Fermento savybės
1. Reakcijos greičio priklausomybė nuo temperatūros
Aprašoma fermentų aktyvumo (reakcijos greičio) priklausomybė nuo temperatūros varpo kreivė didžiausiu greičiu esant vertėms optimali temperatūra tam tikram fermentui. Reakcijos greičio padidėjimas artėjant prie optimalios temperatūros paaiškinamas reaguojančių molekulių kinetinės energijos padidėjimu.
Reakcijos greičio priklausomybė nuo temperatūros
Reakcijos greičio padidėjimo 2-4 kartus dėsnis, temperatūrai padidėjus 10°C, galioja ir fermentinėms reakcijoms, tačiau tik iki 55-60°C, t.y. iki temperatūrų denatūravimas baltymai. Sumažėjus temperatūrai, fermentų aktyvumas mažėja, tačiau visiškai neišnyksta.
Išimties tvarka karštųjų versmių ir geizerių vandenyje yra kai kurių mikroorganizmų fermentų, kurių optimali temperatūra artėja prie vandens virimo temperatūros. Silpno aktyvumo esant žemai temperatūrai pavyzdys – kai kurių gyvūnų (gruntų, ežių), kurių kūno temperatūra nukrinta iki 3-5°C, žiemos miegas. Ši fermentų savybė naudojama ir chirurginėje praktikoje atliekant krūtinės ertmės operacijas, kai pacientas šaldomas iki 22°C.
Fermentai gali būti labai jautrūs temperatūros pokyčiams:
- Siamo katės turi juodą snukį, ausų galiukus, uodegą, letenas. Šiose vietose temperatūra yra tik 0,5 ° C žemesnė nei centriniuose kūno regionuose. Bet tai leidžia dirbti fermentui, kuris sudaro pigmentą plaukų folikuluose, o esant menkiausiam temperatūros padidėjimui, fermentas yra inaktyvuotas,
- atvirkštinis atvejis – nukritus aplinkos temperatūrai kiškyje, pigmentą formuojantis fermentas yra inaktyvuojamas ir kiškis gauna baltą kailį,
- antivirusinis baltymas interferonas pradeda sintetinti ląstelėse tik tada, kai kūno temperatūra pasiekia 38 ° C,
Taip pat yra unikalių situacijų:
- daugumai žmonių kūno temperatūros padidėjimas 5°C (iki 42°C) nesuderinamas su gyvybe dėl fermentinių reakcijų greičio disbalanso. Tuo pačiu metu kai kuriems sportininkams buvo nustatyta, kad maratono bėgimo metu jų kūno temperatūra siekė apie 40°C, maksimali užfiksuota kūno temperatūra – 44°C.
2. Reakcijos greičio priklausomybė nuo pH
Taip pat aprašoma priklausomybė varpo kreivė su maksimaliu greičiu optimalus šiam fermentui pH vertė.
Ši fermentų savybė yra būtina organizmui prisitaikant prie besikeičiančių išorinių ir vidinių sąlygų. PH vertės pokyčiai ląstelės išorėje ir viduje vaidina svarbų vaidmenį ligų patogenezėje, nes keičiasi įvairių medžiagų apykaitos takų fermentų aktyvumas.
Kiekvienam fermentui yra tam tikras siauras terpės pH diapazonas, kuris yra optimalus jo didžiausiam aktyvumui pasireikšti. Pavyzdžiui, optimalios pepsino pH vertės yra 1,5–2,5, tripsino 8,0–8,5, seilių amilazės 7,2, arginazės 9,7, rūgštinės fosfatazės 4,5–5,0, sukcinato dehidrogenazės 9,0.
Reakcijos greičio priklausomybė nuo pH vertės
Aktyvumo priklausomybė nuo terpės rūgštingumo paaiškinama tuo, kad fermento struktūroje yra aminorūgščių, kurių krūvis keičiasi keičiantis pH (glutamatas, aspartatas, lizinas, argininas, histidinas). Pasikeitus šių aminorūgščių radikalų krūviui, keičiasi jų joninė sąveika formuojantis tretinei baltymo struktūrai, keičiasi jo krūvis ir atsiranda kitokia aktyvaus centro konfigūracija, taigi. , substratas jungiasi arba neprisijungia prie aktyvaus centro.
Taip pat gali pakisti fermentų aktyvumas, pasikeitus pH prisitaikantis funkcijas. Pavyzdžiui, kepenyse gliukoneogenezės fermentams reikalingas mažesnis pH nei glikolizės fermentams, o tai sėkmingai derinama su kūno skysčių rūgštėjimu nevalgius ar mankštinantis.
Daugumos žmonių kraujo pH pokytis, viršijantis 6,8–7,8 (7,35–7,45), yra nesuderinamas su gyvybe dėl fermentinių reakcijų greičio disbalanso. Tuo pačiu metu kai kuriems maratono bėgikams distancijos pabaigoje kraujo pH sumažėjo iki 6,8-7,0. Ir vis dėlto jie dirbo toliau!
3. Priklausomybė nuo fermento kiekio
Didėjant fermentų molekulių skaičiui, reakcijos greitis nuolat didėja ir yra tiesiogiai proporcingas fermento kiekiui, nes daugiau fermentų molekulių gamina daugiau produktų molekulių.
FERMENTINĖS REAKCIJOS KINETIKA
tiria fermentinių p-cijų tekėjimo laike modelius, taip pat jų mechanizmą; skyrių cheminė kinetika.
katalizinis in-va S (substrato) konversijos į produktą P ciklas, veikiant fermentui E, vyksta susidarant tarpinei medžiagai. conn. X i:
Kur ki- atskirų elementarių pakopų greičio konstantos,
fermento-substrato komplekso X 1 susidarymas (ES, Michaelis kompleksas).
