Enzimi, ili enzimi(od lat. Fermentum- kvasac) - obično proteinski molekuli ili molekule RNK (ribozimi) ili njihovi kompleksi koji ubrzavaju (katalizuju) hemijske reakcije u živim sistemima. Reaktanti u reakciji koju kataliziraju enzimi nazivaju se supstrati, a nastale tvari nazivaju se produkti. Enzimi su specifični za supstrate (ATPaza katalizira cijepanje samo ATP-a, a fosforilaza kinaza fosforilira samo fosforilazu).

Enzimska aktivnost se može regulisati aktivatorima i inhibitorima (aktivatori - povećanje, inhibitori - smanjenje).

Proteinski enzimi se sintetiziraju na ribosomima, dok se RNK sintetizira u jezgri.

Izrazi "enzim" i "enzim" dugo se koriste kao sinonimi (prvi se uglavnom nalazi u ruskoj i njemačkoj naučnoj literaturi, drugi - u engleskoj i francuskoj).

Nauka o enzimima se zove enzimologija, a ne fermentologija (da se ne miješaju korijeni riječi latinskog i grčkog).

Istorija studija

Termin enzim koji je u 17. veku predložio hemičar van Helmont kada je raspravljao o mehanizmima varenja.

U kon. XVIII - rano. 19. vijek već se znalo da se meso vari želudačnim sokom, a škrob se djelovanjem pljuvačke pretvara u šećer. Međutim, mehanizam ovih pojava bio je nepoznat.

U 19. vijeku Louis Pasteur, proučavajući pretvaranje ugljikohidrata u etilni alkohol pod djelovanjem kvasca, došao je do zaključka da ovaj proces (fermentaciju) katalizira neka vrsta vitalne sile koja se nalazi u stanicama kvasca.

Prije više od sto godina uvjeti enzim i enzim odražavala su različita gledišta u teorijskom sporu između L. Pasteura, s jedne strane, i M. Berthelota i J. Liebiga, s druge strane, o prirodi alkoholne fermentacije. Zapravo enzimi(od lat. fermentum- kiselo tijesto) nazivali su "organizirani enzimi" (odnosno sami živi mikroorganizmi), a termin enzim(od grčkog ἐν- - u- i ζύμη - kvasac, kiselo tijesto) je 1876. predložio W. Kuehne za "neorganizirane enzime" koje luče stanice, na primjer, u želudac (pepsin) ili crijeva (tripsin, amilaza). Dvije godine nakon smrti L. Pasteura 1897. godine, E. Buchner je objavio djelo "Alkoholna fermentacija bez ćelija kvasca", u kojem je eksperimentalno pokazao da sok kvasca bez ćelija vrši alkoholnu fermentaciju na isti način kao i neuništene ćelije kvasca. Za ovo djelo 1907. godine dobio je Nobelovu nagradu. Po prvi put, visoko pročišćeni kristalni enzim (ureaza) izolovao je 1926. J. Sumner. U narednih 10 godina izolovano je još nekoliko enzima i konačno je dokazana proteinska priroda enzima.

Katalitičku aktivnost RNK prvi je put otkrio 1980-ih u pre-rRNA od strane Thomasa Checka, koji je proučavao spajanje RNA u cilijatima. Tetrahymena thermophila. Pokazalo se da je ribozim dio pre-rRNA molekula Tetrahymena kodiranog intronom ekstrahromozomskog gena rDNK; ovaj region je izvršio autosplajsing, odnosno ekscizio se tokom sazrevanja rRNK.

Enzimske funkcije

Enzimi su prisutni u svim živim ćelijama i doprinose transformaciji jednih supstanci (supstrata) u druge (proizvode). Enzimi djeluju kao katalizatori u gotovo svim biohemijskim reakcijama koje se odvijaju u živim organizmima. Do 2013. godine opisano je preko 5.000 različitih enzima. Oni igraju važnu ulogu u svim životnim procesima, usmjeravaju i regulišu metabolizam tijela.

Kao i svi katalizatori, enzimi ubrzavaju i prednju i obrnutu reakciju snižavanjem energije aktivacije procesa. U ovom slučaju, kemijska ravnoteža se ne pomjera ni u naprijed ni u suprotnom smjeru. Posebnost enzima u odnosu na neproteinske katalizatore je njihova visoka specifičnost: konstanta vezivanja nekih supstrata za protein može doseći 10-10 mol/l ili manje. Svaki molekul enzima je sposoban da izvrši od nekoliko hiljada do nekoliko miliona "operacija" u sekundi.

Na primjer, jedan molekul enzima renina koji se nalazi u želučanoj sluznici teleta savija oko 106 molekula kazeinogena mlijeka za 10 minuta na temperaturi od 37 °C.

Istovremeno, efikasnost enzima je mnogo veća od efikasnosti neproteinskih katalizatora - enzimi ubrzavaju reakciju milionima i milijardama puta, neproteinski katalizatori - stotinama i hiljadama puta. Vidi također katalitički savršen enzim

PoglavljeIV.3.

Enzimi

Metabolizam u tijelu može se definirati kao ukupnost svih kemijskih transformacija koje prolaze spojevi koji dolaze izvana. Ove transformacije uključuju sve poznate vrste hemijskih reakcija: intermolekularni transfer funkcionalnih grupa, hidrolitičko i nehidrolitičko cijepanje hemijskih veza, unutarmolekulsko preuređenje, novo formiranje hemijskih veza i oksidativno - smanjenje reakcija. Takve reakcije se odvijaju u tijelu izuzetno velikom brzinom samo u prisustvu katalizatora. Svi biološki katalizatori su supstance proteinske prirode i nazivaju se enzimi (u daljem tekstu F) ili enzimi (E).

Enzimi nisu komponente reakcija, već samo ubrzavaju postizanje ravnoteže povećanjem brzine i direktnih i reverznih transformacija. Do ubrzanja reakcije dolazi zbog smanjenja energije aktivacije - energetske barijere koja razdvaja jedno stanje sistema (početno hemijsko jedinjenje) iz drugog (proizvod reakcije).

Enzimi ubrzavaju različite reakcije u tijelu. Dakle, prilično jednostavno sa stanovišta tradicionalne hemije, reakcija odvajanja vode od ugljene kiseline sa stvaranjem CO 2 zahteva učešće enzima, jer bez toga se odvija presporo da bi regulisao pH krvi. Zahvaljujući katalitičkom djelovanju enzima u tijelu, postaje moguće izvođenje takvih reakcija koje bi išle stotine i hiljade puta sporije bez katalizatora.

Enzimska svojstva

1. Utjecaj na brzinu kemijske reakcije: enzimi povećavaju brzinu kemijske reakcije, ali se sami ne troše.

Brzina reakcije je promjena koncentracije komponenti reakcije u jedinici vremena. Ako ide u smjeru naprijed, tada je proporcionalno koncentraciji reaktanata; ako ide u suprotnom smjeru, onda je proporcionalno koncentraciji produkta reakcije. Omjer brzina naprijed i obrnuto naziva se konstanta ravnoteže. Enzimi ne mogu promijeniti vrijednosti konstante ravnoteže, ali stanje ravnoteže u prisustvu enzima dolazi brže.

2. Specifičnost djelovanja enzima. U ćelijama organizma odvija se 2-3 hiljade reakcija, od kojih je svaka katalizovana određenim enzimom. Specifičnost djelovanja enzima je sposobnost da se ubrza tok jedne određene reakcije bez utjecaja na brzinu drugih, čak i vrlo sličnih.

razlikovati:

Apsolutno– kada F katalizira samo jednu specifičnu reakciju ( arginaza- razgradnja arginina)

Relativno(posebna grupa) - F katalizira određenu klasu reakcija (npr. hidrolitičko cijepanje) ili reakcije koje uključuju određenu klasu supstanci.

Specifičnost enzima je zbog njihove jedinstvene sekvence aminokiselina, koja određuje konformaciju aktivnog centra koji je u interakciji sa komponentama reakcije.

Supstanca čiju hemijsku transformaciju katalizira enzim naziva se supstrat ( S ) .

3. Aktivnost enzima je sposobnost da ubrzaju brzinu reakcije do različitog stepena. Aktivnost se izražava u:

1) Međunarodne jedinice aktivnosti - (IU) količina enzima koji katalizuje konverziju 1 μM supstrata u 1 min.

2) Katalakh (mačka) - količina katalizatora (enzima) sposobnog da pretvori 1 mol supstrata za 1 s.

3) Specifična aktivnost – broj jedinica aktivnosti (bilo koje od gore navedenih) u uzorku za testiranje prema ukupnoj masi proteina u ovom uzorku.

