Enzym: nomenklatura, natura chemiczna i mechanizm

Enzym: nomenklatura, natura chemiczna i mechanizm!

Jedną z najważniejszych funkcji białek w żywych komórkach jest działanie jako enzymy.

Słowo "enzym" zostało po raz pierwszy wprowadzone przez Kuhne w 1878 roku. Pochodzi ono od oryginalnego greckiego słowa enzym (Gr. En-in, zyme-leaven), co oznacza "w drożdżach".

W 1896 roku Buchnerowi udało się wyekstrahować z komórek drożdży substancję aktywną w fermentacji. Substancja ta została później nazwana zymazą i stanowi część układu enzymatycznego zaangażowanego w fermentację. W 1926 roku profesor JB Sumner wyizolował z nasion fasoli, za pomocą acetonu, enzym ureazy w postaci krystalicznej.

Definicja:

Enzym można zdefiniować jako złożony biologiczny katalizator, który jest wytwarzany przez żywy organizm w swoich komórkach w celu regulowania różnych procesów fizjologicznych organizmu. Enzymy funkcjonujące poza żywymi komórkami są nazywane egzoenzymami, np. Enzymy obecne w sokach trawiennych, lizozym łez. Enzymy funkcjonalne w żywych komórkach znane są jako endozymy, np. Enzymy cyklu Krebsa, enzymy glikolizy itp.

Substancja, na której działanie działa enzym, nazywana jest "substratem" i ogólnie rzecz biorąc, sam enzym jest nazwany od substratu przez dodanie przyrostka "ase" do sufiksu substratu. Tak więc, na przykład, proteazy są grupą enzymów działających na białka, lipazy są grupą enzymów działających na substancje lipidowe, a maltaza to nazwa enzymu działającego na maltozę.

Czasami nazwa enzymu wskazuje na charakter reakcji, którą wywołuje. Na przykład, inwertaza, która rozbija sacharozę na glukozę i fruktozę, powoduje inwersję (jest to proces, w którym surowiec wykazujący jeden rodzaj skręcalności optycznej daje produkty końcowe, które wykazują przeciwny typ skręcalności optycznej).

Nomenklatura:

Analiza nomenklatury enzymów pokazuje, że w wielu przypadkach jest ona zarówno niespójna, jak i wprowadzająca w błąd. Nie brakuje także przypadków, w których różni biochemicy nadawali różne nazwy temu samemu enzymowi. Ta anomalia została usunięta przez Międzynarodową Komisję ds. Enzymów w jej raporcie z 1961 r.

Komisja uznała, że ​​każdy enzym powinien składać się z: (1) nazwy substratu i (2) słowa kończącego się "ase" określającego jeden rodzaj reakcji katalitycznej, jak dehydrogenaza bursztynowa, pirogronianowa aminotransferaza. Ta nomenklatura jest precyzyjna i systematyczna, choć w niektórych przypadkach jest długa i skręca się językiem. Z tego powodu nazwy trywialne są zachowywane z oficjalną sankcją, ale tylko w odniesieniu do ich systematycznych nazw.

Nowoczesny system klasyfikacji enzymów został wprowadzony przez Międzynarodową Unię Biochemii (IUB) w 1961 roku. Grupuje ona enzymy w następujących sześciu kategoriach.

1. Oksydoreduktazy:

Biorą udział w reakcjach utleniania i redukcji lub przenoszeniu elektronów. Oksydoreduktazy są trzech rodzajów oksydaz, dehydrogenaz i reduktaz, np. Oksydazy cytochromowej (utleniają cytochrom), dehydrogenazy bursztynianowej, reduktazy azotanowej.

2. Transferazy:

Przenoszą one grupę z jednej cząsteczki na drugą, np. Transaminazę pirogronianu glutaminianu (przenosi grupę aminową z glutaminianu do pirogronianu podczas syntezy alaniny). Transfer grupy chemicznej nie występuje w wolnym państwie.

