Punëtori
Në biokiminë e përgjithshme dhe mjedisore
“Enzimat. Kinetika e enzimave"
MSEU Minsk
UDC 577:574 (076.5)
i Republikës së Bjellorusisë për edukimin mjedisor
Bokut S.B., kokë Departamenti i Biokimisë dhe Biofizikës, Profesor i Asociuar, Ph.D.,
Syakhovich V.E., Art.
Bogdanova N.V., Pedagog në Departamentin e Biokimisë dhe Biofizikës,
Dokuchaeva E.A., Pedagog në Departamentin e Biokimisë dhe Biofizikës,
Drozdov A.S., student pasuniversitar i Departamentit të Biokimisë dhe Biofizikës
Rishikuesit:
Departamenti i Diagnostifikimit Klinik Laboratorik i Institucionit Shtetëror të Arsimit të Lartë "Akademia Mjekësore Bjelloruse e Arsimit Pasuniversitar";
G.I. Novik, Shef i Laboratorit “Koleksioni i Mikroorganizmave”
Institucioni Shtetëror Shkencor "Instituti i Mikrobiologjisë i Akademisë Kombëtare të Shkencave të Bjellorusisë", Kandidat i Shkencave Biologjike
P69 Workshop mbi biokiminë e përgjithshme dhe mjedisore. Pjesa II: “Enzima-ju. Kinetika enzimatike” / Bokut S.B. dhe të tjerët - Mn., 2013 - 74 f.
Punëtoria përmban materiale edukative dhe metodologjike për kryerjen e punës laboratorike në lëndën “Biokimi e Përgjithshme dhe Mjedisore” me studentë të vitit të dytë. Për çdo punë laboratorike, jepet teoria bazë për një temë specifike, pyetje testimi për përgatitjen për mësimin, një listë e literaturës së rekomanduar, një listë detyrash për mësimin, një përshkrim i instrumenteve, materialeve dhe reagentëve të përdorur në punën laboratorike. . Të përfshira janë materialet që përshkruajnë klasifikimin e enzimave, parimet e metodave për përcaktimin e aktivitetit të tyre, si dhe bazat e kinetikës së reaksioneve enzimatike.
Korrespondon me kurrikulën e lëndës "Biokimi e Përgjithshme dhe Mjedisore" për studentët e Universitetit Ekonomik Shtetëror të Moskës me emrin A.D. Saharov.
O S.B. Bokut, V.E. Syakhovich, N.V. Bogdanova, E.A. Dokuchaeva, A.S. Drozdov 2012
Ó Universiteti Shtetëror Ndërkombëtar Ekologjik me emrin. FERRI. Sakharova, 2012
Puna laboratorike nr.4
Pajisjet dhe materialet:
Spektrofotometri Solar PV 1251B
· Termostat
· Stufa elektrike
· Pipeta qelqi për 1 ml dhe 5 ml
Mikropipeta automatike
· Cilindra matëse për 250 ml dhe 100 ml
· gotë 300 ml
· Episod qelqi
· Raftet e epruvetës
· Shufra qelqi
· Rrëshqitëse xhami
Reagentët:
· Niseshte, tretësirë 1%.
· Hidroksid natriumi (NaOH), tretësirë 10%.
Sulfat bakri (CuSO 4), tretësirë 1%.
Tretësira e Lugolit (jod, tretësirë 1% në KJ, 2.5%)
Acidi klorhidrik (HCl), tretësirë 10%.
· Ujë i distiluar
Pjesa teorike
Enzimat
Sistemet e gjalla përbëhen nga një grup mjaft i kufizuar elementësh kimikë, të cilët (C, H, O, N, P, S) përbëjnë më shumë se 99% të masës totale të qelizave. Meqenëse përbërja kimike e qelizave ndryshon ndjeshëm nga përbërja kimike e kores së tokës, kjo do të thotë se sistemet biologjike janë të afta të kryejnë reaksione kimike të një lloji të veçantë.
Përveç ujit, pothuajse të gjitha molekulat në një qelizë janë komponime karboni. Ndër elementët kimikë të Tokës, karboni zë një vend të veçantë në aftësinë e tij për të formuar shumë molekula të vogla dhe të mëdha ( makromolekulat). Për shkak të madhësisë së tyre të vogël atomike dhe pranisë së katër elektroneve në shtresën e tyre të jashtme, atomet e karbonit mund të formojnë lidhje të forta kovalente me atome të tjera, si dhe me njëri-tjetrin, duke rezultuar në formimin e unazave ose zinxhirëve të gjatë dhe, si rezultat, të mëdha. dhe molekulat komplekse.
