התלות של קצב התגובה בכמות האנזים. קצב תגובה אנזימטי

תכונות אנזים

1. תלות של קצב התגובה בטמפרטורה

מתוארת התלות של פעילות האנזים (קצב התגובה) בטמפרטורה עקומת פעמוןעם מהירות מקסימלית בערכים טמפרטורה אופטימלית עבור אנזים נתון. העלייה בקצב התגובה ככל שמתקרבים לטמפרטורה האופטימלית מוסברת על ידי העלייה באנרגיה הקינטית של המולקולות המגיבות.

תלות בטמפרטורה של קצב התגובה

החוק על עליית קצב התגובה פי 2-4 עם עליית הטמפרטורה ב-10°C תקף גם לתגובות אנזימטיות, אבל רק בטווח של עד 55-60°C, כלומר. עד לטמפרטורות דנטורציהחלבונים. עם ירידה בטמפרטורה, פעילות האנזימים פוחתת, אך אינה נעלמת לחלוטין.

כיוצא מן הכלל, ישנם אנזימים של כמה מיקרואורגניזמים הקיימים במים של מעיינות חמים וגייזרים; הטמפרטורה האופטימלית שלהם מתקרבת לנקודת הרתיחה של המים. דוגמה לפעילות חלשה בטמפרטורות נמוכות היא שינה של כמה בעלי חיים (סנאים טחונים, קיפודים), שטמפרטורת גופם יורדת ל-3-5 מעלות צלזיוס. תכונה זו של אנזימים משמשת גם בפרקטיקה כירורגית במהלך פעולות בחלל החזה, כאשר המטופל נתון לקירור ל-22 מעלות צלזיוס.

אנזימים יכולים להיות רגישים מאוד לשינויי טמפרטורה:

• לחתולים סיאמיים יש לוע שחור, קצות אוזניים, זנב, כפות. באזורים אלה, הטמפרטורה נמוכה ב-0.5 מעלות צלזיוס בלבד מאשר באזורים המרכזיים של הגוף. אבל זה מאפשר לאנזים שיוצר את הפיגמנט בזקיקי השיער לעבוד, עם העלייה הקלה ביותר בטמפרטורה, האנזים מושבת,
• המקרה ההפוך - כאשר טמפרטורת הסביבה יורדת בארנבת, האנזים היוצר פיגמנט מושבת והארנבת מקבלת פרווה לבנה,
• חלבון אנטי ויראלי אינטרפרוןמתחיל להיות מסונתז בתאים רק כאשר טמפרטורת הגוף מגיעה ל-38 מעלות צלזיוס,

ישנם גם מצבים ייחודיים:

• עבור רוב האנשים, עלייה בטמפרטורת הגוף ב-5 מעלות צלזיוס (עד 42 מעלות צלזיוס) אינה תואמת את החיים עקב חוסר איזון בקצב התגובות האנזימטיות. יחד עם זאת, נמצא אצל חלק מהספורטאים שבמהלך ריצת מרתון טמפרטורת הגוף שלהם הייתה כ-40 מעלות צלזיוס, טמפרטורת הגוף המקסימלית שנרשמה הייתה 44 מעלות צלזיוס.

2. תלות של קצב התגובה ב-pH

מתוארת גם תלות עקומת פעמוןעם מהירות מרבית ב אופטימלי עבור אנזים זהערך חומציות.

תכונה זו של אנזימים חיונית לגוף בהסתגלותו לתנאים חיצוניים ופנימיים משתנים. שינויים בערך ה-pH מחוץ לתא ובתוכו ממלאים תפקיד בפתוגנזה של מחלות על ידי שינוי הפעילות של אנזימים של מסלולים מטבוליים שונים.

לכל אנזים קיים טווח pH צר מסוים של המדיום, האופטימלי לביטוי הפעילות הגבוהה ביותר שלו. לדוגמה, ערכי ה-pH האופטימליים עבור פפסין הם 1.5-2.5, טריפסין 8.0-8.5, עמילאז רוק 7.2, ארגינאז 9.7, חומצה פוספטאז 4.5-5.0, succinate dehydrogenase 9.0.

התלות של קצב התגובה בערך ה-pH

תלות הפעילות בחומציות המדיום מוסברת על ידי נוכחות של חומצות אמינו במבנה האנזים, המטען שלהן משתנה עם שינוי ב-pH (גלוטמט, אספרטאט, ליזין, ארגינין, היסטידין). שינוי במטען של הרדיקלים של חומצות אמינו אלו מביא לשינוי באינטראקציה היונית ביניהן במהלך היווצרות המבנה השלישוני של החלבון, לשינוי במטען שלו ולהופעת תצורה שונה של המרכז הפעיל, ולכן , המצע נקשר או לא נקשר למרכז הפעיל.

שינויים בפעילות של אנזימים עם שינוי ב-pH יכולים גם כן אדפטיביפונקציות. לדוגמה, בכבד, אנזימי גלוקונאוגנזה דורשים pH נמוך יותר מאנזימי גליקוליזה, המשולב בהצלחה עם החמצה של נוזלי הגוף במהלך צום או פעילות גופנית.

עבור רוב האנשים, שינויים ב-pH בדם מעבר ל-6.8-7.8 (בשיעור של 7.35-7.45) אינם מתאימים לחיים עקב חוסר איזון בקצב התגובות האנזימטיות. במקביל, חלק מרצי המרתון הראו ירידה ב-pH בדם בסוף המרחק ל-6.8-7.0. ובכל זאת הם המשיכו לעבוד!

3. תלות בכמות האנזים

עם עלייה במספר מולקולות האנזים, קצב התגובה עולה ברציפות והוא עומד ביחס ישר לכמות האנזים, מכיוון יותר מולקולות אנזים מייצרות יותר מולקולות תוצר.

קינטיקה של תגובה אנזימטית

בוחן את דפוסי הזרימה בזמן של p-tions אנזימטיים, כמו גם את המנגנון שלהם; פֶּרֶק קינטיקה כימית.

