Erinevused:

1. Ensümaatiliste reaktsioonide kiirus on suurem kui anorgaaniliste katalüsaatorite poolt katalüüsitavatel.

2. Ensüümidel on kõrge substraadi spetsiifilisus.

3. Ensüümid on oma keemilise olemuse poolest valgud, katalüsaatorid anorgaanilised.

4. Ensüümid alluvad regulatsioonile (seal on ensüümi aktivaatorid ja inhibiitorid), anorgaanilised katalüsaatorid töötavad reguleerimatult.

5. Ensüümidel on konformatsiooniline labiilsus – võime oma struktuuri veidi muuta, kuna purunevad ja tekivad uued nõrgad sidemed.

6. Ensümaatilised reaktsioonid toimuvad ainult füsioloogilistes tingimustes, kuna need toimivad rakkudes, kudedes ja kehas (need on teatud temperatuuri, rõhu ja pH väärtused).

Üldised omadused ensüümid:

1. ei tarbita katalüüsi käigus;

2. neil on kõrge aktiivsus võrreldes teiste katalüsaatoritega;

3. on kõrge spetsiifilisusega;

4. Labiilsus (ebastabiilsus);

5. Kiirendada ainult neid reaktsioone, mis ei ole vastuolus termodünaamika seadustega.

Üldised omadused anorgaanilised katalüsaatorid:

1. Keemiline olemus – madala molekulmassiga ained;

2. Reaktsiooni käigus muutub katalüsaatori struktuur veidi või ei muutu üldse;

3. Optimaalne pH – tugevalt happeline või aluseline;

4. Reaktsioonikiiruse tõus on palju väiksem kui ensüümide toimel.

Spetsiifilisus – ensüümide väga kõrge selektiivsus substraadi suhtes. Ensüümi spetsiifilisus on seletatav substraadi ja substraadi tsentri ruumilise konfiguratsiooni kokkulangemisega. Ensüümi spetsiifilisuse eest vastutavad nii ensüümi aktiivne keskus kui ka kogu selle valgumolekul. Ensüümi aktiivne sait määrab reaktsiooni tüübi, mida ensüüm suudab läbi viia. Spetsiifilisust on kolme tüüpi: absoluutne, suhteline, stereokeemiline.

absoluutne spetsiifilisus. Ensüümid, mis toimivad ainult ühel substraadil, on sellise spetsiifilisusega. Näiteks sahharaas hüdrolüüsib ainult sahharoosi, laktaas - laktoosi, maltaas - maltoosi, ureaas - uurea, arginaas - arginiin jne.

Suhteline spetsiifilisus on ensüümi võime toimida substraatide rühmale levinud tüüpühendused, st. suhteline spetsiifilisus avaldub ainult teatud tüüpi ühenduse suhtes substraatide rühmas. Näide: lipaas lõhustab loomsete ja taimsete rasvade estersideme. Amülaas hüdrolüüsib tärklise, dekstriinide ja glükogeeni α-glükosiidsideme. Alkoholdehüdrogenaas oksüdeerib alkohole (metanool, etanool jne).

Stereokeemiline spetsiifilisus on ensüümi võime toimida ainult ühele stereoisomeerile. Näiteks: 1) L, B-isomeeria: sülje ja pankrease mahla L-amülaas lõikab tärklises ainult L-glükosiidsidemeid ja ei lõhu kiudude D-glükosiidsidemeid; 2) L- ja B-isomeeria: meie kehas toimuvad transformatsioonid ainult L-aminohapped, tk. neid transformatsioone viivad läbi ensüümid L-oksüdaasid, mis on võimelised reageerima ainult aminohapete L-vormiga; 3) Cis, trans-isomeeria: fumaraathüdrataas suudab trans-isomeeri (fumaarhapet) muuta ainult õunhappeks. Cis-isomeer (maleiinhape) meie kehas selliseid muutusi ei läbi.

Ensüümide lokaliseerimine sõltub nende funktsioonidest. Mõned ensüümid lahustuvad lihtsalt tsütoplasmas, teised aga on seotud teatud organellidega. Näiteks redoksensüümid on koondunud mitokondritesse.

Ektoensüümid - ensüümid, mis paiknevad plasmamembraanis ja toimivad väljaspool seda

Endoensüümid – toimivad raku sees. Nad katalüüsivad biosünteesi ja energia metabolismi reaktsioone.

