التأثيرات الجزيئية لعمل الإنزيم. الانزيمات. ميزات الحفز الأنزيمي. هيكل وبنية الإنزيمات التفاعل الأنزيمي حسب نوع “التفاعلات المتسلسلة”

أي تفاعل تحفيزي ينطوي على تغير في معدلات التفاعلات الأمامية والخلفية بسبب انخفاض طاقته. إذا استمر التفاعل الكيميائي بإطلاق الطاقة، فيجب أن يبدأ تلقائيًا. ومع ذلك، فإن هذا لا يحدث لأنه يجب نقل مكونات التفاعل إلى الحالة (الانتقالية) المفعلة. تسمى الطاقة اللازمة لتحويل الجزيئات المتفاعلة إلى حالة نشطة طاقة التفعيل.

الدولة الانتقاليةتتميز بالتكوين المستمر وكسر الروابط الكيميائية، ويوجد توازن ديناميكي حراري بين الحالات الانتقالية والأرضية. يعتمد معدل التفاعل الأمامي على درجة الحرارة والفرق في قيم الطاقة الحرة للركيزة في الحالات الانتقالية والأرضية. ويسمى هذا الاختلاف طاقة التفاعل الحرة.

يمكن تحقيق الحالة الانتقالية للركيزة بطريقتين:

• بسبب نقل الطاقة الزائدة إلى الجزيئات المتفاعلة (على سبيل المثال، بسبب ارتفاع درجة الحرارة)،
• عن طريق تقليل طاقة التنشيط للتفاعل الكيميائي المقابل.

الحالات الأرضية والانتقالية للمواد المتفاعلة.

Eo، Ek - طاقة تنشيط التفاعل بدون وجود محفز؛ المدير العام-

الفرق في الطاقة الحرة للتفاعل.

تتبنى ركائز الإنزيمات "المساعدة" حالة انتقالية بسبب طاقة الارتباط أثناء التكوين مجمع الانزيم الركيزة. يرجع الانخفاض في طاقة التنشيط أثناء التحفيز الأنزيمي إلى زيادة عدد مراحل العملية الكيميائية. يؤدي تحريض عدد من التفاعلات الوسيطة إلى حقيقة أن حاجز التنشيط الأولي ينقسم إلى عدة حواجز أقل، والتي يمكن للجزيئات المتفاعلة التغلب عليها بشكل أسرع بكثير من الجزيئات الرئيسية.

يمكن تمثيل آلية التفاعل الأنزيمي على النحو التالي:

1. اتصال الإنزيم (E) والركيزة (S) بتكوين مركب إنزيم-ركيزة غير مستقر (ES): E + S → ES؛
2. تشكيل حالة انتقالية منشطة: ES → (ES)*؛
3. إطلاق منتجات التفاعل (P) وتجديد الإنزيم (E): (ES)* → P + E.

لشرح الكفاءة العالية لعمل الإنزيم، تم اقتراح عدة نظريات حول آلية التحفيز الأنزيمي. الأقدم هو نظرية إي. فيشر (نظرية "القالب" أو "المصفوفة الصلبة"."). وفقًا لهذه النظرية، فإن الإنزيم عبارة عن بنية صلبة، مركزها النشط عبارة عن "قالب" من الركيزة. إذا اقتربت الركيزة من الموقع النشط للإنزيم مثل "مفتاح القفل"، فسوف يحدث تفاعل كيميائي. تشرح هذه النظرية جيدًا نوعين من خصوصية الركيزة للإنزيمات - الخصوصية المطلقة والخصوصية المجسمة، ولكن يتبين أنه لا يمكن الدفاع عنها في شرح خصوصية المجموعة (النسبية) للإنزيمات.

نظرية "الرف".بناء على أفكار G. K. Euler، الذي درس عمل الإنزيمات المائية. ووفقا لهذه النظرية، يرتبط الإنزيم بجزيء الركيزة عند نقطتين، وتمتد الرابطة الكيميائية، ويعاد توزيع كثافة الإلكترون، وتنكسر الرابطة الكيميائية، مصحوبة بإضافة الماء. قبل الانضمام إلى الإنزيم، يكون للركيزة تكوين "مريح". بعد الارتباط بالمركز النشط، يتعرض جزيء الركيزة للتمدد والتشوه (يقع في المركز النشط كما لو كان على حامل). كلما كانت الروابط الكيميائية أطول في الركيزة، كان من الأسهل كسرها وانخفاض طاقة تنشيط التفاعل الكيميائي.