מְזַרֵז מחזור ההמרה in-va S (סובסטרט) לתוצר P תחת פעולת האנזים E ממשיך עם היווצרות של תוצר ביניים. קשר איקס אני:

איפה קי-קבועי קצב של שלבים יסודיים בודדים, יצירת קומפלקס אנזימים-סובסטרט X 1 (ES, Michaelis complex).

ב-t-re נתון, קצב ה-p-tion תלוי בריכוזי האנזים, הסובסטרט והרכב המדיום. ישנן קינטיקה נייחת, טרום נייחת והרפיה של p-tions אנזימטיים.

קינטיקה נייחת.במצב נייח ב-Comm. (dX אני/dt= 0, i = 1, ..., נ) ועם עודף של מצע , כאשר [S] 0 ו- [E] 0 הם הריכוזים ההתחלתיים, בהתאמה. סובסטרט ואנזים, הקינטיקה של התהליך מאופיינת ברמה קבועה, בלתי משתנה בזמן, של ריכוזים ביניהם. comp., והביטוי לקצב התהליך v 0, נקרא למהירות נייחת ראשונית, יש את הצורה (משוואת מיכאליס-מנטן):

(1)

שבו הערכים k cat ו ק מ ->פונקציות של קבועי הקצב של שלבים יסודיים וניתנות על ידי המשוואות:

הערך של k cat שקוראים לו קטליטי יעיל. קבוע קצב תהליך, פרמטר ק מ ->מיכאליס קבוע. הערך של k cat נקבע לפי הכמויות מקסימום שלבים איטיים קטליטיים. מחוזות ולפעמים נקראים. מספר הסיבובים של האנזים (מערכת האנזים); k חתול מאפיין את מספר הקטליטים. מחזורים המבוצעים על ידי מערכת האנזים ליחידת זמן. נאיב. נפוץ, בעל ערך של k cat. עבור ספציפי. מצעים בטווח של 10 2 -10 3 s -1. ערכים אופייניים של קבוע מיכאליס נמצאים בטווח 10 -3 - 10 -4 M.

בריכוזים גבוהים של המצע, כאשר כלומר, קצב ה-p-tion אינו תלוי בריכוז המצע ומגיע לערך קבוע, הנקרא. מקסימום מְהִירוּת. מבחינה גרפית, משוואת מיכאליס-מנטן היא היפרבול. ניתן לבצע ליניאריזציה בשיטת ההדדיות הכפולה (שיטת Lineweaver-Burk), כלומר לבנות את התלות של 1/v ב-1/[S] 0 , או שיטות אחרות. לצורה הליניארית של המשוואה (1) יש את הצורה:

(2)

זה מאפשר לך לקבוע באופן גרפי את הערכים ק מו-v max (איור 1).

אורז. 1. גרף הטרנספורמציה הליניארית של משוואת Michaelis - Menten בהדדיות כפולה (לפי Lineweaver - Burke).

ערך ק מ >שווה מספרית לריכוז המצע, שבו קצב ה-p-tion שווה, לפיכך ק ממשמש לעתים קרובות כמדד לזיקה של המצע והאנזים, אבל זה נכון רק אם

כמיות ק מ >ו משתנה בהתאם לערכי ה-pH. הדבר נובע מהיכולת של קבוצות מולקולת האנזים המעורבות בקטליזה לשנות את מצב היינון שלהן ובכך את הקטליטי שלהן. יְעִילוּת. במקרה הפשוט ביותר, שינוי ב-pH מוביל לפרוטונציה או דה-פרוטונציה של לפחות שתי קבוצות מייננות של האנזים המעורבים בקטליזה. אם במקרה זה רק צורה אחת של קומפלקס האנזים-סובסטרט (למשל ESH) מתוך שלוש אפשריות (ES, ESH ו-ESH 2) מסוגלת להפוך לתוצר תמיסה, אזי מתוארת התלות של הקצב ב-pH. על ידי ה-f-loy:

איפה f= 1 + / ו ו" = 1 + +K" b/>-T. שקוראים לו פונקציות pH של Michaelis, ו ק א, ק בו K" a, K" b ->קבועי יינון קבוצתיים a ו-b, בהתאמה. חינם מתחם אנזים ואנזים-סובסטרט. בקואורדינטות lg - pH תלות זו מוצגת באיור. 2, והמשיקים של שיפועים של המשיקים לענפים העולים, הבלתי תלויים ב-pH ויורדים של העקומה צריכים להיות +1, 0 ו-1, בהתאמה. מתוך גרף כזה, אפשר לקבוע את הערכים RK אקבוצות המעורבות בקטליזה.

אורז. 2. תלות של הקטליטי קבועים מ-pH ללוגריתמי. קואורדינטות.

קצב ה-p-tion האנזימטי לא תמיד כפוף למשוואה (1). אחד המקרים הנפוצים ביותר - השתתפות במחוז אלוסטרי. אנזימים (ראה מווסת אנזימים)עבור to-ryk התלות של דרגת הרוויה של האנזים ב-[S] 0 אינה היפרבולית. תו (איור 3). תופעה זו נובעת מקואופרטיביות של קשירת סובסטרט, כלומר כאשר הקישור של סובסטרט לאחד מאתרי המקרומולקולה של האנזים עולה (קואופרטיביות חיובית) או מפחית (שיתופיות שלילית) זיקה למצע של אתר אחר.

אורז. H תלות של מידת הרוויה של האנזים עם הסובסטרט בריכוז המצע עם שיתוף פעולה חיובי (I) ושלילי (II), וכן בהיעדרו (III).

קינטיקה יוקרתית.עם ערבוב מהיר של תמיסות אנזים ומצע במרווח זמן של 10 -6 -10 -1 שניות, ניתן להבחין בתהליכים חולפים הקודמים להיווצרות מצב נייח יציב. במצב טרום נייח זה, כאשר משתמשים בעודף גדול של המצע, המערכת הדיפרנציאלית. ur-tion, המתאר את הקינטיקה של תהליכים, הוא ליניארי. הפתרון של סוג זה של מערכת של הפרשים ליניאריים. ur-tion ניתן על ידי סכום האיברים האקספוננציאליים. אז, לקינטיקה לתכנית שהוצגה לעיל, לקינטיקה של הצטברות המוצר יש את הצורה:

היכן ש אני ->, b ו-n ->פונקציות של קבועי קצב אלמנטריים; -שורשים של המאפיין המקביל. ur-tion.

