Fermentinės reakcijos: substratas, greitis ir veiksniai
Fermentas, dar vadinamas enzimu, yra baltyminis katalizatorius, paspartinantis organizme vykstančias chemines reakcijas tūkstančius kartų. Be fermentų šios reakcijos nevyktų arba vyktų labai lėtai, ir organizmai negalėtų egzistuoti. Fermentai sąveikauja su substratu (ar substratais), pakeičia jo struktūrą, t. y., substratą verčia į produktą.
Fermentinė reakcija vyksta tik tam tikroje fermento dalyje - aktyviajame centre, kurį sudaro, formuojantis tretinei baltymo struktūrai iš skirtingų baltymo molekulės vietų, suartėjusios amino rūgščių liekanos. Yra pasiūlyti modeliai, aiškinantys, kaip fermentas savo aktyviajame centre sąveikauja su substrato molekule. Vienas iš tokių modelių - „spynos ir rakto“ modelis, teigiantis, kad fermento ir jo substrato sąveika galima tik tuomet, kai substratas atitinka aktyvų centrą taip, kaip raktas spyną.
Prie fermento baltyminės dalies (apofermento), kad jis galėtų atlikti savo funkcijas, aktyviajame centre prijungiama nebaltyminė dalis - kofaktorius.
Fermentų savybės ir veikimo principai
Fermentai, kaip ir visi katalizatoriai, reakcijos metu nėra nei sunaudojami, nei pagaminami. Jie nekeičia reakcijos pusiausvyros, o tik padidina reakcijos greitį. Tik fermentams būdinga tai, kad jie sąveikauja griežtai tik su tam tikrais substratais, yra stereospecifiški. Tam tikri fermentai yra griežtai specifiški substratui, o kiti fermentai gali katalizuoti keleto junginių virsmus.
Cheminis junginys, kurio struktūrą pakeičia fermentas, yra vadinamas substratu. Po reakcijos susidaręs naujas junginys vadinamas produktu. Cheminės reakcijos metu substratas virsta produktu.
Substrato, arba produkto, koncentracijos pokytis per laiko vienetą vadinamas cheminės reakcijos greičiu. Reakcija, kurios metu vienas substratas virsta vienu produktu, vadinama pirmojo laipsnio reakcija, nes jos greitis priklauso nuo substrato arba produkto koncentracijų, pakeltų pirmuoju laipsniu. Yra substrato egzistavimo pusperiodis, rodantis, per kokį laiką pradinė substrato koncentracija sumažėja dvigubai.
Atsižvelgiant į tai, keli substratai dalyvauja cheminėse reakcijose, jos skirstomos į viensubstrates, dvisubstrates ir trisubstrates. Reakcijų, kuriose dalyvauja didesnis substratų skaičius, yra mažai.
Fermentų įtaka reakcijos greičiui
Reakcija įvyksta tik susidūrus dviem molekulėms, kurių ne tik energija yra pakankamai didelė, bet ir palanki erdvinė padėtis. Taigi kiekvienai reakcijai yra būdinga tam tikra laisvosios energijos užtvara, kurią įveikia ne visos, bet tik pakankamai aktyvios molekulės. Tokių molekulių būsena vadinama aktyviąja, arba pereinamąja, būsena. Molekulių, turinčių pereinamąją būseną, cheminiai ryšiai yra pakitę arba šių molekulių elektroninio apvalkalo struktūra iš dalies pakitusi, todėl susidūrus dviem tokioms molekulėms, reakcija vyksta. Tam tikru reakcijos momentu tik dalis molekulių yra pereinamosios būsenos, iš kurios jos vėl gali sugrįžti į pirminę, neaktyviąją būseną.
