ENSÜMAATILISE KATALÜÜSI ETAPID

1. Ensüüm-substraadi kompleksi moodustumine

Ensüümid on kõrge spetsiifilisusega ja see võimaldas püstitada hüpoteesi, mille kohaselt on ensüümi aktiivne sait substraadiga komplementaarne, s.t. vastab sellele kui "luku võti". Pärast “võtme” substraadi interaktsiooni “luku” aktiivkeskusega toimuvad substraadi keemilised muundumised tooteks.

Hiljem pakuti välja selle hüpoteesi teine ​​versioon – aktiivne keskus on substraadi suhtes paindlik struktuur. Substraat, interakteerudes ensüümi aktiivse saidiga, põhjustab muutuse selle konformatsioonis, mis viib ensüümi-substraadi kompleksi moodustumiseni. Sel juhul muudab substraat ka oma konformatsiooni, mis tagab ensümaatilise reaktsiooni suurema efektiivsuse.

2. Sündmuste jada ensümaatilise katalüüsi ajal

aga. lähenemise etapp ja substraadi orientatsioon ensüümi aktiivse saidi suhtes

b. ensüüm-substraadi kompleksi moodustumine

sisse. substraadi deformatsioon ja ebastabiilse ensüümi-produkti kompleksi moodustumine

d) ensüümi-produkti kompleksi lagunemine koos reaktsioonisaaduste vabanemisega ensüümi aktiivsest saidist ja ensüümi vabanemisega

3. Aktiivse saidi roll ensümaatilises katalüüsis

Vaid väike osa ensüümist, 5–10 aminohappejääki, puutub kokku substraadiga, moodustades ensüümi aktiivse tsentri. Ülejäänud aminohappejäägid tagavad ensüümi molekuli õige konformatsiooni keemilise reaktsiooni optimaalseks kulgemiseks. Ensüümi aktiivses keskuses on substraadid paigutatud nii, et reaktsioonis osalevate substraatide funktsionaalsed rühmad on üksteisega vahetus läheduses. Selline substraatide paigutus vähendab aktiveerimisenergiat, mis määrab ensüümide katalüütilise efektiivsuse.

Ensümaatilisel katalüüsil on kaks peamist mehhanismi:

1. happe-aluse katalüüs

2. kovalentne katalüüs

Happe-aluse katalüüsi mõiste seletab ensümaatilist aktiivsust happerühmade (prootonidoonorid) ja/või aluseliste rühmade (prootoniaktseptorid) osalemisega keemilises reaktsioonis. Aminohappejääkidel, mis moodustavad aktiivse tsentri, on funktsionaalsed rühmad, millel on nii hapete kui ka aluste omadused. Need on tsüsteiin, türosiin, seriin, lüsiin, glutamiinhape, asparagiinhape ja histidiin.

Happe-aluse katalüüsi näiteks on alkoholi oksüdeerimine ensüümi alkoholdehüdrogenaasi toimel.

Kovalentne katalüüs põhineb ensüümi aktiivse tsentri "-" ja "+" rühmade rünnakul substraadi molekulide poolt, moodustades kovalentse sideme substraadi ja koensüümi vahel. Näiteks võib tuua seriinproteaaside (pripsiin, kemotrüpsiin) toime peptiidsidemete hüdrolüüsile valkude seedimise ajal. Substraadi ja ensüümi aktiivse saidi seriini aminohappejäägi vahel moodustub kovalentne side.

Ensüümid mängivad ainevahetuses võtmerolli. Nad kiirendavad reaktsioone, suurendades nende kiiruskonstante.

Vaatleme tavapärase reaktsiooni energiaprofiili (joonis 12.I), mis toimub lahuses kokkupõrkemehhanismi järgi AGA + IN -> R.

