Substraat biokeemias: ensüümide sihtmolekul ja reaktsioonimehhanism
Avasta substraadi roll biokeemias: kuidas ensüümid seovad sihtmolekule, käivitavad reaktsioonimehhanisme ja lõhustavad sahharoosi glükoosiks ja fruktoosiks.
Biokeemias on substraat molekul, millele ensüüm mõjub toote saamiseks. p37
Ensüümireaktsiooni üldine võrrand on:
Substraat + ensüüm -> Substraat:ensüüm -> Toode:ensüüm -> Toode + ensüüm
See tähistab lühidalt kolme peamist etappi: substraadi sidumine ensüümiga (moodustub substraat:ensüüm kompleks), keemiline muundumine (toote:ensüüm kompleks) ja toote vabastumine, mille järel ensüüm on valmis uue katalüüsi tsükli jaoks.
Aktiivne koht ja sidumine
Ensüümil on spetsiaalne pind või õõnsus — aktiivne koht — mis tunneb ära ja seob oma substraadi. Sidumine ei ole pelgalt mehaaniline sobitumine: sageli tekib substraadi ja aktiivse koha vahel mitmesuguseid mittesidemeid (vesiniksidemed, hüdrofoobsed interaktsioonid, ioonsed sidemed). Sidumine stabiliseerib üleminekuolekut, vähendades reaktsiooni aktiveerimisenergiat, ja viib õige orientatsioonini, mis on vajalik keemiliseks reaktsiooniks.
Reaktsioonimehhanismid
- Võtmemudel vs kohanduv sobivus: algselt pakuti "lukku ja võtit" mudelit, kus substraat sobib täpselt aktiivsesse kohta. Tänapäeval on laialt aktsepteeritud indutseeritud vormi ehk "induced fit" idee: substraadi sidumine põhjustab ensüümi konformatsioonimuutuse, mis optimeerib aktiivse koha keemilist keskkonda.
- Katalüüsi mehhanismid: ensüümid kasutavad sageli aminohappe residusid aktiivses kohas kui happeid/aluseid, nukleofiile või stabiliseerijaid. Mõned ensüümid vajavad ka kofaktoreid (metalliioone või koensüüme), mis osalevad otseselt elektronide ülekandes või substraadi aktivatsioonis.
- Üleminekuoleku stabiliseerimine: ensüümid ei muuda reaktsiooni tasakaalu, vaid vähendavad energiaülekande barjääri, stabiliseerides üleminekuolekut ja kiirendades produkti tekkimist.
Näide: sahharoosi lõhustamine
Näide: üks ensüüm, mis on umbes 400 korda suurem kui tema substraat sahharoos, lõhustab sahharoosi selleks, et saada selle koostisosadeks glükoos ja fruktoos. Ensüüm seob sahharoos aktiivsesse koha, mis painutab ja pinguldab sideme glükoosi ja fruktoosi vahel. Selle abil tuuakse esile keemiline samm, kus veemolekul osaleb ja põhjustab glükosiidsideme lõhustumise; see protsess võib aset leida väga kiiresti, sageli sekundiosade või kiiremalt.
Tegurid, mis mõjutavad ensüümi-substraadi reaktsiooni
- Substraadi ja ensüümi kontsentratsioon: reaktsioonikiirus suureneb kontsentratsiooni kasvades kuni ensüümi küllastumiseni (Vmax).
- Temperatuur ja pH: kummalgi on olemas optimaalne vahemik; ebasoodsad tingimused põhjustavad ensüümi denatureerumist või aktiivsuse langust.
- Inhibiitorid ja aktivaatorid: inhibitorid võivad blokeerida sidumisekohta (konkurentsivõimeline inhibeerimine) või muuta ensüümi aktiivsust (mittekonkurentsivõimeline inhibeerimine). Aktivaatorid võivad vastupidi ensüümi aktiivsust suurendada.
- Kofaktorid: paljud ensüümid vajavad täiendavaid molekule (vitamiinide derivaadid, metallioonid) täisfunktsionaalsuseks.
Mõisted, mida sageli kohtab
- Km (Michaelis konstant): substraadi kontsentratsioon, mille juures reaktsioonikiirus on pool Vmax; näitab ensüümi afiinsust substraadi suhtes.
- Turnover number (kcat): mitu substraadimolekuli ühe ensüümimolekuli kohta muudetakse produktiks sekundis, kui ensüüm on küllastunud substraadiga.
Kokkuvõtlikult: substraat on ensüümi sihtmolekul, mille sidumine ja muundamine ensüümi aktiivses kohas moodustavad biokeemilise reaktsiooni tuuma. Ensüümid kiirendavad spetsiifilisi keemilisi samme, kasutades sidumist, konformatsioonimuutusi, katalüütilisi residusid ja vajadusel kofaktoreid — kõik selleks, et alandada reaktsiooni aktiveerimisenergiat ja suunata substraat soovitud tooteni.
Otsige