4) Manje često se koristi molarna aktivnost - broj molekula supstrata koje pretvara jedan molekul enzima u minuti.

aktivnost zavisi od temperatura . Ovaj ili onaj enzim pokazuje najveću aktivnost na optimalnoj temperaturi. Za F živog organizma, ova vrijednost je unutar +37,0 - +39,0° C, ovisno o vrsti životinje. Sa smanjenjem temperature, Brownovo kretanje se usporava, brzina difuzije se smanjuje i, posljedično, usporava se proces formiranja kompleksa između enzima i komponenti reakcije (supstrata). U slučaju porasta temperature iznad +40 - +50° Sa molekulom enzima, koji je protein, prolazi kroz proces denaturacije. Istovremeno, brzina hemijske reakcije značajno opada (slika 4.3.1.).

Aktivnost enzima takođe zavisi od srednji pH . Za većinu njih postoji određena optimalna pH vrijednost pri kojoj je njihova aktivnost maksimalna. Budući da ćelija sadrži stotine enzima i svaki od njih ima svoje opt pH granice, promjena pH je jedan od važnih faktora u regulaciji enzimske aktivnosti. Dakle, kao rezultat jedne kemijske reakcije uz sudjelovanje određenog enzima, čija pH vrijednost leži u rasponu od 7,0 - 7,2, nastaje proizvod, koji je kiselina. U ovom slučaju, pH vrijednost se pomjera u područje od 5,5 - 6,0. Aktivnost enzima naglo opada, brzina stvaranja proizvoda se usporava, ali se aktivira drugi enzim za koji su ove pH vrijednosti optimalne, a proizvod prve reakcije podvrgava se daljnjoj kemijskoj transformaciji. (Još jedan primjer o pepsinu i tripsinu).

Hemijska priroda enzima. Struktura enzima. Aktivni i alosterični centri

Svi enzimi su proteini sa molekulskom težinom od 15.000 do nekoliko miliona Da. Po hemijskoj strukturi jesu jednostavno enzimi (sastoje se samo od AA) i kompleks enzimi (imaju neproteinski dio ili prostetičku grupu). Proteinski dio se zove apoenzim, i neprotein, ako je kovalentno vezan za apoenzim, tada se naziva koenzim, a ako je veza nekovalentna (jonska, vodikova) - kofaktor . Funkcije protetske grupe su sljedeće: sudjelovanje u činu katalize, kontakt između enzima i supstrata, stabilizacija molekula enzima u prostoru.

Kao kofaktor obično djeluju neorganske tvari - joni cinka, bakra, kalija, magnezija, kalcija, željeza, molibdena.

Koenzimi se mogu smatrati sastavnim dijelom molekula enzima. To su organske supstance, među kojima su: nukleotidi ( ATP, UMF itd.), vitamini ili njihovi derivati ( TDF- od tiamina ( U 1), FMN- od riboflavina ( U 2), koenzim A- od pantotenske kiseline ( U 3), NAD i dr.) i tetrapirol koenzimi - hemi.

U procesu katalize reakcije sa supstratom ne dolazi u kontakt cijela molekula enzima, već određeni dio, koji se naziva aktivni centar. Ova zona molekula se ne sastoji od niza aminokiselina, već nastaje kada se proteinski molekul uplete u tercijarnu strukturu. Odvojeni dijelovi aminokiselina približavaju se jedni drugima, formirajući određenu konfiguraciju aktivnog centra. Važna karakteristika struktura aktivnog centra - njegova površina je komplementarna površini supstrata, tj. AA ostaci ove zone enzima su u stanju da uđu u hemijsku interakciju sa određenim grupama supstrata. To se može zamisliti aktivno mjesto enzima odgovara strukturi supstrata poput ključa i brave.

AT aktivni centar razlikuju se dvije zone: vezivni centar, odgovoran za pričvršćivanje podloge, i katalitičkog centra odgovoran za hemijsku transformaciju supstrata. Sastav katalitičkog centra većine enzima uključuje AA kao što su Ser, Cys, His, Tyr, Lys. Složeni enzimi u katalitičkom centru imaju kofaktor ili koenzim.

Pored aktivnog centra, brojni enzimi su opremljeni regulatornim (alosteričnim) centrom. Tvari koje utiču na njegovu katalitičku aktivnost stupaju u interakciju sa ovom zonom enzima.

Mehanizam djelovanja enzima

Čin katalize sastoji se od tri uzastopne faze.

1. Formiranje kompleksa enzim-supstrat tokom interakcije kroz aktivni centar.

2. Vezivanje supstrata događa se na nekoliko tačaka aktivnog centra, što dovodi do promjene strukture supstrata, njegove deformacije zbog promjene energije veze u molekuli. Ovo je druga faza i naziva se aktivacija supstrata. Kada se to dogodi, određena hemijska modifikacija supstrata i njegova transformacija u novi proizvod ili proizvode.

3. Kao rezultat takve transformacije, nova tvar (proizvod) gubi sposobnost zadržavanja u aktivnom centru enzima i enzim-supstrat, odnosno kompleks enzim-proizvod, disocira (raspada).

Vrste katalitičkih reakcija:

A + E \u003d AE \u003d BE \u003d E + B

A + B + E \u003d AE + B \u003d ABE = AB + E

AB + E \u003d ABE \u003d A + B + E, gdje je E enzim, A i B su supstrati ili produkti reakcije.

Enzimski efektori - tvari koje mijenjaju brzinu enzimske katalize i time reguliraju metabolizam. Među njima se razlikuju inhibitori - usporavanje brzine reakcije i aktivatori - ubrzanje enzimske reakcije.

U zavisnosti od mehanizma inhibicije reakcije, razlikuju se kompetitivni i nekompetitivni inhibitori. Struktura molekula kompetitivnog inhibitora slična je strukturi supstrata i poklapa se sa površinom aktivnog centra poput ključa sa bravom (ili se skoro poklapa). Stepen ove sličnosti može biti čak i veći nego kod supstrata.

Ako je A + E = AE = BE = E + B, onda I + E = IE¹

Koncentracija enzima sposobnog za katalizu opada i brzina formiranja produkta reakcije naglo opada (slika 4.3.2.).

Veliki broj hemikalija endogenog i egzogenog porijekla (tj. nastalih u tijelu i koji dolaze izvana – ksenobiotika, respektivno) djeluju kao kompetitivni inhibitori. Endogene supstance su regulatori metabolizma i nazivaju se antimetaboliti. Mnogi od njih se možda koriste u liječenju onkoloških i mikrobnih bolesti. inhibiraju ključne metaboličke reakcije mikroorganizama (sulfonamida) i tumorskih stanica. Ali s viškom supstrata i niskom koncentracijom kompetitivnog inhibitora, njegovo djelovanje se poništava.

Druga vrsta inhibitora je nekonkurentna. Oni stupaju u interakciju sa enzimom izvan aktivnog mesta, a višak supstrata ne utiče na njihovu inhibitornu sposobnost, kao što je slučaj sa kompetitivnim inhibitorima. Ovi inhibitori stupaju u interakciju ili sa određenim grupama enzima (teški metali se vezuju za tiol grupe Cys) ili najčešće sa regulatornim centrom, što smanjuje sposobnost vezivanja aktivnog centra. Stvarni proces inhibicije je potpuna ili djelomična supresija aktivnosti enzima uz održavanje njegove primarne i prostorne strukture.

Postoje i reverzibilna i ireverzibilna inhibicija. Ireverzibilni inhibitori inaktiviraju enzim formiranjem hemijske veze sa njegovim AA ili drugim strukturnim komponentama. Obično je to kovalentna veza s jednim od mjesta aktivnog centra. Takav kompleks se praktično ne razdvaja u fiziološkim uslovima. U drugom slučaju, inhibitor narušava konformacionu strukturu molekula enzima - uzrokujući njegovu denaturaciju.

Djelovanje reverzibilnih inhibitora može se ukloniti suviškom supstrata ili djelovanjem tvari koje mijenjaju kemijsku strukturu inhibitora. Kompetitivni i nekompetitivni inhibitori su u većini slučajeva reverzibilni.

Osim inhibitora, poznati su i aktivatori enzimske katalize. Oni su:

1) štite molekule enzima od inaktivirajućih efekata,

2) formiraju kompleks sa supstratom, koji se aktivnije vezuje za aktivni centar F,

3) u interakciji sa enzimom koji ima kvartarnu strukturu, oni odvajaju njegove podjedinice i time otvaraju pristup supstratu do aktivnog centra.

Raspodjela enzima u tijelu

Enzimi uključeni u sintezu proteina, nukleinskih kiselina i enzimi energetskog metabolizma prisutni su u svim stanicama tijela. Ali ćelije koje rade posebne funkcije sadrže posebne enzime. Dakle, ćelije Langerhansovih otočića u pankreasu sadrže enzime koji kataliziraju sintezu hormona inzulina i glukagona. Enzimi koji su svojstveni samo ćelijama određenih organa nazivaju se organski specifični: arginaza i urokinaza- jetra, kisela fosfataza- prostata. Promjenom koncentracije takvih enzima u krvi, procjenjuje se prisutnost patologija u ovim organima.