3. Hydrolazy:

Rozbijają duże cząsteczki na mniejsze za pomocą wodorowych i hydroksylowych grup cząsteczek wody. Zjawisko to nazywa się hydrolizą. Do tej grupy należą enzymy trawienne, np. Amylaza (hydroliza skrobi), sacharoza i laktaza.

4. Lyasy:

Enzymy powodują rozszczepianie, usuwanie grup bez hydrolizy, dodawanie grup do wiązań podwójnych lub odwrotnych, np. Dekarboksylaza histydyny (przerywa histydynę do histaminy i CO2), aldolazę (1-, 6-difosforan fruktozy do fosforanu dihydroksyacetonu i fosforan gliceraldehydu ).

5. Izomerazy:

Enzymy powodują ponowne uporządkowanie struktury cząsteczki w celu wywołania zmian izomerycznych. Są to trzy typy, izomeraz (grupa aldozowa na ketozę odwrotnie, jak glukozo-6-fosforan do fruktozo-6-fosforanu), epimerazy (zmiana pozycji jednego składnika lub grupy węglowej, jak fosforan ksylulozy na fosforan rybulozy) i mutazy (przesunięcie pozycja grupy bocznej, takiej jak glukoza-fosforan do glukozo-l-fosforanu).

6. Ligazy:

(Synthetases). Enzymy katalizują wiązanie dwóch chemikaliów za pomocą energii uzyskanej z ATP, np. Karboksylazy PEP fosfenolopirogenu (łączy pirogronian fosfolowy z dwutlenkiem węgla tworząc oksalooctan, któremu towarzyszy hydroliza ATP).

Współczesny system nomenklatury enzymów wprowadzony przez International Union of Biochemistry (IUB) przewiduje metodę nadawania czterech liczb dowolnemu danemu enzymowi, pierwszej liczbie wskazującej główną klasę, do której enzym się zalicza, a druga i trzecia wskazuje odpowiednio podklasę i podklasy czwarty to numer seryjny enzymu w danej podklasie; cztery liczby są rozdzielone punktami.

Tak więc, dehydrogenazę jabłkową podaje się numer prowizji enzymu (numer katalogowy 1) 1.1.1.37. Pierwsze 1 wskazuje, że enzymem jest oksydoreduktaza, drugie 1 wskazuje, że enzym działa na grupę dawców CH-OH, a trzecie 1 wskazuje, że w reakcji, którą promuje enzym, NAD lub NADP działa jako cząsteczka akceptorowa, 37, która to ostatnia liczba w numerze seryjnym podana temu konkretnemu enzymowi to grupa o właściwościach określonych w 1.1.1.

Chemiczna natura enzymów:

Wszystkie enzymy mają charakter białkowy (Sumner, 1926), z wyjątkiem niedawno odkrytych enzymów RNA. Niektóre enzymy mogą dodatkowo zawierać grupę niebiałkową.

Na podstawie różnic w charakterze chemicznym enzymy można opisać w następujący sposób:

(i) Proste enzymy:

Niektóre enzymy są białkami prostymi, tj. Podczas hydrolizy dają tylko aminokwasy. Enzymy trawienne, takie jak pepsyna, trypsyna i chymotrypsyna są tego rodzaju.

(ii) Koniugatowe enzymy:

Jest to enzym, który składa się z dwóch części - części białkowej zwanej apoenzymem (np. Flawoproteiny) i części niebiałkowej o nazwie kofaktor. Całkowity skoniugowany enzym, składający się z apoenzymu i kofaktora, nazywany jest holoenzymem.

Aktywność enzymatyczna może występować tylko wtedy, gdy oba składniki (apoenzym i kofaktor) występują razem. Kofaktorem jest czasami prosty dwuwartościowy jon metalu (np. £., Ca, Mg, Zn, Co, itp.), A czasami niebiałkowy związek organiczny. Jednak niektóre enzymy wymagają obu rodzajów kofaktorów. Jeśli kofaktor jest mocno związany z apoenzymem, nazywa się to grupą prostetyczną.