في الآونة الأخيرة أصبحت واسعة الانتشار نظرية "المراسلات المستحثة" بقلم د. كوشلاند،مما يسمح بقدرة توافقية عالية لجزيء الإنزيم ومرونة وتنقل المركز النشط. تُحدث الركيزة تغييرات تكوينية في جزيء الإنزيم بطريقة تجعل المركز النشط يتخذ الاتجاه المكاني اللازم لربط الركيزة، أي أن الركيزة تقترب من المركز النشط مثل "اليد إلى القفاز".

وفقا لنظرية المراسلات المستحثة فإن آلية التفاعل بين الإنزيم والركيزة هي كما يلي:

1. يقوم الإنزيم، بناءً على مبدأ التكامل، بالتعرف على جزيء الركيزة و"التقاطه". في هذه العملية، يتم مساعدة جزيء البروتين من خلال الحركة الحرارية لذراته؛
2. يتم نقل بقايا الأحماض الأمينية للمركز النشط وتعديلها فيما يتعلق بالركيزة؛
3. تتم إضافة المجموعات الكيميائية تساهميًا إلى الموقع النشط - الحفز التساهمي.

يمكن وصف تسلسل الأحداث في الحفز الأنزيمي من خلال الرسم البياني التالي. أولاً، يتم تشكيل مركب إنزيمي ركيزة. في هذه الحالة، يحدث تغيير في مطابقة جزيء الإنزيم وجزيء الركيزة، ويتم تثبيت الأخير في المركز النشط في تكوين متوتر. هذه هي الطريقة التي يتشكل بها المركب المنشط أو الدولة الانتقالية، عبارة عن بنية وسيطة عالية الطاقة وأقل استقرارًا من حيث الطاقة من المركبات والمنتجات الأصلية. تتم المساهمة الأكثر أهمية في التأثير التحفيزي الشامل من خلال عملية تثبيت الحالة الانتقالية - التفاعل بين بقايا الأحماض الأمينية للبروتين والركيزة، التي تكون في تكوين متوتر. الفرق بين قيم الطاقة الحرة للمواد المتفاعلة الأولية والحالة الانتقالية يتوافق مع طاقة التنشيط الحرة (ΔG #). ويعتمد معدل التفاعل على القيمة (ΔG#): فكلما كانت أصغر كلما زاد معدل التفاعل، والعكس صحيح. في الأساس، يمثل DG "حاجز الطاقة" الذي يجب التغلب عليه حتى يحدث التفاعل. يؤدي تثبيت الحالة الانتقالية إلى تقليل هذا "الحاجز" أو طاقة التنشيط. في المرحلة التالية، يحدث التفاعل الكيميائي نفسه، وبعد ذلك يتم إطلاق المنتجات الناتجة من مجمع منتجات الإنزيم.

هناك عدة أسباب للنشاط التحفيزي العالي للإنزيمات، مما يقلل من حاجز الطاقة أمام التفاعل.

1. يمكن للإنزيم ربط جزيئات الركائز المتفاعلة بطريقة تجعل مجموعاتها التفاعلية قريبة من بعضها البعض ومن المجموعات الحفزية للإنزيم (التأثير تقارب).

2. مع تكوين مركب إنزيم الركيزة، يتم تحقيق تثبيت الركيزة واتجاهها الأمثل لكسر وتكوين الروابط الكيميائية (التأثير توجيه).

3. يؤدي ربط الركيزة إلى إزالة غلافها المائي (الموجود على المواد الذائبة في الماء).

4. تأثير المراسلات المستحثة بين الركيزة والإنزيم.

5. استقرار الحالة الانتقالية.

6. يمكن أن توفر مجموعات معينة في جزيء الإنزيم الحفز الحمضي القاعدي(نقل البروتونات في الركيزة) و الحفز النووي(تكوين روابط تساهمية مع الركيزة، مما يؤدي إلى تكوين هياكل أكثر تفاعلاً من الركيزة).