U ćeliji su pojedinačni enzimi raspoređeni po citoplazmi, drugi su ugrađeni u membrane mitohondrija i endoplazmatskog retikuluma, takvi enzimi formiraju pretinci, u kojoj se javljaju određene, blisko povezane faze metabolizma.

Mnogi enzimi se formiraju u ćelijama i izlučuju u anatomske šupljine u neaktivnom stanju - to su proenzimi. Često se u obliku proenzima formiraju proteolitički enzimi (razgradni proteini). Zatim, pod uticajem pH ili drugih enzima i supstrata, dolazi do njihove hemijske modifikacije i aktivni centar postaje dostupan supstratima.

Postoje također izoenzimi - enzimi koji se razlikuju po molekularnoj strukturi, ali obavljaju istu funkciju.

Nomenklatura i klasifikacija enzima

Naziv enzima formiran je od sljedećih dijelova:

1. naziv supstrata sa kojim stupa u interakciju

2. priroda katalizirane reakcije

3. naziv klase enzima (ali ovo nije obavezno)

4. sufiks -aza-

piruvat - dekarboksil - aza, sukcinat - dehidrogen - aza

Pošto je već poznato oko 3 hiljade enzima, oni moraju biti klasifikovani. Trenutno je usvojena međunarodna klasifikacija enzima, koja se zasniva na tipu katalizirane reakcije. Postoji 6 klasa, koje su zauzvrat podijeljene u nekoliko podklasa (u ovoj knjizi su predstavljene samo selektivno):

1. Oksidoreduktaze. Katalizuju redoks reakcije. Podijeljeni su u 17 podklasa. Svi enzimi sadrže neproteinski dio u obliku hema ili derivata vitamina B 2, B 5. Supstrat koji prolazi kroz oksidaciju djeluje kao donator vodonika.

1.1. Dehidrogenaze uklanjaju vodonik iz jednog supstrata i prenose ga na druge supstrate. Koenzimi NAD, NADP, FAD, FMN. Oni prihvataju vodonik koji je enzim odcijepio, pretvarajući se u reducirani oblik (NADH, NADPH, FADH) i prenose ga u drugi kompleks enzim-supstrat, gdje se predaje.

1.2. Oksidaza - katalizuje prijenos vodika u kisik uz stvaranje vode ili H2O2. F. Cytochromaxysdase respiratorni lanac.

RH + NAD H + O 2 = ROH + NAD + H 2 O

1.3. monooksidaze - citokrom P450. Prema svojoj strukturi, i hemo- i flavoprotein. Hidroksilira lipofilne ksenobiotike (prema gore opisanom mehanizmu).

1.4. Peroksidazei katalaze- katalizuju razgradnju vodikovog peroksida, koji nastaje tokom metaboličkih reakcija.

1.5. Oksigenaze - kataliziraju reakcije dodavanja kisika u supstrat.

2. Transferaze - katalizuju prijenos različitih radikala sa molekula donora na molekul akceptora.

ALI a+ E + B = E a+ A + B = E + B a+ A

2.1. Metiltransferaza (CH 3 -).

2.2 Karboksil- i karbamoiltransferaze.

2.2. aciltransferaze - koenzim A (transfer acil grupe - R-C=O).

Primjer: sinteza neurotransmitera acetilholina (vidi poglavlje "Metabolizam proteina").

2.3. Heksozil transferaze kataliziraju prijenos glikozilnih ostataka.

Primjer: odvajanje molekula glukoze iz glikogena pod djelovanjem fosforilaza.

2.4. Aminotransferaze - prijenos amino grupa

R 1- CO - R 2 + R 1 - CH - NH 3 - R 2 \u003d R 1 - CH - NH 3 - R 2 + R 1 - CO - R 2

sviraju važnu ulogu u transformaciji AK. Uobičajeni koenzim je piridoksal fosfat.

primjer: alanin aminotransferaza(AlAT): piruvat + glutamat = alanin + alfa-ketoglutarat (vidi poglavlje "Metabolizam proteina").

2.5. Fosfotransfereza (kinaza) - katalizuje prijenos ostatka fosforne kiseline. U većini slučajeva, ATP je donor fosfata. Enzimi ove klase su uglavnom uključeni u proces razgradnje glukoze.

primjer: Hekso (gluko) kinaza.

3. Hidrolaze - katalizuju reakcije hidrolize, tj. cijepanje tvari sa dodavanjem na mjestu prekida veze vode. Ova klasa uključuje uglavnom probavne enzime, jednokomponentni su (ne sadrže neproteinski dio)

R1-R2 + H 2 O \u003d R1H + R2OH

3.1. Esteraze - razgrađuju bitne veze. Ovo je velika podklasa enzima koji kataliziraju hidrolizu tiol estera, fosfoestera.
Primjer: NH 2 ).

primjer: arginaza(ciklus uree).

4. Liases - kataliziraju reakcije cijepanja molekula bez dodavanja vode. Ovi enzimi imaju neproteinski dio u obliku tiamin pirofosfata (B 1) i piridoksal fosfata (B 6).

4.1. Lijaze C-C veze. Obično se nazivaju dekarboksilaze.

primjer: piruvat dekarboksilaze.

5.Izomeraze - katalizuju reakcije izomerizacije.

Primjer: fosfopentoza izomeraza, pentoza fosfat izomeraza(enzimi neoksidativne grane pentozofosfatnog puta).

6. Ligaze kataliziraju sintezu složenijih tvari iz jednostavnih. Takve reakcije se odvijaju uz trošenje ATP energije. Sintetaza se dodaje nazivu takvih enzima.

LITERATURA ZA POGLAVLJE IV.3.

1. Biševski A. Š., Tersenov O. A. Biohemija za doktora // Ekaterinburg: Uralski radnik, 1994, 384 str.;

2. Knorre D. G., Myzina S. D. biološka hemija. - M.: Više. škola 1998, 479 str.;

3. Filippovič Yu. B., Egorova T. A., Sevastyanova G. A. Radionica o općoj biohemiji // M.: Prosveschenie, 1982, 311 str.;

4. Lehninger A. Biochemistry. Molekularne osnove strukture i funkcije ćelije // M.: Mir, 1974, 956 str.;

5. Pustovalova L.M. Radionica o biohemiji // Rostov na Donu: Phoenix, 1999, 540 str.

Pošaljite svoj dobar rad u bazu znanja je jednostavno. Koristite obrazac ispod

Studenti, postdiplomci, mladi naučnici koji koriste bazu znanja u svom studiranju i radu biće vam veoma zahvalni.

Hostirano na http://www.allbest.ru/

Uvod

biološki enzim protein

Koliko znamo, u našem organizmu postoji mnogo enzima koji doprinose realizaciji metaboličkih procesa (disanje, probava, kontrakcija mišića, fotosinteza) koji određuju sam proces života. Stoga su lijekovi dobili široku primjenu u liječenju bolesti praćenih gnojno-nekrotičnim procesima, trombozama i tromboembolijama, te probavnim poremećajima. Enzimski preparati su takođe počeli da nalaze primenu u lečenju onkoloških bolesti.

Enzimi igraju prilično važnu ulogu u mnogim tehnološkim procesima. Enzimi Visoka kvaliteta omogućavaju poboljšanje tehnologije, smanjenje troškova, pa čak i dobijanje novih proizvoda.

Trenutno se enzimi koriste u više od 25 industrija: ovo je prehrambena industrija, te farmaceutska, celulozna i papirna, laka, kao i u poljoprivreda.

Svrha mog sažetka je: detaljno proučavanje pojmova enzima i enzimske katalize (biokatalize).

1) Šta su enzimi, kakvu ulogu imaju?

2) Struktura i mehanizam djelovanja enzima.

3) Razmotrite funkcije enzima.

4) Princip delovanja enzima.

5) Klasifikacija enzima.

6) Obim enzima.

7) Metode izolacije enzima.

8) Faktori koji utiču na enzimske reakcije?

1. Šta su enzimi i kakvu ulogu imaju?

Enzimi su organske tvari proteinske prirode koje se sintetiziraju u stanicama i višestruko ubrzavaju reakcije koje se u njima odvijaju bez kemijskih transformacija. Supstance koje imaju sličan učinak postoje u neživoj prirodi i nazivaju se katalizatori. Enzimi se ponekad nazivaju enzimima (od grčkog en - unutra, zyme - kvasac). Sve žive ćelije sadrže veoma veliki skup enzima, o čijoj katalitičkoj aktivnosti zavisi funkcionisanje ćelija. Gotovo svaka od mnogih različitih reakcija koje se dešavaju u ćeliji zahtijeva učešće određenog enzima. Učenjem hemijska svojstva enzimi i reakcije koje se njima kataliziraju bave se posebnom, vrlo važnom područjem biokemije - enzimologijom.

