Катализае процес на забрзување на хемиската реакција под влијание на катализатори кои активно учествуваат во неа, но на крајот од реакцијата остануваат хемиски непроменети. Катализаторот го забрзува воспоставувањето на хемиска рамнотежа помеѓу почетните материјали и производите на реакцијата. Енергијата потребна за започнување на хемиска реакција се нарекува енергија за активирање. Неопходно е за молекулите кои учествуваат во реакцијата да можат да влезат во реактивна (активна) состојба. Механизмот на дејство на ензимот е насочен кон намалување на енергијата на активирање. Ова се постигнува со делење на реакцијата во посебни чекори или фази преку учество на самиот ензим. Секоја нова фаза има помала енергија за активирање. Поделбата на реакцијата на фази станува возможна поради формирање на комплекс на ензимот со почетните супстанции, т.н. супстрати ( С). Таквиот комплекс се нарекува комплекс ензим-супстрат ( ES). Овој комплекс потоа се расцепува за да се формира производот на реакција (P) и непроменетиот ензим ( Е).
Е + СESЕ + П
Така, ензимот е биокализатор кој, со формирање на комплекс ензим-супстрат, ја разложува реакцијата во посебни фази со помала енергија на активирање и со тоа нагло ја зголемува брзината на реакцијата.
4. Својства на ензимите.
Сите ензими се од протеинска природа.
Ензимите имаат висока молекуларна тежина.
Тие се многу растворливи во вода и, кога се раствораат, формираат колоидни раствори.
Сите ензими се термолабилни, т.е. оптимална акција 35 – 45 o C
Според нивните хемиски својства, тие се амфотерни електролити.
Ензимите се многу специфични во однос на супстратите.
Ензимите бараат строго дефинирана pH вредност за нивното дејство (пепсин 1,5 - 2,5).
Ензимите имаат висока каталитичка активност (ја забрзуваат брзината на реакцијата за 10 6 – 10 11 пати).
Сите ензими се способни за денатурација кога се изложени на силни киселини, алкалии, алкохоли и соли на тешки метали.
Специфичност на ензимското дејство:
Врз основа на специфичноста на нивното дејство, ензимите се поделени во две групи: оние со апсолутна специфичност и оние со релативна специфичност.
Релативна специфичностзабележано кога ензимот катализира еден тип на реакција со повеќе од еден супстрат налик на структура. На пример, пепсинот ги разградува сите протеини од животинско потекло. Таквите ензими делуваат на специфичен тип на хемиска врска, во овој случај пептидна врска. Дејството на овие ензими се протега на голем број супстрати, што му овозможува на телото да се справи со мал број дигестивни ензими.
Апсолутна специфичностсе манифестира кога ензимот делува само на една супстанција и катализира само одредена трансформација на оваа супстанца. На пример, сахарозата само ја разградува сахарозата.
Реверзибилност на дејство:
Некои ензими можат да ги катализираат и напредните и обратните реакции. На пример, лактат дехидрогеназа, ензим кој ја катализира оксидацијата на лактат во пируват и редукцијата на пируватот во лактат.
Денатурација, причини и симптоми, употреба во медицината.
Протеините се чувствителни на надворешни влијанија. Повреда на просторната структура на протеините се нарекува денатурација. Во овој случај, протеинот ги губи сите свои биолошки и физичко-хемиски својства. Денатурацијата е придружена со раскинување на врските кои ја стабилизираат „матичната“ структура на протеинот. Како што е наведено погоре, слабата интеракција ја игра главната улога во стабилизирањето на структурата на протеините, така што денатурацијата може да биде предизвикана од различни фактори: загревање, зрачење, механичко тресење, ладење, хемиска изложеност. За време на денатурацијата, по правило, се нарушува и растворливоста на протеините, бидејќи нарушувањето на структурата доведува до појава на површината на голем број хидрофобни групи, обично скриени во центарот на протеинската молекула.
Примарната структура на протеинот не се менува за време на денатурацијата, што овозможи да се покаже можноста за обновување на функциите и структурата на денатурираниот протеин, иако во повеќето случаи денатурацијата е неповратен процес. Во лабораториската пракса, денатурацијата се користи за депротеинизирање на биолошките течности. Факторите кои предизвикуваат денатурација се нарекуваат денатурирачки агенси. Тие вклучуваат:
1. Греење и високо-енергетско зрачење (ултравиолетови, рентген, неутрони, итн.). Се заснова на возбудување на атомски вибрации, придружени со кршење на врските.
2. Дејство на киселини и алкалии; промена на дисоцијацијата на групите, намалување на бројот на јонски врски.
3. Јони на тешки метали. Тие формираат сложени соединенија со протеински групи, што е придружено со прекин на слаби интеракции.
4. Средства за намалување - предизвикуваат пукање на дисулфидните мостови.
5. Уреа, гванидиниум хлорид - формираат нови водородни врски и ги кршат старите. Феноменот на денатурација може да се користи и за квалитативна анализа на присуството на протеини во растворите. За да го направите ова, користете примерок со вриење на течноста што се тестира откако ќе се закисели. Резултирачката заматеност се должи на денатурација на протеините. Често се користи и таложење со органски киселини: сулфосалицилна или трихлороцетна.
Кратка историја на ензимологијата.
