Küsimus 18. Ensüümide ja anorgaaniliste katalüsaatorite sarnasused ja erinevused. Ensümaatiliste reaktsioonide kiiruse sõltuvus temperatuurist, pH-st. Spetsiifilisuse tüübid.
Lihtsate ja keerukate ensüümide struktuur (näiteks hüdrolaasid, dehüdrogenaasid).
Oma koostise järgi jagunevad ensüümid lihtsateks ja keerukateks.
Lihtsad ensüümid koosnevad aminohapetest. Nende hulka kuuluvad seedetrakti ensüümid - α-amülaas, pepsiin, trüpsiin, lipaas jne Kõik need ensüümid kuuluvad 3. klassi - hüdrolaasid.
Komplekssed ensüümid koosnevad valgulisest osast, apoensüümist, ja mittevalgulisest osast, kofaktorist. Katalüütiliselt aktiivset ensüümi-kofaktori kompleksi nimetatakse holoensüümiks. Kofaktoritena võivad toimida nii metalliioonid kui ka orgaanilised ühendid, millest paljud on vitamiinide derivaadid.
Näiteks oksidoreduktaasid kasutavad kofaktoritena Fe²+, Cu²+, Mn²+, Mg²+ kinaase; glutatioonperoksidaas, ensüüm, mis neutraliseerib vesinikperoksiidi, vajab seleeni.
Koensüümid on orgaanilised ained, mis on lõdvalt seotud valguosaga. Näiteks NAD-sõltuvad dehüdrogenaasid koosnevad valgust ja koensüümidest NAD, NADP, PP-vitamiini derivaatidest.
Prosteetiline rühm on koensüüm, mis on tihedalt (sageli kovalentselt) seotud apoensüümiga. Näiteks flaviinidehüdrogenaasid koosnevad valkudest ja proteesrühmadest FAD, FMN ja vitamiini B2 derivaatidest. Apoensüüm määrab ensüümi toime suuna või spetsiifilisuse.
. Ensüümide üldomadused: spetsiifilisus, temperatuuri mõju, keskkonna pH ensüümi aktiivsusele.
Ensüümide aktiivsust mõjutavad temperatuur, keskkonna pH ja lahuste ioontugevus.
Kuna ensüümid on keemilise olemuselt valgud, põhjustab temperatuuri tõus üle 45-50˚C termilise denaturatsiooni ja ensüümid inaktiveeritakse (välja arvatud lihaste müokinaas, papaiin).
Madal temperatuur ei hävita ensüüme, vaid ainult peatab nende toime. Optimaalne temperatuur ensüümi aktiivsuse avaldumiseks on 37-40˚C.
Ensüümide aktiivsust mõjutab keskkonna reaktsioon. Keskkonna pH väärtust, mille juures ensüüm avaldab maksimaalset aktiivsust, nimetatakse selle ensüümi toime jaoks keskkonna optimaalseks pH-ks. Ensüümide toime jaoks on pH optimaalne füsioloogilises vahemikus 6,0-8,0. Erandid: pepsiin, mille pH optimum on 2,0; arginaas – pH optimaalne on 10,0.
Ensüümidel on spetsiifilisus. Spetsiifilisust on mitut tüüpi:
1. Absoluutne spetsiifilisus – ensüüm interakteerub ainult ühe substraadiga. Näiteks ureaas kiirendab uurea hüdrolüüsi, kuid ei lagunda tiouureat.
2. Stereospetsiifilisus – ensüüm interakteerub spetsiifilise optilise ja geomeetrilise isomeeriga.
3. Absoluutne rühmaspetsiifilisus – ensüümid on spetsiifilised nii sideme olemuse kui ka nende ühendite suhtes, mis selle sideme moodustavad. Näiteks α-amülaas lõhustab maltoosi molekulis, mis koosneb kahest glükoosi molekulist, α-glükosiidsideme, kuid ei lõika sahharoosi molekuli, mis koosneb glükoosi molekulist ja fruktoosi molekulist.
4. Suhteline rühmaspetsiifilisus. Sel juhul on ensüümid spetsiifilised ainult sideme suhtes, kuid on ükskõiksed nende ühendite suhtes, mis selle sideme moodustavad. Näiteks proteaasid kiirendavad peptiidsidemete hüdrolüüsi erinevates valkudes, lipaasid kiirendavad estersidemete lagunemist rasvades.
19. küsimus Ensüümi aktivaatorid ja inhibiitorid. Nende toimemehhanism. Pöörduv ja pöördumatu, võistlev ja mittekonkureeriv pärssimine. Konkurentsi inhibeerimise põhimõtte kasutamine meditsiinis.
.Ensüümi aktivaatorid ja inhibiitorid, nende mõjumehhanismid ja tähendus.
Keemiliste reaktsioonide kiirust mõjutavad erinevad ained. Ained jagunevad oma mõju iseloomu alusel aktivaatoriteks, mis suurendavad ensüümi aktiivsust, ja inhibiitoriteks (halvatajateks), mis pärsivad ensüümi aktiivsust.
Ensüümide aktiveerimise põhjuseks võivad olla:
1. Kofaktorite olemasolu – metalliioonid Fe²+, Mg²+, Mn²+, Cu²+, Zn²+, ATP, lipoehape.
2. Nende osaline proteolüüs.
Seedetrakti ensüüme toodetakse mitteaktiivsete vormide - zymogeenide - kujul. Erinevate tegurite mõjul peptiid lõhustatakse, moodustades aktiivse tsentri ja sümogeen muudetakse ensüümi aktiivseks vormiks.
Pepsinogeeni HCl pepsiin + peptiid
Trüpsinogeeni enterokinaas trüpsiin + peptiid
Seda tüüpi aktiveerimine kaitseb seedetrakti rakke iseseedimise eest.
