Enzime, sau enzime(din lat. Fermentum- aluat) - de obicei molecule proteice sau molecule de ARN (ribozime) sau complexele acestora care accelerează (catalizează) reacțiile chimice în sistemele vii. Reactanții dintr-o reacție catalizată de enzime se numesc substraturi, iar substanțele rezultate se numesc produse. Enzimele sunt specifice substraturilor (ATPaza catalizează doar scindarea ATP-ului, iar fosforilază kinaza fosforilează doar fosforilaza).

Activitatea enzimatică poate fi reglată de activatori și inhibitori (activatori - creștere, inhibitori - scădere).

Enzimele proteice sunt sintetizate pe ribozomi, în timp ce ARN-ul este sintetizat în nucleu.

Termenii „enzimă” și „enzimă” au fost folosiți de mult timp ca sinonimi (primul este în principal în literatura științifică rusă și germană, al doilea - în engleză și franceză).

Știința enzimelor se numește enzimologie, și nu fermentație (pentru a nu amesteca rădăcinile cuvintelor din latină și greacă).

Istoria studiului

Termen enzimă propusă în secolul al XVII-lea de chimistul van Helmont când discuta despre mecanismele digestiei.

În con. XVIII - timpuriu. secolul al 19-lea se știa deja că carnea este digerată de sucul gastric, iar amidonul este transformat în zahăr prin acțiunea salivei. Cu toate acestea, mecanismul acestor fenomene a fost necunoscut.

În secolul 19 Louis Pasteur, studiind conversia carbohidraților în alcool etilic sub acțiunea drojdiei, a ajuns la concluzia că acest proces (fermentație) este catalizat de un fel de forță vitală localizată în celulele de drojdie.

Cu peste o sută de ani în urmă termenii enzimăși enzimă a reflectat puncte de vedere diferite în disputa teoretică dintre L. Pasteur, pe de o parte, și M. Berthelot și J. Liebig, pe de altă parte, despre natura fermentației alcoolice. De fapt enzime(din lat. fermentul- aluat) a fost numit „enzime organizate” (adică microorganismele vii înseși), iar termenul enzimă(din greacă ἐν- - in- și ζύμη - drojdie, aluat) a fost propus în 1876 de W. Kuehne pentru „enzimele neorganizate” secretate de celule, de exemplu, în stomac (pepsină) sau intestine (tripsină, amilază). La doi ani de la moartea lui L. Pasteur în 1897, E. Buchner a publicat lucrarea „Fermentația alcoolică fără celule de drojdie”, în care a arătat experimental că sucul de drojdie fără celule realizează fermentația alcoolică în același mod ca și celulele de drojdie nedistruse. În 1907, i s-a acordat Premiul Nobel pentru această lucrare. Pentru prima dată, o enzimă cristalină înalt purificată (urează) a fost izolată în 1926 de J. Sumner. În următorii 10 ani, mai multe enzime au fost izolate, iar natura proteică a enzimelor a fost în sfârșit dovedită.

Activitatea catalitică a ARN a fost descoperită pentru prima dată în anii 1980 în pre-ARNr de Thomas Check, care a studiat splicingul ARN-ului în ciliați. Tetrahymena thermophila. Ribozima sa dovedit a fi o porțiune a moleculei pre-ARNr Tetrahymena codificată de intronul genei ADNr extracromozomiale; această regiune a efectuat autosplicing, adică s-a autoexcizat în timpul maturării ARNr.

Funcții enzimatice

Enzimele sunt prezente in toate celulele vii si contribuie la transformarea unor substante (substraturi) in altele (produse). Enzimele acționează ca catalizatori în aproape toate reacțiile biochimice care apar în organismele vii. Până în 2013, au fost descrise peste 5.000 de enzime diferite. Ele joacă un rol important în toate procesele vieții, dirijarea și reglarea metabolismului organismului.

La fel ca toți catalizatorii, enzimele accelerează atât reacțiile directe, cât și cele inverse prin scăderea energiei de activare a procesului. În acest caz, echilibrul chimic nu este deplasat nici înainte, nici în direcția opusă. O caracteristică distinctivă a enzimelor în comparație cu catalizatorii non-proteici este specificitatea lor ridicată: constanta de legare a unor substraturi la o proteină poate ajunge la 10-10 mol/l sau mai puțin. Fiecare moleculă de enzimă este capabilă să efectueze de la câteva mii la câteva milioane de „operații” pe secundă.

De exemplu, o moleculă a enzimei renină conținută în mucoasa gastrică a unui vițel coagulează aproximativ 106 molecule de cazeinogen din lapte în 10 minute la o temperatură de 37 °C.

În același timp, eficiența enzimelor este mult mai mare decât eficiența catalizatorilor non-proteici - enzimele accelerează reacția de milioane și miliarde de ori, catalizatorii non-proteici - de sute și mii de ori. Vezi și enzima perfectă catalitic

CapitolIV.3.

Enzime

Metabolismul în organism poate fi definit ca totalitatea tuturor transformărilor chimice suferite de compușii veniți din exterior. Aceste transformări includ toate tipurile cunoscute de reacții chimice: transferul intermolecular al grupărilor funcționale, scindarea hidrolitică și nehidrolitică a legăturilor chimice, rearanjarea intramoleculară, formarea nouă de legături chimice și oxidative - reducerea reacțiilor. Astfel de reacții au loc în organism cu o viteză extrem de mare numai în prezența catalizatorilor. Toți catalizatorii biologici sunt substanțe de natură proteică și se numesc enzime (denumite în continuare F) sau enzime (E).

Enzimele nu sunt componente ale reacțiilor, ci doar accelerează atingerea echilibrului prin creșterea ratei transformărilor atât directe, cât și inverse. Accelerarea reacției are loc datorită scăderii energiei de activare - bariera energetică care separă o stare a sistemului (inițial component chimic) din altul (produs de reacție).

Enzimele accelerează o mare varietate de reacții în organism. Deci, destul de simplu din punctul de vedere al chimiei tradiționale, reacția de separare a apei din acidul carbonic cu formarea de CO 2 necesită participarea unei enzime, deoarece fără ea, procedează prea lent pentru a regla pH-ul sângelui. Datorită acțiunii catalitice a enzimelor din organism, devine posibilă efectuarea unor astfel de reacții care ar merge de sute și de mii de ori mai încet fără un catalizator.

Proprietăţile enzimelor

1. Influența asupra vitezei unei reacții chimice: enzimele măresc viteza unei reacții chimice, dar ele însele nu sunt consumate.

Viteza de reacție este modificarea concentrației componentelor de reacție pe unitatea de timp. Dacă merge în direcția înainte, atunci este proporțional cu concentrația reactanților; dacă merge în direcția opusă, atunci este proporțional cu concentrația produselor de reacție. Raportul dintre vitezele reacțiilor directe și inverse se numește constantă de echilibru. Enzimele nu pot modifica valorile constantei de echilibru, dar starea de echilibru în prezența enzimelor vine mai repede.

2. Specificitatea acţiunii enzimelor. În celulele corpului au loc 2-3 mii de reacții, fiecare dintre ele catalizată de o anumită enzimă. Specificitatea acțiunii unei enzime este capacitatea de a accelera cursul unei anumite reacții fără a afecta rata altora, chiar și a celor foarte asemănătoare.

Distinge:

Absolut– când F catalizează o singură reacție specifică ( arginaza- descompunerea argininei)

Relativ(grup special) - F catalizează o anumită clasă de reacții (de exemplu clivaj hidrolitic) sau reacții care implică o anumită clasă de substanțe.

Specificitatea enzimelor se datorează secvenței lor unice de aminoacizi, care determină conformația centrului activ care interacționează cu componentele reacției.

Se numește o substanță a cărei transformare chimică este catalizată de o enzimă substrat ( S ) .

3. Activitatea enzimelor este capacitatea de a accelera viteza de reacție în grade diferite. Activitatea se exprimă în:

1) Unități internaționale de activitate - (UI) cantitatea de enzimă care catalizează conversia a 1 μM de substrat în 1 min.

2) Katalakh (pisică) - cantitatea de catalizator (enzimă) capabilă să transforme 1 mol de substrat în 1 s.

3) Activitate specifică - numărul de unități de activitate (oricare dintre cele de mai sus) din proba de testare la masa totală de proteine din această probă.