Na przykład, cytochromy są enzymami, które posiadają porfiryny jako ich grupy prostetyczne. Jeśli zamiast być mniej lub bardziej trwale związanym z apoenzymem, kofaktor przyłącza się do apoenzymu tylko w czasie reakcji, nazywa się go koenzymem.

(iii) Metaloenzymy:

Kofaktory metaliczne biorące udział w reakcjach enzymatycznych są jednowartościowymi (K + ) i dwuwartościowymi kationami (Mg ++, Mn ++, Cu ++ ). Mogą one być luźno utrzymywane przez enzym lub, w niektórych przypadkach, wchodzić w skład samej cząsteczki. Jeśli metal tworzy część cząsteczki, tak jak jest to żelazo hemoglobiny lub cytochromu, enzymy nazywane są metaloenzymami.

(iv) Izoenzymy (Isozymy):

W pewnym momencie sądzono, że organizm ma tylko jeden enzym na dany etap reakcji metabolicznej. Później odkryto, że na substrat może wpływać szereg wariantów enzymu wytwarzającego ten sam produkt.

Wielocząsteczkowe postacie enzymu występujące w tym samym organizmie i mające podobną aktywność substratową są nazywane izoenzymami lub izoenzymami. Wiadomo, że ponad 100 enzymów ma izoenzymy. Tak więc a-amylaza bielma pszenicy ma 16 izoenzymów, dehydrogenaza mlekowa ma 5 izoenzymów u człowieka, podczas gdy dehydrogenaza alkoholowa ma 4 izozymy w kukurydzy. Izoenzymy różnią się optymalizacją aktywności i hamowaniem.

Najdokładniej przebadany izozym jest dehydrogenazą mleczanową (LDH), która występuje w pięciu możliwych formach w narządach większości kręgowców, co obserwowano w elektroforetycznym rozdzielaniu skrobi z żelu. Występują dwa zasadniczo różne typy LDH. Jeden rodzaj, który jest silnie hamowany przez względnie niskie stężenia pirogronianu, przeważa w sercu i jest nazywany LDH serca.

Drugi rodzaj, mniej łatwo hamowany przez pirogronian, występuje w wielu mięśniach szkieletowych i dlatego nazywany jest LDH mięśni. LDH serca składa się z 4 identycznych podjednostek, które nazywane są podjednostkami H. LDH mięśnia składa się z 4 identycznych podjednostek M. Oba typy podjednostek, H i M, mają różne składy aminokwasów, kinetykę enzymów i właściwości immunologiczne. Podjednostki te w różnych kombinacjach wytwarzają 5 izoenzymów.

Są zatem przydatne organizmowi w dostosowywaniu się do różnych warunków środowiskowych.

Mechanizm działania enzymu:

Enzym wspomaga daną reakcję, ale sam pozostaje niezmieniony na końcu reakcji. W 1913 r. Michaelis i Menten zaproponowali utworzenie się pośredniego kompleksu enzym-substrat podczas aktywności enzymatycznej. Poniższy schemat może być napisany w celu zilustrowania pojęcia:

Enzymy są biologicznymi katalizatorami, które przyspieszają szybkość reakcji, zmieniając właściwości kinetyczne. W ten sposób enzym (E) pełni swoją rolę katalityczną na substracie (S), tworząc kompleks enzym-substrat (ES) przez odwracalną reakcję, w której K 1 jest stałą szybkości tworzenia ES, a K 2 jest szybkością stała dla dysocjacji ES do E i S.

Po utworzeniu ES substrat (S) przekształca się w produkty, co powoduje, że enzym (E) jest dostępny do dalszej kombinacji z większą ilością substratu. Szybkość konwersji ES do produktów reakcji może wskazywać stała K3.

Każda reakcja katalizowana enzymem ma charakterystyczną wartość K m, która jest stałą Michaliesa-Mentena, która jest miarą tendencji enzymu i substratu do łączenia się ze sobą.

W ten sposób wartość Km jest wskaźnikiem powinowactwa enzymu do jego konkretnego substratu. Większe powinowactwo enzymu do jego substratu, niższa wartość K m .