ההדדיות של , נקרא. מאפיין זמן עיבוד:

עבור p-tion, זורם בהשתתפות nintermediate. Comm., אתה יכול לקבל nאופייני. פִּי.

מחקר הקינטיקה של המחוז האנזימטי במצב טרום נייח מאפשר לך לקבל מושג על המנגנון המפורט של קטליטי. מחזור וקבע את קבועי הקצב של השלבים היסודיים של התהליך.

באופן ניסיוני, הקינטיקה של התמיסה האנזימטית במצב טרום נייח נחקרת בשיטת סילון עצור (ראה איור. שיטות קינטיות סילון),המאפשר לערבב את מרכיבי המחוז תוך 1 אלפית השנייה.

קינטיקה של הרפיה.עם השפעה מטרידה מהירה על המערכת (שינויים ב-t-ry, לחץ, שדות חשמליים), הזמן שלוקח למערכת להשיג שיווי משקל או מצב נייח חדש תלוי במהירות התהליכים הקובעים את הקטליטי. מחזור אנזימטי.

מערכת המשוואות המתארת ​​את הקינטיקה של התהליך היא ליניארית אם התזוזה ממיקום שיווי המשקל קטנה. הפתרון של המערכת מוביל לפירוק התלות של ריכוזי הרכיבים. שלבי התהליך בצורה של סכום של מונחים אקספוננציאליים, שהמעריכים שלהם הם בעלי אופי של זמני הרפיה. תוצאת המחקר היא ספקטרום זמני הרפיה התואם למספר המרווחים. קוממיות מעורבת בתהליך. זמני ההרפיה תלויים בקבועי הקצב של השלבים היסודיים של התהליכים.

שיטות הרפיהקינטיקה מאפשרת לקבוע את קבועי הקצב של שלבים יסודיים בודדים של הטרנספורמציה של תוצרי ביניים. שיטות ללימוד קינטיקה של הרפיה שונות. רזולוציה: קליטת אולטרסאונד - 10 -6 -10 -10 s, קפיצת טמפרטורה - 1O -4 -10 -6 s, שיטה חשמלית. דחף - 10 -4 -10 -6 שניות, קפיצת לחץ - 10 -2 שניות. בחקר הקינטיקה של p-tions אנזימטיים, היישום נמצא בשיטת קפיצת הטמפרטורה.

מקרו-קינטיקה של תהליכים אנזימטיים.פיתוח שיטות להשגת זרזים הטרוגניים על ידי אימוביליזציה של אנזימים בפירוק. מדיה (ראה אנזימים משותקים) חייב את ניתוח הקינטיקה של תהליכים תוך התחשבות בהעברת המסה של המצע. הסדירות של הקינטיקה של p-tions נחקרה באופן תיאורטי וניסיוני, תוך התחשבות בהשפעות של שכבת הדיפוזיה ולמערכות עם קשיים תוך-דיפוזיה בהפצת האנזים בתוך הנשא.

בתנאים שבהם הקינטיקה של התהליך מושפעת מהעברת הדיפוזיה של המצע, קטליטי. יעילות המערכת יורדת. מקדם היעילות שווה ליחס של צפיפות זרימת המוצר בתנאי הזרימה של המחוז האנזימטי עם ריכוז מצע מופחת דיפוזיה לזרימה, שיכול להתממש בהיעדר מגבלות דיפוזיה. באזור הדיפוזיה הטהור, כאשר קצב התהליך נקבע על ידי העברת המסה של המצע, גורם היעילות עבור מערכות עם עיכוב דיפוזיה חיצוני עומד ביחס הפוך למודול הדיפוזיה:

איפה עובי שכבת דיפוזיה, D - מקדם. דיפוזי מצע.

למערכות עם האטה תוך-דיפוזיה ב-p-tions מסדר ראשון

איפה פ ט- מודול חסר מימד (מודול Thiele).

בעת ניתוח הקינטיקה סדירות בכורי תסיסה רחבים תיאורטיים. ולהתנסות. פותחו מודלים "אידיאליים" של כורים, כור זרימה (כור זרימה של ערבוב אידיאלי), כור זרימה עם תזוזה אידיאלית וכור ממברנה.

קינטיקה של תהליכים פוליאנזימטיים.בגוף (תא), אנזימים אינם פועלים בבידוד, אלא מזרזים את שרשראות הטרנספורמציה של מולקולות. R-tion במערכות פוליאנזימטיות עם קינטיקה. ניתן לראות נקודות מבט עקביות. תהליכים, ספציפיים תכונה של to-rykh היא האנזימים של כל אחד מהשלבים:

איפה , בהתאמה מקסימום, מהירות תהליך וקבוע מיכאליס אניהשלב המחוזי, בהתאמה.

תכונה חשובה של התהליך היא האפשרות של היווצרות של מצב נייח יציב. התנאי להתרחשותו יכול להיות אי השוויון > v 0 , כאשר v 0 הוא קצב השלב המגביל, המאופיין בקבוע הקצב הקטן ביותר ובכך קובע את הקצב של הרצף כולו. תהליך. במצב נייח, ריכוז המטבוליטים לאחר השלב המגביל קטן מקבוע מיכאליס של האנזים המקביל.

ספֵּצִיפִי קבוצה של מערכות פוליאנזימטיות מורכבת ממערכות המבצעות חמצון.-שחזור. p-tion בהשתתפות נשאי אלקטרונים חלבוניים. נושאים טופס ספציפי. מבנים, קומפלקסים בעלי רצף העברת אלקטרונים דטרמיניסטי. קִינֵטִי התיאור של מערכות כאלה נחשב כמשתנה מצב עצמאי של מעגלים עם פירוק. דרגת אוכלוסיית האלקטרונים.