Доделувањето на Нобеловата награда на J. Sumner, J. Northrop и Stanley во 1946 година го означи крајот на долгиот период на развој на ензимологијата - науката за ензимите. Почетокот на оваа наука се враќа во зората на историјата на развојот на човештвото, кое во својот живот користи голем број технолошки ензимски процеси: печење леб, производство на вино, преработка на животински кожи итн. Потребата за подобрување на овие процеси стана поттик за нивно длабинско проучување. Првите научни описи на ензимските процеси го вклучуваат описот на варењето кај животните.При поставувањето на своите експерименти, Рене Антоан Ромур (1683-1757) тргна од претпоставката направена од Фокнер дека птиците грабливки регургитираат несварена храна. Ромур конструирал мала жичана капсула во која ставил парче месо и му го дал на бубачка да колва. По 24 часа, птицата ја исплука оваа капсула. Во него останало омекнато парче храна, кое сепак не се расипувало. „Овој процес може да биде само резултат на дејство на некој вид растворувач“, заклучи Ромур. Лазаро Спаланцани (1729-1799), професор по природна историја на Универзитетот во Падова, пријавил слични експерименти. Сепак, тој не го сметал варењето како процес на ферментација од едноставна причина што не биле формирани меурчиња од гас.
Подоцна, процесот на ферментација бил подетално проучен од еден од основачите на модерната хемија, Антоан Лоран Лавоазие (1743-1794). Додека ја проучувал алкохолната ферментација што се случува за време на производството на вино, тој открил дека гликозата се претвора во алкохол и јаглерод диоксид.
До почетокот на 19 век. Преовладуваше општо мислење дека ферментацијата е хемиска промена предизвикана од одредени специјализирани форми на органски материјал, имено „ензими“. Во 1814 година, рускиот научник (германски по раѓање) академик на Академијата на науките во Санкт Петербург Константин Готлиб Сигизмунд Кирхоф (1764-1833) покажал дека формирањето на шеќер од скроб во никнатите житни зрна се должи на хемиски процес, а не на појава на никулци. Во 1810 година, Ју Геј-Лусак ги изолираше главните крајни производи на активноста на квасецот - алкохол и јаглерод диоксид. J. Berzelius, еден од основачите на теоријата за хемиска катализа и автор на самиот термин „катализа“ во 1835 година, ги потврдува овие податоци, истакнувајќи дека дијастазата (извадок од слад) ја катализира хидролизата на скроб поефикасно од минералната сулфурна киселина. . Важна улога во развојот на ензимологијата одигра спорот помеѓу Ју Либиг и познатиот микробиолог Л. Пастер, кој веруваше дека процесите на ферментација можат да се случат само во цела жива клетка. J. Liebig, напротив, верувал дека биолошките процеси се предизвикани од дејството на хемикалии, кои подоцна биле наречени ензими. Терминот ензим (грчки en - in, zyme - квасец) бил предложен во 1878 година од Фридрих Вилхелм Кине за да се нагласи дека процесот се јавува во квасецот, за разлика од самиот квасец, кој го катализира процесот на ферментација. Меѓутоа, во 1897 година, Е. Бухнер доби екстракт од квасец без клетки, способен да произведува етанол и го потврди мислењето на Либиг.
Обидите да се објасни едно од важните својства на ензимите, специфичноста, го навело германскиот хемичар и биохемичар Е. Фишер во 1894 година да предложи модел на интеракција помеѓу ензимот и супстратот, наречен „заклучување на клучот“ - геометриска комплементарност на формите. на подлогата (клучот) и ензимот (бравата). Во 1926 година, J. Sumner, по речиси 9 години истражување, ја докажал протеинската природа на ензимот уреаза. Во истите години, J. Northrop и M. Kunitz истакнаа директна корелација помеѓу активноста на кристалниот пепсин, трипсин и количината на протеини во проучуваните примероци, со што обезбедија значителни докази за протеинската природа на ензимите, иако конечниот докази се добиени по утврдување на примарната структура и вештачката синтеза на голем број ензими. Основните идеи за ензимите беа добиени веќе во втората половина на дваесеттиот век. Во 1963 година, беше проучувана амино киселинската секвенца на RNase од панкреасот. Во 1965 година, беше прикажана просторната структура на лизозимот. Во текот на следните години, илјадници ензими беа прочистени и беа добиени многу нови податоци за механизмите на дејство на ензимите, нивната просторна структура и регулацијата на реакциите катализирани од ензимите. Каталитичката активност е откриена во РНК (рибозими). Добиени се антитела со ензимска активност - абзими. Ова поглавје накратко ги воведува современите идеи за структурата, механизмот на дејство и медицинските аспекти на ензимологијата.
Карактеристики на ензимската катализа.
1. Протеинска природа на катализаторот
2. Исклучително висока ефикасност. Ефикасноста на биолошката катализа ја надминува ефикасноста на неорганската катализа за 10 9 - 10 12
3. Исклучително висока специфичност:
а) апсолутна, кога ензимот работи само со својот супстрат (фумараза со транс-изомери на фумарна киселина, а не со цис-изомери);
б) група - специфична за тесна група сродни супстрати (гастроинтестинални ензими).
4. Работи при благи услови (t=37, pH 7.0, одредена осмоларност и состав на сол).