4) Mai rar, se folosește activitatea molară - numărul de molecule de substrat convertite de o moleculă de enzimă pe minut.

activitatea depinde de temperatura . Aceasta sau acea enzimă prezintă cea mai mare activitate la o temperatură optimă. Pentru F al unui organism viu, această valoare este între +37,0 - +39,0° C, în funcție de tipul de animal. Odată cu scăderea temperaturii, mișcarea browniană încetinește, viteza de difuzie scade și, în consecință, procesul de formare a complexului între enzimă și componentele de reacție (substraturile) încetinește. În cazul creșterii temperaturii peste +40 - +50° Odată cu molecula de enzimă, care este o proteină, suferă un proces de denaturare. În același timp, viteza reacției chimice scade considerabil (Fig. 4.3.1.).

De asemenea depinde și activitatea enzimatică pH mediu . Pentru majoritatea dintre ele, există o anumită valoare optimă a pH-ului la care activitatea lor este maximă. Deoarece celula conține sute de enzime și fiecare dintre ele are propriile limite opt pH, modificarea pH-ului este unul dintre factorii importanți în reglarea activității enzimatice. Deci, ca urmare a unei reacții chimice cu participarea unei anumite enzime, al cărei pH optează în intervalul 7,0 - 7,2, se formează un produs, care este un acid. În acest caz, valoarea pH-ului se schimbă în regiunea 5,5 - 6,0. Activitatea enzimei scade brusc, rata de formare a produsului încetinește, dar este activată o altă enzimă, pentru care aceste valori ale pH-ului sunt optime, iar produsul primei reacții suferă o transformare chimică ulterioară. (Un alt exemplu despre pepsină și tripsină).

Natura chimică a enzimelor. Structura enzimei. Centre activi și alosterici

Toate enzimele sunt proteine greutate moleculară de la 15.000 la câteva milioane Da. După structura chimică, acestea sunt simplu enzime (constă numai din AA) și complex enzime (au o parte neproteică sau un grup protetic). Porțiunea de proteină se numește apoenzima, și non-proteic, dacă este legat covalent de o apoenzimă, atunci se numește coenzima, iar dacă legătura este necovalentă (ionică, hidrogen) - cofactor . Funcțiile grupului protetic sunt următoarele: participarea la actul de cataliză, contactul dintre enzimă și substrat, stabilizarea moleculei de enzimă în spațiu.

Substanțele anorganice acționează de obicei ca un cofactor - ioni de zinc, cupru, potasiu, magneziu, calciu, fier, molibden.

Coenzimele pot fi considerate ca parte integrantă a moleculei de enzimă. Acestea sunt substanțe organice, printre care se numără: nucleotide ( ATP, UMF etc.), vitaminele sau derivații acestora ( TDF- din tiamină ( ÎN 1), FMN- din riboflavină ( ÎN 2), coenzima A- din acid pantotenic ( LA 3), NAD etc.) și coenzime tetrapirol - hemi.

În procesul de cataliză a reacției, nu întreaga moleculă de enzimă intră în contact cu substratul, ci o anumită parte a acestuia, care se numește centru activ. Această zonă a moleculei nu constă dintr-o secvență de aminoacizi, ci se formează atunci când molecula proteică este răsucită într-o structură terțiară. Secțiuni separate de aminoacizi se apropie unul de celălalt, formând o anumită configurație a centrului activ. Caracteristică importantă structura centrului activ - suprafața sa este complementară cu suprafața substratului, adică. Reziduurile AA din această zonă a enzimei sunt capabile să intre interacțiune chimică cu anumite grupuri de substrat. Se poate imagina că locul activ al enzimei se potrivește cu structura substratului ca o cheie și o lacăt.

LA centru activ se disting doua zone: centru de legare, responsabil de atașarea substratului și centru catalitic responsabil de transformarea chimică a substratului. Compoziția centrului catalitic al majorității enzimelor include AA precum Ser, Cys, His, Tyr, Lys. Enzimele complexe din centrul catalitic au un cofactor sau coenzimă.

În plus față de centrul activ, o serie de enzime sunt echipate cu un centru de reglare (alosteric). Substanțele care îi afectează activitatea catalitică interacționează cu această zonă a enzimei.

Mecanismul de acțiune al enzimelor

Actul de cataliză constă din trei etape succesive.

1. Formarea unui complex enzimă-substrat în timpul interacțiunii prin centrul activ.

2. Legarea substratului are loc în mai multe puncte ale centrului activ, ceea ce duce la o modificare a structurii substratului, deformarea acestuia datorită unei modificări a energiei de legătură în moleculă. Aceasta este a doua etapă și se numește activare a substratului. Când se întâmplă acest lucru, o anumită modificare chimică a substratului și transformarea acestuia într-un produs sau produse noi.

3. Ca urmare a unei astfel de transformări, noua substanță (produs) își pierde capacitatea de a fi reținută în centrul activ al enzimei și enzima-substrat, sau mai degrabă, complexul enzima-produs, se disociază (se dezintegrează).

Tipuri de reacții catalitice:

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

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

AB + E \u003d ABE \u003d A + B + E, unde E este o enzimă, A și B sunt substraturi sau produse de reacție.

Efectori enzimatici - substanțe care modifică viteza catalizei enzimatice și prin aceasta reglează metabolismul. Printre acestea se disting inhibitori - încetinirea vitezei de reacţie şi activatori - accelerarea reacţiei enzimatice.

În funcție de mecanismul de inhibare a reacției, se disting inhibitorii competitivi și necompetitivi. Structura moleculei de inhibitor competitiv este similară cu structura substratului și coincide cu suprafața centrului activ ca o cheie cu lacăt (sau aproape coincide). Gradul acestei asemănări poate fi chiar mai mare decât cu substratul.

Dacă A + E \u003d AE \u003d BE \u003d E + B, atunci I + E \u003d IE¹

Concentrația enzimei capabile de cataliză scade și viteza de formare a produselor de reacție scade brusc (Fig. 4.3.2.).

Un număr mare de substanțe chimice de origine endogenă și exogenă (adică, formate în organism și care provin din exterior - xenobiotice, respectiv) acționează ca inhibitori competitivi. Substanțele endogene sunt regulatoare ale metabolismului și se numesc antimetaboliți. Multe dintre ele sunt folosite în tratamentul bolilor oncologice și microbiene, poate. ele inhibă reacțiile metabolice cheie ale microorganismelor (sulfonamide) și ale celulelor tumorale. Dar cu un exces de substrat și o concentrație scăzută a unui inhibitor competitiv, acțiunea acestuia este anulată.

Al doilea tip de inhibitori este necompetitiv. Ele interacționează cu enzima în afara locului activ, iar un exces de substrat nu afectează capacitatea lor de inhibiție, așa cum este cazul inhibitorilor competitivi. Acești inhibitori interacționează fie cu anumite grupe ale enzimei (metale grele se leagă de grupările tiol ale Cys), fie cel mai adesea cu centrul de reglare, ceea ce reduce capacitatea de legare a centrului activ. Procesul propriu-zis de inhibiție este suprimarea completă sau parțială a activității enzimatice, menținând în același timp structura primară și spațială.

Există și inhibiții reversibile și ireversibile. Inhibitorii ireversibili inactivează enzima formând o legătură chimică cu AA sau alte componente structurale ale acesteia. De obicei, aceasta este o legătură covalentă cu unul dintre locurile centrului activ. Un astfel de complex practic nu se disociază în condiții fiziologice. Într-un alt caz, inhibitorul perturbă structura conformațională a moleculei de enzimă - provocând denaturarea acesteia.

Acţiunea inhibitorilor reversibili poate fi înlăturată printr-un exces de substrat sau prin acţiunea unor substanţe care modifică structura chimică a inhibitorului. Inhibitorii competitivi și necompetitivi sunt în majoritatea cazurilor reversibile.

Pe lângă inhibitori, sunt cunoscuți și activatori ai catalizei enzimatice. Sunt:

1) protejează molecula de enzimă de efectele de inactivare,

2) formează un complex cu substratul, care se leagă mai activ de centrul activ al lui F,

3) interacționând cu o enzimă având o structură cuaternară, ei separă subunitățile acesteia și, prin urmare, deschid accesul substratului la centrul activ.

Distribuția enzimelor în organism

Enzimele implicate în sinteza proteinelor, acizilor nucleici și enzimele de metabolism energetic sunt prezente în toate celulele corpului. Dar celulele care funcționează funcții speciale conţin enzime speciale. Astfel, celulele insulelor Langerhans din pancreas conțin enzime care catalizează sinteza hormonilor insulină și glucagon. Enzimele care sunt specifice numai celulelor anumitor organe se numesc specifice de organ: arginază și urokinaza- ficat, fosfatază acidă- prostata. Prin modificarea concentrației unor astfel de enzime în sânge, se apreciază prezența patologiilor în aceste organe.