Enzymy zmniejszają energię aktywacji:

Energia aktywacji to minimalna ilość energii, która jest wymagana od cząsteczki do wzięcia udziału w reakcji. Efektem enzymów jest obniżenie wymagań dotyczących energii aktywacji, a tym samym promowanie znaczących szybkości reakcji w niższych temperaturach, niż byłoby to możliwe w inny sposób.

Strony katalityczne:

Enzymy są znacznie większe w porównaniu do cząsteczek substratu. W substracie enzymatycznym substrat styka się tylko z bardzo niewielkim obszarem powierzchni enzymu. Ta część enzymu zawierająca reszty aminokwasowe i wiązania peptydowe, które są w fizycznym kontakcie z substratem, ale niezbędne dla aktywności katalitycznej razem, stanowią miejsce aktywne, zwane obecnie miejscem katalitycznym.

Z wyłączeniem miejsca katalitycznego, reszta cząsteczki enzymu może być niezbędna do utrzymania prawidłowej trójwymiarowej konformacji miejsca katalitycznego lub może być tam bez jakiejkolwiek roli funkcjonalnej.

Strukturę miejsca katalitycznego badano w niektórych enzymach. Jest to szczelina na enzymie jak papaina i rybonukleaza lub głęboki dół jak w anhydrazie węglanowej. Niezależnie od kształtu miejsca katalitycznego, uważa się, że właściwy substrat wiąże się z miejscem katalitycznym wytwarzającym kompleks miejsca katalitycznego substratu.

Termin "produktywne wiązanie" jest często stosowany do tego kompleksu. W wiązaniu produktywnym zarówno enzymy, jak i substraty wykazują zmiany konformacyjne z redukcją energii aktywacji, tak że substrat jest przekształcany w produkt.

Teorie działania enzymów:

1. Hipotezy blokowania i klucza:

Kompleks enzymów-substratów postawiony po raz pierwszy przez Emila Fischera w 1884 r., Przyjął sztywne połączenie między dwoma kluczami. Część enzymu, z którym łączy się substrat (lub substraty) w trakcie konwersji do produktu, nazywa się miejscem aktywnym.

Jeżeli miejsce aktywne było sztywne i specyficzne dla danego substratu, odwracalność reakcji nie nastąpiłaby, ponieważ struktura produktu jest inna niż struktura substratu i nie pasuje dobrze.

2. Teoria indukowanego dopasowania:

W przeciwieństwie do sztywno ułożonego aktywnego miejsca Fischera, Daniel E. Koshland (1973) znalazł dowód, że aktywne miejsce enzymów może być indukowane przez bliskie zbliżenie substratu (lub produktu) w celu zmiany konformacji, która umożliwia lepszą kombinację pomiędzy dwoma.

Idea ta jest obecnie szeroko znana jako teoria indukowanego dopasowania i jest zilustrowana poniżej. Wydaje się, że struktura substratu zmienia się również w wielu przypadkach dopasowania indukowanego, co pozwala na bardziej funkcjonalny kompleks enzym-substrat.

Właściwości enzymów:

1. Katalityczny charakter enzymu omówiono już wcześniej szczegółowo.

2. Odwracalność:

Teoretycznie wszystkie reakcje kontrolowane przez enzymy są odwracalne. Odwracalność zależy jednak od wymagań energetycznych, dostępności reagenta, stężenia produktów końcowych i pH. Jeżeli potencjał chemiczny reagentów jest bardzo wysoki w porównaniu z właściwościami produktów, reakcja może być prowadzona tylko w kierunku tworzenia produktów, z powodu chemicznego prawa masowego działania. Większość reakcji dekarboksylacji i hydrolitycznych jest nieodwracalna.

Ten sam enzym ułatwia ruch reakcji do przodu i do tyłu, jeśli tylko jest możliwy termodynamicznie. Przekonujący przykład widać na ścieżkach oddychania i fotosyntezy. Enzymy glikolizy i szlaku pentozofosforanowego disimilują glukozę. Niektóre z tych enzymów działają w odwrotnym kierunku w procesie fotosyntezy i budują glukozę z dwutlenku węgla i wody.

