Ang mga pundasyon ng kinetics ng mga proseso ng enzymatic ay inilatag sa mga gawa ni Michaelis at Menten, lalo na, sa equation ng enzyme-substrate complex.

Ang kinetics ng mga proseso ng enzymatic ay nauunawaan bilang isang seksyon ng agham ng mga enzyme na nag-aaral ng pag-asa ng rate ng isang reaksyon ng enzymatic sa kemikal na kalikasan ng substrate, mga kondisyon sa kapaligiran, at mga extraneous na kadahilanan na nakakaapekto sa kurso ng reaksyon.
Kapag ang konsentrasyon ng substrate ay sapat na mataas, hindi na ito nakakaapekto sa rate, dahil ang huli ay naging maximum (na nagpapahiwatig na ang buong enzyme ay nakatali sa substrate).
Ang pag-aaral ng aktibidad ng enzyme ay isinasagawa sa mataas na konsentrasyon ng mga substrate (zero order ng reaksyon). Sa ilalim ng mga kondisyong ito, ang lahat ng mga pagbabago sa rate ng reaksyon ay depende lamang sa dami ng enzyme. Gayunpaman, sa mga buhay na selula, ang mga konsentrasyon ng substrate ay, bilang panuntunan, malayo sa saturation ng mga enzyme. Nangangahulugan ito na ang mga enzyme sa mga selula ay hindi ginagamit ang kanilang buong kapangyarihan.
Depende sa rate ng reaksyon ng enzymatic sa dami ng enzyme
Kung ang substrate ay labis, na halos ang kaso sa ilalim ng mga eksperimentong kondisyon, kung gayon ang rate ng reaksyon ay proporsyonal sa dami ng enzyme. Ngunit, kung ang dami ng enzyme ay nadagdagan upang ang substrate ay hindi labis, kung gayon ang proporsyonalidad na ito ay lalabag.
Ang rate ng reaksyon ng enzymatic ay tumataas nang linearly sa pagtaas ng nilalaman ng enzyme. Ngunit ang isang labis na pagtaas sa konsentrasyon ng enzyme ay humahantong sa ang katunayan na ang substrate ay nagiging mas mababa kaysa sa enzyme, at ito ay ipinakita sa pamamagitan ng pagbawas sa pagtaas ng rate ng reaksyon.
Mga epekto sa mga modulator ng enzyme
Ang aktibidad ng mga enzyme ay maaaring magbago hindi lamang dahil sa mga pagbabago sa dami ng substrate, enzyme, pH ng daluyan, kundi pati na rin sa ilalim ng impluwensya ng iba't ibang mga kemikal. Ang mga sangkap na nakakaapekto sa kurso ng mga reaksyong enzymatic ay tinatawag na kanilang mga modulator, o mga effector. Nahahati sila sa mga activator at inhibitor, iyon ay, sa ilalim ng kanilang impluwensya, ang reaksyon ay maaaring mapabilis o mabagal. Ang pag-aaral ng pagkilos ng mga modulator ng enzyme ay praktikal na kahalagahan, dahil pinapayagan nito ang isang mas malalim na pag-unawa sa likas na katangian ng pagkilos ng mga enzyme. Ang ilan sa kanila ay gumaganap ng papel na ginagampanan ng natural na mga regulator ng metabolismo. Mayroong maraming mga uri ng mga modulator ng aktibidad ng enzyme na naiiba sa istraktura at mekanismo ng pagkilos.
mga activator ng enzyme
Ang papel na ginagampanan ng mga activator ay maaaring gampanan ng parehong organic (bile acids, enzymes, atbp.) at mga inorganic na sangkap (metal ions, anions). Kadalasan may mga kaso kapag ang parehong sangkap na may kaugnayan sa isang enzyme ay isang activator, at may kaugnayan sa isa pa - isang inhibitor. Ang mga metal ions ay napakaespesipikong mga activator para sa ilang mga enzyme. Maaari silang mag-ambag sa attachment ng substrate sa enzyme, lumahok sa pagbuo ng tertiary na istraktura ng enzyme, o maging bahagi ng aktibong site. Ang mga ion ng maraming metal (sodium, potassium, calcium, magnesium, iron, copper, atbp.) ay mga mahahalagang bahagi na kinakailangan para sa normal na paggana ng maraming enzyme. Minsan, ang ilang mga enzyme ay nangangailangan ng maraming iba't ibang mga ion. Halimbawa, para sa Na +, K + -ATPase, na nagdadala ng mga ion sa pamamagitan ng plasma membrane, ang potassium, sodium at magnesium ions ay kinakailangan para sa normal na paggana.
Ang mga metal ay maaaring maging bahagi ng prosthetic na grupo ng mga enzyme. Halimbawa, ang bakal sa komposisyon ng mga porphyrin compound ay isang kinakailangang bahagi ng mga enzyme ng cytochrome system, catalase at peroxidase; ang cobalt ay kasama sa prosthetic group ng homocysteine ​​​​transmethylase at methylmalonyl isomerase enzymes; tanso - sa ascorbate oxidase; ang manganese ay isang activator ng isocitrate dehydrogenase.
Ang mga metalloenzyme na naglalaman ng karamihan sa mga di- at ​​trivalent na mga ion sa kanilang komposisyon ay bumubuo ng mga claw-like chelate compound na may mga nalalabi ng mga functional na grupo ng mga amino acid at ang kaukulang mga ion. Sa ganitong mga compound, ang mga ion ay nagbibigay ng mga enzyme na may isang tiyak na spatial na istraktura at nag-aambag sa pagbuo ng mga enzyme-substrate complex. Ang ilang mga enzyme sa kawalan ng mga metal ay hindi nagpapakita ng enzymatic action. Halimbawa, ang carbonic anhydrase na walang zinc ay walang mga katangian ng isang enzyme at ang pagkilos ng zinc ay hindi mapapalitan ng anumang iba pang ion.
Mayroong isang pangkat ng mga enzyme na isinaaktibo ng cAMP. Ang ganitong mga enzyme ay tinatawag na protina kinases. Ang mekanismo ng kanilang pag-activate ay ang mga sumusunod. Ang protina kinase ay binubuo ng dalawang subunit: isang catalytic na naglalaman ng aktibong site, at isang regulatory, kung saan matatagpuan ang cAMP binding site. Ang enzyme ay hindi aktibo dahil ang aktibong site nito ay sarado. Ito ay inilabas lamang sa pamamagitan ng pakikipag-ugnayan ng c-AMP at ang sentro ng regulasyon ng enzyme.