Esant tam tikram t-re, p-tion greitis priklauso nuo fermento, substrato koncentracijos ir terpės sudėties. Yra stacionari, ikistacionari ir relaksacinė fermentinių p-cijų kinetika.
Stacionari kinetika. Nejudančioje būsenoje tarpiniame Kom. (dX i/dt= 0, i = 1, ..., n) ir su substrato pertekliumi, kur [S] 0 ir [E] 0 yra atitinkamai pradinės koncentracijos. substrato ir fermento, proceso kinetikai būdingas pastovus, laiko atžvilgiu nekintamas koncentracijų lygis tarp jų. komp., ir proceso greičio išraiška v 0, skambino pradinis nejudantis greitis turi tokią formą (Michaelio-Menten lygtis):
(1)
kur reikšmės k cat ir K m -> elementariųjų pakopų greičio konstantų funkcijos ir pateikiamos lygtimis:
Vertė k kat
paskambino efektyvus katalizatorius. proceso greičio konstanta, parametras K m -> Michaelis pastovus. Vertė k kat
nustatomi pagal kiekius maks. lėtos stadijos katalizinis. rajonuose ir kartais vadinama. fermento (fermentų sistemos) apsisukimų skaičius; k kat
apibūdina katalizatoriaus skaičių. ciklų, kuriuos atlieka fermentų sistema per laiko vienetą. Naib. bendras, turintis k kat reikšmę. konkrečiam. substratai 10 2 -10 3 s -1 intervale. Tipinės Michaelio konstantos reikšmės yra 10 -3 - 10 -4 M diapazone.
Esant didelėms substrato koncentracijoms, kai tai yra, p-tion greitis nepriklauso nuo substrato koncentracijos ir pasiekia pastovią vertę, vadinamą. Maks. greitis. Grafiškai Michaelis-Menten lygtis yra hiperbolė. Jį galima tiesinti naudojant dvigubų reciprokų metodą (Lineweaver-Burk metodą), ty sukuriant 1/v priklausomybę nuo 1/[S] 0, arba kitus metodus. Tiesinė (1) lygties forma turi tokią formą:
(2)
Tai leidžia grafiškai nustatyti reikšmes K m ir v max (1 pav.).
Ryžiai. 1. Michaelis – Menten lygties tiesinės transformacijos dvigubais atvirkštiniais skaičiais grafikas (pagal Lineweaver – Burke).
Vertė K m > skaitine prasme lygus substrato koncentracijai, kuriai esant p-tion greitis yra lygus, todėl K m dažnai naudojamas kaip substrato ir fermento giminingumo matas, tačiau tai tiesa tik tuo atveju, jei
Kiekiai K m > Ir keisti priklausomai nuo pH verčių. Taip yra dėl katalizėje dalyvaujančių fermentų molekulių grupių gebėjimo pakeisti savo jonizacijos būseną, taigi ir katalizinę būseną. efektyvumą. Paprasčiausiu atveju pH pokytis sukelia mažiausiai dviejų katalizėje dalyvaujančių fermento jonizuojamų grupių protonavimą arba deprotonavimą. Jei šiuo atveju tik viena fermento ir substrato komplekso forma (pavyzdžiui, ESH) iš trijų galimų (ES, ESH ir ESH 2) gali virsti tirpalo produktu, tada aprašoma greičio priklausomybė nuo pH. pagal f-loy:
Kur f= 1 + / Ir f" = 1 +
+K" b/>-T. paskambino Michaelio pH funkcijos ir K a, K b Ir K" a, K" b -> grupės jonizacijos konstantos a ir b atitinkamai. Laisvas fermento ir fermento substrato kompleksas. lg koordinatėmis - pH ši priklausomybė parodyta fig. 2, o kreivės kylančios, nuo pH nepriklausomos ir mažėjančios šakos liestinių nuolydžių liestinės turi būti atitinkamai +1, 0 ir -1. Iš tokio grafiko galima nustatyti reikšmes RK a katalizėje dalyvaujančios grupės.
Ryžiai. 2. Katalizatoriaus priklausomybė konstantos nuo pH iki logaritminės. koordinates.
Fermentinės p-cijos greitis ne visada priklauso nuo (1) lygties. Vienas dažniausių atvejų – dalyvavimas alosterikos apygardoje. fermentai (žr fermentų reguliatoriai) to-rykh fermento prisotinimo laipsnio priklausomybė nuo [S] 0 yra nehiperbolinė. simbolis (3 pav.). Šis reiškinys atsiranda dėl substrato surišimo kooperatyvumo, t.y. kai substrato prisijungimas prie vienos iš fermento makromolekulės vietų padidina (teigiamas kooperatyvumas) arba sumažina (neigiamas kooperatyvumas) afinitetą kitos vietos substratui.
Ryžiai. H Fermento prisotinimo substratu laipsnio priklausomybė nuo substrato koncentracijos su teigiamu (I) ir neigiamu (II) kooperatyvu, taip pat kai jo nėra (III).
Prestacionari kinetika. Greitai maišant fermentų ir substrato tirpalus per 10 -6 -10 -1 s, galima stebėti laikinus procesus, kurie vyksta prieš stabilios stacionarios būsenos susidarymą. Šiuo ikistacionariu režimu, kai naudojamas didelis substrato perteklius, diferencialinė sistema. ur-cija, apibūdinanti procesų kinetiką, yra tiesinė. Šio tipo tiesinių diferencialų sistemos sprendimas. ur-cija pateikiama eksponentinių dalių suma. Taigi, dėl kinetikos Pirmiau pateiktoje schemoje produkto kaupimosi kinetika yra tokia:
kur aš ->, b ir n -> elementariųjų greičio konstantų funkcijos; -atitinkamos charakteristikos šaknys. ur-cija.