أحد الأمثلة على التحفيز الحمضي القاعدي هو التحلل المائي للروابط الجليكوسيدية في جزيء المورين بواسطة الليزوزيم. الليزوزيمهو إنزيم موجود في خلايا الحيوانات والنباتات المختلفة: في السائل المسيل للدموع واللعاب وبروتين الدجاج والحليب. يبلغ الوزن الجزيئي للليزوزيم الموجود في بيض الدجاج 14600 دا، ويتكون من سلسلة بولي ببتيد واحدة (129 بقايا حمض أميني) ويحتوي على 4 جسور ثاني كبريتيد، مما يضمن ثباتًا عاليًا للإنزيم. وأظهر التحليل الهيكلي بالأشعة السينية لجزيء الليزوزيم أنه يتكون من مجالين يشكلان "فجوة" يقع فيها المركز النشط. على طول هذه "الفجوة" يرتبط سداسي السكاريد، ويكون للإنزيم موقعه الخاص لربط كل حلقة من حلقات السكر الستة للمورين (A، B، C، D، E، F) (الشكل 6.4).

يتم الاحتفاظ بجزيء المورين في الموقع النشط للليزوزيم بشكل رئيسي بسبب الروابط الهيدروجينية والتفاعلات الكارهة للماء. على مقربة من موقع التحلل المائي للرابطة الجليكوسيدية، يوجد بقايا من الأحماض الأمينية للمركز النشط: حمض الجلوتاميك، الذي يحتل المركز 35 في البولي ببتيد، وحمض الأسبارتيك، المركز 52 في البولي ببتيد (الشكل 6.5). .

توجد السلاسل الجانبية لهذه البقايا على الأسطح المقابلة لـ "الشق" على مقربة من الرابطة الجليكوسيدية المهاجمة - على مسافة 0.3 نانومتر تقريبًا. توجد بقايا الغلوتامات في بيئة غير قطبية ولا تتأين، وبقايا الأسبارتات في بيئة قطبية؛ يتم نزع البروتونات من مجموعة الكربوكسيل الخاصة بها وتشارك كمستقبل للهيدروجين في شبكة معقدة من الروابط الهيدروجينية.

تتم عملية التحلل المائي على النحو التالي. تقوم مجموعة الكربوكسيل البروتونية من بقايا Glu-35 بتزويد بروتونها إلى ذرة الأكسجين الجليكوسيدية، مما يؤدي إلى تمزق الرابطة بين ذرة الأكسجين هذه وذرة C1 من حلقة السكر الموجودة في الموقع D (مرحلة التحفيز الحمضي العام ). ونتيجة لذلك، يتم تشكيل منتج يتضمن حلقات السكر الموجودة في المنطقتين E وF، والتي يمكن إطلاقها من المجمع مع الإنزيم. تشوه شكل حلقة السكر الموجودة في المنطقة D، مع التشكل نصف الكراسي، حيث خمس من الذرات الست التي تشكل حلقة السكر تقع عمليا في نفس المستوى. يتوافق هذا الهيكل مع تشكيل الحالة الانتقالية. في هذه الحالة، يتبين أن ذرة C1 مشحونة بشكل إيجابي ويسمى المنتج الوسيط أيون الكربونيوم (الكاتيون الكربوني). تتناقص الطاقة الحرة للحالة الانتقالية بسبب تثبيت أيون الكربونيوم بواسطة مجموعة الكربوكسيل المنفصلة من بقايا Asp-52 (الشكل 6.5).

في المرحلة التالية، يدخل جزيء الماء في التفاعل ويحل محل بقايا السكاريد المنتشرة من منطقة المركز النشط. يذهب بروتون جزيء الماء إلى Glu-35، وأيون الهيدروكسيل (OH -) إلى ذرة C1 من أيون الكربونيوم (مرحلة التحفيز الأساسي العام). ونتيجة لذلك، يصبح الجزء الثاني من السكاريد المشقوق منتج تفاعل (تشكل الكرسي) ويترك منطقة المركز النشطة، ويعود الإنزيم إلى حالته الأصلية ويكون جاهزًا لتنفيذ تفاعل انقسام ثنائي السكاريد التالي (الشكل 6.5). .