3. Wrażliwość na ciepło:

Wszystkie enzymy są wrażliwe na ciepło lub termolabilne. Większość enzymów działa optymalnie w zakresie 25 ° -35 ° C. Stają się nieaktywne w temperaturach ujemnych i denaturowane w 50 ° -55 ° C. Jednak glony termiczne i bakterie są wyjątkiem. Ich enzymy pozostają funkcjonalne nawet w temperaturze 80 ° C. Enzymy nasion i zarodników również nie są denaturowane w 60 ° -70 ° C.

4. pH-sensitive:

Każdy enzym działa w określonym pH, np. Pepsyna (2 pH), sachamina (4-5 pH), trypsyna (8, 5 pH). Zmiana pH powoduje, że enzymy są nieskuteczne.

5. Specyfika działań:

Enzymy wykazują swoistość wobec substratów, na których pełnią swoją rolę katalityczną. O tej unikalnej właściwości enzymów decyduje: (1) konfiguracja strukturalna cząsteczki substratu, (2) konformacja enzymu i (3) aktywnych lub katalitycznych miejsc na enzymie. Specyficzność substratowa enzymów jest dwojakiego rodzaju: specyficzność grupowa i swoistość stereo.

Enzymy zazwyczaj wykazują specyficzność grupową, tj. Atakują tylko grupę chemicznie pokrewnych związków. Specyficzność grupowa może być względną specyficznością grupową, w którym to przypadku enzym działa na pewnej liczbie homologicznych substratów.

Zatem heksokinaza przenosi grupę fosforanową z ATP do co najmniej 23 heksoz lub ich pochodnych takich jak glukoza, mannoza, fruktoza i glukozamina. Niektóre z enzymów specyficznych dla grupy wykazują absolutną swoistość dla grupy, co oznacza, że ​​enzym działa tylko na pojedynczy związek, a nie na jego homologi. Mannoza, glukokinazy i fruktokinaza są zaangażowane odpowiednio w fosforylację odpowiednio heksoz, mannozy, glukozy i fruktozy.

Enzymy wykazują również swoistość stereo względem substratu i są eksponowane zarówno z izomerami optycznymi, jak i geometrycznymi.

(i) Jeśli enzym wykazuje swoistość optyczną, działa na izomer dekstro (D) lub laevo (L) związków. Tak więc, oksydaza aminokwasu D. utlenia tylko D. aminokwasy, a oksydazy aminokwasowe L. reagują tylko z L. aminokwasami.

(ii) Specyficzność geometryczną wykazuje się w stosunku do izomerów cis i trans. Kwasy fumarowe i jabłkowe są dwoma izomerami geometrycznymi. Fumarowa hydrataza działa tylko na trans-izomer kwasu fumarowego, ale nie na izomer cis-izomerowy.

6. Hamowanie enzymu:

Substancje lub związki, które zmniejszają szybkość reakcji katalizowanej przez enzym są znane jako inhibitory, a zjawisko to opisano jako hamowanie enzymu. Istnieją trzy rodzaje zahamowań.

(i) Konkurencyjne hamowanie:

Gdy związek konkuruje z substratem dla miejsca aktywnego na białku enzymu i tym samym zmniejsza katalityczną aktywność tego enzymu, związek uważa się za konkurencyjny inhibitor. Hamowanie przez takie analogi strukturalne (zwane antymetabolitami), odwracane przez zwykłe dodanie więcej substratu do mieszaniny reakcyjnej, jest znane jako konkurencyjne hamowanie.

Na przykład, dehydrogenaza bursztynianowa łatwo utlenia kwas bursztynowy do kwasu fumarowego. Jeśli dodaje się rosnące stężenia kwasu malonowego, który bardzo przypomina strukturę kwasu bursztynowego, aktywność dehydrogenazy bursztynowej znacznie spada.

Hamowanie można teraz odwrócić, zwiększając z kolei stężenie substratu kwasu bursztynowego. Ilość inhibicji w tego typu inhibicji jest związana z (i) stężeniem inhibitora, (ii) stężeniem substratu i względnymi powinowactwami inhibitora i substratu. Efekt hamujący jest odwracalny.