Fermentai mažina reaguojančių medžiagų standartinę laisvąją aktyvacijos energiją ∆G°‡, t. y. reakcijos energijos užtvarą, nes jie didina skaičių tokių substrato molekulių, kurioms pakanka energijos pasiekti pereinamąją būseną. Todėl, esant fermentų, vienodai didėja ir tiesioginės, ir grįžtamosios reakcijų greičiai, bet nekinta substratų ir produktų standartinės laisvosios energijos pokytis ir reakcijos pusiausvyros konstanta. Taigi fermentinės reakcijos metu kinta abu arba vienas iš šių termodinaminių parametrų.
Fermentų įtaka ∆H°‡: fermentas mažina entalpiją (∆H°‡), nes sukuria keletą tarpinių substrato būsenų. Kiekviena iš šių būsenų yra nepatvari, todėl greitai virsta kita ir galiausiai reakcijos produktu. Tarpinės substrato būsenos energija mažesnė už pereinamosios būsenos energiją, todėl mažesnė fermentinės reakcijos energijos užtvara.
Fermentų įtaka ∆S°‡: reaguojančių molekulių tarpusavio erdvinė padėtis labai svarbi, kad įvyktų cheminė reakcija. Pavyzdžiui, antrosios eilės reakcijos produktas susidaro, susidūrus tik atitinkamą erdvinę padėtį užimančioms molekulėms. Jei jų erdvinė padėtis reakcijai nepalanki, susidūrusios molekulės atšoka viena nuo kitos, todėl produktas nesusidaro. Fermentai prisijungia substratus taip, kad jų erdvinė padėtis būtų palankiausia reakcijai įvykti. Taigi fermentas sumažina aktyvacijos entropijos neigiamą dydį, t. y. ∆S didėja.
Veiksniai, įtakojantys fermentų aktyvumą
Fermentai yra jautrūs temperatūros ir terpės rūgštingumo (pH) pokyčiams; fermentų aktyvumas yra reguliuojamas, t. y. jis priklauso nuo tam tikrų junginių kiekio ląstelėje.
Reakcijos greičio priklausomybė nuo temperatūros
Fermentas yra aktyvus tik tam tikroje temperatūroje. Temperatūrai didėjant fermentas ima denatūruoti ir nebeatlieka savo funkcijos. Reakcijos greitis priklauso nuo aktyvių fermentų kiekio.
Reakcijos greičio priklausomybė nuo pH
Fermentų aktyvumas taip pat priklauso nuo terpės pH. Kiekvienas fermentas optimaliai veikia tam tikrame pH diapazone, o nukrypimai nuo optimalaus pH gali sumažinti jo aktyvumą arba netgi jį visiškai slopinti.
Fermentų slopinimas (inhibavimas)
Fermentų aktyvumas gali būti slopinamas įvairių junginių, vadinamų inhibitoriais.
Negrįžtamasis slopinimas (inhibavimas)
Negrįžtamasis slopinimas (inhibavimas), dar vadinamas katalitiniu nuodijimu, vyksta, kai inhibitoriai jungiasi su fermentais kovalentiniais ryšiais. Tai yra negrįžtamas kovalentinis modifikavimas. Pavyzdžiui, gyvsidabris (Hg) jungiasi su fermente esančiomis -SH grupėmis kovalentiniais ryšiais.
Grįžtamasis slopinimas (inhibavimas)
Grįžtamasis slopinimas (inhibavimas) vyksta, kai inhibitoriai jungiasi su fermentais nekovalentiniais ryšiais. Toks ryšys yra silpnesnis, todėl inhibitorius gali atskilti nuo fermento, ir fermentas atgauna savo aktyvumą.
Fermentų klasifikacija
Fermentai pagal katalizuojamos reakcijos tipą skirstomi į 6 klases. Jie katalizuoja oksidacijos - redukcijos procesus.
Kiti fermentų panaudojimo aspektai
Fermentai naudojami kaip vaistiniai preparatai, kaip reagentai ar biocheminiai rodikliai diagnozei nustatyti.
Žmogaus organizme yra aptikta daugiau nei 5 tūkst. 22 skirtingų tipų fermentų, kurių daugelis gaminama kasoje.
Fermentai ir jų svarba virškinimui Lithuanian
tags: #fermentine #reakcija #substratas