Mnogi enzimi su u ćeliji u slobodnom stanju, jednostavno rastvoreni u citoplazmi; drugi su povezani sa složenim visoko organizovanim strukturama. Postoje i enzimi koji su normalno izvan ćelije; tako, enzime koji katalizuju razgradnju škroba i proteina pankreas luči u crijeva. Luče enzime i mnoge mikroorganizme.

Prvi podaci o enzimima dobijeni su proučavanjem procesa fermentacije i varenja. L. Pasteur je dao veliki doprinos proučavanju fermentacije, ali je vjerovao da samo žive ćelije mogu izvršiti odgovarajuće reakcije. Početkom 20. vijeka E. Buchner je pokazao da se fermentacija saharoze sa stvaranjem ugljičnog dioksida i etil alkohola može katalizirati ekstraktom kvasca bez ćelija. to važno otkriće služio je kao stimulans za izolaciju i proučavanje ćelijskih enzima. Godine 1926, J. Sumner sa Univerziteta Cornell (SAD) izolovao je ureazu; bio je to prvi enzim dobijen u praktično čistom obliku. Od tada je otkriveno i izolovano više od 700 enzima, ali mnogo više ih postoji u živim organizmima. Identifikacija, izolacija i proučavanje svojstava pojedinačnih enzima zauzimaju centralno mjesto u modernoj enzimologiji.

Enzimi uključeni u osnovne procese pretvorbe energije, kao što su razgradnja šećera, stvaranje i hidroliza visokoenergetskog spoja adenozin trifosfata (ATP), prisutni su u svim vrstama stanica – životinjskim, biljnim, bakterijskim. Međutim, postoje enzimi koji se proizvode samo u tkivima određenih organizama. Dakle, enzimi uključeni u sintezu celuloze nalaze se u biljnim stanicama, ali ne i u životinjskim stanicama. Stoga je važno razlikovati "univerzalne" enzime i enzime specifične za određene tipove stanica. Općenito govoreći, što je stanica specijalizovanija, veća je vjerovatnoća da će sintetizirati skup enzima potrebnih za obavljanje određene ćelijske funkcije.

Do danas je poznato preko 3000 enzima. Svi oni imaju niz specifičnih svojstava koja ih razlikuju od anorganskih katalizatora. Samo u ljudskom tijelu svake sekunde se dešavaju hiljade enzimskih reakcija. Enzimi igraju važnu ulogu u svim životnim procesima, usmjeravaju i regulišu metabolizam tijela.

Takođe treba napomenuti da sve Živa priroda postoji isključivo putem biokatalize. Nije ni čudo veliki ruski fiziolog, Nobelovac I.P. Pavlov je enzime nazvao nosiocima života.

2. Struktura i mehanizam djelovanja enzima

Kao i svi proteini, enzimi se sintetiziraju kao linearni lanac aminokiselina koji se savija na specifičan način. Svaka sekvenca aminokiselina se savija na specifičan način, a rezultirajući molekul (proteinska globula) ima jedinstvena svojstva. Nekoliko proteinskih lanaca može se kombinovati u proteinski kompleks. Tercijarna struktura proteina se uništava kada se zagrije ili izloži određenim kemikalijama.

Rice. 1. Struktura enzima

3. Enzimske funkcije

Enzimi su prisutni u svim živim ćelijama i doprinose transformaciji određenih supstanci (podloge) drugima (proizvodi).

Enzimi djeluju kao katalizatori u gotovo svim biohemijskim reakcijama koje se odvijaju u živim organizmima – katalizuju više od 4000 različitih biohemijskih reakcija.

Enzimi igraju važnu ulogu u svim životnim procesima, usmjeravaju i regulišu metabolizam tijela.

Kao i svi katalizatori, enzimi ubrzavaju i prednju i obrnutu reakciju snižavanjem energije aktivacije procesa. U ovom slučaju, kemijska ravnoteža se ne pomjera ni u naprijed ni u suprotnom smjeru.

Posebnost enzima u poređenju sa neproteinskim katalizatorima je njihova visoka specifičnost - konstanta vezivanja nekih supstrata za protein može dostići 10? 10 mol/l ili manje. Svaki molekul enzima je sposoban da izvrši od nekoliko hiljada do nekoliko miliona "operacija" u sekundi.

Na primjer, jedan molekul enzima renina koji se nalazi u mukoznoj membrani želuca teleta za 10 minuta na temperaturi od 37°C zgruša oko 106 molekula mlečnog kazeinogena.

4. Kako enzimi rade

Supstanca koja prolazi kroz transformaciju u prisustvu enzima naziva se supstrat. Supstrat se pridružuje enzimu, što ubrzava razbijanje nekih hemijskih veza u njegovoj molekuli i stvaranje drugih; rezultirajući proizvod se odvaja od enzima.

Enzimi nisu podložni trošenju tokom reakcije. Oni se oslobađaju po završetku reakcije i odmah su spremni za početak sljedeće reakcije. Teoretski, ovo se može nastaviti u nedogled, barem dok ne potroše sav supstrat. U praksi, zbog njihove osjetljivosti i organskog sastava, životni vijek enzima je ograničen.

Prema figurativnom izrazu koji se koristi u biohemijskoj literaturi, enzim se približava supstratu poput „ključa od brave“. Ovo pravilo je formulisao E. Fischer 1894. na osnovu toga da je specifičnost djelovanja enzima unaprijed određena strogom korespondencijom između geometrijske strukture supstrata i aktivnog centra enzima. Enzim se vezuje za supstrat i formira kratkotrajni kompleks enzim-supstrat (formiranje srednjeg kompleksa). Međutim, iako ovaj model objašnjava visoku specifičnost enzima, on ne objašnjava fenomen stabilizacije prelaznog stanja koji se uočava u praksi. Tokom 1950-ih, ovaj statički pogled zamijenjen je hipotezom D. Koshlanda o induciranoj usklađenosti supstrata i enzima. Njegova se suština svodi na činjenicu da se prostorna korespondencija između strukture supstrata i aktivnog centra enzima stvara u trenutku njihove međusobne interakcije, što se može izraziti formulom "rukavica-ruka". Enzimi općenito nisu kruti, već fleksibilni molekuli. Aktivno mjesto enzima može promijeniti konformaciju nakon vezivanja supstrata. Bočne grupe aminokiselina aktivnog mjesta zauzimaju položaj koji omogućava enzimu da izvrši svoju katalitičku funkciju. U nekim slučajevima, molekul supstrata također mijenja konformaciju nakon vezivanja za aktivno mjesto. Za razliku od modela zaključavanja ključa, model induciranog uklapanja objašnjava ne samo specifičnost enzima, već i stabilizaciju prijelaznog stanja.

Ali u procesu veći razvoj nauke, hipoteza Koshlanda postepeno se zamjenjuje hipotezom topohemijske korespondencije. Zadržavajući glavne odredbe hipoteze o međusobno induciranom podešavanju supstrata i enzima, skreće pažnju na činjenicu da je specifičnost djelovanja enzima prvenstveno zbog prepoznavanja onog dijela supstrata koji se ne mijenja tokom katalize. . Između ovog dijela supstrata i supstratnog centra enzima nastaju brojne hidrofobne interakcije u tačkama i vodikove veze.

5. Klasifikacija enzima

Sada je poznato oko 2 hiljade enzima, ali ova lista nije potpuna. Ovisno o vrsti katalizirane reakcije, svi enzimi se dijele u 6 klasa:

Š Enzimi koji katalizuju redoks reakcije oksidoreduktaze;

Š Prenosni enzimi različitih grupa (metil, amino i fosfo grupe i druge) - transferaze.

Š Enzimi koji vrše hidrolizu hemijskih veza - hidrolaze

Š Enzimi nehidrolitičkog cijepanja sa supstrata različitih grupa (NH3, CO2, H2O i dr.) - liaze.

Š Enzimi koji ubrzavaju sintezu veza u biološkim molekulima uz učešće donatora energije, kao što su ATP - ligaze.

III Enzimi koji katalizuju pretvaranje izomera jedan u drugi su izomeraze.

Oksidoreduktaza su enzimi koji katalizuju redoks procese u tijelu. Oni vrše prijenos vodika i elektrona i poznati su pod zajedničkim nazivima kao dehidrogenaze, oksidaze i peroksidaze. Ovi enzimi se razlikuju po tome što imaju specifične koenzime i prostetske grupe. Dijele se na funkcionalne grupe donora iz kojih primaju vodonik ili elektrone i akceptore na koje ih prenose (u CH-OH grupu, CH - NH grupu, C-NH grupu i druge).