5. Регулација на повеќе нивоа: регулирање на активноста на ниво на услови на животната средина, на ниво на метаболизам, на генетско ниво, ткиво, клеточно, со помош на хормони и медијатори, како и со помош на супстрати и производи на реакцијата што ја катализираат.
6. Кооперативност: ензимите се способни да организираат здруженија - производот од првиот ензим е супстрат за вториот; производот од 2-та е подлога за 3-та итн.
Покрај тоа, ензимите се прилагодливи, односно можат да ја променат својата активност и да формираат нови асоцијации.
7. Способни да катализираат и напред и обратни реакции. Насоката на реакцијата за многу ензими се определува со односот на активните маси.
8. Катализата е строго закажана, односно се случува во фази.
Специфичност на ензимското дејство.
Високата специфичност на ензимите се должи на конформациската и електростатската комплементарност помеѓу молекулите на подлогата и ензимот и уникатната структура на активниот центар на ензимот, што обезбедува „препознавање“, висок афинитет и селективност за појава на еден конкретен реакција.
Во зависност од механизмот на дејство, се разликуваат ензими со релативна или групна специфичност и со апсолутна специфичност.
За дејството на некои хидролитички ензими, од најголемо значење е типот на хемиската врска во молекулата на подлогата. На пример, пепсин ги разградува протеините од животинско и растително потекло, иако тие може да се разликуваат по хемиската структура, составот и физиолошките својства. Сепак, пепсинот не ги разградува јаглехидратите и мастите. Ова се објаснува со фактот дека местото на дејство на пепсин е пептидната врска. За дејството на липазата, такво место е естерската врска на мастите.
Тоа е, овие ензими имаат релативна специфичност.
Апсолутна специфичност на дејство се нарекува способност на ензимот да ја катализира трансформацијата на само еден супстрат и какви било промени во структурата на супстратот го прават недостапен за дејството на ензимот. На пример: аргиназа, која го разградува аргининот; уреаза, која го катализира разградувањето на уреата.
Постојат докази за постоење на стереохемиска специфичност поради постоењето на оптички изомерни L- и D-форми или геометриски (цис- и транс-) изомери
Така, познати се оксидазите L и D a/k.
Ако некое соединение постои во форма на цис- и транс-изомери, тогаш за секоја од овие форми има свој ензим. На пример, фумаразата ја катализира конверзијата само на фумарна киселина (транс), но не делува на цис изомерот, малеинската киселина.
Механизмите на ензимска катализа се одредуваат според улогата на функционалните групи на активниот центар на ензимот во хемиската реакција на претворање на супстратот во производот. Постојат 2 главни механизми на ензимска катализа: киселинско-базна катализа и ковалентна катализа.
1. Киселинско-базна катализа
Концептот на киселинско-базната катализа ја објаснува ензимската активност со учество на кисели групи (донатори на протони) и/или базни групи (прифаќачи на протони) во хемиска реакција. Киселинско-базната катализа е честа појава. Остатоците од аминокиселините кои го сочинуваат активниот центар имаат функционални групи кои ги покажуваат својствата и на киселините и на базите.
Амино киселините вклучени во киселинско-базната катализа првенствено вклучуваат Cys, Tyr, Ser, Lys, Glu, Asp и His. Радикалите на овие амино киселини во протонирана форма се киселини (донатори на протон), во депротонирана форма тие се бази (прифаќачи на протон). Ова својство на функционалните групи на активни локации ги прави ензимите единствени биолошки катализатори, за разлика од небиолошките катализатори кои можат да покажат или кисели или базни својства. Ковалентната катализа се заснова на напад на нуклеофилни (негативно наелектризирани) или електрофилни (позитивно наелектризирани) групи на активниот центар на ензимот од страна на молекулите на подлогата со формирање на ковалентна врска помеѓу супстратот и коензимот или функционалната група на амино киселински остаток (обично еден) од активниот центар на ензимот.
Дејството на серинските протеази, како што се трипсин, химотрипсин и тромбин, е пример за механизмот на ковалентна катализа, кога се формира ковалентна врска помеѓу супстратот и остатокот од серинската аминокиселина на активното место на ензимот.
25. Комплементарноста се однесува на просторната и хемиската кореспонденција на молекулите кои содејствуваат. Лигандот мора да има способност да влезе и просторно да се совпаѓа со конформацијата на активната локација. Оваа коинциденција можеби не е целосна, но поради конформациската лабилност на протеинот, активниот центар е способен за мали промени и е „прилагоден“ на лигандот. Покрај тоа, помеѓу функционалните групи на лигандот и радикалите на аминокиселините кои го формираат активниот центар, мора да се појават врски кои го држат лигандот во активниот центар. Врските помеѓу лигандот и активниот центар на протеинот можат да бидат или нековалентни (јонски, водородни, хидрофобни) или ковалентни.
Фактот дека ензимите имаат висока специфичност ни овозможи да поставиме хипотеза во 1890 година, според која активниот центар на ензимот е комплементарен со супстратот, т.е. одговара на тоа како „клуч за брава“. По интеракцијата на подлогата („клуч“) со активниот центар („брава“), се случуваат хемиски трансформации на подлогата во производот. Активниот центар се сметаше за стабилна, строго определена структура.