Pinag-aaralan ng enzymatic kinetics ang impluwensya ng iba't ibang mga kadahilanan (konsentrasyon ng S at E, pH, temperatura, presyon, mga inhibitor at activator) sa rate ng mga reaksyon ng enzymatic. Ang pangunahing layunin ng pag-aaral ng mga kinetika ng mga reaksyong enzymatic ay upang makakuha ng impormasyon na nagbibigay-daan sa isang mas malalim na pag-unawa sa mekanismo ng pagkilos ng mga enzyme.

Kinetic curve nagbibigay-daan sa iyo upang matukoy ang paunang rate ng reaksyon V 0 .

Kurba ng saturation ng substrate.

Depende sa rate ng reaksyon sa konsentrasyon ng enzyme.

Ang pag-asa ng rate ng reaksyon sa temperatura.

Ang pag-asa ng rate ng reaksyon sa pH.

Ang pinakamainam na pH para sa pagkilos ng karamihan sa mga enzyme ay nasa loob ng physiological range na 6.0-8.0. Aktibo ang pepsin sa pH 1.5-2.0, na tumutugma sa kaasiman ng gastric juice. Ang Arginase, isang partikular na enzyme sa atay, ay aktibo sa 10.0. Ang impluwensya ng pH ng daluyan sa rate ng reaksyon ng enzymatic ay nauugnay sa estado at antas ng ionization ng mga ionogenic na grupo sa molekula ng enzyme at substrate. Tinutukoy ng kadahilanan na ito ang conformation ng protina, ang estado ng aktibong sentro at substrate, ang pagbuo ng enzyme-substrate complex, at ang proseso ng catalysis mismo.

Mathematical na paglalarawan ng substrate saturation curve, Michaelis constant .

Ang equation na naglalarawan sa substrate saturation curve ay iminungkahi nina Michaelis at Menton at nagdala ng kanilang mga pangalan (ang Michaelis-Menten equation): V = (V MAX *[ S])/(km+[ S]) , kung saan ang Km ay ang Michaelis constant. Madaling kalkulahin iyon para sa V = V MAX /2 Km = [S], i.e. Ang Km ay ang konsentrasyon ng substrate kung saan ang rate ng reaksyon ay ½ V MAX. Upang gawing simple ang pagpapasiya ng V MAX at Km, ang Michaelis-Menten equation ay maaaring muling kalkulahin. 1/V = (Km+[S])/(V MAX *[S]), 1/V = Km/(V MAX *[S]) + 1/V MAX ,

1/ V = km/ V MAX *1/[ S] + 1/ V MAX ang Lineweaver-Burk equation. Ang equation na naglalarawan sa Lineweaver-Burk plot ay ang equation ng isang tuwid na linya (y = mx + c), kung saan ang 1/V MAX ay ang segment na naharang ng tuwid na linya sa y-axis; Km/V MAX - padaplis ng slope ng tuwid na linya; ang intersection ng tuwid na linya na may x-axis ay nagbibigay ng halaga na 1/Km. Ang Lineweaver-Burk plot ay nagpapahintulot sa Km na matukoy mula sa medyo maliit na bilang ng mga puntos. Ginagamit din ang graph na ito kapag sinusuri ang epekto ng mga inhibitor, gaya ng tatalakayin sa ibaba. Ang mga halaga ng Km ay nag-iiba sa isang malawak na hanay: mula 10 -6 mol/l para sa napakaaktibong mga enzyme hanggang 10 -2 para sa mga hindi aktibong enzyme.

Ang mga pagtatantya ng km ay may praktikal na halaga. Sa substrate concentrations 100 beses Km, ang enzyme ay gagana sa halos pinakamataas na rate, kaya ang maximum na V MAX rate ay sumasalamin sa dami ng aktibong enzyme na naroroon. Ang sitwasyong ito ay ginagamit upang masuri ang nilalaman ng enzyme sa paghahanda. Bilang karagdagan, ang Km ay isang katangian ng enzyme, na ginagamit upang masuri ang mga enzymopathies.

Pagbabawal sa aktibidad ng enzyme.

Ang isang labis na katangian at mahalagang katangian ng mga enzyme ay ang kanilang hindi aktibo sa ilalim ng impluwensya ng ilang mga inhibitor.