3. Fosforüülimine ja defosforüülimine. Näiteks:
mitteaktiivne lipaas + ATP → lipaas-fosfaat (aktiivne lipaas);
lipaas-fosfaat + H3PO4 → lipaas (inaktiivne lipaas)
Inhibiitorid jagunevad nende toime olemuse alusel pöörduvateks ja pöördumatuteks. See jaotus põhineb inhibiitori ja ensüümi vahelise seose tugevusel.
Pöörduvad inhibiitorid on ühendid, mis interakteeruvad ensüümiga mittekovalentselt ja mida saab ensüümist eraldada.
Pöördumatud inhibiitorid on ühendid, mis moodustavad ensüümiga kovalentseid tugevaid sidemeid.
Pöördumatu inhibeerimine võib olla spetsiifiline või mittespetsiifiline.
Spetsiifilise inhibeerimise korral pärsivad inhibiitorid teatud ensüümide toimet, sidudes aktiivse saidi üksikuid funktsionaalrühmi. Näiteks tioolmürgid inhibeerivad ensüüme, mille aktiivne keskus sisaldab SH-rühmi; süsinikmonooksiid (CO) inhibeerib ensüüme, mille aktiivses kohas on Fe²+.
Mittespetsiifilised inhibiitorid pärsivad kõigi ensüümide toimet. Nende hulka kuuluvad kõik denatureerivad tegurid (kõrge temperatuur, orgaanilised ja mineraalhapped, raskmetallide soolad jne).
Pöörduv inhibeerimine võib olla konkureeriv. Sel juhul on inhibiitor substraadi struktuurne analoog ja konkureerib sellega seondumise eest aktiivse tsentri substraadi sidumissaidis.
Konkurentsi inhibeerimise eripäraks on see, et substraadi kontsentratsiooni suurendamisega saab seda nõrgendada või täielikult kõrvaldada.
Tsitraaditsükli ensüüm suktsinaatdehüdrogenaas (SDH) dehüdrogeneerib suktsinaadi, muutes selle fumaraadiks. Malonaat, mis on struktuurilt sarnane suktsinaadiga, seondub LDH aktiivse saidiga, kuid seda ei saa dehüdrogeenida. Seetõttu on malonaat SDH konkureeriv inhibiitor.
Paljud ravimid on konkureerivad ensüümi inhibiitorid. Näiteks sulfoonamiidravimid, mis on patogeensete mikroorganismide peamise kasvufaktori paraaminobensoehappe (PABA) struktuursed analoogid, konkureerivad sellega seondumisel ensüümi aktiivse tsentri substraadi sidumissaidis. Sellel põhineb sulfoonamiidravimite antimikroobne toime.
Ensüümid ja nende tähtsus eluprotsessides
Oma keemiakursusest teate, mis on katalüsaator. See on aine, mis kiirendab reaktsiooni, jäädes reaktsiooni lõpus muutumatuks (ilma tarbimata). Bioloogilisi katalüsaatoreid nimetatakse ensüümid(alates lat. fermentum– kääritamine, juuretis) või ensüümid.
Peaaegu kõik ensüümid on valgud (kuid mitte kõik valgud pole ensüümid!). Viimastel aastatel on saanud teatavaks, et osadel RNA molekulidel on ka ensüümide omadused.
Kõrgelt puhastatud kristalse ensüümi eraldas esmakordselt 1926. aastal Ameerika biokeemik J. Sumner. See ensüüm oli ureaas, mis katalüüsib uurea lagunemist. Praeguseks on teada rohkem kui 2 tuhat ensüümi ja nende arv kasvab jätkuvalt. Paljud neist isoleeritakse elusrakkudest ja saadakse puhtal kujul.
Rakus toimub pidevalt tuhandeid reaktsioone. Kui segada katseklaasis orgaanilisi ja anorgaanilisi aineid täpselt samas vahekorras nagu elusrakus, kuid ilma ensüümideta, siis ei toimu märgatava kiirusega peaaegu mingeid reaktsioone. Just tänu ensüümidele realiseerub geneetiline informatsioon ja toimub kogu ainevahetus.
Enamiku ensüümide nimetust iseloomustab järelliide -ase, mis lisatakse kõige sagedamini substraadi nimetusele - ainele, millega ensüüm interakteerub.
Ensüümide struktuur
Võrreldes substraadi molekulmassiga on ensüümidel palju suurem mass. See lahknevus viitab sellele, et kogu ensüümi molekul ei osale katalüüsis. Selle probleemi mõistmiseks peate tutvuma ensüümide struktuuriga.
Struktuuri järgi võivad ensüümid olla lihtsad või keerulised valgud. Teisel juhul sisaldab ensüüm lisaks valguosale ( apoensüüm) on veel üks mittevalgulise iseloomuga rühm - aktivaator ( kofaktor, või koensüüm), mille tulemusena moodustuvad aktiivsed holoensüüm. Ensüümi aktivaatorid on:
1) anorgaanilised ioonid (näiteks süljes leiduva amülaasi ensüümi aktiveerimiseks on vaja kloriidioone (Cl–));
2) substraadiga tihedalt seotud proteesrühmad (FAD, biotiin);
3) substraadiga lõdvalt seotud koensüümid (NAD, NADP, koensüüm A).
Valguosal ja mittevalgulisel komponendil üksikult puudub ensümaatiline aktiivsus, kuid kombineerituna omandavad nad ensüümile iseloomulikud omadused.
