDH 1 и LDH 2 се увеличава в някои тъкани.
Наличието на изоформи повишава адаптивния капацитет на тъканите, органите и тялото като цяло към променящите се условия. Метаболитното състояние на органите и тъканите се оценява чрез промени в изоензимния състав.
Локализация и компартментализация на ензими в клетки и тъкани.
Ензимите се разделят на 3 групи според локализацията:
I – общи ензими (универсални)
II - органоспецифични
III - органел-специфичен
Общи ензими намиращи се в почти всички клетки, те осигуряват жизнената активност на клетката чрез катализиране на реакциите на биосинтеза на протеини и нуклеинови киселини, образуване на биомембрани и основни клетъчни органели и обмен на енергия. Общите ензими на различните тъкани и органи обаче се различават по активност.
Органоспецифични ензими характерни само за определен орган или тъкан. Например: За черния дроб - аргиназа. За бъбреците и костната тъкан - алкална фосфатаза. За простатната жлеза – AF (кисела фосфатаза). За панкреаса – α-амилаза, липаза. За миокарда – CPK (креатинфосфокиназа), LDH, AST и др.
Ензимите също са неравномерно разпределени вътре в клетките. Някои ензими са в колоидно разтворено състояние в цитозола, други са вградени в клетъчни органели (структурирано състояние).
Органел-специфични ензими . Различните органели имат специфичен набор от ензими, който определя техните функции.
Специфичните за органелите ензими са маркери на вътреклетъчни образувания, органели:
Клетъчна мембрана: ALP (алкална фосфатаза), AC (аденилат циклаза), K-Na-ATPase
Цитоплазма: ензими на гликолиза, пентозен цикъл.
ER: ензими, осигуряващи хидроксилиране (микрозомално окисление).
Рибозоми: ензими, които осигуряват синтеза на протеини.
Митохондрии: ензими на окислително фосфорилиране, TCA цикъл (цитохромоксидаза, сукцинат дехидрогеназа), β-окисление на мастни киселини.
Клетъчно ядро: ензими, осигуряващи синтеза на РНК, ДНК (РНК полимераза, NAD синтетаза).
Нуклеол: ДНК-зависима РНК полимераза
В резултат на това в клетката се образуват компартменти, които се различават по набор от ензими и метаболизъм (компартментализация на метаболизма).
Сред ензимите има малка група r регулаторни ензими, които са в състояние да реагират на специфични регулаторни влияния чрез промяна на дейността. Тези ензими присъстват във всички органи и тъкани и са локализирани в началото или в точките на разклонение на метаболитните пътища.
Строгата локализация на всички ензими е кодирана в гените.
Определянето на активността на специфични за органелите ензими в плазма или серум се използва широко в клиничната диагностика.
Класификация и номенклатура на ензимите
Номенклатура – наименования на отделни съединения, техните групи, класове, както и правила за съставяне на тези имена. Ензимната номенклатура може да бъде тривиална (кратко работно име) или систематична. Съгласно систематичната номенклатура, приета през 1961 г. от Международния съюз по биохимия, ензимът и неговата катализирана реакция могат да бъдат точно идентифицирани.
Класификация - разделяне на нещо според избрани характеристики.
Класификацията на ензимите се основава на вида на химичната реакция, която катализират;
Въз основа на 6 типа химични реакции ензимите, които ги катализират, се разделят на 6 класа, всеки от които има няколко подкласове и подкласове (4-13);
Всеки ензим има собствен код EC 1.1.1.1. Първата цифра показва класа, втората - подкласа, третата - подподкласа, четвъртата - поредния номер на ензима в неговия подклас (по реда на откриване).
Името на ензима се състои от 2 части: 1 част - името на субстрата (субстратите), 2 част - вида на катализираната реакция. Край – AZA;
Допълнителна информация, ако е необходимо, се изписва в края и се огражда в скоби: L-малат + NADP+ ↔ PVK + CO 2 + NADH 2 L-малат: NADP+ - оксидоредуктаза (декарбоксилиращ);
Няма единен подход към правилата за именуване на ензими.
|
Прилики | |
|
1. Катализират се само енергийно възможни реакции. 2. Не променят посоката на реакцията. 3. Ускоряват настъпването на реакционното равновесие, но не го изместват. 4. Те не се изразходват по време на реакционния процес. |
1. Скоростта на ензимната реакция е много по-висока. 2. Висока специфичност. 3. Меки условия на работа (вътреклетъчни). 4. Възможност за регулиране на скоростта на реакция. 5. Скоростта на ензимната реакция е пропорционална на количеството ензим. |
Етапи на катализа
В ензимната реакция могат да се разграничат следните етапи:
1. Прикрепване на субстрат (S) към ензим (E) за образуване на ензим-субстратен комплекс (E-S).