Inhibitor - Ito ay mga sangkap na nagdudulot ng bahagyang o kumpletong pagsugpo ng mga reaksyon na na-catalyze ng mga enzyme.

Ang pagsugpo sa aktibidad ng enzymatic ay maaaring hindi maibabalik o mababalik, mapagkumpitensya o hindi mapagkumpitensya.

hindi maibabalik na pagsugpo - ito ay isang patuloy na hindi aktibo ng enzyme na nagreresulta mula sa covalent binding ng isang inhibitor molecule sa aktibong site o sa isa pang espesyal na site na nagbabago sa conformation ng enzyme. Ang dissociation ng naturang mga matatag na complex na may pagbabagong-buhay ng libreng enzyme ay halos hindi kasama. Upang mapagtagumpayan ang mga kahihinatnan ng naturang pagsugpo, ang katawan ay dapat mag-synthesize ng mga bagong molekula ng enzyme.

Nababaligtad na pagsugpo - ay nailalarawan sa pamamagitan ng equilibrium complexation ng inhibitor na may enzyme dahil sa mga non-covalent bond, bilang isang resulta kung saan ang mga naturang complex ay may kakayahang mag-dissociation sa pagpapanumbalik ng aktibidad ng enzyme.

Ang pag-uuri ng mga inhibitor sa mapagkumpitensya at hindi mapagkumpitensya ay batay sa pagiging attenuated ( mapagkumpitensyang pagsugpo ) o hindi humina ( hindi mapagkumpitensyang pagsugpo ) ang kanilang inhibitory action na may pagtaas sa konsentrasyon ng substrate.

Mga mapagkumpitensyang inhibitor ay, bilang panuntunan, mga compound na ang istraktura ay katulad ng sa substrate. Ito ay nagpapahintulot sa kanila na magbigkis sa parehong aktibong site bilang ang mga substrate, na pumipigil sa pakikipag-ugnayan ng enzyme sa substrate na nasa yugto na ng pagbubuklod. Kapag nakatali, ang inhibitor ay maaaring ma-convert sa isang produkto o manatili sa aktibong site hanggang sa mangyari ang paghihiwalay.

Reversible competitive inhibition ay maaaring kinakatawan bilang isang diagram:

E↔ E-I → E + P 1

S (hindi aktibo)

Ang antas ng pagsugpo ng enzyme ay tinutukoy ng ratio ng substrate at mga konsentrasyon ng enzyme.

Ang isang klasikong halimbawa ng ganitong uri ng pagsugpo ay ang pagsugpo sa aktibidad ng succinate dehydrogenase (SDH) sa pamamagitan ng malate, na nag-aalis ng succinate mula sa substrate site at pinipigilan ang conversion nito sa fumarate:

Ang covalent binding ng inhibitor sa aktibong site ay humahantong sa enzyme inactivation (irreversible inhibition). Isang halimbawa hindi maibabalik na pagsugpo sa kompetisyon Ang inactivation ng triosephosphate isomerase ng 3-chloroacetolphosphate ay maaaring magsilbi. Ang inhibitor na ito ay isang structural analogue ng substrate, dihydroxyacetone phosphate, at hindi maibabalik na nakakabit sa residue ng glutamic acid sa aktibong site:

Ang ilang mga inhibitor ay kumikilos nang hindi gaanong pumipili, na nakikipag-ugnayan sa isang partikular na pangkat na gumagana sa aktibong sentro ng iba't ibang mga enzyme. Kaya, ang pagbubuklod ng iodoacetate o ang amide nito sa pangkat ng SH ng amino acid cysteine, na matatagpuan sa aktibong sentro ng enzyme at nakikibahagi sa catalysis, ay humahantong sa isang kumpletong pagkawala ng aktibidad ng enzyme:

R-SH + JCH 2 COOH → HJ + R-S-CH 2 COOH

Samakatuwid, ang mga inhibitor na ito ay hindi aktibo ang lahat ng mga enzyme na may mga pangkat ng SH na kasangkot sa catalysis.

Ang hindi maibabalik na pagsugpo ng mga hydrolases sa ilalim ng pagkilos ng mga nerve gas (sarin, soman) ay dahil sa kanilang covalent binding sa serine residue sa aktibong sentro.

Ang paraan ng mapagkumpitensyang pagsugpo ay nakahanap ng malawak na aplikasyon sa medikal na kasanayan. Ang mga gamot na sulfanilamide - mga antagonist ng p-aminobenzoic acid, ay maaaring magsilbi bilang isang halimbawa ng mga metabolizable competitive inhibitors. Nagbubuklod sila sa dihydropterate synthetase, isang bacterial enzyme na nagpapalit ng p-aminobenzoate sa folic acid, na kinakailangan para sa paglaki ng bacterial. Ang bacterium ay namatay bilang isang resulta ng katotohanan na ang nakagapos na sulfanilamide ay na-convert sa isa pang tambalan at ang folic acid ay hindi nabuo.

Mga hindi mapagkumpitensyang inhibitor karaniwang nagbubuklod sa molekula ng enzyme sa isang site na naiiba sa substrate na nagbubuklod na site, at ang substrate ay hindi direktang nakikipagkumpitensya sa inhibitor. Dahil ang inhibitor at substrate ay nagbubuklod sa iba't ibang mga sentro, ang E-I complex at ang S-E-I complex ay maaaring mabuo. Ang S-E-I complex ay nasira din upang bumuo ng isang produkto, ngunit sa mas mabagal na rate kaysa sa E-S, kaya ang reaksyon ay bumagal ngunit hindi titigil. Kaya, ang mga sumusunod na parallel na reaksyon ay maaaring maganap:

E↔ E-I ↔ S-E-I → E-I + P

Reversible non-competitive inhibition ay medyo bihira.