Eksoensüümid – eritavad rakud keskkond väljaspool rakku lagundavad suured molekulid väiksemateks fragmentideks ja aitavad seeläbi kaasa nende tungimisele rakku. Nende hulka kuuluvad hüdrolüütilised ensüümid, millel on äärmiselt oluline roll mikroorganismide toitumises.

Ensüümide ja anorgaaniliste katalüsaatorite katalüütilise toime võrdlus

Praegu on ensüümide uurimine biokeemias kesksel kohal ja seda peetakse iseseisvaks teaduseks - ensümoloogia . Ensümoloogia saavutusi kasutatakse meditsiinis diagnoosimisel ja ravil, patoloogia tekkemehhanismide uurimisel ning lisaks muudel aladel, nt. põllumajandus, toiduainetööstus, keemia, farmaatsia jne.

Ensüümide struktuur

Metaboliit- aine, mis osaleb ainevahetusprotsessides.

Substraat - aine, mis astub keemilisesse 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. Reeglina asub see nišis (taskus). Ac-s saab eristada kahte piirkonda: substraadi sidumispiirkond, substraadi pindala (kontaktpadi) ja tegelikult katalüütiline keskus .

Enamik substraate moodustab ensüümiga vähemalt kolm sidet, tänu millele 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.

Rühm reguleerivaid ensüüme on allosteerilised keskused , mis asuvad väljaspool aktiivset keskust. Allosteerilisele keskusele saab kinnitada ensüümide aktiivsust reguleerivaid “+” või “–” modulaatoreid.

On lihtsaid ensüüme, mis koosnevad ainult aminohapetest, ja kompleksseid, mis sisaldavad ka madala molekulmassiga mittevalgulisi orgaanilisi ühendeid (koensüüme) ja (või) metalliioone (kofaktoreid).

Koensüümid- Need on mittevalgulised orgaanilised ained, mis osalevad katalüüsis aktiivse keskuse katalüütilise saidi osana. Sel juhul nimetatakse valgukomponenti apoensüüm ja kompleksvalgu katalüütiliselt aktiivne vorm - holoensüüm . Seega: holoensüüm = apoensüüm + koensüüm.

Nad toimivad koensüümidena:

Nukleotiidid

Koensüüm Q

· Glutatioon

Veeslahustuvate vitamiinide derivaadid:

Koensüümi, mis on kovalentsete sidemetega valgu külge kinnitatud, nimetatakse proteeside rühm . Need on näiteks FAD, FMN, biotiin, lipoehape. Proteesirühm ei eraldu valguosast. Koensüümi, mis on seotud valguga mittekovalentsete sidemetega, nimetatakse kaassubstraat . Need on näiteks OVER +, NADP +. Reaktsiooni ajal kinnitub kosubstraat ensüümi külge.

Ensüümi kofaktorid- need on metalliioonid, mis on vajalikud paljude ensüümide katalüütilise aktiivsuse avaldumiseks. Kofaktoritena toimivad kaaliumi, magneesiumi, kaltsiumi, tsingi, vase, raua jne ioonid. Nende roll on mitmekesine, nad stabiliseerivad substraadi molekule, ensüümi aktiivset saiti, selle tertsiaarset ja kvaternaarset struktuuri, tagavad substraadi sidumise ja katalüüsi. Näiteks ATP liitub kinaasidega ainult koos Mg 2+ -ga.

Isoensüümid- Need on sama ensüümi mitmed vormid, mis katalüüsivad sama reaktsiooni, kuid erinevad füüsikaliste ja keemilised omadused(afiinsus substraadi suhtes, katalüüsitud reaktsiooni maksimaalne kiirus, elektroforeetiline liikuvus, erinev tundlikkus inhibiitorite ja aktivaatorite suhtes, optimaalne pH ja termiline stabiilsus). Isoensüümidel on kvaternaarne struktuur, mille moodustavad paarisarv subühikuid (2, 4, 6 jne). Ensüümi isovormid moodustuvad subühikute erinevate kombinatsioonide tulemusena.

Näiteks on laktaatdehüdrogenaas (LDH), ensüüm, mis katalüüsib pöörduv reaktsioon:

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 (HHHH), LDH 2 (HHHM), LDH 3 (HHMM), LDH 4 (HMMM), LDH 5 (MMMM).

H- ja M-tüüpi polüpeptiidahelatel on sama molekulmass, kuid esimestes domineerivad karboksüülaminohapped, teistes diaminohapped, seega on neil erinev laeng ja neid saab elektroforeesiga eraldada.

Hapniku metabolism kudedes mõjutab LDH isosüümi koostist. Seal, kus domineerib aeroobne ainevahetus, on ülekaalus LDH 1, LDH 2 (südamelihas, neerupealised), kus anaeroobne ainevahetus on LDH 4, LDH 5 (skeletilihased, maks). Organismi individuaalse arengu protsessis kudedes toimub hapnikusisalduse ja LDH isovormide muutus. Embrüos on ülekaalus LDH 4, LDH 5. Pärast sündi suureneb mõnes kudedes LDH 1, LDH 2 sisaldus.

Isovormide olemasolu suurendab kudede, elundite ja organismi kui terviku kohanemisvõimet muutuvate tingimustega. Isoensüümi koostist muutes hinnatakse elundite ja kudede metaboolset seisundit.

Ensüümide lokaliseerimine ja jaotamine rakus ja kudedes.

Lokaliseerimisensüümid jagunevad kolme rühma:

I - üldised ensüümid (universaalsed)

II - elundispetsiifiline

III - organellispetsiifiline

Üldised ensüümid leidub peaaegu kõigis rakkudes, tagavad raku elutegevuse, katalüüsides valkude ja nukleiinhapete biosünteesi reaktsioone, biomembraanide ja raku põhiorganellide teket ning energiavahetust. Erinevate kudede ja elundite ühised ensüümid erinevad aga aktiivsuselt.

Organispetsiifilised ensüümid spetsiifiline konkreetsele elundile või koele. Näiteks: Maksa jaoks - arginaas. neerudele ja luukoe- leeliseline fosfataas. Eesnäärme jaoks - CP (happeline fosfataas). Pankrease jaoks - α-amülaas, lipaas. Müokardi jaoks - CPK (kreatiinfosfokinaas), LDH, AST jne.

Ensüümid jaotuvad rakkudes ka ebaühtlaselt. Mõned ensüümid on tsütosoolis kolloidlahustunud olekus, teised aga rakuorganellides (struktureeritud olek).

Organellidespetsiifilised ensüümid. Erinevatel organellidel on spetsiifiline ensüümide komplekt, mis määrab nende funktsioonid.

Organellispetsiifilised ensüümid on intratsellulaarsete moodustiste, organellide markerid:

1) rakumembraan: ALP (aluseline fosfataas), AC (adenülaattsüklaas), K-Na-ATPaas

2) Tsütoplasma: glükolüüsi ensüümid, pentoositsükkel.

3) EPR: hüdroksüülimist (mikrosomaalset oksüdatsiooni) tagavad ensüümid.

4) Ribosoomid: ensüümid, mis tagavad valgusünteesi.

5) Lüsosoomid: sisaldavad hüdrolüütilisi ensüüme, AP (happefosfataas).

6) Mitokondrid: ensüümid oksüdatiivne fosforüülimine, CTK (tsütokroomoksüdaas, suktsinaatdehüdrogenaas), rasvhapete β-oksüdatsioon.

7) Rakutuum: ensüümid, mis tagavad RNA, DNA sünteesi (RNA polümeraas, NAD süntetaas).

8) Nucleolus: DNA-sõltuv RNA polümeraas

Selle tulemusena moodustuvad rakus sektsioonid (kambrid), mis erinevad ensüümide komplekti ja ainevahetuse (ainevahetuse kompartmentaliseerimine) poolest.

Ensüümide hulgast paistab silma väike rühm reguleerivad ensüümid, mis on võimelised reageerima spetsiifilistele regulatiivsetele mõjudele tegevust muutes. Need ensüümid esinevad kõigis elundites ja kudedes ning paiknevad metaboolsete radade alguses või hargnemisel.

Kõikide ensüümide range lokaliseerimine on kodeeritud geenidesse.

Kliinilises diagnostikas kasutatakse laialdaselt organoorganellispetsiifiliste ensüümide aktiivsuse määramist plasmas või vereseerumis.

Töötuba

Üldine ja ökoloogiline biokeemia

"Ensüümid. Ensümaatiline kineetika »

Minski MGEU

UDC 577:574 (076.5)

Valgevene Vabariik keskkonnahariduse eest

Bokut S.B., pea Biokeemia ja biofüüsika osakond, dotsent, Ph.D.

Sjahhovitš V.E., Art.

