Koenzymer i katalytiske reaksjoner transporterer ulike grupper av atomer, elektroner eller protoner. Koenzymer binder seg til enzymer:
Kovalente bindinger;
Ioniske bindinger;
Hydrofobe interaksjoner, etc.
Ett koenzym kan være et koenzym for flere enzymer. Mange koenzymer er multifunksjonelle (for eksempel NAD, PF). Spesifisiteten til holoenzymet avhenger av apoenzymet.
Alle koenzymer er delt inn i to store grupper: vitamin og ikke-vitamin.
Koenzymer av vitaminnatur– vitaminderivater eller kjemiske modifikasjoner av vitaminer.
1. gruppe: tiamin – vitamin B1-derivater. Disse inkluderer:
Tiaminmonofosfat (TMP);
Tiamindifosfat (TDP) eller tiaminpyrofosfat (TPP) eller kokarboksylase;
Tiamintrifosfat (TTP).
TPF har størst biologisk betydning. En del av ketosyredekarboksylasen: PVK, a-ketoglutarsyre. Dette enzymet katalyserer fjerning av CO 2.
Kokarboksylase deltar i transketolasereaksjonen fra pentosefosfatsyklusen.
Gruppe 2: flavinkoenzymer, vitamin B2-derivater. Disse inkluderer:
- flavin mononukleotid (FMN);
- flavin adenin dinukleotid (FAD).
Rebitol og isoaloxazin danner vitamin B2. Vitamin B2 og fosforresten danner FMN. FMN kombineres med AMP for å danne FAD.
[ris. isoaloksazinringen er koblet til rebitol, rebitol til fosfor og fosfor til AMP]
FAD og FMN er koenzymer av dehydrogenaser. Disse enzymene katalyserer fjerning av hydrogen fra substratet, dvs. delta i oksidasjons-reduksjonsreaksjoner. For eksempel katalyserer SDH - succinatdehydrogenase - transformasjonen av ravsyre til fumarsyre. Dette er et FAD-avhengig enzym. [ris. COOH-CH 2 -CH 2 -COOH® (over pilen - SDH, under - FAD og FADN 2) COOH-CH=CH-COOH]. Flavinenzymer (flavinavhengige DGs) inneholder FAD, som er den primære kilden til protoner og elektroner. I ferd med kjemisk reaksjoner FAD blir til FADN 2. Arbeidsdelen av FAD er den andre ringen av isoaloksazin; i ferd med kjemisk Reaksjonen innebærer tilsetning av to hydrogenatomer til nitrogenene og omorganisering av dobbeltbindinger i ringene.
Gruppe 3: pantoteniske koenzymer, vitamin B3-derivater – pantotensyre. De er en del av koenzym A, NS-CoA. Dette koenzymet A er et koenzym av acyltransferaser, sammen med hvilket det overfører forskjellige grupper fra ett molekyl til et annet.
Gruppe 4: nikotinamid, derivater av vitamin PP - nikotinamid:
Representanter:
Nikotinamidadenindinukleotid (NAD);
Ni(NADP).
Koenzymene NAD og NADP er koenzymer av dehydrogenaser (NADP-avhengige enzymer), for eksempel malateDH, isocitrateDH, lactateDH. Delta i dehydrogeneringsprosesser og redoksreaksjoner. I dette tilfellet legger NAD til to protoner og to elektroner, og NADH2 dannes.
Ris. arbeidsgruppe NAD og NADP: tegning av vitamin PP, som ett H-atom er festet til og som et resultat oppstår en omorganisering av dobbeltbindinger. En ny konfigurasjon av vitamin PP + H + ] er tegnet
Gruppe 5: pyridoksinderivater av vitamin B6. [ris. pyridoksal. Pyridoksal + fosfor = pyridoksal fosfat]
- pyridoksin;
- pyridoksal;
- pyridoksamin.
Disse formene konverteres under reaksjoner. Når pyridoksal reagerer med fosforsyre, oppnås pyridoksalfosfat (PP).
PF er et koenzym av aminotransferaser, overfører en aminogruppe fra AA til en ketosyre - reaksjon transaminering. Vitamin B6-derivater er også inkludert som koenzymer i AA-dekarboksylaser.
Ikke-vitaminkoenzymer- stoffer som dannes under metabolisme.
1) Nukleotider– UTF, UDF, TTF, etc. UDP-glukose går inn i glykogensyntese. UDP-hyaluronsyre brukes til nøytralisering ulike stoffer i transverreaksjoner (glukuronyltransferase).
2) Porfyrinderivater(hem): katalase, peroksidase, cytokromer, etc.
3) Peptider. Glutation er et tripeptid (GLU-CIS-GLY), det er involvert i om reaksjoner, er et koenzym av oksidoreduktaser (glutationperoksidase, glutationreduktase). 2GSH“(over pil 2H) G-S-S-G. GSH er den reduserte formen av glutation, og G-S-S-G er den oksiderte formen.
4) Metallioner, for eksempel er Zn 2+ en del av enzymet AlDH (alkoholdehydrogenase), Cu 2+ - amylase, Mg 2+ - ATPase (for eksempel myosin ATPase).
Kan delta i:
Festing av enzymsubstratkomplekset;
I katalyse;
Stabilisering av den optimale konformasjonen av det aktive senteret av enzymet;
Stabilisering av kvartær struktur.
Det er praktisk å klassifisere koenzymer i henhold til strukturelle-fysiologiske egenskaper og funksjonelle (katalytiske) egenskaper. Den strukturelle og fysiologiske klassifiseringen tar samtidig hensyn til opprinnelsen og den kjemiske strukturen til koenzymer:
Cofer politi
I. Vitamin noenzymer
1 tiamin (TMF, TDF, THF)
2 "flavinaceous (FMN. FAD)
3 Pantotenisk (CoA, defosfo CoA. 4-$vogta ntothenate)
4 Nikotnamid (NAD. NADP) 5. Pyridoksin (PALF, PAMF) b. Folsyre eller pteridin (THFA) 7. Kobamid (metylkobolt a mi
d e n o z i l k o b a l m i h *
5 Biotin (karboksybiotin) () Annet (redusert lipoamid)
10. Kinon (ubiquinon, plastokinon)) I Karnitin (karnitium)
Utgangsmaterialene for dannelsen av koenzymer fra den første gruppen er vitaminer, derfor påvirker utilstrekkelig inntak av dem fra mat umiddelbart syntesen av disse koenzymene, og som et resultat blir funksjonen til de tilsvarende komplekse enzymene forstyrret. Koenzymer fra den andre gruppen dannes fra mellomprodukter av stoffskifte, så det er ingen mangel på disse koenzymene under fysiologiske forhold, og funksjonen til enzymene de er assosiert med er ikke svekket.
| . d). |
Det er også en funksjonell klassifisering av koenzymer, i henhold til hvilken koenzymer klassifiseres, som enzymer, i de tilsvarende seks klassene (tallene i parentes indikerer enzymklassenummeret):
Koenzymer
Koenzymer a
I Pyridoksin (PALP)
2. Pantotensyrer (CoA, defosfo-CoA)
3. Tiamin (TDP)
4. Kobamid (deoksyadenosylkobalamin) koenzymer (5)
1. Pyridoksin (PALF)
2. Kobamid (deoksyadenosylkobalamin)
3. Fosfater av monosakkarider (glukose-1,6-di-koenzymtransferaser (2) fosfat. 2,3-difosfoglyierat)
1 pyridoksin (PALF, PAMF) 4 peptid (glutat)
2 Pantotenisk (CoA, defosfo-CoA, 4-fos Koenzymer lmgaa (6) fopantotenat) I Nukleotid (UDP-glukose, CDP-holpn A. Nukleotidkoenzymer (UDP-glukose, etc.)
CDP-holnn, etc.) 2. Biotin (karboksybiotika)
4 Pteridin eller folsyre (THFA) 3. Folnsyre (5,10-methenyl THFA)
5 Kobamid (metylkobalamin)
To trekk ved koenzymer kan noteres. Den første er fraværet av koenzymer av den tredje klassen - hydrolaser og polyfunksjonaliteten til en rekke koenzymer (pyridoksin, kobamid), dvs. evnen til det samme koenzymet til å katalysere forskjellige reaksjoner, avhengig av det aktive senteret av hvilket enzym det er en del av. av. Dette tjener som et tydelig eksempel på betydningen av apoenzymet i manifestasjonen av den spesifikke deltakelsen til koenzymet i katalyse.
Vitaminkoenzymer
Tiaminkoenzymer. Kilden til deres dannelse er tiamin (vitamin B), som i henhold til sin kjemiske struktur tilhører pyrimidinderivatene av tiazol. Dens mest aktive koenzymform er tiamindifosfat (TDP). De gjenværende tiaminderivatene er tiaminmonofosfat (TMP), tiamin
trifosfat (TTP) regnes også som koenzymer, men deres betydning er ikke klarlagt TDP er en del av enzymer som katalyserer den oksidative dekarboksyleringen av α-ketosyrer - pyruvat og 2-oksoglutarat, og er også et koenzym av transketolase, som omdanner substrater av pentosefosfatsyklusen. Dessuten er det "aktive" stedet i TDP-molekylet, som fungerer som festestedet for substratet, karbonatomet i tiazolringen (innrammet).
Flavinkoenzymer Kilden til deres dannelse er riboflavin (vitamin B 2), som i kjemisk struktur tilhører derivatene av nzoalloksazin Koenzymene flavin (4ononukleotid (FMN) og flavinadenindinukleotid (FAD) syntetiseres fra riboflavin):
n-s-på nhon
riboflavin
(her er R de tilsvarende radikalene innesluttet i rammer i de foregående formlene).
Oksidert riboflavin og begge koenzymer er gule i fargen. Når de reduseres, forvandles de til leukoformen, og fargen på løsningen forsvinner. De reduserte koenzymene FMN H 2 og FAD ♦ H 2 dannes som et resultat av tilsetning av hydrogenatomer til N-I og N-5 i isoalloksaseringen. Evnen til enkelt å akseptere og donere protoner og elektroner bestemmer deltakelsen til disse koenzymene i redoksreaksjoner.
Pantoteniske koenzymer. Pantotensyre (vitamin B 3) tjener som utgangsmateriale for dannelsen av følgende koenzymer: koenzym A (KoASH), defosfokoenzym A (defosfo-CoA5H), panthethein-4-fosfat (Pf), som finnes i cellen i fri form eller bundet til enzymproteiner. Koenzymer er involvert i acylgruppeoverføringsreaksjoner. Derav navnet - acyleringskoenzym (A). Koenzym A
H ,0-P-o-p-o-s n,-
forkortet til enten KoASH eller bare KoA. SH-gruppen av alle pantotensyre-koenzymer er den arbeidende, forankringsdelen av molekylet. Acyler tilsettes, og den metabolske formen av CoA dannes - acyl~CoA (tioesterbindingen er makroerg, derfor indikert med en bølgelinje). Dephospho-CoA og PF som koenzymer brukes mindre enn KoASH. Det antas at defosfo-CoA er et koenzym som katalyserer nedbrytningen av sitrat, og Pf er et koenzym av acyloverføringsproteinsyntetase. fettsyrer.
menta - dinukleotider der mononukleotider er forbundet med en fosfodiesterbinding. Ett av mononukleotidene til disse koenzymene inneholder nikotinamid; den andre er representert ved adenylsyre. NADP har en ekstra fosforsyrerest festet til ribosehydroksylen.
Begge koenzymene er i stand til reversibelt å akseptere elektroner og protoner, så de er en del av dehydrogenaser. I reaksjoner katalysert av nikotinamidenzymer fjernes to hydrogenatomer fra substratet. Ett hydrogenatom tilsettes til C-4 i nikotinamidringen; elektronet til det andre hydrogenatomet går til det kvartære nitrogenet i samme ring, og det gjenværende frie protonet går inn i mediet. De oksiderte formene av koenzymer forkortes i reaksjoner som NAD + og NADP +, og de reduserte formene er NAD ■ H + H" og NADP H + H; (eller forenklet NAD H 2 og NADP ■ Ha):
I cellene i kroppen dannes de biologisk aktive koenzymene pyridoksalfosfat (PALP) og pyridoksaminfosfat (PAMP) fra dem:
n-s=o 2 lm nh 2
palf pamph
Den første av dem er hovedkoenzymet som er en del av en rekke enzymer. I noen reaksjoner virker imidlertid PAMP som et uavhengig koenzym, for eksempel i reaksjonen av dannelsen av 3,6-dideoksyheksoser som er nødvendige for syntesen av glykoproteiner i bakteriemembraner.
