Az enzimkinetika az enzimek által katalizált reakciók sebességét vizsgálja a szubsztráttal való kölcsönhatásuk különböző körülményeitől (koncentráció, hőmérséklet, pH stb.) függően.

Az enzimek azonban olyan fehérjék, amelyek érzékenyek a különféle külső hatásokra. Ezért az enzimreakciók sebességének vizsgálatakor elsősorban a reagáló anyagok koncentrációját veszik figyelembe, és igyekeznek minimalizálni a hőmérséklet, a környezet pH-értékének, az aktivátorok, inhibitorok és egyéb tényezők hatását, és standard feltételeket teremteni. Először is, ez a környezet pH-értéke, amely optimális az adott enzim számára. Másodszor, lehetőség szerint 25°C-os hőmérséklet fenntartása javasolt. Harmadszor, elérjük az enzim teljes telítését a szubsztráttal. Ez a pont azért különösen fontos, mert alacsony szubsztrátkoncentráció esetén nem minden enzimmolekula vesz részt a reakcióban (6.5. ábra, A), ami azt jelenti, hogy az eredmény messze lesz a lehetséges maximumtól. A katalizált reakció legnagyobb ereje, egyéb tényezők azonossága mellett, akkor érhető el, ha minden enzimmolekula részt vesz az átalakulásban, azaz az átalakulásban. az enzim-szubsztrát komplex nagy koncentrációjában (6.5. ábra, V). Ha a szubsztrát koncentráció nem biztosítja az enzim teljes telítettségét (6.5. ábra, b), akkor a reakció sebessége nem éri el a maximális értéket.

Rizs. 65.

A - alacsony szubsztrátumkoncentrációnál; 6 - elégtelen szubsztrát koncentrációval; V - amikor az enzim teljesen telített a szubsztráttal

A fenti körülmények között mért enzimreakció sebességét és az enzim szubsztráttal való teljes telítését ún. az enzimreakció maximális sebessége (V).

Az enzimreakció sebességét akkor határozzuk meg, amikor az enzim nincs teljesen telítve a szubsztráttal. v.

Az enzimkatalízis a következő diagrammal leegyszerűsíthető:

ahol F jelentése enzim; S - szubsztrát; FS - enzim-szubsztrát komplex.

Ennek a folyamatnak minden szakaszát egy bizonyos sebesség jellemez. Az enzimatikus reakció sebességének mértékegysége az időegység alatt átalakult szubsztrát móljainak száma.(ugyanaz, mint a normál reakció sebessége).

Az enzim és a szubsztrát kölcsönhatása enzim-szubsztrát komplex kialakulásához vezet, de ez a folyamat visszafordítható. Az előre és fordított reakciók sebessége a reaktánsok koncentrációjától függ, és a megfelelő egyenletek írják le:

Egyensúlyban a (6.3) egyenlet érvényes, mivel az előre és a fordított reakció sebessége egyenlő.

Az előre (6.1) és a fordított (6.2) reakciók sebességértékeit behelyettesítve a (6.3) egyenletbe, megkapjuk az egyenlőséget:

Az egyensúlyi állapotot egy megfelelő egyensúlyi állandó K p, egyenlő az előre és fordított reakciók állandóinak arányával (6.5). Az egyensúlyi állandó reciproka ún szubsztrát állandó Ks, vagy az enzim-szubsztrát komplex disszociációs állandója:

A (6.6) egyenletből kitűnik, hogy a szubsztrátállandó az enzim-szubsztrát komplex nagy koncentrációinál csökken, i.e. nagy stabilitással. Következésképpen a szubsztrát állandó jellemzi az enzim és a szubsztrát affinitását, valamint az enzim-szubsztrát komplex képződésének és disszociációjának sebességi állandóinak arányát.

A szubsztráttal való enzimtelítés jelenségét Leonor Michaelis és Maud Mepten tanulmányozta. Az eredmények matematikai feldolgozása alapján levezették a (6.7) egyenletet, amely a nevüket kapta, amelyből jól látható, hogy magas szubsztrátkoncentrációnál és alacsony szubsztrátállandónál az enzimreakció sebessége a maximumra hajlik. . Ez az egyenlet azonban korlátozott, mert nem veszi figyelembe az összes paramétert:

Az enzim-szubsztrát komplex a reakció során különböző irányban átalakulhat:

• kiindulási anyagokká disszociálnak;
• termékké alakul át, amelyből az enzim változatlan formában válik le.

Ezért az enzimatikus folyamat átfogó hatásának leírására a fogalom Michaelis állandók Kt, amely az enzimatikus katalízis mindhárom reakciójának sebességi állandói közötti összefüggést fejezi ki (6.8). Ha mindkét tagot elosztjuk az enzim-szubsztrát komplex képződésének reakciósebesség-állandójával, akkor a (6.9) kifejezést kapjuk:

A (6.9) egyenletből egy fontos következmény következik: a Michaelis-állandó mindig annyival nagyobb, mint a szubsztrátállandó k 2 /k v

Számszerűen K t megegyezik a szubsztrát azon koncentrációjával, amelynél a reakciósebesség a maximális lehetséges sebesség fele, és megfelel az enzim szubsztráttal való telítettségének, amint az 1. ábrán látható. 6,5, b. Mivel a gyakorlatban nem mindig lehet elérni az enzim teljes telítettségét a szubsztráttal, pontosan K t használt összehasonlító jellemzők az enzimek kinetikai jellemzői.