Ensüümide valguosa sisaldab oma struktuurilt ainulaadseid aktiivtsentreid, mis on teatud aminohappejääkide kombinatsioon, mis on üksteise suhtes rangelt orienteeritud (nüüdseks on mitmete ensüümide aktiivsete tsentrite struktuur dešifreeritud). Aktiivne keskus interakteerub substraadi molekuliga, moodustades "ensüümi-substraadi kompleksi". "Ensüüm-substraadi kompleks" laguneb seejärel ensüümiks ja reaktsiooni produktiks või saadusteks.
E. Fisheri 1890. aastal püstitatud hüpoteesi kohaselt läheneb substraat ensüümile luku võti, st. ensüümi aktiivse saidi ja substraadi ruumilised konfiguratsioonid vastavad täpselt ( täiendavad) üksteist. Substraati võrreldakse “lukuga” sobiva “võtmega” – ensüümiga. Seega on lüsosüümi (süljeensüümi) aktiivne keskus pilu välimusega ja vastab täpselt bakteribatsilli kompleksse süsivesiku molekuli fragmendile, mis selle ensüümi toimel laguneb.
1959. aastal esitas D. Koshland hüpoteesi, mille kohaselt substraadi struktuuri ja ensüümi aktiivse tsentri ruumiline vastavus tekib alles nende omavahelise interaktsiooni hetkel. Seda hüpoteesi nimetati "käed ja kindad" hüpotees(indutseeritud interaktsiooni hüpotees). See "dünaamilise äratundmise" protsess on tänapäeval kõige laialdasemalt aktsepteeritud hüpotees.
Ensüümide ja mittebioloogiliste katalüsaatorite erinevused
Ensüümid erinevad mittebioloogilistest katalüsaatoritest mitmel viisil.
1. Ensüümid on palju tõhusamad (10 4 –10 9 korda). Seega võib üks katalaasi ensüümi molekul ühe sekundi jooksul lagundada 10 tuhat vesinikperoksiidi molekuli, mis on rakkudele toksiline:
2H 2O 2 ––> 2H2O + O 2,
mis tekib kehas erinevate ühendite oksüdeerumisel. Või veel üks näide, mis kinnitab ensüümide kõrget efektiivsust: toatemperatuuril suudab üks ureaasi molekul ühe sekundi jooksul lagundada kuni 30 tuhat uurea molekuli:
H 2 N–CO–NH 2 + H 2 O ––> CO 2 + 2NH 3.
Ilma katalüsaatorita oleks selleks kulunud umbes 3 miljonit aastat.
2. Ensüümide toime kõrge spetsiifilisus. Enamik ensüüme toimib ainult ühele või väga väikesele arvule "nende" looduslikele ühenditele (substraatidele). Ensüümide spetsiifilisus kajastub valemis "üks ensüüm - üks substraat". Tänu sellele katalüüsitakse elusorganismides paljusid reaktsioone iseseisvalt.
3. Ensüümid alluvad peenele ja täpsele reguleerimisele. Ensüümi aktiivsus võib suureneda või väheneda, kui selle "töötamise" tingimused muutuvad veidi.
4. Mittebioloogilised katalüsaatorid töötavad enamikul juhtudel hästi ainult kõrgetel temperatuuridel. Rakkudes väikestes kogustes esinevad ensüümid töötavad normaalsel temperatuuril ja rõhul (kuigi ensüümide toime ulatus on piiratud, kuna kõrge temperatuur põhjustab denaturatsiooni). Kuna enamik ensüüme on valgud, on nende aktiivsus kõrgeim füsioloogiliselt normaalsetes tingimustes: t = 35–45 °C; kergelt aluseline keskkond (kuigi igal ensüümil on oma optimaalne pH väärtus).
5. Ensüümid moodustavad komplekse – nn bioloogilisi konveieriid. Mis tahes aine lagunemise või sünteesi protsess rakus jaguneb tavaliselt mitmeks keemiliseks toiminguks. Iga toimingut teostab eraldi ensüüm. Selliste ensüümide rühm moodustab omamoodi biokeemilise konveierilindi.
6. Ensüüme on võimalik reguleerida, st. "sisse lülitada" ja "välja lülitada" (see ei kehti aga kõigi ensüümide kohta; näiteks sülje amülaas ja mitmed teised seedeensüümid ei ole reguleeritud). Enamikus apoensüümi molekulides on sektsioonid, mis tunnevad ära ka lõpptoote, mis "lahtub" multiensüümide konveierilt. Kui sellist toodet on liiga palju, siis see pärsib algensüümi enda aktiivsust ja vastupidi, kui toodet pole piisavalt, siis aktiveerub ensüüm. Nii reguleeritakse paljusid biokeemilisi protsesse.
Seega on ensüümidel mittebioloogiliste katalüsaatorite ees mitmeid eeliseid.
