post

Ензими и ензимна катализа

Ензими се наричат катализаторите от биологичен произход, които представляват макромолекули с белтъчна природа. Ензимите участват в почти всички биологични преобразувания, като ускоряват биохимичните реакции при меки и контролирани условия, без това да нанася вреди на биологичните единици. Ензими има в катализата както на анаболитните, така и на катаболитните процеси. Техните специфични свойства ги правят изключително подходящи за биотехнологичните производства.

Ензими – кофактор: простетична група и коензим

Една от функциите на белтъците е да участват като катализатори в биохимичните реакции под формата на ензими. Те осигуряват сравнително голямата скорост на процесите в организмите. Всички ензими могат да са едно-, дву- или многокомпонентни в зависимост от това дали в строежа им участва небелтъчна част.

Небелтъчната част на ензима носи общото название кофактор. По своята природа кофакторът може да бъде както неорганичен йон, така и нискомолекулно органично вещество. Когато той е свързан със здрави химични връзки за белтъчната част се нарича простетична група. Когато връзката е слаба, кофакторът се назовава коензим. Един и същи коензим може да бъде небелтъчна компонента на множество ензими със сходно каталитично действие.

Характеристики

Подобно на неорганичните катализатори, ензимите могат да ускоряват само възможни реакции. Те не могат да принудят невъзможна реакция да протече.

Принципът на каталитично действие включва снижаването на енергетичната бариера за протичането на дадена реакция, до стойности гарантиращи осъществяването на процеса, без това да влияе на термодинамичното равновесие. Казано другояче, няма ензими, които да променят химичното равновесие. След реакцията самите те излизат също непроменени и готови отново за употреба.

Съществуват и характеристики, които ги отличават съществено от неорганичните катализатори. Ензимите притежават специфичност по отношение на катализираната реакция, т.е. ускорява само едно от няколко възможни превръщания. Ензимите имат и специфичност по отношение на субстрата, т.е. ускорява превръщанията само на едно от няколко подобни помежду си вещества.

Те са изключително чуствителни към условията на протичане на реакцията. Белтъчната им природа ги прави силно уязвими на действието на физични, химични и биологични денатуриращи агенти (температура, химикали, ултравиолетови лъчи и пр.).

Механизъм на действие

Ензимите не участват с цялата си молекула в химичната реакция, а само с малък участък, който се нарича активен (каталитичен) център. Органичните молекули, които са обект на ензимната катализа се наричат субстрат. Те попадат в активния център, където образуват слаби връзки с белтъчната част и се формира ензимно-субстратен комплекс.

В последвалата реакция, ензимът може да катализира както разграждането на една молекула на по-малки, така и свързването на няколко молекули в една по-голяма. Това обаче е възможно само ако ензимът притежава необходимата специфичност към дадената реакция и към съответния субстрат. След края на реакцията се получава ензимно-продуктов комплекс, който се разделя на ензим и краен продукт.

механизъм на ензимното действие, ензими

механизъм на ензимното действие

Пространственото съответсвие на формата на субстрата спрямо формата на каталитичния център също е задължителна. На практика, това изискване е в основата ензимната специфичност. Ако субстратът и активният център не се напаснат подобно на ключ с ключалка (хипотеза на Фишер), реакцията става невъзможна.

Активатори и инхибитори

Пространствено сходство може да се индуцира при самото ензимно-субстратно взаимодействие (хипотеза на Кошланд) или от вещества, които подобряват триизмерното съответствие между молекулите. Тези вещества спадат към групата на активаторите, които като цяло са подобрители на ензимната активност.

Съществуват и такива вещества, които влошават пространственото съответствие и те спадат към групата на инхибиторите. Тяхната роля е да подтискат ензимната активност. Активаторите и инхибиторите могат да се свързват директно с активния център на ензима.

конкуретно инхибиране

конкуретно инхибиране

Възможно е обаче да се свържат и с един или повече от алостеричните центрове на ензима, които представляват други функционални центрове на ензимната молекула. В този случай говорим за алостерично действие на ефекторите (общо название за активатори и инхибитори). Инхибиторите могат да имат обратимо или необратимо действие.

Класически пример за необратими инхибитори са бойните отровни вещества. Инхибиторите, които се свързват с активния център на ензима осъществяват конкурентно инхибиране, а тези в алостеричния център – неконкурентно.