Супстратот, во интеракција со активниот центар на ензимот, предизвикува промена во неговата конформација, што доведува до формирање на комплекс ензим-супстрат, поволен за хемиски модификации на подлогата. Во исто време, молекулата на подлогата исто така ја менува својата конформација, што обезбедува поголема ефикасност на ензимската реакција. Оваа „хипотеза за индуцирана кореспонденција“ последователно беше потврдена експериментално.
26. Ензимите кои ја катализираат истата хемиска реакција, но се разликуваат во примарната протеинска структура, се нарекуваат изоензимиили изоензими. Тие го катализираат истиот тип на реакција со фундаментално идентичен механизам, но се разликуваат едни од други по кинетичките параметри, условите на активирање и карактеристиките на врската помеѓу апоензимот и коензимот. Природата на појавата на изоензимите е разновидна, но најчесто поради разликите во структурата на гените што ги кодираат овие изоензими. Следствено, изоензимите се разликуваат во примарната структура на протеинската молекула и, соодветно, во физичко-хемиските својства. Методите за одредување на изоензимите се засноваат на разликите во физичко-хемиските својства. Во нивната структура, изоензимите се главно олигомерни протеини. Ензим лактат дехидрогеназа(LDH) ја катализира реверзибилната реакција на оксидација на лактат (млечна киселина) до пируват (пируванска киселина).
Се состои од 4 подединици од 2 типа: M и H. Комбинацијата на овие подединици лежи во основата на формирањето на 5 изоформи на лактат дехидрогеназа. LDH 1 и LDH 2 се најактивни во срцевиот мускул и бубрезите, LDH4 и LDH5 - во скелетните мускули и црниот дроб. Другите ткива содржат различни форми на овој ензим. LDH изоформите се разликуваат во електрофоретската подвижност, што овозможува да се одреди идентитетот на ткивото на изоформите на LDH.
Креатин киназата (CK) го катализира формирањето на креатин фосфат:
Молекулата KK е димер кој се состои од два вида подединици: M и B. Од овие подединици се формираат 3 изоензими - BB, MB, MM. ББ изоензимот се наоѓа првенствено во мозокот, ММ во скелетните мускули и МБ во срцевиот мускул. КК изоформите имаат различна електрофоретска подвижност. Активноста на ЦК вообичаено не треба да надминува 90 IU/l. Определувањето на активноста на ЦК во крвната плазма има дијагностичка вредност во случај на миокарден инфаркт (постои зголемување на нивото на изоформата на МБ). Количината на ММ изоформата може да се зголеми за време на траума и оштетување на скелетните мускули. ББ изоформата не може да навлезе во крвно-мозочната бариера, затоа е практично незабележлива во крвта дури и при мозочни удари и нема дијагностичка вредност.
27. ЕНЗИМАТИВНА КАТАЛИЗА (биокатализа), забрзување на биохемиските. р-јони со учество на протеински макромолекули наречени ензими(ензими). F.k. - сорта катализа.
Равенката Михаелис-Ментен: - основната равенка на ензимската кинетика, ја опишува зависноста на брзината на реакција катализирана од ензимот од концентрацијата на супстратот и ензимот. Наједноставната кинетичка шема за која важи Михаелисовата равенка:
Равенката изгледа вака:
,
Каде што: - максимална брзина на реакција, еднаква на ; - Михаелисова константа, еднаква на концентрацијата на подлогата при која брзината на реакцијата е половина од максимумот; - концентрација на подлогата.
Михаелисова константа: Врска помеѓу константите на стапката
е исто така константа ( К м).
28. „инхибиција на ензимската активност" - намалување на каталитичката активност во присуство на одредени супстанции - инхибитори. Инхибиторите треба да вклучуваат супстанции кои предизвикуваат намалување на ензимската активност. Реверзибилни инхибиторисе врзуваат за ензимот со слаби не-ковалентни врски и, под одредени услови, лесно се одвојуваат од ензимот. Постојат реверзибилни инхибитори конкурентни и неконкурентни. Кон конкурентна инхибицијавклучуваат реверзибилно намалување на брзината на ензимска реакција предизвикана од инхибитор кој се врзува за активното место на ензимот и го спречува формирањето на комплекс ензим-супстрат. Овој тип на инхибиција е забележан кога инхибиторот е структурен аналог на супстратот, што резултира со конкуренција помеѓу молекулите на подлогата и инхибиторот за место во активниот центар на ензимот. Неконкурентнинаречена инхибиција на ензимска реакција во која инхибиторот комуницира со ензимот на место различно од активното место. Неконкурентните инхибитори не се структурни аналози на подлогата. Неповратна инхибицијазабележано во случај на формирање на ковалентни стабилни врски помеѓу молекулата на инхибиторот и ензимот. Најчесто активниот центар на ензимот е модифициран.Како резултат на тоа, ензимот не може да врши каталитичка функција. Иреверзибилните инхибитори вклучуваат јони на тешки метали, како што се жива (Hg 2+), сребро (Ag +) и арсен (As 3+). Супстанции кои блокираат одредени групи на активниот центар на ензими - специфиченИ. Диизопропил флуорофосфат (DFP). Јод ацетат и р-хлоромеркурибензоат лесно реагираат со SH групите на остатоци од цистеин во протеините. Овие инхибитори се класифицирани како неспецифични.На неконкурентниПри инхибиција, инхибиторот се врзува само за комплексот ензим-супстрат, а не и за слободниот ензим.