Transferaze- to su enzimi koji prenose atomske grupe (u zavisnosti od toga koju grupu prenose, prema tome se nazivaju). Transferaze, zbog raznovrsnosti ostataka koje nose, učestvuju u srednjem metabolizmu.

Hidrolaze- to su enzimi koji kataliziraju hidrolitičko cijepanje različitih supstrata (uz sudjelovanje molekula vode). Ovisno o tome, među njima se razlikuju esteraze, koje cijepaju estersku vezu između karboksilnih kiselina (lipaze) tiol estera, fosfoestersku vezu i tako dalje; glikozidaze koje cijepaju glikozidne veze, peptidne hidrolaze koje djeluju na peptidne veze i druge.

Liase- ova grupa uključuje enzime koji mogu odcijepiti različite grupe sa supstrata na nehidrolitički način uz stvaranje dvostrukih veza ili, naprotiv, dodati grupe u dvostruka veza. Cijepanje proizvodi H2O ili CO2 ili velike ostatke - na primjer acetil - CoA. Liaze igraju veoma važnu ulogu u metaboličkom procesu.

Izomeraze- enzimi koji kataliziraju transformaciju izomernih oblika jedan u drugi, odnosno provode intramolekularnu transformaciju različitih grupa. To ne uključuje samo enzime koji stimuliraju reakcije međusobnih prijelaza optičkih i geometrijskih izomera, već i one koji mogu potaknuti konverziju aldoza u ketoze.

Ligaze. Ranije se ovi enzimi nisu odvajali od lijaza, jer reakcija ovih potonjih često teče u dva smjera, ali je nedavno otkriveno da se sinteza i raspadanje u većini slučajeva odvijaju pod utjecajem različitih enzima, pa se na osnovu toga izdvaja posebna klasa ligaza (sintetaza) je izoliran. Enzimi dvostrukog djelovanja nazivaju se bifunkcionalni. Ligaze sudjeluju u reakciji spajanja dvaju molekula, odnosno sintetičkim procesima praćenim cijepanjem makroenergetskih veza ATP-a ili drugih makroerga.

“Prva podjela enzima na najveće grupe (6 klasa) nije zasnovana na nazivu supstrata, već na prirodi kemijske reakcije koju enzim katalizira. Nadalje, unutar klasa, enzimi su podijeljeni u podklase, vođeni strukturom supstrata. Podklase kombinuju enzime date klase koji deluju na slično konstruisane supstrate. Podjela se tu ne završava. Enzimi svake potklase podijeljeni su u podklase, u kojima je struktura još strože rafinirana. hemijske grupe razlikovanje supstrata jedan od drugog. Potklasa je posljednji najniži nivo klasifikacije. Unutar podklasa, pojedinačni enzimi su već navedeni.

6. Obim enzima

Possessing visok stepen selektivnost, enzime koriste živi organizmi za izvođenje velikog broja kemijskih reakcija velikom brzinom; oni zadržavaju svoju aktivnost ne samo u mikroprostoru ćelije, već i izvan tela. Enzimi se široko koriste u industrijama kao što su pečenje, pivarstvo, vinarstvo, proizvodnja čaja, kože i krzna, proizvodnja sira, kuhanje (za preradu mesa) itd. AT poslednjih godina enzimi su se počeli koristiti u finoj hemijskoj industriji za izvođenje takvih reakcija organska hemija, kao oksidacija, redukcija, deaminacija, dekarboksilacija, dehidracija, kondenzacija, kao i za odvajanje i izolaciju izomera aminokiselina L-serije (tokom hemijske sinteze nastaju racemične smjese L- i D-izomera), koje se koristi se u industriji, poljoprivredi, medicini. Ovladavanje suptilnim mehanizmima djelovanja enzima nesumnjivo će pružiti neograničene mogućnosti za dobivanje korisnih tvari u velikim količinama i velikom brzinom. laboratorijskim uslovima skoro 100% prinos. Trenutno se razvija nova grana nauke - industrijska enzimologija, koja je osnova biotehnologije. Enzim kovalentno vezan („ušiven“) za bilo koji organski ili anorganski polimerni nosač (matriks) naziva se imobiliziranim. Tehnika imobilizacije enzima omogućava rješavanje niza ključnih pitanja enzimologije: osiguravanje visoke specifičnosti djelovanja enzima i povećanje njihove stabilnosti, lakoće rukovanja, mogućnosti ponovne upotrebe i njihove upotrebe u sintetičkim reakcijama u struji. Primjena ove tehnike u industriji naziva se inženjerska enzimologija. Brojni primjeri svjedoče o ogromnim mogućnostima inženjerske enzimologije u raznim oblastima industrije, medicine i poljoprivrede. Konkretno, imobilizirana β-galaktozidaza pričvršćena na magnetnu mješalicu koristi se za smanjenje sadržaja laktoze u mlijeku, tj. proizvod koji se ne razgrađuje u organizmu bolesnog djeteta s nasljednom intolerancijom na laktozu. Ovako tretirano mlijeko također se mnogo duže čuva zamrznuto i ne zgušnjava se. Razvijeni su projekti za dobivanje prehrambenih proizvoda od celuloze, pretvaranje iste uz pomoć imobiliziranih enzima - celulaza - u glukozu, koja se može pretvoriti u prehrambeni proizvod - škrob. Uz pomoć enzimske tehnologije, u principu, moguće je dobiti i prehrambene proizvode, posebno ugljikohidrate, iz tekućeg goriva (ulja), razgrađujući ga do gliceraldehida, a zatim iz njega sintetizirajući glukozu i škrob uz sudjelovanje enzima. Bez sumnje, modeliranje uz pomoć inženjerske enzimologije procesa fotosinteze ima veliku budućnost, tj. prirodni proces fiksacije CO2; Osim imobilizacije, ovaj proces, vitalan za čitavo čovječanstvo, zahtijevat će razvoj novih originalnih pristupa i korištenje niza specifičnih imobiliziranih koenzima. Kao primer imobilizacije enzima i njihove upotrebe u industriji, predstavljamo dijagram kontinuiranog procesa za dobijanje aminokiseline alanina i regeneraciju koenzima (posebno NAD) u model sistemu (slika 2). U ovom sistemu, početni supstrat (mlečna kiselina) se pumpa u reaktorsku komoru koja sadrži NAD+ i dve NAD zavisne dehidrogenaze imobilisane na dekstranu: laktat i alanin dehidrogenaze; sa suprotnog kraja reaktora, produkt reakcije - alanin - se uklanja određenom brzinom.

Rice. 2. Šema kontinuiranog procesa za dobijanje aminokiseline

Takvi reaktori našli su primjenu u farmaceutskoj industriji, na primjer, u sintezi antireumatoidnog lijeka prednizolona iz hidrokortizona. Osim toga, mogu poslužiti kao model za upotrebu u sintezi i proizvodnji esencijalnih faktora, jer se uz pomoć imobiliziranih enzima i koenzima mogu usmjeravati spregnute kemijske reakcije (uključujući biosintezu esencijalnih metabolita) čime se eliminira nedostatak tvari u nasljednim metaboličkim defektima. Tako, uz pomoć novog metodološkog pristupa, nauka čini svoje prve korake u oblasti „sintetičke biohemije“. Ništa manje važna područja istraživanja su imobilizacija ćelija i stvaranje industrijskih sojeva mikroorganizama koji proizvode vitamine i esencijalne aminokiseline metodama genetskog inženjeringa (genetičkog inženjeringa). Imobilizacija tiroidnih ćelija za određivanje tireostimulirajućeg hormona u biološkim tekućinama ili ekstraktima tkiva može se navesti kao primjer medicinske primjene napretka u biotehnologiji. Sljedeće na redu je stvaranje biotehnološke metode za dobijanje nekaloričnih slatkiša, tj. zaslađivači hrane koji mogu stvoriti sladak osjećaj bez visokog sadržaja kalorija. Jedna od ovih obećavajućih supstanci je aspartam, koji je metil ester dipeptida - aspartilfenilalanina (vidi ranije). Aspartam je skoro 300 puta slađi od šećera, bezopasan je i razgrađuje se u tijelu na prirodne slobodne aminokiseline: asparaginsku kiselinu (aspartat) i fenilalanin. Aspartam će nesumnjivo naći široku primjenu kako u medicini tako i u prehrambenoj industriji (u SAD se, na primjer, koristi za dječju hranu i dodaje se umjesto šećera u dijetnu Coca-Colu). Za proizvodnju aspartama metodama genetskog inženjeringa potrebno je dobiti ne samo slobodnu asparaginsku kiselinu i fenilalanin (prekursore), već i bakterijski enzim koji katalizira biosintezu ovog dipeptida. Značaj inženjerske enzimologije, kao i biotehnologije općenito, će se povećati u budućnosti. Prema procenama stručnjaka, proizvodnja svih biotehnoloških procesa u hemijskoj, farmaceutskoj, prehrambenoj industriji, medicini i poljoprivredi, dobijenih za godinu dana u svetu, do 2000. godine iznosiće desetine milijardi dolara. 2000. godine proizvodnja metoda genetskog inženjeringa L-treonina i vitamina B2. Već do 1998. godine očekuje se proizvodnja niza enzima, antibiotika, β1-, β-, r-interferona; Inzulin i preparati hormona rasta su u fazi kliničkih ispitivanja. U zemlji je pokrenuta proizvodnja reagensa za enzimske imunoesejske metode za određivanje mnogih hemijskih komponenti u biološkim tečnostima korišćenjem hibridomske tehnologije.

