Aktywność enzymów

Enzymy to biokatalizatory, które znacząco przyspieszają reakcje chemiczne zachodzące w organizmach żywych. Ich aktywność jest zależna od wielu czynników, które mogą ją zwiększać lub hamować. Zrozumienie, w jaki sposób te czynniki wpływają na działanie enzymów, pozwala lepiej poznać mechanizmy regulujące procesy metaboliczne. Ponadto, ze względu na szerokie zastosowanie enzymów w przemyśle, m.in. spożywczym, farmaceutycznym i kosmetycznym, wiedza ta ma istotne znaczenie praktyczne umożliwiając optymalizację produkcji leków, kosmetyków czy produktów spożywczych.

Czynniki wpływające na aktywność enzymów

Szybkość reakcji enzymatycznej, a więc i aktywność enzymu, zależy od wielu czynników zarówno fizycznych, jak i chemicznych. Do najważniejszych należy:

• temperatura;

• pH;

• stężenie enzymu i substratu;

• obecność enzymatycznych aktywatorówenzymatyczne aktywatoryaktywatorów oraz enzymatycznych inhibitorówenymatyczne inhibitoryinhibitorów.

Wpływ temperatury, pH oraz stężenia substratu i enzymu

Temperatura

Temperatura

Aktywność większości enzymów rośnie wraz ze wzrostem temperatury do ok. 37°C, po czym utrzymuje stałą wartość do ok. 42°C, a następnie gwałtownie spada wskutek postępującej denaturacjidenaturacja białkadenaturacji białka enzymatycznego.

Wyjątkiem są tzw. enzymy termostabilne, które występują w komórkach bakterii zasiedlających gorące źródła.

RNQOXTTZQV342

Ilustracja przedstawia wykres zależności aktywności enzymów organizmu człowieka od temperatury. Wraz ze wzrostem temperatury aktywność enzymów łagodnie wzrasta do osiągnięcia maksymalnej wartości przy 37°C, a następnie gwałtownie spada do zera. Przy 37°C jest zapis optimum, a przy spadku aktywności enzymów napis denaturacja.

pH środowiska

pH środowiska

Optymalne pH środowiska dla aktywności większości enzymów wynosi od 6 do 8; np. enzymy śliny (m.in. amylazaamylazyamylaza ślinowa) wykazują maksymalną aktywność przy pH równym 7.

Znane są jednak enzymy, które działają wyłącznie w środowisku silnie kwaśnym (np. występująca w żołądku pepsynapepsynapepsyna, której aktywność jest największa przy pH równym 2) lub alkalicznym (enzymy działające w dwunastnicy, np. trypsynatrypsynatrypsyna, która jest aktywna przy pH wynoszącym ok. 8,5).

R1AVPktOzDitX

Ilustracja przedstawia wykres obrazujący zależność aktywności enzymów (pepsyny, amylazy ślinowej i trypsyny) od pH. Pepsyna ma największą aktywność przy pH 2 (wzrasta od wartości pH 0, najwyższą wartość osiąga przy pH 2 i spada w dół aż do wartości pH 4), amylaza ślinowa przy pH 7 (wzrasta od wartości 4,5 pH, najwyższą wartość osiąga przy pH 7 i spada w dół aż do wartości pH 9), a trypsyna przy pH 8,5 (wzrasta od wartości pH 6 najwyższą wartość osiąga przy pH 8,5 i spada w dół aż do wartości pH 10).

Już niewielkie odchylenia od optymalnej wartości pH spowalniają reakcje enzymatyczną, zaś duże (podobnie jak zbyt wysoka temperatura środowiska) powodują całkowitą inaktywację enzymów wskutek ich denaturacji.

Stężenie substratu i enzymu

Stężenie substratu i enzymu

Jeśli w środowisku znajduje się nadmiar cząsteczek substratu, a wartość temperatury i pH pozostaje bez zmian, to szybkość reakcji enzymatycznej rośnie wprost proporcjonalnie do wzrostu stężenia enzymu.

RKNO357y4Q85J

Ilustracja przedstawia wykres pokazujący wpływ stężenia enzymu na szybkość reakcji enzymatycznej. Zależność ta jest liniowa, na wykresie stężenie enzymu wzrasta proporcjonalnie do szybkości reakcji. Linia obrazująca tą wartość jest prosta i skierowana pod kątem 45 stopni do osi x.

Natomiast przy stałym stężeniu enzymu i wzrastającym stężeniu substratu szybkość reakcji rośnie do momentu wysycenia przez substrat wszystkich dostępnych cząsteczek enzymów. Dalsze zwiększenie substratu nie wpływa na zwiększenie szybkości reakcji.

R1QsZJEsJTCLX

Ilustracja przedstawia tworzenie kompleksów substrat‑enzym w trzech przypadkach – niskiego, średniego i wysokiego stężenia substratu. Niskie stężenie substratu zostało oznaczone literą A. Widoczne jest 5 cząsteczek enzymu i tylko dwie cząsteczki substratu, z których jedna jest przyłączona do cząsteczki enzymu, a jedna wolna. Przy średnim stężeniu substratu oznaczonym literą B widoczne jest 5 cząsteczek enzymu oraz 7 cząsteczek substratu, z czego 3 są związane z cząsteczkami enzymu, a 4 wolne. Na rysunku C z wysokim stężeniem substratu widocznych jest 5 cząsteczek enzymu oraz 19 cząsteczek substratu. Każda cząsteczka enzymu jest związana z cząsteczką substratu. Cząsteczki enzymu są wyobrażone na schemacie jako okrąg z wgłębieniem, a substratu jako niewielki, czerwony punkcik, który wnika w to wgłębienie.