יישום.פ.ר. נעשה שימוש נרחב בפרקטיקה מחקרית לחקר מנגנוני הפעולה של אנזימים ומערכות אנזימים. תחום משמעותי למעשה במדעי האנזימים הוא אנזימולוגיה הנדסית,פועל עם המושגים של F. r. לאופטימיזציה של הביוטכנול. תהליכים.

מוּאָר.: Poltorak O. M., Chukhrai E. S., Physical and Chemical Bases of Enzymatic Catalysis, M., 1971; Berezin IV, Martinek K, יסודות הכימיה הפיזיקלית של קטליזה אנזימטית, M., 1977; Varfolomeev S. D., Zaitsev S. V., שיטות קינטיות במחקר ביוכימי, M.. 1982. S.D. Varfolomeev.

אנציקלופדיה כימית. - מ.: האנציקלופדיה הסובייטית. אד. I. L. Knunyants. 1988 .

ראה מהי "קינטיקת תגובה אנזימטית" במילונים אחרים:

מְזַרֵז rtion מחזורי. תהליך המורכב ממספר מנות יסוד, המהירויות שלהן מתוארות בחוק המסה הפועלת. לחוק זה יש צורה פשוטה לתערובות גז אידיאליות, חפירים אידיאליים ושכבות פני שטח אידיאליות. ... ... אנציקלופדיה כימית

קינטיקה של תגובות כימיות, תורת התהליכים הכימיים, חוקי זרימתם בזמן, מהירויות ומנגנונים. התחומים החשובים ביותר של הכימיה המודרנית והכימיה ... ... קשורים לחקר הקינטיקה של תגובות כימיות. האנציקלופדיה הסובייטית הגדולה

כימיקל קינטיקה- (מתוך תנועת הקינזיס היוונית), מחלקה לכימיה תיאורטית המוקדשת לחקר חוקי הכימיה. תגובות. ישנם מספר סוגים של כימיקלים. אינטראקציות ומעל לכל, להבחין בין תגובות המתרחשות במדיום הומוגני (הומוגני) לבין תגובות ש... ... אנציקלופדיה רפואית גדולה

- (ביוקטליזה), האצה של ביוכימיקלים. מנות בהשתתפות מקרומולקולות חלבון הנקראות אנזימים (אנזימים). F. לסוג של קטליזה, אם כי המונח תסיסה (תסיסה) ידוע עוד מימי קדם, כאשר לא היה מושג כימי. קָטָלִיזָה. ראשון… … אנציקלופדיה כימית

- (מתחילית ר' הלטינית, כלומר פעולה הפוכה, ו-actio action), ההפיכה של חלק ב-in (תרכובות ראשוניות) לאחרות (תוצרי התגובה) עם הבלתי משתנה של גרעיני האטומים (בניגוד לתגובות גרעיניות). חיבורים ראשוניים ב-R. x. לפעמים נקרא ... ... אנציקלופדיה כימית

- (מ-lat. fermentum leaven) (אנזימים), חלבונים הפועלים כזרזים באורגניזמים חיים. רָאשִׁי תפקידיו של F. להאיץ את הטרנספורמציה לגוף, להיכנס לגוף ונוצר במהלך חילוף החומרים (לחדש מבנים תאיים, להבטיח את זה... אנציקלופדיה כימית

- (מהפרמקון היווני רפואה וקינטיקוס בתנועה), לימודי קינטיקה. דפוסי תהליכים המתרחשים עם lek. cfd בגוף. רָאשִׁי פרמקוקינטית. תהליכים: ספיגה, הפצה, חילוף חומרים והפרשה (הפרשה). ... ... אנציקלופדיה כימית

הרצאה מס' 6

יסודות של קטליזה אנזימטית.

היסטוריה קצרה של חקר הקינטיקה של תגובות אנזימטיות. תלות של קצב התגובה האנזימטי בטמפרטורה, pH, ריכוז האנזים וריכוז המצע. גזירת משוואת מיכאליס-מנטן. פעילות אנזימטית. הקבוע הקטליטי הוא מספר הסיבובים של האנזים. הקצב המרבי של התגובה האנזימטית (V max). קבוע דיסוציאציה של קומפלקס האנזים-סובסטרט (K s). קבוע מיכאליס-מנטן (ק מ').

היסטוריה קצרה של חקר הקינטיקה של תגובות אנזימטיות.

קינטיקה אנזימטית חוקרת את דפוסי ההשפעה של הטבע הכימי של חומרים מגיבים (אנזימים, מצעים) ותנאי האינטראקציה ביניהם (ריכוז, pH של המדיום, טמפרטורה, נוכחות של מפעילים או מעכבים) על קצב התגובה האנזימטית. המטרה העיקרית של חקר הקינטיקה של תגובות אנזימטיות היא להשיג מידע שיכול לעזור להבהיר את המנגנון המולקולרי של פעולת האנזים.

העקרונות הכלליים של קינטיקה של תגובה כימית חלים גם על תגובות אנזימטיות.

הניסיון המוקדם ביותר לתאר תגובות אנזימטיות בצורה מתמטית נעשה על ידי דוקלוס בשנת 1898. בראון (1902) ובאופן עצמאי אנרי (1903) היו הראשונים שהניחו כי במהלך התגובה נוצר קומפלקס של אנזים-מצע. הנחה זו התבססה על שלוש עובדות ניסיוניות:

1. פפאין יוצר תרכובת בלתי מסיסה עם פיברין (Wurtz, 1880);

2. סוכרוז מגן על האנזים אינוורטאז מפני דנטורציה בחום (O'Sullivan and Thompson, 1890);

3. פישר בשנים 1898-1899 הראה כי אנזימים הם זרזים ספציפיים מבחינה סטריאוכימית.

מיכאליס, ליאונור

ליאונור מיכאליס - ביוכימאי וכימאי אורגני גרמני, מייסד הקינטיקה של תהליכים אנזימטיים. העבודות העיקריות מוקדשות לחקר תגובות אנזימטיות. ב-1913 הוא הכניס קבוע (Michaelis constant) למשוואת התלות של קצב התגובה האנזימטי בריכוז המצע במצב נייח (משוואת מיכאליס-מנטן).

תלות של קצב התגובה האנזימטי בטמפרטורה, pH, ריכוז האנזים וריכוז המצע.