Az enzimreakció sebessége, amikor az enzim nincs teljesen telítve a szubsztráttal (6.10), az enzim-szubsztrát komplex koncentrációjától függ. Az arányossági együttható az enzim és a termék felszabadulásának reakcióállandója, mivel ez megváltoztatja az enzim-szubsztrát komplex koncentrációját:

A transzformációk után a fenti függőségek figyelembevételével a (6.11) egyenlettel írjuk le az enzimreakció sebességét, amikor az enzim nincs teljesen telítve a szubsztráttal, azaz. az enzim, a szubsztrát koncentrációjától és azok affinitásától függ K s:

Az enzimatikus reakció sebességének grafikus függése a szubsztrát koncentrációjától nem lineáris. Amint az az ábrából nyilvánvaló. 6.6, a szubsztrátkoncentráció növekedésével az enzimaktivitás növekedése figyelhető meg. Ha azonban elérjük az enzim maximális telítését a szubsztráttal, az enzimreakció sebessége maximális lesz. Ezért a reakció sebességkorlátozó tényezője az enzim-szubsztrát komplex képződése.

A gyakorlat azt mutatja, hogy a szubsztrátkoncentrációkat általában sokkal kisebb értékekben fejezik ki, mint az egység (10 6 - 10 3 mol). Elég nehéz ilyen mennyiségekkel kalkulálni. Ezért G. Lineweaver és D. Burke azt javasolta, hogy egy enzimreakció sebességének grafikus függését ne direkt koordinátákkal, hanem inverzekkel fejezzék ki. Abból a feltevésből indultak ki, hogy egyenlő mennyiségek esetén az inverzeik is egyenlők:

Rizs. 6.6.

A (6.13) kifejezés transzformálása után egy ún Lineweaver-Burk egyenlet (6.14):

A Lineweaver-Burk egyenlet grafikus függése lineáris (6.7. ábra). Kinetikai jellemzők Az enzimek meghatározása a következő:

• az ordináta tengelyen levágott szakasz egyenlő 1/V;
• az abszcissza tengelyen levágott szakasz egyenlő -1 /To t.

Rizs. 6.7.

Úgy gondolják, hogy a Lineweaver-Burk módszer lehetővé teszi a maximális reakciósebesség pontosabb meghatározását, mint a közvetlen koordinátákban. Az enzimgátlásra vonatkozóan is értékes információk nyerhetők ki ebből a grafikonból.

Vannak más módok is a Michaelis-Menten egyenlet átalakítására. A grafikus függőségek a különféle külső hatások enzimatikus folyamatra gyakorolt ​​hatásának tanulmányozására szolgálnak.

Az enzimológia ezen ága különféle tényezők hatását vizsgálja az enzimatikus reakció sebességére. Figyelembe véve általános egyenlet egy szubsztrátot egyetlen termékké alakító reverzibilis reakció enzimatikus katalízise (1),

Az enzimreakció sebességét befolyásoló fő tényezőket meg kell nevezni: szubsztrátkoncentráció [S], enzimkoncentráció [E] és reakciótermék-koncentráció [P].

Egyes enzimek kölcsönhatása szubsztrátjával az V enzimreakció sebességének a szubsztrát koncentrációjától való függésének hiperbolikus görbéjével írható le [S] (19. ábra):

19. ábra Az enzimatikus reakció sebességének függése a szubsztrát koncentrációjától.

Ezen a görbén három szakasz különböztethető meg, ami az enzim és a szubsztrát kölcsönhatásának mechanizmusának rendelkezéseivel magyarázható: OA - egy szakasz, amelyben V egyenesen arányos függésben van [S]-től, az enzim aktív centrumaitól. fokozatosan megtelnek szubsztrát molekulákkal, instabil komplex ES képződésével; AB szakasz - V görbe vonalú függése [S]-től, az enzim aktív centrumainak teljes telítettsége szubsztrát molekulákkal még nem sikerült. Komplex ES elérése előtt átmeneti állapot instabil, az E és S felé fordított disszociáció valószínűsége még mindig magas; BC szakasz - a függőséget nulladrendű egyenlet írja le, a metszet párhuzamos az [S] tengellyel, az aktív enzimek teljes telítését sikerült elérni a szubsztrát molekulákkal, V=V max.

A görbe karakterisztikus alakját matematikailag a Briggs-Haldane egyenlet írja le:

V=V max ● [S]/Km + [S] (2),

ahol Km a Michaelis-Menten állandó, számszerűen egyenlő azzal a szubsztrát-koncentrációval, amelynél az enzimreakció sebessége egyenlő V max felével.

Minél kisebb az enzim K m értéke, annál nagyobb az enzim affinitása a szubsztráthoz, annál gyorsabban éri el a szubsztrát átmeneti állapotát, és az átalakul reakciótermékké. Az egyes csoportspecifikus enzimszubsztrátok Km-értékeinek megtalálása fontos ennek az enzimnek a sejtben betöltött biológiai szerepének meghatározásában.

A legtöbb enzim esetében lehetetlen hiperbolikus görbét megszerkeszteni (19. ábra) Ebben az esetben a kettős reciprok módszerét (Lineweaver-Burk) alkalmazzuk, azaz. 1/[V] grafikus függése 1/[S]-től ábrázolódik (20. ábra). Az ilyen görbék kísérletben történő felépítésének módszere nagyon kényelmes, ha különböző típusú inhibitorok hatását vizsgáljuk az enzimaktivitásra (lásd a szövegben).

20. ábra. 1/[V] és 1/[S] grafikonja (Lineweaver-Burk módszer),

ahol y a levágási szakasz - , és x a levágási szakasz - , α - szög érintője.

Az V enzimreakció sebességének függése az enzimkoncentrációtól [E].

Ezt a grafikus függést (21. ábra) optimális hőmérsékleten és pH-n vesszük figyelembe környezet, az enzim aktív helyeinek telítési koncentrációjánál lényegesen magasabb szubsztrátkoncentrációknál.