7. Metode ekstrakcije enzima

Proces izolacije proteina počinje prijenosom proteina tkiva u otopinu. Da bi se to postiglo, tkivo (materijal) iz kojeg se dobija enzim pažljivo se melje u homogenizatoru u prisustvu puferske otopine. Za bolje uništavanje ćelija materijalu se dodaje kvarcni pijesak ako se materijal samlje u malteru. Kao rezultat, dobije se kaša - homogenat. Ako nije izvršeno prethodno frakcionisanje ćelijskih organela, homogenat sadrži fragmente ćelija, jezgra, hloroplaste i druge ćelijske organele, rastvorljive pigmente i proteine.

Prilikom izolacije enzima iz tkiva živih organizama, uključujući biljke, potrebno je poštivati uvjete koji ne uzrokuju denaturaciju proteina. Svi radovi se izvode na niskoj temperaturi (40 C) i pri pH vrijednostima puferske otopine koje su optimalne za ovaj enzim.

Nakon prelaska enzima iz tkiva u otopljeno stanje, homogenat se podvrgava centrifugiranju da se odvoji nerastvorljivi dio materijala, a zatim se slijedeći enzimi izoluju u odvojenim frakcijama ekstrakta-centrifugata.

Pošto su svi enzimi proteini, za dobijanje prečišćenih enzimskih preparata koriste se iste metode izolacije kao i kod rada sa proteinima.

Metode odabira:

precipitacija proteina organskim rastvaračima;

soljenje;

metoda elektroforeze;

metoda jono-izmjenjivačke hromatografije;

Metoda centrifugiranja

metoda gel filtracije;

metoda afinitetne hromatografije ili metoda afinitetne hromatografije;

selektivna denaturacija.

8. Faktori koji utiču na enzimske reakcije

Na aktivnost enzima, a time i na brzinu reakcija enzimske katalize, utiču različiti faktori:

Š Koncentracija i dostupnost supstrata. Pri konstantnoj količini enzima, brzina raste s povećanjem koncentracije supstrata. Ova reakcija podliježe zakonu glumačke mase i razmatra se u svjetlu Michaelis-Mentonove teorije.

Ø Koncentracija enzima. Koncentracija enzima je uvijek relativno niska. Brzina bilo kojeg enzimskog procesa u velikoj mjeri ovisi o koncentraciji enzima. Za većinu primjena u hrani, brzina reakcija je proporcionalna koncentraciji enzima. Izuzetak je kada su reakcije prilagođene na vrlo niske razine supstrata.

W Temperatura reakcije. Do određene temperature (u prosjeku do 50°C), katalitička aktivnost se povećava, a za svakih 10°C stopa konverzije supstrata se povećava za oko 2 puta. Općenito, za enzime životinjskog porijekla ona se kreće između 40 i 50°C, a biljnog porijekla između 50 i 60°C. Najoptimalnija temperatura je 37 o C, pri kojoj se procesi u živom organizmu odvijaju brzo, štedeći veliki broj energije. Međutim, postoje enzimi sa višim temperaturnim optimumom, na primjer, papain ima optimum na 80°C. Istovremeno, katalaza ima optimalnu temperaturu djelovanja između 0 i -10°C.

SH pH reakcija. Svaki enzim ima određeni raspon pH vrijednosti pri kojem enzim pokazuje maksimalnu aktivnost. Međutim, najbolji uvjeti za njihovo funkcioniranje su blizu neutralnih pH vrijednosti. U oštro kiseloj ili oštro alkalnoj sredini, samo neki enzimi rade dobro. Utjecaj pH podloge na djelovanje enzima zasniva se na činjenici da dolazi do promjene naboja različitih proteinskih grupa u aktivnom centru enzima, što uzrokuje značajnu promjenu konformacije polipeptidnog lanca.

Š Trajanje procesa. Za reakciju enzimske katalize prvog reda, brzina reakcije se smanjuje tokom vremena kako se smanjuje dostupnost supstrata. Za takve reakcije enzimske katalize potrebno je dosta vremena da se završe.

III Prisustvo inhibitora ili aktivatora. Hemikalije koje mogu izazvati štetno dejstvo na reakciju fermentacije nazivaju se "inhibitori". Kao takve supstance mogu delovati metali (bakar, gvožđe, kalcijum) ili jedinjenja iz supstrata. Neke supstance su u stanju da aktiviraju ili stabilizuju enzime. Prisustvo određenih jona u reakcionom mediju može aktivirati formiranje aktivnog supstrata enzimskog kompleksa iu tom slučaju će se povećati brzina enzimske reakcije. Takve supstance se nazivaju aktivatori.

Zaključak

U ovom eseju ispitali smo jednu od biološki aktivnih supstanci, odnosno enzime. Enzimi su biološki katalizatori proteinske prirode koji ubrzavaju kemijske reakcije ui izvan živih organizama. Enzimi imaju jedinstvena svojstva koja ih razlikuju od konvencionalnih organskih katalizatora. Ovo je, prije svega, neobično visoka katalitička aktivnost. Još jedno važno svojstvo enzima je selektivnost njihovog djelovanja.

Važno svojstvo enzima, koje se mora uzeti u obzir u njihovoj praktičnoj upotrebi, je stabilnost, tj. njihovu sposobnost da održe katalitičku aktivnost.

Zbog visoke specifičnosti enzima, u tijelu ne vlada haos: svaki enzim obavlja strogo dodijeljene funkcije bez utjecaja na tok mnogih desetina i stotina drugih reakcija koje se dešavaju u njegovoj okolini. Uloga enzima u životu organizama je velika.

Budućnost enzima je veoma interesantna. Tehnologija za otkrivanje i proizvodnju novih enzima napreduje velikom brzinom. Ranije je upotreba i proizvodnja enzima evoluirala uglavnom putem pokušaja i grešaka. Budući da su detalji koji utiču na hemiju i djelovanje enzima bili slabo poznati, u preparatima su korištene mješavine najsvestranijih enzima. Zahvaljujući novim istraživanjima, specifičniji enzimi se mogu koristiti u proizvodnji proizvoda na tržištu.

Danas, tehnologije u razvoju svakim danom otkrivaju sve više i više novih čuda stvaranja života, a "biomimetika" kao nauka za primjer bira odlične sisteme u organizmima živih bića, stvarajući izume po njihovoj slici i sličnosti za dobrobit i dobrobit ljudi. Naučnici će pokušati pronaći hemijske analoge enzima i na osnovu njih stvoriti nove industrijske procese.

Književnost

1. "Biofizička hemija" / A.G. Pasynsky [Tekst] -375 str.

2. Nechaev A.P., Kochetkova A.A., Zaitsev A.N. / Aditivi u hrani [Tekst] // M., 2001. - 232 str.

3. "Osnove biohemije" / G.A. Smirnova. [Tekst] -278 str.

4. "Enzimi-motori života" / V.I. Rosengart. [Tekst] -378 str.

5." enciklopedijski rječnik mladi biolog” / M.S. Gilyarov. [Tekst] -488 str.

Hostirano na Allbest.ru

...

Slični dokumenti

Karakteristike enzima, organskih katalizatora proteinske prirode, koji ubrzavaju reakcije neophodne za funkcionisanje živih organizama. Uvjeti djelovanja, proizvodnje i upotrebe enzima. Bolesti povezane s poremećenom proizvodnjom enzima.

prezentacija, dodano 19.10.2013

Klasifikacija enzima, njihove funkcije. Konvencije imenovanja enzima, struktura i mehanizam njihovog djelovanja. Opis kinetike jednosupstratnih enzimskih reakcija. Modeli "ključ-brava", indukovana korespondencija. Modifikacije, kofaktori enzima.

prezentacija, dodano 17.10.2012

Hemijski sastav, priroda i struktura proteina. Mehanizam djelovanja enzima, vrste njihove aktivacije i inhibicije. Moderna klasifikacija i nomenklatura enzima i vitamina. Mehanizam biološke oksidacije, glavni lanac respiratornih enzima.

cheat sheet, dodano 20.06.2013

Proučavanje biološke uloge enzima u mehanizmima interakcije između adrenergičkog i peptidergijskog sistema. Određivanje aktivnosti enzima fluorometrijskom metodom. Proučavanje hipofize, hipotalamusa, moždanih hemisfera i kvadrigemine mužjaka pacova.

