Інформація про новину
  • Переглядів: 75
  • Автор: admin
  • Дата: 9-03-2018, 23:02
9-03-2018, 23:02

Enzymy (fermenty)

Категорія: Podręczniki w języku polskim » Biologia

W komórkach zachodzą reakcje, które są niemożliwe bez udziału katalizatorów

Jak już wiemy z poprzednich paragrafów, w komórkach żywych organizmów jest niezwykle dużo różnorodnych cząsteczek. Te cząsteczki nie tylko tworzą podstawę komórek i tkanek, z których są zbudowane organizmy, lecz wstępują w reakcje chemiczne między sobą. W organizmie zachodzą różnorodne procesy chemicznych przekształceń cząsteczek: rozszczepienie polimerów pokarmu do monomerów, oddychanie, fotosynteza, synteza nowych białek z aminokwasów itd. Wielu tym reakcjom towarzyszy wydzielanie energii, którą organizm może wykorzystywać, natomiast inne wymagają dodatkowego źródła energii. Rozpatrzmy prostą reakcję rozkładu karbamidu (inna nazwa - mocznik) w wodzie:

Taka reakcja nie wymaga dodatkowego źródła energii, ponieważ substancje reagujące mają energię większą od produktów reakcji. Ta reakcja zachodzi dowolnie. Na rycinie 6.1. pokazano zmianę energii reagentów w toku reakcji. Taki wykres nazywa się energetycznym profilem reakcji. Umieśćmy niewielką ilość karbamidu do probówki z wodą i obserwujmy wydzielanie amoniaku i dwutlenku węgla. Obliczenie energetyczne wskazuje, że karbamid powinien całkowicie się rozłożyć. Jednak szybkość takiej reakcji jest bardzo mała. Aby ta reakcja zaszła do końca, trzeba czekać miliard lat! Co jest przyczyną tak małej szybkości?

Jeżeli jeszcze raz uważnie rozpatrzymy rycinę 6.1, to zauważymy, że na profilu energetycznym między reagentami i produktami jest „pagórek” - stan z wysoką energią, która przekracza energię substancji reagujących na energię aktywacji. Jeżeli pokonać ten „pagórek”, to reakcja zachodzi bardzo szybko, lecz „wspiąć się” na niego i „przekroczyć” go jest bardzo trudno. Właśnie to ogranicza szybkość reakcji. Lecz niektóre substancje są zdolne do obniżania wysokości tego „wzgórza”, czyli obniżania energii aktywacji. Takie substancje nazywają się katalizatorami.



Enzymy (fermenty) - to katalizatory biologiczne

Reakcja rozkładu karbamidu w wodzie zachodzi bardzo powoli. Jeżeli do tego roztworu dodamy roztarte nasiona kawona i podniesiemy wilgotny papierek lakmusowy, to od razu zauważymy, jak on zacznie zmieniać kolor na niebieski: to wydzielający się amoniak stwarza środowisko zasadowe. Można przypuścić, że w nasionach kawona jest katalizator tej reakcji. I rzeczywiście: tym katalizatorem jest białko ureaza. Ureaza-to tylko jeden z licznej grupy katalizatorów o białkowej naturze, które nazywają się enzymami (fermentami). Enzymy stanowią absolutną większość katalizatorów żywych organizmów.

Jak i wszystkie białka, enzymy są bardzo wielkimi cząsteczkami. Na ryc. 6.2 podano enzym i substrat reakcji (reagent). Reaguje z substratem nie cała powierzchnia enzymu, a tylko niewielka jej część, która nazywa się centrum aktywne. Inna część tworzy podstawę strukturalną, na której centrum aktywne utrwala się i przybiera strukturę niezbędną do katalizy. Centrum aktywne zwykle jest nieduże, jednak do jego składu często wchodzą oddalone od siebie odcinki sekwencji aminokwasowych. W procesie zakręcania się cząsteczki enzymu te odcinki okazują się jeden obok drugiego.

Zasada pracy enzymów - współdziałanie z substratem

Centrum aktywne - to odcinek katalityczny cząsteczki enzymu. Tam zachodzi połączenie się z substratami reakcji i proces katalizy. Substraty wchodzą do centrum aktywnego i współdziałają z resztami aminokwasowymi, powodując zmiany w trójwymiarowej strukturze enzymu. Wytwarza się kompleks enzym--substrat (ryc.6.3). Często te zmiany są nieznaczne, lecz czasem one globalnie przebudowują strukturę cząsteczki. Dotyczy to przede wszystkim białek-rozruszników, które wykonują pracę mechaniczną.

Centrum aktywne tworzy odpowiednie środowisko dla dokonania reakcji z mniejszą barierą energetyczną niż w roztworze. Właśnie to przyspiesza reakcję o miliony, a nawet setki miliardów razy.


 

W każdej komórce znajdują się tysiące różnych enzymów, które dokonują różnorodne reakcje. Przy tym można mówić o specyficzności reakcji enzymatycznych: każdy enzym może katalizować tylko ograniczoną ilości reakcji. Na przykład enzym amylaza, który zawarty jest w ślinie, może rozszczepiać skrobię, lecz nie potrafi rozszczepiać błonnika. Specyficzność polega na tym, że centrum aktywne ma określony kształt, dostępny dla współdziałania z jednym substratem, lecz niedostępny dla współdziałania z innymi. Niektóre enzymy przyspieszają tylko jedną reakcję, natomiast inne - wiele.