Folic, eller pteridin, koenzymer. Folacin forener en gruppe beslektede vitaminer, hvor hovedrepresentanten er folsyre. Kroppen produserer koenzymet tetrahydrofolsyre fra det.
Kobamid koenzymer. Kilden til dannelsen av kobamidkoenzymer er vitamin B, 2. Hoveddelen av dette vitaminet er co-komplekset til nitrogenmakrosyklusen kalt corrin. Corrin inneholder fire reduserte pyrrolringer som har forskjellige substituenter. Kobolt, som ligger i midten av korrinringen, kan ha forskjellige oksidasjonstilstander: fra Co 3+ til Co 6+. Det er forbundet med kovalente og koordinerende bindinger til nitrogenatomene i pyrrolringene til corrin. I vitamin B 12 er de gjenværende bindingene okkupert av 5,6-diog CN-gruppen. Derfor kalles vitamin B|g cyanokobalamin. Å erstatte CN-gruppen med en hydroksygruppe eller en nttro-gruppe fører til dannelse av andre vitaminer B, 2 - henholdsvis oksokobalamin og nitritkobalamin. I kroppen finnes det i form av koenzymformer - metylkobalamin og 5-deoksyadenosylkobalamin. Nedenfor er den skjematiske strukturen til den sentrale delen av cyanokobalamin (I) og dens koenzymformer - metylkobalamin (II) og 5-deoksyadenosylco
balamin (III):
i ■II
(her er R 5,6-dimetylbenzimidazolylribotid, og R" er 5"-deoksyadenosyl). Disse koenzymene er involvert i gruppeoverføringsreaksjoner, isomerisering, etc.
Biotin koenzymer. Biotin (vitamin H) danner en aktiv koenzymform - karboksybiotin:
;НN__ _N Н" ;HN _ _ _N_~ CO 0_ J
H G ^NGGNO COOH H.C CH(CH,)„COOH
Nøkkelrollen i biotn-molekylet spilles av nitrogenatomer, som CO 2 er tilsatt. Biotin er involvert i overføringen av karboksylgrupper.
Lipoiske koenzymer. Utgangsforbindelsen for dannelsen av koenzymer er liponsyre (vitamin N). Lipoiske koenzymer deltar i redoksreaksjoner under omdannelsen av α-ketosyrer i pyruvatdehydrogenasekomplekset. Det er oksiderte og reduserte former av liponsyre, som er knyttet til enzymet (E) ved en amidbinding.
Kinon koenzymer. Blant naturlige kinoidforbindelser, ubiquinon eller koenzym Q (KoQ), så vel som dets analoge plastokinon, inneholdt i planteorganismer. Ubiquinon er klassifisert som et lipofilt vitaminlignende stoff. I henhold til dens kjemiske struktur er det et kinon med en side isoprenoid kjede Antall isoprenoid enheter i sidekjeden av naturlige ubiquinoner er forskjellig, derfor er ubiquinopes betegnet med symbolet Q„. Ubiquinoner Q, - Q 12 finnes i naturen. De vanligste koenzymene er Q s -Q 10 - Mye ubiquinon finnes i mitokondriemembraner; Det er også tilstede i membranene til det endoplasmatiske retikulum og cellekjerner. Ubiquinon er i stand til reversible redokstransformasjoner;
HzSO^Cn2-cn=c-Cn^n
Når det reduseres, blir det til ubiquinol, som, når det oksideres, blir tilbake til ubiquinone. På grunn av dets redoksegenskaper er ubiquinon involvert i overføringen av elektroner og protoner i respirasjonskjeden til mitokondrier, og dets analoge plastoquinnon spiller samme rolle i kloroplaster.
For andre naturlige kinoidforbindelser - naftokinoner (vitamin K) og tokoferoler (vitamin E), som i struktur og redoksegenskaper ligner ubnkinon, er koenzymfunksjoner ennå ikke bevist.
Carnitium koenzymer. Det bitaminlignende stoffet karnitin (vitamin Bt), som er et koenzym av transferaser, er involvert i overføringen av acylgrupper (rester). eddiksyre og høyere fettsyrer) gjennom lipidlaget i mitokondrie og muligens andre membraner. Karnitin kan være i utvidede og sykliske former:
| R-C-0-HC< |
Acyler legger til OH-gruppen til karnitinet for å danne det tilsvarende acylkarnitinet:
Siden den "sykliske formen er mer fettløselig (på grunn av skjerming av ladninger av metylgrupper), er det i denne sykliske formen, som S.E. Severin et al. tror, at karnitin er i stand til å diffundere gjennom lipidlaget i membranen og overføre acyler.
Ikke-vitaminkoenzymer
Nukleotidkoenzymer. Til nukleotidkoenzymer som ikke er derivater av vitaminer (i dette skiller de seg fra de betraktede nukleotidkoenzymer - NAD, NADP, FAD, CoA, i konstruksjonen som de deltar i
vitaminer), inkluderer nukleosid-difosfater og nukleosid-monofosfater, forbundet gjennom det terminale fosfatet e av forskjellige substrater.
Alle nukleotidkoenzymer er delt inn i fem grupper avhengig av type nukleosid: uridin, cytidin, tymidin, adenosin og guanosin. Individuelle nukleotidkoenzymer i hver gruppe skiller seg fra hverandre ved substratet festet til dem. Over 60 forskjellige nukleotidkoenzymer er allerede kjent, som inneholder rester av sukker, alkoholer, aminosyrer, lipider og uorganiske stoffer. Den mest representative blant dem er gruppen av nukleosid-difosfatsukker. Nedenfor er strukturen til noen representanter for nukleotidkoenzymer:
 |
De fleste av de kjente nukleotidkoenzymene er representert av nukleosid-difosfater; Men det er n nukleosidmonofosfater, for eksempel CM-sialinsyre. Reaksjoner der nukleotid-ikke-vitaminkoenzymer deltar, kan deles inn i to typer. Den første inkluderer reaksjoner assosiert med transformasjonen av substratet i koenzymmolekylet. I dette tilfellet sammenlignes koenzymet med et kosubstrat. Ulike transformasjoner kan forekomme med substratet i koenzymet: stereoisomerisering (for eksempel omdannes UDP-glukose til UDP-galaktose), oksidasjon eller reduksjon (for eksempel skjer enzymatisk oksidasjon av C 6-atomet i glukose i leveren og sistnevnte omdannes til UDP-glukuronsyre) etc.
Reaksjoner av den andre typen er assosiert med deltakelsen av nukleotidkoenzymer som substratdonorer i gruppeoverføringsreaksjoner. I dette tilfellet brytes fosfoesterbindingene som forbinder koenzymet og substratet. Denne typen reaksjon brukes i syntesen av forskjellige stoffer. Således er UDP-glukose en donor av glukose i biosyntesen av glykogen, UDP-glukuronsyre er en donor av glukuronsyrerester i konjugasjonsreaksjoner av naturlig (for eksempel bilirubin) og fremmede stoffer, CDP-kolin er en kolindonor i biosyntesen av kolinfosfatider, etc.
Karbohydratfosfater som koenzymer. Noen karbohydratfosfater fungerer som koenzymer. Således virker glukose-1,6-difosfat som et koenzym av enzymet glukosefosfatisomerase, som katalyserer den reversible isomeriseringen av glukose-6-fosfat og fruktose-6-fosfat; 2,3-difosfoglyserat - som et koenzym av fosfoglyseratmutase, som er involvert i omdannelsen av 2-fosfoglyserat til 3-fosfoglyserat og tilbake. Det skal bemerkes at 2,3-difosfoglyserat også er en regulator av hemoglobinfunksjoner.
Metallporfyrinkoenzymer. Disse inkluderer de tidligere diskuterte hemene, som deltar som koenzymer i redoksreaksjoner katalysert av oksidoreduktaser (cytokromer, katalase, peroksidase, tryptofan oksygenase, etc.)> og klorofyll involvert i oksidativ nedbrytning av vann under fotosyntese (se kap. Energidannelse). i fotosyntetiserende organismer).
Peptidkoenzymer. Disse inkluderer glutation. I henhold til dens kjemiske struktur er det et tripeptid - glutaminsteinylglycin.
Dens funksjonelle gruppe er SH-gruppen av cystein, som er i stand til reversible redokstransformasjoner. Derfor er det to former for glutation: redusert (forkortet G-SH) og oksidert, eller disulfid (G-S-ST):
HOOC-CH-CH 2 -CH 2 - CO-NH-CH-CO-NH-CH*-COOH
HOOC-CH-CH,-CHj-CO-NH-CH-co-NH-CH2-COOH
HOOC-CH-CH 5 -CHj-CO-NH-CH-CO-NH-CH g -COOH
glutationvindu ff-S-ST]
Glutation er et koenzym av en rekke oksidoreduktaser, for eksempel glutationperoksidase.
5. Metallioner som enzymkofaktorer
Metallioner kan også være kofaktorer. Met allo-enzymer er en svært vanlig gruppe enzymer som utgjør "/< от всех ферментов. Роль металлов в этих ферментах различна. Металлоферменты делятся на две группы:
I. Enzymer hvor metallioner fungerer som en aktivator (disse enzymene kan katalysere uten metall).
II. Enzymer der metallioner fungerer som en kofaktor (uten metallioner er disse enzymene inaktive).
1) Dissosierende metalloenzymer (metallionet dissosieres lett fra apoenzymet).
2) Ikke-dissosierende metalloenzymer (metallionet er tett bundet til apoenzymet):
a) miste aktivitet når metallet bindes med et reagens;
b) ikke mister aktivitet når metallet bindes med et reagens.
Metallioner som kofaktorer er en del av enzymer som tilhører forskjellige klasser. Metalloenzymer som katalyserer oksidasjons-reduksjonsreaksjoner er ganske mange. Metallionet kan være lokalisert^
Tabell 21. Eksempler på metalloenzymer ulike klasser
|
i det aktive senteret eller være en del av et større organisk molekyl (for eksempel hem), eller kan være direkte assosiert med aminosyrerester i apoenzymet. Siden elektronoverføring skjer under virkningen av oksidoreduktaser og graden av oksidasjon av underlag endres, fungerer metaller med variabel valens som kofaktorer: jern, kobber, molybden, kobolt. v
Hvis metallet ikke er direkte involvert i katalyse, men tjener andre formål, for eksempel binder substratet, inkluderer oksidoreduktaser metaller med konstant grad av oksidasjon.
Metallenzymer som katalyserer hydrolysereaksjonene til substrater inneholder metaller med konstant valens: sink, kalsium, magnesium. Metaller med varierende oksidasjonstilstander, som mangan, finnes sjelden i hydrolaser (se tabell 21).
Hva er rollen til metaller i den katalytiske virkningen av enzymet? Flere er påvist mulige alternativer deltakelse av metallioner i enzymet. For det første er metallet, som er en slags elektrofil gruppe i det aktive senteret, i stand til å samhandle med negativt ladede grupper av substratet. Et slikt metall-substratkompleks angripes lettere av enzymet. For eksempel danner Mg 2+ (eller Mn 2+) ioner et kompleks med ATP eller ADP i reaksjoner katalysert av kreatinfosfokinase og ATPase. Som et resultat er enzymaktiviteten fullstendig manifestert, og i fravær av metaller er enzymene inaktive eller inaktive.
For det andre kan et metall med variabel valens selv delta i elektrontransport, dvs. utføre funksjonen til et katalytisk sted.
For det tredje fremmer metallet dannelsen av en katalytisk aktiv konformasjon av den tertiære og kvaternære strukturen til apoenzymet. Stabilisering er mulig ved dannelse av saltbroer mellom metallionet og karboksylgruppene til sure aminosyrer under dannelsen av den tertiære strukturen til enzymproteinmolekylet eller mellom underenheter under dannelsen av den kvaternære strukturen. For eksempel stabiliserer kalsiumioner a-amylase, og sinkioner stabiliserer alkoholdehydrogenase. Alkoholdehydrogenase fratatt sink dissosieres til underenheter og mister aktivitet.