R14OZD8C25O59

Ilustracja przedstawia wykres pokazujący wpływ stężenia substratu na szybkość reakcji enzymatycznej. Wraz ze wzrostem stężenia substratu szybkość reakcji enzymatycznej początkowo gwałtownie wzrasta, następnie dalszy wzrost szybkości jest coraz łagodniejszy, aż szybkość reakcji osiąga wartość maksymalną i ją utrzymuje. Literami oznaczono etapy: literą A zaznaczono początkowy szybki wzrost szybkości reakcji, literę B umieszczono w połowie maksymalnej szybkości reakcji, a literę C tuż przed osiągnięciem maksymalnej szybkości reakcji.

Stała Michaelisa–Menten

Dla każdej reakcji enzymatycznej można wyznaczyć takie stężenie substratu, przy którym szybkość reakcji enzymatycznej osiąga połowę szybkości maksymalnej (VIndeks dolny max_max). Wartość ta nazywana jest stałą Michaelisa–Menten (KIndeks dolny m_m).

Stała Michaelisa–Menten określa powinowactwo do substratu, czyli łatwość tworzenia kompleksu enzym‑substrat i jest wyrażana w jednostkach stężenia, najczęściej milimolach na litr (mM).

Niska wartość KIndeks dolny m_m (np. < 1 mM) oznacza wysokie powinowactwo – enzym „łapie” substrat już przy niewielkich jego ilościach. Wysoka wartość KIndeks dolny m_m (np. > 100mM) oznacza niskie powinowactwo - enzym „łapie” substrat dopiero przy jego dużej ilości.

Znając wartość KIndeks dolny m_m różnych enzymów można zatem porównać ich powinowactwo do substratu.

RcTuTviCXJ645

Ilustracja przedstawia wykres pokazujący wpływ stężenia substratu na szybkość reakcji enzymatycznych przeprowadzanych przez 2 różne enzymy. Wraz ze wzrostem stężenia substratu szybkość obu reakcji początkowo gwałtownie wzrasta, następnie dalszy wzrost szybkości jest coraz łagodniejszy, aż szybkość reakcji osiąga wartość maksymalną i ją utrzymuje. W przypadku pierwszego z enzymów wykres wzrasta gwałtowniej i szybciej osiąga połowę szybkości maksymalnej oraz szybkość maksymalną.

Wpływ aktywatorów i inhibitorów

Aktywatory enzymów to związki chemiczne, które zwiększają aktywność enzymów, przyspieszając przebieg reakcji enzymatycznej. Mogą to być jony metali (np. Mg²⁺, Ca²⁺, Zn²⁺), które stabilizują strukturę enzymu lub ułatwiają wiązanie substratu. Aktywatory nie biorą bezpośredniego udziału w reakcji, ale wpływają na efektywność działania enzymu, często poprzez zmianę jego kształtu lub właściwości centrum aktywnego.

Inhibitory hamują aktywność enzymów. Zalicza się do nich substancje naturalnie występujące w komórce jak również substancje substancje obcego pochodzenia, takie jak leki i toksyny. Związki te łączą się odwracalnie (inhibicja kompetycyjna i inhibicja niekompetycyjna) lub nieodwracalnie (inhibicja nieodwracalna) z enzymami, uniemożliwiając przyłączanie substratu.

Podsumowanie

• Aktywność enzymów zależy od wielu czynników środowiskowych i chemicznych.

• Temperatura wpływa na szybkość reakcji enzymatycznej – wraz ze wzrostem temperatury aktywność enzymu rośnie, aż do punktu, w którym dochodzi do denaturacji i utraty funkcji białka.

• Optymalne pH dla działania większości enzymów wynosi od 6 do 8; zbyt kwaśne lub zasadowe środowisko może zmieniać strukturę enzymu i jego zdolność do wiązania substratu.

• Stężenie substratu wpływa na szybkość reakcji – początkowo rośnie ona wraz ze wzrostem stężenia, aż do osiągnięcia maksymalnej prędkości (Vₘₐₓ), kiedy enzymy są nasycone.

• Stężenie enzymu również wpływa na tempo reakcji – im więcej cząsteczek enzymu, tym więcej substratu może być przekształcane jednocześnie.

• Stała Michaelisa‑Menten (Kₘ) określa stężenie substratu, przy którym szybkość reakcji enzymatycznej osiąga połowę Vₘₐₓ. Niska wartość Kₘ oznacza wysokie powinowactwo enzymu do substratu.

• Aktywatory zwiększają aktywność enzymów, np. poprzez stabilizację ich struktury lub centrum aktywnego.

• Inhibitory zmniejszają aktywność enzymów – mogą działać odwracalnie (działają czasowo) lub nieodwracalnie (trwale wiążą się z enzymem).

• Inhibicja kompetycyjna polega na tym, że inhibitor współzawodniczy z substratem o miejsce w centrum aktywnym enzymu.

• W inhibicji niekompetycyjnej inhibitor wiąże się z enzymem w innym miejscu niż centrum aktywne, zmieniając strukturę enzymu i hamując reakcję, nawet jeśli substrat jest związany.

• W inhibicji nieodwracalnej inhibitor wiąże się trwale z centrum aktywnym enzymu czyniąc go niedostępnym dla substratu.

Ćwiczenia utrwalające