Bogdanova N.V., biokeemia ja biofüüsika osakonna lektor,

Dokuchaeva E.A., biokeemia ja biofüüsika osakonna lektor,

Drozdov A.S., biokeemia ja biofüüsika osakonna aspirant

Arvustajad:

Kliinilise laboratoorse diagnostika osakond Riigiasutus kõrgharidus"Valgevene kraadiõppe meditsiiniakadeemia";

G.I. Novik, Labori "Mikroorganismide kogu" juhataja

Riiklik teadusasutus "Valgevene Riikliku Teaduste Akadeemia Mikrobioloogia Instituut", bioloogiateaduste kandidaat

P69 Üldise ja ökoloogilise biokeemia töötuba. II osa: „Ensüümid. Ensümaatiline kineetika” / Bokut S.B. jne - Mn., 2013 - 74 lk.

Töötuba sisaldab õppe- ja metoodilisi materjale 2. kursuse üliõpilastega kursuse "Üldine ja ökoloogiline biokeemia" laboratoorseteks töödeks. Iga laboritöö juures teooria alused konkreetsel teemal, kontrollküsimused tunniks ettevalmistamiseks, soovitatava kirjanduse loetelu, tunni ülesannete loetelu, laboritöös kasutatavate instrumentide, materjalide ja reaktiivide kirjeldus. on antud. Lisatud on materjalid, mis kirjeldavad ensüümide klassifikatsiooni, nende aktiivsuse määramise meetodite põhimõtteid, aga ka ensümaatiliste reaktsioonide kineetika põhitõdesid.

Vastab õppekava kursus "Üldine ja ökoloogiline biokeemia" Moskva Riikliku Majandusülikooli üliõpilastele, mis on nimetatud A.D. Sahharov.

O S.B. Bokut, V.E. Sjahhovitš, N.V. Bogdanova, E.A. Dokuchaeva, A.S. Drozdov 2012

– Rahvusvaheline Riiklik Ökoloogiaülikool. PÕRGUS. Sahharova, 2012

Laboratoorsed tööd № 4

Varustus ja materjalid:

Spektrofotomeeter Solar PV 1251B

· Termostaat

Elektripliit

1 ml ja 5 ml klaaspipetid

Automaatsed mikropipetid

Silindrid mõõtmetega 250 ml ja 100 ml

300 ml klaas

klaasist katseklaasid

Katseklaasi riiulid

klaaspulgad

klaasslaidid

Reaktiivid:

Tärklis, 1% lahus

Naatriumhüdroksiid (NaOH), 10% lahus

Vasksulfaat (CuSO 4), 1% lahus

Lugoli lahus (jood, 1% lahus KJ-s, 2,5%)

Vesinikkloriidhape (HCl), 10% lahus

Destilleeritud vesi

Teoreetiline osa

Ensüümid

Elussüsteemid koosnevad üsna piiratud hulgast keemilised elemendid, mis (C, H, O, N, P, S) moodustavad rohkem kui 99% kogu raku massist. Kuna rakkude keemiline koostis erineb oluliselt keemiline koostis maakoor, mis tähendab, et bioloogilised süsteemid on võimelised läbi viima erilisi keemilisi reaktsioone.

Kui vett arvesse ei võta, on peaaegu kõik rakumolekulid süsinikuühendid. Maa keemiliste elementide hulgas on süsinik, millel on eriline koht selle võimes moodustada palju väikeseid ja suuri molekule ( makromolekulid). Aatomi väiksuse ja nelja elektroni olemasolu tõttu väliskihil võivad süsinikuaatomid moodustada tugevaid kovalentsed sidemed teiste aatomitega, aga ka üksteisega, mis viib rõngaste või pikkade ahelate moodustumiseni ja selle tulemusena suurte ja keerukate molekulide tekkeni.

Üks sagedamini kasutatavaid määratlusi bioloogilised süsteemid taandub tõsiasjale, et elusorganismid on autonoomsed isepaljunevad keemilised süsteemid, mis on üles ehitatud spetsiifilisest ja samas üsna piiratud hulgast süsinikku sisaldavatest väikestest molekulidest ja makromolekulidest.