ניסויים ראשוניים על חקר הקינטיקה של תגובות אנזימטיות הראו כי קצב התגובה E + S E + P, בניגוד לציפיות התיאורטיות, אינו תלוי בריכוז האנזים והמצע, כמו במקרה של שנייה קונבנציונלית. תגובת סדר.

במקביל, שלושה קריטריונים עיקריים חלים על אנזימים, האופייניים גם לזרזים אנאורגניים, כלומר:

1. הם נשארים ללא שינוי לאחר התגובה, כלומר. משוחררים, הם יכולים להגיב שוב עם מולקולות סובסטרט חדשות (אם כי לא ניתן לשלול את תופעות הלוואי של תנאי הסביבה על פעילות האנזים).

2. אנזימים מסוגלים לפעול בריכוזים זניחים (לדוגמה, מולקולה אחת של אנזים רנין המצוי בקרום הרירי של קיבה של עגל מקרש כ-10 6 מולקולות של קזינוגן חלב ב-10 דקות בטמפרטורה של 37 מעלות צלזיוס) . נוכחות או היעדרו של אנזים או כל זרז אחר אינם משפיעים על ערכה של קבוע שיווי המשקל והאנרגיה החופשית (ΔG).

3. זרזים רק מגבירים את הקצב שבו המערכת מתקרבת לשיווי משקל תרמודינמי מבלי להזיז את נקודת שיווי המשקל.

פעילות האנזים מושפעת מכל אותם גורמים שיכולים לגרום לשינוי במבנה שלו, כלומר, גורמים כאלה כוללים:

3. כוחות הפועלים בנוזלים (כוחות הידרודינמיים, לחץ הידרוסטטי ומתח פני השטח)

4. חומרים כימיים (אלכוהול, אוריאה או מי חמצן וכו')

5. הקרנה (אור, קול, קרינה מייננת)

6. תרכובות כימיות שונות שעל ידי קשירה לאנזימים יכולות לשנות את קצב התגובות המזרזות על ידי אנזימים.

לפעמים ירידה בפעילות קטליטית, הנגרמת, למשל, משינוי ב-pH, היא הפיכה. במקרים כאלה, החזרה לתנאים ההתחלתיים מלווה בשיקום פעילות האנזים. ייתכן גם שינוי בלתי הפיך בפעילות האנזים.

הבה נבחן את ההשפעה של גורמים שונים על קצב התגובה האנזימטית.

אפקט טמפרטורה

אחת המשוואות הבסיסיות של קינטיקה כימית היא משוואת Arrhenius, המבטאת את התלות של קבוע קצב התגובה בטמפרטורה:

עם זאת, טווח הטמפרטורות של תגובות אנזימטיות שעבורן ישימה משוואת Arrhenius הוא צר מאוד עבור רוב האנזימים. מה קורה אם ננסה לאלץ את האנזים לזרז את התהליך אפילו מהר יותר על ידי העלאת הטמפרטורה מעל המקובלת מבחינה פיזיולוגית? בטמפרטורות גבוהות, כאשר תהליך ההשבתה התרמית של האנזים מתחיל לשלוט, התלות של קצב התגובה בטמפרטורה, המתוארת במשוואת Arrhenius, מופרת - כלומר, לאחר מקסימום טמפרטורה מסוימת, קצב התגובה יורד במהירות לאפס . מצד שני, כשהטמפרטורה יורדת מתחת ל-0°C, גם קצב התגובה יורד לאפס, כלומר. התגובה נעצרת לחלוטין. לפיכך, לתגובות אנזימטיות יש תלות בצורת פעמון של קצב התגובה בטמפרטורה, אשר מוסברת על ידי סופרפוזיציה של שתי השפעות - עלייה בקצב התגובה עם עליית הטמפרטורה והאצה של דנטורציה תרמית של מולקולת החלבון, המובילה לאנזים. אי הפעלה בטמפרטורות גבוהות. הדנטורציה של רוב החלבונים מתחילה בטווח הטמפרטורות של 45 עד 50 מעלות צלזיוס ומסתיימת מהר מאוד ב-55 מעלות צלזיוס. הפסקת התגובות האנזימטיות בטמפרטורות נמוכות נובעת מהעובדה שתמיסות מימיות קופאות.

לפיכך, יכולת חום, או רגישות לעליית טמפרטורה, היא אחת התכונות האופייניות של אנזימים, המבדילה אותם באופן חד מזרזים אנאורגניים. בטמפרטורה של 90 מעלות צלזיוס, כמעט כל האנזימים מאבדים את פעילותם (היוצא מן הכלל היחיד הוא שני אנזימים - מיוקינאז, שיכול לעמוד בחימום עד 100 מעלות צלזיוס, DNA פולימראז מחיידקים תרמופילים ב-90 מעלות לכל היותר). הטמפרטורה האופטימלית לפעולת רוב האנזימים בבעלי חיים בעלי דם חם היא 40-45 מעלות צלזיוס; בתנאים אלה, קצב התגובה הוא מקסימלי עקב עלייה באנרגיה הקינטית של המולקולות המגיבות. בטמפרטורות נמוכות (4 מעלות צלזיוס ומטה), אנזימים, ככלל, אינם נהרסים, אם כי פעילותם יורדת כמעט לאפס. תופעה זו נובעת משינוי במבנה המרכז הפעיל של האנזים עקב ירידה בצפיפות המים. בכל המקרים, זמן החשיפה של הטמפרטורה המתאימה משנה. נכון להיום, לגבי פפסין, טריפסין ומספר אנזימים נוספים, הוכח קיומו של קשר ישיר בין קצב השבתת האנזים למידת דנטורציה של חלבון. לפיכך, השפעת הטמפרטורה על קצב התגובה האנזימטית מצייתת למשוואת Arrhenius רק בטווח טמפרטורות צר יחסית של 4-45 מעלות צלזיוס. מחוץ לטווח זה יורדים בחדות שיעורי התגובות האנזימטיות, מה שנלקח בחשבון ומשמש בטכנולוגיות מזון ובאחסון מזונות ותרופות המכילות אנזימים. תן דוגמאות.