To, czy inhibitor jest konkurencyjny, czy nie, można znaleźć, konstruując wykres liniowy-burk. Konkurencyjne inhibitory zmieniają Km enzymu, ponieważ zajmują aktywne miejsca. Nie zmieniają one jednak V max ani maksymalnej prędkości reakcji.

(ii) Niekonkurencyjne hamowanie:

Rodzaj inhibicji, której nie można odwrócić przez zwiększenie stężenia substratu, nazywa się hamowaniem niekonkurencyjnym. Inhibitor łączy się raczej silnie z miejscem na enzymie innym niż miejsce aktywne i tego efektu nie można przezwyciężyć przez zwykłe zwiększenie stężenia substratu.

Ilość inhibicji w tego typu inhibicji jest związana z (a) stężeniem inhibitora i (b) powinowactwem inhibitorów do enzymu. Stężenie substratu nie ma wpływu na ten układ, a niekonkurencyjne inhibitory zmieniają Vmax, a nie Km enzymu.

Cyjanek, azydek i metale ciężkie, takie jak srebro, rtęć, ołów itp. To tylko niektóre przykłady niekonkurencyjnych inhibitorów, które łączą się z lub niszczą istotne grupy sulfhydrylowe lub metaliczny składnik enzymów.

(iii) Zahamowanie sprzężenia zwrotnego (produkt końcowy):

Gdy produkt końcowy reakcji służy zapobieganiu tworzeniu się jednego z jego własnych prekursorów poprzez hamowanie działania enzymu katalizującego reakcję bardzo silną, inhibicja nazywana jest hamowaniem zwrotnym.

Hamowanie konwersji A do B przez X byłoby takim hamowaniem. Tutaj X, ostateczny produkt reakcji, służy zapobieganiu tworzeniu się jednego ze swoich własnych prekursorów (B) poprzez hamowanie działania enzymu a ", który katalizuje zmianę z A na B.

W tym przypadku enzym "a" można nazwać rozrusznikiem, ponieważ cała sekwencja jest przez niego skutecznie regulowana. Rzeczywistym przykładem jest tworzenie trifosforanu cytydyny (CTP) z kwasu asparaginowego i fosforanu karbamylu w E. coli.

Wraz ze wzrostem krytycznego stężenia CTP, trójfosforan spowalnia jego tworzenie poprzez hamowanie enzymu, asparaginianu (ATCazy), który katalizuje etap stymulacji własnej syntezy. Kiedy stężenie trifosforanu jest dostatecznie obniżone przez metaboliczne wykorzystanie, hamowanie jest uwalniane, a jego syntezę odnawia się.

Czynniki wpływające na działanie enzymu i kinetykę enzymu:

1. Koncentracja enzymów:

Szybkość reakcji biochemicznej wzrasta wraz ze wzrostem stężenia enzymu aż do punktu nazywanego punktem granicznym lub nasycenia. Poza tym wzrost stężenia enzymów ma niewielki wpływ.

2. Koncentracja substratu:

Pierwszą zadowalającą analizę matematyczną wpływu stężenia substratu na szybkość reakcji reakcji katalizowanej enzymami dokonali Michaelis i Menten (1913). Przy ustalonym stężeniu enzymu, wzrost substratu będzie początkowo skutkować bardzo szybkim wzrostem prędkości lub szybkości reakcji.

Ponieważ stężenie substratu nadal wzrasta, wzrost szybkości reakcji zaczyna zwalniać, aż do momentu, gdy przy dużym stężeniu substratu nie obserwuje się dalszych zmian prędkości. Prędkość reakcji otrzymanej przy tak wysokim stężeniu substratu określa się jako maksymalną prędkość (V m ) reakcji katalizowanej enzymem w określonych warunkach, a początkową prędkość reakcji uzyskaną przy stężeniach substratu poniżej poziomu nasycenia nazywa się V.