Големина К И= [Д]. [I]/, што е константа на дисоцијација на комплексот ензим-инхибитор, се нарекува константа на инхибиција.
Кватернарните амониумски бази ја инхибираат ацетилхолинестеразата, која ја катализира хидролизата на ацетилхолин во холин и оцетна киселина.
Супстанции наречени антиметаболити.Овие соединенија, како структурни аналози на природните супстрати, предизвикуваат конкурентна инхибиција на ензимите, од една страна, а од друга страна, може да се користат од истите ензими како и псевдосупстратите. Сулфонамидни лекови (аналози на пара-аминобензоева киселина) кои се користат за лекување на заразни болести.
Пример за лек чие дејство се заснова на неповратна ензимска инхибиција е лекот аспирин.
Инхибиција на ензимот циклооксигеназа, кој го катализира формирањето на простагландини од арахидонска киселина.
29. Регулирањето на брзината на ензимските реакции се врши на 3 независни нивоа:
1. менување на бројот на ензимски молекули;
- достапност на молекули на супстрат и коензим;
- промена на каталитичката активност на молекулата на ензимот.
1. Бројот на ензимските молекули во клетката се одредува со односот на 2 процеси - синтеза и разградување на ензимската протеинска молекула.
2. Колку е поголема концентрацијата на почетниот супстрат, толку е поголема брзината на метаболичкиот пат. Друг параметар кој го ограничува текот на метаболичкиот пат е присуството регенерирани коензими. Најважната улога во менувањето на брзината на метаболичките патишта е регулирањето на каталитичката активност на еден или повеќе клучни ензими на даден метаболички пат. Ова е многу ефикасен и брз начин за регулирање на метаболизмот. Главните начини за регулирање на ензимската активност се: алостерична регулација; регулирање со протеинско-протеински интеракции; регулација со фосфорилација/дефосфорилација на молекулата на ензимот; регулација со делумна (ограничена) протеолиза.
Зголемувањето на температурата до одредени граници влијае на стапката на ензимски
реакција, слична на ефектот на температурата на која било хемиска реакција. Како што се зголемува температурата, движењето на молекулите се забрзува, што доведува до зголемување на веројатноста за интеракција помеѓу реактантите. Покрај тоа, температурата може да ја зголеми енергијата на молекулите кои реагираат, што исто така ја забрзува реакцијата. Сепак, брзината на хемиска реакција катализирана од ензими има свој температурен оптимум, над кој е придружен со намалување на ензимската активност
За повеќето човечки ензими, оптималната температура е 37-38 °C.
Активноста на ензимите зависи од рН на растворот во кој се јавува ензимската реакција. За секој ензим постои pH вредност на која се забележува неговата максимална активност. Отстапувањето од оптималната pH вредност доведува до намалување на ензимската активност.
Ефектот на pH на ензимската активност е поврзан со јонизација на функционалните групи на амино киселински остатоци од даден протеин, кои обезбедуваат оптимална конформација на активниот центар на ензимот. Кога pH се менува од оптимални вредности, се менува јонизацијата на функционалните групи на протеинската молекула. Повеќето од ензимите во човечкото тело имаат оптимална pH вредност блиску до неутрална, што се совпаѓа со физиолошката pH вредност
30. Алостеричнаензими се ензими чија активност е регулирана не само од бројот на молекули на подлогата, туку и од други супстанции т.н. ефектори. Ефекторите вклучени во алостеричната регулација се клеточни метаболити често на самата патека што ја регулираат.
Алостеричните ензими играат важна улога во метаболизмот, бидејќи реагираат исклучително брзо на најмалите промени во внатрешната состојба на клетката. Тие се од големо значење во следните ситуации: за време на анаболни процеси, за време на катаболички процеси, за координација на анаболните и катаболичките патишта. АТП и АДП се алостерични ефектори кои дејствуваат како антагонисти; за координирање на паралелни и меѓусебно поврзани метаболички патишта (на пример, синтеза на пурински и пиримидински нуклеотиди кои се користат за синтеза на нуклеински киселини).
Ефектор кој предизвикува намалување (инхибиција) на ензимската активност се нарекува негативенефектор или инхибитор. Ефектор кој предизвикува зголемување (активирање) на ензимската активност се нарекува позитивенефектор или активатор. Различни метаболити често служат како алостерични ефектори.
Карактеристики на структурата и функционирањето на алостерични ензими:обично тоа се олигомерни протеини кои се состојат од неколку протомери или имаат структура на домен; тие имаат алостеричен центар, просторно оддалечен од каталитичкиот активен центар; ефекторите се прикачуваат на ензимот не-ковалентно во алостерични (регулаторни) центри; алостерични центри, како каталитичките , може да покаже различна специфичност во однос на лигандите: може да биде апсолутна и групна. протомерот на кој се наоѓа алостерскиот центар е регулаторен протомер.Алостеричните ензими имаат својство на кооперативност; алостеричните ензими ги катализираат клучните реакции на овој метаболички пат.