Një nga përkufizimet më të zakonshme të sistemeve biologjike është ai organizmat e gjallë janë sisteme kimike autonome vetë-riprodhuese të ndërtuara nga një grup specifik dhe në të njëjtën kohë mjaft i kufizuar molekulash dhe makromolekulash të vogla që përmbajnë karbon..
Pra, baza e veprimtarisë jetësore të çdo organizmi formohet nga proceset kimike të një lloji të veçantë. Pothuajse të gjitha reagimet në një qelizë të gjallë ndodhin me pjesëmarrjen e biokatalizatorëve natyrorë shumë efektivë të quajtur enzimat, ose enzimat. Duke marrë parasysh rrugët metabolike qelizore, mund të duket se qeliza ka aftësinë të kryejë çdo reagim që i nevojitet, duke përdorur enzimën e duhur për këtë qëllim. Në realitet nuk është kështu. Megjithëse enzimat janë katalizatorë të fuqishëm, ato mund të përshpejtojnë vetëm reaksionet që "lejohen" termodinamikisht. Midis shumë reaksioneve të mundshme energjikisht, enzimat konvertojnë në mënyrë selektive "reagentët" përkatës të quajtur substrate, përgjatë një rruge të dobishme fiziologjikisht. Kështu, enzimat kontrollojnë të gjitha proceset metabolike të trupit.
Deri kohët e fundit, besohej se absolutisht të gjithë biokatalizatorët janë substanca të natyrës proteinike. Sidoqoftë, në vitet 80 të shekullit të njëzetë, u zbuluan ARN specifike me molekulare të ulët me aktivitet katalitik. Për analogji, këto ARN katalitike quhen ribozimet. Biokatalizatorët e mbetur të qelizave të njohura aktualisht, numri i të cilëve kalon 2500, janë të natyrës proteinike dhe karakterizohen nga të gjitha vetitë e proteinave. Deri më sot, janë deshifruar sekuencat e aminoacideve të qindra enzimave të ndryshme në formë kristalore, sipas analizës së difraksionit me rreze X, është krijuar një strukturë hapësinore tredimensionale, janë përshkruar mekanizmat e veprimit të tyre; , dhe roli i tyre në transformimet metabolike qelizore është studiuar.
Ashtu si katalizatorët inorganik, enzimat: nuk konsumohen gjatë reaksionit, rrisin shpejtësinë e reaksioneve të përparme dhe të kundërta dhe nuk ndryshojnë pozicionin e ekuilibrit. Megjithatë, natyra proteinike e enzimave u jep atyre një sërë vetish që janë përgjithësisht jo karakteristike për katalizatorët inorganik.
Dallimi midis enzimave dhe katalizatorëve inorganik
1. Enzimat kanë aktivitet më të lartë katalitik (miliona herë më i madh se efekti i katalizatorëve inorganik). Për shembull, hidroliza e proteinave në prani të acideve inorganike dhe alkaleve ndodh në 100°C për disa dhjetëra orë. Me pjesëmarrjen e enzimave, ky proces reduktohet në dhjetëra minuta në 30–40°C;
2. Aktiviteti katalitik i enzimave manifestohet në kushte shumë të buta (temperatura mesatare 37–40°C, presion normal, afër vlerave të pH neutrale 6,0–8,0);
3. Enzimat kanë specifikë të lartë veprimi, d.m.th. çdo enzimë katalizon në thelb vetëm një reaksion kimik të përcaktuar rreptësisht (për krahasim, platini në sintezën organike katalizon disa dhjetëra transformime kimike);
4. Shpejtësia e reaksioneve enzimatike i nënshtrohet disa ligjeve kinetike;
5. Një numër enzimash i nënshtrohen modifikimit pas përkthimit gjatë formimit të strukturave terciare dhe kuaternare;
6. Madhësia e molekulave të enzimës është zakonisht shumë më e madhe se madhësia e substrateve të tyre;
7. Aktiviteti i enzimave në qeliza kontrollohet dhe rregullohet rreptësisht.
Krahasimi i katalizatorëve enzimë inorganik Shenjat e krahasimit Katalizatorët inorganik Enzimat 1. Natyra kimike 2. Selektiviteti 3. PH optimale 4. Intervalet e temperaturës 5. Ndryshimi i strukturës së katit gjatë reaksionit 6. Rritja e shpejtësisë së reaksionit.