Tooteharidus R tekib siis, kui algainete põrkuvate molekulide energia AGA Ja INületab energiabarjääri. Ilmselgelt saab seda reaktsiooni kiirendada, kui aktiveerimisenergiat kuidagi vähendada &.E ZKG

Ensümaatilise reaktsiooni üldskeem hõlmab teadupärast ühe ensüümi-substraadi kompleksi moodustumist, mille aktiivses keskmes vanad sidemed katkevad ja koos toote ilmumisega tekivad uued sidemed.

Erinevad ensüümi toimemehhanismi teoreetilised mudelid pakuvad erinevaid meetodeid reaktsioonibarjääri alandamiseks ensüümi-substraadi kompleksis. Substraadi fikseerimise tulemusena ensüümil toimub reaktiivide entroopia mõningane langus võrreldes nende vaba olekuga. Iseenesest soodustab see edasisi keemilisi interaktsioone ensüümi-substraadi kompleksi aktiivsete rühmade vahel, mis peavad olema rangelt vastastikku orienteeritud. Samuti eeldatakse, et liigne sorptsioonienergia, mis vabaneb substraadi sidumisel,

Riis. 12.1.

ei muutu täielikult soojuseks. Sorptsioonienergiat saab osaliselt salvestada ensüümi valguosas ja seejärel kontsentreerida rünnatud sidemele moodustunud ensüümi-substraadi kontaktide piirkonnas.

Seega oletatakse, et sorptsioonienergiat kasutatakse madala entroopiaga energeetiliselt pingestatud konformatsiooni loomiseks ensüümi-substraadi kompleksis ja soodustab seeläbi reaktsiooni kiirenemist. Katselised katsed tuvastada elastseid deformatsioone, mida saaks säilitada ensüümi valgugloobulis ilma soojuseks hajumata, katalüütiliste sündmuste vahel (10 10 -3 s) aga piisavalt pikaks ajaks, ebaõnnestusid. Pealegi on vajalik selleks

Katalüüsi käigus toimub substraadi ja ensüümi keskpunktis olevate aktiivsete rühmade lõhustuva sideme vastastikune orientatsioon ja konvergents spontaanselt, ensüümi ja substraadi erinevate, sealhulgas aktiivsete rühmade molekulisisese liikuvuse tõttu. Selline lähenemine ei eelda mingite energeetiliselt ebasoodsate kontaktide teket. See järeldus tuleneb mittevalentse interaktsiooni analüüsist mitmete ensüümide (α-kümotrüpsiin, lüsosüüm, ribonukleaas, karboksüneptidaas) aktiivsetes keskustes. Seega ei ole ensüümi-substraadi kompleksi konformatsiooniline pinge iseenesest vajalik energiaallikas ja katalüüsi liikumapanev jõud.

Teised mudelid viitavad sellele, et valgu gloobulis toimub soojusvibratsiooni energia mittehajutav ülekanne valgu välimistest kihtidest rünnatud sidemesse aktiivses keskuses. Tõsiseid tõendeid selle kohta aga ei ole, välja arvatud väide, et ensüüm peab olema "korrastatud" nii, et selle struktuur tagaks konformatsiooni kõikumiste muutumise leviku koherentsuse ilma soojuskadudeta teatud vabadusastmetel.

Lisaks eksperimentaalsete tõendite puudumisele on nende mudelite ühiseks puuduseks see, et nad ei võta selgesõnaliselt arvesse olulist tegurit – valgu spontaanset molekulisisest liikuvust.

Ensümaatilise katalüüsi konformatsioonilis-relaksatsiooni kontseptsioonis on selles osas tehtud samm edasi. Selles peetakse toote välimust ensüümi-substraadi kompleksi järjestikuste konformatsiooniliste muutuste tulemuseks, mis on põhjustatud ensüümi aktiivse saidi elektroonilise oleku esialgsetest muutustest. Esialgu toimuvad lühikese aja jooksul (10 | 2 - 10 13 s) elektrooniline-vibratsiooniline interaktsioon, mis mõjutab ainult substraadi valitud keemilisi sidemeid ja ensüümi funktsionaalrühmi, kuid mitte ülejäänud valgugloobuli.