Rizs. 21. Az enzimkoncentráció hatása az enzimatikus reakció sebességére.

Egy enzimreakció sebességének függősége egy kofaktor vagy koenzim koncentrációjától. A komplex enzimek esetében figyelembe kell venni, hogy a vitaminok koenzim formáinak hiánya hipovitaminózis esetén, a fémionok szervezetbe történő felvételének megsértése szükségszerűen a megfelelő enzimek koncentrációjának csökkenéséhez vezet anyagcsere folyamatok lefolyása. Ezért azt a következtetést kell levonni, hogy az enzim aktivitása közvetlenül függ a kofaktor vagy koenzim koncentrációjától.

A termék koncentrációjának hatása az enzimatikus reakció sebességére. Az emberi szervezetben fellépő reverzibilis reakcióknál figyelembe kell venni, hogy a közvetlen reakció termékeit az enzim a fordított reakció szubsztrátjaként tudja felhasználni. Ezért az áramlás iránya és a Vmax elérésének pillanata a kiindulási szubsztrátok és reakciótermékek koncentrációinak arányától függ. Például az alanin aminotranszferáz aktivitása, amely katalizálja az átalakulást:

Alanin + Alfa-ketoglutarát ↔ Piruvát + Glutamát

a cellában a koncentráció arányától függ:

[alanin + alfa-ketoglutarát] / [piruvát + glutamát].

AZ ENZIM HATÁSMECHANIZMUS. AZ ENZIM KATALIZIS ELMÉLETEI

Az enzimek, mint a nem fehérje katalizátorok, növelik a kémiai reakció sebességét, mivel képesek csökkenteni a reakció aktiválási energiáját.

Az enzimreakció aktiválási energiáját a folyamatban lévő reakció rendszerében az átmeneti állapotot elérő energiaérték és a reakció elején meghatározott energia közötti különbségként számítjuk ki (lásd a grafikus függést a 22. ábrán).

Rizs. 22. Enzim nélkül (1) és enzim jelenlétében (2) lezajló kémiai reakció energiaállapotának grafikus függése a reakció időpontjától.

V. Henry és különösen L. Michaelis, M. Menten a monoszubsztrát reverzibilis enzimreakciók mechanizmusának tanulmányozásával kapcsolatos munkája lehetővé tette annak feltételezését, hogy az E enzim először reverzibilisen és viszonylag gyorsan egyesül S szubsztrátjával, és enzimet alkot. szubsztrát komplex (ES):<=>E+S

ES (1) ES kialakulása miatt következik be hidrogénkötések , elektrosztatikus, hidrofób kölcsönhatások, esetenként kovalens, koordinációs kötések az aktív centrum aminosavmaradékainak oldalgyökei, ill. szubsztrát. Komplex enzimekben a szubsztráttal való érintkezés funkcióját a szerkezet nem fehérje része is elláthatja.

Az enzim-szubsztrát komplex ezután egy második, lassabb, reverzibilis reakcióban szétesik, így P reakciótermék és szabad E enzim keletkezik:

ES<=>EP<=>E+P (2)

Jelenleg a fent említett tudósok, valamint Keilin D., Chance B., Koshland D. (az „indukált levelezés elmélete”) munkájának köszönhetően a hatásmechanizmus négy fő pontjáról vannak elméleti rendelkezések. egy szubsztrátumon lévő enzim, amely meghatározza az enzimek kémiai reakciókat gyorsító képességét:

1. Tájékozódás és megközelítés . Az enzim úgy képes megkötni egy szubsztrát molekulát, hogy az enzim által megtámadt kötés nemcsak a katalitikus csoport közvetlen közelében helyezkedik el, hanem ahhoz képest helyesen is orientálódik. Nagymértékben megnő annak a valószínűsége, hogy az ES komplex az orientáció és a közelség miatt eléri az átmeneti állapotot.

2. Stressz és feszültség : indukált levelezést. A szubsztrát kötődése konformációs változásokat idézhet elő az enzimmolekulában, ami feszültséghez vezet az aktív centrum szerkezetében, valamint némileg deformálja a megkötött szubsztrátot, ezáltal elősegíti az ES komplex átmeneti állapotának elérését. Az E és S molekulák között úgynevezett indukált megfeleltetés jön létre.

ENZIMATÍV REAKCIÓKINETIKA

tanulmányozza az enzimreakciók időbeli lefutásának mintázatait, valamint azok mechanizmusát; fejezet kémiai kinetika.

Katalitikus az S anyag (szubsztrát) P termékké való átalakulásának ciklusa az E enzim hatására az intermedierek képződésével folytatódik. konn. X én:

Ahol ki- az egyes elemi fokozatok sebességi állandói, az X 1 enzim-szubsztrát komplex képződése (ES, Michaelis komplex).

Adott hőmérsékleten a reakció sebessége az enzim koncentrációjától, a szubsztráttól és a közeg összetételétől függ. Az enzimatikus reakcióknak van stacionárius, prestacionárius és relaxációs kinetikája.

Stacionárius kinetika.Álló állapotban köztes csatlakozásokon keresztül. (dX én/dt= 0, i = 1, ..., n) és szubsztrát felesleggel, ahol [S] 0 és [E] 0 a kezdeti koncentráció. szubsztrát és enzim, a folyamat kinetikáját állandó, időben invariáns koncentrációszint jellemzi. conn., és a folyamat sebességének kifejezése v 0, hívott a kezdeti állósebesség a következőképpen alakul (Michaelis-Menten egyenlet):

(1)

ahol a k kat és K m -> elemi fokozatok sebességi állandóinak függvényei, és az egyenletek adják meg:

A k értéke kat hívott hatékony katalizátor folyamat sebesség állandó, paraméter K m -> Michaelis állandó. k macska érték mennyiségek határozzák meg max. a katalitikus lassú szakaszai kerületek és néha hívják az enzim fordulatszáma (enzimrendszer); k kat a katalizátorok számát jellemzi az enzimrendszer által egységnyi idő alatt végrehajtott ciklusok. Naib. gyakori, amelynek értéke k kat. konkrét hordozók a 10 2 -10 3 s -1 tartományban. A Michaelis-állandó tipikus értékei a 10 -3 - 10 -4 M tartományban vannak.