финалниот производ може да дејствува како алостеричен инхибитор на ензимот кој најчесто ја катализира почетната фаза на овој метаболички пат:
Во централните метаболички патишта, прекурсорите можат да бидат активатори на клучните ензими во метаболичкиот пат.
Секоја каталитичка реакција вклучува промена во стапките и на напредните и на обратните реакции поради намалување на нејзината енергија. Ако хемиската реакција продолжи со ослободување на енергија, тогаш таа мора да започне спонтано. Сепак, тоа не се случува бидејќи компонентите на реакцијата мора да се пренесат во активирана (транзициска) состојба. Енергијата потребна за претворање на молекулите кои реагираат во активирана состојба се нарекува енергија за активирање.
Преодна состојбасе карактеризира со континуирано формирање и раскинување на хемиски врски, а постои термодинамичка рамнотежа помеѓу преодната и основната состојба. Брзината на напредната реакција зависи од температурата и разликата во вредностите на слободната енергија за подлогата во преодните и основните состојби. Оваа разлика се нарекува слободна енергија на реакција.
Постигнувањето на преодната состојба на подлогата е можно на два начина:
- поради пренос на вишок енергија на молекули кои реагираат (на пример, поради зголемување на температурата),
- со намалување на енергијата на активирање на соодветната хемиска реакција.
Приземни и преодни состојби на супстанциите што реагираат.
Eo, Ek - енергија за активирање на реакција без и во присуство на катализатор; ДГ-
разлика во слободната енергија на реакција.
Ензимите „помагаат“ на супстратите да усвојат преодна состојба поради врзувачката енергија за време на формирањето ензимско-супстрат комплекс. Намалувањето на енергијата за активирање за време на ензимската катализа се должи на зголемувањето на бројот на фазите на хемискиот процес. Индукцијата на голем број средни реакции води до фактот дека почетната бариера за активирање е поделена на неколку пониски бариери, кои реагираат молекули можат да ги надминат многу побрзо од главната.
Механизмот на ензимската реакција може да се претстави на следниов начин:
- поврзување на ензимот (E) и супстратот (S) со формирање на нестабилен комплекс ензим-супстрат (ES): E + S → E-S;
- формирање на активирана преодна состојба: E-S → (ES)*;
- ослободување на реакционите продукти (P) и регенерација на ензимот (Е): (ES)* → P + E.
За да се објасни високата ефикасност на ензимското дејство, предложени се неколку теории за механизмот на ензимска катализа. Најраниот е теорија на Е. Фишер (теоријата на „шаблон“ или „цврста матрица"). Според оваа теорија, ензимот е цврста структура, чиј активен центар е „листа“ на подлогата. Ако супстратот се приближи до активното место на ензимот како „клуч на бравата“, ќе се случи хемиска реакција. Оваа теорија добро објаснува два типа на специфичност на супстратот на ензимите - апсолутна и стереоспецифичност, но се покажува како неодржлива во објаснувањето на групната (релативна) специфичност на ензимите.
Теоријата на „решетката“.врз основа на идеите на G. K. Euler, кој го проучувал дејството на хидролитичките ензими. Според оваа теорија, ензимот се врзува за молекулата на подлогата во две точки, а хемиската врска се растегнува, густината на електроните се прераспределува и хемиската врска е прекината, придружено со додавање на вода. Пред да се приклучи на ензимот, супстратот има „опуштена“ конфигурација. По врзувањето за активниот центар, молекулата на подлогата претрпува истегнување и деформација (се наоѓа во активниот центар како на багажник). Колку се подолги хемиските врски во подлогата, толку полесно се раскинуваат и толку е помала енергијата на активирање на хемиската реакција.
Неодамна стана широко распространета теорија на „индуцирана кореспонденција“ од Д. Кошланд,што овозможува висока конформациска лабилност на молекулата на ензимот, флексибилност и мобилност на активниот центар. Супстратот индуцира конформациски промени во ензимската молекула на таков начин што активниот центар ја презема просторната ориентација неопходна за врзување на подлогата, т.е., подлогата се приближува до активниот центар како „рака до ракавица“.
Според теоријата на индуцирана кореспонденција, механизмот на интеракција помеѓу ензимот и супстратот е како што следува:
- Ензимот, врз основа на принципот на комплементарност, ја препознава и „фаќа“ молекулата на подлогата. Во овој процес, молекулата на протеинот е потпомогната од термичкото движење на неговите атоми;
- амино киселинските остатоци од активниот центар се поместуваат и се прилагодуваат во однос на подлогата;
- хемиските групи ковалентно се додаваат на активното место - ковалентна катализа.
Редоследот на настаните во ензимската катализа може да се опише со следниот дијаграм. Прво, се формира супстрат-ензимски комплекс. Во овој случај, се јавува промена во конформациите на молекулата на ензимот и молекулата на подлогата, втората е фиксирана во активниот центар во напната конфигурација. Така се формира активираниот комплекс, или транзициска состојба, е високо-енергетска средна структура која е енергетски помалку стабилна од матичните соединенија и производи. Најважниот придонес во севкупниот каталитички ефект има процесот на стабилизација на преодната состојба - интеракцијата помеѓу амино киселинските остатоци на протеинот и супстратот, кој е во напната конфигурација. Разликата помеѓу вредностите на слободната енергија за почетните реактанти и состојбата на транзиција одговара на слободната енергија на активирање (ΔG #). Брзината на реакција зависи од вредноста (ΔG #): колку е помала, толку е поголема брзината на реакцијата и обратно. Во суштина, ГД претставува „енергетска бариера“ што мора да се надмине за да се појави реакција. Стабилизирањето на преодната состојба ја намалува оваа „бариера“ или енергија на активирање. Во следната фаза, се случува самата хемиска реакција, по што добиените производи се ослободуваат од комплексот ензим-производ.