2. Превръщане на ензим-субстратния комплекс в един или повече преходни комплекси (E-X) в един или повече етапа.
3. Превръщане на преходния комплекс в комплекс ензим-продукт (E-P).
4. Отделяне на крайните продукти от ензима.
Механизми на катализа
|
Дарители |
Акцептори |
|
COOH -NH3 + -SH |
COO- -NH 2 -S- |
2. Ковалентна катализа– ензимите реагират със своите субстрати, образувайки с помощта на ковалентни връзки много нестабилни ензимно-субстратни комплекси, от които се образуват реакционни продукти по време на вътрешномолекулни пренареждания.
Видове ензимни реакции
1. Тип пинг-понг– ензимът първо взаимодейства със субстрат А, като отстранява всякакви химични групи от него и го превръща в съответния продукт. След това субстрат B се прикрепя към ензима, получавайки тези химични групи. Пример за това е реакцията на прехвърляне на аминогрупи от аминокиселини към кетокиселини - трансаминиране.
Ензимна реакция на пинг-понг
2. Тип последователни реакции– субстрати А и В се добавят последователно към ензима, образувайки „троен комплекс“, след което настъпва катализа. Реакционните продукти също се отцепват последователно от ензима.
Ензимна реакция от типа "последователни реакции".
3. Тип случайни взаимодействия– субстрати А и В се добавят към ензима в произволен ред, произволно и след катализа те също се отцепват.
Ензимна реакция според типа "случайни взаимодействия"
Ензимите са протеини по природа
Отдавна е установено, че всички ензими са протеини и имат всички свойства на протеините. Следователно, подобно на протеините, ензимите се делят на прости и сложни.
Прости ензимисе състоят само от аминокиселини - напр. пепсин , трипсин , лизозим.
Комплексни ензими(холоензими) имат протеинова част, състояща се от аминокиселини - апоензим, а непротеиновата част – кофактор. Кофакторът от своя страна може да се нарече коензимили протезенгрупа. Пример може да бъде сукцинат дехидрогеназа (съдържа FAD) (в цикъла на трикарбоксилната киселина), аминотрансферази (съдържат пиридоксал фосфат) (функция), пероксидаза(съдържа хем). За извършване на катализа е необходим пълен комплекс от апопротеин и кофактор, те не могат да извършват катализа поотделно.
Както много протеини, ензимите могат да бъдат мономери, т.е. се състои от една подединица и полимери, състоящ се от няколко субединици.
Дата на създаване: 30.04.2015 г
Материалната основа на всички жизнени процеси на тялото се състои от хиляди химични реакции, катализирани от ензими. Значението на ензимите е много правилно и образно определено от И. П. Павлов, наричайки ги „стимуланти на живота“. Нарушаването на синтеза на всеки ензим в хармонична система от метаболитни реакции в организма води до развитие на заболявания, които често завършват със смърт. Например, дефицит при деца на ензима, който превръща галактозата в глюкоза, причинява галактоземия. При това заболяване децата се отравят от излишната галактоза и умират през първите месеци от живота. Повишената активност на ксантиноксидазата е причина за подагра. Такива примери могат да се дадат много. Ето защо ензимите са движещата сила зад цялото това безкрайно разнообразие от химични трансформации, които, взети заедно, съставляват метаболизма, който е в основата на живота. Ето защо изучаването на ензимите е от толкова голямо значение. Науката за ензимите е важен клон на биохимията, а в медицината има ясно видима посока - медицинска ензимология.
Ферментологията или по друг начин ензимологията е изучаване на ензими (ензими) - биологични катализатори от протеинова природа, образувани от всяка жива клетка и имащи способността да активират различни химични реакции, протичащи в тялото.
Ензимите се използват широко в много области на науката и индустрията. През последните години с помощта на високопречистени ензимни препарати беше възможно да се дешифрира структурата на сложни съединения, които изграждат тялото, включително някои протеини и нуклеинови киселини.