članak, dodan 01.09.2013

Definicija enzima kao specifičnih proteina prisutnih u svim živim ćelijama bioloških katalizatora. Prostornost strukturne molekule enzima, proces biosinteze oksidoreduktaze, transferaze, hidrolaze, liaze, izomeraze i ligaze.

test, dodano 27.01.2011

Koncept enzima kao globularnih proteina koji se sastoje od jednog ili više polipeptidnih lanaca. Strukturne karakteristike jednostavnih i složenih enzima. Supstratni, alosterični i katalitički centri u strukturi jednostavnih i složenih enzima.

prezentacija, dodano 07.02.2017

Enzimi (enzimi) su katalitički proteini. Karakteristike, funkcija i principi strukture enzima. Uslovi za maksimalnu aktivnost, kofaktori i koenzimi. Raspodjela enzima u tijelu. Dijagnostička vrijednost markera, sekretornih i izoenzima.

prezentacija, dodano 28.11.2015

Biološki značaj, klasifikacija, proučavanje i regulacija katalitičke aktivnosti enzima biološka membrana, njihove razlike od rastvorljivih enzima. Metode rekonstrukcije proteina. Funkcije lipida i metode za proučavanje njihovog djelovanja na membranske enzime.

seminarski rad, dodan 13.04.2009

Karakterizacija biosinteze kao procesa formiranja organskih supstanci u ćelijama uz pomoć enzima i unutarćelijskih struktura. Članovi biosinteze proteina. Sinteza RNK koristeći DNK kao šablon. Uloga i značaj ribozoma.

prezentacija, dodano 21.12.2013

Enzimi, ili enzimi - proteinski molekuli ili njihovi kompleksi koji ubrzavaju hemijske reakcije u živim sistemima; koenzimi i supstrati: istorijat proučavanja, klasifikacija, nomenklatura, funkcije. Struktura i mehanizam djelovanja enzima, njihov biomedicinski značaj.

Istorija studija

Termin enzim koji je u 17. veku predložio hemičar van Helmont kada je raspravljao o mehanizmima varenja.

U kon. XVIII - rano. 19. vijek već se znalo da se meso vari želudačnim sokom, a škrob se djelovanjem pljuvačke pretvara u šećer. Međutim, mehanizam ovih pojava bio je nepoznat.

Klasifikacija enzima

Prema vrsti kataliziranih reakcija, enzimi se dijele u 6 klasa prema hijerarhijskoj klasifikaciji enzima (KF, - Enzyme Comission code). Klasifikaciju je predložila Međunarodna unija za biohemiju i molekularnu biologiju (International Union of Biochemistry and Molecular Biology). Svaka klasa sadrži podklase, tako da je enzim opisan skupom od četiri broja odvojena tačkama. Na primjer, pepsin ima naziv EC 3.4.23.1. Prvi broj otprilike opisuje mehanizam reakcije koju katalizira enzim:

CF 1: Oksidoreduktaza koji katalizuju oksidaciju ili redukciju. Primjer: katalaza, alkohol dehidrogenaza.
CF 2: Transferaze koji katalizuju transfer hemijskih grupa sa jednog supstratnog molekula na drugi. Među transferazama posebno se izdvajaju kinaze, koje prenose fosfatnu grupu, u pravilu, iz molekule ATP.
CF 3: Hidrolaze koji katalizuju hidrolizu hemijskih veza. Primjer: esteraze, pepsin, tripsin, amilaza, lipoprotein lipaza.
CF 4: Liase, katalizujući razbijanje hemijskih veza bez hidrolize sa stvaranjem dvostruke veze u jednom od proizvoda.
CF 5: Izomeraze, katalizirajući strukturne ili geometrijske promjene u molekulu supstrata.
CF 6: Ligaze, katalizujući stvaranje hemijskih veza između supstrata usled hidrolize ATP-a. Primjer: DNK polimeraza.

Kinetičko istraživanje

Najjednostavniji opis kinetika enzimske reakcije sa jednim supstratom je Michaelis-Menten jednačina (vidi sliku). Do danas je opisano nekoliko mehanizama djelovanja enzima. Na primjer, djelovanje mnogih enzima opisano je shemom "ping-pong" mehanizma.

Godine 1972-1973. stvoren je prvi kvantno-mehanički model enzimske katalize (autori M. V. Volkenshtein, R. R. Dogonadze, Z. D. Urushadze i drugi).

Struktura i mehanizam djelovanja enzima

Aktivnost enzima određena je njihovom trodimenzionalnom strukturom.

Aktivno mjesto enzima

U aktivnom centru uvjetno dodijelite:

katalitički centar - u direktnoj hemijskoj interakciji sa supstratom;
centar vezivanja (kontaktno ili "sidro" mjesto) - pruža specifičan afinitet za supstrat i formiranje kompleksa enzim-supstrat.

Da bi katalizirao reakciju, enzim se mora vezati za jedan ili više supstrata. Proteinski lanac enzima je presavijen na takav način da se na površini globule formira praznina, odnosno udubljenje, gdje se supstrati vezuju. Ovo područje se naziva mjesto vezivanja supstrata. Obično se podudara s aktivnim mjestom enzima ili se nalazi blizu njega. Neki enzimi također sadrže vezna mjesta za kofaktore ili ione metala.

Enzim se vezuje za supstrat:

čisti podlogu od vodenog "krznenog kaputa"
raspoređuje reakcione molekule supstrata u prostoru na način koji je neophodan da bi se reakcija odvijala
priprema za reakciju (na primjer, polarizira) molekule supstrata.

Obično se vezivanje enzima za supstrat događa zbog jonskih ili vodoničnih veza, rijetko zbog kovalentnih veza. Na kraju reakcije, njen proizvod (ili proizvodi) se odvaja od enzima.

Kao rezultat toga, enzim smanjuje energiju aktivacije reakcije. To je zato što u prisustvu enzima reakcija ide drugim putem (u stvari, dolazi do drugačije reakcije), na primjer:

U nedostatku enzima:

A+B = AB

U prisustvu enzima:

A+F = AF
AF+V = AVF
AVF \u003d AV + F

gdje je A, B - supstrati, AB - produkt reakcije, F - enzim.

Enzimi ne mogu sami osigurati energiju za endergonske reakcije (koje zahtijevaju energiju). Stoga ih enzimi koji provode takve reakcije spajaju s eksergonijskim reakcijama koje se nastavljaju oslobađanjem više energije. Na primjer, reakcije sinteze biopolimera često su povezane s reakcijom hidrolize ATP-a.

Aktivni centri nekih enzima karakteriziraju se fenomenom kooperativnosti.

Specifičnost

Enzimi obično pokazuju visoku specifičnost za svoje supstrate (specifičnost supstrata). Ovo se postiže djelomičnom komplementarnošću oblika, raspodjele naboja i hidrofobnih područja na molekulu supstrata i na mjestu vezivanja supstrata na enzimu. Enzimi se obično takođe pokazuju visoki nivo stereospecifičnost (formira kao proizvod samo jedan od mogućih stereoizomera ili koristi samo jedan stereoizomer kao supstrat), regioselektivnost (formira ili prekida hemijsku vezu samo u jednom od mogućih položaja supstrata) i hemoselektivnost (katalizuje samo jednu hemijsku reakciju van od nekoliko mogućih za date uslove). Uprkos opštem visokom nivou specifičnosti, stepen specifičnosti supstrata i reakcije enzima može biti različit. Na primjer, endopeptidaza tripsin razbija samo peptidnu vezu nakon arginina ili lizina, osim ako ih prati prolin, a pepsin je mnogo manje specifičan i može razbiti peptidnu vezu nakon mnogih aminokiselina.

Model sa ključem

Koshlandova indukovana pretpostavka o uklapanju

Realnija situacija je u slučaju indukovanog podudaranja. Neispravne podloge - prevelike ili premale - ne odgovaraju aktivnom mjestu

Emil Fischer je 1890. godine sugerirao da je specifičnost enzima određena tačnom korespondencijom između oblika enzima i supstrata. Ova pretpostavka se naziva model brave i ključa. Enzim se vezuje za supstrat i formira kratkotrajni kompleks enzim-supstrat. Međutim, iako ovaj model objašnjava visoku specifičnost enzima, on ne objašnjava fenomen stabilizacije prelaznog stanja koji se uočava u praksi.