A szubsztrátum nagy koncentrációinál, amikor, azaz a reakció sebessége nem függ a szubsztrát koncentrációjától, és elér egy állandó értéket, ún. Max. sebesség. Grafikailag a Michaelis-Menten egyenlet egy hiperbola. Linearizálható a kettős reciprok módszerével (Linewere-Burk módszer), azaz az 1/v függést 1/[S] 0-ból megszerkesztve, vagy más módszerekkel. Az (1) egyenlet lineáris alakja a következő:

(2)

Lehetővé teszi az értékek grafikus meghatározását K més v max (1. ábra).

Rizs. 1. A Michaelis - Menten egyenlet lineáris transzformációjának grafikonja kettős reciprokban (Lineweaver - Burke szerint).

Nagyságrend K m > számszerűen egyenlő a szubsztrát koncentrációjával, amelynél a keringés sebessége egyenlő, ezért K m gyakran a szubsztrát és az enzim affinitásának mértékeként szolgál, de ez csak akkor érvényes, ha

Mennyiségek K m >És pH értékektől függően változhat. Ez annak köszönhető, hogy a katalízisben részt vevő enzimmolekula-csoportok képesek megváltoztatni ionizációs állapotukat és ezáltal katalitikus aktivitásukat. hatékonyság. A pH változása legegyszerűbb esetben a katalízisben részt vevő enzim legalább két ionizálható csoportjának protonálódását vagy deprotonálódását eredményezi. Ha ebben az esetben a három lehetséges formából (ES, ESH és ESH 2) az enzim-szubsztrát komplexnek csak egy formája (például ESH) alakulhat át az oldat termékévé, akkor az a pH sebességét a következő képlet írja le:

Ahol f = 1 + / És f" = 1 + +K" b />-T. hívott Michaelis pH-függvényei, és K a, K bÉs K" a, K" b -> az a és a brsp. csoportok ionizációs állandói. ingyenes enzim és enzim-szubsztrát komplex. lg koordinátákkal - pH Ezt a függést az ábra mutatja be. 2, és a görbe emelkedő, pH-független és csökkenő ágai érintőinek lejtőszögeinek érintőinek +1, 0 és -1 kell lenniük. Egy ilyen grafikonból meghatározhatja az értékeket pK a katalízisben részt vevő csoportok.

Rizs. 2. A katalizátor függősége állandók a pH-tól a logaritmikusig. koordináták

Az enzimreakció sebessége nem mindig engedelmeskedik az (1) egyenletnek. Az egyik leggyakoribb eset az alloszterikus részvétel a reakcióban. enzimek (lásd enzimszabályozók), amelyeknél az enzim telítettségi fokának [S] 0-tól való függése nem hiperbolikus. karakter (3. ábra). Ez a jelenség a szubsztrátkötés kooperativitásának köszönhető, vagyis amikor egy szubsztrát kötődése az enzim makromolekula egyik helyén növeli (pozitív kooperativitás) vagy csökkenti (negatív kooperativitás) egy másik hely szubsztrátjához való affinitását.

Rizs. H Az enzim szubsztráttal való telítési fokának függősége a pozitív (I) és negatív (II) kooperativitású szubsztrát koncentrációjától, valamint annak hiányában (III).

Az egyensúlyi állapot előtti kinetika. Az enzim- és szubsztrát oldatok gyors, 10 -6 -10 -1 s időintervallumban történő keverésével a stabil stacionárius állapot kialakulását megelőző átmeneti folyamatok figyelhetők meg. Ebben a prestacionárius üzemmódban, ha nagy mennyiségű hordozót használunk, a differenciálrendszer. A folyamatok kinetikáját leíró egyenlet lineáris. Az ilyen típusú lineáris differenciálrendszer megoldása. Az egyenletet az exponenciális tagok összege adja. Tehát a kinetika miatt A fent bemutatott séma szerint a termékfelhalmozódás kinetikája a következőképpen alakul:

ahol A én ->, b és n -> elemi sebességi állandók függvényei; -a megfelelő jellemző gyökerei. szint.

A reciprok mennyiséget ún jellegzetes feldolgozási idő:

Egy nintervallum részvételével folyó folyóhoz. kapcsolathoz kaphat njellemzőket. alkalommal

Az enzimreakció kinetikájának prestacionárius módban történő tanulmányozása lehetővé teszi, hogy képet kapjunk a katalitikus reakciók részletes mechanizmusáról. ciklust, és határozza meg a folyamat elemi szakaszainak sebességi állandóit.

Kísérletileg az enzimatikus reakció kinetikáját prestacionárius módban a stop jet módszerrel tanulmányozzuk (lásd. Jet kinetikai módszerek), lehetővé teszi az oldat komponenseinek 1 ms-on belüli összekeverését.

Relaxációs kinetika. A rendszert érő gyors zavaró hatás (hőmérséklet, nyomás, elektromos tér változása) mellett a katalitikus reakciót meghatározó folyamatok sebességétől függ, hogy mennyi idő szükséges ahhoz, hogy a rendszer új egyensúlyi vagy stacionárius állapotot érjen el. enzimatikus ciklus.