Ензимите са от голямо практическо значение, тъй като много области на промишлеността - винопроизводство, хлебопроизводство, производство на алкохол, чай, аминокиселини, витамини, антибиотици - се основават на използването на различни ензимни процеси. Следователно изучаването на свойствата и механизма на действие на ензимите позволява на химиците да създават нови, по-усъвършенствани катализатори за химическата промишленост. Действието на различни физиологично активни съединения, използвани в медицината и селското стопанство - лечебни вещества, стимулатори на растежа на растенията и др., В крайна сметка се свежда до това, че тези вещества активират или потискат едно или друго звено в метаболизма на организма, един или друг ензимен процес. Несъмнено изследването на моделите на действие на ензимите и влиянието на различни стимуланти или парализатори върху тях е от първостепенно значение за медицината и селското стопанство.
Обхватът на въпросите, изучавани от ензимологията, е много широк. Разработването на методи за изолиране и пречистване на ензими с цел установяване на тяхната структура, изучаване на процесите на образуване на ензими в жива клетка, регулиране на действието, ролята на ензимите в изпълнението на различни физиологични функции - това не е пълен списък на най-важните биологични проблеми, които в момента се изучават интензивно.
За историята на изучаването на ензимите
Историята на ензимите датира много назад. Още в развитието на човешкото общество хората се сблъскаха с различни ензимни процеси и ги използваха в живота. Алкохолна и млечно-кисела ферментация, използването на закваски за приготвяне на хляб, използването на сирище за приготвяне на сирена и др. - всички тези ензимни процеси са добре известни от незапомнени времена.
Едни от първите последователи, които изучават ензимните процеси, са Reaumur и Spallanzani. В своите експерименти върху храносмилането на месото в стомаха на птиците те за първи път повдигнаха въпроса за необходимостта от изследване на химичния състав на храносмилателния сок. Руският учен К. С. Кирхоф (1814 г.)
Той показа, че екстрактът от покълнал ечемик съдържа вещество, което предизвиква превръщането на нишестето в захар. По този начин Кирхоф е първият, който получава ензимен препарат на амилаза (ензим, който разгражда нишестето) и можем с право да считаме тази дата за дата на възникване на ензимологията. Изучавайки процесите на ферментация, холандският учен Ван Хелмонт за първи път въвежда в науката термина "ензими" (fermentum - квас). Думата "ензим" идва от древногръцката дума en zume, което означава "мая".
До средата на 50-те години концепцията за ензимите като биологични катализатори е твърдо установена в науката. Оттогава датира и големият спор между двамата най-големи учени в света Луи Пастьор и Либих Ю за местоположението на ензимите в клетката – спор, който по същество представляваше борба между два светогледа в науката – идеализма и материализъм и забави развитието на учението за ензимите за почти 50 години. Луи Пастьор, доказвайки, че активността на ензимите е неделима от структурата на клетката и престава с нейното унищожаване, твърдо застана на позицията на вирховизма, една от разновидностите на идеализма в биологията. Либих твърди, че действието на ензимите не е свързано със структурата на клетката. Този дебат практически продължи повече от 100 години и отново, и за пореден път, потвърди необходимостта от материалистичен подход към изучаването на биологичните закони. Първият, който потвърди правилността на гледната точка на J. Liebig, беше руският изследовател M.M.Manassein през 1871 г. Чрез смилане на клетки от дрожди с кварцов пясък, т.е. напълно разрушавайки клетъчната структура, тя доказа, че клетъчният сок има способността да ферментира нишесте. Въпреки това, както често се случваше в царска Русия, изследванията на М. М. Манасеина бяха пренебрегнати и палмата в този въпрос беше дадена на немските учени братя Бюхнер, които 26 години по-късно извършиха подобен експеримент (те унищожиха клетките с помощта на високо налягане). и получи същите резултати. Впоследствие трудовете на А. Н. Лебедев, И. П. Павлов, М. Дюкло, Е. Фишер, Л. Михаелис и много други учени окончателно опровергаха гледната точка на идеалистите. Именно материалистичният подход към научните изследвания дава възможност на J. Sumner през 1927г. за първи път да получи ензима уреаза, а на J. Northrop през 1931 г. - кристален трипсин и пепсин.
В момента, благодарение на работата на голяма армия от учени, както у нас, така и в чужбина, изучаването на ензимите се развива успешно. В момента са известни около 1000 ензима. Трудовете на академик A.E.Braunshtein, A.I.Oparin, V.N.Orekhovich и много други местни учени в областта на изучаването на ензимите в човешкото тяло. Поставянето на диагноза, изборът на подходящо лечение и профилактика, разработването и използването на различни лекарства и т.н. се основават на изследването на ензимите.
Какво знаем за катализата?