În celulă, enzimele individuale sunt distribuite în întreaga citoplasmă, altele sunt încorporate în membranele mitocondriilor și reticulului endoplasmatic, astfel de enzime se formează. compartimente, în care apar anumite etape ale metabolismului strâns legate.

Multe enzime sunt formate în celule și secretate în cavitățile anatomice în stare inactivă - acestea sunt proenzime. Adesea, sub formă de proenzime, se formează enzime proteolitice (descompun proteinele). Apoi, sub influența pH-ului sau a altor enzime și substraturi, are loc modificarea chimică a acestora și centrul activ devine disponibil substraturilor.

Există, de asemenea izoenzime - enzime care diferă ca structură moleculară, dar îndeplinesc aceeași funcție.

Nomenclatura și clasificarea enzimelor

Numele enzimei este format din următoarele părți:

1. denumirea substratului cu care interacționează

2. natura reacției catalizate

3. numele clasei de enzime (dar aceasta este opțională)

4. sufix -aza-

piruvat - decarboxil - aza, succinat - dehidrogen - aza

Deoarece sunt deja cunoscute aproximativ 3 mii de enzime, acestea trebuie clasificate. În prezent, a fost adoptată o clasificare internațională a enzimelor, care se bazează pe tipul de reacție catalizată. Există 6 clase, care, la rândul lor, sunt împărțite într-un număr de subclase (în această carte sunt prezentate doar selectiv):

1. Oxidorreductaze. Catalizează reacțiile redox. Ele sunt împărțite în 17 subclase. Toate enzimele conțin o parte neproteică sub formă de hem sau derivați ai vitaminelor B 2, B 5. Substratul supus oxidării acționează ca un donor de hidrogen.

1.1. Dehidrogenazele elimină hidrogenul dintr-un substrat și îl transferă pe alte substraturi. Coenzime NAD, NADP, FAD, FMN. Acceptă hidrogenul scindat de enzimă, transformându-se în forma redusă (NADH, NADPH, FADH) și îl transferă într-un alt complex enzimă-substrat, unde este eliberat.

1.2. Oxidaza - catalizează transferul hidrogenului în oxigen cu formarea de apă sau H 2 O 2. F. Citocromoxisdaza lanțul respirator.

RH + NAD H + O2 = ROH + NAD + H2O

1.3. monooxidaze - citocromul P450. După structura sa, atât hemo- și flavoproteine. Hidroxilează xenobioticele lipofile (prin mecanismul descris mai sus).

1.4. Peroxidazeleși catalaza- catalizează descompunerea peroxidului de hidrogen, care se formează în timpul reacțiilor metabolice.

1.5. Oxigenaze - catalizează reacțiile de adăugare de oxigen la substrat.

2. Transferaze - catalizează transferul diverșilor radicali de la molecula donor la molecula acceptor.

DAR A+ E + B = E A+ A + B = E + B A+ A

2.1. Metiltransferaza (CH3-).

2.2 Carboxil- și carbamoiltransferaze.

2.2. Aciltransferaze - Coenzima A (transfer grup acil - R-C=O).

Exemplu: sinteza neurotransmitatorului acetilcolina (vezi capitolul „Metabolismul proteic”).

2.3. Hexosil transferazele catalizează transferul reziduurilor de glicozil.

Exemplu: scindarea unei molecule de glucoză din glicogen sub acțiunea lui fosforilază.

2.4. Aminotransferaze - transfer de grupări amino

R1-CO-R2+R1-CH- NH 3 - R 2 \u003d R 1 - CH - NH 3 -R2+R1-CO-R2

se joacă rol importantîn transformarea lui AK. Coenzima comună este piridoxal fosfat.

Exemplu: alanin aminotransferaza(AlAT): piruvat + glutamat = alanină + alfa-cetoglutarat (vezi capitolul „Metabolismul proteic”).

2.5. Fosfotransfereza (kinaza) - catalizează transferul unui reziduu de acid fosforic. În cele mai multe cazuri, ATP este donatorul de fosfat. Enzimele din această clasă sunt implicate în principal în procesul de descompunere a glucozei.

Exemplu: Hexo (gluco) kinaza.

3. Hidrolazele - catalizează reacțiile de hidroliză, i.e. scindarea substanţelor cu adaos la locul ruperii legăturii apei. Această clasă include în principal enzime digestive, sunt monocomponente (nu conțin o parte neproteică)

R1-R2 + H2O \u003d R1H + R2OH

3.1. Esterazele - descompun legăturile esențiale. Aceasta este o subclasă mare de enzime care catalizează hidroliza esterilor tiolici, fosfoesteri.
Exemplu: NH2).

Exemplu: arginaza(ciclul ureei).

4. Legături - catalizează reacţiile de scindare a moleculelor fără adaos de apă. Aceste enzime au o parte neproteică sub formă de tiamină pirofosfat (B 1) și piridoxal fosfat (B 6).

4.1. Liaze de legătură C-C. Ele sunt denumite în mod obișnuit decarboxilaze.

Exemplu: piruvat decarboxilază.

5.Izomeraze - catalizează reacţiile de izomerizare.

Exemplu: fosfopentoză izomeraza, pentozo fosfat izomeraza(enzime din ramura neoxidativă a căii pentozei fosfatului).

6. Ligaze catalizează sinteza unor substanţe mai complexe din cele simple. Astfel de reacții continuă cu cheltuirea energiei ATP. La denumirea unor astfel de enzime se adaugă sintetaza.

LITERATURA LA CAPITOLUL IV.3.

1. Byshevsky A. Sh., Tersenov O. A. Biochimie pentru medic // Ekaterinburg: Muncitor din Ural, 1994, 384 p.;

2. Knorre D. G., Myzina S. D. chimie biologică. - M .: Mai sus. şcoală 1998, 479 p.;

3. Filippovici Yu. B., Egorova T. A., Sevastyanova G. A. Atelier de biochimie generală // M.: Prosveschenie, 1982, 311 p.;

4. Lehninger A. Biochimie. Bazele moleculare ale structurii şi funcţiilor celulei // M.: Mir, 1974, 956 p.;

5. Pustovalova L.M. Atelier de biochimie // Rostov-pe-Don: Phoenix, 1999, 540 p.

Trimiteți-vă munca bună în baza de cunoștințe este simplu. Utilizați formularul de mai jos

Studenții, studenții absolvenți, tinerii oameni de știință care folosesc baza de cunoștințe în studiile și munca lor vă vor fi foarte recunoscători.

Găzduit la http://www.allbest.ru/

Introducere

proteina enzimatica biologica

Din câte știm, în corpul nostru există o mulțime de enzime care contribuie la implementarea proceselor metabolice (respirație, digestia, contracția musculară, fotosinteza), care determină însuși procesul vieții. Prin urmare, medicamentele au devenit utilizate pe scară largă în tratamentul bolilor însoțite de procese purulente-necrotice, tromboze și tromboembolism și tulburări digestive. Preparatele enzimatice au început să-și găsească aplicații și în tratamentul bolilor oncologice.

Enzimele joacă un rol destul de important în multe procese tehnologice. Enzime Calitate superioară permite îmbunătățirea tehnologiei, reducerea costurilor și chiar obținerea de produse noi.

În prezent, enzimele sunt utilizate în mai mult de 25 de industrii: aceasta este industria alimentară, și cea farmaceutică, celuloză și hârtie, ușoară, precum și în agricultură.

Scopul rezumatului meu este: studiu detaliat conceptele de enzimă și cataliză enzimatică (biocataliza).

1) Ce sunt enzimele, ce rol joacă ele?

2) Structura și mecanismul de acțiune al enzimelor.

3) Luați în considerare funcțiile enzimelor.

4) Principiul de acțiune al enzimelor.

5) Clasificarea enzimelor.

6) Domeniul de aplicare al enzimelor.

7) Metode de izolare a enzimelor.

8) Factori care afectează reacțiile enzimatice?