Atvirkštis iš , vadinamas. charakteristika apdorojimo laikas:
Dėl p-tion, teka dalyvaujant nintermediate. Comm., galite gauti ncharakteristikos. laikai.
Fermentinės srities kinetikos tyrimas ikistacionariu režimu leidžia susidaryti vaizdą apie išsamų katalizatoriaus mechanizmą. ciklą ir nustatyti elementariųjų proceso stadijų greičio konstantas.
Eksperimentiškai fermentinio tirpalo kinetika ikistacionariame režime tiriama naudojant sustabdytos srovės metodą (žr. reaktyviniai kinetikos metodai), leidžianti sumaišyti rajono komponentus per 1 ms.
Atsipalaidavimo kinetika. Esant greitam perturbiniam poveikiui sistemai (try, slėgio, elektrinių laukų pokyčiai), laikas, per kurį sistema pasiekia naują pusiausvyrą arba stacionarią būseną, priklauso nuo procesų, lemiančių katalizę, greičio. fermentinis ciklas.
Proceso kinetiką apibūdinanti lygčių sistema yra tiesinė, jei poslinkis iš pusiausvyros padėties mažas. Sistemos sprendimas lemia komponentų koncentracijų priklausomybes dekomponuoti. proceso etapai eksponentinių terminų sumos pavidalu, kurių eksponentai turi atsipalaidavimo laikų pobūdį. Tyrimo rezultatas – atsipalaidavimo laikų spektras, atitinkantis intervalų skaičių. Komunikacija dalyvauja procese. Atsipalaidavimo laikas priklauso nuo elementarių procesų etapų greičio konstantų.
Atsipalaidavimo metodai kinetika leidžia nustatyti atskirų elementariųjų tarpinių junginių virsmo stadijų greičio konstantas. Atsipalaidavimo kinetikos tyrimo metodai yra skirtingi. skiriamoji geba: ultragarso sugertis - 10 -6 -10 -10
s, temperatūros šuolis - 1O -4 -10 -6 s, elektrinis metodas. impulsas - 10 -4 -10 -6 s, slėgio šuolis - 10 -2 s. Tiriant fermentinių p-cijų kinetiką, pritaikymas buvo rastas temperatūros šuolio metodu.
Fermentinių procesų makrokinetika. Metodų heterogeniniams katalizatoriams gauti imobilizuojant fermentus skilimo metu. žiniasklaida (žr Imobilizuoti fermentai) prireikė analizuoti procesų kinetiką, atsižvelgiant į substrato masės perdavimą. P-cijų kinetikos dėsningumai buvo tiriami teoriškai ir eksperimentiškai, atsižvelgiant į difuzinio sluoksnio poveikį ir sistemoms, turinčioms intradifuzinių sunkumų pasiskirstant fermentui nešiklio viduje.
Sąlygomis, kai proceso kinetikai įtakos turi substrato difuzinis perkėlimas, katalizinis. sistemos efektyvumas mažėja. Naudingumo koeficientas yra lygus produkto srauto tankio santykiui fermentinio rajono su difuzija sumažintos substrato koncentracijos srauto sąlygomis ir srautu, kuris galėtų būti realizuotas nesant difuzijos apribojimų. Grynai difuzijos srityje, kai proceso greitį lemia substrato masės perdavimas, efektyvumo koeficientas sistemoms su išoriniu difuzijos slopinimu yra atvirkščiai proporcingas difuzijos moduliui:
Kur
difuzijos sluoksnio storis, D - koeficientas. substrato difuzija.
Sistemoms su intradifuziniu lėtėjimu pirmosios eilės p-cuose
kur f T- bematis modulis (Thiele modulis).
Analizuojant kinetiką dėsningumai fermentacijos reaktoriuose platus teorinis. ir eksperimentuoti. Sukurti „idealūs“ reaktorių modeliai, srauto reaktorius (idealaus maišymo srauto reaktorius), idealaus poslinkio srauto reaktorius ir membraninis reaktorius.
Polifermentinių procesų kinetika. Organizme (ląstelėje) fermentai neveikia atskirai, o katalizuoja molekulių virsmo grandines. R-cija polifermentinėse sistemose su kinetika. požiūriai gali būti vertinami kaip nuoseklūs. procesai, specifiniai To-rykh bruožas yra kiekvienos stadijos fermentai:
Kur ,
resp. max, proceso greitis ir Michaelio konstanta i atitinkamai rajono etapas.
Svarbi proceso ypatybė yra stabilios stacionarios būsenos susidarymo galimybė. Jo atsiradimo sąlyga gali būti nelygybė > v 0 , kur v 0 – ribinės pakopos greitis, apibūdinamas mažiausia greičio konstanta ir taip nulemia visos sekos greitį. procesas. Stacionarioje būsenoje metabolitų koncentracija po ribinės stadijos yra mažesnė už atitinkamo fermento Michaelio konstantą.
Specifinis polifermentinių sistemų grupę sudaro sistemos, vykdančios oksidaciją.-atkurti. p-tion dalyvaujant baltymų elektronų nešėjams. Vežėjų forma specifinė. struktūros, kompleksai su deterministine elektronų perdavimo seka. Kinetinis tokių sistemų aprašymas laikomas nepriklausomu grandinių su dekomp. elektronų populiacijos laipsnis.
Taikymas. F. r. plačiai naudojamas mokslinių tyrimų praktikoje tiriant fermentų ir fermentų sistemų veikimo mechanizmus. Praktiškai reikšminga fermentų mokslo sritis inžinerinė enzimologija, operuoja su F. r sąvokomis. į biotechnologijų optimizavimą. procesus.
Lit.: Poltorak O. M., Chukhrai E. S., Fizinės ir cheminės fermentinės katalizės bazės, M., 1971; Berezin IV, Martinek K, Enziminės katalizės fizikinės chemijos pagrindai, M., 1977; Varfolomejevas S. D., Zaicevas S. V., Kinetiniai metodai biocheminiuose tyrimuose, M .. 1982 m. S. D. Varfolomejevas.