Ang mga non-competitive inhibitor ay tinatawag allosteric bilang laban sa competitive isosteric ).

Ang nababaligtad na pagsugpo ay maaaring pag-aralan sa dami batay sa equation ng Michaelis-Menten.

Sa mapagkumpitensyang pagsugpo, ang V MAX ay nananatiling pare-pareho, habang ang Km ay tumataas.

Sa hindi mapagkumpitensyang pagsugpo, bumababa ang V MAX nang walang pagbabago sa Km.

Kung ang produkto ng reaksyon ay pumipigil sa enzyme na nagpapagana sa pagbuo nito, ang pamamaraang ito ng pagsugpo ay tinatawag retroinhibition o pagsugpo ng feedback . Halimbawa, pinipigilan ng glucose ang glucose-6-phosphatase, na nagpapa-catalyze sa hydrolysis ng glucose-6-phosphate.

Ang biological na kahalagahan ng pagsugpo na ito ay ang regulasyon ng ilang mga metabolic pathway (tingnan ang susunod na sesyon).

PRAKTIKAL NA BAHAGI

Takdang-aralin sa mga mag-aaral

1. Upang pag-aralan ang denaturation ng mga protina sa ilalim ng pagkilos ng mga solusyon ng mineral at organic acids at kapag pinainit.

2. I-detect ang NAD coenzyme sa yeast.

3. Tukuyin ang amylase activity sa ihi (blood serum).

9. PAMANTAYAN NG MGA SAGOT SA MGA GAWAIN, mga tanong sa pagsusulit na ginagamit sa kontrol ng kaalaman sa silid-aralan (maaaring nasa anyo ng isang aplikasyon)

10. KALIKASAN AT SAKLAW NG POSIBLENG PAGSASANAY AT GAWAING PANANALIKSIK SA PAKSA

(Partikular na ipahiwatig ang kalikasan at anyo ng UIRS: paghahanda ng mga abstract na presentasyon, independiyenteng pananaliksik, simulation game, pagpaparehistro ng isang medikal na kasaysayan gamit ang monographic literature, atbp. na mga form)

Pinag-aaralan ng mga enzymatic kinetics ang impluwensya ng kemikal na likas na reaksyon ng mga sangkap (enzymes, substrates) at ang mga kondisyon ng kanilang pakikipag-ugnayan (pH, temperatura, konsentrasyon, pagkakaroon ng mga activator o inhibitor) sa rate ng isang reaksyon ng enzymatic. Ang rate ng reaksyon ng enzymatic (u) ay sinusukat sa pamamagitan ng pagbaba sa dami ng substrate o pagtaas ng produkto ng reaksyon bawat yunit ng oras.

Sa isang mababang konsentrasyon ng substrate, ang rate ng reaksyon

direktang proporsyonal sa konsentrasyon nito. Sa isang mataas na konsentrasyon ng substrate, kapag ang lahat ng mga aktibong site ng enzyme ay inookupahan ng substrate ( saturation ng enzyme sa substrate), ang rate ng reaksyon ay pinakamataas, nagiging pare-pareho at hindi nakasalalay sa konsentrasyon ng substrate [S] at ganap na nakasalalay sa konsentrasyon ng enzyme (Larawan 19).

Ang K S ay ang dissociation constant ng enzyme-substrate complex ES, kabaligtaran sa equilibrium constant:

.

Kung mas mababa ang halaga ng K S, mas mataas ang affinity ng enzyme para sa substrate.

kanin. 19. Pag-asa ng rate ng reaksyon ng enzymatic sa konsentrasyon ng substrate sa isang pare-parehong konsentrasyon ng enzyme

Ang dami ng relasyon sa pagitan ng konsentrasyon ng substrate at ang rate ng reaksyon ng enzymatic ay nagpapahayag Michaelis-Menten equation:

,

u ang rate ng reaksyon, ang u max ay ang pinakamataas na rate ng reaksyong enzymatic.

Pinahusay nina Briggs at Haldane ang equation sa pamamagitan ng pagpasok dito Michaelis constant K m natukoy sa eksperimento.

Briggs–Haldane equation:

,

.

Ang Michaelis constant ay numerong katumbas ng substrate concentration (mol/l) kung saan ang enzymatic reaction rate ay kalahati ng maximum (Fig. 20). Ipinapakita ng K m ang affinity ng enzyme sa substrate: mas maliit ang halaga nito, mas malaki ang affinity.

Ang mga pang-eksperimentong halaga ng K m para sa karamihan ng mga reaksyong enzymatic na kinasasangkutan ng isang substrate ay karaniwang 10 -2 -10 -5 M. Kung ang reaksyon ay nababaligtad, kung gayon ang pakikipag-ugnayan ng enzyme sa substrate ng direktang reaksyon ay nailalarawan ng K m na naiiba mula doon para sa substrate ng reverse reaction.

Binago nina G. Lineweaver at D. Burke ang Briggs-Haldane equation at nakuha ang equation ng isang tuwid na linya: y = ax + b (Larawan 21):

.

