Existența vieții se bazează pe un număr imens de reacții biochimice. Aceste reacții au loc într-un mediu cu o concentrație relativ mică de reactanți, la temperaturi scăzute, la presiune normală și la un pH aproximativ neutru, adică fără prezența enzimelor, nu ar putea avea loc deloc. Prin urmare, enzimele sunt denumite biocatalizatori.
Enzimele au următoarele proprietăți:
- reduc valoarea energiei de activare, accelerând astfel cursul reacției chimice,
- participă la o reacție chimică, dar rămân neschimbate după finalizarea acesteia,
- sunt specifice tipului de reacție,
- funcționează numai în locul centrului activ (nu pe întreaga suprafață),
- nu numai că accelerează, dar reglează și reacția chimică.
Legătură compoziție enzimatică
Enzimele sunt proteine și pot fi simple sau pot conține un fragment non-proteic. Numim partea proteică apoenzima iar porțiunea neproteică, care are greutate moleculară mică, se numește cofactor.
Cofactorul poate fi unii cationi metalici, de ex. Zn 2+, Mg 2+ sau molecule organice numite coenzime, de exemplu. NAD. Coenzimele sunt adesea vitamine. Unele coenzime sunt asociate doar temporar cu molecula unei enzime date și acționează reciproc numai cu forțe intermoleculare slabe, resp. este suficient dacă acestea sunt prezente împreună cu enzima într-un mediu de reacție dat. Alte coenzime care sunt legate covalent de apoenzimă în orice moment sunt denumite grupare prostetică (de exemplu hem în hemoglobină).
| parte proteică | parte neproteică | |
| cofactor | moleculă anorganică (Zn 2+, Mg 2+) | |
| apoenzima | coenzima | moleculă organică (NAD) |
| grupare prostetică | legat covalent de apoenzima (hem) |
Mecanismul de acțiune al legăturii enzimatice
Reacția fără enzimă este necesară pentru a consuma multă energie. Celula nu își poate permite astfel de cheltuieli, așa că folosește enzime care fac acest lucru în mod semnificativ energie de activare (ΔG) reduce. În reacția biocatalizată, enzima (E) reacționează cu molecula substrat - substrat (S) pentru a forma un complex enzimă-substrat (ES). După activarea sa (ES *), acest complex se transformă într-un complex enzimă-produs (EP) și numai la sfârșitul reacției produsul (P) este eliberat din enzimă.
Enzima nu reacționează cu substratul pe întreaga sa suprafață, substratul se leagă doar de o anumită suprafață, denumită centru activ. Acolo se creează condiții de legare și spațiale adecvate pentru legarea substratului. Molecula substratului se leagă de situsul activ al enzimei astfel încât anumite grupe caracteristice ale acestuia sunt atrase de interacțiunile interacționate de aminoacizi ale situsului activ.
Legătura vitezei de reacție enzimatică
Pentru majoritatea factorilor care influențează viteza reacției enzimatice, se aplică anumite valori (condiții) optime, sub care reacția se desfășoară cel mai rapid.
Factorii care afectează viteza reacției enzimatice sunt:
- concentrația substratului
- concentrația enzimatică
- temperatura ambientala
- pH-ul mediului
- influența activatorilor
- efectul inhibitorilor
Legătura de concentrație a substratului
Aceleași legi cinetice se aplică vitezei reacției enzimatice ca și vitezei oricărei alte reacții. Dacă concentrația enzimatică este constantă, viteza reacției enzimatice va fi direct proporțională cu concentrația substratului. Această dependență este liniară până când majoritatea siturilor active ale enzimei sunt ocupate, adică până când concentrația substratului atinge punctul de saturație. Creșterea suplimentară a concentrației substratului nu va mai afecta viteza reacției, deoarece enzima nu mai are un alt loc activ.
Legătura de concentrație enzimatică
Cu un exces semnificativ de substrat, viteza reacției enzimatice va fi liniară pe măsură ce crește concentrația enzimei. Cu toate acestea, o creștere liniară a vitezei de reacție se va aplica numai la începutul reacției. Dacă concentrația substratului în amestecul de reacție scade, se formează o stare de echilibru.
Legătura temperaturii ambiante
Creșterea temperaturii duce inițial la o accelerare a reacției enzimatice, deoarece moleculele substratului au mai multă energie și, prin urmare, mai multă mobilitate, ceea ce crește probabilitatea ca substratul să se ciocnească cu enzima. Cu toate acestea, enzimele sunt proteine care sunt denaturate de o căldură prea mare. Aceasta înseamnă că prin încălzirea amestecului de reacție, viteza reacției enzimatice crește inițial, dar după atingerea unei anumite punct critic (majoritatea proteinelor sunt denaturate la 40 ° C până la 60 ° C) viteza de reacție scade semnificativ și în cele din urmă se oprește din cauza denaturării complete a enzimei.