Niisiis, iga organismi elu alus on keemilised protsessid eriline liik. Peaaegu kõik reaktsioonid elusrakus toimuvad ülitõhusate looduslike biokatalüsaatorite, nn ensüümid, või ensüümid. Arvestades raku metaboolseid teid, näib, et rakk suudab läbi viia mis tahes reaktsiooni, mida ta vajab, kasutades selleks sobivat ensüümi. Tegelikkuses see nii ei ole. Kuigi ensüümid on võimsad katalüsaatorid, suudavad nad kiirendada ainult termodünaamilisest vaatepunktist "lubatud" reaktsioone. Paljude energeetiliselt võimalike reaktsioonide hulgas muudavad ensüümid selektiivselt vastavad "reagendid" nn substraadid, füsioloogiliselt kasulikul viisil. Sellel viisil, ensüümid kontrollib kõiki ainevahetusprotsesse kehas.

Kuni viimase ajani arvati, et absoluutselt kõik biokatalüsaatorid on valgulised ained. Kuid 1980. aastatel avastati spetsiifilised madala molekulmassiga katalüütilise aktiivsusega RNA-d. Need katalüütilised RNA-d nimetati analoogia põhjal ribosüümid. Teised tuntud Sel hetkel raku biokatalüsaatorid, mille arv ületab 2500, on valgulise iseloomuga ja neid iseloomustavad kõik valkude omadused. Tänaseks on dešifreeritud sadade erinevate ensüümide aminohappejärjestused, paljud neist on saadud kristallsel kujul, röntgendifraktsioonianalüüsi järgi on loodud ruumiline ruumiline struktuur, kirjeldatud nende toimemehhanisme ning on uuritud nende rolli raku metaboolsetes transformatsioonides.

Nagu anorgaanilised katalüsaatorid, nii ka ensüümid: reaktsiooni käigus ei kulu, suurendavad nii edasi- kui ka vastupidiste reaktsioonide kiirust, ei muuda tasakaaluasendit. Ensüümide valgulise olemuse tõttu on neil aga mitmeid omadusi, mis anorgaanilistele katalüsaatoritele üldiselt ei ole iseloomulikud.

Ensüümide ja anorgaaniliste katalüsaatorite erinevus

1. Ensüümidel on suurem katalüütiline aktiivsus (miljoneid kordi suurem kui anorgaaniliste katalüsaatorite toime). Näiteks valkude hüdrolüüs anorgaaniliste hapete ja leeliste juuresolekul toimub 100 °C juures mitukümmend tundi. Ensüümide osalusel lüheneb see protsess 30–40 ° C juures kümnete minutiteni;

2. Ensüümide katalüütiline aktiivsus avaldub väga leebetes tingimustes (mõõdukad temperatuurid 37–40°C, normaalrõhk, söötme neutraalse pH väärtused 6,0–8,0);

3. Ensüümid on kõrge toime spetsiifilisusega, s.t. iga ensüüm katalüüsib põhimõtteliselt ainult rangelt määratletud keemilist reaktsiooni (võrdluseks – plaatina orgaanilises sünteesis katalüüsib mitukümmend keemilist muundumist);

4. Ensümaatiliste reaktsioonide kiirus sõltub teatud kineetilistest mustritest;

5. Tertsiaarsete ja kvaternaarsete struktuuride moodustumise käigus toimuvad mitmed ensüümid translatsioonijärgselt;

6. Ensüümide molekulid on tavaliselt palju suuremad kui nende substraadid;

7. Ensüümide aktiivsus rakkudes on rangelt kontrollitud ja reguleeritud.

Kõigi eluprotsesside aluseks on tuhanded keemilised reaktsioonid, mida katalüüsivad ensüümid. Ensüümide tähtsuse määras täpselt ja piltlikult kindlaks I. P. Pavlov, nimetades neid "elu aktiveerijad". Rikkumised ensüümide töös põhjustavad tõsiste haiguste esinemist - fenüülketonuuria, glükogenoos, galaktoseemia, türosineemia või elukvaliteedi oluline langus - düslipoproteineemia, hemofiilia.

Teatavasti on keemilise reaktsiooni läbiviimiseks vajalik, et reageerivate ainete koguenergia oleks suurem kui väärtus nn. energiabarjäär reaktsioonid. Energiabarjääri suuruse iseloomustamiseks tutvustas Arrhenius kontseptsiooni aktiveerimise energia. Aktiveerimisenergia ületamine keemilises reaktsioonis saavutatakse kas vastastikmõjus olevate molekulide energia suurendamise teel, näiteks kuumutamise, kiiritamise, rõhu tõstmise teel või reaktsiooniks vajalike energiakulude (s.o aktiveerimisenergia) vähendamisega katalüsaatorite abil.