1. Ce sunt enzimele și ce rol joacă ele?

Enzimele sunt substanțe organice de natură proteică care sunt sintetizate în celule și accelerează de mai multe ori reacțiile care au loc în ele, fără a suferi transformări chimice. Substanțele care au un efect similar există în natura neînsuflețită și sunt numite catalizatori. Enzimele sunt uneori numite enzime (din greacă. en - interior, zyme - drojdie). Toate celulele vii conțin un set foarte mare de enzime, de a căror activitate catalitică depinde funcționarea celulelor. Aproape fiecare dintre numeroasele reacții diferite care apar în celulă necesită participarea unei enzime specifice. Prin studiu proprietăți chimice enzimele și reacțiile catalizate de acestea sunt angajate într-un domeniu deosebit, foarte important al biochimiei - enzimologia.

Multe enzime se află în celulă în stare liberă, fiind pur și simplu dizolvate în citoplasmă; altele sunt asociate cu structuri complexe foarte organizate. Există, de asemenea, enzime care sunt în mod normal în afara celulei; astfel, enzimele care catalizează descompunerea amidonului și proteinelor sunt secretate de pancreas în intestine. Secretă enzime și multe microorganisme.

Primele date despre enzime au fost obținute prin studierea proceselor de fermentație și digestie. L. Pasteur a adus o mare contribuție la studiul fermentației, dar el credea că numai celulele vii pot efectua reacțiile corespunzătoare. La începutul secolului al XX-lea E. Buchner a arătat că fermentarea zaharozei cu formarea de dioxid de carbon și alcool etilic poate fi catalizată de un extract de drojdie fără celule. aceasta descoperire importantă a servit drept stimul pentru izolarea și studiul enzimelor celulare. În 1926, J. Sumner de la Universitatea Cornell (SUA) a izolat ureaza; a fost prima enzimă obţinută în formă practic pură. De atunci, au fost descoperite și izolate peste 700 de enzime, dar multe altele există în organismele vii. Identificarea, izolarea și studiul proprietăților enzimelor individuale ocupă un loc central în enzimologia modernă.

Enzimele implicate în procesele fundamentale de conversie a energiei, cum ar fi descompunerea zaharurilor, formarea și hidroliza compusului de înaltă energie adenozin trifosfat (ATP), sunt prezente în toate tipurile de celule - animale, vegetale, bacteriene. Cu toate acestea, există enzime care sunt produse numai în țesuturile anumitor organisme. Astfel, enzimele implicate în sinteza celulozei se găsesc în celulele vegetale, dar nu și în celulele animale. Astfel, este important să se facă distincția între enzimele „universale” și enzimele specifice anumitor tipuri de celule. În general, cu cât o celulă este mai specializată, cu atât este mai probabil să sintetizeze setul de enzime necesare pentru a îndeplini o anumită funcție celulară.

Până în prezent, sunt cunoscute peste 3000 de enzime. Toate au o serie de proprietăți specifice care le deosebesc de catalizatorii anorganici. Numai în corpul uman, mii de reacții enzimatice apar în fiecare secundă. Enzimele joacă un rol important în toate procesele vieții, direcționând și reglând metabolismul organismului.

De asemenea, trebuie remarcat faptul că toate Natura vie există numai prin biocataliză. Nu e de mirare că marele fiziolog rus, laureat Nobel I.P. Pavlov a numit enzimele purtători de viață.

2. Structura și mecanismul de acțiune al enzimelor

Ca toate proteinele, enzimele sunt sintetizate ca un lanț liniar de aminoacizi care se pliază într-un mod specific. Fiecare secvență de aminoacizi se pliază într-un mod specific, iar molecula rezultată (globul proteic) are proprietăți unice. Mai multe lanțuri proteice pot fi combinate într-un complex proteic. Structura terțiară a proteinelor este distrusă atunci când sunt încălzite sau expuse la anumite substanțe chimice.

Orez. 1. Structura enzimei

3. Funcții enzimatice

Enzimele sunt prezente în toate celulele vii și contribuie la transformarea anumitor substanțe (substraturi) altora (produse).

Enzimele acționează ca catalizatori în aproape toate reacțiile biochimice care apar în organismele vii - ele catalizează mai mult de 4.000 de reacții biochimice diferite.

Enzimele joacă un rol important în toate procesele vieții, direcționând și reglând metabolismul organismului.

O caracteristică distinctivă a enzimelor în comparație cu catalizatorii non-proteici este specificitatea lor ridicată - constanta de legare a unor substraturi la o proteină poate ajunge la 10? 10 mol/l sau mai puțin. Fiecare moleculă de enzimă este capabilă să efectueze de la câteva mii la câteva milioane de „operații” pe secundă.

De exemplu, o moleculă a enzimei renină conținută în membrana mucoasă a stomacului unui vițel coagulează aproximativ 106 molecule de cazeinogen din lapte în 10 minute la o temperatură de 37°C.

4. Cum funcționează enzimele

O substanță care se transformă în prezența unei enzime se numește substrat. Substratul se alătură enzimei, care accelerează ruperea unor legături chimice din molecula sa și crearea altora; produsul rezultat este desprins de enzimă.

Enzimele nu sunt supuse uzurii în timpul reacției. Ele sunt eliberate la terminarea reacției și sunt imediat gata să înceapă următoarea reacție. Teoretic, acest lucru poate continua pe termen nelimitat, cel puțin până când vor consuma tot substratul. În practică, datorită susceptibilității și compoziției lor organice, durata de viață a enzimelor este limitată.

Conform expresiei figurative folosite în literatura de specialitate biochimică, enzima se apropie de substrat ca pe o „cheie a lacătului”. Această regulă a fost formulată de E. Fischer în 1894 pe baza faptului că specificitatea acțiunii unei enzime este predeterminată de o corespondență strictă între structura geometrică a substratului și centrul activ al enzimei. Enzima se leagă de substrat pentru a forma un complex enzimă-substrat de scurtă durată (formarea complexului intermediar). Cu toate acestea, deși acest model explică specificitatea ridicată a enzimelor, nu explică fenomenul de stabilizare a stării de tranziție care se observă în practică. În anii 1950, această viziune statică a fost înlocuită de ipoteza lui D. Koshland despre conformitatea indusă a substratului și a enzimei. Esența sa se rezumă la faptul că corespondența spațială dintre structura substratului și centrul activ al enzimei este creată în momentul interacțiunii lor unul cu celălalt, ceea ce poate fi exprimat prin formula „mână-mănușă”. Enzimele nu sunt în general molecule rigide, ci flexibile. Locul activ al unei enzime poate schimba conformația după legarea substratului. Grupările laterale ale aminoacizilor locului activ iau o poziție care permite enzimei să-și îndeplinească funcția catalitică. În unele cazuri, molecula de substrat își schimbă, de asemenea, conformația după legarea la situsul activ. Spre deosebire de modelul key-lock, modelul de potrivire indusă explică nu numai specificitatea enzimelor, ci și stabilizarea stării de tranziție.

Dar în proces dezvoltare mai mareștiință, ipoteza Koshland este treptat înlocuită de ipoteza corespondenței topochimice. Reținând principalele prevederi ale ipotezei de reglare indusă reciproc a substratului și a enzimei, atrage atenția asupra faptului că specificul acțiunii enzimelor se datorează în primul rând recunoașterii acelei părți a substratului care nu se modifică în timpul catalizei. . Între această parte a substratului și centrul de substrat al enzimei apar numeroase interacțiuni hidrofobe punctuale și legături de hidrogen.

5. Clasificarea enzimelor

Acum se cunosc aproximativ 2 mii de enzime, dar această listă nu este completă. În funcție de tipul de reacție catalizată, toate enzimele sunt împărțite în 6 clase:

Ш Enzime care catalizează reacțiile redox ale oxidoreductazei;

Ш Enzime de transfer de diferite grupe (grupări metil, amino și fosfo și altele) - transferaze.

Ш Enzime care realizează hidroliza legăturilor chimice - hidrolaze

Ш Enzime de scindare nehidrolitică din substratul diferitelor grupe (NH3, CO2, H2O și altele) - liazele.

Ш Enzime care accelerează sinteza legăturilor în moleculele biologice cu participarea donatorilor de energie, cum ar fi ATP - ligaze.

III Enzimele care catalizează conversia izomerilor unul în altul sunt izomerazele.

Oxidorreductaza sunt enzime care catalizează procesele redox din organism. Ei efectuează transferul de hidrogen și electroni și sunt cunoscuți sub denumirile lor comune ca dehidrogenaze, oxidaze și peroxidaze. Aceste enzime diferă prin faptul că au coenzime și grupe protetice specifice. Ele sunt împărțite în grupe funcționale de donatori, de la care acceptă hidrogen sau electroni, și acceptori, cărora îi transferă (în grupul CH-OH, grupul CH - NH, grupul C-NH și altele).