Selle tulemusena tekib konformatsiooniline mittetasakaalu olek, mis lõdvestub produkti moodustumisega uude tasakaalu. Lõõgastusprotsess on aeglane ja sellel on suunaline iseloom, sealhulgas produkti lõhustamise ja vaba ensüümi molekuli lõdvestamise etapid esialgsesse tasakaaluolekusse. Ensümaatilise reaktsiooni koordinaat langeb kokku konformatsioonilise lõõgastuse koordinaadiga. Temperatuur mõjutab konformatsioonilist liikuvust, kuid mitte vabade reaktiivmolekulide aktiivsete kokkupõrgete arvu, mis juba moodustunud ensüümi-substraadi kompleksi puhul lihtsalt nii ei ole.

Suurte kiiruste erinevuste tõttu võib eraldi käsitleda kiireid elektroonilisi interaktsioone aktiivkeskuses, mis toimuvad lühikestel vahemaadel, ja aeglasemaid konformatsioonilis-dünaamilisi muutusi valguosas.

Katalüüsi esimeses etapis põhjustab ensüümi valgugloobuli dünaamika stohhastiline olemus ja substraadi difusioon aktiivsesse keskusesse rangelt määratletud konfiguratsiooni moodustumist, mis hõlmab ensüümi ja keemilise aine funktsionaalrühmi. substraadi sidemed. Näiteks peptiidsideme hüdrolüüsi korral nõuab reaktsioon substraadi samaaegset rünnakut kahe aktiivse tsentri rühma - nukleofiilse ja elektrofiilse - poolt.

Näide 12.1. Joonisel fig. 12.2 näitab substraadi ja külgahelate lõhustuva peptiidsideme suhtelist asukohta teenindaja- 195, gis-51. Ser-195 jäägi aatom on 2,8 A kaugusel karbonüülsüsiniku C1 ja hüdroksüülrühma prootoni suhtes, lõhkumata vesiniksidemeid N-aatomiga. gis-51, asub lõhustuva rühma lämmastikuaatomist 2,0 A kaugusel. Kui see ja ainult see konfiguratsioon toimub, toimub keemiline katalüüsiakt. Formaalselt vastab see mitme molekuli samaaegsele kokkupõrkele, mis lahuses on äärmiselt ebatõenäoline.

Tekib küsimus: kui suur on tõenäosus sellise reaktiivse konfiguratsiooni spontaanseks tekkeks tiheda struktuuriga keskkonnas mitme rühma konformatsiooniliste kõikumiste tõttu, mis toimuvad vastavalt piiratud difusiooniseadustele?

Arvutused näitavad, et on väga kindel tõenäosus, et mitu gruppi satuvad samaaegselt "reaktsionääri"

Riis. 12.2.

mingi raadiusega piirkond, kus nad on lühikeste vahemaade jaoks kokku viidud. See tõenäosus sõltub peamiselt piiratud ruumis teineteist "otsivate" funktsionaalrühmade difusioonikoefitsiendist ja vabadusastmete arvust. Näiteks on peptiidsideme hüdrolüüsi ajal vaja luua kahele aktiivse tsentri rühmale soodne orientatsioon substraadi teatud piirkondade suhtes. Igal rühmal on kolm vabadusastet ja võttes arvesse substraadi molekuli vibratsiooni, on vabadusastmete koguarv N- 6 - 7. See on tüüpiline ensümaatilistele protsessidele.