השפעת pH בינוני.

אנזימים, כמו כל חלבונים, מורכבים מחומצות אמינו. בהתאם ל-pH, הרדיקלים של כמה חומצות אמינו, ומכאן החלבון בכללותו, יכולים לקבל מטען. קבוצות טעונות הן לרוב חלק מהמרכזים הפעילים של אנזימים, שכן מספר מנגנונים של קטליזה אנזימטית מבוססים על קטליזה חומצית או בסיסית. תנאי הכרחי ליישום קטליזה חומצית או בסיסית עשוי להיות נוכחות של מטען מסוים על הקבוצות המייננות של המרכז הפעיל. מכאן נובע שהצורה הפעילה קטליטית של האנזים קיימת רק במצב יינון אחד מוגדר בהחלט, ובהתאם ל-pH, ניתן להמיר אליו חלק גדול או קטן יותר מכל האנזים הקיים בתערובת.

התלות של פעילות האנזים ב-pH היא בצורת פעמון עם מקסימום צר למדי. עבור אנזימים שונים, ערך ה-pH שבו לאנזים פעילות מרבית שונה. בניסוי, חקר תלות ה-pH של תגובות אנזימטיות משמש לעתים קרובות כדי לחקור את המספר והתכונות של קבוצות יונוגניות.

בעת קביעת התלות של פעילות האנזים בריכוז יוני המימן, התגובה מתבצעת בערכי pH שונים של המדיום, בדרך כלל בטמפרטורה האופטימלית ובנוכחות ריכוזי מצע גבוהים מספיק (רוויים). האיור והטבלה מציגים את ערכי ה-pH האופטימליים עבור מספר אנזימים.

אורז. תלות של פעילות האנזים ב-pH.

מתוך הנתונים בטבלה. 4.3 מראה שה-pH-אופטימום של פעולת האנזים נמצא בטווח הפיזיולוגי. היוצא מן הכלל הוא פפסין, שה-pH האופטימלי שלו הוא 2.0 (ב-pH 6.0 הוא לא פעיל ולא יציב). זה מוסבר, ראשית, על ידי הארגון המבני של מולקולת האנזים, ושנית, על ידי העובדה שפפסין הוא מרכיב של מיץ קיבה המכיל חומצה הידרוכלורית חופשית, היוצרת סביבה חומצית אופטימלית לפעולת אנזים זה. מצד שני, ה-pH האופטימלי של ארגינאז נמצא באזור הבסיסי (כ-10.0); אין מדיום כזה בתאי כבד, לכן, ארגינאז in vivo מתפקד, כנראה, לא באזור ה-pH האופטימלי של המדיום.

על פי תפיסות מודרניות, ההשפעה של שינויים ב-pH של המדיום על מולקולת האנזים מורכבת מהשפעה על מצב ומידת היינון של קבוצות חומציות ובסיסיות (בפרט, קבוצות COOH של חומצות אמינו דיקרבוקסיליות, קבוצת SH של ציסטאין, החנקן האימידאזול של היסטידין, קבוצת ה-NH 2 של ליזין וכו'). עם שינויים חדים מה-pH האופטימלי של המדיום, אנזימים יכולים לעבור שינויים קונפורמטיביים, המובילים לאובדן פעילות עקב דנטורציה או שינוי במטען של מולקולת האנזים. בערכי pH שונים של המדיום, המרכז הפעיל יכול להיות בצורה מיוננת חלקית או לא מיוננת, המשפיעה על המבנה השלישוני של החלבון ובהתאם לכך על היווצרות קומפלקס האנזים-סובסטרט הפעיל. בנוסף, יש חשיבות למצב היינון של מצעים וקו-פקטורים.

מידע דומה.

קצב תגובה אנזימטי

מדד לקצב תגובה אנזימטית הוא כמות המצע שעבר טרנספורמציה ליחידת זמן, או כמות התוצר שנוצר. הקצב נקבע לפי שיפוע המשיק לעקומה בשלב הראשוני של התגובה.

אורז. 2 קצב תגובה אנזימטי.

ככל שהמדרון תלול יותר, כך המהירות גדולה יותר. עם הזמן קצב התגובה יורד לרוב, בעיקר כתוצאה מירידה בריכוז המצע.

גורמים המשפיעים על פעילות אנזימטית

פעולתו של F. תלויה במספר גורמים: טמפרטורה, תגובה של המדיום (pH), ריכוז אנזים, ריכוז סובסטרט, נוכחות של מפעילים ספציפיים ומעכבים לא ספציפיים או ספציפיים.

ריכוז אנזים

בריכוז מצע גבוה וגורמים אחרים קבועים, קצב התגובה האנזימטית פרופורציונלי לריכוז האנזים.

אורז. 3 תלות של קצב התגובה האנזימטית בריכוז האנזים.

קטליזה מתרחשת תמיד בתנאים שבהם ריכוז האנזים נמוך בהרבה מריכוז הסובסטרט. לכן, עם עלייה בריכוז האנזים, עולה גם קצב התגובה האנזימטית.

טֶמפֶּרָטוּרָה

ניתן לבטא את השפעת הטמפרטורה על קצב תגובה אנזימטית במונחים של מקדם הטמפרטורה Q 10: Q 10 = (קצב תגובה ב-(x + 10)°C) / (קצב התגובה ב-x°C)

בין 0-40 מעלות צלזיוס, ה-Q 10 של התגובה האנזימטית הוא 2. במילים אחרות, על כל עלייה של 10 מעלות צלזיוס, קצב התגובה האנזימטית מוכפל.

אורז. 4 השפעת הטמפרטורה על פעילותו של אנזים כגון עמילאז הרוק.

ככל שהטמפרטורה עולה, תנועת המולקולות מואצת, והמולקולות של המגיבים נוטות יותר להתנגש זו בזו. כתוצאה מכך, הסבירות שתתרחש תגובה ביניהם עולה גם היא. הטמפרטורה המספקת את הפעילות הגדולה ביותר נקראת אופטימלית. מעבר לרמה זו, קצב התגובה האנזימטית יורד למרות עלייה בתדירות ההתנגשויות. זה קורה עקב הרס של המבנים המשני והשלישוני של האנזים, במילים אחרות, בשל העובדה שהאנזים עובר דנטורציה.

