Substratas biochemijoje: kas tai, kaip veikia fermentai ir pavyzdžiai
Biochemijoje substratas - tai molekulė, kurią fermentas veikia, kad susidarytų produktas. p37
Bendroji fermentinės reakcijos lygtis yra tokia:
Substratas + fermentas -> Substratas:fermentas -> Produktas:fermentas -> Produktas + fermentas
Kas vyksta molekuliniu lygiu
Fermentas turi specifinę vietą, vadinamą aktyviuoju centru, kurią sudaro keli aminorūgščių likučiai. Į ją prisijungia substratas ir susidaro fermento–substrato kompleksas (ES kompleksas). Šis prisijungimas stabilizuoja pereinamojo būvio (transition state) formą ir sumažina reakcijos aktyvacijos energiją, todėl reakcija vyksta daug greičiau.
Yra dvi dažniausiai minimos sąveikos modelių idėjos:
- Lock-and-key (spyna ir raktas) — substratas idealiai telpa į aktyvų centrą kaip raktas į spyną.
- Induced fit (sukeltos formos pritaikymas) — fermento aktyvus centras keičia konformaciją prisijungiant substratui, taip geriau pritaikydamas katalizę.
Katalizės mechanizmas ir reikalingos sąlygos
- Katalitiniai likučiai: aktyviame centre esančios aminorūgštys dalyvauja cheminėse reakcijose (pvz., protonų atidavimas/imimas, tarpinio junginio susidarymas).
- Kofaktoriai ir prostetinės grupės: daugelis fermentų reikalauja kofermentų (pvz., NAD+, FAD) arba metalinių jonų (pvz., Mg2+, Zn2+) efektyviai veikti.
- Aplinka: temperatūra, pH ir joninė jėga veikia fermentų struktūrą ir aktyvumą — kiekvienas fermentas turi optimalius sąlyginius parametrus.
Fermentų kinetika ir reguliacija (sutrumpintai)
Dažniausiai fermentų greitį aprašo Michaelis–Menten kinetika. Svarbios sąvokos:
- Km — substrato koncentracija, kai reakcijos greitis yra pusė maksimaliojo (rodyklė fermento afinitetui substratui — mažesnis Km reiškia didesnę afinitetą).
- Vmax — maksimalus reakcijos greitis, kai visi fermento aktyvūs centrai užimti.
- kcat (turnover number) — kiek substrato molekulių vienas fermento aktyvus centras per sekundę paverčia produktu.
Inhibitoriai ir reguliavimo mechanizmai
- Konkurencinis inhibitorius: konkuruoja su substratu dėl aktyviojo centro; didinant substrato koncentraciją jo poveikį galima sumažinti.
- Nekonkurencinis inhibitorius: prisijungia prie fermento kitoje vietoje ir sumažina katalizinį aktyvumą nepriklausomai nuo substrato kiekio.
- Negrįžtami inhibitoriai: kovalentiškai modifikuoja fermentą ir ilgai arba visam laikui slopina jo veiklą.
- Fermentų aktyvumas taip pat reguliuojamas alosteriniais efektais, fosforilinimu/defosforilinimu ir baltymų ekspresijos kontrole.
Pavyzdžiai ir paaiškinimai
Svarbus praktinis pavyzdys—viršuje minimas: Sukrazė.
Sukrazė, 400 kartų didesnė už savo substratą sacharozę, suskaido sacharozę į sudedamuosius cukrus - gliukozę ir fruktozę. Sukrazė sulenkia sacharozę ir įtempia ryšį tarp gliukozės ir fruktozės. Vandens molekulės prisijungia ir per sekundės dalį atlieka skilimą.
Šiame sakinyje minimas „400 kartų didesnė“ reiškia, kad fermento molekulė yra žymiai didesnė už substratą pagal molinę masę arba apimtį — fermentas yra sudėtingesnė baltyminė struktūra, turinti aktyvų centą, o substratas paprastai yra mažesnė organinė molekulė. Sukrazė susieja ir orientuoja sacharozę taip, kad vandens prieėjimas ir tarpiniai cheminiai žingsniai vyksta daug efektyviau, todėl veikimo greitis yra labai didelis (reakcija vyksta per labai trumpą laiką).
Kiti paprasti pavyzdžiai:
- Laktazė: skaido laktozę į gliukozę ir galaktozę — svarbu virškinimui.
- Proteazės: skaidančios baltymus į peptidus ar aminorūgštis (pvz., pepsinas skrandyje, tripsinas žarnyne).
- Lipazė: rūpinasi riebalų skaidymu iki glicerolio ir riebalų rūgščių.
Santrauka
Substratas yra molekulė, kurią fermentas modifikuoja arba skaido, viršuje pateikta reakcijos seka aprašo prisijungimą, katalizę ir produkto atpalaidavimą. Fermentai yra labai specifiniai, jų veikla priklauso nuo struktūros, kofaktorių ir aplinkos sąlygų, o jų disfunkcija arba netinkama reguliacija turi didelę įtaką biologiniams procesams ir ligoms.