Stężenie substratu wymagane do uzyskania połowy maksymalnej prędkości (V m / 2) można łatwo określić na podstawie powyższej figury i jest to ważna stała w kinetyce enzymu. Definiuje stałą Michaelisa lub K m . Innymi słowy, K definiuje się jako stężenie substratu, gdy V = ½ V m - W dokładnie określonych warunkach temperatury, pH i siły jonowej buforu, ta stała Km w przybliżeniu jest stałą dysocjacji kompleksu enzym-substrat. Odwrotność K m lub 1 / K m zbliża się do powinowactwa enzymu do jego substratu.

Kinetyka działania enzymu:

Stała Michaelisa K ma duże znaczenie, ponieważ zapewnia tryb działania enzymu katalizującego reakcję. Należy zauważyć, że przy niskim stężeniu substratu stosunek prędkości do podłoża jest prawie liniowy i podlega kinetyce pierwszego rzędu, tj. Szybkość reakcji A-> B jest wprost proporcjonalna do stężenia substratu [A].

V = K '[A] niski [substrat]

Gdzie V jest obserwowaną prędkością reakcji przy stężeniu [A] i K 'jest stałą szybkości reakcji. Przy wysokim stężeniu substratu prędkość reakcji jest jednak maksymalna i jest niezależna od substratu [A]; dlatego też jest posłuszny kinetyki zerowego rzędu.

V m = K 'Nasycenie [Substrat]

Równanie Michaelisa-Mentena opisujące tę zależność, a także zadowalająco wyjaśniające krzywą, przedstawia się następująco:

V = Vm [S] / K m + [S]

Gdzie V = początkowa prędkość reakcji przy danym stężeniu substratu [S]

K m = stała Michaelisa, mole / litr.

V m = Maksymalna prędkość przy nasyconych stężeniach substratu

[S] = Koncentracja substratu w molach / litr

Oznaczanie Km reakcji enzymatycznej za pomocą równania Michaelisa-Mentena jest w praktyce trudne. Wynik tego równania o nazwie Wykres linii-tkacza-Burka jest często używany do takiego określenia.

1. Temperatura:

Enzym jest aktywny w wąskim zakresie temperatur. Temperatura, w której enzym wykazuje najwyższą aktywność, nazywa się optymalną temperaturą. Aktywność enzymu spada powyżej i poniżej tej temperatury. Jako katalizator wykazują zwiększoną reaktywność z temperaturą, ale ich białkowy charakter czyni je podatnymi na denaturację termiczną powyżej optymalnej temperatury.

2. pH:

Wartość pH, przy której występuje maksymalna aktywność enzymu, różni się znacznie w zależności od enzymu. Jest to znane jako optymalne pH. Każde niewielkie przesunięcie w dowolnym kierunku ma tendencję do znacznego obniżenia aktywności enzymatycznej. Ponieważ enzymy są białkami, zmiany pH normalnie wpływają na charakter jonowy grup aminowych i kwasów karboksylowych na powierzchni białka, a zatem znacząco wpływają na katalityczną naturę enzymu.

3. Nawodnienie:

Enzym działa maksymalnie w podwyższonej aktywności kinetycznej substratu, ponieważ faza ciągła jest wyższa. Dlatego nasiona o niskiej zawartości wody rejestrują minimalną aktywność enzymatyczną, chociaż obfitują w nie substraty. Jednak przy kiełkowaniu aktywność enzymatyczna wzrasta gwałtownie i wynika to z wchłaniania wody i w konsekwencji promowania kinetycznej aktywności cząsteczek substratu.

Koenzymy:

W fizjologii komórkowej wiele reakcji enzymatycznych kończy się w obecności koenzymów. Są to związki, które działają jak enzymy, tj. Przyspieszają reakcje biologiczne, ale nie są białkami podobnymi do prawdziwych enzymów.

Definicja:

Koenzym może być zdefiniowany jako szczególny rodzaj kofaktora, tj. Niebiałkowy związek organiczny lub cząsteczka nośnikowa działająca w połączeniu z konkretnym enzymem.