Aktiveerimisenergia ensüümiga ja ilma

Vastavalt oma funktsioonile on ensüümid bioloogilised katalüsaatorid. Ensüümide, aga ka anorgaaniliste katalüsaatorite toime olemus on:

• reagentide molekulide aktiveerimisel,
• reaktsiooni jagamisel mitmeks etapiks, millest igaühe energiabarjäär on madalam kui kogu reaktsioonil.

Ensüümid ei katalüüsi aga energeetiliselt võimatuid reaktsioone, vaid kiirendavad ainult neid reaktsioone, mis antud tingimustes võivad toimuda.

Ensüümide ja anorgaaniliste katalüsaatorite sarnasused ja erinevused

Reaktsioonide kiirendamine ensüümide abil on väga oluline, näiteks:

A. Ureaas kiirendab üsna stabiilse karbamiidi lagunemise reaktsiooni ammoniaagiks ja veele 10-13 korda, mistõttu kuseteede infektsiooniga (bakteriaalse ureaasi ilmnemine) omandab uriin ammoniaagi lõhna.

B. Mõelge vesinikperoksiidi lagunemisreaktsioonile:

2H 2O 2 → O 2 + 2H 2 O

Kui reaktsioonikiirust ilma katalüsaatorita võtta ühikuna, siis plaatinamustaga suureneb reaktsioonikiirus 2 × 10 4 korda ja aktiveerimisenergia väheneb ensüümi katalaasi juuresolekul 18-12 kcal / mol, reaktsioonikiirus suureneb 2 × 10 11 korda energia aktiveerimisel 2 kcal/mol.

1. Ensüümidel on suurem katalüütiline aktiivsus (miljon korda suurem);

2. Katalüütiline aktiivsus avaldub väga leebetes tingimustes (mõõdukad temperatuurid 37-40ºС, normaalrõhk, söötme neutraalse pH väärtused 6,0÷8,0). Näiteks valkude hüdrolüüs anorgaaniliste hapete ja leeliste juuresolekul toimub temperatuuril 100 °C ja kõrgemal mitukümmend tundi. Ensüümide osalusel võtab see protsess 30÷40ºС juures kümneid minuteid;

3. Ensüümid on kõrge toime spetsiifilisusega, s.t. iga ensüüm katalüüsib põhimõtteliselt ainult rangelt määratletud keemilist reaktsiooni (näiteks plaatina katalüüsib mitukümmend keemilist reaktsiooni);

4. Ensüümide aktiivsus rakkudes on rangelt kontrollitud ja reguleeritud;

5. Ärge põhjustage kõrvaltoimeid;

6. Ensüümide valgulise olemusega seotud erinevused (termiline labiilsus, sõltuvus söötme pH-st, aktivaatorite ja inhibiitorite olemasolu jne).

Ensüümide struktuur

Kuni viimase ajani arvati, et absoluutselt kõik ensüümid on valgulised ained. Kuid 1980ndatel avastati mõnedes madala molekulmassiga RNA-des katalüütiline aktiivsus. Neid ensüüme nimetatakse ribosüümid . Ülejäänud, üle 2000 praegu teadaoleva ensüümi, on valgulise iseloomuga ja neid iseloomustavad kõik valkude omadused.

Struktuuri järgi jagunevad ensüümid:

Lihtne või ühekomponentne;

Komplekssed või kahekomponendilised (holoensüümid).

Lihtsad ensüümid on lihtsad valgud ja lagunevad hüdrolüüsimisel ainult aminohapeteks. Lihtsad ensüümid hõlmavad hüdrolüütilisi ensüüme (pepsiin, trüpsiin, ureaas jne).

Kompleksvalgud on kompleksvalgud ja sisaldavad lisaks polüpeptiidahelatele ka mittevalgukomponenti ( kofaktor ). Enamik ensüüme on kompleksvalgud.

Kahekomponendilise ensüümi valguosa nimetatakse apoensüüm.

Kofaktoritel võib olla erinev sideme tugevus apoensüümiga.

Kui kofaktor on polüpeptiidahelaga tihedalt seotud, nimetatakse seda proteeside rühm . Proteesirühma ja apoensüümi vahel on kovalentne side.

Kui kofaktor on apoensüümist kergesti eraldatav ja võimeline iseseisvalt eksisteerima, siis sellist kofaktorit nimetatakse koensüüm.

Sidemed apoensüümi ja koensüümi vahel on nõrgad – vesinik, elektrostaatiline jne.