Chemijos enciklopedija. - M.: Tarybinė enciklopedija. Red. I. L. Knunyants. 1988 .
Pažiūrėkite, kas yra „FERMENTINĖ REAKCIJOS KINETIKA“ kituose žodynuose:
katalizinis rtion ciklinis. procesas, susidedantis iš daugybės elementariųjų racionų, kurių greitis apibūdinamas veikiančios masės dėsniu. Šis dėsnis turi paprastą formą idealiems dujų mišiniams, idealiems p grioviams ir idealiems paviršiaus sluoksniams. Cheminė enciklopedija
Cheminių reakcijų kinetika, cheminių procesų doktrina, jų tekėjimo laike dėsniai, greičiai ir mechanizmai. Svarbiausios šiuolaikinės chemijos ir chemijos sritys ... ... yra susijusios su cheminių reakcijų kinetikos tyrimais. Didžioji sovietinė enciklopedija
KINETIKA CHEMIKA- (iš graik. kinesis judėjimo), teorinės chemijos katedra, skirta chemijos dėsniams tirti. reakcijos. Yra keletas chemijos rūšių. sąveikos ir, svarbiausia, atskirti reakcijas, vykstančias vienalytėje (homogeniškoje) terpėje nuo reakcijų, kurios ... ... Didžioji medicinos enciklopedija
- (biokatalizė), biocheminių medžiagų pagreitis. racionas, kuriame dalyvauja baltymų makromolekulės, vadinamos fermentais (fermentais). F. to. savotiška katalizė, nors terminas fermentacija (fermentacija) žinomas nuo senų laikų, kai dar nebuvo cheminės sąvokos. katalizė. Pirmas… … Cheminė enciklopedija
- (iš lotynų kalbos re priešdėlis, reiškiantis atvirkštinį veiksmą ir actio veiksmą), vienų in (pradiniai junginiai) pavertimas kitais (reakcijos produktais) su atomų branduolių nekintamumu (skirtingai nuo branduolinių reakcijų). Pradiniai ryšiai R. x. kartais vadinamas...... Cheminė enciklopedija
- (iš lot. fermentum raugas) (fermentai), baltymai, kurie gyvuose organizmuose veikia kaip katalizatoriai. Pagrindinis F. funkcijas paspartinti virsmą į organizmą, patekimą į organizmą ir susidarantį metabolizmo metu (atnaujinti ląstelių struktūras, užtikrinti, kad ... Cheminė enciklopedija
- (iš graikų pharmakon medicinos ir kinetikos paleidimo), studijuoja kinetiką. su lek vykstančių procesų modeliai. cfd kūne. Pagrindinis farmakokinetikos. procesai: absorbcija, pasiskirstymas, metabolizmas ir išskyrimas (išskyrimas). Cheminė enciklopedija
6 paskaita
Fermentinės katalizės pagrindai.
Trumpa fermentinių reakcijų kinetikos tyrimo istorija. Fermentinės reakcijos greičio priklausomybė nuo temperatūros, pH, fermento koncentracijos ir substrato koncentracijos. Michaelis-Menten lygties išvedimas. fermentinis aktyvumas. Katalizinė konstanta yra fermento apsisukimų skaičius. Didžiausias fermentinės reakcijos greitis (V max). Fermento-substrato komplekso disociacijos konstanta (K s). Michaelis-Menten konstanta (K m).
Trumpa fermentinių reakcijų kinetikos tyrimo istorija.
Fermentinė kinetika tiria reaguojančių medžiagų (fermentų, substratų) cheminės prigimties ir jų sąveikos sąlygų (koncentracijos, terpės pH, temperatūros, aktyvatorių ar inhibitorių buvimo) įtakos fermentinės reakcijos greičiui. Pagrindinis fermentinių reakcijų kinetikos tyrimo tikslas – gauti informaciją, galinčią padėti išsiaiškinti molekulinį fermentų veikimo mechanizmą.
Bendrieji cheminių reakcijų kinetikos principai taikomi ir fermentinėms reakcijoms.
Anksčiausiai matematiškai apibūdinti fermentines reakcijas bandė Duclosas 1898 m. Brownas (1902) ir nepriklausomai Henri (1903) pirmieji iškėlė hipotezę, kad reakcijos metu susidarė fermento-substrato kompleksas. Ši prielaida buvo pagrįsta trimis eksperimentiniais faktais:
1. papainas sudaro netirpus junginį su fibrinu (Wurtz, 1880);
2. sacharozė apsaugo fermentą invertazę nuo šilumos denatūravimo (O'Sullivan ir Thompson, 1890);
3. Fisheris 1898-1899 metais parodė, kad fermentai yra stereochemiškai specifiniai katalizatoriai.
MICHAELIS, Leonoras
Leonoras Michaelis – vokiečių biochemikas ir organinis chemikas, fermentinių procesų kinetikos pradininkas. Pagrindiniai darbai skirti fermentinių reakcijų tyrimui. 1913 metais jis įvedė konstantą (Michaelio konstanta) į fermentinės reakcijos greičio priklausomybės nuo substrato koncentracijos stacionarioje būsenoje lygtį (Michaelio-Menten lygtis).
Fermentinės reakcijos greičio priklausomybė nuo temperatūros, pH, fermento koncentracijos ir substrato koncentracijos.
Preliminarūs fermentinių reakcijų kinetikos tyrimo eksperimentai parodė, kad reakcijos greitis E + S E + P, priešingai nei tikėtasi teoriškai, nepriklauso nuo fermento ir substrato koncentracijos, kaip įprasto antrinio- užsakymo reakcija.