Krahasimi i katalizatorëve enzimë inorganik Shenjat e krahasimit Katalizatorët inorganik Enzimat 1. Natyra kimike Substancat me peshë të ulët molekulare të formuara nga 1 ose disa elementë. Proteinat janë polimere me molekulare të lartë 2. Selektiviteti i ulët, universal kat – Pt përshpejton shumëzimin. reagimet. Lartë. Çdo rajon ka nevojë për enzimën e vet. 3. PH optimale Shumë acid ose alkalik Një interval i vogël, për secilën. organi - i juaji. 4. Intervalet e temperaturës Shumë të gjera 35 – 42 gradë, më pas të denatyruara. 5. Ndryshimi i strukturës së kat gjatë reaksionit Ndryshon pak ose nuk ndryshon fare. Ato ndryshojnë shumë dhe rikthehen në strukturën e tyre origjinale në fund të reagimit. 6. Rritja e shpejtësisë së reagimit. 100 herë Nga 10 në fuqinë e 8-të në 10 në fuqinë e 12-të.
Të përgjithshme: të aftë për t'u tretur në ujë dhe për të formuar tretësira koloidale; rritja e shpejtësisë së reagimit; nuk konsumohen në reagim; amfoterike; prania e tyre nuk ndikon në vetitë e produkteve të reaksionit; shfaqja e reaksioneve të ngjyrave është karakteristike; ndryshoni energjinë e aktivizimit në të cilën mund të ndodhë një reaksion; mos ndryshoni ndjeshëm temperaturën në të cilën ndodh reagimi; të aftë për denatyrim dhe hidrolizë.
Specifike: Kombinimi i aktivitetit më të lartë me respektimin e një sërë kushtesh strikte; Specifikimi i veprimit sipas parimit “kyçe-kyç” ose “doradhëz”; Stabiliteti; Kthyeshmëria e veprimit: E + S ES E + P, ku E është një enzimë; S – substrat, P – produkt reaksioni, ES – kompleks enzimë-substrat.
Roli i enzimave në jetën e organizmave: Çrregullime të lindura metabolike; Ndërkonvertime të substancave; Revolucioni biokimik; Shndërrimi i energjisë; Biosinteza; Farmakologji; Ultrastruktura e membranave; Aparatet gjenetike; Të ushqyerit; Metabolizmi qelizor; Kataliza; Rregullimi fiziologjik; Fermentimi bakterial.
Katalizatorët dhe enzimat inorganike (biokatalizatorët), pa u konsumuar vetë, përshpejtojnë rrjedhën e reaksioneve kimike dhe aftësitë e tyre energjetike. Në prani të ndonjë katalizatori, energjia në një sistem kimik mbetet konstante. Gjatë procesit të katalizimit, drejtimi i reaksionit kimik mbetet i pandryshuar.
Çfarë janë enzimat dhe katalizatorët inorganik
Enzimat janë katalizatorë biologjikë. Baza e tyre është proteina. Pjesa aktive e enzimave përmban substanca inorganike, për shembull, atome metalike. Në të njëjtën kohë, efikasiteti katalitik i metaleve të përfshira në molekulën e enzimës rritet miliona herë. Vlen të përmendet se fragmentet organike dhe inorganike të enzimës nuk janë në gjendje të shfaqin individualisht vetitë e një katalizatori, ndërsa së bashku ato janë katalizatorë të fuqishëm.
Inorganike katalizatorë përshpejton të gjitha llojet e reaksioneve kimike.
Krahasimi i enzimave dhe katalizatorëve inorganik
Cili është ndryshimi midis enzimave dhe katalizatorëve inorganik? Katalizatorët inorganik janë të natyrës inorganike, ndërsa enzimat janë proteina. Katalizatorët inorganik nuk përmbajnë proteina.
Enzimat, krahasuar me katalizatorët inorganik, kanë specifikën e substratit dhe efikasitetin më të lartë. Falë enzimave, reagimi vazhdon miliona herë më shpejt.
Për shembull, peroksidi i hidrogjenit dekompozohet mjaft ngadalë pa praninë e katalizatorëve. Në prani të një katalizatori inorganik (zakonisht kripëra hekuri), reaksioni përshpejtohet disi. Dhe kur shtohet enzima katalazë, peroksidi dekompozohet me një shpejtësi të paimagjinueshme.
Enzimat janë në gjendje të veprojnë në një gamë të kufizuar temperaturash (zakonisht 370 C). Shpejtësia e veprimit të katalizatorëve inorganik rritet me 2-4 herë me çdo rritje të temperaturës me 10 gradë. Enzimat i nënshtrohen rregullimit (ka frenues dhe aktivizues enzimë). Katalizatorët inorganik karakterizohen nga funksionimi i parregulluar.
