Ензими — урок по биология

1. Енергията в клетката и АТФ

Всички химични реакции в организма заедно са . Едни реакции изграждат сложни молекули от прости – белтъци от , гликоген от глюкоза. Те изискват енергия. Други разграждат сложните молекули и освобождават енергия. Връзката между двете е една малка молекула – АТФ.

О

Анаболизъм, катаболизъм и АТФ

Анаболизмът (асимилацията) е изграждането на сложни вещества – той поглъща енергия. Катаболизмът (дисимилацията) е разграждането им – той освобождава енергия. Аденозинтрифосфатът (АТФ) е нуклеотид с три фосфатни групи. При хидролизата му до аденозиндифосфат (АДФ) и фосфат при стандартни условия се отделят около 30 kJ/mol, а в клетката – вероятно около 50 kJ/mol. Катаболизмът зарежда АДФ обратно до АТФ, а анаболизмът, движението и активният транспорт изразходват АТФ.

АТФ е като монета: клетката не плаща с глюкоза направо, а първо я „обменя“ за много молекули АТФ. Как става това обменяне – и – е тема на следващия урок. Енергетиката на реакциите ( $\Delta H$ , ) има в урока по химия Енергия на реакциите.

Пример

Синтезът на аминокиселината глутамин от глутамат и амоняк има $\Delta G \approx +14{,}2\ \mathrm{kJ/mol}$ – сам не протича. Как клетката го осъществява?

Тя спряга (свързва) реакцията с хидролизата на АТФ: глутаматът първо се фосфорилира от АТФ, а после фосфатът се замества с амоняк.
Общото изменение е сборът: $+14{,}2 + (-30{,}5) = -16{,}3\ \mathrm{kJ/mol} < 0$ .
Сборната реакция е изгодна и протича. Така работят почти всички синтези в клетката.

2. Ензимите – биологични катализатори

Повечето реакции в клетката при 37 °C и без помощ биха текли години. ги ускоряват, като понижават – как точно, е обяснено в урока Скорост на реакцията. са катализаторите на живота. Почти всички са – дълги вериги от аминокиселини, нагънати в точна пространствена форма (Химия на живота).

О

Ензим, субстрат и активен център

Ензимът е биологичен катализатор, най-често белтък. Веществото, върху което действа, е субстрат. Субстратът се свързва в малка вдлъбнатина на ензима – активния център – и образува ензим-субстратен комплекс: E + S ⇌ ES → E + P. Накрая ензимът се освобождава непроменен и може да работи отново. Ензимите са специфични – всеки катализира една реакция или група сходни реакции – и не променят равновесието, а само го достигат по-бързо.

През 1894 г. Емил Фишер сравнява ензима и субстрата с ключ и ключалка – активният център има точно формата на субстрата. През 1958 г. Даниел Кошланд предлага по-точен модел – индуцирано съответствие: активният център е гъвкав и се „донамества“ около субстрата, като ръкавица около ръка. Това огъване опъва връзките в субстрата и улеснява реакцията.

Имената на повечето ензими завършват на -аза и казват какво правят: разгражда лактоза, ДНК-полимеразата изгражда ДНК. Много ензими имат нужда от помощник, който не е белтък – кофактор. Това може да е метален (Zn²⁺ в , Mg²⁺ в ензимите, които работят с АТФ, желязо в каталазата) или органична молекула – коензим. Много коензими се правят от , затова без витамини от група B част от ензимите спират. Има и ензими от РНК – рибозими; за откриването им Томас Чек и Сидни Олтман получават Нобелова награда през 1989 г.

3. Температура и pH

Класически училищен опит: пусни парче във водороден пероксид. Ензимът каталаза разгражда пероксида (2H₂O₂ → 2H₂O + O₂) толкова бързо, че течността кипва от мехурчета. Измери колко кислород се отделя при различна температура и .

T, °C20pH7

Избери тъкан, температура и pH и пусни опита. Всеки опит се добавя в таблицата.

💡 В епруветката има 5 mL 3% водороден пероксид – от него се отделят най-много около 50 mL кислород. Количеството O₂ за първите 30 s е мярка за началната скорост. Задача: намери оптималната температура за каталазата от черен дроб. Числата са от опростен модел, но формата на зависимостите е като в истинския опит.