A folyamat kinetikáját leíró egyenletrendszer lineáris, ha az egyensúlyi helyzetből való elmozdulás kicsi. A rendszer megoldása a komponensek koncentrációinak függőségéhez vezet, dec. a folyamat szakaszai exponenciális tagok összege formájában, amelyek exponensei relaxációs idők jellegűek. A vizsgálat eredménye az intervallumok számának megfelelő relaxációs idők spektruma. a folyamatban részt vevő kapcsolatok. A relaxációs idők a folyamatok elemi szakaszainak sebességi állandóitól függenek.

Relaxációs technikák A kinetika lehetővé teszi az intermedierek átalakulásának egyes elemi szakaszai sebességi állandóinak meghatározását. A relaxációs kinetika tanulmányozásának módszerei eltérőek. felbontás: ultrahang abszorpció - 10 -6 -10 -10 s, hőmérséklet ugrás - 1O -4 -10 -6 s, elektromos módszer. impulzus - 10 -4 -10 -6 s, nyomásugrás - 10 -2 s. Az enzimatikus reakciók kinetikájának tanulmányozása során a hőmérsékletugrás módszere talált alkalmazásra.

Enzimatikus folyamatok makrokinetikája. Eljárások kidolgozása heterogén katalizátorok előállítására enzimek bomlás közbeni immobilizálásával. média (lásd Immobilizált enzimek) szükségessé tette a folyamatok kinetikájának elemzését, figyelembe véve a szubsztrát tömegátadását. A reakciók kinetikáját elméletileg és kísérletileg tanulmányozták, figyelembe véve a diffúziós réteg hatását, valamint olyan rendszerek esetében, amelyek intradiffúziós nehézségekkel küzdenek az enzim hordozón belüli eloszlása ​​során.

Olyan körülmények között, ahol a folyamat kinetikáját befolyásolja a szubsztrát diffúziós átvitele, katalitikus. csökken a rendszer hatékonysága. A hatékonysági tényező egyenlő a termék áramlási sűrűségének diffúziósan csökkentett szubsztrátkoncentrációjú enzimatikus áramlási körülmények között a diffúziós korlátozások hiányában megvalósítható áramláshoz viszonyított arányával. A tisztán diffúziós tartományban, amikor a folyamat sebességét a szubsztrát tömegátadása határozza meg, a külső diffúziógátlásos rendszerek hatékonysági tényezője fordítottan arányos a diffúziós modulussal:

Ahol a diffúziós réteg vastagsága, D - együttható. szubsztrát diffúzió.

Elsőrendű régiókban intradiffúziós gátlású rendszerekhez

ahol Ф T- dimenzió nélküli modulus (Thiele modulus).

A kinetika elemzésekor Az enzimatikus reaktorok mintái széles körben elméletiek. és kísérletezzen. „ideális” reaktormodelleket fejlesztettek ki: áramlásos reaktor (ideális keverésű áramlási reaktor), ideális elmozdulású áramlási reaktor és membránreaktor.

Multienzimes folyamatok kinetikája. A szervezetben (sejtben) az enzimek nem elszigetelten hatnak, hanem a molekulák átalakulási láncait katalizálják. R-ionok multienzimes rendszerekben kinetikával. álláspontja következetesnek tekinthető. folyamatok, specifikus Ennek egyik jellemzője az egyes szakaszok enzimjei:

Ahol , ill. max, feldolgozási sebesség és Michaelis állandó én kerületi szakaszának, ill.

A folyamat fontos jellemzője a stabil álló állapot kialakításának lehetősége. Előfordulásának feltétele az egyenlőtlenség lehet > v 0 , ahol v 0 a határoló fokozat sebessége, amelyet a legkisebb sebességi állandóval jellemez, és ezáltal meghatározza minden következő lépés sebességét. folyamat. Egyensúlyi állapotban a metabolitok koncentrációja a limitáló szakasz után kisebb, mint a megfelelő enzim Michaelis-állandója.

Különleges a multienzimes rendszerek csoportját az oxidáció-redukciót végző rendszerek alkotják. r-ionok fehérje elektronhordozók részvételével. A hordozók formája specifikus szerkezetek, komplexek az elektronátvitel determinisztikus sorozatával. Kinetikus. az ilyen típusú rendszerek leírása a dekompozíciós áramkörök állapotát független változónak tekinti. elektronpopuláció foka.

Alkalmazás. F.r. k kutatási gyakorlat enzimek és enzimrendszerek hatásmechanizmusainak tanulmányozására. Az enzimtudomány gyakorlatilag jelentős területe az mérnöki enzimológia, F. r fogalmaival operál. a biotechnológia optimalizálásához. folyamatokat.

Megvilágított.: Poltorak O. M., Chukhrai E. S., Physico-chemical Foundations of Enzymatic catalysis, M., 1971; Berezin I. V., Martinek K., Alapok fizikai kémia Enzimatikus katalízis, M., 1977; Varfolomeev S. D., Zaitsev S. V., Kinetikai módszerek a biokémiai kutatásban, M.. 1982. S. D. Varfolomeev.

Kémiai enciklopédia. - M.: Szovjet Enciklopédia. Szerk. I. L. Knunyants. 1988 .