Enzimat karakterizohen nga qëndrueshmëria konformuese (struktura e tyre pëson ndryshime të vogla që ndodhin në procesin e prishjes së lidhjeve të vjetra dhe formimit të lidhjeve të reja, forca e të cilave është më e dobët). Reaksionet që përfshijnë enzimat ndodhin vetëm në kushte fiziologjike. Enzimat janë në gjendje të punojnë brenda trupit, indeve dhe qelizave të tij, ku krijohen temperatura, presioni dhe pH e nevojshme.
TheDifference.ru përcaktoi se ndryshimi midis enzimave dhe katalizatorëve inorganik është si më poshtë:
Enzimat janë trupa proteinash me molekulare të lartë, ato janë mjaft specifike. Enzimat mund të katalizojnë vetëm një lloj reaksioni. Ata janë katalizatorë për reaksionet biokimike. Katalizatorët inorganik përshpejtojnë reaksione të ndryshme.
Enzimat mund të veprojnë në një interval specifik të ngushtë të temperaturës, një presion të caktuar dhe aciditet të mjedisit.
Reaksionet enzimatike janë të shpejta.
Enzimat dhe rëndësia e tyre në proceset jetësore
Nga kursi juaj i kimisë ju e dini se çfarë është një katalizator. Kjo është një substancë që përshpejton një reaksion, duke mbetur e pandryshuar në fund të reaksionit (duke mos konsumuar). Katalizatorët biologjikë quhen enzimat(nga lat. fermentum– fermentimi, brumi i thartë), ose enzimat.
Pothuajse të gjitha enzimat janë proteina (por jo të gjitha proteinat janë enzima!). Vitet e fundit është bërë e ditur se disa molekula të ARN-së kanë edhe veti enzimash.
Enzima kristalore shumë e pastruar u izolua për herë të parë në vitin 1926 nga biokimisti amerikan J. Sumner. Kjo enzimë ishte ureazë, i cili katalizon zbërthimin e uresë. Deri më sot njihen më shumë se 2 mijë enzima dhe numri i tyre vazhdon të rritet. Shumë prej tyre janë të izoluara nga qelizat e gjalla dhe merren në formën e tyre të pastër.
Mijëra reagime po ndodhin vazhdimisht në qelizë. Nëse përzieni substanca organike dhe inorganike në një provëz në të njëjtat përmasa si në një qelizë të gjallë, por pa enzima, atëherë pothuajse asnjë reagim nuk do të ndodhë me një shpejtësi të dukshme. Është falë enzimave që informacioni gjenetik realizohet dhe kryhet i gjithë metabolizmi.
Emri i shumicës së enzimave karakterizohet nga prapashtesa -ase, e cila më së shpeshti i shtohet emrit të substratit - substancës me të cilën ndërvepron enzima.
Struktura e enzimave
Krahasuar me peshën molekulare të substratit, enzimat kanë një masë shumë më të madhe. Kjo mospërputhje sugjeron që jo e gjithë molekula e enzimës është e përfshirë në katalizë. Për të kuptuar këtë çështje, duhet të njiheni me strukturën e enzimave.
Nga struktura, enzimat mund të jenë proteina të thjeshta ose komplekse. Në rastin e dytë, enzima përmban, përveç pjesës proteinike ( apoenzimë) ekziston një grup shtesë i natyrës jo proteinike - një aktivizues ( kofaktor, ose koenzimë), duke rezultuar në formimin e aktiveve holoenzima. Aktivizuesit e enzimës janë:
1) jonet inorganike (për shembull, për të aktivizuar enzimën e amilazës që gjendet në pështymë, nevojiten jonet e klorurit (Cl–));
2) grupe protetike (FAD, biotinë), të lidhura fort me substratin;
3) koenzimat (NAD, NADP, koenzima A), të lidhura lirshëm me substratin.
Pjesës proteinike dhe përbërësit joproteinik individualisht i mungon aktiviteti enzimatik, por kur kombinohen së bashku fitojnë vetitë karakteristike të një enzime.
Pjesa proteinike e enzimave përmban qendra aktive që janë unike në strukturën e tyre, të cilat janë një kombinim i mbetjeve të caktuara të aminoacideve të orientuara rreptësisht në raport me njëra-tjetrën (struktura e qendrave aktive të një numri enzimash tani është deshifruar). Qendra aktive ndërvepron me molekulën e substratit për të formuar një "kompleks enzimë-substrat". Kompleksi enzimë-substrat më pas zbërthehet në enzimë dhe produkt ose produkte të reaksionit.