خصائص الانزيمات

عند وصف خصائص الإنزيمات، نستخدم أولاً مفهوم "النشاط". يُفهم نشاط الإنزيم على أنه كمية الإنزيم التي تحفز تحويل كمية معينة من الركيزة لكل وحدة زمنية. للتعبير عن نشاط مستحضرات الإنزيم يتم استخدام وحدتين بديلتين: الدولية (E) و"الكاتال" (كات). تعتبر الوحدة الدولية لنشاط الإنزيم هي كمية الإنزيم الذي يحفز تحويل 1 ميكرومول من الركيزة إلى منتج خلال دقيقة واحدة في ظل الظروف القياسية (المثالية عادةً). يشير الكاتال الواحد إلى كمية الإنزيم الذي يحفز تحويل 1 مول من الركيزة خلال ثانية واحدة. 1 قطة=6*10 7 ه.

غالبًا ما تتميز مستحضرات الإنزيم بنشاط محدد يعكس درجة تنقية الإنزيم. النشاط النوعي هو عدد وحدات نشاط الإنزيم لكل 1 ملغ من البروتين.

يعتمد نشاط الإنزيمات إلى حد كبير على الظروف الخارجية، ومن بينها درجة الحرارة ودرجة الحموضة في البيئة ذات أهمية قصوى. تؤدي الزيادة في درجة الحرارة في نطاق 0-50 درجة مئوية عادة إلى زيادة سلسة في النشاط الأنزيمي، والذي يرتبط بتسارع تكوين مركب الركيزة الإنزيمي وجميع الأحداث التحفيزية اللاحقة. ومع ذلك، فإن الزيادة الإضافية في درجة الحرارة عادة ما تكون مصحوبة بزيادة في كمية الإنزيم المعطل بسبب تمسخ الجزء البروتيني الخاص به، والذي يتم التعبير عنه بانخفاض النشاط. ويتميز كل انزيم درجة الحرارة المثلى- قيمة درجة الحرارة التي يتم عندها تسجيل أعظم نشاط لها. في كثير من الأحيان، بالنسبة للإنزيمات ذات الأصل النباتي، تتراوح درجة الحرارة المثلى بين 50-60 درجة مئوية، وللأنزيمات الحيوانية - بين 40 و50 درجة مئوية. تتميز إنزيمات البكتيريا المحبة للحرارة بدرجة حرارة عالية جدًا مثلى.

إن اعتماد نشاط الإنزيم على قيم الرقم الهيدروجيني للبيئة أمر معقد أيضًا. ويتميز كل انزيم الرقم الهيدروجيني الأمثلالبيئة التي تظهر فيها أقصى قدر من النشاط. وكلما ابتعدت عن هذا المستوى الأمثل في اتجاه أو آخر، يتناقص النشاط الأنزيمي. يتم تفسير ذلك من خلال التغيير في حالة المركز النشط للإنزيم (انخفاض أو زيادة في تأين المجموعات الوظيفية)، وكذلك البنية الثلاثية لجزيء البروتين بأكمله، والذي يعتمد على نسبة الكاتيوني والأنيوني المراكز فيه. تحتوي معظم الإنزيمات على درجة حموضة مثالية في النطاق المحايد. ومع ذلك، هناك إنزيمات تظهر أقصى نشاط عند درجة الحموضة 1.5 (الببسين) أو 9.5 (أرجيناز).

يخضع نشاط الإنزيم لتقلبات كبيرة حسب التعرض مثبطات(المواد التي تقلل النشاط) و المنشطات(المواد التي تزيد النشاط). يمكن أن تلعب دور المثبطات والمنشطات الكاتيونات المعدنية، وبعض الأنيونات، وحاملات مجموعات الفوسفات، ومكافئاتها المختزلة، وبروتينات معينة، والمنتجات الوسيطة والنهائية لعملية التمثيل الغذائي، وما إلى ذلك. ويمكن لهذه المواد أن تدخل الخلية من الخارج أو يتم إنتاجها داخلها. . في الحالة الأخيرة، يتحدثون عن تنظيم نشاط الإنزيم - وهو رابط متكامل في التنظيم العام لعملية التمثيل الغذائي.