Na aktywność enzymatyczną wywierają wpływ czynniki środowiska

Kataliza enzymatyczna jest niemożliwa bez poprawnego rozmieszczenia reszt aminokwasowych w centrum aktywnym. A rozmieszczenie reszt aminokwasowych w centrum aktywnym zależy od prawidłowego skręcania się cząsteczki enzymu. W § 3 ustaliliśmy, że na skręcanie się cząsteczki białka

wpływają różnorodne czynniki środowiska zewnętrznego: temperatura, kwasowość, zasolenie. Cząsteczki enzymów oraz cząsteczki innych białek są wrażliwe na zmiany tych czynników: jeżeli te parametry nie odpowiadają optymalnym, to zakłóca się struktura trójwymiarowa enzymów i one tracą swoją aktywność. Pepsyna, która jest składnikiem soku żołądkowego człowieka, jest aktywna w środowisku kwaśnym żołądka, jednak gubi swoją aktywność w środowisku słabozasadowym jelita. Większość enzymów jest bardzo wrażliwa na zmiany temperatury. Przy ogrzewaniu powyżej 60°C one przestają pracować. Ale enzymy bakterii mieszkających w gorących źródłach często pracują optymalnie przy temperaturze 70-80°C.

Enzymy są niezwykle różnorodne

Wspominaliśmy już na początku paragrafu, że w żywych organizmach zachodzi ogromna ilość różnorodnych reakcji biochemicznych katalizowanych przez enzymy. Enzymy klasyfikujemy według reakcji, które one katalizują, budowy i miejsca rozmieszczenia w komórce. Na rycinie 6.4 podano niektóre enzymy, które są w organizmach żywych.

1. Amylaza - enzym pozakomórkowy dokonujący rozszczepienie skrobi. U człowieka zawiera go ślina i sok trzustkowy. Podczas kiełkowania ziarenek zbóż aktywnie syntezuje się przez zarodek i dokonuje rozszczepienie skrobi zgromadzonej w bielmie.

2. Pepsyna - enzym zawarty w soku żołądkowym. Dokonuje rozszczepienie białek. Jest aktywny w środowisku kwaśnym.

3. Nitrogenaza - enzym syntezowany przez bakterie przyswajające azot. Dokonuje przekształcenie azotu atmosferycznego w amoniak. Odgrywa czołową rolę w krążeniu azotu w przyrodzie.

4. Syntetaza glutaminowa - enzym, który odpowiada za włączenie azotu do składu aminokwasów. Jest obecny w komórkach wszystkich organizmów żywych.

5. Syntetaza kwasów tłuszczowych - wielki enzym cytoplazmatyczny dokonujący syntezę kwasów tłuszczowych - część składowa tłuszczów. U bakterii to kompleks wieloenzymatyczny, a u człowieka - dimer, zawierający wiele różnych centrów aktywnych.


 

Zastanów się

Wybierz jedną poprawną odpowiedź

Na rycinie do zadania №4 cyfrą 5 zaznaczono A centrum aktywne enzymu В substrat

C kompleks enzym-substrat D produkt reakcji

E kompleks enzym-produkt

2

W energię organizmy zwierzęce zaopatruje proces A biosyntezy białek В syntezy lipidów C trawienia pokarmu D fotosyntezy E oddychania

3

Na wykresie, na którym podano zmianę energii w toku reakcji chemicznej, literą X zaznaczono

A energię substratów В energię produktów C energię enzymu D energię aktywacji

E różnicę energii produktów i substratów

4

Cyfrą 2 na rycinie zaznaczono A centrum aktywne enzymu В substrat

C kompleks enzym-substrat D produkty reakcji

E kompleks enzym-produkt

Sformułuj odpowiedź w postaci kilku zdań

Jak aktywność enzymów zależy od otaczającego środowiska?

Czy zużywa się enzym podczas reakcji enzymatycznej? Dlaczego?

Który z odcinków enzymu bezpośrednio odpowiada za katalizę?

Co to jest specyficzność enzymu? Dlaczego ona jest ważna dla przyrody żywej?

Znajdź odpowiedź i postaraj się zrozumieć istotę problemu

9

Organizmy termofilowe żyją w miejscach o wysokiej temperaturze środowiska otaczającego (na przykład, w źródłach gorących). Jakie osobliwości powinny mieć enzymy tych organizmów? Zastanów się, jak mogą być wykorzystane te enzymy w praktyce?

10

Zwykle szybkość reakcji chemicznej zwiększa się przy podwyższeniu temperatury (średnio o 2-4 razy na każde 10 stopni). Czy zawsze to twierdzenie sprawdza się dla reakcji katalizowanej przez enzymy?

Dowiedz się samodzielnie i opowiedz innym

11

Jakie właściwości powinny mieć cząsteczki wykonujące rolę katalizatorów? Dlaczego do tej funkcji jak najbardziej pasują białka?

12

W jaki sposób, dlaczego i jakie enzymy są wykorzystywane w przemyśle?

Projekt do opracowania w grupie

13

Wykorzystując różnorodne materiały (papier, tekturę, nici, guziki, plastelinę itd.), zrób model reakcji fermentacyjnej. Pokaż model w klasie i wytłumacz, co on demonstruje lub wykonaj podobny model wirtualny na komputerze.

 

Źródło: Biologia podręcznika dla klasy 9 Szałamow

 






^