Nézze meg, mi az "ENZIMATÍV REAKCIÓKINETICS" más szótárakban:

Katalitikus rádió ciklikus számos elemi mozgásból álló folyamat, amelyek sebességét a tömeghatás törvénye írja le. Ennek a törvénynek egyszerű formája van ideális gázkeverékekre, ideális folyadékokra és ideális felületi rétegekre.... Kémiai enciklopédia

Kinetika kémiai reakciók, a doktrína kémiai folyamatok előfordulásuk törvényszerűségeiről az időben, a sebességben és a mechanizmusokban. A modern kémia és kémia legfontosabb területei... ... a kémiai reakciók kinetikájának vizsgálatához kapcsolódnak. Nagy Szovjet Enciklopédia

KÉMIAI KINETIKA- (a görög kinesis mozgalomból), tanszék elméleti kémia, amelyet a kémia törvényeinek tanulmányozásának szenteltek. reakciók. Többféle vegyszert lehet azonosítani. kölcsönhatások, és mindenekelőtt a homogén (homogén) közegben végbemenő reakciók megkülönböztetése a reakcióktól... ... Nagy orvosi enciklopédia

- (biokatalízis), a biokémiai gyorsítás. fehérje makromolekulák, úgynevezett enzimek részvételével. Az F. k. a katalízis egyik fajtája, bár az erjesztés (fermentáció) kifejezést már az ókorban is ismerték, amikor még nem létezett a kémia fogalma. katalízis. Először…… Kémiai enciklopédia

- (a latin re előtagból, amely ellentétes cselekvést és actio cselekvést jelent), egyesek átalakulása (kezdeti vegyületek) másokká (az étrend termékeivé) az atommagok megváltoztathatatlanságával (ellentétben nukleáris reakciók). Kezdeti vegyületek R. x. néha úgy hívják...... Kémiai enciklopédia

- (a latin fermentum starter szóból) (enzimek), fehérjék, amelyek katalizátorként működnek az élő szervezetekben. Alapvető funkciók F. felgyorsítják a szervezetbe kerülő és az anyagcsere során keletkező anyagok átalakulását (megújulni sejtes struktúrák, annak biztosítására... Kémiai enciklopédia

- (a görög pharmakon medicina és kinetikos szóból mozgásba hoz), kinetikát tanul. lekkel előforduló folyamatok mintázatai. Wed vom a testben. Alapvető farmakokinetikai folyamatok: felszívódás, eloszlás, anyagcsere és kiválasztás (eltávolítás).... Kémiai enciklopédia

Az enzimkinetika különféle tényezők (S és E koncentráció, pH, hőmérséklet, nyomás, inhibitorok és aktivátorok) hatását vizsgálja az enzimreakciók sebességére. Az enzimreakciók kinetikájának vizsgálatának fő célja olyan információk megszerzése, amelyek lehetővé teszik az enzimek hatásmechanizmusának mélyebb megértését.

Kinetikus görbe lehetővé teszi a V 0 kezdeti reakciósebesség meghatározását.

Szubsztráttelítettségi görbe.

A reakciósebesség függése az enzimkoncentrációtól.

A reakciósebesség függése a hőmérséklettől.

A reakciósebesség függése a pH-tól.

A legtöbb enzim működéséhez az optimális pH a 6,0-8,0 fiziológiás tartományban van. A pepszin 1,5-2,0 pH-értéken aktív, ami megfelel a gyomornedv savasságának. Az argináz, egy májspecifikus enzim, 10,0-nél aktív. A pH befolyása az enzimatikus reakció sebességére az enzim- és szubsztrátmolekulák ionogén csoportjainak állapotával és ionizációs fokával függ össze. Ez a tényező határozza meg a fehérje konformációját, az aktív centrum és a szubsztrát állapotát, az enzim-szubsztrát komplex képződését és magát a katalízis folyamatát.

A szubsztrát telítési görbe, Michaelis állandó matematikai leírása .

A szubsztrát telítettségi görbéjét leíró egyenletet Michaelis és Menton javasolta, és az ő nevüket viseli (Michaelis-Menten egyenlet): V = (V MAX *[ S])/(Km+[ S]) , ahol Km a Michaelis állandó. Könnyen kiszámítható, hogy ha V = V MAX /2 Km = [S], azaz. Km az a szubsztrátkoncentráció, amelynél a reakciósebesség ½ V MAX. A V MAX és Km meghatározásának egyszerűsítésére a Michaelis-Menten egyenlet újraszámítható. 1/V = (Km+[S])/(V MAX *[S]), 1/V = Km/(V MAX *[S]) + 1/V MAX ,

1/ V = Km/ V MAX *1/[ S] + 1/ V MAX Lineweaver-Burk egyenlet. A Lineweaver-Burk diagramot leíró egyenlet egy egyenes egyenlete (y = mx + c), ahol 1/V MAX az egyenes metszéspontja az y tengelyen; Km/V MAX - az egyenes érintője; az egyenes metszéspontja az abszcissza tengellyel 1/Km értéket ad. A Lineweaver-Burk diagram lehetővé teszi a Km meghatározását viszonylag kis számú pontból. Ezt a grafikont az inhibitorok hatásának értékelésére is használják, amint azt az alábbiakban tárgyaljuk.

A Km-érték széles skálán mozog: 10 -6 mol/l-től nagyon aktív enzimeknél, 10 -2-ig az alacsony aktivitású enzimeknél.

A km-becsléseknek gyakorlati értéke van. Km-nél 100-szor nagyobb szubsztrátkoncentráció esetén az enzim közel maximális sebességgel működik, így a maximális V MAX sebesség a jelenlévő aktív enzim mennyiségét tükrözi. Ez a körülmény a készítmény enzimtartalmának becslésére szolgál. Ezenkívül a Km egy enzim jellemzője, amelyet az enzimopátiák diagnosztizálására használnak.

Az enzimaktivitás gátlása.

Az enzimek rendkívül jellemző és fontos tulajdonsága, hogy bizonyos inhibitorok hatására inaktiválódnak. Inhibitorok

- ezek olyan anyagok, amelyek az enzimek által katalizált reakciók részleges vagy teljes gátlását okozzák.