Tuo pačiu metu fermentams taikomi trys pagrindiniai kriterijai, kurie taip pat būdingi neorganiniams katalizatoriams, būtent:
1. Po reakcijos jie lieka nepakitę, t.y. išsiskiriantys, jie vėl gali reaguoti su naujomis substrato molekulėmis (nors negalima atmesti ir šalutinio aplinkos sąlygų poveikio fermento aktyvumui).
2. Fermentai gali veikti nedidelėmis koncentracijomis (pavyzdžiui, viena fermento renino molekulė, esanti veršelio skrandžio gleivinėje, per 10 minučių 37 °C temperatūroje sutraukia apie 10 6 pieno kazeinogeno molekules) . Fermento ar kito katalizatoriaus buvimas ar nebuvimas neturi įtakos pusiausvyros konstantos ir laisvosios energijos (ΔG) vertei.
3. Katalizatoriai tik padidina greitį, kuriuo sistema artėja prie termodinaminės pusiausvyros, nekeičiant pusiausvyros taško.
Fermento aktyvumą įtakoja visi tie veiksniai, galintys sukelti jo struktūros pokyčius, būtent tokie veiksniai yra:
3. Jėgos, veikiančios skysčius (hidrodinaminės jėgos, hidrostatinis slėgis ir paviršiaus įtempis)
4. Cheminės medžiagos (alkoholis, karbamidas arba vandenilio peroksidas ir kt.)
5. Švitinimas (šviesa, garsas, jonizuojanti spinduliuotė)
6. Įvairūs cheminiai junginiai, kurie, jungdamiesi prie fermentų, gali keisti fermentų katalizuojamų reakcijų greitį.
Kartais katalizinio aktyvumo sumažėjimas, kurį sukelia, pavyzdžiui, pH pokytis, yra grįžtamas. Tokiais atvejais grįžimą į pradines sąlygas lydi fermentų aktyvumo atstatymas. Taip pat galimas negrįžtamas fermentų aktyvumo pokytis.
Panagrinėkime įvairių veiksnių įtaką fermentinės reakcijos greičiui.
Temperatūros efektas
Viena iš pagrindinių cheminės kinetikos lygčių yra Arenijaus lygtis, kuri išreiškia reakcijos greičio konstantos priklausomybę nuo temperatūros:
Tačiau fermentinių reakcijų, kurioms taikoma Arrhenius lygtis, temperatūros diapazonas daugeliui fermentų yra labai siauras. Kas atsitiks, jei pakeldami temperatūrą aukščiau fiziologiškai priimtinos, bandysime priversti fermentą katalizuoti procesą dar greičiau? Esant aukštai temperatūrai, kai pradeda dominuoti fermento terminės inaktyvacijos procesas, pažeidžiama Arrhenius lygtimi aprašyta reakcijos greičio priklausomybė nuo temperatūros – būtent po tam tikro temperatūros maksimumo reakcijos greitis greitai nukrenta iki nulio. . Kita vertus, temperatūrai nukritus žemiau 0°C, reakcijos greitis taip pat sumažėja iki nulio, t.y. reakcija visiškai sustoja. Taigi fermentinės reakcijos turi varpelio formos reakcijos greičio priklausomybę nuo temperatūros, o tai paaiškinama dviejų poveikių superpozicija - reakcijos greičio padidėjimu kylant temperatūrai ir baltymo molekulės terminio denatūravimo pagreitėjimu, dėl kurio susidaro fermentas. inaktyvavimas aukštoje temperatūroje. Daugumos baltymų denatūracija prasideda 45–50 °C temperatūroje ir labai greitai baigiasi 55 °C temperatūroje. Fermentinės reakcijos žemoje temperatūroje nutrūksta dėl to, kad vandeniniai tirpalai užšąla.
Taigi termolabilumas, arba jautrumas temperatūros padidėjimui, yra viena iš būdingų fermentų savybių, kuri juos ryškiai skiria nuo neorganinių katalizatorių. Esant 90°C temperatūrai, beveik visi fermentai praranda savo aktyvumą (išimtis yra du fermentai - miokinazė, galinti atlaikyti kaitinimą iki 100°C, DNR polimerazė iš termofilinių bakterijų max. 90°C). Optimali temperatūra šiltakraujų gyvūnų daugumos fermentų veikimui yra 40-45°C; tokiomis sąlygomis reakcijos greitis yra didžiausias dėl reaguojančių molekulių kinetinės energijos padidėjimo. Žemoje temperatūroje (4°C ir žemesnėje temperatūroje) fermentai, kaip taisyklė, nesunaikinami, nors jų aktyvumas nukrenta beveik iki nulio. Šis reiškinys atsiranda dėl aktyvaus fermento centro struktūros pasikeitimo dėl vandens tankio sumažėjimo. Visais atvejais turi reikšmės atitinkamos temperatūros poveikio laikas. Šiuo metu įrodyta, kad yra tiesioginis ryšys tarp pepsino, tripsino ir daugelio kitų fermentų fermentų inaktyvacijos greičio ir baltymų denatūracijos laipsnio. Taigi temperatūros įtaka fermentinės reakcijos greičiui paklūsta Arrhenius lygčiai tik palyginti siaurame 4-45°C temperatūros diapazone. Už šio diapazono ribų fermentinių reakcijų greitis smarkiai sumažėja, į tai atsižvelgiama ir naudojamas maisto technologijose bei fermentų turinčių maisto produktų ir vaistų laikymui. Pateikite pavyzdžių.
Vidutinio pH įtaka.