Selgub, et normaalsetes tingimustes on sellise aktiivse konfiguratsiooni kujunemise keskmine aeg t ~

10 2 - 1Cic, mis langeb kokku ensüümi ringlusaegadega substraadi küllastumise tingimustes. Sarnase reaktsiooni lahenduses on see aeg palju pikem isegi oluliste difusioonikoefitsientide korral. Põhjus on selles, et tiheda struktuuriga keskkonnas piiratud alale sattudes funktsionaalrühmad "leivad" üksteist ja lähenevad üksteisele lühikesi vahemaid, enne kui nad "hajuvad" erinevatesse suundadesse, nagu lahuses juhtub. Samal ajal on m - 10~2 - 1CHc väärtus palju pikem kui üksikute rühmade lõõgastusajad, mis on reaktsiooni kulgemise üsna raskete steeriliste tingimuste tagajärg. Funktsionaalrühmade arvu suurenemine ja nendevahelised vajalikud samaaegsed kontaktid põhjustavad mitmekeskuselise aktiivse konfiguratsiooni saavutamise aja pikenemist. Ensümaatilise katalüüsi üldise kiiruse määrab täpselt soovitud konformatsiooni moodustumise aeg vastavate rühmade spontaanse lähenemise ajal aktiivses keskuses. Järgnevad elektroonilised interaktsioonid toimuvad palju kiiremini ja ei piira katalüüsi üldist kiirust.

Ensüümidel on mitmeid omadusi, mis hõlbustavad substraadi muutumist aktiivseks saidiks. Reeglina on aktiivse saidi mikrokeskkond koos aminohappejääkidega hüdrofoobsem kui ümbritsev vesikeskkond. See vähendab aktiivtsentri dielektrilist konstanti (nt

Peptiidsidemete dipoolide suur lokaalne kontsentratsioon loob aktiivses keskuses elektriväljad, mille tugevus on suurusjärgus tuhandeid ja sadu tuhandeid volte sentimeetri kohta. Seega loovad orienteeritud polaarsed rühmad intraglobulaarse elektrivälja, mis mõjutab Coulombi interaktsioone aktiivses keskuses.

Elektrooniliste üleminekute mehhanismid ise aktiivses konfiguratsioonis nõuavad nende dekodeerimiseks kvantkeemia meetodite kasutamist. Elektronide orbitaalide kattumine võib põhjustada elektronide tiheduse ümberjaotumist, täiendava laengu ilmnemist substraadis rünnatud sideme antisidumisorbitaalile ja selle nõrgenemist.

Täpselt nii juhtub peptiidsideme hüdrolüüsil tetraeedrilises kompleksis (vt joonis 12.2). Elektroni tiheduse voog Ofoj-cep-195-lt peptiidsideme lõdvenevale orbitaalile toimub tänu üksiku elektronpaari 0[95 5 interaktsioonile peptiidsideme C1-aatomi n-elektronidega. Sel juhul lükatakse aminorühma üksik lämmastikupaar peptiidist välja

Riis. 12.3.

N=C side, mis kaotab oma topeltomaduse ja nõrgeneb selle tulemusena.

Samal ajal nõrgestab elektrontiheduse vool alates 0,95 H-O^ sidet. Kuid siis ensüümi H ja amiinrühma N interaktsioon ning selle protoneerimine prootoni üleminekuga 0 "[ch5 gis-57. See omakorda suurendab taas Oj9 5 interaktsiooni peptiidrühmaga jne.

Nii tekib tetraeedrilises kompleksis ainulaadne olukord, kui samaaegselt kulgevad mitmed monomolekulaarsed reaktsioonid, mis üksteist vastastikku kiirendades. Laengu ja prootoni sünkroonne liikumine teenindaja- 195, gis-57, peptiidside tagab protsessi kõrge efektiivsuse. Katalüütiline toiming toob kolm eraldiseisvat bimolekulaarset reaktsiooni ühte koostöösüsteemi, mis viib peptiidsideme lõhustumiseni, mis on lahuses ebatõenäoline. Süsteemis on näidatud loomulikud konformatsioonilised ümberkorraldused ja selle tulemusena toimub ensüümi deatsüülimine ja aatomi protoneerimine. 0} 95 .

Aktiivses konfiguratsioonis aatomirühmade polüfunktsionaalse suletud süsteemi moodustamise põhimõte viiakse läbi ka teistes ensüümi-substraadi kompleksides (joonis 12.3).