Постојат неколку причини за високата каталитичка активност на ензимите, кои ја намалуваат енергетската бариера на реакцијата.
1. Ензимот може да ги врзе молекулите на супстратите кои реагираат на таков начин што нивните реактивни групи ќе бидат лоцирани блиску една до друга и од каталитичките групи на ензимот (ефект зближување).
2. Со формирање на супстрат-ензимски комплекс се постигнува фиксација на подлогата и нејзина оптимална ориентација за кинење и формирање на хемиски врски (ефект ориентација).
3. Врзувањето на подлогата доведува до отстранување на нејзината хидратациска обвивка (постои на супстанции растворени во вода).
4. Ефект на индуцирана кореспонденција помеѓу супстратот и ензимот.
5. Стабилизација на транзициската состојба.
6. Одредени групи во молекулата на ензимот можат да обезбедат киселинско-базната катализа(пренос на протони во подлогата) и нуклеофилна катализа(формирање на ковалентни врски со подлогата, што доведува до формирање на структури кои се пореактивни од подлогата).
Еден пример за киселинско-базна катализа е хидролизата на гликозидните врски во молекулата на муреин со лизозим. Лизозиме ензим присутен во клетките на различни животни и растенија: во солза течност, плунката, пилешки протеини, млеко. Лизозимот од пилешки јајца има молекуларна тежина од 14.600 Da, се состои од еден полипептиден синџир (129 аминокиселински остатоци) и има 4 дисулфидни мостови, што обезбедува висока стабилност на ензимот. Структурната анализа на рендгенските зраци на молекулата на лизозимот покажа дека таа се состои од два домени кои формираат „празнина“ во која се наоѓа активниот центар. По оваа „јаз“ хексосахаридот се врзува, а ензимот има свое место за врзување на секој од шесте шеќерни прстени на муреин (A, B, C, D, E и F) (сл. 6.4).
Молекулата на муреин се задржува во активното место на лизозимот главно поради водородните врски и хидрофобните интеракции. Во непосредна близина на местото на хидролиза на гликозидната врска, постојат 2 аминокиселински остатоци од активниот центар: глутаминска киселина, која ја зазема 35-тата позиција во полипептидот и аспарагинската киселина, 52-та позиција во полипептидот (сл. 6.5). .
Страничните синџири на овие остатоци се наоѓаат на спротивните површини на „расцепот“ во непосредна близина на нападнатата гликозидна врска - на растојание од приближно 0,3 nm. Остатокот од глутамат е во неполарна средина и не е јонизиран, а остатокот од аспартат е во поларна средина; неговата карбоксилна група е депротонирана и учествува како водороден акцептор во сложена мрежа на водородни врски.
Процесот на хидролиза се изведува на следниов начин. Протонираната карбоксилна група на остатокот од Glu-35 го обезбедува својот протон на гликозидниот атом на кислород, што доведува до прекин на врската помеѓу овој атом на кислород и атомот C 1 на шеќерниот прстен лоциран во местото D (фаза на општа киселинска катализа ). Како резултат на тоа, се формира производ кој ги вклучува шеќерните прстени лоцирани во регионите E и F, кои можат да се ослободат од комплексот со ензимот. Конформацијата на шеќерниот прстен лоциран во регионот D е искривена, земајќи ја конформацијата полустолици, во кој пет од шесте атоми кои го формираат шеќерниот прстен лежат практично во иста рамнина. Оваа структура одговара на конформацијата на преодната состојба. Во овој случај, атомот C1 се покажува позитивно наелектризиран, а меѓупроизводот се нарекува карбониум јон (карбокација). Слободната енергија на преодната состојба се намалува поради стабилизирањето на јонот на јаглерод од депротонираната карбоксилна група на остатокот Asp-52 (сл. 6.5).
Во следната фаза, молекулата на вода влегува во реакцијата и го заменува остатокот од дисахарид кој дифузира од регионот на активниот центар. Протонот на молекулата на водата оди во Glu-35, а хидроксил јонот (OH -) до атом C 1 на јонот на јаглерод (фаза на општа основна катализа). Како резултат на тоа, вториот фрагмент од расцепениот полисахарид станува реакционен производ (конформација на стол) и го напушта активниот централен регион, а ензимот се враќа во првобитната состојба и е подготвен да ја спроведе следната реакција на расцепување дисахарид (сл. 6.5). .
Својства на ензимите
Кога ги карактеризираме својствата на ензимите, прво го користиме концептот на „активност“. Ензимската активност се подразбира како количина на ензим што ја катализира конверзијата на одредена количина супстрат по единица време. За да се изрази активноста на ензимските препарати, се користат две алтернативни единици: меѓународна (Е) и „катал“ (кат). Меѓународната единица за ензимска активност се зема како количина на ензим што ја катализира конверзијата на 1 µmol супстрат во производ за 1 минута под стандардни услови (обично оптимални). Еден катал ја означува количината на ензим што ја катализира конверзијата на 1 мол супстрат за 1 секунда. 1 мачка=6*10 7 Д.