Fermentai, kaip ir visi baltymai, yra sudaryti iš aminorūgščių. Priklausomai nuo pH, kai kurių aminorūgščių radikalai, taigi ir visas baltymas, gali įgyti krūvį. Įkrautos grupės dažnai yra aktyvių fermentų centrų dalis, nes daugelis fermentinės katalizės mechanizmų yra pagrįsti rūgštine arba bazine katalize. Būtina sąlyga rūgštinei ar bazinei katalizei įgyvendinti gali būti tam tikro krūvio buvimas aktyviojo centro jonizuojamose grupėse. Iš to seka, kad kataliziškai aktyvi fermento forma egzistuoja tik vienoje griežtai apibrėžtoje jonizacijos būsenoje ir, priklausomai nuo pH, į ją gali virsti didesnė ar mažesnė viso mišinyje esančio fermento dalis.
Fermentų aktyvumo priklausomybė nuo pH yra varpelio formos su gana siauru maksimumu. Skirtingiems fermentams pH vertė, kuriai esant fermentas turi didžiausią aktyvumą, skiriasi. Eksperimente jonogeninių grupių skaičiui ir savybėms tirti dažnai naudojamas fermentinių reakcijų pH priklausomybių tyrimas.
Nustatant fermento aktyvumo priklausomybę nuo vandenilio jonų koncentracijos, reakcija vykdoma esant skirtingoms terpės pH vertėms, dažniausiai esant optimaliai temperatūrai ir esant pakankamai didelėms (sočiųjų) substrato koncentracijoms. Paveikslėlyje ir lentelėje parodytos optimalios daugelio fermentų pH vertės.
Ryžiai. Fermentų aktyvumo priklausomybė nuo pH.
 |
Iš lentelėje pateiktų duomenų. 4.3 rodo, kad fermento veikimo pH optimalus yra fiziologiniame diapazone. Išimtis yra pepsinas, kurio pH optimalus yra 2,0 (esant pH 6,0 jis yra neaktyvus ir nestabilus). Tai paaiškinama, pirma, fermento molekulės struktūrine struktūra ir, antra, tuo, kad pepsinas yra skrandžio sulčių, turinčių laisvos druskos rūgšties, komponentas, kuri sukuria optimalią rūgštinę aplinką šio fermento veikimui. Kita vertus, arginazės pH optimalus yra stipriai šarminėje zonoje (apie 10,0); kepenų ląstelėse tokios terpės nėra, todėl in vivo arginazė funkcionuoja, matyt, ne savo optimalioje terpės pH zonoje.
Remiantis šiuolaikinėmis koncepcijomis, terpės pH pokyčių poveikis fermento molekulei susideda iš įtakos rūgščių ir bazinių grupių (ypač dikarboksilinių aminorūgščių COOH grupių, SH grupės) būklei ir jonizacijos laipsniui. cisteino, histidino imidazolo azoto, lizino NH2 grupės ir kt.). Staigiai pasikeitus nuo optimalaus terpės pH, fermentai gali patirti konformacinius pokyčius, dėl kurių gali sumažėti jų aktyvumas dėl denatūracijos arba pasikeitus fermento molekulės krūviui. Esant skirtingoms terpės pH vertėms, aktyvus centras gali būti iš dalies jonizuotas arba nejonizuotas, o tai turi įtakos tretinei baltymo struktūrai ir atitinkamai aktyvaus fermento-substrato komplekso susidarymui. Be to, svarbi substratų ir kofaktorių jonizacijos būsena.
Panaši informacija.
Fermentinės reakcijos greitis
Fermentinės reakcijos greičio matas yra substrato kiekis, kuris buvo transformuotas per laiko vienetą, arba susidariusio produkto kiekis. Greitis nustatomas pagal kreivės liestinės nuolydį pradiniame reakcijos etape.
Ryžiai. 2 Fermentinės reakcijos greitis.
Kuo statesnis nuolydis, tuo didesnis greitis. Laikui bėgant reakcijos greitis dažniausiai mažėja, daugiausia dėl sumažėjusios substrato koncentracijos.
Veiksniai, turintys įtakos fermentų aktyvumui
F. veikimas priklauso nuo daugelio faktorių: temperatūros, terpės reakcijos (pH), fermentų koncentracijos, substrato koncentracijos, specifinių aktyvatorių ir nespecifinių arba specifinių inhibitorių buvimo.
Fermentų koncentracija
Esant didelei substrato koncentracijai ir esant pastoviems kitiems veiksniams, fermentinės reakcijos greitis yra proporcingas fermento koncentracijai.
Ryžiai. 3 Fermentinės reakcijos greičio priklausomybė nuo fermento koncentracijos.
Katalizė visada vyksta tokiomis sąlygomis, kai fermento koncentracija yra daug mažesnė už substrato koncentraciją. Todėl, didėjant fermento koncentracijai, didėja ir fermentinės reakcijos greitis.
Temperatūra
Temperatūros poveikis fermentinės reakcijos greičiui gali būti išreikštas temperatūros koeficientu Q 10: Q 10 = (reakcijos greitis esant (x + 10) ° C) / (reakcijos greitis esant x ° C)
Tarp 0-40°C fermentinės reakcijos Q 10 yra 2. Kitaip tariant, kas 10°C temperatūrai padidėjus, fermentinės reakcijos greitis padvigubėja.
Ryžiai. 4 Temperatūros įtaka fermento, pvz., seilių amilazės, aktyvumui.
Kylant temperatūrai, pagreitėja molekulių judėjimas, o reagentų molekulės dažniau susiduria viena su kita. Vadinasi, tikimybė, kad tarp jų įvyks reakcija, taip pat didėja. Temperatūra, kuri užtikrina didžiausią aktyvumą, vadinama optimalia. Viršijus šį lygį, fermentinės reakcijos greitis mažėja, nepaisant padidėjusio susidūrimų dažnio. Taip nutinka dėl fermento antrinių ir tretinių struktūrų sunaikinimo, kitaip tariant, dėl to, kad fermentas denatūruojasi.
Ryžiai. 5 Fermentinės reakcijos eiga skirtingose temperatūrose.