Ensümaatilises katalüüsis tagab substraadi transformatsioonide mitmeastmelise olemuse, mis lahuses on ebatõenäoline, nende sünkroonne koostöö ühes polüfunktsionaalses süsteemis.

Ebaefektiivsete järjestikuste aktiveerimisetappide asendamine koordineeritud protsessiga viib formaalselt kogu reaktsiooni aktiveerimisenergia vähenemiseni. Märgime veel kord, et rangelt võttes ei vasta mõiste "aktiveerimisenergia" füüsikaline tähendus ensümaatilistes protsessides vabade molekulide aktiivsete kokkupõrgete mehhanismi järgi kulgevate lahuste reaktsioonide omale.

Ensümaatilise katalüüsi sündmuste jada saab kirjeldada järgmise skeemi abil. Esiteks moodustub substraadi-ensüümi kompleks. Sel juhul toimub muutus ensüümmolekuli ja substraadi molekuli konformatsioonides, viimane fikseeritakse pinges konfiguratsioonis aktiivses keskuses. See moodustab aktiveeritud kompleksi või ülemineku olek, on kõrge energiaga vahestruktuur, mis on energeetiliselt vähem stabiilne kui algsed ühendid ja tooted. Kõige olulisema panuse kogu katalüütilisse toimesse annab üleminekuoleku stabiliseerimise protsess – valgu aminohappejääkide ja substraadi vaheline interaktsioon pingestatud konfiguratsioonis. Erinevus esialgsete reagentide vaba energia väärtuste ja üleminekuoleku vahel vastab aktiveerimise vabale energiale (ΔG #). Reaktsioonikiirus sõltub väärtusest (ΔG #): mida väiksem see on, seda suurem on reaktsioonikiirus ja vastupidi. Sisuliselt on DG "energiabarjäär", mis tuleb reaktsiooni toimumiseks ületada. Üleminekuseisundi stabiliseerumine alandab seda "barjääri" ehk aktiveerimisenergiat. Järgmises etapis toimub keemiline reaktsioon ise, mille järel vabanevad saadud tooted ensüümi-produkti kompleksist.

Ensüümide kõrgel katalüütilisel aktiivsusel on mitu põhjust, mis alandavad reaktsiooni energiabarjääri.

1. Ensüüm suudab siduda reageerivate substraatide molekule nii, et nende reaktiivsed rühmad paiknevad üksteise lähedal ja ensüümi katalüütilistest rühmadest (mõju lähenemine).

2. Substraadi-ensüümi kompleksi moodustumisel saavutatakse substraadi fikseerimine ja selle optimaalne orientatsioon keemiliste sidemete purustamiseks ja moodustamiseks (efekt orientatsiooni).

3. Substraadi sidumine viib selle hüdratatsioonikihi eemaldamiseni (esineb vees lahustunud ainetel).

4. Substraadi ja ensüümi indutseeritud sobitamise mõju.

5. Üleminekuseisundi stabiliseerumine.

6. Teatud rühmad ensüümi molekulis võivad pakkuda happe-aluse katalüüs(prootonite ülekanne substraadis) ja nukleofiilne katalüüs(kovalentsete sidemete moodustumine substraadiga, mis viib substraadist reaktiivsemate struktuuride tekkeni).

Happe-aluse katalüüsi üheks näiteks on mureiini molekuli glükosiidsidemete hüdrolüüs lüsosüümi toimel. Lüsosüüm on ensüüm, mida leidub erinevate loomade ja taimede rakkudes: pisaravedelikus, süljes, kanavalgus, piimas. Kanamunadest saadud lüsosüüm on molekulmassiga 14 600 Da, koosneb ühest polüpeptiidahelast (129 aminohappejääki) ja sellel on 4 disulfiidsilda, mis tagab ensüümi kõrge stabiilsuse. Lüsosüümi molekuli röntgendifraktsioonianalüüs näitas, et see koosneb kahest domeenist, mis moodustavad "vahe", milles asub aktiivne kese. Mööda seda "vahet" seondub heksosahhariid ja mureiini kuue suhkruringi sidumiseks on ensüümil oma koht (A, B, C, D, E ja F) (joonis 6.4).