| | | järgmine loeng ==> | |
| Ülejäänud uuringute ja publikatsioonide analüüs. Euroopa Liidu ja Ukraina piirkondade rahastamise probleeme käsitlesid järgmised teadlased: Voznyak G.V., Grigor’eva O.N., Belichenko A.F. | | |
|
Sarnasused ensüümide ja
|
Erinevus ensüümide ja anorgaanilised katalüsaatorid |
|
1. Kiirendatakse ainult termodünaamiliselt võimalikke reaktsioone |
1. Ensüüme iseloomustab kõrge spetsiifilisus: substraadi spetsiifilisus : ▪ absoluutne (1 ensüüm - 1 substraat), ▪ rühm (1 ensüüm – mitu sarnast substraati) ▪ stereospetsiifilisus (ensüümid töötavad ainult teatud stereoseeria L või D substraatidega). katalüütiline spetsiifilisus (ensüümid katalüüsivad peamiselt ühte tüüpi keemiliste reaktsioonide reaktsioone – hüdrolüüsi, oksüdatsiooni-redutseerimist jne.) |
|
2. Need ei muuda reaktsiooni tasakaaluseisundit, vaid ainult kiirendavad selle saavutamist. |
2. Kõrge efektiivsus: ensüümid kiirendavad reaktsioone 10 8 -10 14 korda. |
|
3. Neid ei tarbita reaktsioonides |
3. Ensüümid toimivad ainult kergetes tingimustes (t = 36-37ºС, pH ~ 7,4, atmosfäärirõhk), sest neil on konformatsiooniline labiilsus – võime muuta molekuli konformatsiooni denatureerivate ainete mõjul (pH, T, kemikaalid). |
|
4. Efektiivne väikestes kogustes |
4. Organismis on ensüümide toime spetsiifiliselt reguleeritud (katalüsaatorid on ainult mittespetsiifilised) |
|
5. Tundlik aktivaatorite ja inhibiitorite suhtes |
5. Lai toimespekter (enamik protsesse kehas katalüüsitakse ensüümide poolt). |
Praegu on ensüümide uurimine biokeemias kesksel kohal ja on eraldatud iseseisvaks teaduseks - ensümoloogia . Ensümoloogia saavutusi kasutatakse meditsiinis diagnoosimisel ja ravil, patoloogia tekkemehhanismide uurimisel ning lisaks veel muudes valdkondades, näiteks põllumajanduses, toiduainetööstuses, keemia-, farmaatsia- jne.
Ensüümide struktuur
Metaboliit - aine, mis osaleb ainevahetusprotsessides.
Substraat – aine, mis läbib keemilise reaktsiooni.
Toode – aine, mis tekib keemilise reaktsiooni käigus.
Ensüüme iseloomustab spetsiifiliste katalüüsikeskuste olemasolu.
Aktiivne keskus (Ac) on ensüümmolekuli osa, mis interakteerub spetsiifiliselt substraadiga ja osaleb otseselt katalüüsis. Ats asub reeglina nišis (taskus). Ac-s saab eristada kahte piirkonda: substraadi sidumissait - substraadi piirkond (kontaktpadi) ja tegelikult katalüütiline keskus .
Enamik substraate moodustab ensüümiga vähemalt kolm sidet, mille tõttu kinnitub substraadi molekul ainsal võimalikul viisil aktiivse saidi külge, mis tagab ensüümi substraadi spetsiifilisuse. Katalüütiline keskus võimaldab valida keemilise transformatsiooni tee ja ensüümi katalüütilise spetsiifilisuse.
Reguleerivate ensüümide rühmal on allosteerilised keskused , mis asuvad väljaspool aktiivset keskust. Allosteerilisele tsentrile saab kinnitada ensüümi aktiivsust reguleerivaid “+” või “–” modulaatoreid.
On lihtsaid ensüüme, mis koosnevad ainult aminohapetest, ja kompleksseid ensüüme, mis hõlmavad ka madala molekulmassiga mittevalgulisi orgaanilisi ühendeid (koensüüme) ja (või) metalliioone (kofaktoreid).
Koensüümid on mittevalgulised orgaanilised ained, mis osalevad katalüüsis aktiivse tsentri katalüütilise saidi osana. Sel juhul nimetatakse valgukomponenti apoensüüm , ja kompleksvalgu katalüütiliselt aktiivne vorm on holoensüüm . Seega: holoensüüm = apoensüüm + koensüüm.
Järgmised funktsioonid toimivad koensüümidena:
nukleotiidid,
koensüüm Q,
Glutatioon
veeslahustuvate vitamiinide derivaadid:
Koensüümi, mis on kovalentsete sidemetega valguosa külge kinnitatud, nimetatakse proteeside rühm . Need on näiteks FAD, FMN, biotiin, lipoehape. Proteesirühm ei ole valguosast eraldatud. Koensüümi, mis on valguosa külge kinnitunud mittekovalentsete sidemetega, nimetatakse kaassubstraat . Need on näiteks NAD +, NADP +. Kosubstraat kinnitub reaktsiooni ajal ensüümiga.
Ensüümi kofaktorid on metalliioonid, mis on vajalikud paljude ensüümide katalüütiliseks aktiivsuseks. Kofaktoritena toimivad kaaliumi-, magneesiumi-, kaltsiumi-, tsingi-, vase-, raua- jne ioonid. Nende roll on mitmekesine, nad stabiliseerivad substraadi molekule, ensüümi aktiivset keskust, selle tertsiaarset ja kvaternaarset struktuuri ning tagavad substraadi sidumise ja katalüüsi. Näiteks ATP seondub kinaasidega ainult koos Mg 2+ -ga.
Isoensüümid - need on ühe ensüümi mitmed vormid, mis katalüüsivad sama reaktsiooni, kuid erinevad füüsikaliste ja keemiliste omaduste poolest (afiinsus substraadi suhtes, katalüüsitava reaktsiooni maksimaalne kiirus, elektroforeetiline liikuvus, erinev tundlikkus inhibiitorite ja aktivaatorite suhtes, pH optimum ja termiline stabiilsus) . Isoensüümidel on kvaternaarne struktuur, mille moodustavad paarisarv subühikuid (2, 4, 6 jne). Ensüümi isovormid moodustuvad subühikute erinevatest kombinatsioonidest.
Näiteks kaaluge laktaatdehüdrogenaasi (LDH), ensüümi, mis katalüüsib pöörduvat reaktsiooni:
NADH 2 NAD +
püruvaat ← LDH → laktaat
LDH eksisteerib 5 isovormi kujul, millest igaüks koosneb neljast protomeerist (subühikust), mis on 2 tüüpi M (lihas) ja H (süda). M- ja H-tüüpi protomeeride sünteesi kodeerivad kaks erinevat geneetilist lookust. LDH isoensüümid erinevad kvaternaarse struktuuri tasemel: LDH 1 (NNNN), LDH 2 (NNMM), LDH 3 (NNMM), LDH 4 (NMMM), LDH 5 (MMMM).