For det fjerde fungerer metaller noen ganger som en slags bro mellom apoenzymet og koenzymet. For eksempel, i alkoholdehydrogenase, binder sinkionet NAD+.
Det bør huskes at, akkurat som vitaminkoenzymer, kommer metaller inn i kroppen med mat. Derfor normal funksjon en stor familie av metalloenzymer er avhengig av normal tilførsel av metaller, de fleste av dem tilhører gruppen av sporstoffer. Derfor den høye biologiske aktiviteten til disse metallene: utilstrekkelig inntak fra mat kan forårsake alvorlige metabolske forstyrrelser i kroppen.
6. Virkningsmekanisme til enzymer
Den komplekse strukturelle og funksjonelle organiseringen av enzymer er delvis nøkkelen til å forstå de karakteristiske egenskapene til enzymer - høy spesifisitet og katalysehastighet, som ikke er oppnåelig for ikke-enzymatiske katalysatorer. En av de første hypotesene som forklarte virkningen av enzymer var adsorpsjonshypotesen, foreslått på begynnelsen av 1900-tallet. Den engelske fysiologen Baylis og den tyske biokjemikeren Warburg. Når vi underbygger hovedbestemmelsene i denne hypotesen, gikk vi ut fra virkningsmekanismen til ikke-biologiske katalysatorer. I følge adsorpsjonshypotesen er overflaten av enzymet, som svampete platina, stedet for adsorpsjon av reagensmolekyler. Dette letter deres samhandling og fremskynder reaksjonen. Imidlertid forklarte ikke denne hypotesen spesifisiteten til enzymvirkning og har nå bare historisk betydning.
En viktig rolle i utviklingen av ideer om virkningsmekanismen til enzymer ble spilt av de klassiske verkene til Michaelis og Menten, som utviklet konseptet med enzym-substratkomplekser. I følge ideene til Michaelis-Menten beskrives hele prosessen med enzymatisk katalyse med en enkel ligning (rns. 21).
Prosessen med enzymatisk katalyse kan deles inn i tre stadier, som hver har sine egne egenskaper.
Del 1. Diffusjon av substratet til enzymet og dets steriske binding til det aktive senteret av enzymet (dannelse av et enzym-substratkompleks
2. Konvertering av det primære enzym-substratkomplekset til ett eller flere aktiverte enzym-substratkomplekser (betegnet ES* og ES** i ligningen).
3. Separasjon av reaksjonsprodukter fra enzymets aktive senter og deres diffusjon inn i miljø(EP-kompleks dissosieres i E og P).
Det første stadiet, vanligvis kort i tid, avhenger av konsentrasjonen av substratet i mediet og hastigheten på dets diffusjon til det aktive sentrum av enzymet. Dannelsen av ES-komplekset skjer nesten umiddelbart. På dette stadiet er endringen i aktiveringsenergi ubetydelig. Orienteringen av substrater i det aktive stedet for enzymet favoriserer deres tilnærming og passasje av reaksjonen.
Det andre stadiet er det tregeste, og dets varighet avhenger av aktiveringsenergien til en gitt kjemisk reaksjon. På dette stadiet løsnes substratbindingene, brytes eller nye bindinger dannes som et resultat av samspillet mellom de katalytiske gruppene i enzymet. Det er nettopp på grunn av dannelsen av aktiverte overgangskomplekser at aktiveringsenergien til substratet avtar.Det andre trinnet begrenser hastigheten på hele katalysen.
Den tredje fasen er kortvarig, som den første. Det bestemmes av hastigheten for diffusjon av reaksjonsprodukter til miljøet.
De molekylære mekanismene for enzymvirkning er fortsatt stort sett uklare. Blant de studerte mekanismene for enzymvirkning kan følgende bemerkes:
1) effekten av orientering av reagenser (tilnærming);
2) effekten av substratdeformasjon (spenning, bøying, spenning);
3) syre-base katalyse;
4) kovaleittkatalyse.
Effekten av orientering av reagenser er en veldig karakteristisk egenskap til enzymer, som gjør det mulig å akselerere transformasjonen (øke reaktiviteten til substrater) med tusenvis eller titusenvis av ganger. Kontaktområdene til enzymets aktinsenter binder spesifikt substrater og sikrer deres gjensidige orientering og tilnærming på en måte som er gunstig for virkningen av de katalytiske gruppene. Denne gjensidige orienteringen av to eller flere molekyler, som er umulig under tilfeldige kollisjoner i et vandig medium og på overflaten av en uorganisk katalysator, bidrar til å øke reaksjonshastigheten. Det ordnede arrangementet av underlag fører til en reduksjon i entropi, og bidrar derfor til å redusere aktiveringsenergien.
Effekten av substratdeformasjon (eller den såkalte "rack"-teorien) forklarer godt virkningen av hydrolaser, lyaser og noen transferaser. Før det kobles sammen med enzymet, har substratet en "avslappet" konfigurasjon. Etter binding til det aktive senteret ser det ut til at substratmolekylet strekker seg ("stresset" eller "deformert" konfigurasjon). Jo større lengden på den interatomiske bindingen i underlaget er, desto lavere energi er bruddet (dvs. aktiveringsenergien avtar). Steder for deformasjon (strekk) angripes lettere, for eksempel av vannmolekyler.
Syre-base katalyse. Det særegne ved det aktive senteret til enzymet, i motsetning til andre katalysatorer, er at det inneholder funksjonelle grupper av aminosyrerester som viser egenskapene til både en syre og en base. Derfor utviser enzymet syre-base-egenskaper under den katalytiske handlingen, det vil si at det spiller rollen som både en akseptor og en donor av protoner, noe som er umulig for konvensjonelle katalysatorer.
Tabell 22. Noen enzymer som er i stand til kovalent katalyse
e produkt
Kymotryapsin, trypsin, trombin, esterase
2. Fosfoglukomutase, alkalisk fosfatase
O-R-O-CHj-CH-
Når et substrat er fiksert i det aktive stedet, påvirkes dets molekyl av elektrofile og nukleofile grupper på det katalytiske stedet, noe som forårsaker en omfordeling av elektrontettheten i områder av substratet angrepet av syre-base-grupper. Dette letter omorganisering og brudd av bindinger i substratmolekylet. Enzymer som har histidin i sitt katalytiske senter har en uttalt evne til syre-base katalyse. Histidin har distinkte syre-base egenskaper. Når histidin blokkeres, inaktiveres enzymet. Syre-base-katalyse er karakteristisk for hydrolaser, lyaser og isomeraser. Det er ofte kombinert med kovalent katalyse.
Kovalent katalyse observeres i enzymer som danner kovalente bindinger mellom de katalytiske gruppene til det aktive stedet og underlaget. Covadent enzym-substrat-mellomprodukter er svært ustabile og brytes lett ned, og frigjør reaksjonsprodukter. I tabellen 22 viser noen enzymer som har evnen til kovalent katalyse. De fleste enzymer er preget av en kombinasjon av de beskrevne mekanismene, som sikrer deres høye katalytiske aktivitet.
7. Spesifisitet av enzymvirkning
Enzymer har forskjellige spesifisiteter mot underlag. Basert på graden av spesifisitet deles enzymer inn i følgende hovedtyper, nevnt i rekkefølge av avtagende spesifisitet.
1. Stereokjemisk substratspesifisitet - enzymet katalyserer omdannelsen av bare én av de mulige stereoisomerene av substratet. Dette er et ekstremt tilfelle av spesifisitet. For eksempel katalyserer fumarathydrat omdannelsen av bare fumarsyre (tilsetning av et vannmolekyl til det), og ikke dets stereoisomer, maleinsyre.
2,
Absolutt substratspesifisitet - enzymet katalyserer omdannelsen av kun ett substrat. For eksempel katalyserer urease omdannelsen av kun urea.
3. Absolutt gruppesubstratspesifisitet - enzymet katalyserer transformasjonen av en lignende gruppe substrater. For eksempel katalyserer alkoholdehydrogenase transformasjonen av ikke bare etanol, men også andre alifatiske alkoholer, men med forskjellige hastigheter.
4. Relativ gruppe substratspesifisitet - enzymet virker spesifikt ikke på en gruppe substratmolekyler, men på individuelle bindinger til en viss gruppe substrater. For eksempel er fordøyelsesenzymer - pepsin, trypsin - spesifikke for peptidbindinger dannet av visse aminosyrer i forskjellige proteiner.
5. Relativ substratspesifisitet - enzymet katalyserer transformasjonen av substrater som tilhører forskjellige grupper av kjemiske forbindelser. For eksempel er enzymet cntokrom involvert i hydroksyleringen av forskjellige forbindelser (ca. 7000 navn). Dette er det minst spesifikke enzymsystemet som er involvert i konverteringen naturlige stoffer, narkotika og giftstoffer.
Hva forklarer spesifisiteten til enzymvirkning? Det er to synspunkter på denne saken. En av dem, hypotesen til E. Fischer, eller, som den kalles, "nøkkel og lås" eller "mal"-hypotesen, fastsetter at spesifisitet er basert på den strenge steriske korrespondansen mellom substratet og det aktive senteret til enzymet. .
Ifølge Fischer er et enzym en stiv struktur, hvis aktive senter er en avstøpning av underlaget. Hvis underlaget nærmer seg det aktive
senter, som en nøkkel til en lås, så vil reaksjonen oppstå. Hvis underlaget ("nøkkel") er litt endret, samsvarer det ikke med det aktive senteret ("lås"), og reaksjonen blir umulig. Fishers hypotese er attraktiv for sin enkelhet i å forklare spesifisiteten til enzymvirkning. Fra synspunktet til "mal"-hypotesen er det imidlertid vanskelig å forklare for eksempel absolutt og relativ gruppesubstratspesifisitet, siden konfigurasjonen av "nøkler" (substrater) som passer til samme "lås" er for mangfoldig.
En annen hypotese foreslått av Koshland forklarer disse ytre motsetningene. Det kalles "tvungen korrespondanse"-hypotesen. I følge Koshland er enzymmolekylet ikke stivt, men fleksibelt, elastisk (noe som bekreftes av moderne metoder forskning); konformasjonen av enzymet og dets aktive senter endres når et substrat eller andre ligander tilsettes; Og. til slutt, det aktive senteret er ikke en stiv avstøpning av substratet, men substratet tvinger det til å ta den passende formen i festeøyeblikket (derav navnet på "tvungen konformitet"-hypotesen).
Med andre ord, " nøkkelhull"I følge Koshland er laget av et formbart materiale og tar derfor den endelige formen av en "nøkkel" ved kontakt.
Hypotesen om "tvungen konformitet" mottok eksperimentell bekreftelse etter at en endring i arrangementet av de funksjonelle gruppene til det aktive stedet til en rekke enzymer etter tilsetning av et substrat ble registrert. Denne hypotesen lar oss også forklare hvorfor transformasjonen av nære analoger av substrater skjer. Hvis det "falske" substratet (kvasi-substrat) skiller seg litt fra det naturlige og det aktive senteret får en konformasjon. nær sann, så er arrangementet av katalytiske grupper i t
 |
et slikt enzym-substratkompleks vil tillate reaksjonen å finne sted (fig. 22). Enzymet ser ikke ut til å legge merke til dette "bedraget". Imidlertid vil den enzymatiske reaksjonen ikke forløpe like raskt som med et ekte substrat, siden det ikke er noe ideelt arrangement av de katalytiske gruppene i enzymets aktive sete.
Bare hvis konfigurasjonen av kvasi-substratet ikke tillater riktig plassering av de katalytiske gruppene, vil reaksjonen ikke fortsette (fig. 22, c). Åpenbart reflekterer den ulik grad av spesifisitet til forskjellige enzymer, som det var, rekkevidden av konformasjonsomorganiseringer av det aktive senteret. Hvis det er begrenset til en enkelt mulig konformasjon, er enzymet svært spesifikt. Hvis mulighetene for restrukturering er store, så virker enzymet også på kvasi-substrater.