Mureiini molekul jääb lüsosüümi aktiivsesse kohta alles peamiselt vesiniksidemete ja hüdrofoobsete interaktsioonide tõttu. Glükosiidsideme hüdrolüüsikoha vahetus läheduses on aktiivse tsentri 2 aminohappejääki: glutamiinhape, mis on polüpeptiidis 35. positsioonil, ja asparagiinhape, mis on polüpeptiidis 52. positsioonil (joonis fig. 6.5).

Nende jääkide külgahelad asuvad "pilu" vastaspindadel rünnatud glükosiidsideme vahetus läheduses - ligikaudu 0,3 nm kaugusel. Glutamaadi jääk on mittepolaarses keskkonnas ja ei ole ioniseeritud, aspartaadi jääk aga polaarses keskkonnas, selle karboksüülrühm on deprotoneeritud ja osaleb vesiniku aktseptorina keerulises vesiniksidemete võrgustikus.

Hüdrolüüsiprotsess viiakse läbi järgmiselt. Glu-35 jäägi protoneeritud karboksüülrühm annab oma prootoni glükosiidse hapniku aatomile, mis viib selle hapnikuaatomi ja D-saidis paikneva suhkrutsükli C1 aatomi vahelise sideme katkemiseni (üldine staadium). happekatalüüs). Selle tulemusena moodustub toode, mis sisaldab saitides E ja F paiknevaid suhkrurõngaid, mida saab ensüümiga kompleksist vabastada. Saidis D paikneva suhkrurõnga konformatsioon on moonutatud, võttes konformatsiooni pooltugitoolid, milles viis aatomit kuuest, mis moodustavad suhkruringi, asuvad peaaegu samal tasapinnal. See struktuur vastab üleminekuoleku konformatsioonile. Sel juhul osutub C 1 aatom positiivselt laetuks ja vaheprodukti nimetatakse karboniumiooniks (karbokatioon). Siirdeseisundi vaba energia väheneb karboniumiooni stabiliseerumise tõttu Asp-52 jäägi deprotoneeritud karboksüülrühma poolt (joon. 6.5).

Järgmises etapis siseneb reaktsiooni veemolekul, mis asendab aktiivse tsentri piirkonnast difundeeruvat disahhariidijääki. Veemolekuli prooton läheb üle Glu-35-le ja hüdroksüülioon (OH -) karboniumiooni C1-aatomile (üldise aluselise katalüüsi etapp). Selle tulemusena muutub lõhustatud polüsahhariidi teine ​​fragment reaktsiooni produktiks (tooli konformatsioon) ja lahkub aktiivse tsentri piirkonnast ning ensüüm naaseb algsesse olekusse ja on valmis läbi viima järgmist disahhariidi lõhustamisreaktsiooni ( joon. 6.5).

Katalüüs- see on keemilise reaktsiooni kiirendamise protsess katalüsaatorite mõjul, mis selles aktiivselt osalevad, kuid jäävad reaktsiooni lõpuks keemiliselt muutumatuks. Katalüsaator kiirendab keemilise tasakaalu saavutamist lähteainete ja reaktsioonisaaduste vahel. Keemilise reaktsiooni käivitamiseks vajalikku energiat nimetatakse aktiveerimise energia. See on vajalik selleks, et reaktsioonis osalevad molekulid saaksid minna reaktiivsesse (aktiivsesse) olekusse. Ensüümi toimemehhanism on suunatud aktiveerimisenergia alandamisele. See saavutatakse reaktsiooni jagamisel eraldi etappideks või etappideks, mis on tingitud ensüümi enda osalemisest. Igal uuel etapil on madalam aktiveerimisenergia. Reaktsiooni jagunemine etappideks saab võimalikuks tänu ensüümi kompleksi moodustumisele lähteainetega, nn substraatidega ( S). Sellist kompleksi nimetatakse ensüüm-substraadiks ( ES). Lisaks lõhustatakse see kompleks reaktsiooniproduktiks (P) ja muutumatuks ensüümiks ( E).