Ang paraan ng Lineweaver-Burk ay nagbibigay ng mas tumpak na resulta.

kanin. 21. Graphical na kahulugan ng Michaelis constant

ayon sa pamamaraang Lineweaver-Burk

MGA KATANGIAN NG MGA ENZYME

Ang mga enzyme ay naiiba sa mga kumbensyonal na catalyst sa maraming paraan.

Thermolability, o pagiging sensitibo sa pagtaas ng temperatura (Larawan 22).

kanin. 22. Pag-asa ng enzymatic reaction rate sa temperatura

Sa temperaturang hindi hihigit sa 45–50 °C, ang rate ng karamihan sa mga biochemical na reaksyon ay tumataas ng factor na 2 na may pagtaas ng temperatura ng 10 °C ayon sa panuntunan ng van't Hoff. Sa mga temperatura na higit sa 50 °C, ang rate ng reaksyon ay apektado ng thermal denaturation ng enzyme protein, na unti-unting humahantong sa kumpletong pag-deactivate nito.

Ang temperatura kung saan ang catalytic na aktibidad ng isang enzyme ay pinakamataas ay tinatawag na nito pinakamainam na temperatura. Ang pinakamainam na temperatura para sa karamihan ng mga mammalian enzyme ay nasa hanay na 37-40 °C. Sa mababang temperatura (0 °C at mas mababa), ang mga enzyme, bilang panuntunan, ay hindi nawasak, kahit na ang kanilang aktibidad ay bumababa halos sa zero.

Ang pag-asa ng aktibidad ng enzyme sa halaga ng pH ng daluyan(Larawan 23).

Para sa bawat enzyme, mayroong pinakamainam na halaga ng pH ng medium kung saan ito ay nagpapakita ng pinakamataas na aktibidad. pH pinakamabuting kalagayan Ang pagkilos ng mga enzyme ng tissue ng hayop ay nasa loob ng isang makitid na zone ng konsentrasyon ng hydrogen ion, na naaayon sa mga halaga ng physiological pH na 6.0-8.0 na binuo sa proseso ng ebolusyon. Ang mga pagbubukod ay pepsin - 1.5-2.5; arginase - 9.5-10.

kanin. 23. Pag-asa ng enzymatic reaction rate sa pH ng medium

Ang impluwensya ng mga pagbabago sa pH ng medium sa molekula ng enzyme ay binubuo sa epekto sa antas ng ionization ng mga aktibong grupo nito, at, dahil dito, sa tertiary na istraktura ng protina at ang estado ng aktibong sentro. Binabago din ng pH ang ionization ng mga cofactor, substrate, enzyme-substrate complex, at mga produkto ng reaksyon.

Pagtitiyak. Ang mataas na pagtitiyak ng pagkilos ng mga enzyme ay dahil sa conformational at electrostatic complementarity sa pagitan ng mga molekula ng substrate at ng enzyme at ang natatanging istrukturang organisasyon ng aktibong sentro, na tinitiyak ang pagpili ng reaksyon.

Ganap na pagtitiyak - ang kakayahan ng isang enzyme na mag-catalyze ng isang reaksyon. Halimbawa, ang urease ay nag-catalyze ng hydrolysis ng urea sa NH3 at CO2, habang ang arginase ay nag-catalyze ng hydrolysis ng arginine.

Relatibong (pangkat) pagtitiyak - ang kakayahan ng isang enzyme na mag-catalyze ng isang pangkat ng mga reaksyon ng isang tiyak na uri. Relative specificity, halimbawa, ay nagtataglay ng hydrolytic peptidase enzymes, na nag-hydrolyze ng mga peptide bond sa mga molekula ng mga protina at peptides, at lipase, na nag-hydrolyze ng mga ester bond sa mga fat molecule.

stereochemical specificity nagtataglay ng mga enzyme na nagpapagana sa pagbabago ng isa lamang sa mga spatial na isomer. Ang fumarase enzyme ay nag-catalyze sa conversion ng trans-isomer ng butenedioic acid, fumaric acid, sa malic acid, at hindi kumikilos sa cis-isomer, maleic acid.

Ang mataas na pagtitiyak ng pagkilos ng mga enzyme ay nagsisiguro na ang ilang mga reaksiyong kemikal lamang ang nagaganap sa lahat ng posibleng pagbabago.

Mga Katangian ng Enzyme

1. Depende sa rate ng reaksyon sa temperatura

Ang pag-asa ng aktibidad ng enzyme (rate ng reaksyon) sa temperatura ay inilarawan BELL curve na may pinakamataas na bilis sa mga halaga pinakamainam na temperatura para sa isang ibinigay na enzyme. Ang pagtaas sa rate ng reaksyon habang lumalapit ang pinakamabuting kalagayan na temperatura ay ipinaliwanag sa pamamagitan ng pagtaas ng kinetic energy ng mga reacting molecule.

Pagdepende sa temperatura ng rate ng reaksyon

Ang batas sa pagtaas ng rate ng reaksyon ng 2-4 na beses na may pagtaas sa temperatura ng 10 ° C ay may bisa din para sa mga reaksyon ng enzymatic, ngunit sa hanay lamang hanggang 55-60 ° C, i.e. hanggang sa temperatura denaturation mga protina. Sa pagbaba ng temperatura, bumababa ang aktibidad ng mga enzyme, ngunit hindi ganap na nawawala.