8. Kinetikk av enzymatiske reaksjoner
Kinetikken til enzymvirkning er en gren av enzymologi som studerer avhengigheten av reaksjonshastigheten katalysert av enzymer på den kjemiske naturen og betingelsene for interaksjon av substratet med enzymet, så vel som av miljøfaktorer. Med andre ord lar enzymkinetikk oss forstå arten av de molekylære virkningsmekanismene til faktorer som påvirker hastigheten på enzymatisk katalyse.
Hastigheten til en enzymatisk reaksjon bestemmes av mengden stoff (eller stoffer) som omdannes per tidsenhet. Hastigheten av disse reaksjonene avhenger av påvirkningen av ytre forhold (temperatur, pH i miljøet, påvirkning av naturlige og fremmede forbindelser, etc.).
Grunnlaget for kinetikken til enzymatiske reaksjoner ble lagt i verkene til Michaelis og Menten. Hastigheten til en enzymatisk reaksjon er et mål på den katalytiske aktiviteten til enzymet og blir ganske enkelt referert til som aktiviteten til enzymet. Enzymaktivitet kan kun måles indirekte: ved mengden substrat som er omdannet eller ved økning i produktkonsentrasjon per tidsenhet.
Avhengighet av hastigheten på enzymatisk reaksjon på konsentrasjonen av substrat og enzym. Den enzymatiske reaksjonen er skjematisk beskrevet av ligningen der k er hastighetskonstantene for forover (+) og revers reaksjoner (-).
Ved å bruke denne ligningen, utledet Briggs og Haldane et matematisk uttrykk for avhengigheten av reaksjonshastighet på substratkonsentrasjon:
v=iw),
hvor v er den observerte reaksjonshastigheten; - maksimal reaksjonshastighet; Kt - Michaelis konstant. Denne ligningen kalles ligning
Michaelisa - Menten. Når og = "/ 2 og tlx etter passende transformasjoner
ta, dvs. K m = [S]. Derfor har Michaelis-konstanten dimensjonen konsentrasjon." Den er lik konsentrasjonen av substratet der reaksjonshastigheten er halvparten av maksimum, n uttrykkes i mol per liter. K t ved k-x^k+t er eller hastighetskonstant for den enzymatiske reaksjonen. Jo høyere K t , jo lavere er hastigheten for katalytisk transformasjon av substratet av dette enzymet. I henhold til verdien av Kt kan enzymer deles inn i "rask" (med lav Kt) og "sakte" (med høy Kt) Hvis et enzym katalyserer en to-substratreaksjon, så har hvert substrat sin egen Km, og de kan variere betydelig.I enzymer med gruppesubstratspesifisitet har hvert substrat sin egen Km.
Affiniteten til substratet for enzymet bedømmes av substratkonstanten, betegnet med symbolet K s - Det er dissosiasjonskonstanten til ES-komplekset. Jo tettere substratet er bundet, desto langsommere brytes ES ned til E og S, noe som betyr at et slikt substrat har høy affinitet (bindingsspesifisitet) for enzymets aktive senter og omvendt.
Grafisk er reaksjonshastighetens avhengighet av substratkonsentrasjonen beskrevet av en hyperbel kalt Michaelis-kurven (fig. 23). Formen på kurven viser at med økende substratkonsentrasjon blir alle aktive sentra i enzymmolekylene mettet. Dette tilsvarer maksimal dannelse av enzym-substratkomplekser og maksimal reaksjonshastighet vta» Km er lett å finne på en slik graf. Noen ganger plottes en graf over reaksjonshastigheten mot substratkonsentrasjonen ved bruk av den doble resiproke metoden (Lineweaver-Burk-metoden) (Fig. 23.6). Verdien av Michaelis-konstanten er funnet som vist i grafen.
Ut fra hvordan reaksjonshastigheten endres ved forskjellige substratkonsentrasjoner, kan man bedømme reaksjonsrekkefølgen, som må være kjent for å fungere med enzymer og for å korrekt bestemme deres aktivitet i kliniske laboratorier. Reaksjonsrekkefølgen kan variere fra null og høyere. Ved null orden er reaksjonshastigheten konstant og avhenger ikke av konsentrasjonen av substratet. I dette tilfellet er reaksjonshastigheten maksimal (Ppi*) - I første rekkefølge er reaksjonshastigheten direkte proporsjonal med konsentrasjonen av et av substratene osv. For å kunne bestemme enzymets aktivitet korrekt, er det nødvendig for å oppnå en null reaksjonshastighet, dvs. bestemme hastigheten på den enzymatiske reaksjonen ved mettende substratkonsentrasjoner. I dette tilfellet vil alle endringer i reaksjonshastigheten kun avhenge av mengden fermekg.
For å vurdere driftsforholdene til ethvert enzym i cellene i kroppen, er det nødvendig å vite de faktiske konsentrasjonene av substrater som er tilstede i dem. Under fysiologiske forhold fungerer enzymer nesten aldri med full styrke, fordi konsentrasjonene av deres substrater er langt fra mettende. Kanskje det eneste substratet som kreves for hydrolaser er vann, som er tilstede i cellene i mettende konsentrasjoner, bortsett fra i tilfeller der den strukturelle lokaliseringen av enzymet begrenser tilgangen til vann til det aktive senteret.
Avhengigheten av reaksjonshastigheten på mengden enzym er lineær, noe som, som allerede nevnt, skiller enzymet fra ikke-biologiske katalysatorer. Fra dette kan vi trekke en viss praktisk konklusjon at jo større antall molekyler av et gitt enzym i en organismecelle sammenlignet med andre, jo høyere er hastigheten på kjemiske transformasjoner katalysert av dette enzymet. Hvis et enzym er utilstrekkelig (syntese er svekket), begrenser reaksjonshastigheten katalysert av det forløpet av relaterte biokjemiske prosesser.
En økning i antall enzymmolekyler, oppnådd ved naturlig stimulering av deres dannelse eller ved hjelp av medisiner, tillater enten å gjenopprette den svekkede reaksjonshastigheten eller å tilpasse de nødvendige biokjemiske reaksjonene til nye leveforhold.
Reaksjonshastighetens avhengighet av pH i mediet. Typisk er kurven for avhengigheten av hastigheten til en enzymatisk reaksjon på pH i mediet klokkeformet (fig. 24), siden hvert enzym har sin egen optimale pH, ved hvilken hastigheten på reaksjonen det katalyserer er maksimal. . Et pH-avvik i en eller annen retning fører til en reduksjon i hastigheten på den enzymatiske reaksjonen.
Optimale pH-verdier for noen enzymer
Enzym.. Pepsin Acid Urease, Trypsin Arginase
Phosphataea pankreas amylase
Optimal pH 1,5-2,5 4,5-5,0 6,4-7,2 7,8 9,5-9,9
Fra de presenterte dataene er det klart at den optimale pH ikke er den samme for forskjellige enzymer. Imidlertid har de fleste celleenzymer et pH-optimum nær nøytralt, dvs. sammenfallende med fysiologiske verdier pH.
Avhengigheten av hastigheten på en enzymatisk reaksjon på pH indikerer hovedsakelig tilstanden til de funksjonelle gruppene til det aktive senteret av enzymet. En endring i pH i mediet påvirker ioniseringen av sure og basiske grupper av aminosyrerester i det aktive senteret, som er involvert enten i bindingen av substratet (i kontaktstedet) eller i dets transformasjon (i det katalytiske stedet). ). Derfor kan den spesifikke effekten av pH være forårsaket
enten ved en endring i affiniteten til substratet for enzymet, eller ved en endring i den katalytiske aktiviteten til enzymet, eller begge deler.
De fleste underlag har sure eller basiske grupper, så pH påvirker graden av ionisering av underlaget. Enzymet binder seg fortrinnsvis til enten den ioniserte eller ikke-ioniserte formen av substratet. Ved optimal pH er åpenbart de funksjonelle gruppene til det aktive setet i den mest reaktive tilstanden, og substratet er i en form foretrukket for binding av disse enzymgruppene.
Den enzymatiske reaksjonens avhengighet av pH i mediet er av praktisk betydning. Først av alt bør bestemmelse av enzymaktivitet utføres ved optimal pH for et gitt enzym. For å gjøre dette, velg den nødvendige bufferløsningen med den nødvendige pH-verdien.
Omfanget av pH-fluktuasjoner under fysiologiske forhold er ubetydelig, men det kan være endringer i pH i et begrenset område av cellen. De påvirker aktiviteten til enzymer. For eksempel, under aktivt muskelarbeid, akkumuleres melkesyre, som midlertidig skifter pH i miljøet muskelceller til den sure siden, som endrer hastigheten på enzymatiske reaksjoner. t
Kunnskap om pH-optima for individuelle enzymer er viktig for praktisk medisin. For eksempel krever pepsin et sterkt surt miljø for aktiv hydrolyse av proteiner i magen, så for å gjenopprette den svekkede aktiviteten til endogent pepsin, er det nødvendig å ta sure stoffer. Pepsin tas med saltsyre, som skaper ønsket pH.
 |
Avhengighet av hastigheten til enzymatisk reaksjon på temperaturen. Med økende temperatur i miljøet øker hastigheten på den enzymatiske reaksjonen, og når et maksimum til noen optimal temperatur, og synker deretter til null (fig. 25). For kjemiske reaksjoner er det en regel om at når temperaturen øker med 10°C, øker reaksjonshastigheten to til tre ganger. For enzymatiske reaksjoner er denne temperaturkoeffisienten lavere: for hver 10°C øker reaksjonshastigheten med 2 ganger eller enda mindre. Den påfølgende reduksjonen i reaksjonshastigheten til null (nedstigende gren i fig. 25) indikerer denaturering av enzymblokken. Optimale temperaturverdier
For de fleste enzymer er de i området 20-40°C. Termolabiliteten til enzymer er assosiert med deres proteinstruktur. Noen enzymer denatureres allerede ved en temperatur på ca. 40°C, men de fleste av dem aktiveres ikke ved temperaturer over 40-50°C. Noen enzymer inaktiveres av kulde, det vil si at ved temperaturer nær 0°C oppstår denaturering.
Noen enzymer følger imidlertid ikke disse mønstrene. Enzymet katalase er således mest aktivt ved temperaturer som nærmer seg 0°C. Det finnes også termostabile enzymer. For eksempel kan adenylatkinase tåle temperaturer på 100°C i kort tid uten inaktivering. Mikroorganismer som lever i varme kilder inneholder mange proteiner, inkludert enzymer, som er preget av høy termisk stabilitet. Som nevnt tidligere er slike enzymer glykoproteiner, siden karbohydratkomponenten gir proteinet varmestabilitet.
Effekten av temperatur på enzymaktivitet er viktig for å forstå livsprosesser. Når temperaturen synker, går noen dyr inn i en dvaletilstand eller suspendert animasjon. Hastigheten av enzymatiske reaksjoner i denne tilstanden reduseres, noe som sikrer lavt forbruk av kroppens akkumulerte næringsstoffer og redusert aktivitet av cellulære funksjoner. Oppvarming av kroppen akselererer forløpet av enzymatiske reaksjoner og returnerer dyrets kropp til aktiv aktivitet.
Kunstig nedkjøling av kroppen, såkalt dvalemodus, brukes i klinikken til kirurgiske operasjoner. Avkjøling av kroppen bremser også hastigheten på enzymatiske reaksjoner, noe som reduserer forbruket av stoffer og bevarer kroppscellenes levedyktighet over en lengre periode.
Økt kroppstemperatur ( febril tilstand), for eksempel under infeksjoner, akselererer biokjemiske reaksjoner katalysert av enzymer. Det er lett å beregne at hver grad økning i kroppstemperatur øker reaksjonshastigheten med ca. 20 %. Ved høye temperaturer på ca. 39-40°C må den sløsede bruken av endogene substrater i cellene til en syk organisme fylles på med mat. I tillegg, ved en temperatur på ca. 40°C, kan noen svært termolabile enzymer denatureres, noe som forstyrrer det naturlige forløpet til biokjemiske prosesser. Så kunnskap om temperaturavhengigheten til enzymatiske reaksjoner gjør at de kan brukes i det praktiske arbeidet til en lege.