يمكن للمواد التي تؤثر على نشاط الإنزيم أن ترتبط بالمراكز النشطة والمتفارغة للإنزيم، وكذلك خارج هذه المراكز. سيتم مناقشة أمثلة محددة لمثل هذه الظواهر في الفصول 7 إلى 19. لتعميم بعض أنماط تثبيط نشاط الإنزيم، تجدر الإشارة إلى أن هذه الظواهر في معظم الحالات تنقسم إلى نوعين - عكسية وغير قابلة للعكس. خلال تثبيط عكسيلا يتم إجراء أي تغييرات على جزيء الإنزيم بعد تفككه مع المانع. مثال على ذلك هو العمل نظائرها الركيزة، والتي يمكن أن ترتبط بالموقع النشط للإنزيم، مما يمنع الإنزيم من التفاعل مع الركيزة الحقيقية. ومع ذلك، فإن الزيادة في تركيز الركيزة تؤدي إلى "إزاحة" المانع من الموقع النشط، ويتم استعادة معدل التفاعل المحفز ( تثبيط المنافسة). حالة أخرى من التثبيط العكسي هي ربط المثبط بمجموعة صناعية من الإنزيم، أو صميل الإنزيم، خارج المركز النشط. على سبيل المثال، تفاعل الإنزيمات مع أيونات المعادن الثقيلة التي ترتبط بمجموعات السلفهيدريل من بقايا الأحماض الأمينية للإنزيم، أو تفاعلات البروتين مع البروتين أو التعديل التساهمي للإنزيم. ويسمى هذا تثبيط النشاط غير تنافسي.

تثبيط لا رجعة فيهوفي أغلب الأحيان يقوم على ربط ما يسمى بـ “ ركائز انتحارية» مع مواقع نشطة من الانزيمات. في هذه الحالة، تتشكل روابط تساهمية بين الركيزة والإنزيم، والتي تتحلل ببطء شديد ولا يتمكن الإنزيم من أداء وظيفته لفترة طويلة. مثال على "الركيزة الانتحارية" هو المضاد الحيوي البنسلين (الفصل 18، الشكل 18.1).

ونظرًا لأن الإنزيمات تتميز بخصوصية عملها، فقد تم تصنيفها وفقًا لنوع التفاعل الذي تحفزه. وفقًا للتصنيف المقبول حاليًا، يتم تجميع الإنزيمات في 6 فئات:

1. الأكسدة (تفاعلات الأكسدة والاختزال).

2. ترانسفيراز (تفاعلات نقل المجموعات الوظيفية بين الركائز).

3. الهيدرولاز (تفاعلات التحلل المائي، المستقبل للمجموعة المنقولة هو جزيء الماء).

4. اللياز (تفاعلات إزالة المجموعات بطريقة غير متحللة).

5. الأيزوميرات (تفاعلات الأيزومرة).

6. Ligases، أو Synthetases (تفاعلات التوليف بسبب طاقة انقسام نوكليوسيد ثلاثي الفوسفات، في أغلب الأحيان ATP).

يتم تحديد رقم فئة الإنزيم المقابل في ترقيم الكود (التشفير) الخاص به. يتكون رمز الإنزيم من أربعة أرقام مفصولة بنقاط، تشير إلى فئة الإنزيم والفئة الفرعية والفئة الفرعية والرقم التسلسلي في الفئة الفرعية.

خطوات التحفيز الإنزيمي

1. تكوين مجمع الإنزيم والركيزة

تتمتع الإنزيمات بخصوصية عالية وهذا ما جعل من الممكن طرح فرضية مفادها أن المركز النشط للإنزيم مكمل للركيزة، أي. يتوافق معه مثل "مفتاح القفل". بعد تفاعل الركيزة "المفتاحية" مع المركز النشط "القفل"، تحدث التحولات الكيميائية للركيزة إلى المنتج.

في وقت لاحق، تم اقتراح نسخة أخرى من هذه الفرضية - المركز النشط عبارة عن بنية مرنة بالنسبة للركيزة. تتسبب الركيزة، التي تتفاعل مع المركز النشط للإنزيم، في حدوث تغيير في شكلها، مما يؤدي إلى تكوين مجمع الركيزة الإنزيمية. وفي الوقت نفسه، تغير الركيزة أيضًا شكلها، مما يضمن كفاءة أعلى للتفاعل الأنزيمي.