Bilang isang pagbubukod, mayroong mga enzyme ng ilang microorganism na umiiral sa tubig ng mga hot spring at geyser; ang kanilang pinakamabuting kalagayan na temperatura ay lumalapit sa kumukulong punto ng tubig. Ang isang halimbawa ng mahinang aktibidad sa mababang temperatura ay ang hibernation ng ilang mga hayop (ground squirrels, hedgehogs), na ang temperatura ng katawan ay bumaba sa 3-5°C. Ang pag-aari na ito ng mga enzyme ay ginagamit din sa pagsasanay sa operasyon sa panahon ng mga operasyon sa lukab ng dibdib, kapag ang pasyente ay sumasailalim sa paglamig sa 22°C.

Ang mga enzyme ay maaaring maging napaka-sensitibo sa mga pagbabago sa temperatura:

• Ang mga Siamese na pusa ay may itim na nguso, mga dulo ng tainga, buntot, mga paa. Sa mga lugar na ito, ang temperatura ay 0.5 ° C lamang na mas mababa kaysa sa mga gitnang rehiyon ng katawan. Ngunit pinapayagan nito ang enzyme na bumubuo ng pigment sa mga follicle ng buhok na gumana, na may kaunting pagtaas sa temperatura, ang enzyme ay hindi aktibo,
• ang kabaligtaran na kaso - kapag bumaba ang temperatura ng kapaligiran sa liyebre, ang enzyme na bumubuo ng pigment ay hindi aktibo at ang liyebre ay nakakakuha ng puting amerikana,
• antiviral na protina interferon nagsisimulang ma-synthesize sa mga cell lamang kapag ang temperatura ng katawan ay umabot sa 38 ° C,

Mayroon ding mga natatanging sitwasyon:

• para sa karamihan ng mga tao, ang pagtaas ng temperatura ng katawan ng 5°C (hanggang 42°C) ay hindi tugma sa buhay dahil sa kawalan ng balanse sa bilis ng mga reaksyong enzymatic. Kasabay nito, natagpuan sa ilang mga atleta na sa pagtakbo ng marathon ang temperatura ng kanilang katawan ay humigit-kumulang 40°C, ang pinakamataas na naitala na temperatura ng katawan ay 44°C.

2. Pagdepende sa rate ng reaksyon sa pH

Inilalarawan din ang dependency BELL curve na may pinakamataas na bilis sa pinakamainam para sa enzyme na ito halaga ng pH.

Ang tampok na ito ng mga enzyme ay mahalaga para sa katawan sa pagbagay nito sa pagbabago ng panlabas at panloob na mga kondisyon. Ang mga pagbabago sa halaga ng pH sa labas at loob ng cell ay gumaganap ng isang papel sa pathogenesis ng mga sakit sa pamamagitan ng pagbabago ng aktibidad ng mga enzyme ng iba't ibang mga metabolic pathway.

Para sa bawat enzyme, mayroong isang tiyak na makitid na hanay ng pH ng daluyan, na pinakamainam para sa pagpapakita ng pinakamataas na aktibidad nito. Halimbawa, ang pinakamainam na halaga ng pH para sa pepsin ay 1.5-2.5, trypsin 8.0-8.5, salivary amylase 7.2, arginase 9.7, acid phosphatase 4.5-5.0, succinate dehydrogenase 9.0.

Ang pag-asa ng rate ng reaksyon sa halaga ng pH

Ang pag-asa ng aktibidad sa kaasiman ng daluyan ay ipinaliwanag sa pamamagitan ng pagkakaroon ng mga amino acid sa istraktura ng enzyme, ang singil na nagbabago sa isang pagbabago sa pH (glutamate, aspartate, lysine, arginine, histidine). Ang isang pagbabago sa singil ng mga radical ng mga amino acid na ito ay humahantong sa isang pagbabago sa kanilang ionic na pakikipag-ugnayan sa panahon ng pagbuo ng tertiary na istraktura ng protina, isang pagbabago sa singil nito at ang hitsura ng ibang pagsasaayos ng aktibong sentro at, samakatuwid. , ang substrate ay nagbubuklod o hindi nagbubuklod sa aktibong sentro.

Ang mga pagbabago sa aktibidad ng mga enzyme na may pagbabago sa pH ay maaari ding adaptive mga function. Halimbawa, sa atay, ang gluconeogenesis enzymes ay nangangailangan ng mas mababang pH kaysa sa glycolysis enzymes, na matagumpay na pinagsama sa pag-aasido ng mga likido sa katawan sa panahon ng pag-aayuno o ehersisyo.

Para sa karamihan ng mga tao, ang mga pagbabago sa pH ng dugo na higit sa 6.8-7.8 (sa rate na 7.35-7.45) ay hindi tugma sa buhay dahil sa isang kawalan ng timbang sa rate ng mga reaksyon ng enzymatic. Kasabay nito, ang ilang marathon runner ay nagpakita ng pagbaba sa pH ng dugo sa dulo ng distansya sa 6.8-7.0. At gayon pa man sila ay patuloy na nagtatrabaho!

3. Pag-asa sa dami ng enzyme

Sa pagtaas ng bilang ng mga molekula ng enzyme, ang rate ng reaksyon ay patuloy na tumataas at direktang proporsyonal sa dami ng enzyme, dahil mas maraming molekula ng enzyme ang gumagawa ng mas maraming molekula ng produkto.