Т

Температурен коефициент Q₁₀

При затопляне с 10 °C скоростта на ензимна реакция (под оптималната температура) обикновено расте около 2–3 пъти:

Q_{10} = \frac{v_{T+10}}{v_T}

, а за произволна разлика

\frac{v_2}{v_1} = Q_{10}^{(T_2 - T_1)/10}

. Над оптимума ензимът денатурира и скоростта пада рязко.

Това е от химията. Разликата е, че ензимът е белтък и при нагряване се разгъва – това е . Затова графиката „скорост – температура“ е несиметрична: бавно изкачване и рязко падане. Оптимумът на повечето човешки ензими е около 37–40 °C. ДНК-полимеразата на Thermus aquaticus от горещите извори в Йелоустоун работи най-добре над 70 °C – и затова се използва в .

Всеки ензим има и оптимално pH. в работи при pH около 2, в слюнката – около 7, а в – около 8. Твърде киселата или алкалната среда променя на аминокиселините в активния център и , които държат формата на белтъка.

Пример

При 20 °C каталазата отделя 12 mL O₂ за минута, а при 30 °C – 21 mL. Колко е Q₁₀? Колко бихме очаквали при 35 °C?

$Q_{10} = \frac{21}{12} = 1{,}75$
$v_{35} = 21 \cdot 1{,}75^{5/10} = 21 \cdot 1{,}32 \approx 27{,}8\ \mathrm{mL/min}$ – ако при 35 °C ензимът още не започва да денатурира.

4. Колко бързо работи ензимът

Ако добавяме все повече субстрат, скоростта отначало расте право , после все по-бавно и накрая спира да расте. Причината: молекулите на ензима са краен брой. Когато всички активни центрове са заети, ензимът е наситен – като каса в магазин, на която опашката е безкрайна. През 1913 г. Леонор Михаелис и Мод Ментен описват тази крива с формула.

Vmax80Km2[S]4

v от Vmax на ензима без инхибитор67%

Km е концентрацията, при която скоростта е половината от максималната. Малка Km значи, че ензимът се „насища“ лесно – свързва субстрата здраво.

💡 Константата на инхибитора е 1 mmol/L. Сивата пунктирна линия е ензимът без инхибитор. В двойно обратни координати кривата става права: пресечната точка с оста 1/v е 1/Vmax, а с оста 1/[S] – −1/Km. Така Vmax и Km се отчитат от опитни точки много по-точно, отколкото от извитата крива.

Т

Уравнение на Михаелис–Ментен

Началната скорост на ензимната реакция е

v = \frac{V_{\max} [\mathrm{S}]}{K_m + [\mathrm{S}]}

.

V_{\max}

е скоростта, когато всички активни центрове са заети; тя е пропорционална на количеството ензим. Константата на Михаелис

K_m

е концентрацията на субстрата, при която

v = \frac{V_{\max}}{2}

. Малка

K_m

означава голям афинитет – ензимът се насища при малко субстрат.

Пример

Ензим има $V_{\max} = 120\ \mu\mathrm{mol/min}$ и $K_m = 2\ \mathrm{mmol/L}$ . Каква е скоростта при $[\mathrm{S}] = 2$ , 6 и 18 mmol/L?

$[\mathrm{S}] = 2$ : $v = \frac{120 \cdot 2}{2 + 2} = 60$ – половината от $V_{\max}$ , както трябва при $[\mathrm{S}] = K_m$ .
$[\mathrm{S}] = 6$ : $v = \frac{120 \cdot 6}{8} = 90$
$[\mathrm{S}] = 18$ : $v = \frac{120 \cdot 18}{20} = 108$ – утрояването на субстрата от 6 на 18 добавя само 20%.

За да намерят $V_{\max}$ и $K_m$ от опит, биохимиците често обръщат уравнението: $\frac{1}{v} = \frac{K_m}{V_{\max}} \cdot \frac{1}{[\mathrm{S}]} + \frac{1}{V_{\max}}$ . В координати $1/[\mathrm{S}]$ , $1/v$ кривата става права (графика на Лайнуийвър–Бърк). Включи я в лабораторията.