Катализата е процес на промяна на скоростта на химична реакция под въздействието на различни вещества - катализатори, участващи в този процес и оставащи химически непроменени в края на реакцията. Ако добавянето на катализатор ускорява химичен процес, тогава това явление се нарича положителна катализа, а забавянето на реакцията се нарича отрицателна. Най-често срещаме положителна катализа. В зависимост от химичния си характер катализаторите се делят на неорганични и органични. Последните включват и биологични катализатори – ензими.
За да се разбере действието на катализаторите, е необходимо да се разгледа накратко същността на катализата. Скоростта на всяка химическа реакция зависи от сблъсъците на активните молекули на реагиращите вещества. Активирана молекула е тази, която има определено количество потенциална енергия. Взаимодействието на две такива молекули ще се случи само ако енергийното снабдяване на тези молекули е достатъчно, за да преодолеят силите на сблъсъка между тях - така наречената "енергийна бариера" на реакцията. Ако реагиращите молекули имат по-голяма енергийна стойност от енергийната бариера, тогава реакцията ще настъпи. Ако енергийният резерв на реагиращите тела не е достатъчен за преодоляване на енергийната бариера, тогава те няма да взаимодействат. В този случай, за да протече реакцията, е необходимо да се активират молекулите, т.е. да им се осигури допълнително количество енергия, което, комбинирано с наличната потенциална енергия в молекулите, ще бъде достатъчно за преодоляване на енергийната бариера. Тази допълнителна енергия се нарича "енергия на активиране!" Молекулите могат да се активират чрез нагряване, повишаване на налягането, облъчване и др.
Същността на действието на катализаторите е, че, първо, те имат способността да активират молекулите на реагиращите вещества, и, второ, взаимодействието на молекулите (или веществата) се осъществява не на един, а на няколко етапа.
Така се оказва, че катализаторът не само намалява енергийните разходи на реакциите, но и значително увеличава тяхната скорост.
Основните характеристики на катализаторите включват следното: а) катализаторите могат да ускорят само онези химични реакции, които като цяло могат да протичат според техните собствени термодинамични закони, б) катализаторите не променят посоката на химичната реакция, а само ускоряват постигането на състояние на равновесие.
Разлика между ензими и други видове катализатори
При изучаване на свойствата на ензимите беше установено, че в своето действие те са катализатори, осигуряващи главно положителна катализа. Следователно те се характеризират с всички характеристики на катализния процес.
Наред с това ензимите имат свои собствени определени различия, които включват „космическите“ скорости на реакциите, които катализират, много сложна химична структура, която в някои случаи може да се промени по време на реакцията и да бъде възстановена до оригинала след нейното завършване и , накрая, висока специфичност на действието.
За да потвърдим високата скорост на реакциите, катализирани от ензими, нека погледнем отново нашия пример с водороден прекис. В тялото разграждането на H2O2 се катализира от ензима каталаза със скорост 2x1011 пъти по-висока от скоростта на некатализирана реакция и 107 пъти в случая на платинено черно. Енергията на активиране по време на ензимна реакция намалява съответно 9 и 6 пъти. Други примери включват следното. Човешкият стомах произвежда ензима пепсин, който разгражда протеините. Един грам пепсин на час може да хидролизира 50 кг яйчен белтък, а 1,6 г амилаза, синтезирана в панкреаса и слюнчените жлези, може да разгради 175 кг нишесте за час.
Сложността на структурата на ензимите се дължи на факта, че всички те са протеини, тоест високомолекулни съединения с голямо молекулно тегло.
При изучаването на ензимите беше установено, че всички те са протеини и следователно имат всички свойства на протеините. Ензимите имат сложна структура, подобна на протеините, подлагат се на разцепване под действието на протеолитични ензими, образуват се при разтваряне във вода и др. Молекулните тегла на ензимите варират от стотици хиляди до милиони единици молекулно тегло.
Молекулното тегло на рибонуклеазата е 12 700, на пепсина - 35 500, на катализата на кръвта - 248 000, на глутаматдехидрогеназата - 1 000 000.
Според структурата си всички ензими се делят на прости и сложни.
Простите ензими, протеиновите ензими, се състоят само от аминокиселини, а сложните ензими, протеиновите ензими, имат протеинова част, апоензим, състоящ се само от аминокиселини, и непротеинова част, коензим или простетична група. Небелтъчната част може да бъде представена от минерали и витамини.
Протеиновите ензими включват, например, хидролитичните ензими на стомашно-чревния тракт, които разграждат хранителни продукти, включително вода; протеиновите ензими включват повечето редокс ензими.