Активность ферментов
Биологические катализаторы
Все живые организмы непрерывно совершают многочисленные биохимические реакции, чтобы поддерживать свое присутствие. Для нач…
Европейские исследователи обладали достаточными знаниями, навыками и снаряжением, но почему они не добрались до Нового Света до конца XV века? Вы будете удивлены, узнав, что ответ на этот вопрос связан с маленькими биологическими молекулами, называемыми ферментами, которые действуют как катализаторы.
Что такое катализатор? Это вещество, которое позволяет протекать реакции быстрее, используя меньше энергии. Если вы построите график энергии, необходимой для некатализируемой биологической реакции, он будет выглядеть примерно так. Эта высота представляет собой энергию активации, которая является минимальным количеством энергии, необходимым для протекания реакции. Ферменты, работающие как катализатор, обеспечивают альтернативный путь реакции с более низкой энергией активации.
Итак, как же на самом деле работают ферменты? Большинство ферментов являются белками. Часть их структуры, которая взаимодействует с молекулами, которые они катализируют, называется активным центром, который имеет сродство только к определенным субстратам и не связывается с другими. Когда правильные субстраты попадают в активный центр, фермент изменяет свою форму, чтобы получить более высокую аффинную конфигурацию. Это переходное состояние облегчает реакцию и превращает реагенты в продукты. Фермент, однако, имеет более низкое сродство к продуктам, поэтому он высвобождает их и возвращается к своей первоначальной форме, готовый повторить тот же процесс. Это пример катаболического фермента, потому что он взял один субстрат и разрушил его, образовав несколько продуктов. Противоположностью этому является анаболический фермент, который берет два субстрата и соединяет их вместе, чтобы получить более крупный продукт.
Существует множество других способов функционирования ферментов. Например, этот фермент преображает один субстрат в новую форму. В то время как этот переносит часть одного субстрата на другой. Некоторые ферменты не могут катализировать реакции сами по себе и требуют кофакторов или коферментов для катализации своей реакции.
Итак, вы можете задаться вопросом, как все это связано с путешествиями 15-го века? В то время у моряков не было доступа к свежим продуктам, содержащим витамин С, кофермент, необходимый для синтеза коллагена. Из-за этого у моряков развивалась цинга, болезнь дефицита витамина С, которая часто приводила к летальному исходу. Они решили эту проблему, маринуя богатые витамином С фрукты и овощи. Маринование снижало рН пищи, что препятствовало активности микробных ферментов, ответственных за их гниение. Таким образом, разрушение микробных ферментов и сохранение незаменимого кофермента сыграло важную роль в успехе длительных экспедиций.
В этой лаборатории вы можете количественно оценить, как различные условия влияют на функцию фермента, оценив скорость реакции, количество производимого продукта в единицу времени. Сначала вы измерите базовую скорость реакции при стандартной комнатной температуре и нейтральном pH. Вначале скорость будет увеличиваться до тех пор, пока все молекулы фермента не будут полностью насыщены субстратом. И тогда катализ достигнет стабильного уровня, поскольку ферменты заняты продолжением цикла связывания субстрата, катализа и высвобождения. После того, как исходная скорость реакции установлена, ее можно использовать в качестве точки отсчета для других условий. Фермент, с которым вы будете работать в этой лаборатории, — это пероксидаза репы. Вы оцените его активность при различных значениях температуры и pH.
Европейские исследователи обладали достаточными знаниями, навыками и снаряжением, но почему они не добрались до Нового Света до конца XV века? Вы будете удивлены, узнав, что ответ на этот вопрос связан с маленькими биологическими молекулами, называемыми ферментами, которые действуют как катализаторы.
Что такое катализатор? Это вещество, которое позволяет протекать реакции быстрее, используя меньше энергии. Если вы построите график энергии, необходимой для некатализируемой биологической реакции, он будет выглядеть примерно так. Эта высота представляет собой энергию активации, которая является минимальным количеством энергии, необходимым для протекания реакции. Ферменты, работающие как катализатор, обеспечивают альтернативный путь реакции с более низкой энергией активации.
Итак, как же на самом деле работают ферменты? Большинство ферментов являются белками. Часть их структуры, которая взаимодействует с молекулами, которые они катализируют, называется активным центром, который имеет сродство только к определенным субстратам и не связывается с другими. Когда правильные субстраты попадают в активный центр, фермент изменяет свою форму, чтобы получить более высокую аффинную конфигурацию. Это переходное состояние облегчает реакцию и превращает реагенты в продукты. Фермент, однако, имеет более низкое сродство к продуктам, поэтому он высвобождает их и возвращается к своей первоначальной форме, готовый повторить тот же процесс. Это пример катаболического фермента, потому что он взял один субстрат и разрушил его, образовав несколько продуктов. Противоположностью этому является анаболический фермент, который берет два субстрата и соединяет их вместе, чтобы получить более крупный продукт.