алостерично взаимодействие на активатор и инхибитор, ензими

алостерично взаимодействие на активатор и инхибитор

Ензими и кинетика на биокаталитичните процеси

Математически, скоростта (v) на ензимнокатализираната реакция може да се изрази чрез изменението на количеството (концентрацията – c ) на субстрата (S) или това на продукта (P) за единица време (t):

v= – dcs/dt = dcp/dt

Според теорията на Михаелес – Ментен, ензимната катализа протича на два етапа:

1.Бърз – образува се ензимно-субстратният комплекс (обратим процес).

E+S↔ES

k1 – скоростна константа на правата реакция: E+S→ES

k2 -скоростна константа на обратната реакция: ES→E+S

2.Бавен (скоростоопределящ) – образува се ензимно-продуктов комплекс, от който ензимът се отделя непроменен.

ES→E+P

k3 – скоростна константа на реакцията

Тъй като най-бавният етап от една химична реакция е скоростоопределящ, то скоростта на реакцията може да се изрази с помощта на закона за действие на масите:

v= k3cES

Константата k3 се нарича оборотно число. Кинетичният смисъл на оборотното число представлява максималният брой субстратни молекули, които могат да се преработят от един активен център за една секунда.

Тъй като процесът на формиране на ензимно-субстратния комплекс е обратим, следователно той е и равновесен. Достига се до стационарно състояние, в което скоростта на образуването му се изравнява с тази на разпадането му. В резултат на това, толкова ензими се свързват с молекулите на субстрата, колкото се и разделят. Полученото равновесие се предхожда от кратко предстационарно състояние (милисекунди), в което концентрацията на продукта се приема за нула, а броят на ензимно-субстратните комплекси нараства.

Константа на Михаелис-Ментен

С помощта на метода на стационарните концентрации, след поредица от математически извеждания и изчисления се достига до израз на отношението на скоростните константи, което както би следвало е постоянна величина. Тя носи названието константа на Михаелис-Ментен:

КМ=(k2+k3)/k1

Константата на Михаелис – Ментен е онази концентрацията на субстрата cS, при която скоростта на ензимно-каталитичния процес става половината от максималната скорост. А максималната скорост vmax е тази, при която всички ензимни молекули са свързани със субстратни молекули. Тя е постоянна величина.

Константата КМ е важна характеристика на всеки ензим и има измерение мол за литър (mol/l). Колкото по-малка е тя, толкова по-голяма е активността на ензима по отношение на субстрата. В този смисъл тя е мярка за сродството на ензима към субстрата и може да се използва за изчисление на скоростта:

 v=vmax [1+(КМ/cS)]

Това е уравнението на Михаелис – Ментен, което показва, че с увеличение на концентрацията на субстрата cS скоростта нараства докато се достигне насищане на ензима, на което отговаря vmax .

Отношението Кs=k2/k1 се нарича субстратна константа. Тя отразява математически сродството на ензима към субстрата. Колкото по-големи са нейните стойности, толкова по-малко е сродството и обратното. Връзката между константата на Михаелис – Ментен и субстратната константа може да се даде чрез следващия израз:

Км=Кs+(k3/k1)

Ензими и тяхното значение за производството

Освен като част от живата природа, ензимите отдавна са и важна съставка от икономическата дейност на човека. Още в дълбока древност са били познати ферментационните процеси за производство на вино, бира, кисело мляко и оцет. Въпреки че нашите предци не са познавали същността им, те са ги владеели с невероятна виртуозност.

С развитието на естествените науки в това число на биологията, химията, биохимията и физикохимията, ензимно-зависимите производства увеличават своя брой  и прецизността на използваните методи в тях. Появява се цял нов промишлен дял познат под общото название биотехнологични производства.

В полза на човечеството днес са впрегнати огромни ресурси от биологични и биохимични култури и системи, които са част от фармацевтичната, хранителната, химическата и други промишлености. Според някои лекари, епохата на антибиотиците в медицината е възможно да бъде заменена от епоха на ензимно базирани лекарства, но дали е възможно това ще покаже само бъдещето!

Сходни Публикации

Вашият коментар

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван. Задължителните полета са отбелязани с *

Leave the field below empty!