Kofaktorite keemiline olemusäärmiselt mitmekesine. Kofaktorite rolli kahekomponentsetes ensüümides mängivad:

1 - enamik vitamiine (E, K, Q, C, H, B 1, B 2, B 6, B 12 jne);

2- nukleotiidse iseloomuga ühendid (NAD, NADP, ATP, CoA, FAD, FMN), samuti mitmed teised ühendid;

3 - lipoehape;

4 - palju kahevalentseid metalle (Mg 2+, Mn 2+, Ca 2+ jne).

Ensüümide aktiivne koht.

Ensüümid on makromolekulaarsed ained, mille molekulmass ulatub mitme miljonini.Ensüümidega interakteeruvad substraatide molekulid on tavaliselt palju väiksema suurusega. Seetõttu on loomulik eeldada, et substraadiga ei interakteeru mitte kogu ensüümi molekul tervikuna, vaid ainult osa sellest, ensüümi nn aktiivne keskus.

Ensüümi aktiivne kese on selle molekuli osa, mis interakteerub otseselt substraatidega ja osaleb katalüüsis.

Ensüümi aktiivne sait moodustub tasemel tertsiaarne struktuur. Seetõttu kaotab ensüüm denatureerimise ajal, kui tertsiaarne struktuur on häiritud, oma katalüütilise aktiivsuse. !

Aktiivne keskus koosneb omakorda:

- katalüütiline keskus mis teostab substraadi keemilise muundamise;

- substraadi keskus (“ankur” ehk kontaktala), mis tagab substraadi kinnitumise ensüümiga, ensüümi-substraadi kompleksi moodustumise.

Katalüütilise ja substraadi tsentrite vahele ei ole alati võimalik selget piiri tõmmata, mõnes ensüümis langevad need kokku või kattuvad.

Lisaks aktiivsele tsentrile on ensüümi molekulis nn. allosteeriline keskus . See on osa ensüümi molekulist, millele on lisatud teatud madala molekulmassiga aine ( efektor ), muutub ensüümi tertsiaarne struktuur. See toob kaasa muutuse aktiivse saidi konfiguratsioonis ja järelikult ka ensüümi aktiivsuse muutumiseni. See on ensüümi aktiivsuse allosteerilise reguleerimise nähtus.

Paljud ensüümid on multimeerid (või oligomeerid ), st. koosneb kahest või enamast allüksusest protomeerid(sarnane valgu kvaternaarsele struktuurile).

Sidemed allüksuste vahel on enamasti mittekovalentsed. Ensüüm avaldab maksimaalset katalüütilist aktiivsust just multimeeri kujul. Dissotsiatsioon protomeerideks vähendab järsult ensüümi aktiivsust.

Ensüümid – multimeerid sisaldavad tavaliselt selget arvu subühikuid (2-4), s.o. on di- ja tetrameerid. Kuigi heksa- ja oktameerid (6-8) on teada ning trimeerid ja pentameerid (3-5) on äärmiselt haruldased.

Multimeerseid ensüüme saab ehitada samadest või erinevatest subühikutest.

Kui subühikutest moodustuvad multimeersed ensüümid erinevat tüüpi, võivad nad eksisteerida mitme isomeerina. Ensüümi mitut vormi nimetatakse isoensüümideks (isoensüümideks või isoensüümideks).

Näiteks ensüüm koosneb neljast A- ja B-tüüpi subühikust. See võib moodustada 5 isomeeri: AAAA, AAAB, AABB, ABBB, BBBB. Need isomeersed ensüümid on isoensüümid.

Isoensüümid katalüüsivad sama keemilist reaktsiooni, toimivad tavaliselt samale substraadile, kuid erinevad mõnede füüsikalis-keemiliste omaduste poolest (molekulmass, aminohapete koostis, elektroforeetiline liikuvus jne), paiknemine elundites ja kudedes.

Eriline ensüümide rühm on nn. multimeersed kompleksid. Need on ensüümide süsteemid, mis katalüüsivad substraadi muundumise järjestikuseid etappe. Selliseid süsteeme iseloomustab sideme tugevus ja ensüümide range ruumiline korraldus, mis tagab substraadi läbimise minimaalse tee ja selle transformatsiooni maksimaalse kiiruse.

Näiteks on multiensüümide kompleks, mis teostab püroviinamarihappe oksüdatiivset dekarboksüülimist. Kompleks koosneb 3 tüüpi ensüümidest (M.v. = 4 500 000).