H- ja M-tüüpi polüpeptiidahelatel on sama molekulmass, kuid esimestes domineerivad karboksüülaminohapped, teistes diaminohapped, seega kannavad nad erinevat laengut ja neid saab elektroforeesiga eraldada.
Hapniku metabolism kudedes mõjutab LDH isoensüümi koostist. Kus domineerib aeroobne ainevahetus, on ülekaalus LDH 1, LDH 2 (müokard, neerupealised), kus anaeroobne ainevahetus - LDH 4, LDH 5 (skeletilihased, maks). Organismi individuaalse arengu käigus toimuvad kudedes muutused hapnikusisalduses ja LDH isovormides. Embrüos on ülekaalus LDH 4 ja LDH 5. Pärast sündi suureneb osades kudedes LDH 1 ja LDH 2 sisaldus.
Isovormide olemasolu suurendab kudede, elundite ja keha kui terviku kohanemisvõimet muutuvate tingimustega. Elundite ja kudede metaboolset seisundit hinnatakse isoensüümi koostise muutuste järgi.
Ensüümide lokaliseerimine ja jaotamine rakkudes ja kudedes.
Ensüümid jagunevad lokaliseerimise alusel kolme rühma:
I – üldised ensüümid (universaalsed)
II - elundispetsiifiline
III - organellispetsiifiline
Levinud ensüümid leiduvad peaaegu kõigis rakkudes, tagavad need raku elulise aktiivsuse, katalüüsides valkude ja nukleiinhapete biosünteesi reaktsioone, biomembraanide ja peamiste rakuorganellide teket ning energiavahetust. Erinevate kudede ja elundite ühised ensüümid erinevad aga aktiivsuselt.
Organispetsiifilised ensüümid iseloomulik ainult konkreetsele elundile või koele. Näiteks: Maksa jaoks - arginaas. Neerude ja luukoe jaoks - aluseline fosfataas. Eesnäärme jaoks – AF (happeline fosfataas). Pankrease jaoks – α-amülaas, lipaas. Müokardi jaoks – CPK (kreatiinfosfokinaas), LDH, AST jne.
Ensüümid jaotuvad ka rakkude sees ebaühtlaselt. Mõned ensüümid on tsütosoolis kolloidselt lahustunud olekus, teised on manustatud raku organellidesse (struktureeritud olek).
Organellide spetsiifilised ensüümid . Erinevatel organellidel on spetsiifiline ensüümide komplekt, mis määrab nende funktsioonid.
Organellispetsiifilised ensüümid on intratsellulaarsete moodustiste, organellide markerid:
Rakumembraan: ALP (aluseline fosfataas), AC (adenülaattsüklaas), K-Na-ATPaas
Tsütoplasma: glükolüüsi ensüümid, pentoositsükkel.
ER: ensüümid, mis tagavad hüdroksüülimise (mikrosomaalne oksüdatsioon).
Ribosoomid: ensüümid, mis tagavad valgusünteesi.
Mitokondrid: oksüdatiivse fosforüülimise ensüümid, TCA tsükkel (tsütokroomoksüdaas, suktsinaatdehüdrogenaas), rasvhapete β-oksüdatsioon.
Rakutuum: RNA, DNA sünteesi tagavad ensüümid (RNA polümeraas, NAD süntetaas).
Nucleolus: DNA-st sõltuv RNA polümeraas
Selle tulemusena moodustuvad rakus sektsioonid, mis erinevad ensüümide komplekti ja ainevahetuse poolest (ainevahetuse kompartmentaliseerimine).
Ensüümide hulgas on väike rühm R reguleerivad ensüümid, mis on võimelised reageerima spetsiifilistele regulatiivsetele mõjudele tegevust muutes. Need ensüümid esinevad kõigis elundites ja kudedes ning paiknevad metaboolsete radade alguses või hargnemiskohtades.
Kõikide ensüümide range lokaliseerimine on kodeeritud geenidesse.
Kliinilises diagnostikas kasutatakse laialdaselt organellispetsiifiliste ensüümide aktiivsuse määramist plasmas või seerumis.
Ensüümide klassifikatsioon ja nomenklatuur
Nomenklatuur – üksikute ühendite nimed, nende rühmad, klassid, samuti nende nimede koostamise reeglid. Ensüümide nomenklatuur võib olla triviaalne (lühike töönimi) või süstemaatiline. 1961. aastal Rahvusvahelise Biokeemia Liidu poolt vastu võetud süstemaatilise nomenklatuuri kohaselt saab ensüümi ja selle katalüüsitud reaktsiooni täpselt tuvastada.
Klassifikatsioon - millegi jagamine valitud tunnuste järgi.
Ensüümide klassifikatsioon põhineb nende katalüüsitava keemilise reaktsiooni tüübil;
6 tüüpi keemiliste reaktsioonide alusel jaotatakse neid katalüüsivad ensüümid 6 klassi, millest igaühel on mitu alamklassi ja alamklassi (4-13);
Igal ensüümil on oma kood EC 1.1.1.1. Esimene number tähistab klassi, teine - alamklassi, kolmas - alamklassi, neljas - ensüümi seerianumbrit selle alamklassis (avastamise järjekorras).