Kai temperatūra artėja prie užšalimo arba nukrenta žemiau, fermentai inaktyvuojami, tačiau denatūracija nevyksta. Padidėjus temperatūrai, jų katalizinis aktyvumas vėl atsistato.
Kadangi baltymai sausoje būsenoje denatūruojasi daug lėčiau nei hidratuoti baltymai (baltyminio gelio arba tirpalo pavidalu), F. inaktyvacija sausoje būsenoje vyksta daug lėčiau nei esant drėgmei. Todėl sausos bakterijų sporos arba sausos sėklos gali atlaikyti kaitinimą daug aukštesnėje temperatūroje nei tos pačios sporos ar sėklos drėgnoje būsenoje.
Substrato koncentracija
Esant tam tikrai fermento koncentracijai, fermentinės reakcijos greitis didėja didėjant substrato koncentracijai.
Ryžiai. 6 Fermentinės reakcijos greičio priklausomybė nuo substrato koncentracijos.
Teorinis maksimalus reakcijos greitis Vmax niekada nepasiekiamas, tačiau ateina momentas, kai tolesnis substrato koncentracijos padidėjimas nebeturi jokio pastebimo reakcijos greičio pokyčio. Tai turėtų būti paaiškinta tuo, kad esant didelėms substrato koncentracijoms, F. molekulių aktyvieji centrai bet kuriuo momentu pasirodo praktiškai prisotinti. Taigi, kad ir koks būtų substrato perteklius, jis gali jungtis su F. tik po to, kai anksčiau susidaręs fermento-substrato kompleksas disocijuoja į produktą ir laisvą F. Todėl esant didelėms substrato koncentracijoms, fermentinės reakcijos greitis yra riboja tiek substrato koncentracija, tiek laikas, reikalingas fermento-substrato komplekso disociacijai.
Esant pastoviai temperatūrai bet koks F. veikia efektyviausiai siaurose pH ribose. Optimali pH vertė yra ta, kuriai esant reakcija vyksta didžiausiu greičiu.
Ryžiai. 7 Fermento aktyvumo priklausomybė nuo pH.
Esant vis žemesniam pH, F. aktyvumas mažėja. Dėl pH poslinkio pasikeičia jonizuotų rūgščių ir bazinių grupių krūvis, nuo kurio priklauso konkreti F molekulių forma, todėl kinta F molekulių forma, o pirmiausia – aktyvaus centro forma. Esant per staigiems poslinkiams pH Ph. denatūruojasi. Optimalus pH, būdingas tam tikram F., ne visada sutampa su jo tiesioginės viduląstelinės aplinkos pH. Tai rodo, kad aplinka, kurioje yra F., tam tikru mastu reguliuoja jo veiklą.
Fermentinių reakcijų kinetika. Kinetika tiria reakcijų greitį, mechanizmus ir tokių veiksnių, kaip fermentų ir substratų koncentracija, temperatūra, terpės pH, inhibitorių ar aktyvatorių buvimas, įtaką.
Esant pastoviai substrato koncentracijai, reakcijos greitis yra tiesiogiai proporcingas fermento koncentracijai. Fermentinės reakcijos greičio priklausomybės nuo substrato koncentracijos grafikas turi lygiašonės hiperbolės formą.
Fermentinės reakcijos greičio priklausomybė nuo fermento (a) ir substrato (b) koncentracijos
Aprašyta fermentinės reakcijos greičio priklausomybė nuo substrato koncentracijos Michaelis-Menten lygtis:
čia V yra stacionarus biocheminės reakcijos greitis; Vmax – maksimalus greitis; Km – Michaelio konstanta; [S] – substrato koncentracija.
Jei substrato koncentracija maža, t.y. [S]<< Кm, то [S] в знаменателе можно пренебречь.
Tada 
Taigi, esant mažoms substrato koncentracijoms, reakcijos greitis yra tiesiogiai proporcingas substrato koncentracijai ir apibūdinamas pirmos eilės lygtimi. Tai atitinka pradinę tiesiąją kreivės atkarpą V = f[S] (b pav.).
Esant didelėms substrato koncentracijoms [S] >> Km, kai Km galima nepaisyti, Michaelis-Menten lygtis įgauna formą, t.y. V=Vmax.
Taigi, esant didelei substrato koncentracijai, reakcijos greitis tampa didžiausias ir apibūdinamas nulinės eilės lygtimi. Tai atitinka kreivės V =f [S] atkarpą, lygiagrečią x ašiai.
Esant substrato koncentracijoms, skaičiais palyginamoms su Michaelio konstanta, reakcijos greitis didėja palaipsniui. Tai visiškai atitinka idėjas apie fermentinės reakcijos mechanizmą:
kur S yra substratas; E – fermentas; ES - fermento-substrato kompleksas; P - produktas; k1 – fermento ir substrato komplekso susidarymo greičio konstanta; k2 – fermento ir substrato komplekso skilimo, susidarant pradiniams reagentams, greičio konstanta; k3 – fermento ir substrato komplekso skilimo susidarant produktui greičio konstanta.
Substrato konversijos koeficientas su produkto susidarymu (P) yra proporcinga fermento-substrato komplekso koncentracijai. Esant mažoms substrato koncentracijoms, tirpale yra tam tikras skaičius laisvų fermentų molekulių (E), kurios nėra surištos į kompleksą (ES). Todėl, padidėjus substrato koncentracijai, didėja kompleksų koncentracija, taigi ir produkto susidarymo greitis. Esant didelėms substrato koncentracijoms, visos fermentų molekulės yra susijungusios į ES kompleksą (fermento prisotinimo reiškinys), todėl toliau didėjant substrato koncentracijai kompleksų koncentracija praktiškai nepadidėja, o produkto susidarymo greitis išlieka pastovus.