2. تسلسل الأحداث أثناء التحفيز الأنزيمي

أ. مرحلة الاقتراب وتوجيه الركيزة بالنسبة للمركز النشط للإنزيم

ب. تشكيل مجمع الانزيم الركيزة

الخامس. تشوه الركيزة وتشكيل مجمع منتجات إنزيم غير مستقر

د- تحلل مجمع منتجات الإنزيم مع إطلاق منتجات التفاعل من المركز النشط للإنزيم وإطلاق الإنزيم

3. دور الموقع النشط في التحفيز الأنزيمي

يتلامس جزء صغير فقط من الإنزيم مع الركيزة، من 5 إلى 10 بقايا من الأحماض الأمينية، مما يشكل المركز النشط للإنزيم. تضمن بقايا الأحماض الأمينية المتبقية التشكل الصحيح لجزيء الإنزيم للتفاعلات الكيميائية المثالية. في الموقع النشط للإنزيم، يتم ترتيب الركائز بحيث تكون المجموعات الوظيفية للركائز المشاركة في التفاعل على مقربة من بعضها البعض. هذا الترتيب للركائز يقلل من طاقة التنشيط، مما يحدد الكفاءة التحفيزية للإنزيمات.

هناك آليتان رئيسيتان للتحفيز الأنزيمي:

1. التحفيز الحمضي القاعدي

2. التحفيز التساهمي

يشرح مفهوم التحفيز الحمضي القاعدي النشاط الأنزيمي من خلال مشاركة المجموعات الحمضية (المانحين للبروتون) و/أو المجموعات الأساسية (مستقبلات البروتون) في التفاعل الكيميائي. تحتوي بقايا الأحماض الأمينية التي تشكل المركز النشط على مجموعات وظيفية تظهر خصائص كل من الأحماض والقواعد. هذه هي السيستين والتيروزين والسيرين والليسين وحمض الجلوتاميك وحمض الأسبارتيك والهستيدين.

مثال على التحفيز الحمضي القاعدي هو أكسدة الكحول باستخدام إنزيم هيدروجيناز الكحول.

يعتمد التحفيز التساهمي على مهاجمة المجموعات "-" و "+" للمركز النشط للإنزيم بواسطة جزيئات الركيزة مع تكوين رابطة تساهمية بين الركيزة والإنزيم المساعد. ومن الأمثلة على ذلك تأثير البروتياز السيري (بريبسين، كيموتربسين) على التحلل المائي للروابط الببتيدية أثناء هضم البروتين. يتم تشكيل رابطة تساهمية بين الركيزة وبقايا الأحماض الأمينية السيرينية للموقع النشط للإنزيم.

الحفزهي عملية تسريع التفاعل الكيميائي تحت تأثير المحفزات التي تشارك فيه بشكل فعال، ولكن في نهاية التفاعل تبقى دون تغيير كيميائيا. يعمل المحفز على تسريع عملية إنشاء التوازن الكيميائي بين المواد الأولية ومنتجات التفاعل. تسمى الطاقة اللازمة لبدء التفاعل الكيميائي طاقة التفعيل. من الضروري أن تدخل الجزيئات المشاركة في التفاعل في حالة تفاعلية (نشطة). تهدف آلية عمل الإنزيم إلى تقليل طاقة التنشيط. ويتم تحقيق ذلك عن طريق تقسيم التفاعل إلى خطوات أو مراحل منفصلة من خلال مشاركة الإنزيم نفسه. كل مرحلة جديدة لديها طاقة تنشيط أقل. يصبح تقسيم التفاعل إلى مراحل ممكنًا بسبب تكوين مركب إنزيمي مع المواد الأولية، ما يسمى بالركائز ( س). يسمى هذا المركب مجمع الإنزيم والركيزة ( إس). يتم بعد ذلك شق هذا المعقد لتكوين منتج التفاعل (P) والإنزيم غير المتغير ( ه).

ه + سإسه + ص

وبالتالي، فإن الإنزيم هو محفز حيوي، من خلال تكوين مركب إنزيم-ركيزة، يقسم التفاعل إلى مراحل منفصلة مع طاقة تنشيط أقل، وبالتالي يزيد بشكل حاد من معدل التفاعل.

4. خصائص الانزيمات.

جميع الانزيمات ذات طبيعة بروتينية.

الإنزيمات لها وزن جزيئي مرتفع.

وهي شديدة الذوبان في الماء، وعندما تذوب تشكل محاليل غروية.

جميع الإنزيمات قابلة للحرارة، أي. الإجراء الأمثل 35 - 45 درجة مئوية

وفقا لخصائصها الكيميائية، فهي إلكتروليتات مذبذبة.

الإنزيمات محددة للغاية فيما يتعلق بالركائز.

تتطلب الإنزيمات قيمة الرقم الهيدروجيني المحددة بدقة لعملها (الببسين 1.5 - 2.5).