אורז. 5 מהלך התגובה האנזימטית בטמפרטורות שונות.

כאשר הטמפרטורה מתקרבת או יורדת מתחת לנקודת הקיפאון, האנזימים מושבתים, אך דנטורציה אינה מתרחשת. עם עלייה בטמפרטורה, הפעילות הקטליטית שלהם משוחזרת שוב.

כיוון שחלבונים במצב יבש מטפטפים הרבה יותר לאט מחלבונים hydrated (בצורת ג'ל חלבון או תמיסה), אי-אקטיבציה של F. במצב יבש מתרחשת הרבה יותר לאט מאשר בנוכחות לחות. לכן, נבגי חיידקים יבשים או זרעים יבשים יכולים לעמוד בחימום לטמפרטורות גבוהות בהרבה מאשר אותם נבגים או זרעים במצב לח.

ריכוז המצע

בריכוז אנזים נתון, קצב התגובה האנזימטית עולה עם הגדלת ריכוז הסובסטרט.

אורז. 6 תלות של קצב התגובה האנזימטית בריכוז המצע.

קצב התגובה המקסימלי התיאורטי Vmax לעולם אינו מושג, אך מגיע שלב שבו עלייה נוספת בריכוז הסובסטרט אינה כרוכה עוד בשינוי ניכר בקצב התגובה. יש להסביר זאת בעובדה שבריכוזים גבוהים של המצע, המרכזים הפעילים של מולקולות F. בכל רגע נתון מתגלים כרוויים כמעט. לפיכך, לא משנה כמה עודף סובסטרט קיים, הוא יכול להשתלב עם F. רק לאחר שקומפלקס האנזים-סובסטרט שנוצר קודם לכן מתפרק לתוצר ול-F חופשי. לכן, בריכוזים גבוהים של המצע, קצב התגובה האנזימטית הוא מוגבל הן על ידי ריכוז המצע והן על ידי הזמן הנדרש לפירוק קומפלקס האנזים-סובסטרט.

בטמפרטורה קבועה, כל F. עובד בצורה היעילה ביותר בתוך גבולות pH צרים. ערך ה-pH האופטימלי הוא זה שבו התגובה ממשיכה בקצב המהיר ביותר.

אורז. 7 תלות פעילות האנזים ב-pH.

ב-pH גבוה יותר ונמוך יותר, הפעילות של F. יורדת. שינוי ב-pH משנה את המטען של קבוצות חומציות ובסיסיות מיוננות, שבהן תלויה הצורה הספציפית של מולקולות F. כתוצאה מכך משתנה צורת מולקולות F, ובעיקר צורת המרכז הפעיל שלה. בשינויים חדים מדי pH Ph. ה-pH המאפיין האופטימלי של F. נתון לא תמיד עולה בקנה אחד עם ה-pH של הסביבה התוך-תאית המיידית שלו. מכאן עולה כי הסביבה בה נמצאת פ' מסדירה את פעילותה במידה מסוימת.

קינטיקה של תגובות אנזימטיות. קינטיקה חוקרת את הקצבים, מנגנוני התגובות וההשפעה של גורמים כגון ריכוז האנזימים והמצעים, הטמפרטורה, ה-pH של המדיום, נוכחותם של מעכבים או מפעילים.

בריכוז מצע קבוע, קצב התגובה עומד ביחס ישר לריכוז האנזים. גרף התלות של קצב התגובה האנזימטית בריכוז המצע הוא בעל צורה של היפרבולה שווה שוקיים.

תלות של קצב התגובה האנזימטי בריכוז האנזים (א) והמצע (ב)

מתוארת התלות של קצב התגובה האנזימטי בריכוז המצע משוואת מיכאליס-מנטן:

כאשר V הוא הקצב הנייח של התגובה הביוכימית; Vmax - מהירות מרבית; ק"מ - קבוע מיכאליס; [S] - ריכוז המצע.

אם ריכוז המצע נמוך, כלומר [S]<< Кm, то [S] в знаменателе можно пренебречь.

לאחר מכן

לפיכך, בריכוזי מצע נמוכים, קצב התגובה עומד ביחס ישר לריכוז המצע ומתואר על ידי משוואה מסדר ראשון. זה מתאים לקטע הישר הראשוני של העקומה V = f[S] (איור ב).

בריכוזי מצע גבוהים [S] >> Km, כאשר ניתן להזניח את Km, משוואת מיכאליס-מנטן לובשת את הצורה, כלומר. V=Vmax.

לפיכך, בריכוזי מצע גבוהים, קצב התגובה הופך למקסימלי ומתואר במשוואה מסדר אפס. זה מתאים לקטע של העקומה V =f [S], במקביל לציר ה-x.

בריכוזי מצע הדומים מספרית לקבוע מיכאליס, קצב התגובה עולה בהדרגה. זה די תואם את הרעיונות לגבי מנגנון התגובה האנזימטית:

כאשר S הוא המצע; E - אנזים; ES - קומפלקס אנזים-סובסטרט; P - מוצר; k1 הוא קבוע הקצב להיווצרות קומפלקס האנזים-סובסטרט; k2 הוא קבוע הקצב של הפירוק של קומפלקס האנזים-סובסטרט עם היווצרות של ריאגנטים ראשוניים; k3 הוא קבוע הקצב של הפירוק של קומפלקס האנזים-סובסטרט עם היווצרות התוצר.

שיעור המרה של מצעעם היווצרות התוצר (P) הוא פרופורציונלי לריכוז האנזים-סובסטרט קומפלקס. בריכוזי סובסטרט נמוכים, התמיסה מכילה מספר מסוים של מולקולות אנזים חופשיות (E) שאינן קשורות לקומפלקס (ES). לכן, עם עלייה בריכוז המצע, ריכוז הקומפלקסים עולה, וכתוצאה מכך גם קצב היווצרות המוצר עולה. בריכוזי סובסטרט גבוהים, כל מולקולות האנזים נקשרות לקומפלקס ES (תופעת רווית אנזים), לכן, עלייה נוספת בריכוז הסובסטרט למעשה אינה מעלה את ריכוז הקומפלקסים, וקצב היווצרות התוצר נשאר קבוע.