Taigi aiškėja fizikinė didžiausio fermentinės reakcijos greičio reikšmė. Vmax yra fermento reakcijos greitis, visiškai egzistuojantis kaip fermento ir substrato kompleksas..
Michaelio konstanta skaitine prasme atitinka tokią substrato koncentraciją, kuriai esant nejudantis greitis yra lygus pusei didžiausio. Ši konstanta apibūdina fermento ir substrato komplekso disociacijos konstantą:
Fizinė Michaelio konstantos reikšmė tuo, kad jis apibūdina fermento afinitetą substratui. Km turi mažas reikšmes, kai k1 > (k2 + k3), t.y. ES komplekso susidarymo procesas vyrauja prieš ES disociacijos procesus. Todėl kuo mažesnė Km reikšmė, tuo didesnis fermento afinitetas substratui. Ir atvirkščiai, jei Km didelis, tai (k2 + k3) > k1 ir ES disociacijos procesai vyrauja. Šiuo atveju fermento afinitetas substratui yra mažas.
Fermentų inhibitoriai ir aktyvatoriai . Fermentų inhibitoriai vadinamos fermentų aktyvumą mažinančiomis medžiagomis. Bet kokios denatūruojančios medžiagos (pavyzdžiui, sunkiųjų metalų druskos, rūgštys) yra nespecifiniai fermentų inhibitoriai.
Grįžtamieji inhibitoriai yra junginiai, kurie nekovalentiškai sąveikauja su fermentu. negrįžtami inhibitoriai- tai junginiai, kurie specifiškai suriša aktyvaus centro funkcines grupes ir sudaro kovalentinius ryšius su fermentu.
Grįžtamasis slopinimas skirstomas į konkurencinį ir nekonkurencinį. Konkurencinis slopinimas rodo struktūrinį inhibitoriaus ir substrato panašumą. Inhibitorius užima vietą aktyvioje fermento vietoje, o nemaža dalis fermento molekulių yra blokuojama. Konkurencinis slopinimas gali būti pašalintas padidinus substrato koncentraciją. Tokiu atveju substratas išstumia konkurencinį inhibitorių iš aktyvios vietos.
Grįžtamasis slopinimas gali būti nekonkurencingas dėl substrato. Šiuo atveju inhibitorius nekonkuruoja dėl prisijungimo prie fermento vietos. Substratas ir inhibitorius jungiasi su skirtingomis vietomis, todėl susidaro IE kompleksas, taip pat trinaris IES kompleksas, kuris gali suirti išsiskiriant produktui, bet lėčiau nei ES kompleksas.
Autorius jūsų veiksmo pobūdis inhibitoriai skirstomi į:
- konkretus,
- nespecifinis.
Specifiniai inhibitoriai turi savo poveikį fermentui, susijungdami kovalentine jungtimi aktyviajame fermento centre ir išjungdami jį iš veikimo sferos.
Nespecifinis slopinimas apima denatūruojančių medžiagų (sunkiųjų metalų druskų, karbamido ir kt.) poveikį fermentui. Tokiu atveju dėl baltymo ketvirtinės ir tretinės struktūros sunaikinimo prarandamas biologinis fermento aktyvumas.
Fermentų aktyvatoriai yra medžiagos, kurios padidina fermentinės reakcijos greitį. Dažniausiai kaip aktyvatoriai veikia metalų jonai (Fe2+, Fe3+, Cu2+, Co2+, Mn2+, Mg2+ ir kt.). Atskirkite metalus, kurie yra metalofermentų dalis, kurie yra kofaktoriai ir veikia kaip fermentų aktyvatoriai. Kofaktoriai gali stipriai jungtis su baltymine fermento dalimi, tačiau, kalbant apie aktyvatorius, jie lengvai atskiriami nuo apofermento. Tokie metalai yra privalomi katalizinio akto dalyviai, lemiantys fermento aktyvumą. Aktyvatoriai sustiprinti katalizinį poveikį, tačiau jų nebuvimas netrukdo vykti fermentinei reakcijai. Paprastai metalinis kofaktorius sąveikauja su neigiamai įkrautomis substrato grupėmis. Kintamo valentingumo metalas dalyvauja elektronų mainuose tarp substrato ir fermento. Be to, jie dalyvauja formuojant stabilią pereinamą fermento konformaciją, kuri prisideda prie greitesnio ES komplekso susidarymo.
Fermentų aktyvumo reguliavimas . Vienas iš pagrindinių medžiagų apykaitos reguliavimo mechanizmų yra fermentų aktyvumo reguliavimas. Vienas iš pavyzdžių yra allosterinis reguliavimas, aktyvatorių ir inhibitorių reguliavimas. Dažnai būna, kad galutinis metabolizmo kelio produktas yra reguliuojančio fermento inhibitorius. Šis slopinimo tipas vadinamas retroinhibicija arba neigiamo grįžtamojo ryšio slopinimas.
Daugelis fermentų gaminami kaip neaktyvūs profermentų pirmtakai, o po to tinkamu metu aktyvuojami dalinės proteolizės būdu. Dalinė proteolizė- molekulės dalies skilimas, dėl kurio pasikeičia tretinė baltymo struktūra ir susidaro aktyvusis fermento centras.
Kai kurie oligomeriniai fermentai gali pakeisti savo aktyvumą dėl asociacijos – subvienetų disociacijosįtraukta į jų sudėtį.
Daugelis fermentų gali būti dviejų formų: kaip paprastas baltymas ir kaip fosfoproteinas. Perėjimą iš vienos formos į kitą lydi katalizinio aktyvumo pasikeitimas.
Fermentinės reakcijos greitis priklauso nuo fermentų kiekiai, kurį ląstelėje lemia jos sintezės ir skilimo greičių santykis. Toks fermentinės reakcijos greičio reguliavimo būdas yra lėtesnis nei fermentų aktyvumo reguliavimas.