Transferaze- acestea sunt enzime care transferă grupări atomice (în funcție de grupa pe care o transferă, se numesc corespunzător). Transferazele, datorită varietății de reziduuri pe care le poartă, participă la metabolismul intermediar.

Hidrolazele- acestea sunt enzime care catalizează scindarea hidrolitică a diferitelor substraturi (cu participarea moleculelor de apă). În funcție de aceasta, între ele se disting esterazele, care scindează legătura esterica dintre acizii carboxilici (lipaza) esterilor tiolici, legătura fosfoesterică și așa mai departe; glicozidaze care scindează legăturile glicozidice, hidrolaze peptidice care acționează asupra legăturilor peptidice și altele.

Legătura- această grupă include enzime care pot scinda diverse grupări din substrat în mod nehidrolitic cu formarea de duble legături sau, dimpotrivă, pot adăuga grupări la legătură dublă. Scindarea produce H2O sau CO2 sau reziduuri mari - de exemplu acetil - CoA. Liazele joacă un rol foarte important în procesul metabolic.

Izomeraze- enzime care catalizează transformarea formelor izomerice unele în altele, adică realizează transformarea intramoleculară a diferitelor grupări. Acestea includ nu numai enzimele care stimulează reacțiile de tranziții reciproce ale izomerilor optici și geometrici, ci și cele care pot promova conversia aldozelor în cetoze.

Ligaze. Anterior, aceste enzime nu erau separate de lază, deoarece reacția acestora din urmă se desfășoară adesea în două direcții, dar recent s-a descoperit că sinteza și descompunerea în cele mai multe cazuri au loc sub influența diferitelor enzime și, pe această bază, o clasă separată. de ligaze (sintetaze) a fost izolat. Enzimele cu acțiune dublă se numesc bifuncționale. Ligazele participă la reacția de conectare a două molecule, adică procese sintetice însoțite de scindarea legăturilor macroenergetice ale ATP sau ale altor macroergi.

„Prima împărțire a enzimelor în cele mai mari grupuri (6 clase) se bazează nu pe numele substratului, ci pe natura reacției chimice pe care o catalizează enzima. În plus, în cadrul claselor, enzimele sunt împărțite în subclase, ghidate de structura substratului. Subclasele combină enzime dintr-o clasă dată care acționează pe substraturi construite în mod similar. Împărțirea nu se termină aici. Enzimele fiecărei subclase sunt împărțite în subclase, în care structura este rafinată și mai strict. grupe chimice deosebirea substraturilor unele de altele. O subclasă este ultimul nivel inferior de clasificare. În cadrul subclaselor, enzimele individuale sunt deja enumerate.

6. Domeniul de aplicare al enzimelor

posedând un grad înalt selectivitate, enzimele sunt folosite de organismele vii pentru a efectua o mare varietate de reacții chimice la viteză mare; își păstrează activitatea nu numai în microspațiul celulei, ci și în afara corpului. Enzimele sunt utilizate pe scară largă în industrii precum panificația, fabricarea berii, vinificația, ceaiul, producția de piele și blană, fabricarea brânzeturilor, gătitul (pentru prelucrarea cărnii) etc. LA anul trecut enzimele au început să fie folosite în industria chimică fină pentru a efectua astfel de reacții Chimie organica, ca oxidare, reducere, deaminare, decarboxilare, deshidratare, condensare, precum și pentru separarea și izolarea izomerilor aminoacizilor din seria L (în timpul sintezei chimice se formează amestecuri racemice de izomeri L și D), care sunt folosit în industrie, agricultură, medicină. Stăpânirea mecanismelor subtile de acțiune a enzimelor va oferi, fără îndoială, posibilități nelimitate de obținere a substanțelor utile în cantități mari și cu viteză mare. conditii de laborator randament aproape 100%. În prezent, se dezvoltă o nouă ramură a științei - enzimologia industrială, care stă la baza biotehnologiei. O enzimă atașată covalent ("cusut") la orice purtător polimeric organic sau anorganic (matrice) se numește imobilizată. Tehnica de imobilizare a enzimelor permite rezolvarea unui număr de probleme cheie ale enzimologiei: asigurarea specificității ridicate a acțiunii enzimelor și creșterea stabilității acestora, ușurința în manipulare, posibilitatea de reutilizare și utilizarea lor în reacții sintetice într-un flux. Aplicarea acestei tehnici în industrie se numește enzimologie inginerească. Un număr de exemple mărturisesc posibilitățile enorme ale enzimologiei inginerești în diferite domenii ale industriei, medicinei și agriculturii. În special, β-galactozidaza imobilizată atașată la o bară de agitare magnetică este utilizată pentru a reduce conținutul de lactoză al laptelui, de exemplu. un produs care nu se descompune în corpul unui copil bolnav cu intoleranță ereditară la lactoză. Laptele astfel tratat se păstrează și congelat mult mai mult timp și nu se îngroașă. Au fost dezvoltate proiecte pentru obținerea produselor alimentare din celuloză, transformarea acesteia cu ajutorul enzimelor imobilizate - celulaze - în glucoză, care poate fi transformată într-un produs alimentar - amidon. Cu ajutorul tehnologiei enzimatice, în principiu, este, de asemenea, posibil să se obțină produse alimentare, în special carbohidrați, din combustibil lichid (ulei), descompunerea acestuia în gliceraldehidă și apoi sintetizarea glucozei și amidonului din aceasta cu participarea enzimelor. Fără îndoială, modelarea cu ajutorul enzimologiei inginerești a procesului de fotosinteză are un viitor mare, adică. procesul natural de fixare a CO2; pe lângă imobilizare, acest proces, vital pentru întreaga omenire, va necesita dezvoltarea de noi abordări originale și utilizarea unui număr de coenzime imobilizate specifice. Ca exemplu de imobilizare a enzimelor și utilizarea lor în industrie, prezentăm o diagramă a unui proces continuu de obținere a aminoacidului alaninei și regenerare a coenzimei (în special, NAD) într-un sistem model (Fig. 2). În acest sistem, substratul inițial (acidul lactic) este pompat într-o cameră de reactor care conține NAD+ și două dehidrogenaze dependente de NAD imobilizate pe dextran: lactat și alanin dehidrogenaze; de la capătul opus al reactorului, produsul de reacție - alanina - este îndepărtat la o viteză dată.

Orez. 2. Schema unui proces continuu de obtinere a unui aminoacid

Astfel de reactoare au găsit aplicație în industria farmaceutică, de exemplu, în sinteza medicamentului antireumatoid prednisolon din hidrocortizon. În plus, ele pot servi ca model pentru utilizarea în sinteza și producerea factorilor esențiali, deoarece cu ajutorul enzimelor și coenzimelor imobilizate pot fi direcționate reacțiile chimice cuplate (inclusiv biosinteza metaboliților esențiali), eliminând astfel lipsa de substanțe în defecte metabolice ereditare. Astfel, cu ajutorul unei noi abordări metodologice, știința face primii pași în domeniul „biochimiei sintetice”. Domenii nu mai puțin importante de cercetare sunt imobilizarea celulelor și crearea de tulpini industriale de microorganisme producătoare de vitamine și aminoacizi esențiali prin metode de inginerie genetică (ingineria genetică). Imobilizarea celulelor tiroidiene pentru determinarea hormonului de stimulare a tiroidei în fluide biologice sau extracte tisulare poate fi citată ca exemplu de aplicare medicală a progreselor biotehnologiei. Urmează crearea unei metode biotehnologice de obținere a dulciurilor necalorice, i.e. indulcitori alimentari care pot crea o senzatie de dulce fara a fi bogati in calorii. Una dintre aceste substanțe promițătoare este aspartamul, care este un ester metilic al dipeptidei - aspartilfenilalanina (vezi mai devreme). Aspartamul este de aproape 300 de ori mai dulce decât zahărul, este inofensiv și este descompus în organism în aminoacizi liberi naturali: acid aspartic (aspartat) și fenilalanina. Aspartamul va găsi, fără îndoială, o largă aplicație atât în medicină, cât și în Industria alimentară(în SUA, de exemplu, este folosit pentru mâncarea bebelușilor și se adaugă în loc de zahăr la Diet Coca-Cola). Pentru producerea de aspartam prin metode de inginerie genetică, este necesar să se obțină nu numai acid aspartic liber și fenilalanină (precursori), ci și o enzimă bacteriană care catalizează biosinteza acestei dipeptide. Importanța enzimologiei inginerești, precum și a biotehnologiei în general, va crește în viitor. Potrivit experților, producția tuturor proceselor biotehnologice din industria chimică, farmaceutică, alimentară, medicină și agricultură, obținute într-un an în lume, se va ridica la zeci de miliarde de dolari până în anul 2000. În țara noastră, prin anul 2000, producerea metodelor de inginerie genetică a L-treoninei și a vitaminei B2. Deja până în 1998, este de așteptat producerea unui număr de enzime, antibiotice, interferoni β1-, β-, r; Preparatele cu insulină și hormon de creștere sunt în curs de studii clinice. Producția de reactivi pentru metodele imunoenzimatice pentru determinarea multor componente chimice în fluide biologice a fost lansată în țară folosind tehnologia hibridomului.