Ensüümi nimi koosneb 2 osast: 1 osa - substraadi (substraatide) nimi, 2 osa - katalüüsitava reaktsiooni tüüp. Lõpp – AZA;
Lisainfo kirjutatakse vajadusel lõpus ja sulgudes: L-malaat + NADP+ ↔ PVK + CO 2 + NADH 2 L-malaat: NADP+ - oksidoreduktaas (dekarboksüleeriv);
Ensüümide nimetamise reeglitele puudub ühtne lähenemine.
|
Sarnasused | |
|
1. Katalüüsitakse ainult energeetiliselt võimalikke reaktsioone. 2. Need ei muuda reaktsiooni suunda. 3. Nad kiirendavad reaktsiooni tasakaalu teket, kuid ei nihuta seda. 4. Neid ei tarbita reaktsiooniprotsessi ajal. |
1. Ensümaatilise reaktsiooni kiirus on palju suurem. 2. Kõrge spetsiifilisus. 3. Kerged töötingimused (rakusisesed). 4. Reaktsioonikiiruse reguleerimise võimalus. 5. Ensümaatilise reaktsiooni kiirus on võrdeline ensüümi kogusega. |
Katalüüsi etapid
Ensümaatilises reaktsioonis saab eristada järgmisi etappe:
1. Substraadi (S) kinnitamine ensüümi (E) külge ensüümi-substraadi kompleksi (E-S) moodustamiseks.
2. Ensüüm-substraadi kompleksi muundamine üheks või mitmeks üleminekukompleksiks (E-X) ühes või mitmes etapis.
3. Siirdekompleksi muundamine ensüüm-produkti (E-P) kompleksiks.
4. Lõpptoodete eraldamine ensüümist.
Katalüüsi mehhanismid
|
Doonorid |
Aktsepteerijad |
|
COOH -NH3 + -SH |
COO- -NH 2 -S- |
2. Kovalentne katalüüs– ensüümid reageerivad oma substraatidega, moodustades kovalentsete sidemete abil väga ebastabiilseid ensüümi-substraadi komplekse, millest molekulisiseste ümberkorralduste käigus tekivad reaktsiooniproduktid.
Ensüümreaktsioonide tüübid
1. Ping-pongi tüüp– ensüüm interakteerub esmalt substraadiga A, eemaldades sellest kõik keemilised rühmad ja muutes selle vastavaks tooteks. Seejärel kinnitatakse substraat B ensüümiga, saades need keemilised rühmad. Näiteks võib tuua reaktsiooni aminorühmade ülekandmisel aminohapetest ketohapeteks – transamiinimine.
Ensümaatiline pingpongi reaktsioon
2. Järjestikuste reaktsioonide tüüp– ensüümile lisatakse järjestikku substraate A ja B, moodustades "kolmekomponendilise kompleksi", mille järel toimub katalüüs. Reaktsiooniproduktid eraldatakse ka järjestikku ensüümist.
Ensümaatiline reaktsioon vastavalt "järjestikuse reaktsiooni" tüübile
3. Juhuslike interaktsioonide tüüp– substraadid A ja B lisatakse ensüümile suvalises järjekorras, juhuslikult ning pärast katalüüsi need ka lõigatakse ära.
Ensümaatiline reaktsioon vastavalt "juhuslike interaktsioonide" tüübile
Ensüümid on oma olemuselt valgud
Ammu on kindlaks tehtud, et kõik ensüümid on valgud ja neil on kõik valkude omadused. Seetõttu jagunevad ensüümid nagu valgud lihtsateks ja keerukateks.
Lihtsad ensüümid koosnevad ainult aminohapetest – näiteks pepsiin , trüpsiin , lüsosüüm.
Komplekssed ensüümid(holoensüümid) sisaldavad valguosa, mis koosneb aminohapetest - apoensüüm ja mittevalguline osa – kofaktor. Kofaktorit võib omakorda nimetada koensüüm või protees Grupp. Näide võiks olla suktsinaatdehüdrogenaas (sisaldab FAD-i) (trikarboksüülhappe tsüklis), aminotransferaasid (sisaldab püridoksaalfosfaati) (funktsioon), peroksidaas(sisaldab heemi). Katalüüsi läbiviimiseks on vaja täielikku apoproteiini ja kofaktori kompleksi, nad ei saa katalüüsi eraldi läbi viia.
Nagu paljud valgud, võivad ensüümid olla monomeerid, st. koosnevad ühest allüksusest ja polümeerid, mis koosneb mitmest allüksusest.
Loomise kuupäev: 30.04.2015
Kõikide keha eluprotsesside materiaalne alus koosneb tuhandetest ensüümide poolt katalüüsitavatest keemilistest reaktsioonidest. Ensüümide tähenduse määratles väga õigesti ja piltlikult I. P. Pavlov, nimetades neid "elu stimulaatoriteks". Mis tahes ensüümi sünteesi rikkumine keha metaboolsete reaktsioonide harmoonilises süsteemis põhjustab haiguste arengut, mis sageli lõppevad surmaga. Näiteks galaktoosi glükoosiks muundava ensüümi puudus lastel põhjustab galaktoseemiat. Selle haigusega saavad lapsed liigse galaktoosi mürgituse ja surevad esimestel elukuudel. Ksantiinoksüdaasi aktiivsuse suurenemine on podagra põhjus. Selliseid näiteid võib tuua palju. Sellepärast on ensüümid liikumapanev jõud kõigi nende lõpmatu hulga keemiliste transformatsioonide taga, mis koos moodustavad elu aluseks oleva ainevahetuse. Seetõttu on ensüümide uurimine nii suure tähtsusega. Ensüümide teadus on oluline biokeemia haru ja meditsiinis on selgelt nähtav suund – meditsiiniline ensümoloogia.
Fermentoloogia või muul viisil ensümoloogia on ensüümide (ensüümide) uurimine - valguloomulised bioloogilised katalüsaatorid, mis on moodustatud mis tahes elusrakust ja millel on võime aktiveerida mitmesuguseid kehas toimuvaid keemilisi reaktsioone.