تتمتع الإنزيمات بنشاط تحفيزي عالي (تسريع معدل التفاعل بمقدار 10 6 - 10 11 مرة).

جميع الإنزيمات قادرة على تمسخ الطبيعة عند تعرضها للأحماض القوية والقلويات والكحولات وأملاح المعادن الثقيلة.

خصوصية عمل الانزيم:

بناءً على خصوصية عملها، تنقسم الإنزيمات إلى مجموعتين: تلك ذات الخصوصية المطلقة وتلك ذات الخصوصية النسبية.

الخصوصية النسبيةيتم ملاحظتها عندما يحفز الإنزيم نوعًا واحدًا من التفاعل مع أكثر من ركيزة تشبه البنية. على سبيل المثال، يقوم البيبسين بتكسير جميع البروتينات ذات الأصل الحيواني. تعمل هذه الإنزيمات على نوع معين من الروابط الكيميائية، وهي في هذه الحالة الرابطة الببتيدية. يمتد عمل هذه الإنزيمات إلى عدد كبير من الركائز، مما يسمح للجسم بالتعامل مع عدد صغير من الإنزيمات الهاضمة.

الخصوصية المطلقةيتجلى عندما يعمل الإنزيم على مادة واحدة فقط ويحفز فقط تحولًا معينًا لهذه المادة. على سبيل المثال، السكراز يكسر السكروز فقط.

رجعية الفعل:

يمكن لبعض الإنزيمات تحفيز التفاعلات الأمامية والعكسية. على سبيل المثال، هيدروجيناز اللاكتات، وهو إنزيم يحفز أكسدة اللاكتات إلى البيروفات واختزال البيروفات إلى اللاكتات.

يمكن وصف تسلسل الأحداث في الحفز الأنزيمي من خلال الرسم البياني التالي. أولاً، يتم تشكيل مركب إنزيمي ركيزة. في هذه الحالة، يحدث تغيير في مطابقة جزيء الإنزيم وجزيء الركيزة، ويتم تثبيت الأخير في المركز النشط في تكوين متوتر. هذه هي الطريقة التي يتشكل بها المركب المنشط أو الدولة الانتقالية، عبارة عن بنية وسيطة عالية الطاقة وأقل استقرارًا من حيث الطاقة من المركبات والمنتجات الأصلية. تتم المساهمة الأكثر أهمية في التأثير التحفيزي الشامل من خلال عملية تثبيت الحالة الانتقالية - التفاعل بين بقايا الأحماض الأمينية للبروتين والركيزة، التي تكون في تكوين متوتر. الفرق بين قيم الطاقة الحرة للمواد المتفاعلة الأولية والحالة الانتقالية يتوافق مع طاقة التنشيط الحرة (ΔG #). ويعتمد معدل التفاعل على القيمة (ΔG#): فكلما كانت أصغر كلما زاد معدل التفاعل، والعكس صحيح. في الأساس، يمثل DG "حاجز الطاقة" الذي يجب التغلب عليه حتى يحدث التفاعل. يؤدي تثبيت الحالة الانتقالية إلى تقليل هذا "الحاجز" أو طاقة التنشيط. في المرحلة التالية، يحدث التفاعل الكيميائي نفسه، وبعد ذلك يتم إطلاق المنتجات الناتجة من مجمع منتجات الإنزيم.

هناك عدة أسباب للنشاط التحفيزي العالي للإنزيمات، مما يقلل من حاجز الطاقة أمام التفاعل.

1. يمكن للإنزيم ربط جزيئات الركائز المتفاعلة بطريقة تجعل مجموعاتها التفاعلية قريبة من بعضها البعض ومن المجموعات الحفزية للإنزيم (التأثير تقارب).

2. مع تكوين مركب إنزيم الركيزة، يتم تحقيق تثبيت الركيزة واتجاهها الأمثل لكسر وتكوين الروابط الكيميائية (التأثير توجيه).

3. يؤدي ربط الركيزة إلى إزالة غلافها المائي (الموجود على المواد الذائبة في الماء).

4. تأثير المراسلات المستحثة بين الركيزة والإنزيم.

5. استقرار الحالة الانتقالية.

6. يمكن أن توفر مجموعات معينة في جزيء الإنزيم الحفز الحمضي القاعدي(نقل البروتونات في الركيزة) و الحفز النووي(تكوين روابط تساهمية مع الركيزة، مما يؤدي إلى تكوين هياكل أكثر تفاعلاً من الركيزة).