7. Metode de extracție a enzimelor

Procesul de izolare a unei proteine începe cu transferul proteinelor tisulare într-o soluție. Pentru a face acest lucru, țesutul (materialul) din care se obține enzima este măcinat cu grijă într-un omogenizator în prezența unei soluții tampon. Pentru o mai bună distrugere a celulelor, se adaugă nisip de cuarț la material dacă materialul este măcinat într-un mortar. Ca rezultat, se obține o suspensie - un omogenat. Dacă nu a fost efectuată o fracționare preliminară a organitelor celulare, omogenatul conține fragmente de celule, nuclee, cloroplaste și alte organite celulare, pigmenți solubili și proteine.

La izolarea enzimelor din țesuturile organismelor vii, inclusiv ale plantelor, este necesar să se respecte condițiile care nu provoacă denaturarea proteinelor. Toate lucrările se desfășoară la o temperatură scăzută (40 C) și la valori ale pH-ului soluției tampon care sunt optime pentru această enzimă.

După transferul enzimelor din țesut într-o stare dizolvată, omogenatul este supus centrifugării pentru a separa partea insolubilă a materialului, iar apoi următoarele enzime sunt izolate în fracțiuni separate ale extractului-centrifugat.

Deoarece toate enzimele sunt proteine, se folosesc aceleași metode de izolare pentru a obține preparate enzimatice purificate ca atunci când se lucrează cu proteine.

Metode de selecție:

precipitarea proteinelor de către solvenți organici;

sărare;

metoda electroforezei;

metoda cromatografiei cu schimb de ioni;

Metoda de centrifugare

metoda de filtrare pe gel;

metoda cromatografiei de afinitate sau metoda cromatografiei de afinitate;

denaturare selectivă.

8. Factori care afectează reacțiile enzimatice

Activitatea enzimelor și, prin urmare, rata reacțiilor catalizei enzimatice, este influențată de diverși factori:

Ш Concentrația și disponibilitatea substratului. La o cantitate constantă de enzimă, viteza crește odată cu creșterea concentrației de substrat. Această reacție este supusă legii masele actoriceși este considerată în lumina teoriei Michaelis-Menton.

Ø Concentratia enzimatica. Concentrația de enzime este întotdeauna relativ scăzută. Viteza oricărui proces enzimatic depinde foarte mult de concentrația enzimei. Pentru majoritatea aplicațiilor alimentare, viteza reacțiilor este proporțională cu concentrația de enzime. Excepția este atunci când reacțiile sunt ajustate la niveluri foarte scăzute ale substratului.

W Temperatura de reacție. Până la o anumită temperatură (până la 50°C în medie), activitatea catalitică crește, iar pentru fiecare 10°C, viteza de conversie a substratului crește de aproximativ 2 ori. În general, pentru enzimele de origine animală, se situează între 40 și 50°C, iar de origine vegetală între 50 și 60°C. Temperatura cea mai optimă este de 37 o C, la care procesele dintr-un organism viu decurg rapid, economisind un numar mare de energie. Cu toate acestea, există enzime cu o temperatură optimă mai mare, de exemplu, papaina are un optim la 80°C. În același timp, catalaza are o temperatură optimă de acțiune între 0 și -10°C.

Reacția SH pH. Fiecare enzimă are un interval specific de valori ale pH-ului la care enzima prezintă activitate maximă. Cu toate acestea, cele mai bune condiții pentru funcționarea lor sunt apropiate de valorile neutre ale pH-ului. Într-un mediu puternic acid sau puternic alcalin, doar unele enzime funcționează bine. Influența pH-ului mediului asupra acțiunilor enzimelor se bazează pe faptul că în centrul activ al enzimei are loc o modificare a sarcinii diferitelor grupe de proteine, determinând o schimbare semnificativă a conformației lanțului polipeptidic.

Ш Durata procesului. Pentru o reacție de cataliză enzimatică de ordinul întâi, viteza de reacție scade în timp pe măsură ce disponibilitatea substratului scade. Astfel de reacții de cataliză enzimatică durează destul de mult timp pentru a se finaliza.

III Prezenţa inhibitorilor sau activatorilor. Substanțe chimice capabil să furnizeze efect nociv asupra reacției de fermentație se numesc „inhibitori”. Metalele (cupru, fier, calciu) sau compușii din substraturi pot acționa ca astfel de substanțe. Unele substanțe sunt capabile să activeze sau să stabilizeze enzimele. Prezența anumitor ioni în mediul de reacție poate activa formarea substratului activ al complexului enzimatic, iar în acest caz viteza reacției enzimatice va crește. Astfel de substanțe se numesc activatori.

Concluzie

În acest eseu, am examinat una dintre substanțele biologic active, și anume enzimele. Enzimele sunt catalizatori biologici de natură proteică care accelerează reacțiile chimice în și în afara organismelor vii. Enzimele au proprietăți unice care le deosebesc de catalizatorii organici convenționali. Aceasta este, în primul rând, o activitate catalitică neobișnuit de mare. O altă proprietate importantă a enzimelor este selectivitatea acțiunii lor.

O proprietate importantă a enzimelor, care trebuie luată în considerare în utilizarea lor practică, este stabilitatea, adică. capacitatea lor de a menține activitatea catalitică.

Datorită specificității ridicate a enzimelor, haosul nu domnește în organism: fiecare enzimă îndeplinește funcții strict atribuite, fără a afecta cursul multor zeci și sute de alte reacții care au loc în mediul său. Rolul enzimelor în viața organismelor este mare.

Viitorul enzimelor este foarte interesant. Tehnologia pentru descoperirea și producerea de noi enzime avansează într-un ritm rapid. Anterior, utilizarea și producția de enzime au evoluat în mare măsură prin încercare și eroare. Deoarece detaliile care afectează chimia și acțiunea enzimelor erau puțin cunoscute, în preparate s-au folosit amestecuri ale celor mai versatile enzime. Datorită noilor cercetări, enzime mai specifice pot fi utilizate în producția de produse comercializate.

Astăzi, dezvoltarea tehnologiilor în fiecare zi dezvăluie din ce în ce mai multe minuni noi ale creării vieții, iar „biomimetica” ca știință alege sisteme excelente din organismele ființelor vii ca exemple, creând invenții după imaginea și asemănarea lor în beneficiul și beneficiul oameni. Oamenii de știință vor încerca să găsească analogi chimici ai enzimelor și să creeze noi procese industriale pe baza acestora.

Literatură

1. „Chimie biofizică” / A.G. Pasynsky [Text] -375 p.

2. Nechaev A.P., Kochetkova A.A., Zaitsev A.N. / Aditivi alimentari [Text] // M., 2001. - 232 p.

3. „Fundamentele biochimiei” / G.A. Smirnova. [Text] -278 p.

4. „Enzime-motoare ale vieții” / V.I. Rosengart. [Text] -378 p.

5." Dicţionar enciclopedic tânăr biolog” / M.S. Ghiliarov. [Text] -488 p.

Găzduit pe Allbest.ru

...