Az enzimaktivitás gátlása lehet irreverzibilis vagy reverzibilis, kompetitív vagy nem kompetitív. Irreverzibilis gátlás

- ez az enzim tartós inaktivációja, amely egy inhibitor molekula kovalens kötődéséből adódik az aktív helyen vagy más speciális centrumban, amely megváltoztatja az enzim konformációját. Az ilyen stabil komplexek disszociációja a szabad enzim regenerációjával gyakorlatilag kizárt. Az ilyen gátlás következményeinek leküzdéséhez a szervezetnek új enzimmolekulákat kell szintetizálnia. – nem kovalens kötések következtében az inhibitor egyensúlyi komplexképződése jellemzi az enzimmel, melynek eredményeként az ilyen komplexek képesek disszociálni az enzimaktivitás helyreállításával.

Az inhibitorok kompetitív és nem kompetitív osztályozása azon alapul, hogy gyengült-e ( kompetitív gátlás ) vagy nem legyengült ( nem kompetitív gátlás ) gátló hatásukat a szubsztrátkoncentráció növekedésével.

Kompetitív gátlók - ezek általában olyan vegyületek, amelyek szerkezete hasonló a hordozó szerkezetéhez. Ez lehetővé teszi számukra, hogy ugyanazon az aktív helyen kötődjenek, mint a szubsztrátok, megakadályozva, hogy az enzim már a kötődési szakaszban kölcsönhatásba lépjen a szubsztráttal. A kötődés után az inhibitor termékké alakulhat, vagy az aktív helyen maradhat, amíg disszociáció meg nem történik.

Reverzibilis kompetitív gátlás diagramként ábrázolható:

E↔ E-I → E + P 1

S (inaktív)

Az enzimgátlás mértékét a szubsztrát és az enzimkoncentráció aránya határozza meg.

Az ilyen típusú gátlás klasszikus példája a szukcinát-dehidrogenáz (SDH) aktivitásának malát általi gátlása, amely kiszorítja a szukcinátot a szubsztrát helyéről, és megakadályozza annak átalakulását fumaráttá:

Az inhibitor kovalens kötődése az aktív helyhez az enzim inaktiválódását (irreverzibilis gátlás) eredményezi. Példa irreverzibilis kompetitív gátlás szolgálhat a triózfoszfát izomeráz inaktiválására 3-klóracetol-foszfáttal. Ez az inhibitor a szubsztrát, a dihidroxi-aceton-foszfát szerkezeti analógja, és irreverzibilisen kötődik az aktív helyen lévő glutaminsav-maradékhoz:

Egyes inhibitorok kevésbé szelektíven hatnak, kölcsönhatásba lépnek a különböző enzimek aktív helyén lévő specifikus funkciós csoporttal. Így a jód-acetát vagy amidja a cisztein aminosav SH-csoportjához való kötődése, amely az enzim aktív központjában található, és részt vesz a katalízisben, az enzimaktivitás teljes elvesztéséhez vezet:

R-SH + JCH 2 COOH → HJ + R-S-CH 2 COOH

Ezért ezek az inhibitorok inaktiválják az összes olyan enzimet, amelyekben SH csoportok vesznek részt a katalízisben.

Az ideggázok (szarin, szomán) hatására a hidrolázok irreverzibilis gátlása annak köszönhető, hogy kovalens kötődésük van az aktív központban lévő szerinmaradékhoz.

A kompetitív gátlási módszert széles körben alkalmazták az orvosi gyakorlatban. A szulfonamid gyógyszerek, a p-amino-benzoesav antagonisták, a metabolizált kompetitív inhibitorok példájaként szolgálhatnak. A dihidropterát szintetázhoz kötődnek, egy bakteriális enzimhez, amely a p-aminobenzoátot folsavvá alakítja, amely szükséges a baktériumok növekedéséhez. A baktérium elpusztul annak következtében, hogy a megkötött szulfanilamid más vegyületté alakul, és nem képződik folsav.

Nem kompetitív gátlók általában a szubsztrátkötő helytől eltérő helyen kötődnek az enzimmolekulához, és a szubsztrát közvetlenül nem verseng az inhibitorral. Mivel az inhibitor és a szubsztrát különböző centrumokhoz kötődik, lehetséges mind az E-I komplex, mind az S-E-I komplex kialakulása. Az S-E-I komplex is lebomlik, és termék keletkezik, de lassabb ütemben, mint az E-S, így a reakció lelassul, de nem áll le. Így a következő párhuzamos reakciók léphetnek fel:

E↔ E-I ↔ S-E-I → E-I + P

Reverzibilis, nem kompetitív gátlás viszonylag ritka.

A nem kompetitív gátlókat nevezzük allosztérikus ellentétben a versenytársakkal ( izosztérikus ).

A reverzibilis gátlás kvantitatívan tanulmányozható a Michaelis-Menten egyenlet alapján.

Kompetitív gátlás esetén a V MAX állandó marad, és a Km növekszik.

Nem kompetitív gátlás esetén a V MAX csökken, miközben a Km változatlan marad.

Ha egy reakciótermék gátolja a képződését katalizáló enzimet, ezt a gátlási módszert nevezzük retroinhibíció vagy visszacsatolás gátlása . Például a glükóz gátolja a glükóz-6-foszfatázt, amely katalizálja a glükóz-6-foszfát hidrolízisét.

Ennek a gátlásnak a biológiai jelentősége bizonyos anyagcsereutak szabályozásában rejlik (lásd a következő leckét).