Sipas hipotezës së paraqitur në 1890 nga E. Fisher, substrati i afrohet enzimës si çelësi i bllokimit, d.m.th. konfigurimet hapësinore të vendit aktiv të enzimës dhe substratit korrespondojnë saktësisht ( plotësuese) me njëri-tjetrin. Substrati krahasohet me një "çelës" që i përshtatet "bllokimit" - enzimës. Kështu, qendra aktive e lizozimës (enzima e pështymës) ka formën e një çarje dhe forma e saj korrespondon saktësisht me një fragment të një molekule karbohidrate komplekse të një bacil bakterial, i cili zbërthehet nën veprimin e kësaj enzime.
Në vitin 1959, D. Koshland parashtroi një hipotezë sipas së cilës korrespondenca hapësinore midis strukturës së substratit dhe qendrës aktive të enzimës krijohet vetëm në momentin e ndërveprimit të tyre me njëri-tjetrin. Kjo hipotezë u quajt hipoteza "duart dhe dorezat".(hipoteza e ndërveprimit të induktuar). Ky proces i "njohjes dinamike" është hipoteza më e pranuar sot.
Dallimet midis enzimave dhe katalizatorëve jobiologjikë
Enzimat ndryshojnë nga katalizatorët jobiologjikë në shumë mënyra.
1. Enzimat janë shumë më efikase (10 4 – 10 9 herë). Kështu, një molekulë e vetme e enzimës katalazë mund të zbërthejë 10 mijë molekula të peroksidit të hidrogjenit, i cili është toksik për qelizat, në një sekondë:
2H 2 O 2 ––> 2H 2 O + O 2,
që ndodh gjatë oksidimit të përbërjeve të ndryshme në organizëm. Ose një shembull tjetër që konfirmon efikasitetin e lartë të enzimave: në temperaturën e dhomës, një molekulë ureazë është në gjendje të zbërthejë deri në 30 mijë molekula ure në një sekondë:
H 2 N–CO–NH 2 + H 2 O ––> CO 2 + 2NH 3.
Pa një katalizator, kjo do të kishte marrë rreth 3 milion vjet.
2. Specifikimi i lartë i veprimit të enzimës. Shumica e enzimave veprojnë vetëm në një ose një numër shumë të vogël të komponimeve të tyre natyrore (substrate). Specifikimi i enzimave pasqyrohet nga formula "një enzimë - një substrat". Për shkak të kësaj, në organizmat e gjallë shumë reaksione katalizohen në mënyrë të pavarur.
3. Enzimat i nënshtrohen rregullimit të imët dhe të saktë. Aktiviteti i një enzime mund të rritet ose ulet me ndryshime të lehta në kushtet në të cilat ajo "funksionon".
4. Katalizatorët jobiologjikë në shumicën e rasteve funksionojnë mirë vetëm në temperatura të larta. Enzimat, duke qenë të pranishme në qeliza në sasi të vogla, punojnë në temperaturë dhe presion normal (megjithëse sfera e veprimit të enzimave është e kufizuar, pasi temperatura e lartë shkakton denatyrim). Meqenëse shumica e enzimave janë proteina, aktiviteti i tyre është më i lartë në kushte fiziologjikisht normale: t = 35–45 °C; mjedis pak alkalik (edhe pse çdo enzimë ka vlerën e vet optimale të pH).
5. Enzimat formojnë komplekse - të ashtuquajturat transportues biologjikë. Procesi i zbërthimit ose sintezës së çdo substance në një qelizë zakonisht ndahet në një numër operacionesh kimike. Çdo operacion kryhet nga një enzimë e veçantë. Një grup enzimash të tilla përbën një lloj rripi transportues biokimik.
6. Enzimat janë të afta të rregullohen, d.m.th. "ndiz" dhe "fik" (megjithatë, kjo nuk vlen për të gjitha enzimat; për shembull, amilaza e pështymës dhe një sërë enzimash të tjera tretëse nuk janë të rregulluara). Në shumicën e molekulave apoenzimë ka seksione që njohin gjithashtu produktin përfundimtar që "zbret" nga transportuesi multienzimë. Nëse një produkt i tillë ka shumë, atëherë aktiviteti i vetë enzimës fillestare pengohet prej tij dhe anasjelltas, nëse nuk ka produkt të mjaftueshëm, atëherë enzima aktivizohet. Kështu rregullohen shumë procese biokimike.
Kështu, enzimat kanë një sërë përparësish ndaj katalizatorëve jobiologjikë.