Ensüüme kasutatakse laialdaselt paljudes teaduse ja tööstuse valdkondades. Viimastel aastatel on kõrgelt puhastatud ensüümpreparaatide abil õnnestunud dešifreerida organismi moodustavate kompleksühendite, sealhulgas mõnede valkude ja nukleiinhapete struktuuri.
Ensüümidel on suur praktiline tähtsus, kuna paljud tööstusharud – veinivalmistus, pagaritööstus, alkoholi, tee, aminohapete, vitamiinide, antibiootikumide tootmine – põhinevad erinevate ensümaatiliste protsesside kasutamisel. Seetõttu võimaldab ensüümide omaduste ja toimemehhanismi uurimine keemikutel luua keemiatööstuse jaoks uusi, arenenumaid katalüsaatoreid. Erinevate meditsiinis ja põllumajanduses kasutatavate füsioloogiliselt aktiivsete ühendite – ravimainete, taimede kasvu stimulaatorite jne toime taandub lõppkokkuvõttes sellele, et need ained aktiveerivad või suruvad alla üht või teist lüli organismi ainevahetuses, üht või teist ensümaatilist protsessi. Ensüümide toimemustrite ja erinevate stimulantide või paralüsaatorite mõju uurimine on kahtlemata meditsiini ja põllumajanduse jaoks ülimalt oluline.
Ensümoloogia uuritavate küsimuste ring on väga lai. Ensüümide eraldamise ja puhastamise meetodite väljatöötamine nende struktuuri kindlakstegemiseks, ensüümide moodustumise protsesside uurimine elusrakkudes, toime reguleerimine, ensüümide roll erinevate füsioloogiliste funktsioonide elluviimisel - see ei ole täielik loetelu kõige olulisemad bioloogilised probleemid, mida praegu intensiivselt uuritakse.
Ensüümide uurimise ajaloost
Ensüümide ajalugu ulatub kaugele tagasi. Ka inimühiskonna arengus puutusid inimesed kokku erinevate ensümaatiliste protsessidega ja kasutasid neid elus. Alkohoolne ja piimhappeline kääritamine, juuretiste kasutamine leiva valmistamisel, laabi kasutamine juustude valmistamisel jne – kõik need ensümaatilised protsessid on tuntud juba ammusest ajast.
Ühed esimesed järgijad, kes ensümaatilisi protsesse uurisid, olid Reaumur ja Spallanzani. Oma katsetes liha seedimise kohta lindude maos tõstatasid nad esmalt küsimuse, kas on vaja uurida seedemahla keemilist koostist. Vene teadlane K. S. Kirchhoff (1814)
Ta näitas, et idandatud odra ekstrakt sisaldab ainet, mis põhjustab tärklise muutumist suhkruks. Seega sai Kirchhoff esimesena amülaasi (tärklist lagundav ensüüm) ensüümpreparaadi ja seda kuupäeva võime õigustatult pidada ensümoloogia tekkimise kuupäevaks. Hollandi teadlane Van Helmont tutvustas fermentatsiooniprotsesse uurides esmakordselt teadusesse mõistet "ensüümid" (fermentum - juuretis). Sõna "ensüüm" pärineb vanakreeka sõnast en zume, mis tähendab "pärmi".
1950. aastate keskpaigaks oli ensüümide kui bioloogiliste katalüsaatorite mõiste teaduses kindlalt juurdunud. Sellest ajast pärineb suur vaidlus kahe maailma suurima teadlase Louis Pasteuri ja Liebig Yu vahel ensüümide asukoha üle rakus – vaidlus, mis sisuliselt oli võitlus kahe teaduse maailmavaate – idealismi ja – vahel. materialismi ja pidurdas ensüümide õpetuse arengut ligi 50 aastaks . Louis Pasteur, tõestades, et ensüümide aktiivsus on raku struktuurist lahutamatu ja lakkab selle hävimisega, seisis kindlalt virchowianismi, bioloogia idealismi ühe tüübi, positsioonil. Liebig väitis, et ensüümide toime ei ole seotud raku struktuuriga. See arutelu kestis praktiliselt enam kui 100 aastat ja kinnitas ikka ja jälle vajadust materialistliku lähenemise järele bioloogiliste seaduste uurimisel. Esimesena kinnitas J. Liebigi seisukoha õigsust vene teadlane M.M Manassein 1871. Kvartsliivaga pärmirakke peenestades, s.o. hävitades täielikult rakustruktuuri, tõestas ta, et rakumahlal on võime tärklist kääritada. Kuid nagu tsaari-Venemaal sageli juhtus, ignoreeriti M. M. Manasseina uurimistööd ja anti selles küsimuses saksa teadlastele, vendadele Buchneridele, kes 26 aastat hiljem viisid läbi sarnase katse (hävitasid rakke kõrge rõhu abil). ja sai samad tulemused. Seejärel lükkasid A. N. Lebedevi, I. P. Pavlovi, M. Duclose, E. Fisheri, L. Michaelise ja paljude teiste teadlaste tööd lõpuks ümber idealistide seisukoha. Just materialistlik lähenemine teaduslikule uurimistööle andis J. Sumnerile 1927. aastal võimaluse. esimest korda ensüümi ureaasi saamiseks ja J. Northropile 1931. aastal - kristallilist trüpsiini ja pepsiini.
Praegu areneb ensüümide uurimine edukalt suure teadlaste armee töö kaudu nii meil kui ka välismaal. Praegu on teada umbes 1000 ensüümi. Akadeemik A. E. Braunshtein, A. I. Oparin, S. E. Orekhovich ja paljud teised kodumaised teadlased on inimkehas uurinud. Ensüümide uurimisel põhineb diagnoosi panemine, õige ravi ja ennetustöö valimine, erinevate ravimite väljatöötamine ja kasutamine jne.