Често ензимските препарати се карактеризираат со специфична активност, што го одразува степенот на прочистување на ензимот. Специфична активност е бројот на единици на ензимска активност на 1 mg протеин.
Активноста на ензимите во многу голема мера зависи од надворешните услови, меѓу кои температурата и pH вредноста на околината се од огромно значење. Зголемувањето на температурата во опсег од 0-50 ° C обично доведува до непречено зголемување на ензимската активност, што е поврзано со забрзување на формирањето на комплексот супстрат-ензим и сите последователни каталитички настани. Сепак, понатамошното зголемување на температурата обично е придружено со зголемување на количината на инактивиран ензим поради денатурација на неговиот протеински дел, што се изразува во намалување на активноста. Секој ензим се карактеризира оптимална температура- температурната вредност на која е забележана неговата најголема активност. Почесто, за ензимите од растително потекло, оптималната температура се наоѓа во рамките на 50-60 ° C, а за животинските ензими - помеѓу 40 и 50 ° C. Ензимите на термофилните бактерии се карактеризираат со оптимална многу висока температура.
Комплексна е и зависноста на ензимската активност од pH вредностите на околината. Секој ензим се карактеризира оптимална pH вредностсредина во која покажува максимална активност. Како што се оддалечувате од овој оптимум во една или друга насока, ензимската активност се намалува. Ова се објаснува со промена на состојбата на активниот центар на ензимот (намалување или зголемување на јонизацијата на функционалните групи), како и терциерната структура на целата протеинска молекула, која зависи од односот на катјонските и анјонските центри во него. Повеќето ензими имаат оптимална pH вредност во неутрален опсег. Сепак, постојат ензими кои покажуваат максимална активност на pH 1,5 (пепсин) или 9,5 (аргиназа).
Ензимската активност е предмет на значителни флуктуации во зависност од изложеноста инхибитори(супстанции кои ја намалуваат активноста) и активатори(супстанции кои ја зголемуваат активноста). Улогата на инхибитори и активатори може да ја играат металните катјони, некои анјони, носители на фосфатни групи, редукциони еквиваленти, специфични протеини, средни и финални производи на метаболизмот итн. Овие супстанции можат да навлезат во клетката однадвор или да се произведуваат во неа . Во вториот случај, тие зборуваат за регулирање на ензимската активност - интегрална врска во целокупното регулирање на метаболизмот.
Супстанциите кои влијаат на ензимската активност може да се врзат за активните и алостеричните центри на ензимот, како и надвор од овие центри. Посебни примери на такви појави ќе бидат разгледани во поглавјата 7-19. За да се генерализираат некои модели на инхибиција на ензимската активност, треба да се забележи дека овие појави во повеќето случаи се сведуваат на два вида - реверзибилни и неповратни. За време на реверзибилна инхибицијане се прават промени во молекулата на ензимот по неговата дисоцијација со инхибиторот. Пример е акцијата аналози на подлогата, кој може да се врзе за активното место на ензимот, спречувајќи го ензимот да комуницира со вистинскиот супстрат. Сепак, зголемувањето на концентрацијата на супстратот доведува до „поместување“ на инхибиторот од активното место, а брзината на катализираната реакција се враќа ( конкурентна инхибиција). Друг случај на реверзибилна инхибиција е врзувањето на инхибиторот за протетска група на ензимот, или апоензим, надвор од активниот центар. На пример, интеракцијата на ензимите со јони на тешки метали кои се прикачуваат на сулфидрилните групи на аминокиселински остатоци од ензимот, протеинско-протеински интеракции или ковалентна модификација на ензимот. Оваа инхибиција на активноста се нарекува неконкурентни.
Неповратна инхибицијаво повеќето случаи се заснова на поврзување на т.н. самоубиствени супстрати» со активни места на ензими. Во овој случај, помеѓу подлогата и ензимот се формираат ковалентни врски, кои се разградуваат многу бавно и ензимот не е во состојба да ја врши својата функција долго време. Пример за „самоубиствен супстрат“ е антибиотикот пеницилин (Поглавје 18, Сл. 18.1).
Бидејќи ензимите се карактеризираат со специфичност на дејството, тие се класифицирани според видот на реакцијата што ја катализираат. Според моментално прифатената класификација, ензимите се групирани во 6 класи:
1. Оксидоредуктази (редокс реакции).
2. Трансферази (реакции на пренос на функционални групи помеѓу подлоги).
3. Хидролази (реакции на хидролиза, акцептор на пренесената група е молекула на вода).
4. Лијази (реакции на елиминација на групи на нехидролитички начин).
5. Изомерази (реакции на изомеризација).
6. Лигази, или синтетази (реакции на синтеза поради енергијата на расцепување на нуклеозид трифосфати, најчесто АТП).
Бројот на соодветната ензимска класа е фиксиран во неговото кодно нумерирање (шифра). Ензимскиот код се состои од четири броеви разделени со точки, што ја означува ензимската класа, подкласа, поткласа и сериски број во подкласата.