Influența temperaturii este unul dintre factorii tipici care disting între catalizatori anorganici și biocatalizatori - enzime. Pentru catalizatorii anorganici, în general, pe măsură ce temperatura crește, viteza reacției chimice crește în proporție directă, în timp ce acest lucru nu este cazul enzimelor.
legătura mediului pH
Pentru majoritatea enzimelor, pH-ul optim al mediului este de la 6,0 la 8,0. Valorile extreme ale pH-ului (mediu foarte acid și foarte bazic) conduc, de asemenea, la denaturarea enzimei, cum ar fi expunerea la temperaturi ridicate. Mecanismul de influențare a vitezei de reacție enzimatică în funcție de pH-ul mediului este ceva de genul acesta:
Situsul activ al enzimei, precum și partea de substrat complementară situsului activ conțin anumite grupuri caracteristice al căror grad de disociere (de exemplu, COOH la COO - etc.) depinde exact de pH-ul mediului. Astfel, prin modificarea pH-ului, acest grad este modificat, ceea ce afectează semnificativ capacitatea substratului de a se lega de enzimă, resp. conformația enzimei în sine se poate schimba, de asemenea.
Influența activatorilor de legături
Activarea, adică creșterea activității enzimei, are loc în mai multe moduri. Prin convertirea formei inactive a enzimei, așa-numitul. proenzima, prin scindarea unei părți a moleculei de proenzimă. Aceasta implică de obicei scindarea unei porțiuni a lanțului polipeptidic cu greutate moleculară mică, permițând astfel accesul substratului la situsul activ al enzimei.
Enzima poate fi activată și prin modificarea sa chimică (de exemplu fosforilarea) sau prin acțiunea cationilor metalici (de exemplu, Zn 2+, Mg 2+). Enzima poate forma un complex cu metalul sau poate participa doar la reacția enzimei sau se poate lega la substrat.
Legătură de activare alosterică
Activarea alosterică a enzimei indică faptul că activatorul se leagă de enzimă în afara situsului activ (situs alosteric), creând indirect condiții adecvate pentru ca substratul să se lege de situsul activ al enzimei.
Influența inhibitorilor de legătură
Inhibitorii enzimatici sunt substanțe care reduc sau opresc viteza unei reacții enzimatice. Inhibarea poate fi reversibilă atunci când enzima își reia activitatea după îndepărtarea inhibitorului sau ireversibilă atunci când inhibitorul provoacă o schimbare permanentă a enzimei și activitatea acesteia nu mai poate fi restabilită.
Cunoaștem mai multe tipuri de inhibiție:
Inhibarea competitivă a legăturii
Inhibare competitivă înseamnă că inhibitorul și substratul concurează între ele pentru legarea de situsul activ al enzimei. Enzima este complet specifică pentru ambele substanțe, adică inhibitorul și substratul trebuie să aibă o structură similară. Acest tip de inhibiție este reversibil, deoarece excesul de substrat elimină inhibiția.
Inhibarea neconcurențială a legăturii
Inhibiție necompetitivă nu poate fi îndepărtat de excesul de substrat. Inhibitorul se leagă de locul activ al enzimei și formează un complex inactiv-inhibitor enzimatic.
Efectul creșterii concentrației substratului în inhibarea enzimei competitive și necompetitive
Legătură de inhibare alosterică
Inhibare alosterică este în principiu identic cu activarea alosterică. Inhibitorul se leagă de centrul alosteric (în afara situsului activ) al enzimei, provocând o modificare a conformației structurii suprafeței enzimei și, astfel, o schimbare în situsul activ. Enzima astfel modificată nu poate lega în continuare substratul.
Clasificarea legăturii enzimelor
Criteriul de bază pentru clasificarea enzimelor este tipul de reacție pe care enzima îl catalizează. Folosim nomenclatura trivială sau sistemică pentru a ne referi la enzime. Numele trivial este de obicei derivat din numele substratului, care intră în reacție și în sufixe -si dincolo (de exemplu, enzima maltază catalizează hidroliza dizaharidei maltozei în două molecule de glucoză).
Numele sistemului enzimei este compus din nume tipul de reacție, pe care le catalizează și sufixe -si dincolo. Conform acestui criteriu, clasificăm biocatalizatorii în șase clase principale: