Фермент пен субстраттың өзара әрекеттесуі. Биология, 11 сынып, дидактикалық материал.

Кіріспе

Мен кішкентай кезімде көзілдірік киіп жүрдім және жанаспалы линзалар алғым келді. Ақыры маған байланыс алуға рұқсат берген кезде, мәміленің бір бөлігі - мен оларға өте жақсы күтім жасауым керек еді, бұл оларды тазартқышпен күн сайын жуу, зарарсыздандырылған ерітіндіде сақтау және аптасына бір рет қосу «ферменттік тазартқыш» деп аталатын бірнеше тамшы. Мен «ферментативті тазартқыштың» мағынасын дәл білмедім, бірақ егер сіз оны қосқаныңызды ұмытып кетіп, контактілерді жуып алмай көзіңізге салып қойсаңыз, онда сіз он бес минут ішінде жанып тұрғаныңызды білдім. .

Кейінірек білгенімдей, «ферментативті» дегеніміз тек тазартқышта белгілі бір химиялық реакцияларды катализдейтін бір немесе бірнеше ферменттер, ақуыздар болуы керек еді - бұл жағдайда менің байланыстарымда бір аптадан кейін жиналған көздің қабығын бұзатын реакциялар болды. пайдалану. (Болжам бойынша, менің көзіме түскен кезде оның пайда болу себебі, ферменттер көздің гусын бүтін көзге қуана бұзады.) Бұл мақалада біз ферменттің не екенін және оның қалай болатынын тереңірек қарастырамыз. белгілі бір химиялық реакцияны катализдейді.

Ферменттер және активтендіру энергиясы

Химиялық реакцияны жеделдететін зат - реактивтісіз - катализатор деп аталады. Тірі организмдерде болатын биохимиялық реакциялардың катализаторларын ферменттер деп атайды. Ферменттер әдетте белоктар болып табылады, бірақ кейбір рибонуклеин қышқылы (РНҚ) молекулалары да ферменттер ретінде әрекет етеді.

Ферменттер реакцияның активтену энергиясын, яғни реакция басталуы үшін жұмсалатын энергия мөлшерін төмендету бойынша маңызды тапсырманы орындайды. Ферменттер реактивтік молекулалармен байланысып, оларды химиялық байланыс үзу және байланыс түзу процестері тез жүретіндей етіп ұстайды.

Катализатормен және реакциясыз жүретін реакцияның координаталық диаграммасы. Катализатордың көмегімен активтендіру энергиясы онсызға қарағанда төмен болады. Алайда, катализатор реакция үшін ∆G өзгертпейді.

_ «Потенциалды, кинетикалық, еркін және активтендіру энергиясы: 5-сурет» өзгертілген сурет, OpenStax College, Biology, CC BY 3.0._

Бір маңызды сәтті түсіндіру үшін ферменттер реакцияның ∆G мәнін өзгертпейді. Яғни, реакция жалпы энергияны босататын немесе энергияны сіңіретін болсын өзгермейді. Себебі ферменттер реактивтер мен өнімдердің бос энергиясына әсер етпейді.

Керісінше, ферменттер өтпелі күйдің энергиясын төмендетеді, бұл реактивтерге айналу үшін өнімдер өтуі керек тұрақсыз күй. Өтпелі күй жоғарыдағы диаграммадағы энергетикалық «төбенің» басында орналасқан.

Белсенді сайттар мен субстраттың ерекшелігі

Реакцияны катализдеу үшін фермент бір немесе бірнеше реакцияға түсетін молекулаларға қосылады (байланысады). Бұл молекулалар ферменттің субстраттары болып табылады.

Кейбір реакцияларда бір субстрат бірнеше өнімге ыдырайды. Басқаларында екі субстрат бірігіп, бір үлкен молекула жасайды немесе бөліктерді ауыстырады. Шындығында, қандай биологиялық реакция түрі туралы ойлауға болады, оны тездететін фермент бар шығар!

Ферменттердің субстрат байланысатын бөлігі белсенді алаң деп аталады (өйткені каталитикалық «әрекет» сол жерде жүреді).

Субстрат ферменттің белсенді орнына енеді. Бұл фермент-субстрат кешенін құрайды, содан кейін реакция жүреді, субстратты өнімге айналдырып, ферментті өнімдер кешенін құрайды. Содан кейін өнімдер ферменттің белсенді орнын қалдырады.

Кескін «Ферменттер: 2-сурет» өзгертілген, OpenStax College, Biology, CC BY 3.0.

Ақуыздар аминқышқылдары деп аталатын бірліктерден тұрады, ал ақуыз болып табылатын ферменттерде белсенді учаске өз қасиеттерін өзі түзген аминқышқылдарынан алады. Бұл аминқышқылдарының бүйір тізбектері үлкен немесе кіші, қышқыл немесе негіз, гидрофильді немесе гидрофобты болуы мүмкін.

Белсенді учаскеде кездесетін аминқышқылдарының жиынтығы, олардың 3D кеңістігіндегі позицияларымен бірге, белсенді учаскеге өте белгілі мөлшер, пішін және химиялық мінез-құлық береді. Осы аминқышқылдардың арқасында ферменттің белсенді учаскесі белгілі бір мақсатқа - фермент субстратына немесе субстратқа - қосылуға және олардың химиялық реакцияға түсуіне көмектеседі.

[Фермент пен субстраттың сәйкестігі қаншалықты нақты?]

Ферменттердің қызметіне қоршаған ортаның әсері

Белсенді учаскелер химиялық реакцияның пайда болуына көмектесетін етіп бапталғандықтан, олар ферменттердің қоршаған ортасының өзгеруіне өте сезімтал болуы мүмкін. Белсенді учаске мен ферменттердің қызметіне әсер етуі мүмкін факторларға мыналар жатады:

• Температура. Температураның жоғарылауы, әдетте, реакцияның, фермент-катализденген немесе басқаша жылдамдығына әкеледі. Алайда температураның көтерілуі немесе төмендеуі төзімді диапазоннан тыс белсенді учаскедегі химиялық байланыстарға әсер етіп, оларды субстраттарды байланыстыруға онша қолайлы етпейді. Өте жоғары температура (жануарлар ферменттері үшін, 404040 ^ {\ circ} мәтінінен жоғары, мәтін C∘C градус, бастапқы мәтін, C, соңғы мәтін немесе 104104104 ^ {\ circ} \ мәтін F∘F градус, басталатын мәтін, F, соңғы мәтін) формасын және белсенділігін жоғалтып, ферменттің денатурациясына әкеледі. ^ 22квадрат

• рН. рН ферменттің қызметіне де әсер етуі мүмкін. Белсенді учаскедегі аминқышқылдарының қалдықтары көбінесе катализ үшін маңызды қышқылдық немесе негіздік қасиеттерге ие. РН өзгеруі бұл қалдықтарға әсер етуі мүмкін және субстраттардың байланысуын қиындатады. Ферменттер белгілі бір рН ауқымында жақсы жұмыс істейді, және температура сияқты, рН шамасы (қышқылдық немесе негіздік) ферменттерді денатурациялауы мүмкін.

Сәйкестік

Ферменттердің белсенді учаскесі мен субстраттың сәйкес келуі екі басқатырғыштың бір-біріне сәйкес келуіне ұқсас емес (бірақ ғалымдар бір кездері оны «құлыпта және кілт» моделі деп аталатын ескі модельде) деп ойлаған.

Керісінше, фермент субстратты байланыстырғанда пішінін сәл өзгертеді, нәтижесінде одан да тығыз орналасады. Ферменттің субстратқа ыңғайлы болу үшін осылай реттелуін индукцияланған фит деп атайды.

Ферменттер катализінің индукцияланған фит моделінің иллюстрациясы. Субстрат белсенді алаңмен байланысқан кезде, белсенді учаске формасын аздап өзгертеді, субстратты мықтап ұстап, реакцияны катализдеуге дайындалады. Реакция болғаннан кейін, өнімдер белсенді аймақтан шығарылып, диффузияланады.

Кескін «Ферменттер: 2-сурет» өзгертілген, OpenStax College, Biology, CC BY 3.0.

Фермент өзінің субстратымен байланысқан кезде, біз оның реакцияның активтену энергиясын төмендететінін және оның тез жүруіне мүмкіндік беретінін білеміз. Сіз, мүмкін, фермент субстанцияны активтендіру энергиясын төмендету үшін не істейді?

Жауап ферментке байланысты. Кейбір ферменттер екі субстратты дұрыс бағытта біріктіру арқылы химиялық реакцияларды жеделдетеді. Басқалары белсенді сайт ішінде реакцияға қолайлы жағдай жасайды (мысалы, аздап қышқыл немесе полярлы емес). Фермент-субстрат кешені субстрат молекулаларын байланыстың бұзылуын жеңілдететін және өтпелі күйге жетуге көмектесетін әдіспен иілу арқылы активтендіру энергиясын төмендете алады.

Сонымен, кейбір ферменттер химиялық реакцияға қатысу арқылы активтену энергиясын төмендетеді. Яғни, белсенді учаскенің қалдықтары реакция процесінің бір бөлігі ретінде субстрат молекулаларымен уақытша ковалентті байланыс түзуі мүмкін.

Мұндағы маңызды сөз «уақытша». Барлық жағдайда, фермент реакция аяқталғаннан кейін бастапқы қалпына келеді - ол реакцияға түсетін молекулалармен байланыста болмайды. Шындығында, ферменттердің айрықша қасиеті - олар катализдейтін реакциялардың әсерінен өзгермейді. Фермент реакцияны катализдейтін болған кезде, ол өнімді (немесе өнімдерді) босатады және катализдің келесі циклына дайын болады.