GYAKORLATI RÉSZ

Feladat diákoknak

1. Vizsgálja meg a fehérjék denaturálódását ásványi és szerves savak oldatának hatására és melegítés hatására.

2. Határozza meg a NAD koenzimet az élesztőben.

3. Határozza meg az amiláz aktivitást a vizeletben (vérszérum).

9. A PROBLÉMÁKRA VONATKOZÓ VÁLASZOK SZABVÁNYAI, tesztkérdések az ismeretek ellenőrzésére az órán (mellékletként használható)

10. A TÉMÁVAL KAPCSOLATOS LEHETSÉGES OKTATÁSI ÉS KUTATÁSI MUNKÁK JELLEGE ÉS KÖRE

(Konkrétan jelölje meg az UIRS jellegét és formáját: absztrakt prezentációk készítése, önálló kutatások lebonyolítása, szimulációs játékok, kórtörténet készítése monografikus irodalom és egyéb formák felhasználásával)

Az enzim reakciósebessége

Az enzimatikus reakció sebességét az egységnyi idő alatt átalakult szubsztrát mennyiségével vagy a képződött termék mennyiségével mérjük. A sebességet a görbe érintőjének dőlésszöge határozza meg a reakció kezdeti szakaszában.

Rizs. 2 Az enzimes reakció sebessége.

Minél meredekebb a lejtő, annál nagyobb a sebesség. Idővel a reakciósebesség általában csökken, nagyrészt a szubsztrát koncentrációjának csökkenése következtében.

Az enzimaktivitást befolyásoló tényezők

F. hatása számos tényezőtől függ: hőmérséklettől, környezeti reakciótól (pH), enzimkoncentrációtól, szubsztrátkoncentrációtól, valamint specifikus aktivátorok és nem specifikus vagy specifikus inhibitorok jelenlététől.

Enzimkoncentráció

Magas szubsztrátkoncentrációk és egyéb állandó tényezők mellett az enzimreakció sebessége arányos az enzimkoncentrációval.

Rizs. 3 Az enzimreakció sebességének függése az enzim koncentrációjától.

A katalízis mindig olyan körülmények között megy végbe, ahol az enzimkoncentráció sokkal alacsonyabb, mint a szubsztrát koncentrációja. Ezért az enzim koncentrációjának növekedésével az enzimreakció sebessége is növekszik.

Hőmérséklet

A hőmérséklet hatását az enzimes reakció sebességére a Q 10 hőmérsékleti együtthatóval fejezhetjük ki: Q 10 = (reakciósebesség (x + 10) °C-on) / (reakciósebesség x °C-on)

0-40°C között egy enzimreakció Q10 értéke 2. Más szóval, minden 10°C-os hőmérséklet-emelkedésnél az enzimreakció sebessége megduplázódik.

Rizs. 4 A hőmérséklet hatása egy enzim, például a nyálamiláz aktivitására.

A hőmérséklet emelkedésével a molekulák mozgása felgyorsul, a reagáló anyagok molekulái nagyobb valószínűséggel ütköznek egymással. Következésképpen megnő annak a valószínűsége, hogy reakció lép fel közöttük. Azt a hőmérsékletet, amely a legnagyobb aktivitást biztosítja, optimálisnak nevezzük. Ezen túlmenően az enzimreakció sebessége csökken, az ütközési gyakoriság növekedése ellenére. Ez az enzim másodlagos és harmadlagos szerkezetének megsemmisülése miatt következik be, más szóval annak a ténynek köszönhető, hogy az enzim denaturálódik.

Rizs. 5 Az enzimes reakció lefolyása különböző hőmérsékleteken.

Amikor a hőmérséklet megközelíti vagy fagypont alá süllyed, az enzimek inaktiválódnak, de nem történik denaturáció. A hőmérséklet emelkedésével katalitikus aktivitásuk ismét helyreáll.

Mivel a száraz állapotban lévő fehérjék sokkal lassabban denaturálódnak, mint a hidratált fehérjék (fehérje gél vagy oldat formájában), a foszfor inaktiválása száraz állapotban sokkal lassabban megy végbe, mint nedvesség jelenlétében. Ezért a száraz baktériumspórák vagy a száraz magvak sokkal magasabb hőmérsékletre képesek ellenállni, mint ugyanazok a spórák vagy magvak nedves állapotban.

Szubsztrát koncentráció

Adott enzimkoncentráció esetén az enzimreakció sebessége a szubsztrátkoncentráció növekedésével növekszik.

Rizs. 6 Az enzimreakció sebességének függése a szubsztrát koncentrációjától.

A V max elméleti maximális reakciósebességet soha nem érik el, de eljön az a pont, amikor a szubsztrátkoncentráció további növekedése már nem jár észrevehető változással a reakciósebességben. Ez azzal magyarázható, hogy magas szubsztrátkoncentráció esetén a foszformolekulák aktív centrumai minden pillanatban gyakorlatilag telítettek. Így bármennyi szubsztrátfelesleg áll rendelkezésre, csak azután tud egyesülni az enzimmel, miután a korábban kialakult enzim-szubsztrát komplex disszociál termékké és szabad enzimmé. Ezért nagy szubsztrátkoncentráció esetén az enzimreakció sebességét mind a a szubsztrát koncentrációja és az enzim-szubsztrát komplex disszociációjához szükséges idő.

Állandó hőmérsékleten minden foszfor egy szűk pH-tartományon belül működik a leghatékonyabban. Az optimális pH-érték az, amelynél a reakció maximális sebességgel megy végbe.

Rizs. 7 Az enzimaktivitás függése a pH-tól.

Magasabb és alacsonyabb pH mellett az F. aktivitása csökken. A pH-eltolódás megváltoztatja az ionizált savas és bázikus csoportok töltését, amelytől a foszformolekulák fajlagos alakja függ. Ennek eredményeként a foszformolekulák alakja, elsősorban az aktív centrum alakja változik. Ha a pH-érték túl élesen változik, a F. denaturálódik. Egy adott foszforra jellemző pH-optimum nem mindig esik egybe a közvetlen intracelluláris környezet pH-jával. Ez arra utal, hogy a környezet, amelyben F. található, bizonyos mértékig szabályozza tevékenységét.