For å bestemme aktiviteten til enzymer i laboratoriepraksis, velges alltid visse standard eller optimale temperaturforhold, under hensyntagen til termolabiliteten til et bestemt enzym. Å sammenligne endringer i aktiviteten til et enzym som er bestemt for å identifisere lidelser i kroppen, er bare mulig under de samme temperaturforholdene.
Termisk avhengighet av enzymer brukes i praksis for å utvikle temperaturforhold for matlagring. Deres sikkerhet under lave temperaturer er et resultat av lav aktivitet av sine egne enzymer, som ikke "spiser" deres substrater (for eksempel i grønnsaker, frukt, etc.), eller enzymer av mikroorganismer, som kan ødelegge mat.
9. Bestemmelsesmetoder og enheter for enzymaktivitet
Enzymer som finnes i celler, vev og organer er forhåndsekstrahert ved hjelp av spesielle metodiske teknikker. Under ekstraksjonen tilsettes de nødvendige enzymstabilisatorene for å beskytte dem mot inaktivering. En enzymløsning (ekstrakt fra biologisk materiale) brukes til å bestemme enzymer. Serum eller blodplasma, andre biologiske væsker er ferdige løsninger av enzymer, så de brukes umiddelbart til bestemmelse. Hvis målet med studien er å oppnå et renset eller krystallinsk enzym, bestemmes aktiviteten etter hvert trinn i rensingen.
Kvalitative og kvantitative tester for enzymet utføres indirekte ved tap av substratet eller akkumulering av reaksjonsprodukter i mediet. Direkte måling av enzymmengden er i prinsippet kun mulig for et homogent, krystallinsk enzym. Mengden protein målt med direkte kjemiske metoder må tilsvare mengden enzym. I praksis, selv i dette tilfellet, brukes en indirekte metode, siden mengden protein i en løsning av et homogent enzym ennå ikke er et kriterium for aktiviteten til enzymet (noen av molekylene kan være i inaktiv eller denaturert tilstand ).
Hastigheten med hvilken substratet forsvinner eller mengden reaksjonsprodukter øker per tidsenhet tjener som et mål på enzymaktivitet.
Standard betingelser. For riktig å bestemme aktiviteten til et enzym, er det nødvendig å utføre det under standardbetingelser, som er etablert for hvert enzym fra foreløpige kinetiske studier, og å nøyaktig måle endringen i innholdet av substratet eller reaksjonsproduktet over en viss periode av tid.
Det er nødvendig å opprettholde den optimale pH-verdien for enzymet som bestemmes (4eHHt) (bruk en passende buffer). Substratkonsentrasjonen må være større enn den mettende, hvor den maksimale reaksjonshastigheten opprettholdes (supermettende substratkonsentrasjoner er spesielt etablert for enzymer utsatt for substrathemming). For komplekse enzymer som krever kofaktorer (metallioner, koenzymer), konsentrasjon av kofaktorer må også overstige den mettende. Standardtemperaturen antas å være 25°C (måling ved andre temperaturer spesifiseres spesifikt i forsøket).Disse standardbetingelsene gir en nullordensreaksjon, der endringen i konsentrasjonen av substratet eller reaksjonsproduktet avhenger bare av mengden enzym tilsatt til mediet.
Til riktig måling aktiviteten til enzymet, er det nødvendig å bestemme den innledende reaksjonshastigheten, dvs. ved begynnelsen av reaksjonen, når konsentrasjonen av substratet eller produktet endres proporsjonalt over like tidsperioder.
Metoder for å bestemme innholdet av substrat eller reaksjonsprodukt. Bestemmelsen utføres ved en hvilken som helst metode (kolorimetrisk, spektrofotometrisk, fluorimetrisk, polarografisk, etc.) etter å ha stoppet reaksjonen etter en viss tidsperiode eller registreres kontinuerlig under reaksjonen. Den siste metoden er mer praktisk. Det er mulig hvis substratet eller produktet absorberes i et bestemt område av spekteret (endringen i deres absorpsjon under reaksjonen registreres på et spektrofotometer) eller fluorescerer (endringen i fluorescens over en viss tid registreres kontinuerlig på spektrofluormålere), etc. Med andre ord, valg av bestemmelsesmetode Enzymaktivitet er begrenset av evnen til å bestemme substratet eller reaksjonsproduktene.
Enheter for enzymaktivitet. Den internasjonale enheten for enzymaktivitet er mengden enzym som er i stand til å omdanne ett mikromol (µmol) substrat på 1 minutt under standardbetingelser. Internasjonale enheter for enzymmengde er betegnet med symbolet E eller U.
Den spesifikke aktiviteten til et enzym er lik massen til enzymet (r milligram) som er i stand til å omdanne 1 µmol substrat på 1 min under standardbetingelser, uttrykt i µmol/(min mg protein"). En ny enhet for katalytisk aktivitet, katal (symbol - kat), anbefales også, som er mengden enzym som er i stand til å omdanne 1 mol substrat på 1 sekund under standardforhold.
10. Regulering av enzymaktivitet
Enzymer, som allerede nevnt, er katalysatorer med kontrollert aktivitet. Derfor er det gjennom enzymer mulig å kontrollere strømningshastigheten kjemiske reaksjoner i organismen. Regulering av enzymaktivitet kan utføres ved interaksjon med dem av forskjellige biologiske komponenter eller fremmede forbindelser (for eksempel legemidler og giftstoffer), som vanligvis kalles enzymmodifikatorer eller regulatorer. Under påvirkning av modifikatorer på enzymet, kan reaksjonen akselerere (i dette tilfellet kalles de aktivatorer) eller bremse ned (i dette tilfellet kalles de inhibitorer).
Enzymaktivering
Enzymaktivering bestemmes av akselerasjonen av biokjemiske reaksjoner som oppstår etter virkningen av modifikatoren. En gruppe aktivatorer består av stoffer som påvirker området til det aktive senteret til enzymet. Disse inkluderer enzymkofaktorer og substrater. Kofaktorer (metallioner og koenzymer) er ikke bare obligatoriske strukturelle elementer av komplekse enzymer, men i hovedsak deres aktivatorer.
Metallioner er ganske spesifikke aktivatorer. Noen enzymer krever ofte ioner av ikke ett, men flere metaller. For eksempel krever Na^K^-ATPase, som transporterer monovalente kationer over cellemembranen, magnesium-, natrium- og kaliumioner som aktivatorer.
Aktivering med metallioner skjer gjennom forskjellige mekanismer. I noen enzymer er de en del av det katalytiske stedet. I noen tilfeller letter metallnononer bindingen av substratet til det aktive senteret av enzymet, og danner en slags bro. Ofte kombinerer metallet ikke med enzymet, men med substratet, og danner et metall-substratkompleks, som er å foretrekke for virkningen av enzymet.
Spesifisiteten til deltakelsen av koenzymer i binding og katalyse av underlaget forklarer deres aktivering av enzymatiske reaksjoner. Den aktiverende effekten av kofaktorer er spesielt merkbar når den virker på et enzym som ikke er mettet med kofaktorer.
Substratet er også en aktivator innenfor visse konsentrasjonsgrenser. Etter å ha nådd mettende konsentrasjoner av substratet, øker ikke enzymaktiviteten. Substratet øker stabiliteten til enzymet og letter dannelsen av den ønskede konformasjonen av det aktive senteret av enzymet. ,
Metallioner, koenzymer og deres forløpere og aktive analoger, substrater kan i praksis brukes som legemidler som aktiverer enzymer.
Aktivering av noen enzymer kan utføres ved modifikasjoner som ikke påvirker det aktive senteret til molekylene deres. Flere alternativer for slik modifikasjon er mulig: 1) aktivering av en inaktiv forløper - proenzym eller zymogen; 2) aktivering ved å feste en hvilken som helst spesifikk modifiserende gruppe til enzymmolekylet; 3) aktivering ved dissosiasjon av det inaktive proteinaktive enzymkomplekset.
Enzyminhibering
Inhibitorer er av stor interesse for å forstå mekanismen for enzymatisk katalyse. Bruken av forskjellige stoffer som binder de funksjonelle gruppene til kontakt- og katalytiske steder i det aktive senteret av enzymet kan avklare betydningen av visse grupper involvert i katalyse. Inhibitorer lar oss forstå ikke bare essensen av enzymatisk katalyse, men er også et unikt verktøy for å studere rollen til individuelle kjemiske reaksjoner som spesifikt kan slås av ved å bruke en hemmer av et gitt enzym. Studiet av hemming av enzymatiske reaksjoner er av praktisk betydning for å forske og dechiffrere virkningsmekanismen til legemidler, plantevernmidler, etc.
Du bør være forsiktig når du bruker begrepet inhibitor, som betyr bare det stoffet som forårsaker en spesifikk reduksjon i enzymaktivitet. Bare det at en reaksjon hemmes betyr ikke at vi har med en inhibitor å gjøre. Eventuelle denatureringsmidler hemmer også den enzymatiske reaksjonen. Derfor, når det gjelder virkningen av denaturerende stoffer, er det mer riktig å ikke snakke om "inhibering", men om "inaktivering". Ofte er et stoff i små konsentrasjoner en inhibitor, og i store konsentrasjoner er det en inaktivator, så denne inndelingen er til en viss grad vilkårlig.
Inhibitorer kjennetegnes først og fremst av dette fellestrekk, som styrken til binding til enzymet. På dette grunnlaget er hemmere delt inn i to grupper: reversible og irreversible. Kriteriet for å gjenopprette enzymaktivitet etter dialyse eller en sterk fortynning av en løsning av enzymet med inhibitoren gjør at man kan klassifisere en inhibitor i en av to grupper. Irreversible inhibitorer binder seg tett til enzymet, og etter disse prosedyrene gjenopprettes ikke enzymaktiviteten. Tvert imot er det enzymreversible inhibitorkomplekset skjørt og dissosieres raskt. Aktiviteten til enzymet gjenopprettes.
I henhold til virkningsmekanismen er enzymhemmere delt inn i hovedtyper: 1) konkurransedyktige: 2) ikke-konkurrerende; 3) ikke-konkurransedyktig, 4) underlag; 5) allosterisk
Konkurrerende hemming er hemming av en enzymatisk reaksjon forårsaket av bindingen til det aktive senteret av et enzym av en inhibitor som i struktur ligner substratet og forhindrer dannelsen av et enzym-substratkompleks. Ved konkurrerende hemming konkurrerer inhibitoren og substratet, som er like i struktur, om det aktive senteret til enzymet. Forbindelsen med flere molekyler binder seg til det aktive senteret. Enten et substrat eller en inhibitor er assosiert med enzymet, så for denne typen hemming gjelder følgende ligning:
hvor jeg er en hemmer; EI - enzym-hemmer kompleks. Men under kompetitiv inhibering dannes det aldri et ternært kompleks ESI (enzym - substrat - inhibitor), som er hvordan denne typen hemming skiller seg fra andre.
Hemming oppstår på grunn av at den substratlignende inhibitoren binder noen enzymmolekyler som ikke lenger er i stand til å danne et enzym-substratkompleks. Inhibering kan fjernes ved å bruke et overskudd av substrat, som fortrenger inhibitoren fra de aktive sentrene til enzymmolekyler, og gjenoppretter dermed deres evne til å katalysere.
På grunn av likheten mellom den konkurrerende hemmeren og substratet, kalles slik hemming også isosterisk.Kompetitive (isosteriske) hemmere kan være metabolitter, hvis akkumulering regulerer aktiviteten til enzymer, og fremmede stoffer.
Et eksempel på konkurrerende hemming er effekten av ulike stoffer på aktiviteten til succinatdehydrogenase. Dette enzymet er en del av det sykliske enzymsystemet - Krebs-syklusen. Dets naturlige substrat er succinat, og en lignende konkurrerende hemmer er oksaloacetat, et mellomprodukt av samme Krebs-syklus:
OOCt-CHJ- CH*-SOSG -OOC-C-CHJ-COO-
En lignende konkurrerende hemmer av succinatdehydrogenase er malonsyre, ofte brukt i biokjemiske studier. I fig. 26 viser skjematisk konkurransemekanismen mellom succinat og malonat om enzymet.