Halos lahat ng biochemical reactions ay enzymatic. Mga enzyme(biocatalysts) ay mga sangkap na may likas na protina na isinaaktibo ng mga metal na kasyon. Humigit-kumulang 2000 iba't ibang mga enzyme ang kilala, at humigit-kumulang 150 sa kanila ang nahiwalay, ang ilan ay ginagamit bilang mga gamot. Trypsin at chymotrypsin ay ginagamit upang gamutin ang brongkitis at pulmonya; pepsin - para sa paggamot ng gastritis; plasmin - para sa paggamot ng atake sa puso; pancreatin - para sa paggamot ng pancreas. Ang mga enzyme ay naiiba sa mga kumbensyonal na catalyst sa (a) mas mataas na aktibidad ng catalytic; (b) mataas na pagtitiyak, ibig sabihin. piling pagkilos.

Ang mekanismo ng isang solong substrate na reaksyon ng enzymatic ay maaaring kinakatawan ng scheme:

kung saan ang E ay isang enzyme,

S - substrate,

ES - enzyme-substrate complex,

Ang R ay ang produkto ng reaksyon.

Ang katangian ng unang yugto ng reaksyong enzymatic ay Michaelis constant (KM). Ang K M ay ang kapalit ng equilibrium constant:

ang Michaelis constant (KM) ay nagpapakilala sa katatagan ng enzyme-substrate complex (ES). Kung mas maliit ang Michaelis constant (KM), mas matatag ang complex.

Ang rate ng isang enzymatic reaction ay katumbas ng rate ng rate-limiting step nito:

kung saan ang k 2 ay ang rate constant, na tinatawag bilang ng mga rebolusyon o molekular na aktibidad ng enzyme.

molekular na aktibidad ng isang enzyme(k 2) ay katumbas ng bilang ng mga molekula ng substrate na sumasailalim sa mga pagbabagong-anyo sa ilalim ng impluwensya ng isang molekula ng enzyme sa 1 minuto sa 25 0 C. Ang pare-parehong ito ay tumatagal ng mga halaga sa saklaw: 1 10 4< k 2 < 6·10 6 мин‾ 1 .

Para sa urease, na nagpapabilis sa hydrolysis ng urea, k 2 = 1.85∙10 6 min‾ 1; para sa adenosine triphosphatase, na nagpapabilis sa hydrolysis ng ATP, k 2 = 6.24∙10 6 min‾ 1; para sa catalase, na nagpapabilis sa pagkabulok ng H 2 O 2, k 2 = 5∙10 6 min‾ 1.

Gayunpaman, ang kinetic equation ng enzymatic reaction sa anyo kung saan ito ay ibinigay sa itaas ay halos imposibleng gamitin dahil sa imposibilidad ng eksperimentong pagtukoy ng konsentrasyon ng enzyme-substrate complex (). Pagpapahayag sa mga tuntunin ng iba pang dami, madaling matukoy sa eksperimento, nakukuha natin ang kinetic equation ng mga reaksyong enzymatic, tinawag Michaelis-Menten equation (1913):

,

kung saan ang produkto k 2 [E]tot ay ang halaga ng pare-pareho, na tinutukoy ng (maximum na bilis).

Ayon sa pagkakabanggit:

Isaalang-alang ang mga espesyal na kaso ng Michaelis-Menten equation.

1) Sa mababang konsentrasyon ng substrate, K M >> [S], samakatuwid

na tumutugma sa kinetic equation ng first order reaction.

2) Sa isang mataas na konsentrasyon ng substrate K m<< [S], поэтому

na tumutugma sa kinetic equation ng zero order reaction.

Kaya, sa isang mababang konsentrasyon ng substrate, ang rate ng reaksyon ng enzymatic ay tumataas na may pagtaas sa nilalaman ng substrate sa system, at sa isang mataas na konsentrasyon ng substrate, ang kinetic curve ay umabot sa isang talampas (ang rate ng reaksyon ay hindi nakasalalay sa konsentrasyon ng substrate) ( Larawan 30).

Figure 30. - Kinetic curve ng enzymatic reaction

Kung [S] = K M, kung gayon

na nagbibigay-daan sa iyong graphically na matukoy ang Michaelis constant K m (Fig. 31).

Figure 31. - Graphical na kahulugan ng Michaelis constant

Ang aktibidad ng enzyme ay naiimpluwensyahan ng: (a) temperatura, (b) kaasiman ng medium, (c) ang pagkakaroon ng mga inhibitor. Ang epekto ng temperatura sa rate ng isang reaksyong enzymatic ay tinalakay sa kabanata 9.3.

Ang impluwensya ng acidity ng medium sa rate ng enzymatic reaction ay ipinapakita sa Figure 32. Ang maximum na aktibidad ng enzyme ay tumutugma sa pinakamainam na halaga ng pH value (pH opt).

Figure 32. - Impluwensya ng kaasiman ng mga solusyon sa aktibidad ng mga enzyme

Para sa karamihan ng mga enzyme, ang pinakamainam na mga halaga ng pH ay nag-tutugma sa mga halaga ng physiological (7.3 - 7.4). Gayunpaman, may mga enzyme na nangangailangan ng isang malakas na acidic (pepsin - 1.5-2.5) o medyo alkalina na kapaligiran (arginase - 9.5 - 9.9) para sa kanilang normal na paggana.

Mga inhibitor ng enzyme- ito ay mga sangkap na sumasakop sa bahagi ng mga aktibong sentro ng mga molekula ng enzyme, bilang isang resulta kung saan bumababa ang rate ng reaksyon ng enzymatic. Ang mga mabibigat na metal na kasyon, mga organikong acid at iba pang mga compound ay kumikilos bilang mga inhibitor.