לפיכך, המשמעות הפיזית של הקצב המרבי של התגובה האנזימטית מתבררת. Vmax הוא הקצב שבו אנזים מגיב, הקיים כולו כמתחם אנזים-סובסטרט..

קבוע מיכאליס מתאים מספרית לריכוז מצע כזה שבו המהירות הנייחת שווה לחצי מהמקסימום. קבוע זה מאפיין את קבוע הדיסוציאציה של קומפלקס האנזים-סובסטרט:

המשמעות הפיזית של קבוע מיכאליסבכך שהוא מאפיין את הזיקה של האנזים למצע. ל-Km יש ערכים קטנים כאשר k1 > (k2 + k3), כלומר. תהליך היווצרותו של קומפלקס ES גובר על תהליכי הדיסוציאציה של ES. לכן, ככל שערך Km נמוך יותר, כך גדלה הזיקה של האנזים לסובסטרט. לעומת זאת, אם Km גדול, אזי (k2 + k3) > k1 ותהליכי ניתוק ES שולטים. במקרה זה, הזיקה של האנזים למצע נמוכה.

מעכבי ומפעילי אנזים . מעכבי אנזיםנקראים חומרים המפחיתים את פעילות האנזימים. כל חומר דנטורציה (לדוגמה, מלחי מתכות כבדות, חומצות) הם מעכבי אנזים לא ספציפיים.

מעכבים הפיכיםהן תרכובות המקיימות אינטראקציה לא קוולנטית עם אנזים. מעכבים בלתי הפיכים- אלו תרכובות הקושרות באופן ספציפי את הקבוצות הפונקציונליות של המרכז הפעיל ויוצרות קשרים קוולנטיים עם האנזים.

עיכוב הפיך מתחלק לתחרות ולא תחרותי. עיכוב תחרותימציע דמיון מבני בין מעכב למצע. המעכב תופס מקום באתר הפעיל של האנזים, ומספר לא מבוטל של מולקולות אנזים נחסמות. ניתן להסיר עיכוב תחרותי על ידי הגדלת ריכוז המצע. במקרה זה, המצע מחליף את המעכב התחרותי מהאתר הפעיל.

עיכוב הפיך יכול להיות לא תחרותילגבי המצע. במקרה זה, המעכב אינו מתחרה על מקום ההתקשרות לאנזים. המצע והמעכב נקשרים לאתרים שונים ולכן מופיעה היווצרות קומפלקס IE וכן קומפלקס IES הטריני, שיכול להתפרק עם שחרור המוצר, אך בקצב איטי יותר מהקומפלקס ES.

על ידי אופי הפעולה שלךמעכבים מחולקים ל:

• ספֵּצִיפִי,
• לא ספציפי.

מעכבים ספציפייםהשפעתם על האנזים, מתחבר עם קשר קוולנטי במרכז הפעיל של האנזים ומכבה אותו מתחום הפעולה.

עיכוב לא ספציפיכרוך בהשפעה על האנזים של סוכני דנטורציה (מלחים של מתכות כבדות, אוריאה וכו'). במקרה זה, כתוצאה מהרס המבנה הרבעוני והשלישוני של החלבון, הפעילות הביולוגית של האנזים אובדת.

מפעילי אנזיםהם חומרים המגבירים את קצב התגובה האנזימטית. לרוב, יוני מתכת (Fe2+, Fe3+, Cu2+, Co2+, Mn2+, Mg2+ וכו') פועלים כמפעילים. להבחין בין מתכות שהן חלק ממטלואנזימים, שהן גורמים משותפיםופועלים כמפעילי אנזים. קו-פקטורים יכולים להיקשר חזק לחלק החלבון של האנזים, אך באשר למפעילים, הם מופרדים בקלות מהאפואנזים. מתכות כאלה הן משתתפות חובה באקט הקטליטי, שקובעות את פעילות האנזים. מפעילים לשפר את האפקט הקטליטי, אך היעדרם אינו מונע מהתגובה האנזימטית להתקדם. ככלל, קופקטור המתכת מקיים אינטראקציה עם הקבוצות הטעונות שלילי של המצע. מתכת בעלת ערכיות משתנה לוקחת חלק בחילופי אלקטרונים בין המצע לאנזים. בנוסף, הם מעורבים ביצירת קונפורמציה מעבר יציבה של האנזים, התורמת להיווצרות מהירה יותר של קומפלקס ES.

ויסות פעילות האנזים . אחד המנגנונים העיקריים לוויסות חילוף החומרים הוא ויסות פעילות האנזים. דוגמה אחת היא ויסות אלוסטרי, ויסות על ידי מפעילים ומעכבים. לעתים קרובות, התוצר הסופי של המסלול המטבולי הוא מעכב של האנזים המווסת. סוג זה של עיכוב נקרא רטרואינהיביציה, או עיכוב משוב שלילי.

אנזימים רבים מיוצרים כמבשרי פרו-אנזים לא פעילים ולאחר מכן מופעלים בזמן הנכון על ידי פרוטאוליזה חלקית. פרוטאוליזה חלקית- ביקוע של חלק מהמולקולה, מה שמוביל לשינוי במבנה השלישוני של החלבון ויצירת המרכז הפעיל של האנזים.

כמה אנזימים אוליגומרים יכולים לשנות את פעילותם עקב אסוציאציות - דיסוציאציות של יחידות משנהנכלל בהרכבם.

ניתן למצוא אנזימים רבים בשתי צורות: כחלבון פשוט וכפוספופרוטאין. המעבר מצורה אחת לאחרת מלווה בשינוי בפעילות הקטליטית.

קצב התגובה האנזימטית תלוי ב כמויות אנזימים, אשר בתא נקבע על פי היחס בין שיעורי הסינתזה והדעיכה שלו. דרך זו של ויסות קצב תגובה אנזימטית היא תהליך איטי יותר מאשר ויסות פעילות האנזים.