Et tydelig eksempel på konkurrerende hemming er effekten av en gruppe substrater på enzymer som har gruppesubstratspesifisitet. Kvasi-substrater er konkurrerende hemmere av enzymer med hensyn til ekte substrater.
Prinsippet om konkurransehemming er grunnlaget for virkningen av mange farmakologiske legemidler, plantevernmidler som brukes til å ødelegge landbruksskadedyr og kjemiske krigføringsmidler.
For eksempel en gruppe antikolinesterasemedisiner, som inkluderer derivater av kvaternære ammoniumbaser og organofosfor
Legemidler som proserin, fysostigmin, sevin hemmer enzymet reversibelt, og fosfor
organoformiske preparater som armin, nibufin, klorofos. 4arina og zoma virker irreversibelt, fosforylerer den katalytiske gruppen av enzymet. Som et resultat av deres virkning akkumuleres acetylkolin i de synapsene hvor det er en mediator av nervøs eksitasjon, dvs. kroppen forgiftes av akkumulert acetylkolin. Effekten av reversible inhibitorer avtar gradvis, siden jo mer acetylkolin akkumuleres, jo raskere fortrenger det inhibitoren fra det aktive senteret av kolinesterase. Toksisiteten til irreversible inhibitorer er uforlignelig høyere, så de brukes til å kontrollere landbruksskadedyr, husholdningsinsekter og gnagere (for eksempel klorofos) og som kjemiske krigføringsmidler (for eksempel sarin, soman, etc.).
Ved selektivt å slå av et eller annet enzym, er det mulig å utføre en unik analyse av deltakelsen til et bestemt enzym i metabolismen. Fenomenet konkurrerende hemming åpner for muligheten for å søke etter antimetabolitter som, med en lignende konfigurasjon som det sanne substratet, kan falle inn i kategorien konkurrerende hemmere. Antimetabolitter er lovende som spesifikke farmakologiske midler.
Vi må imidlertid ikke glemme at konkurranseforhold er mulige ikke bare mellom substratet og inhibitoren, men også mellom inhibitoren og koenzymet.
Antikoenzymer (analoger av koenzymer som ikke er i stand til å utføre sin funksjon) fungerer også som konkurrerende hemmere, og deaktiverer enzymmolekylene som de kombineres med. Antikoenzymer (eller deres forløpere, antivitaminer) er mye brukt både i biokjemisk forskning og i medisinsk praksis som effektive medikamenter.
Ikke-konkurrerende hemming av enzymer er inhibering assosiert med inhibitorens påvirkning på den katalytiske transformasjonen, men ikke på bindingen av substratet til enzymet. En ikke-konkurrerende hemmer binder seg enten direkte til de katalytiske gruppene til det aktive stedet til enzymet, "eller endrer konformasjonen ved å binde seg til enzymet utenfor det aktive senteret.
dannelse av det aktive senteret på en slik måte at det påvirker strukturen til det katalytiske stedet, og forstyrrer interaksjonen mellom substratet og det. Siden en ikke-konkurrerende inhibitor ikke påvirker substratbinding, i motsetning til konkurrerende hemming, observeres dannelsen av et ternært ESI-kompleks i henhold til ligningen
E + S + I - ESI
Dette komplekset omdannes imidlertid ikke til produkter.
Ikke-konkurrerende hemmere er for eksempel cyanider, som binder seg tett til jern(III)jern, som er en del av det katalytiske stedet til hemenzymet, cytokromoksidase. Blokkering av dette enzymet slår av luftveiskjeden, og cellen dør. Ikke-konkurrerende enzymhemmere inkluderer tungmetallioner og deres organiske forbindelser. Derfor er tungmetallioner av kvikksølv, bly, kadmium, arsen og andre svært giftige. De blokkerer for eksempel SH-grupper inkludert i det katalytiske stedet til
For å omdanne energien i fettsyrene til energien til ATP-bindinger, er det en metabolsk vei for oksidasjon av fettsyrer til CO 2 og vann, som er nært knyttet til trikarboksylsyresyklusen og respirasjonskjeden. Denne veien kalles β-oksidasjon, fordi oksidasjon av fettsyrens 3. karbonatom (β-posisjon) til en karboksylgruppe skjer, og samtidig spaltes acetylgruppen, inkludert C 1 og C 2 til den opprinnelige fettsyren, fra syren.
Elementært diagram av β-oksidasjon
β-oksidasjonsreaksjoner forekommer i mitokondrier de fleste cellene i kroppen (unntatt nerveceller). Fettsyrer som kommer inn i cytosolen fra blodet eller oppstår under lipolyse av deres egne intracellulære TAG-er brukes til oksidasjon. Den generelle ligningen for oksidasjon av palmitinsyre er som følger:
Palmitoyl-SCoA + 7FAD + 7NAD + + 7H 2 O + 7HS-KoA → 8 Acetyl-SCoA + 7FADH 2 + 7NADH
Stadier av fettsyreoksidasjon
1. Før man trenger inn i mitokondriematrisen og oksiderer, må fettsyren aktivere i cytosolen. Dette oppnås ved tilsetning av koenzym A til det for å danne acyl-SCoA. Acyl-SCoA er en høyenergiforbindelse. Irreversibilitet av reaksjonen oppnås ved hydrolyse av difosfat til to molekyler av fosforsyre.
Acyl-SCoA-syntetaser finnes i det endoplasmatiske retikulum, på den ytre membranen av mitokondrier og i dem. Det finnes et bredt spekter av syntetaser som er spesifikke for forskjellige fettsyrer.
Fettsyreaktiveringsreaksjon
2. Acyl-SCoA er ikke i stand til å passere gjennom mitokondriemembranen, så det er en måte å transportere det på i kombinasjon med et vitaminlignende stoff karnitin. Det er et enzym på den ytre membranen til mitokondriene karnitin acyltransferase I.
Karnitinavhengig transport av fettsyrer inn i mitokondriet
Karnitin syntetiseres i leveren og nyrene og transporteres deretter til andre organer. I intrauterin periode og i tidlige år I livet er karnitinets betydning for kroppen ekstremt stor. Energiforsyning nervesystemet barnas kroppen og spesielt hjernen utføres på grunn av to parallelle prosesser: karnitinavhengig oksidasjon av fettsyrer og aerob oksidasjon av glukose. Karnitin er nødvendig for hjernevekst og ryggmarg, for samspillet mellom alle deler av nervesystemet som er ansvarlig for bevegelse og samhandling av muskler. Det finnes studier som forbinder karnitinmangel barnas cerebral lammelse og fenomen" døden i vuggen".
Små barn, premature babyer og barn med lav fødselsvekt er spesielt følsomme for karnitinmangel. Deres endogene reserver tømmes raskt under ulike stressende situasjoner (infeksjonssykdommer, gastrointestinale lidelser, fôringsforstyrrelser). Karnitinbiosyntesen er sterkt begrenset på grunn av lav muskelmasse, og inntak fra vanlig mat klarer ikke å opprettholde tilstrekkelige nivåer i blod og vev.
3. Etter binding til karnitin transporteres fettsyren over membranen ved translokase. Her på innsiden membranenzymet karnitin acyltransferase II danner igjen acyl-SCoA, som går inn i β-oksidasjonsveien.
4. Selve prosessen β-oksidasjon består av 4 reaksjoner gjentatt syklisk. De skjer sekvensielt oksidasjon(acyl-SCoA dehydrogenase), hydrering(enoyl-SCoA-hydratase) og igjen oksidasjon 3. karbonatom (hydroksyacyl-SCoA dehydrogenase). I den siste, transferasereaksjonen, spaltes acetyl-SCoA fra fettsyren. HS-CoA tilsettes til den gjenværende (forkortet med to karbon) fettsyren, og den går tilbake til den første reaksjonen. Dette gjentas til den siste syklusen produserer to acetyl-SCoAs.
Reaksjonssekvens av β-oksidasjon av fettsyrer
Beregning av energibalansen til β-oksidasjon
Tidligere, ved beregning av oksidasjonseffektiviteten, ble P/O-koeffisienten for NADH tatt lik 3,0, for FADH 2 – 2,0.
I følge moderne data tilsvarer verdien av P/O-koeffisienten for NADH 2,5, for FADH 2 – 1,5.
Når du beregner mengden ATP som dannes under β-oksidasjon av fettsyrer, er det nødvendig å ta hensyn til:
- mengden acetyl-SCoA som dannes bestemmes av den vanlige deling av antall karbonatomer i fettsyren med 2.
- Antall β-oksidasjonssykluser. Antall β-oksidasjonssykluser er lett å bestemme basert på konseptet om en fettsyre som en kjede av to-karbonenheter. Antall pauser mellom enheter tilsvarer antall β-oksidasjonssykluser. Den samme verdien kan beregnes ved hjelp av formelen (n/2 -1), hvor n er antall karbonatomer i syren.
- antall dobbeltbindinger i en fettsyre. I den første β-oksidasjonsreaksjonen dannes en dobbeltbinding med deltakelse av FAD. Hvis en dobbeltbinding allerede er tilstede i fettsyren, er det ikke behov for denne reaksjonen og FADN 2 dannes ikke. Antall tapte FADN 2 tilsvarer antall dobbeltbindinger. De resterende reaksjonene i syklusen fortsetter uten endringer.
- mengden ATP-energi brukt på aktivering (tilsvarer alltid to høyenergibindinger).
Eksempel. Oksidasjon av palmitinsyre
- siden det er 16 karbonatomer, produserer β-oksidasjon 8 acetyl-SCoA molekyler. Sistnevnte går inn i TCA-syklusen; når den oksideres i en omgang av syklusen, dannes 3 molekyler NADH (7,5 ATP), 1 molekyl FADH 2 (1,5 ATP) og 1 molekyl GTP, som tilsvarer 10 molekyler av ATP. Så, 8 molekyler av acetyl-SCoA vil gi dannelsen av 8 × 10 = 80 ATP-molekyler.
- for palmitinsyre antall β-oksidasjonssykluser er 7. I hver syklus produseres 1 molekyl FADH 2 (1,5 ATP) og 1 molekyl NADH (2,5 ATP). Når de kommer inn i respirasjonskjeden, "gir" de totalt 4 ATP-molekyler. I 7 sykluser dannes det således 7 × 4 = 28 ATP-molekyler.
- dobbeltbindinger i palmitinsyre Nei.
- 1 molekyl ATP brukes til å aktivere fettsyren, som imidlertid hydrolyseres til AMP, det vil si at den brukes 2 makroergiske forbindelser eller to ATP.
Dermed, oppsummert, får vi 80+28-2 =106 ATP-molekyler dannes under oksidasjon av palmitinsyre.
KOENSYMER(syn. koenzymer) - lavmolekylære organiske forbindelser av biologisk opprinnelse, nødvendige som ekstra spesifikke komponenter (kofaktorer) for den katalytiske virkningen av en rekke enzymer. Mange vitaminer er derivater av vitaminer. Biol, effekten av en betydelig gruppe vitaminer (gruppe B) bestemmes av deres transformasjon til vitaminer og enzymer i cellene i kroppen. Det ble gjort forsøk (og ikke mislykkede) på direkte å bruke noen K. til å behandle. mål. Vanskelighetene som oppstår i dette tilfellet er at kvantitative bestemmelser av K.s innhold i blod og organer ikke alltid gjøres, og enda sjeldnere bestemmes aktiviteten til enzymer som syntetiserer eller ødelegger K. som studeres i normal og patologisk forhold. Når en mangel på et eller annet vitamin oppdages i en sykdom, prøver de vanligvis å eliminere det ved å introdusere det tilsvarende vitaminet i kroppen. Men hvis systemene for syntese av det manglende vitaminet blir forstyrret, noe som ofte er tilfelle, mister introduksjonen av et slikt vitamin sin betydning: terapeutisk effekt kan kun oppnås ved å introdusere det manglende koenzymet. Med lech. formål brukes kokarboksylase (se tiamin), FAD, koenzymformer av vitamin B 12 (se cyanokobalamin) og noe annet K. Til dette formål administreres K. parenteralt, men selv under denne tilstanden er det ikke alltid tillit til at de kan trenge inn til stedet for deres handling (inn i det intracellulære miljøet) uten å splittes.