5. Инхибиране и регулация

Веществата, които забавят ензимите – , – са едновременно отрови, лекарства и начин клетката сама да управлява реакциите си.

О

Видове инхибиране

Конкурентният инхибитор прилича на субстрата и заема активния център; при много субстрат той се изтласква –

V_{\max}

остава, а

K_m

расте:

K_m' = K_m(1 + [\mathrm{I}]/K_i)

. Неконкурентният инхибитор се свързва на друго място и променя формата на ензима –

V_{\max}

пада:

V_{\max}' = V_{\max}/(1 + [\mathrm{I}]/K_i)

, а

K_m

не се променя. Необратимите инхибитори се свързват ковалентно и изключват ензима завинаги.

Примери: аспиринът необратимо блокира ензима циклооксигеназа, който прави вещества, предизвикващи болка и . Пеницилинът блокира ензима, с който бактериите изграждат клетъчната си стена. Йоните на живака и олова се свързват със серните групи в много белтъци – затова са отровни.

Много ензими имат освен активен център и алостеричен център („друго място“). Свързването на молекула там превключва ензима между активна и неактивна форма. Най-изящното приложение е обратната връзка: крайният продукт на един метаболитен път потиска първия му ензим. През 1956 г. Едуин Ъмбаргър показва, че така изолевцинът регулира собствения си синтез от треонин при бактерията E. coli.

нужда0,3

изразходван треонин0,0изолевцин в белтъци0,0Е1 потиснат0%

Пусни симулацията и гледай как се пълни пътят. После промени нуждата на клетката от изолевцин.

💡 Тре – треонин, Иле – изолевцин. Дебелината на стрелките е скоростта на всяка стъпка, стълбчетата – концентрациите. Пътят от треонин до изолевцин при бактериите е от пет ензима; тук междинните вещества са обединени. Числата са в условни единици.

Пример

Защо обратната връзка спира точно първия ензим от пътя, а не последния?

Ако се спре последният ензим, междинните вещества продължават да се правят и се трупат – губят се суровини и енергия.
Спирането на първата стъпка затваря целия път „на входа“: суровината (тук – треонин) остава за други нужди.
Освен това връзката се саморегулира – при нужда продуктът се изразходва, концентрацията му пада и ензимът се отключва сам.

6. Ензимите около нас

Праховете за пране съдържат протеази, и амилази – разграждат петна от белтъци, мазнини и нишесте при ниска температура.
Химозинът (сирищният ензим) пресича млякото при правенето на сирене – днес той се получава най-често от генно модифицирани микроорганизми.
Лактазата прави безлактозно мляко за хората, които не я произвеждат в червата си.
Пектиназата избистря плодовите сокове, а глюкозоизомеразата превръща глюкоза във фруктоза за сиропи.
В медицината ензимите са и мишени (много лекарства са инхибитори), и диагноза: повишени чернодробни ензими в кръвта издават увредени клетки.

7. Тренажор

Q₁₀, скорост по Михаелис–Ментен, константа на Михаелис, конкурентен инхибитор и спрягане с АТФ. Десетичните отговори въвеждай като 1,5.

✅ Решени: 0🔥 Серия: 0🏆 Рекорд: 0

K_m = 2,\ K_i = 1,\ [\mathrm{I}] = 1

Конкурентен инхибитор. Колко е привидната Km, mmol/L?

8. Ензимите в числа

0 / 6

🧺 Пране на 20 градуса

Ензимите в един прах за пране работят най-добре при около 40 °C. Колко процента от тази скорост остават при пране на 20 °C, ако $Q_{10} = 2$ (и пренебрегнем други ефекти)?

🥛 Мляко без лактоза

В 1 L мляко има около 48 g лактоза ( $M = 342{,}3\ \mathrm{g/mol}$ ). Ензимът лактаза я разгражда до глюкоза и галактоза. Колко грама глюкоза ( $M = 180{,}2\ \mathrm{g/mol}$ ) се получават от лактозата в 1 L?