Documente similare

Caracteristici ale enzimelor, catalizatori organici de natura proteica, care accelereaza reactiile necesare functionarii organismelor vii. Condiții de acțiune, producție și utilizare a enzimelor. Boli asociate cu producerea afectată de enzime.

prezentare, adaugat 19.10.2013

Clasificarea enzimelor, funcțiile lor. Convenții de denumire a enzimelor, structura și mecanismul acțiunii lor. Descrierea cineticii reacțiilor enzimatice cu un singur substrat. Modele „key-lock”, corespondență indusă. Modificări, cofactori enzimatici.

prezentare, adaugat 17.10.2012

Compoziție chimică, natura și structura proteinelor. Mecanismul de acțiune al enzimelor, tipurile de activare și inhibare a acestora. Clasificarea și nomenclatura modernă a enzimelor și vitaminelor. Mecanismul oxidării biologice, principalul lanț al enzimelor respiratorii.

cheat sheet, adăugată 20.06.2013

Studiul rolului biologic al enzimelor în mecanismele de interacțiune dintre sistemele adrenergic și peptidergic. Determinarea activității enzimatice prin metoda fluorometrică. Studiul glandei pituitare, hipotalamusului, emisferelor cerebrale și cvadrigeminei la șobolani masculi.

articol, adăugat 09.01.2013

Definirea enzimelor ca proteine specifice prezente în toate celulele vii ale catalizatorilor biologici. Spațialitatea moleculei structurale a enzimelor, procesul de biosinteză a oxidoreductazei, transferazei, hidrolazei, liazelor, izomerazei și ligazei.

test, adaugat 27.01.2011

Conceptul de enzime ca proteine globulare care constau din unul sau mai multe lanțuri polipeptidice. Caracteristicile structurale ale enzimelor simple și complexe. Substrat, centri alosterici și catalitici în structura enzimelor simple și complexe.

prezentare, adaugat 02.07.2017

Enzimele (enzimele) sunt proteine catalitice. Caracteristicile, funcția și principiile structurii enzimelor. Condiții pentru activitate maximă, cofactori și coenzime. Distribuția enzimelor în organism. Valoarea diagnostică a markerului, secretorii și izoenzimelor.

prezentare, adaugat 28.11.2015

Semnificația biologică, clasificarea, studiul și reglarea activității catalitice a enzimelor membrana biologica, diferențele lor față de enzimele solubile. Metode de reconstrucție a proteinelor. Funcțiile lipidelor și metode de studiere a efectului lor asupra enzimelor membranare.

lucrare de termen, adăugată 13.04.2009

Caracterizarea biosintezei ca proces de formare a substanțelor organice care apare în celule cu ajutorul enzimelor și structurilor intracelulare. Membrii biosintezei proteinelor. Sinteza ARN folosind ADN-ul ca matriță. Rolul și importanța ribozomilor.

prezentare, adaugat 21.12.2013

Enzime, sau enzime - molecule de proteine sau complexe ale acestora care accelerează reacțiile chimice în sistemele vii; coenzime și substraturi: istoric de studiu, clasificare, nomenclatură, funcții. Structura și mecanismul de acțiune al enzimelor, semnificația lor biomedicală.

Istoria studiului

Termen enzimă propusă în secolul al XVII-lea de chimistul van Helmont când discuta despre mecanismele digestiei.

Clasificarea enzimelor

După tipul de reacții catalizate, enzimele sunt împărțite în 6 clase conform clasificării ierarhice a enzimelor (KF, - Enzyme Comission code). Clasificarea a fost propusă de Uniunea Internațională de Biochimie și Biologie Moleculară (International Union of Biochemistry and Molecular Biology). Fiecare clasă conține subclase, astfel încât o enzimă este descrisă printr-un set de patru numere separate prin puncte. De exemplu, pepsina are denumirea EC 3.4.23.1. Primul număr descrie aproximativ mecanismul reacției catalizate de enzimă:

CF 1: Oxidorreductaza care catalizează oxidarea sau reducerea. Exemplu: catalaza, alcool dehidrogenaza.
CF 2: Transferaze care catalizează transferul grupelor chimice de la o moleculă de substrat la alta. Dintre transferaze, se disting în special kinazele, transferând o grupare fosfat, de regulă, dintr-o moleculă de ATP.
CF 3: Hidrolazele care catalizează hidroliza legăturilor chimice. Exemplu: esteraze, pepsină, tripsină, amilază, lipoprotein lipază.
CF 4: Legătura, catalizând ruperea legăturilor chimice fără hidroliză cu formarea unei duble legături într-unul dintre produse.
CF 5: Izomeraze, catalizatoare structurale sau modificări geometriceîn molecula substratului.
CF 6: Ligaze, catalizând formarea de legături chimice între substraturi datorită hidrolizei ATP. Exemplu: ADN polimeraza.

Cercetare cinetică

Cea mai simplă descriere cinetica reacțiile enzimatice cu un singur substrat este ecuația Michaelis-Menten (vezi Fig.). Până în prezent, au fost descrise mai multe mecanisme de acțiune a enzimelor. De exemplu, acțiunea multor enzime este descrisă de schema mecanismului „ping-pong”.

În 1972-1973. a fost creat primul model mecanic-cuantic al catalizei enzimatice (autori M. V. Volkenshtein, R. R. Dogonadze, Z. D. Urushadze și alții).

Structura și mecanismul de acțiune al enzimelor

Activitatea enzimelor este determinată de structura lor tridimensională.

Loc activ al enzimelor

În centrul activ, alocați condiționat:

centru catalitic - interacționează direct chimic cu substratul;
centru de legare (site de contact sau „ancoră”) – asigură afinitatea specifică pentru substrat și formarea complexului enzimă-substrat.

Pentru a cataliza o reacție, o enzimă trebuie să se lege de unul sau mai multe substraturi. Lanțul proteic al enzimei este pliat în așa fel încât pe suprafața globului, unde se leagă substraturile, se formează un gol, sau depresiune. Această regiune se numește locul de legare a substratului. De obicei coincide cu locul activ al enzimei sau este situat în apropierea acestuia. Unele enzime conțin și locuri de legare pentru cofactori sau ioni metalici.

Enzima se leagă de substrat:

curăță substratul de „blana” de apă
aranjează moleculele substratului care reacţionează în spaţiu în modul necesar pentru ca reacţia să se desfăşoare
pregătește pentru reacție (de exemplu, polarizează) moleculele de substrat.

De obicei, atașarea unei enzime la un substrat are loc datorită legăturilor ionice sau de hidrogen, rareori datorită legăturilor covalente. La sfârșitul reacției, produsul (sau produsele) acestuia sunt separate de enzimă.

Ca urmare, enzima scade energia de activare a reacției. Acest lucru se datorează faptului că, în prezența enzimei, reacția ia o cale diferită (de fapt, are loc o reacție diferită), de exemplu:

În absența unei enzime:

A+B = AB

În prezența unei enzime:

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

unde A, B - substraturi, AB - produs de reacție, F - enzimă.

Enzimele nu pot furniza singure energie pentru reacțiile endergonice (care necesită energie). Prin urmare, enzimele care efectuează astfel de reacții le cuplează cu reacții exergonice care procedează cu eliberarea de mai multă energie. De exemplu, reacțiile de sinteză a biopolimerului sunt adesea cuplate cu reacția de hidroliză ATP.

Centrii activi ai unor enzime se caracterizează prin fenomenul de cooperare.

Specificitate

Enzimele prezintă de obicei o specificitate ridicată pentru substraturile lor (specificitate de substrat). Acest lucru se realizează prin complementaritatea parțială a formei, distribuției sarcinii și regiunilor hidrofobe de pe molecula de substrat și la locul de legare a substratului de pe enzimă. De obicei, apar și enzimele nivel inalt stereospecificitatea (formează ca produs doar unul dintre stereoizomerii posibili sau folosește doar un stereoizomer ca substrat), regioselectivitatea (formează sau rupe o legătură chimică doar într-una dintre pozițiile posibile ale substratului) și chemoselectivitatea (catalizează doar o reacție chimică). dintre mai multe posibile pentru condiții date). În ciuda nivelului general ridicat de specificitate, gradul de substrat și specificitatea de reacție a enzimelor pot fi diferite. De exemplu, endopeptidaza tripsina rupe numai o legătură peptidică după arginină sau lizină, cu excepția cazului în care acestea sunt urmate de o prolină, iar pepsina este mult mai puțin specifică și poate rupe o legătură peptidică după mulți aminoacizi.

Model cu cheie de blocare

Conjectura de potrivire indusă a lui Koshland

O situație mai realistă este în cazul potrivirii induse. Substraturile incorecte - prea mari sau prea mici - nu se potrivesc cu locul activ

În 1890, Emil Fischer a sugerat că specificitatea enzimelor este determinată de corespondența exactă dintre forma enzimei și substrat. Această ipoteză se numește modelul de blocare și cheie. Enzima se leagă de substrat pentru a forma un complex enzimă-substrat de scurtă durată. Cu toate acestea, deși acest model explică specificitatea ridicată a enzimelor, nu explică fenomenul de stabilizare a stării de tranziție care se observă în practică.