Har en liten brygge. vekt, K., i motsetning til proteinbiokatalysatorer (enzymer), er preget av termisk stabilitet og tilgjengelighet for dialyse. Respiratoriske kromogener av planter (polyfenoler), glutaminsyre, ornitin, bisfosfater (difosfater) av glukose og glyserolsyre og andre metabolitter som under visse omstendigheter virker som kofaktorer for enzymatiske overføringsprosesser, blir ofte referert til som K. av de tilsvarende prosessene. Det er mer korrekt å bruke begrepet "koenzym" bare på forbindelser, biol, hvis funksjon er redusert helt eller overveiende til deres spesifikke deltakelse i virkningen av enzymer (se).
Begrepet "koenzym" ble foreslått av G. Bertrand i 1897 for å betegne funksjonen til mangansalter, som han betraktet som en spesifikk kofaktor for fenolase (lakkase); men nå er det ikke vanlig å klassifisere uorganiske komponenter i enzymsystemer som K. Eksistensen av ekte (organisk) K. ble først etablert av engelskmennene. biokjemikerne A. Harden og W. Young i 1904, som viste at dialyse fjerner det termostabile organiske stoffet som er nødvendig for virkningen av enzymkomplekset som katalyserer alkoholisk gjæring fra enzymekstrakter fra gjærceller (se). Denne hjelpegjæringskatalysatoren ble kalt cosimase av Harden og Young; strukturen ble etablert i 1936 i laboratoriene til H. Euler-Helpin og O. Warburg nesten samtidig.
Virkningsmekanismen til K. er ikke den samme. I mange tilfeller fungerer de som mellomakseptorer (transportører) av visse kjemikalier. grupper (fosfat, acyl, amin, etc.), hydrogenatomer eller elektroner. I andre tilfeller deltar K. i aktiveringen av molekyler av substrater for enzymatiske reaksjoner, og danner reaktive mellomforbindelser med disse molekylene. I form av slike forbindelser gjennomgår substrater visse enzymatiske transformasjoner; Dette er funksjonene til glutation (se) som et koenzym av glyoksalase og formaldehyddehydrogenase, CoA - i en rekke transformasjoner av fettsyrer (se) og andre organisk sett etc.
Typiske K. danner skjøre, sterkt dissosierte forbindelser med spesifikke proteiner (apoenzymer) av løselige enzymer, som de lett kan skilles fra ved dialyse (se) eller gelfiltrering (se). I mange gruppeoverføringsreaksjoner som skjer under konjugert virkning av to enzymproteiner, skjer den vekslende reversible tilsetningen av K-partikler til molekylene til disse proteinene i to former - akseptor og donor (for eksempel oksidert og redusert, fosforylert og ikke-fosforylert ). Diagrammet nedenfor viser (i en noe forenklet form) mekanismen for reversibel hydrogenoverføring mellom et hydrogendonormolekyl (AH2) og et akseptormolekyl (B) under påvirkning av to dehydrogenaser (Pha og Pb) og et koenzym (Co):
Total reaksjon:
I hele syklusen av redoksprosessen (reaksjonene 1-6) endres ikke koenzymet kodehydrogenase og er ikke inkludert i balansen av reaksjonsprodukter, dvs. det tjener som en katalysator. Hvis påfølgende faser av syklusen tas i betraktning, som hver skjer med deltakelse av ett enzym (reaksjonene 1-3 og 4-6), virker Co og CoH2 på linje med molekylene AN2, A, B, BN2 som det andre substratet . På samme måte er forskjellen mellom substrater og dissosierende forbindelser involvert i koblede reaksjoner for overføring av fosfat, acyl, glykosyl og andre grupper relativ.
I mange to-komponent enzymer, bygget som proteider, danner apoenzymet en sterk, vanskelig å dissosiere forbindelse med en ikke-protein termostabil komponent. Ikke-proteinkomponentene til proteinenzymer, vanligvis kalt protesegrupper (f.eks. flavinukleotider, pyridoksalfosfat, metalloporfyriner), interagerer med substratet og forblir gjennom hele den enzymatiske reaksjonen som en del av et uløst molekyl av ett protein. Begrepet "koenzym" utvides vanligvis til å kjemisk samhandle med substratmolekyler, tett bundne organiske protesegrupper av enzymer, som er vanskelige å skille fra lett dissosierende enzymer, siden det er gradvise overganger mellom begge typer kofaktorer.
På samme måte er det umulig å trekke en skarp linje mellom K. og visse stoffskifteprodukter (metabolitter), som i enzymatiske prosesser virker enten som vanlige substrater som gjennomgår en i utgangspunktet irreversibel endring i denne prosessen, eller som nødvendige hjelpekatalysatorer for assosierte enzymatiske transformasjoner, hvorfra disse metabolittene kommer ut uendret. Metabolitter av denne typen kan tjene som mellomliggende akseptorer av visse grupper i enzymatiske overføringsprosesser som fortsetter på samme måte som prosessen skjematisk avbildet ovenfor (for eksempel rollen til polyfenoler som hydrogenbærere i respirasjonen av planteceller, rollen til glutaminsyre i overføring av amingrupper gjennom transamineringsreaksjoner og etc.), eller i mer komplekse sykliske transformasjoner som involverer flere enzymer (et eksempel er funksjonen til ornitin i ureadannelsessyklusen). Den koenzymlignende virkningen av 1,6-bisfosfoglukose er av en noe annen natur; den fungerer som en nødvendig kofaktor og samtidig et mellomtrinn i prosessen med intermolekylær overføring av fosfatrester under interkonverteringen av 1-fosfoglukose og 6 -fosfoglukose under påvirkning av fosfoglukomutase, når kofaktormolekylet forvandles til et molekyl sluttproduktet, og gir en fosfatrester til det opprinnelige produktet, hvorfra et nytt kofaktormolekyl dannes. Nøyaktig den samme funksjonen utføres av 2,3-bisfosfoglyserolsyre under omdannelsen av 2-fosfoglyserol og 3-fosfoglyserolsyre katalysert av en annen fosfomutase.
K. er svært forskjellige i kjemi. struktur. Imidlertid er det oftest blant dem forbindelser av to typer: a) nukleotider og noen andre organiske derivater av fosforforbindelser; b) peptider og deres derivater (f.eks. folsyre, CoA, glutation). Hos dyr og i mange mikroorganismer krever konstruksjonen av molekyler i K-serien forbindelser som ikke syntetiseres av disse organismene og må tilføres mat, det vil si vitaminer (se). Vannløselige B-vitaminer er for det meste en del av vitaminer, hvis struktur og funksjon er kjent (dette gjelder tiamin, riboflavin, pyridoksal, nikotinamid, pantotensyre), eller de kan i seg selv fungere som aktive vitaminmolekyler (vitamin B 12 , folsyre). Det samme gjelder nok annet vann og fettløselige vitaminer, hvis rolle i biol-katalyseprosesser ennå ikke er fullstendig belyst.
De viktigste enzymene er listet opp nedenfor, og angir deres type struktur og hovedtypene enzymatiske transformasjoner de deltar i. Artikler om individuelle K. gir mer detaljert informasjon om deres struktur og virkningsmekanisme.
Koenzymer av nukleotidnatur. Adenylribonukleotider (adenosin-5"-mono-, di- og trifosforsyrer) er involvert i en rekke reaksjoner med aktivering og overføring av orto- og pyrofosfatrester, aminosyrerester (aminoacyl), karbon og svovelsyre, så vel som i en rekke andre enzymatiske transformasjoner. I visse tilfeller utføres lignende funksjoner av derivater av inosin-5"-fosfor- og guanosin-5"-fosforforbindelser.
Guanyliske ribonukleotider (guanosin-5"-mono-, di- og trifosforsyrer) spiller rollen som K. i reaksjoner med overføring av ravsyreresten (succinyl), biosyntesen av ribonukleoproteiner i mikrosomer, biosyntesen av adenylsyre fra inosin og, muligens, under overføring av mannoserester.
I biosyntesen av fosfatider spiller cytidylribonukleotider (cytidin-5"-fosforforbindelser) rollen som transport av O-fosfoetanol-kolin, O-fosfoetanolamin, etc.-rester.
Uridylribonukleotider (uridin-5"-fosforforbindelser) utfører K.-funksjoner i prosessene for transglykosylering, det vil si overføring av monosyrerester (glukose, galaktose, etc.) og deres derivater (heksosaminrester, glukuronsyre, etc.) etc.) under biosyntesen av di- og polysakkarider, glukuronosider, heksosamidiner (mukopolysakkarider), så vel som under aktiveringen av sukkerrester og deres derivater i noen andre enzymatiske prosesser (for eksempel interkonvertering av glukose og galaktose, etc.) .
Nikotinamidadenindinukleotid (NAD) deltar i de viktigste hydrogenoverføringsreaksjonene for cellulær metabolisme som en spesifikk K. av mange dehydrogenaser (se).
Ni(NADP) deltar i hydrogenoverføringsreaksjoner, som er viktige for cellulær metabolisme, som et spesifikt enzym for visse dehydrogenaser.
Flavinmononukleotid (FMN) er involvert i biol, hydrogenoverføring som en K (protesegruppe) av noen flavin (“gule”) oksidative enzymer.
Flavin adenin dinukleotid (FAD) er involvert i biol, hydrogenoverføring som en K (protesegruppe) av de fleste flavin (“gule”) oksidative enzymer.
Koenzym A (CoA, redusert form - KoA-SH, acyleringskoenzym; forbindelse av adenosin-3,5"-bisfosforsyre med pantotenyl-aminoetantiol eller panteten) dannes med rester av eddiksyre og andre organiske forbindelser tioestere av R-CO-typen - S-CoA, der R er resten av en organisk syre, og spiller rollen som K. i overføring og aktivering av sure rester som i acyleringsreaksjoner (syntese av acetylkolin, hippursyre, parret gallestein etc.), så vel som i mange andre enzymatiske transformasjoner av sure rester (kondensasjonsreaksjoner, oksidoreduksjon eller reversibel hydratisering av umettede forbindelser). Med deltakelse av CoA oppstår en rekke mellomreaksjoner av cellulær respirasjon, biosyntese og oksidasjon av fettsyrer, syntese av steroider, terpener, gummi osv.
Koenzym B 12. Det er mulig at ulike biol, funksjoner av vitamin B 12, kjemisk. mekanismen som ennå ikke er klar, for eksempel i prosessen med hematopoiesis, under biosyntesen av metylgrupper, transformasjoner av sulfhydrylgrupper (SH-grupper), etc., skyldes dens rolle som K. i prosessen med biosyntese av enzymproteiner.
Andre koenzymer som inneholder fosfatrester. Difosfotiamin fungerer som en syre i dekarboksyleringen (enkel og oksidativ) av pyrodruesyre, alfa-ketoglutarsyre og andre alfa-ketosyrer, så vel som i reaksjonene ved spaltning av karbonkjeden til fosforylerte ketosakkarider under påvirkning av en spesiell gruppe av enzymer (ketolase, transketolase, fosfoketolase).
Pyridoksalfosfat kondenserer med aminosyrer (og aminer) til aktive mellomprodukter som Schiff-baser (se Schiff-baser); er en K (protesegruppe) av enzymer som katalyserer transaminerings- og dekarboksyleringsreaksjoner, samt mange andre enzymer som utfører ulike transformasjoner av aminosyrer (spalting, substitusjon, kondensasjonsreaksjoner) som spiller en viktig rolle i cellulær metabolisme.
Peptidkoenzymer. Formyleringskoenzym. Redusert folsyre og dens derivater, som inneholder tre eller syv glutaminsyrerester forbundet med gamma-peptidbindinger, spiller rollen som K. i den mellomliggende metabolismen av den såkalte. ett-karbon, eller "C1", rester (formyl, oksymetyl og metyl), som deltar både i overføringsreaksjonene til disse restene og i deres redoks-interomdannelser. Formyl- og oksymetylderivater av H4-folsyre er "aktive former" av maursyre og formaldehyd i prosessene med biosyntese og oksidasjon av metylgrupper, i utveksling av serin, glycin, histidin, metionin, purinbaser, etc.