Model indukovanog uklapanja

Godine 1958. Daniel Koshland je predložio modifikaciju modela brave sa ključem. Enzimi općenito nisu kruti, već fleksibilni molekuli. Aktivno mjesto enzima može promijeniti konformaciju nakon vezivanja supstrata. Bočne grupe aminokiselina aktivnog mjesta zauzimaju položaj koji omogućava enzimu da izvrši svoju katalitičku funkciju. U nekim slučajevima, molekul supstrata također mijenja konformaciju nakon vezivanja za aktivno mjesto. Za razliku od modela zaključavanja ključa, model induciranog uklapanja objašnjava ne samo specifičnost enzima, već i stabilizaciju prijelaznog stanja. Ovaj model je nazvan "ruka-rukavica".

Modifikacije

Mnogi enzimi prolaze kroz modifikacije nakon sinteze proteinskog lanca, bez kojih enzim ne pokazuje svoju aktivnost u punoj mjeri. Takve modifikacije se nazivaju posttranslacijske modifikacije (obrada). Jedan od najčešćih tipova modifikacije je dodavanje hemijskih grupa bočnim ostacima polipeptidnog lanca. Na primjer, dodavanje ostatka fosforne kiseline naziva se fosforilacija i katalizira ga enzim kinaza. Mnogi eukariotski enzimi su glikozilirani, tj. modificirani oligomerima ugljikohidrata.

Još jedan uobičajeni tip post-translacijskih modifikacija je cijepanje polipeptidnog lanca. Na primjer, himotripsin (proteaza uključena u probavu) se dobiva cijepanjem polipeptidne regije od kimotripsinogena. Kimotripsinogen je neaktivni prekursor kimotripsina i sintetizira se u pankreasu. Neaktivni oblik se transportuje u želudac gdje se pretvara u himotripsin. Ovaj mehanizam je neophodan kako bi se izbjeglo cijepanje pankreasa i drugih tkiva prije nego što enzim uđe u želudac. Neaktivni prekursor enzima se također naziva "zimogen".

Enzimski kofaktori

Neki enzimi obavljaju katalitičku funkciju sami, bez ikakvih dodatnih komponenti. Međutim, postoje enzimi koji zahtijevaju ne-proteinske komponente za katalizu. Kofaktori mogu biti ili neorganski molekuli (joni metala, klasteri željezo-sumpor, itd.) ili organski (na primjer, flavin ili hem). Organski kofaktori koji su snažno povezani sa enzimom nazivaju se i prostetičke grupe. Organski kofaktori koji se mogu odvojiti od enzima nazivaju se koenzimi.

Enzim koji zahtijeva kofaktor da bi pokazao katalitičku aktivnost, ali nije vezan za njega, naziva se apo-enzim. Apo-enzim u kombinaciji sa kofaktorom naziva se holo-enzim. Većina kofaktora je povezana sa enzimom nekovalentnim, ali prilično jakim interakcijama. Postoje i prostetičke grupe koje su kovalentno vezane za enzim, kao što je tiamin pirofosfat u piruvat dehidrogenazi.

Regulacija enzima

Neki enzimi imaju mjesta vezanja malih molekula i mogu biti supstrati ili produkti metaboličkog puta u koji enzim ulazi. Oni smanjuju ili povećavaju aktivnost enzima, što ga čini mogućim povratne informacije.

Inhibicija krajnjeg proizvoda

Metabolički put - lanac uzastopnih enzimskih reakcija. Često je krajnji proizvod metaboličkog puta inhibitor enzima koji ubrzava prvu od reakcija u tom metaboličkom putu. Ako je krajnjeg proizvoda previše, tada djeluje kao inhibitor za prvi enzim, a ako nakon toga krajnji proizvod postane premali, onda se prvi enzim ponovo aktivira. Dakle, inhibicija krajnjim proizvodom po principu negativne povratne sprege je važan način održavanja homeostaze (relativne konstantnosti uslova unutrašnje sredine tela).

Utjecaj uslova okoline na aktivnost enzima

Aktivnost enzima zavisi od uslova u ćeliji ili organizmu - pritiska, kiselosti sredine, temperature, koncentracije rastvorenih soli (jonska jačina rastvora) itd.

Višestruki oblici enzima

Višestruki oblici enzima mogu se podijeliti u dvije kategorije:

Izoenzimi
Pravilni oblici množine (tačno)

Izoenzimi- To su enzimi, čiju sintezu kodiraju različiti geni, imaju različite primarne strukture i različita svojstva, ali kataliziraju istu reakciju. Vrste izoenzima:

Organski - enzimi glikolize u jetri i mišićima.
Stanična - citoplazmatska i mitohondrijska malat dehidrogenaza (enzimi su različiti, ali kataliziraju istu reakciju).
Hibrid - enzimi sa kvaternarnom strukturom, nastaju kao rezultat nekovalentnog vezivanja pojedinačnih podjedinica (laktat dehidrogenaza - 4 podjedinice 2 tipa).
Mutantni - nastaju kao rezultat jedne mutacije gena.
Aloenzimi - kodirani različitim alelima istog gena.

Pravilni oblici množine(tačno) su enzimi čiju sintezu kodira isti alel istog gena, imaju istu primarnu strukturu i svojstva, ali nakon sinteze na ribosomima podliježu modifikaciji i postaju različiti, iako kataliziraju istu reakciju.

Izoenzimi su različiti na genetskom nivou i razlikuju se od primarne sekvence, a pravi višestruki oblici postaju različiti na posttranslacionom nivou.

medicinski značaj

Prvo je ustanovljena veza između enzima i nasljednih metaboličkih bolesti A. Garrodom 1910-ih godina Garrod je bolesti povezane s defektima enzima nazvao "urođenim greškama metabolizma".

Ako dođe do mutacije u genu koji kodira određeni enzim, aminokiselinska sekvenca enzima se može promijeniti. Istovremeno, kao rezultat većine mutacija, njegova katalitička aktivnost se smanjuje ili potpuno nestaje. Ako organizam primi dva od ovih mutantnih gena (po jedan od svakog roditelja), hemijska reakcija koju katalizira taj enzim prestaje da se odvija u tijelu. Na primjer, pojava albina povezuje se s prestankom proizvodnje enzima tirozinaze, koji je odgovoran za jednu od faza u sintezi tamnog pigmenta melanina. Fenilketonurija je povezana sa smanjenom ili odsutnom aktivnošću enzima fenilalanin-4-hidroksilaze u jetri.

Trenutno su poznate stotine nasljednih bolesti povezanih s defektima enzima. Razvijene su metode za liječenje i prevenciju mnogih od ovih bolesti.

Praktična upotreba

Enzimi se široko koriste u nacionalnoj privredi - prehrambenoj, tekstilnoj industriji, farmakologiji i medicini. Većina lijekova utiče na tok enzimskih procesa u tijelu, pokrećući ili zaustavljajući određene reakcije.

Još šire područje primjene enzima u naučno istraživanje i u medicini.

Bilješke

Književnost

Volkenstein M. V., Dogonadze R. R., Madumarov A. K., Urushadze Z. D., Kharkats Yu. I. O teoriji enzimske katalize.- Molekularna biologija, vol. 6, br. 3, 1972, čl. 431-439.
Dixon, M. Enzimi / M. Dixon, E. Webb. - U 3 toma - Per. sa engleskog. - V.1-2. - M.: Mir, 1982. - 808 str.

- (od lat. fermentum fermentacija, kiselo tijesto), enzimi, biokatalizatori, specifični. proteini prisutni u svim živim ćelijama i igraju ulogu biol. katalizatori. Kroz njih se ostvaruje genetika. vrše se informacije i svi procesi razmjene ... ... Biološki enciklopedijski rječnik

- (lat. Fermentum kvasac, od fervere biti vruć). organska materija, proizvodeći fermentaciju drugih organskih tijela, a da sami ne trunu. Rječnik stranih riječi uključenih u ruski jezik. Čudinov A.N., 1910. ENZIMI ... ... Rečnik stranih reči ruskog jezika

- (od lat. fermentum kvasac) (enzimi) biološki katalizatori prisutni u svim živim ćelijama. Provodi transformaciju tvari u tijelu, usmjeravajući i regulišući time njegov metabolizam. Hemijska priroda proteina. Enzimi ... ... Veliki enciklopedijski rječnik

- (od latinskog fermentum kvasac), biološki katalizatori prisutni u svim živim ćelijama. Sprovode transformacije (metabolizam) supstanci u organizmu. Hemijska priroda proteina. Učestvuje u brojnim biohemijskim reakcijama u ćeliji ... ... Moderna enciklopedija

Postoji, broj sinonima: 2 biokatalizatora (1) enzimi (2) ASIS sinonimski rječnik. V.N. Trishin. 2013 ... Rečnik sinonima

Enzimi. Vidi enzime. (