⚡ Най-бързият работник

Една молекула каталаза може да разгради до около $4 \cdot 10^7$ молекули водороден пероксид в секунда. Колко молекули разгражда за една минута?

🤒 Температура

При треска телесната температура се качва от 37 на 40 °C. С колко процента се ускорява реакция с $Q_{10} = 2$ , ако ензимът не се уврежда?

🔋 Колко АТФ правиш на ден

Възрастен човек изразходва около 8400 kJ на денонощие. Приемете, че около 40% от тази енергия минава през АТФ, а при хидролизата на 1 mol АТФ в клетката се отделят около 50 kJ. Колко килограма АТФ ( $M = 507\ \mathrm{g/mol}$ ) се образуват и разграждат за денонощие? Колко пъти се „презарежда“ всяка молекула, ако в тялото има около 0,1 mol АТФ?

🍷 Отрова и противоотрова

Метанолът сам по себе си е слабо отровен – опасни са продуктите, в които го превръща ензимът алкохолдехидрогеназа. Етанолът е конкурентен инхибитор на този ензим. Ако $K_m$ за метанола е 8 mmol/L, а етанолът го повишава до 72 mmol/L, колко пъти пада скоростта при концентрация на метанола 8 mmol/L?

Зелено – решена сам(а), жълто – с решението. Десетичните числа може да пишеш със запетая.

9. ⚠️ Чести грешки

Ензимите и енергията

✗ Ензимът дава енергия на реакцията.

✓ Ензимът само понижава енергията на активиране; $\displaystyle \Delta G$ на реакцията не се променя.

„Убитият“ ензим

✗ При висока температура ензимите умират.

✓ Ензимите не са живи – те денатурират: белтъкът губи формата си.

Студът

✗ На студено ензимите денатурират.

✓ На студено те работят бавно, но при затопляне се възстановяват. Денатурацията при нагряване обикновено е необратима.

Изразходване

✗ Ензимът се изразходва при реакцията.

✓ Излиза от нея непроменен и работи отново – хиляди и милиони пъти.

$\displaystyle K_m$

✗ Голяма $\displaystyle K_m$ значи по-добър ензим.

✓ Голяма $\displaystyle K_m$ значи слабо свързване: трябва повече субстрат, за да стигне половината от $\displaystyle V_{\max}$ .

Конкурентен инхибитор

✗ Конкурентният инхибитор намалява $\displaystyle V_{\max}$ .

✓ При много субстрат той се изтласква и $\displaystyle V_{\max}$ се достига – променя се $\displaystyle K_m$ .

10. 🎯 Бърз тест

1 / 8

✓ 0

Какво е ензимът?

Избери отговор (или натисни 1–4)

11. 📝 Задачи за упражнение

0 / 0

Ниво А· Областен кръг

Ниво В· Национален кръг

Ниво С· Международна олимпиада

12. Обобщение

✓ Анаболизмът изгражда и поглъща енергия, катаболизмът разгражда и освобождава; АТФ ги свързва (около 30 kJ/mol при )
✓ Ензимите са биологични катализатори, най-често белтъци; понижават енергията на активиране и излизат непроменени
✓ Субстратът се свързва в активния център – „ключ и ключалка“ и индуцирано съответствие; специфичност
✓ Температурата: $Q_{10} \approx 2\text{–}3$ до оптимума, над него – денатурация; всеки ензим има и оптимално pH
✓ Михаелис–Ментен: $v = \frac{V_{\max}[\mathrm{S}]}{K_m + [\mathrm{S}]}$ ; при $[\mathrm{S}] = K_m$ скоростта е $V_{\max}/2$
✓ Конкурентен инхибитор – расте $K_m$ ; неконкурентен – пада $V_{\max}$ ; алостерична регулация и обратна връзка

💡 Интересен факт

Рекордьор сред ензимите по ускоряване е оротидин-5′-фосфат декарбоксилазата, която участва в синтеза на . Според измерванията на Ричард Улфендън без ензим реакцията ѝ би имала период на полуразпадане от около 78 милиона години. С ензима той е десетки милисекунди – ускорение около 10¹⁷ пъти.