Glutation. Redusert glutation (G-SH) virker som K. under omdannelsen av metylglyoksal til melkesyre under påvirkning av glyoksalase, under enzymatisk dehydrogenering av formaldehyd, i visse stadier av biol, oksidasjon av tyrosin, etc. I tillegg kommer glutation (se) spiller en viktig rolle i å beskytte forskjellige tiol (sulfhydryl) enzymer fra inaktivering som et resultat av oksidasjon av SH-grupper eller deres binding av tungmetaller og andre SH-gifter.
Andre koenzymer. Liponsyre er den andre K. av pyrodruesyre og alfa-ketoglutarsyredehydrogenaser (sammen med difosfotiamin); Under påvirkning av disse enzymene fungerer liponsyreresten, koblet med en amidbinding (CO - NH) med spesifikke enzymproteiner, som en mellomliggende akseptor (bærer) av hydrogen og acylrester (acetyl, succinyl). Andre antatte funksjoner til denne K. har ikke blitt tilstrekkelig studert.
Vitamin E (tokoferol), vitamin K (fyllokinon) og produktene av deres redokstransformasjoner eller nært beslektede derivater av n-benzokinon (ubiquinon, koenzym Q) regnes som K (hydrogenbærere) som deltar i visse mellomreaksjoner i den respiratoriske oksidative kjeden og i forbindelse med dem respiratorisk fosforylering (se). Det er fastslått at fyllokinon (vitamin K) spiller rollen som vitamin K i biosyntesen av alfa-karboksyglutaminrester som er en del av molekylene til proteinkomponentene i blodkoagulasjonssystemet.
Biotin er et vannløselig vitamin som fungerer som en vitamin- eller protesegruppe i en rekke enzymer som katalyserer karboksylerings-dekarboksyleringsreaksjoner av visse organiske forbindelser (pyrodruesyre, propionsyre, etc.). Disse enzymene har strukturen til biotinylproteiner, hvor acylresten (biotinyl) som tilsvarer biotin er festet med en amidbinding til N6-aminogruppen til en av lysinrestene i proteinmolekylet.
Askorbinsyre fungerer som en aktivator av enzymsystemet for tyrosinoksidasjon i dyrevev og noen andre enzymsystemer (hydroksylaser), som virker på kjernen av aromatiske og heterosykliske forbindelser, inkludert peptidbundne prolinrester under biosyntesen av kollagen, Tokoferoler, Fyllokinoner, Flavoproteiner.
Bibliografi: Baldwin E. Fundamentals of dynamic biochemistry, trans. fra engelsk, s. 55 og andre, M., 1949; Vitaminer, red. M. I. Smirnova, M., 1974; Dixon M. og Webb E. Enzymes, trans. fra engelsk, M., 1966; Koenzymer, red. V. A. Yakovleva, M., 1973; Kochetov G.A. Thiamine enzymes, M., 1978, bibliogr.; Enzymer, red. A.E. Braunstein, s. 147, M., 1964, bibliogr.
A.E. Braunstein.
Generelt er 13 stoffer offisielt anerkjent som vitaminer (i detalj: i) - dette er en samling organiske stoffer som er avgjørende for mennesker. Kvasi-vitaminer er også essensielle stoffer som noen ganger fungerer som vitaminer, hvorav mange er dårlig studert eller ikke engang oppdaget i det hele tatt. I denne teksten vil vi fortelle deg hva vitenskapen vet om de 3 mest kjente kvasi-vitaminene.
Kvasivitaminer er som regel proteinmolekyler som til tider kanskje ikke er inkludert i metabolske prosesser, men under noen omstendigheter begynner de plutselig å manifestere seg som vitaminer. Forresten, grensen mellom vitaminer og kvasi-vitaminer er bare den offisielle anerkjennelsen av stoffer som vitaminer. For eksempel anser noen forfattere pantotensyre (vitamin B5) og bioflavonoider (vitamin P) ikke vitaminer, men kvasi-vitaminer.
De mest studerte kvasi-vitaminene inkluderer koenzym Q, karnitin, koenzym A og noen andre stoffer.
Koenzym Q (aka Ubiquinone)
Koenzym Q-10 er et derivat av benzokinon og er vidt distribuert i naturen. Dette er et koenzym som normalt finnes i nesten alle celler i kroppen. Det kan syntetiseres i selve kroppen, men etter hvert som alderen øker, avtar kroppens evne til å syntetisere koenzym Q og forsvinner til slutt (etter 50 år kreves ytterligere inntak av koenzym). Offisielle data om det fysiologiske kravet til koenzym Q mangler imidlertid for tiden.
Ubiquinon er av stor betydning i energiforsyningen og i det menneskelige immunsystemets normale funksjon. I tillegg har koenzym Q en positiv effekt på oksidative prosesser i menneskekroppen, forbedrer fettoksidasjon og er en bærer av hydrogenioner, komponenter i luftveiskjeden.
Legemidlet brukes i kompleks terapi alle former for koronar hjertesykdom, andre hjertesykdommer (inflammatoriske, dystrofiske prosesser), hjertefeil.
Koenzym Q øker treningsevnen, den brukes etter overarbeid, før du utfører tung fysisk anstrengelse, så vel som i sport(Forskning: Gorbatsjov, Gorbatsjov, 2002).
Kontrollstudier støtter imidlertid ikke fordelen med dette tillegget for idrettsutøvere, siden det ikke fremmer treningsaktivitet eller reduserer oksidativt stress forbundet med trening (Forskning: Sarubin, 2005).
Hva inneholder den?
Koenzym Q finnes i kjøttprodukter, fisk, spesielt sardiner, spinat, peanøtter .
Tilsynelatende finnes det også i andre matvarer, men denne informasjonen er ennå ikke pålitelig. Mengden av koenzym Q avtar under prosessen kulinarisk bearbeiding(som med de fleste vitaminer).
Koenzym Q10 i tablettform produseres av mange produsenter og er lett å finne på apotek.
I de fleste tilfeller tas koenzym Q 10–30–60 mg 3 ganger daglig. Men selv når utnevnt til store doser– opptil 200–300 mg per dag, ingen merkbare bivirkninger ble observert. Behandlingsforløpet er 1-3 måneder eller mer.
Ved inntak av koenzym Q er det nødvendig at menneskekroppen får en tilstrekkelig mengde askorbinsyre, B-vitaminer og selen. Sistnevnte bidrar til å forbedre syntesen av koenzym Q i kroppen.
Karnitin (L-karnitin)
Karnitin (også kjent som et B-vitamin, som ennå ikke er inkludert i de 13 offisielle vitaminene og er "under vurdering") er involvert i protein og fettmetabolisme. Karnitin finnes i de fleste celler i kroppen, inkludert muskelfibre, og forbedrer prosessene med aerob energiproduksjon i dem, da det transporterer fettsyrer inn i mitokondriene, hvor de oksideres for å frigjøre energi. Ved å stimulere oksidasjonen av fettsyrer bidrar karnitin til å bevare glykogenreservene i cellene, og ved å delta i lipidmetabolismen forhindrer det utviklingen av åreforkalkning.
På grunn av noen av egenskapene selges L-karnitin-tilskuddet som et "fettforbrennende" supplement. Som svar begynte mange eksperter å kalle det "dyr urin", på grunn av mangelen på vitenskapelig bevis på ekte fettforbrenningseffekt.
Her er en kommentar fra en av de ledende treningsekspertene Sergei Strukov: "I kjernen av sitt arbeid sikrer L-karnitin intracellulær transport av fett til stedet for avhending. Vi bør ikke forvente mye av et mirakel her, spesielt hvis musklene våre ikke er trent. Karnitin vil ikke gi en betydelig økning i "brent fett" under trening, og selv om dette er mulig, kompenseres forskjellen lett av matinntak i løpet av dagen. I hvile hjelper ikke karnitin deg med å forbrenne mer fett.
Derfor er det bedre å ikke stole på karnitin, men å kontrollere kostholdet ditt. La meg minne deg på at du på tradisjonell måte kan kvitte deg med 0,5-1 kg fett per uke, avhengig av kroppsvekten din.
Men kanskje viktigst, i dobbeltblinde studier ble den ergogene effekten av L-karnitin ikke bekreftet. Så dette stoffet kan bare gjøre urinen din dyrere.»
Karnitin brukes til å behandle muskeldystrofi, og også som et effektivt ergogent hjelpemiddel for å øke utholdenhetsytelsen hos idrettsutøvere (Forskning: Gorbatsjov, Gorbatsjov, 2002).
En studie av Sarubin, 2005 sier at selv om det er en viss teoretisk støtte for de potensielle energiske effektene av karnitintilskudd, er det foreløpig ikke noe vitenskapelig grunnlag for idrettsutøvere å ta karnitin for å forbedre ytelsen.
Tilsvarende, i en tidligere studie: siden det er lite informasjon om de gunstige effektene av karnitin på fysisk ytelse, er det ikke grunnlag for å anbefale bruk av idrettsutøvere (Research: Williams, 1997).
Positive egenskaper av karnitin
Som resultatene viste dobbeltblind, placebokontrollert utført i 2007 i Italia på 66 hundreåringer, administrering av L-karnitin (i daglig dose 2 g i 6 måneder) har en positiv effekt på helsen til eldre mennesker (studien ble utført på et utvalg personer i alderen 100 til 106 år). På slutten av kurset viste forsøkspersonene betydelige forbedringer i totalt fett (tapet 1,8 kg fett) og muskelmasse(økt med 3,8 kg). Pasientene viste signifikant reduserte tegn på fysisk og mental tretthet og forbedret kognitiv funksjon, samt reduserte nivåer av kolesterol.
Noen potensielt fordelaktige egenskaper ved karnitin blir studert. For eksempel n nevrobeskyttende effekt av L-karnitin, etablert i en serie dyreforsøk, kan være assosiert med å forhindre metamfetamin-indusert metabolsk forstyrrelse som fører til energimangel.I fremtiden kan karnitin brukes i behandlingen av visse sykdommer i nervesystemet.
Hva inneholder den?
Karnitin syntetiseres fra aminosyrene lysin og metionin i lever og nyrer. For at kroppen skal produsere karnitin er det viktig å få i seg tilstrekkelig mengde vitamin C. Omsetningen av karnitin er nært knyttet til vitamin C, som deltar i syntesen fra lysin. Mangel på B-vitaminer bidrar også til økt karnitinmangel.
For å gi menneskekroppen karnitin, anbefales det å spise komplett naturlig mat - melk, ost, cottage cheese, grønnsaker, salat, frukt, uraffinerte frokostblandinger, hvitløk . Selv mens du følger en streng diett, anbefales det å spise kjøtt, fisk og fjærfe minst 2 ganger i uken.
Foreskrevet for voksne: 2-4 g per dag i 2-4 doser (tatt oralt 30 minutter før måltider). Maksimal terapeutisk dose er 100–200 mg/kg kroppsvekt per dag, administrert kontinuerlig i løpet av de første 48 timene, etterfulgt av en 2-dobling (ved akutt hjerteinfarkt).
Bivirkninger: smerter i den epigastriske regionen, dyspeptiske symptomer, muskelsvakhet (sjelden observert).
Koenzym A
Koenzym A er direkte involvert i energiprosesser. Enhver type aktivitet Indre organer, muskelaktivitet, etc. - alt dette krever konstant deltakelse av koenzym A. Det viktigste aktive prinsippet og kjernen i koenzym A-molekylet er pantetin, hentet fra pantotensyre (også kjent som vitamin B5).
Når hypoksi oppstår, reduseres innholdet av koenzym A i kroppen. Dette forekommer spesielt ved alle former for koronar hjertesykdom. På bakgrunn av koenzym A-mangel kan hyperlipidemi (unormalt forhøyede blodlipidnivåer) og hyperkolesterolemi (økte blodkolesterolnivåer) utvikles.
Koenzym A reduserer kolesterol i blodet og fremmer utnyttelsen av lipider (fett).
Hva inneholder den?
I syntesen av koenzym A er askorbinsyre og mange B-vitaminer viktige, samt magnesium, som hovedsakelig finnes i mørkegrønne grønnsaker. bladgrønnsaker og salater (Forskning: Gorbatsjov, Gorbatsjov, 2002).