Существует множество других способов функционирования ферментов. Например, этот фермент преображает один субстрат в новую форму. В то время как этот переносит часть одного субстрата на другой. Некоторые ферменты не могут катализировать реакции сами по себе и требуют кофакторов или коферментов для катализации своей реакции.
Итак, вы можете задаться вопросом, как все это связано с путешествиями 15-го века? В то время у моряков не было доступа к свежим продуктам, содержащим витамин С, кофермент, необходимый для синтеза коллагена. Из-за этого у моряков развивалась цинга, болезнь дефицита витамина С, которая часто приводила к летальному исходу. Они решили эту проблему, маринуя богатые витамином С фрукты и овощи. Маринование снижало рН пищи, что препятствовало активности микробных ферментов, ответственных за их гниение. Таким образом, разрушение микробных ферментов и сохранение незаменимого кофермента сыграло важную роль в успехе длительных экспедиций.
В этой лаборатории вы можете количественно оценить, как различные условия влияют на функцию фермента, оценив скорость реакции, количество производимого продукта в единицу времени. Сначала вы измерите базовую скорость реакции при стандартной комнатной температуре и нейтральном pH. Вначале скорость будет увеличиваться до тех пор, пока все молекулы фермента не будут полностью насыщены субстратом. И тогда катализ достигнет стабильного уровня, поскольку ферменты заняты продолжением цикла связывания субстрата, катализа и высвобождения. После того, как исходная скорость реакции установлена, ее можно использовать в качестве точки отсчета для других условий. Фермент, с которым вы будете работать в этой лаборатории, — это пероксидаза репы. Вы оцените его активность при различных значениях температуры и pH.
View the full transcript and gain access to JoVE Lab Manual videos
Q1: What is the role of activation energy in enzyme-catalyzed reactions?
Activation energy is the minimum amount of energy required for a reaction to proceed. Enzymes lower this activation energy by providing an alternate reaction pathway, enabling reactions to occur faster and using less energy. This catalytic function allows biological processes to happen efficiently at body temperature without requiring excessive heat or energy input.
Q2: How does an enzyme's active site determine which substrates it can bind?
Each enzyme's active site has a specific shape and chemical properties that match only certain substrates. When the correct substrate enters the active site, the enzyme changes shape to achieve higher affinity, facilitating the reaction. The enzyme then releases the products and returns to its original shape, ready to repeat the catalytic cycle with new substrate molecules.
Q3: What is the difference between catabolic and anabolic enzymes?
Catabolic enzymes break down larger molecules into multiple smaller products, such as lactase splitting lactose into glucose and galactose. Anabolic enzymes combine multiple substrates into a single larger product, like DNA polymerase joining nucleotides to synthesize DNA. These opposing functions allow organisms to both extract energy and build complex molecules.
Q4: How do pH and temperature affect enzyme activity?
Enzymes require specific pH and temperature ranges to function optimally. Deviations from optimal pH alter the charges in the active site, preventing substrate interaction. Similarly, temperature shifts alter the active site shape; returning to optimal temperature usually restores function, but excessive heat can permanently denature the enzyme. These properties are exploited in food preservation through pickling and cooking.
Q5: What are cofactors and coenzymes, and why do some enzymes need them?
Cofactors are inorganic substances like ions (Mg2+, Mn2+) required for enzymatic function, while coenzymes are organic biomolecules like B vitamins that participate in catalysis without being consumed. Some enzymes cannot catalyze reactions independently and require these helper molecules to function. For example, vitamin C is an essential coenzyme for collagen synthesis.
Q6: How is enzyme reaction rate measured and used as a reference in experiments?
Reaction rate is quantified by measuring the amount of product made per unit time, calculated during the linear phase when product concentration increases steadily until enzyme saturation. Once a baseline reaction rate is established under standard conditions, it serves as a control reference point for comparing how different treatments like temperature or pH variations affect enzyme efficiency.
Q7: What are enzyme inhibitors and how do they affect enzyme function?
Enzyme inhibitors are molecules that decrease enzymatic activity by binding to the active site or allosteric sites on the enzyme. Inhibitor binding can be reversible, allowing the enzyme to resume function once the inhibitor detaches, or irreversible, permanently damaging the enzyme. Inhibitors have practical applications as antibiotics to inhibit bacterial growth and as chemotherapeutics to prevent cancer cell division.