Mida me katalüüsist teame?
Katalüüs on protsess, mille käigus muudetakse keemilise reaktsiooni kiirust erinevate ainete – selles protsessis osalevate katalüsaatorite – mõjul, mis jäävad reaktsiooni lõppedes keemiliselt muutumatuks. Kui katalüsaatori lisamine kiirendab keemilist protsessi, siis seda nähtust nimetatakse positiivseks katalüüsiks ja reaktsiooni aeglustumist negatiivseks. Kõige sagedamini kohtame positiivset katalüüsi. Sõltuvalt nende keemilisest olemusest jagatakse katalüsaatorid anorgaanilisteks ja orgaanilisteks. Viimaste hulka kuuluvad ka bioloogilised katalüsaatorid – ensüümid.
Katalüsaatorite toimimise mõistmiseks on vaja lühidalt käsitleda katalüüsi olemust. Iga keemilise reaktsiooni kiirus sõltub reageerivate ainete aktiivsete molekulide kokkupõrkest. Aktiveeritud molekul on molekul, millel on teatud kogus potentsiaalset energiat. Kahe sellise molekuli interaktsioon toimub ainult siis, kui nende molekulide energiavarustus on piisav, et ületada nendevahelised kokkupõrkejõud - reaktsiooni nn energiabarjäär. Kui reageerivatel molekulidel on suurem energiaväärtus kui energiabarjäär, siis reaktsioon toimub. Kui reageerivate kehade energiavarust energiabarjääri ületamiseks ei piisa, siis nad omavahel ei suhtle. Sel juhul on reaktsiooni toimumiseks vaja molekulid aktiveerida, st anda neile täiendav kogus energiat, mis koos molekulides olemasoleva potentsiaalse energiaga on piisav energiabarjääri ületamiseks. Seda lisaenergiat nimetatakse "aktiveerimisenergiaks!" Molekule saab aktiveerida kuumutamise, rõhu suurendamise, kiiritamise jne abil.
Katalüsaatorite toime olemus seisneb selles, et esiteks on neil võime aktiveerida reageerivate ainete molekule ja teiseks ei toimu molekulide (või ainete) interaktsioon mitte ühes, vaid mitmes etapis.
Seega selgub, et katalüsaator mitte ainult ei vähenda reaktsioonide energiakulusid, vaid suurendab oluliselt ka nende kiirust.
Katalüsaatorite põhiomadused on järgmised: a) katalüsaatorid suudavad kiirendada ainult neid keemilisi reaktsioone, mis üldjuhul võivad kulgeda vastavalt oma termodünaamilistele seadustele, b) katalüsaatorid ei muuda keemilise reaktsiooni suunda, vaid ainult kiirendavad teatud oleku saavutamist. tasakaalust.
Ensüümide ja muud tüüpi katalüsaatorite erinevus
Ensüümide omadusi uurides selgus, et nad on oma tegevuses katalüsaatorid, pakkudes peamiselt positiivset katalüüsi. Seetõttu iseloomustavad neid kõik katalüüsiprotsessi omadused.
Lisaks on ensüümidel oma teatud erinevused, mille hulka kuuluvad nende katalüüsitavate reaktsioonide "kosmilised" kiirused, väga keeruline keemiline struktuur, mis mõnel juhul võib reaktsiooni käigus muutuda ja pärast selle lõppemist taastada algupärane. Lõpuks, tegevuse kõrge spetsiifilisus.
Ensüümide poolt katalüüsitavate reaktsioonide suure kiiruse kinnitamiseks vaatame uuesti meie näidet vesinikperoksiidiga. Organismis katalüüsib H2O2 lagunemist ensüüm katalaas kiirusega, mis on 2x1011 korda suurem kui katalüüsimata reaktsiooni kiirus ja plaatina musta puhul 107 korda. Aktiveerimisenergia ensümaatilise reaktsiooni ajal väheneb vastavalt 9 ja 6 korda. Muud näited hõlmavad järgmist. Inimese magu toodab ensüümi pepsiini, mis lagundab valke. Üks gramm pepsiini tunnis suudab hüdrolüüsida 50 kg munavalget ning 1,6 g kõhunäärmes ja süljenäärmetes sünteesitud amülaasi suudab tunnis lagundada 175 kg tärklist.
Ensüümide struktuuri keerukus tuleneb asjaolust, et need kõik on valgud, see tähendab suure molekulmassiga kõrgmolekulaarsed ühendid.
Ensüüme uurides selgus, et need kõik on valgud ja seetõttu on neil kõik valkude omadused. Ensüümid on valkudele sarnase keerulise struktuuriga, lõhustuvad proteolüütiliste ensüümide toimel, tekivad vees lahustumisel jne. Ensüümide molekulmassid ulatuvad sadadest tuhandetest kuni miljonite molekulmassi ühikuteni.
Ribonukleaasi molekulmass on 12 700, pepsiini - 35 500, vere katalüüsi - 248 000, glutamaatdehüdrogenaasi - 1 000 000.
Oma struktuuri järgi jagunevad kõik ensüümid lihtsateks ja keerukateks.
Lihtsad ensüümid, valguensüümid, koosnevad ainult aminohapetest ja kompleksensüümidel, valguensüümidel, on valguline osa, apoensüüm, mis koosneb ainult aminohapetest, ja mittevalguline osa, koensüüm ehk proteesrühm. Valguvaba osa võivad esindada mineraalid ja vitamiinid.
Valguensüümide hulka kuuluvad näiteks seedetrakti hüdrolüütilised ensüümid, mis lagundavad toiduaineid, sealhulgas vett.