Model de potrivire indusă

În 1958, Daniel Koshland a propus o modificare a modelului de blocare a cheilor. Enzimele nu sunt în general molecule rigide, ci flexibile. Locul activ al unei enzime poate schimba conformația după legarea substratului. Grupările laterale ale aminoacizilor locului activ iau o poziție care permite enzimei să-și îndeplinească funcția catalitică. În unele cazuri, molecula de substrat își schimbă, de asemenea, conformația după legarea la situsul activ. Spre deosebire de modelul key-lock, modelul de potrivire indusă explică nu numai specificitatea enzimelor, ci și stabilizarea stării de tranziție. Acest model a fost numit „mânușa de mână”.

Modificări

Multe enzime suferă modificări după sinteza lanțului proteic, fără de care enzima nu își arată activitatea în întregime. Astfel de modificări se numesc modificări post-traducționale (procesare). Unul dintre cele mai comune tipuri de modificare este adăugarea de grupări chimice la resturile laterale ale lanțului polipeptidic. De exemplu, adăugarea unui rest de acid fosforic se numește fosforilare și este catalizată de enzima kinază. Multe enzime eucariote sunt glicozilate, adică modificate cu oligomeri de carbohidrați.

Un alt tip comun de modificări post-translaționale este clivajul lanțului polipeptidic. De exemplu, chimotripsina (o protează implicată în digestie) este obținută prin scindarea unei regiuni polipeptidice din chimotripsinogen. Chimotripsinogenul este un precursor inactiv al chimotripsinei și este sintetizat în pancreas. Forma inactivă este transportată în stomac unde este transformată în chimotripsină. Acest mecanism este necesar pentru a evita scindarea pancreasului și a altor țesuturi înainte ca enzima să intre în stomac. Un precursor de enzimă inactiv este denumit și „zimogen”.

Cofactori enzimatici

Unele enzime îndeplinesc singure funcția catalitică, fără componente suplimentare. Cu toate acestea, există enzime care necesită componente non-proteice pentru cataliză. Cofactorii pot fi fie molecule anorganice (ioni de metal, clustere de fier-sulf etc.) fie organici (de exemplu, flavină sau hem). Cofactorii organici care sunt puternic asociați cu enzima se mai numesc și grupuri protetice. Cofactorii organici care pot fi separați de enzimă se numesc coenzime.

O enzimă care necesită un cofactor pentru a prezenta activitate catalitică, dar nu este legată de aceasta, se numește apo-enzimă. O apo-enzimă în combinație cu un cofactor se numește holo-enzimă. Majoritatea cofactorilor sunt asociați cu enzima prin interacțiuni non-covalente, dar destul de puternice. Există, de asemenea, grupări protetice care sunt legate covalent de enzimă, cum ar fi tiamină pirofosfat în piruvat dehidrogenaza.

Reglarea enzimatică

Unele enzime au locuri mici de legare a moleculelor și pot fi substraturi sau produse ale căii metabolice în care intră enzima. Ele scad sau cresc activitatea enzimei, ceea ce face posibilă părere.

Inhibarea produsului final

Calea metabolică - un lanț de reacții enzimatice succesive. Adesea, produsul final al unei căi metabolice este un inhibitor al unei enzime care accelerează prima dintre reacțiile din acea cale metabolică. Dacă produsul final este prea mult, atunci acționează ca un inhibitor pentru prima enzimă, iar dacă după aceea produsul final devine prea mic, atunci prima enzimă este activată din nou. Astfel, inhibarea de către produsul final conform principiului feedback-ului negativ este o modalitate importantă de menținere a homeostaziei (constanța relativă a condițiilor mediului intern al organismului).

Influența condițiilor de mediu asupra activității enzimelor

Activitatea enzimelor depinde de condițiile din celulă sau organism - presiunea, aciditatea mediului, temperatura, concentrația sărurilor dizolvate (tăria ionică a soluției) etc.

Forme multiple de enzime

Formele multiple de enzime pot fi împărțite în două categorii:

Izoenzime
Forme proprii de plural (adevărat)

Izoenzime- Acestea sunt enzime, a căror sinteza este codificată de gene diferite, au structuri primare diferite și proprietăți diferite, dar catalizează aceeași reacție. Tipuri de izoenzime:

Organic - enzime de glicoliză în ficat și mușchi.
Celular - malat dehidrogenaza citoplasmatică și mitocondrială (enzimele sunt diferite, dar catalizează aceeași reacție).
Hibrid - enzime cu structură cuaternară, se formează ca urmare a legării necovalente a subunităților individuale (lactat dehidrogenază - 4 subunități de 2 tipuri).
Mutant - se formează ca urmare a unei singure mutații a unei gene.
Aloenzime - codificate de diferite alele ale aceleiași gene.

Formele propriu-zise de plural(adevarat) sunt enzime a caror sinteza este codificata de aceeasi alela a aceleiasi gene, au aceeasi structura si proprietati primare, dar dupa sinteza pe ribozomi sufera modificari si devin diferite, desi catalizeaza aceeasi reactie.

Izoenzimele sunt diferite la nivel genetic și diferă de secvența primară, iar adevăratele forme multiple devin diferite la nivel post-translațional.

semnificație medicală

Legătura dintre enzime și bolile metabolice ereditare a fost stabilită pentru prima dată A. Garrodomîn anii 1910 Garrod a numit bolile asociate cu defecte enzimatice „erori înnăscute ale metabolismului”.

Dacă apare o mutație în gena care codifică o anumită enzimă, secvența de aminoacizi a enzimei se poate modifica. În același timp, ca urmare a majorității mutațiilor, activitatea sa catalitică scade sau dispare complet. Dacă un organism primește două dintre aceste gene mutante (una de la fiecare părinte), organismul se oprește reactie chimica catalizata de aceasta enzima. De exemplu, apariția albinoșilor este asociată cu încetarea producției de enzimă tirozinază, care este responsabilă pentru una dintre etapele sintezei melaninei pigmentului întunecat. Fenilcetonuria este asociată cu activitate scăzută sau absentă a enzimei fenilalanin-4-hidroxilazei din ficat.

În prezent, sunt cunoscute sute de boli ereditare asociate cu defecte enzimatice. Au fost dezvoltate metode pentru tratamentul și prevenirea multora dintre aceste boli.

Uz practic

Enzimele sunt utilizate pe scară largă în economia națională - alimentară, industria textilă, farmacologie și medicină. Majoritatea medicamentelor afectează cursul proceselor enzimatice din organism, declanșând sau oprind anumite reacții.

O zonă și mai largă de aplicare a enzimelor în cercetare științificăși în medicină.

Note

Literatură

Volkenstein M. V., Dogonadze R. R., Madumarov A. K., Urushadze Z. D., Kharkats Yu. I. Despre teoria catalizei enzimatice.- Biologie moleculară, vol. 6, nr. 3, 1972, art. 431-439.
Dixon, M. Enzymes / M. Dixon, E. Webb. - În 3 volume - Per. din engleza. - V.1-2. - M.: Mir, 1982. - 808 p.

- (din fermentație lat. fermentum, aluat), enzime, biocatalizatori, specifici. proteine prezente în toate celulele vii și care joacă rolul de biol. catalizatori. Prin ele se realizează genetica. informații și toate procesele de schimb sunt efectuate ...... Dicționar enciclopedic biologic

- (lat. Fermentum drojdie, de la fervere a fi fierbinte). materie organică, producând fermentarea altor corpuri organice, fără a fi ele însele putrezite. Dicționar de cuvinte străine incluse în limba rusă. Chudinov A.N., 1910. ENZIME ...... Dicționar de cuvinte străine ale limbii ruse

- (din lat. fermentum drojdie) (enzime) catalizatori biologici prezenți în toate celulele vii. Efectuează transformarea substanțelor din organism, direcționând și reglând astfel metabolismul acestuia. Natura chimică a proteinelor. Enzime ...... Dicţionar enciclopedic mare

- (din latinescul fermentum levadura), catalizatori biologici prezenti in toate celulele vii. Efectuează transformări (metabolismul) substanțelor din organism. Natura chimică a proteinelor. Participă la numeroase reacții biochimice din celulă ...... Enciclopedia modernă

Există, număr de sinonime: 2 biocatalizatori (1) enzime (2) Dicționar de sinonime ASIS. V.N. Trishin. 2013... Dicţionar de sinonime

Enzime. Vezi enzime. (