E + SESE + P

Seega on ensüüm biokatalüsaator, mis ensüümi-substraadi kompleksi moodustades jagab reaktsiooni väiksema aktiveerimisenergiaga eraldi etappideks ja suurendab seeläbi järsult reaktsiooni kiirust.

4. Ensüümide omadused.

Kõik ensüümid on valgulised.

Ensüümidel on suur molekulmass.

Need lahustuvad vees hästi, lahustumisel moodustavad nad kolloidseid lahuseid.

Kõik ensüümid on termolabiilsed, st. optimaalne toime 35-45 °C

Keemiliste omaduste järgi on need amfoteersed elektrolüüdid.

Ensüümid on substraatide suhtes väga spetsiifilised.

Ensüümid nõuavad oma toimimiseks rangelt määratletud pH väärtust (pepsiin 1,5–2,5).

Ensüümidel on kõrge katalüütiline aktiivsus (kiirendage reaktsioonikiirust 10 6 - 10 11 korda).

Kõik ensüümid on võimelised denatureerima tugevate hapete, leeliste, alkoholide, raskmetallide soolade mõjul.

Ensüümide toime spetsiifilisus:

Toime spetsiifilisuse järgi jagunevad ensüümid kahte rühma: absoluutse spetsiifilisusega ja suhtelise spetsiifilisusega ensüümid.

Suhteline spetsiifilisus tekib siis, kui ensüüm katalüüsib sama tüüpi reaktsioone rohkem kui ühe struktuuritaolise substraadiga. Näiteks pepsiin lagundab kõik loomsed valgud. Sellised ensüümid toimivad teatud tüüpi keemilisele sidemele, antud juhul peptiidsidemele. Nende ensüümide toime laieneb suurele hulgale substraatidele, mis võimaldab organismil toime tulla vähese hulga seedeensüümidega.

Absoluutne spetsiifilisus avaldub siis, kui ensüüm toimib ainult ühele ainele ja katalüüsib ainult selle aine teatud transformatsiooni. Näiteks sahharoos lagundab ainult sahharoosi.

Toimingu pöörduvus:

Mõned ensüümid võivad katalüüsida nii edasi- kui ka vastupidiseid reaktsioone. Näiteks laktaatdehüdrogenaas, ensüüm, mis katalüüsib laktaadi oksüdeerumist püruvaadiks ja püruvaadi redutseerimist laktaadiks.

Iga katalüütiline reaktsioon hõlmab nii edasi- kui ka vastupidise reaktsiooni kiiruse muutumist selle energia vähenemise tõttu. Kui keemiline reaktsioon kulgeb energia vabanemisega, peab see algama spontaanselt. Seda aga ei juhtu, sest reaktsiooni komponendid tuleb viia aktiveeritud (ülemineku) olekusse. Reageerivate molekulide aktiveeritud olekusse viimiseks vajalikku energiat nimetatakse aktiveerimise energia.

ülemineku olek mida iseloomustab pidev keemiliste sidemete moodustumine ja katkemine ning ülemineku- ja põhiolekute vahel valitseb termodünaamiline tasakaal. Otsese reaktsiooni kiirus sõltub temperatuurist ja substraadi vabade energiate erinevusest siirde- ja põhiolekus. Seda erinevust nimetatakse reaktsiooni vaba energia.

Substraadi üleminekuseisundi saavutamine on võimalik kahel viisil:

• üleliigse energia ülekandmisega reageerivatele molekulidele (näiteks temperatuuri tõstmisega),
• vähendades vastava keemilise reaktsiooni aktivatsioonienergiat.