Ensüümide toimemehhanism

Ensüümide toimemehhanism on järgmine. Substraadi kombineerimisel ensüümiga moodustub ebastabiilne ensüümi-substraadi kompleks. See aktiveerib substraadi molekuli tänu:

1. keemiliste sidemete polariseerumine substraadi molekulis ja elektrontiheduse ümberjaotumine;

2. reaktsioonis osalevate sidemete deformatsioon;

3. substraadimolekulide (S) konvergents ja vajalik vastastikune orientatsioon.

Substraadi molekul fikseeritakse ensüümi aktiivtsentris pingutatud konfiguratsioonis, deformeerunud olekus, mis toob kaasa keemiliste sidemete tugevuse nõrgenemise ja vähendab energiabarjääri taset, s.o. substraat on aktiveeritud.

Ensümaatilise reaktsiooni protsessis eristatakse 4 etappi:

1 - substraadi molekuli kinnitumine ensüümiga ja ensüümi-substraadi kompleksi moodustumine;

2 - substraadi muutumine ensüümi toimel, muutes selle kättesaadavaks keemiliseks reaktsiooniks, s.o. substraadi aktiveerimine;

3 - keemiline reaktsioon;

4 - reaktsiooniproduktide eraldamine ensüümist.

Selle saab kirjutada diagrammina:

E + S ES ES* EP E + P

kus: Е – ensüüm, S – substraat, S* – aktiveeritud substraat, Р – reaktsiooniprodukt.

Esimeses etapis kinnitatakse substraadi molekuli see osa, mis ei läbi keemilisi muundumisi, nõrkade interaktsioonide abil substraadi tsentri külge.

Ensüüm-substraadi kompleksi (ES) moodustamiseks peavad olema täidetud kolm tingimust, mis määravad ensüümi toime kõrge spetsiifilisuse.

Ensüüm-substraadi kompleksi moodustamise tingimused:

1 - struktuurne vastavus substraadi ja ensüümi aktiivse saidi vahel. Fischeri sõnul peaksid need kokku sobima, "nagu luku võti". See sarnasus on tagatud ensüümi tertsiaarse struktuuri tasemel, st. aktiivse funktsionaalrühmade ruumiline paigutus Keskus.

2 Elektrostaatiline vastavus ensüümi ja substraadi aktiivne tsenter, mis on tingitud vastupidiselt laetud rühmade vastastikmõjust.

3 Ensüümi tertsiaarse struktuuri paindlikkus on "indutseeritud vastavus". Forsseeritud või indutseeritud sobivuse teooria kohaselt saab ensüümmolekuli katalüütiliselt aktiivne konfiguratsioon tekkida ainult substraadi kinnitumise hetkel selle deformeeriva toime tulemusena “käsikinda” põhimõttel.

Ühekomponentsete ja kahekomponentsete ensüümide toimemehhanism on sarnane.

Nii apoensüüm kui ka koensüüm osalevad komplekssetes ensüümides ensüümi-substraadi kompleksi moodustamises. Sel juhul asub substraadi keskus tavaliselt apoensüümil ja koensüüm osaleb vahetult substraadi keemilises muundamises. Reaktsiooni viimases etapis vabanevad apoensüüm ja koensüüm muutumatul kujul.

2. ja 3. etapis seostatakse substraadi molekuli transformatsiooni kovalentsete sidemete katkemise ja sulgumisega.

Pärast keemiliste reaktsioonide läbiviimist läheb ensüüm algsesse olekusse ja reaktsiooniproduktid eraldatakse.

Spetsiifilisus

Ensüümi võimet katalüüsida teatud tüüpi reaktsioone nimetatakse spetsiifilisuseks.

Spetsiifilisust on kolme tüüpi:

1. - suhteline või rühmaspetsiifilisus - ensüüm toimib kindlale liigile keemiline side(näiteks ensüüm pepsiin lõikab peptiidsideme);

2. – absoluutne spetsiifilisus - ensüüm toimib ainult ühele rangelt määratletud substraadile (näiteks ensüüm ureaas lõhustab amiidsideme ainult uureas);

3. – stöhhiomeetriline spetsiifilisus - ensüüm toimib ainult ühele stereoisomeerile (näiteks glükosidaasi ensüüm fermenteerib ainult D-glükoosi, kuid ei mõjuta L-glükoosi).

Ensüümi spetsiifilisus tagab metaboolsete reaktsioonide kulgemise korrapärasuse.