أحد الأمثلة على التحفيز الحمضي القاعدي هو التحلل المائي للروابط الجليكوسيدية في جزيء المورين بواسطة الليزوزيم. الليزوزيمهو إنزيم موجود في خلايا الحيوانات والنباتات المختلفة: في السائل المسيل للدموع واللعاب وبروتين الدجاج والحليب. يبلغ الوزن الجزيئي للليزوزيم الموجود في بيض الدجاج 14600 دا، ويتكون من سلسلة بولي ببتيد واحدة (129 بقايا حمض أميني) ويحتوي على 4 جسور ثاني كبريتيد، مما يضمن ثباتًا عاليًا للإنزيم. وأظهر التحليل الهيكلي بالأشعة السينية لجزيء الليزوزيم أنه يتكون من مجالين يشكلان "فجوة" يقع فيها المركز النشط. على طول هذه "الفجوة" يرتبط سداسي السكاريد، ويكون للإنزيم موقعه الخاص لربط كل حلقة من حلقات السكر الستة للمورين (A، B، C، D، E، F) (الشكل 6.4).

يتم الاحتفاظ بجزيء المورين في الموقع النشط للليزوزيم بشكل رئيسي بسبب الروابط الهيدروجينية والتفاعلات الكارهة للماء. على مقربة من موقع التحلل المائي للرابطة الجليكوسيدية، يوجد بقايا من الأحماض الأمينية للمركز النشط: حمض الجلوتاميك، الذي يحتل المركز 35 في البولي ببتيد، وحمض الأسبارتيك، المركز 52 في البولي ببتيد (الشكل 6.5). .

توجد السلاسل الجانبية لهذه البقايا على الأسطح المقابلة لـ "الشق" على مقربة من الرابطة الجليكوسيدية المهاجمة - على مسافة 0.3 نانومتر تقريبًا. توجد بقايا الغلوتامات في بيئة غير قطبية ولا تتأين، وبقايا الأسبارتات في بيئة قطبية؛ يتم نزع البروتونات من مجموعة الكربوكسيل الخاصة بها وتشارك كمستقبل للهيدروجين في شبكة معقدة من الروابط الهيدروجينية.

تتم عملية التحلل المائي على النحو التالي. تقوم مجموعة الكربوكسيل البروتونية من بقايا Glu-35 بتزويد بروتونها إلى ذرة الأكسجين الجليكوسيدية، مما يؤدي إلى تمزق الرابطة بين ذرة الأكسجين هذه وذرة C1 من حلقة السكر الموجودة في الموقع D (مرحلة التحفيز الحمضي العام ). ونتيجة لذلك، يتم تشكيل منتج يتضمن حلقات السكر الموجودة في المنطقتين E وF، والتي يمكن إطلاقها من المجمع مع الإنزيم. تشوه شكل حلقة السكر الموجودة في المنطقة D، مع التشكل نصف الكراسي، حيث خمس من الذرات الست التي تشكل حلقة السكر تقع عمليا في نفس المستوى. يتوافق هذا الهيكل مع تشكيل الحالة الانتقالية. في هذه الحالة، يتبين أن ذرة C1 مشحونة بشكل إيجابي ويسمى المنتج الوسيط أيون الكربونيوم (الكاتيون الكربوني). تتناقص الطاقة الحرة للحالة الانتقالية بسبب تثبيت أيون الكربونيوم بواسطة مجموعة الكربوكسيل المنفصلة من بقايا Asp-52 (الشكل 6.5).

في المرحلة التالية، يدخل جزيء الماء في التفاعل ويحل محل بقايا السكاريد المنتشرة من منطقة المركز النشط. يذهب بروتون جزيء الماء إلى Glu-35، وأيون الهيدروكسيل (OH -) إلى ذرة C1 من أيون الكربونيوم (مرحلة التحفيز الأساسي العام). ونتيجة لذلك، يصبح الجزء الثاني من السكاريد المشقوق منتج تفاعل (تشكل الكرسي) ويترك منطقة المركز النشطة، ويعود الإنزيم إلى حالته الأصلية ويكون جاهزًا لتنفيذ تفاعل انقسام ثنائي السكاريد التالي (الشكل 6.5). .