Reaktiivide maandus- ja üleminekuolekud.

Eo, Ek - reaktsiooni aktiveerimisenergia ilma katalüsaatorita ja selle juuresolekul; DG-

reaktsiooni vaba energia erinevus.

Ensüümid "aitavad" substraatidel moodustumise ajal seondumisenergia tõttu omaks võtta üleminekuoleku ensüüm-substraadi kompleks. Aktiveerimisenergia vähenemine ensümaatilise katalüüsi ajal on tingitud keemilise protsessi etappide arvu suurenemisest. Mitmete vahereaktsioonide esilekutsumine viib selleni, et esialgne aktivatsioonibarjäär jaguneb mitmeks madalamaks barjääriks, millest reageerivad molekulid saavad üle palju kiiremini kui põhiline.

Ensümaatilise reaktsiooni mehhanismi võib kujutada järgmiselt:

1. ensüümi (E) ja substraadi (S) seos ebastabiilse ensüümi-substraadi kompleksi (ES) moodustumisega: E + S → E-S;
2. aktiveeritud siirdeoleku moodustumine: E-S → (ES)*;
3. reaktsiooniproduktide vabanemine (P) ja ensüümi (E) regenereerimine: (ES)* → P + E.

Ensüümide toime kõrge efektiivsuse selgitamiseks on välja pakutud mitmeid ensümaatilise katalüüsi mehhanismi teooriaid. Kõige varasem on E. Fisheri teooria ("malli" või "jäika maatriksi" teooria"). Selle teooria kohaselt on ensüüm jäik struktuur, mille aktiivseks keskuseks on substraadi "valamine". Kui substraat läheneb ensüümi aktiivsele saidile nagu "luku võti", siis toimub keemiline reaktsioon. See teooria selgitab hästi kahte tüüpi ensüümide substraadispetsiifilisust – absoluutset ja stereospetsiifilisust, kuid ensüümide rühma (suhtelise) spetsiifilisuse selgitamisel osutub see alusetuks.

"Rack" teooria põhineb G. K. Euleri ideedel, kes uuris hüdrolüütiliste ensüümide toimet. Selle teooria kohaselt seostub ensüüm substraadi molekuliga kahes punktis, samal ajal kui keemilist sidet venitatakse, elektronide tihedus jaotub ümber ja keemiline side katkeb, millega kaasneb vee lisamine. Substraadil on enne ensüümiga kinnitumist "lõdvestunud" konfiguratsioon. Pärast aktiivse keskmega seondumist toimub substraadi molekuli venitamine ja deformatsioon (asub aktiivses keskuses nagu nagil). Mida pikemad on keemilised sidemed substraadis, seda kergemini need purunevad ja seda väiksem on keemilise reaktsiooni aktivatsioonienergia.

Viimasel ajal on see laialt levinud D. Koshlandi "indutseeritud kirjavahetuse" teooria, mis võimaldab ensüümi molekuli suurt konformatsioonilist labiilsust, aktiivse saidi paindlikkust ja liikuvust. Substraat indutseerib ensüümi molekulis konformatsioonilisi muutusi nii, et aktiivne kese omandab substraadi sidumiseks vajaliku ruumilise orientatsiooni, st substraat läheneb aktiivsele keskusele nagu "käsi kindale".

Indutseeritud sobivuse teooria kohaselt on ensüümi ja substraadi interaktsiooni mehhanism järgmine:

1. ensüüm tunneb vastavalt komplementaarsuse põhimõttele ära ja "püüab kinni" substraadi molekuli. Selles protsessis abistab valgumolekuli selle aatomite soojusliikumine;
2. aktiivse tsentri aminohappejäägid nihutatakse ja reguleeritakse substraadi suhtes;
3. keemilised rühmad on kovalentselt seotud aktiivses keskuses – kovalentne katalüüs.