Субстрат в биохимията — молекула, върху която действа ензимът
Научете как субстратът взаимодейства с ензимите: механизъм, пример със сукраза и захароза и ролята му в биохимичните реакции — ясно за студенти и изследователи.
В биохимията субстрат е молекула, върху която ензимът действа, за да произведе продукт. p37
Общото уравнение за ензимна реакция е:
Субстрат + ензим -> Субстрат:Ензим -> Продукт:Ензим -> Продукт + Ензим
Пример: Сукразата, която е 400 пъти по-голяма от субстрата си захароза, разделя захарозата на съставните й захари - глюкоза и фруктоза. Сукразата огъва захарозата и разтяга връзката между глюкозата и фруктозата. Молекулите на водата се присъединяват и извършват разцепването за част от секундата.
Какво представлява ензимно-субстратният комплекс
Когато ензимът се свърже със своя субстрат се образува временен комплекс, наричан ензим-субстратен комплекс (Е-С). Свързването обикновено става в специфично място на ензима — активен център, където се подреждат аминокиселинните остатъци така, че да разпознаят и стабилизират субстрата. В рамките на този комплекс се понижава енергията на активация и реакцията протича много по-бързо, отколкото без ензим.
Разпознаване и специфичност
Ензимите показват висока степен на специфичност към субстрата си. Съществуват няколко модела за обяснение на това разпознаване:
- Lock-and-key (ключ-ключалка) — активният център има форма, допадаща точно на субстрата.
- Induced fit (индуцирано прилягане) — активният център е гъвкав и променя формата си след свързване със субстрата, за да се постигне оптимално прилягане.
Специализацията позволява на клетки и организми да контролират метаболитни пътища чрез различни ензими за различни субстрати.
Ензимна кинетика — как скоростта зависи от субстрата
Скоростта на ензимно катализираните реакции зависи от концентрацията на субстрата и от характеристиките на самия ензим. Един от основните модели е Майкълсън — Ментен, описващ зависимостта на скоростта (V) от концентрацията на субстрата ([S]) чрез параметрите Vmax (максимална скорост) и Km (константа на Майкълсън–Ментен, отразяваща афинитета на ензима към субстрата). При високи концентрации на субстрата ензимът се наситва (saturation) и скоростта достига Vmax; при ниски концентрации скоростта е пропорционална на [S].
Друг важен показател е kcat (turnover number) — брой субстратни молекули, превърнати в продукт от един ензимен сайт за единица време, при наситена концентрация на субстрата.
Механизми на катализа
Ензимите ускоряват реакции чрез няколко общи механизма: стабилизиране на преходното състояние, донор/акцептор на протони (киселинно-основна катализа), коварзна катализа (включване на остаткови групи от ензима в реакционния ход) и подреждане на субстрата в оптимална конфигурация. Някои ензими изискват допълнителни компоненти — кофактори (метални йони) или коензими (например NAD+, CoA), които подпомагат реакцията.
Инхибитори и регулация
Действието на ензимите върху субстрата може да бъде потиснато или регулирано чрез:
- Конкурентни инхибитори — свързват се в активния център и блокират достъпа на субстрата; тяхното въздействие може да се преодолее при високи [S].
- Неконкурентни/непряко-конкурентни инхибитори — свързват се на друго място и променят активността на ензима, като намаляват Vmax без непременно да променят Km.
- Ирeверсибилни инхибитори — ковалентно модифицират ензима и го деактивират за дълъг период.
- Алостерна регулация — свързване на ефекторни молекули на алостерни сайтове променя конформацията и активността към субстрата.
Физиологично значение и примери
Ензимите и техните субстрати са централни за метаболизма: разграждане на хранителни вещества, синтез на биомолекули, репарация на ДНК, сигнални пътища и др. Примерът със захароза и сукразата илюстрира хидролитична реакция — ензимът подпомага навлизането на молекула вода и разкъсване на гликозидната връзка, образувайки глюкоза и фруктоза.
Други примери: лактаза действа върху лактозата, протеази разграждат белтъци до аминокиселини, липази разграждат липиди до мастни киселини и глицерол.
Влияние на условията върху действието
Активността на ензимите зависи от температура, pH и йонна сила. Всяки ензим има оптимални условия, при които действа най-ефективно; отклоненията могат да намалят скоростта или да доведат до денатурация. Също така ниската концентрация на субстрата ограничава скоростта, а при висока концентрация настъпва наситеност (плато при Vmax).
Разбирането на взаимодействието ензим–субстрат е основа за развитие на лекарства (инхибитори), промишлени биокатализатори и за анализ на метаболитни заболявания, където дефектните ензими не могат да обработят своите субстрати нормално.
обискирам