Lektura 11

Ang istraktura ng atom

Mayroong dalawang kahulugan ng terminong "atom". Atom ay ang pinakamaliit na butil ng elementong kemikal na nagpapanatili ng mga katangiang kemikal nito.

Atom ay isang electrically neutral microsystem na binubuo ng isang positively charged nucleus at isang negatively charged electron shell.

Ang doktrina ng atom ay dumating sa isang mahabang paraan ng pag-unlad. Ang mga pangunahing yugto sa pagbuo ng atomistics ay kinabibilangan ng:

1) natural-pilosopiko yugto - ang panahon ng pagbuo ng konsepto ng atomic na istraktura ng bagay, hindi nakumpirma ng eksperimento (5th century BC - 16th century AD);

2) ang yugto ng pagbuo ng hypothesis tungkol sa atom bilang pinakamaliit na butil ng elemento ng kemikal (XVIII-XIX na siglo);

3) ang yugto ng paglikha ng mga pisikal na modelo na sumasalamin sa pagiging kumplikado ng istraktura ng atom at ginagawang posible na ilarawan ang mga katangian nito (simula ng ika-20 siglo)

4) ang modernong yugto ng atomistics ay tinatawag na quantum mechanical. Quantum mechanics ay isang sangay ng pisika na nag-aaral ng galaw ng elementarya na mga particle.

PLANO

11.1. Ang istraktura ng nucleus. Isotopes.

11.2. Quantum-mechanical na modelo ng electron shell ng atom.

11.3. Mga katangiang pisikal at kemikal ng mga atomo.

Ang istraktura ng nucleus. isotopes

nucleus ng atom- Ito ay isang particle na may positibong charge, na binubuo ng mga proton, neutron at ilang iba pang elementarya na particle.

Karaniwang tinatanggap na ang mga pangunahing elementong particle ng nucleus ay mga proton at neutron. Proton (p) - ito ay isang elementarya na particle na ang relatibong atomic mass ay 1 amu at ang relatibong singil ay + 1. Neutron (n) - ito ay isang elementarya na particle na walang electric charge, ang masa nito ay katumbas ng mass ng isang proton.

Ang nucleus ay naglalaman ng 99.95% ng masa ng isang atom. Sa pagitan ng mga elementarya na particle, kumikilos ang mga espesyal na puwersang nuklear ng extension, na makabuluhang lumampas sa mga puwersa ng electrostatic repulsion.

Ang pangunahing katangian ng isang atom ay singilin kanyang nuclei, katumbas ng bilang ng mga proton at kasabay ng serial number ng elemento sa periodic system ng mga elemento ng kemikal. Ang isang koleksyon (uri) ng mga atom na may parehong nuclear charge ay tinatawag elemento ng kemikal. Ang mga elemento na may mga numero mula 1 hanggang 92 ay matatagpuan sa kalikasan.

isotopes- Ito ay mga atomo ng parehong elemento ng kemikal na naglalaman ng parehong bilang ng mga proton at ibang bilang ng mga neutron sa nucleus.

kung saan ang mass number (A) ay ang masa ng nucleus, z ang singil ng nucleus.

Ang bawat elemento ng kemikal ay pinaghalong isotopes. Bilang isang patakaran, ang pangalan ng isotopes ay nag-tutugma sa pangalan ng isang elemento ng kemikal. Gayunpaman, ang mga espesyal na pangalan ay ipinakilala para sa hydrogen isotopes. Ang kemikal na elemento ng hydrogen ay kinakatawan ng tatlong isotopes:

Bilang p Bilang n

Protium H 1 0

Deuterium D 1 1

Tritium T 1 2

Ang isotopes ng isang elemento ng kemikal ay maaaring maging matatag o radioactive. Ang radioactive isotopes ay naglalaman ng nuclei na kusang bumagsak sa paglabas ng mga particle at enerhiya. Ang katatagan ng isang nucleus ay tinutukoy ng neutron-proton ratio nito.

Ang pagpasok sa katawan, ang mga radionuclides ay nakakagambala sa kurso ng pinakamahalagang proseso ng biochemical, binabawasan ang kaligtasan sa sakit, ipahamak ang katawan sa mga sakit. Pinoprotektahan ng katawan ang sarili mula sa mga epekto ng radiation sa pamamagitan ng piling pagsipsip ng mga elemento mula sa kapaligiran. Ang mga matatag na isotopes ay nangunguna sa radioactive isotopes. Sa madaling salita, hinaharangan ng mga matatag na isotopes ang akumulasyon ng radioactive isotopes sa mga buhay na organismo (Talahanayan 8).

Ang aklat ni S. Shannon na "Nutrition in the Atomic Age" ay nagbibigay ng sumusunod na data. Kung ang isang blocking na dosis ng isang matatag na isotope ng yodo, katumbas ng ~100 mg, ay kinuha nang hindi lalampas sa 2 oras pagkatapos pumasok sa katawan ang I-131, kung gayon ang pagsipsip ng radioiodine sa thyroid gland ay bababa ng 90%.

Ginagamit ang mga radioisotop sa medisina

para sa diagnosis ng ilang mga sakit,

para sa paggamot ng lahat ng uri ng kanser,

para sa pag-aaral ng pathophysiological.

Talahanayan 8 - Epekto ng pagharang ng mga matatag na isotopes