Jeśli kofaktor jest mocno związany z apoenzymem, nazywa się to grupą prostetyczną; i jeśli zamiast być mniej lub bardziej trwale związanym z apoenzymem, kofaktor organiczny przyłącza się do białka enzymu tylko w czasie reakcji, nazywa się go koenzymem.

W procesach komórkowych czasami atomy wodoru lub elektrony są usuwane z jednego związku i przenoszone do innego. We wszystkich tych przypadkach specyficzny enzym katalizuje usuwanie, ale do przeprowadzenia transferu musi również być określony koenzym. Koenzym tymczasowo łączy się lub akceptuje usuniętą grupę atomów, a następnie może przekazać je innemu akceptorowi.

Chemiczna natura koenzymów:

Większość koenzymów jest chemicznymi pochodnymi nukleotydów. Bardziej konkretnie, w większości koenzymów podstawowa część nukleotydowa jest podstawiona przez inną jednostkę chemiczną. Ta jednostka jest zwykle pochodną konkretnej witaminy. Następujące koenzymy są ważne w fizjologii komórkowej.

(i) Pochodne flawiny lub nukleotydy flawinowe (FMN i FAD)

(ii) pochodne pirydyny lub nukleotydy pirydynowe (NAD i NADP).

(iii) Koenzym A

(iv) Koenzym Q

(iv) Cytochromy

(vi) pirofosforan tiaminy

Tutaj opisano tylko dwa koenzymy.

1. Nukleotydy flawinowe lub flawoproteiny:

Duża grupa enzymów oddechowych wykorzystuje jako swój kofaktor jedną z dwóch pochodnych ryboflawiny (witamina B 2 ). Są to mononukleotyd flawinowy (FMN) i nukleotyd adeninowy flawiny (FAD).

Struktura:

Ryboflawina jest związkiem składającym się z białka rybozy i części flawinowej, która jest złożoną potrójną strukturą pierścieniową. W komórkach grupa fosforanowa jest związana z ryboflawiną, co powoduje powstanie kompleksu podobnego do nukleotydu, znanego jako mononukleotyd flawinowy (FMN) lub monofosforan ryboflawiny. Jeśli FMN przyłącza się do AMP, powstaje dinukleotyd znany jako dinukleotyd flawinadeninowy (FAD).

Funkcje:

Połączenie FMN lub FAD z apoenzymem nazywa się flawoproteiną (FP). Flavoproteiny katalizowały usuwanie jonu wodorkowego (H - ) i jonu zamrożonego (H + ) z metabolitu. W tych koenzymach jest to część flawinowa cząsteczki, która zapewnia określone miejsce do tymczasowego przyłączenia wodoru.

FMN + MH 2 ---> FADH 2 + M

FMN + MH 2 ---> FMNH 2 + M

W tej reakcji MH stanowi substrat, FADH jest zredukowaną postacią FAD, a FMNH2 jest zredukowaną postacią FMN. Ważnym źródłem wodoru dla tej reakcji jest zredukowany nukleotyd pirydyny.

H + + NADH + FAD ---> NAD + + FADH 2

We wszystkich przypadkach zredukowane flawoproteiny przekazują swoje elektrony do cytochromów.

2. Koenzym Q:

Enzym ten jest chinonem, zwanym ubichinonem, i znajduje się głównie w mitochondriach, ale także w mikrosomach i jądrach komórkowych itp.

Struktura:

Koenzym Q lub ubichinon składa się z chinonu z łańcuchem bocznym, którego długość zmienia się wraz ze źródłem mitochondriów. W większości tkanek zwierzęcych chinon posiada 10 jednostek izoprenowych w swoim łańcuchu bocznym i jest nazywany koenzymem Q10.

Funkcjonować:

Koenzym Q jest niezbędnym składnikiem łańcucha transportu elektronów w mitochondriach. Służy jako dodatkowy nośnik wodoru między koenzymami flawiny (FAD i FMN) a cytochromami.

Q + FADH 2 ---> QH 2 + FAD

Zredukowany (QH 2 ) przenosi swoje elektrony do cytochromu b w mitochondriach.