Aktywność enzymatyczna to szybkość, z jaką enzym przekształca substrat w produkt. Zależy od stężenia substratu, temperatury, pH oraz od obecności aktywatorów i inhibitorów. Na maturze z biologii sprawdzają to najczęściej wykresy, opisy doświadczeń i porównanie inhibicji kompetycyjnej z niekompetycyjną.
Dalej znajdziesz omówienie każdego czynnika, tabelę porównania inhibicji, 2 doświadczenia i 5 zadań z rozwiązaniami.
Jak stężenie substratu wpływa na szybkość reakcji enzymatycznej 🚗💨
Im więcej substratu, tym szybciej zachodzi reakcja, ale tylko do pewnego momentu. Gdy wszystkie centra aktywne enzymu są zajęte, enzym jest wysycony. Dalsze dodawanie substratu nie przyspiesza już reakcji, a krzywa na wykresie się wypłaszcza.
Tę największą możliwą szybkość nazywa się szybkością maksymalną (Vmax). Każdy enzym ma inną Vmax. Zależy ona też od ilości enzymu: im więcej cząsteczek enzymu, tym wyższa Vmax.
Co to jest stała Michaelisa (Km)
Km odczytasz z wykresu w 3 krokach:
- Znajdź na osi pionowej Vmax i podziel ją na pół.
- Od ½ Vmax poprowadź poziomą linię do krzywej.
- Z tego punktu krzywej zejdź pionowo na oś stężenia substratu. Ten punkt na osi to Km.
Km mówi o powinowactwie enzymu do substratu, czyli o tym, jak łatwo enzym wiąże substrat. Im niższa Km, tym większe powinowactwo. Enzym o niskiej Km osiąga połowę Vmax już przy małym stężeniu substratu.
Km nie mówi natomiast, jak szybko enzym pracuje. O tym mówi Vmax.
Jak temperatura wpływa na aktywność enzymów 🌡️
Wzrost temperatury przyspiesza reakcję enzymatyczną, ale tylko do temperatury optymalnej. Powyżej optimum aktywność gwałtownie spada, bo enzym ulega denaturacji. Denaturacja to zmiana struktury przestrzennej białka, przez którą centrum aktywne traci swój kształt.
Enzymy człowieka działają najlepiej w temperaturze ok. 35–40°C. Bakterie termofilne żyją np. w gorących źródłach. Ich enzymy mają optimum znacznie wyżej, często powyżej 60°C.
Do osiągnięcia optimum działa reguła van ’t Hoffa: wzrost temperatury o 10°C przyspiesza reakcję ok. 2–3 razy.
Dlaczego niska temperatura nie niszczy enzymu
W niskiej temperaturze cząsteczki poruszają się wolniej i rzadziej się zderzają. Enzym rzadziej spotyka substrat, więc reakcja zwalnia. Struktura enzymu zostaje jednak nienaruszona.
Gdy temperatura wróci do optimum, enzym znów działa normalnie. Po denaturacji w wysokiej temperaturze enzym zwykle nie odzyskuje już aktywności.
Jak pH wpływa na aktywność enzymów 🍋🟩
Każdy enzym ma optymalne pH, w którym działa najszybciej. Większość enzymów działa najlepiej przy pH 6–8. Wyjątki wynikają z miejsca, w którym enzym pracuje.
| Enzym | Gdzie działa | Optymalne pH |
|---|---|---|
| pepsyna | żołądek | ok. 2 |
| amylaza ślinowa | jama ustna | ok. 7 |
| trypsyna | jelito cienkie | ok. 8 |
Zmiana pH zmienia ładunki elektryczne reszt aminokwasów, także w centrum aktywnym. Enzym trudniej wiąże substrat, a przy dużej zmianie pH ulega denaturacji.
Aktywatory i inhibitory enzymów 🛑🟢
Aktywator zwiększa aktywność enzymu. Aktywatorami są np. jony magnezu (Mg2+), wapnia (Ca2+) i manganu (Mn2+), niektóre nukleotydy, np. cAMP, oraz białka regulatorowe.
Inhibitor zmniejsza aktywność enzymu albo całkiem ją hamuje. Inhibitorami mogą być trucizny, leki i substancje, którymi organizm sam reguluje przemiany w komórce.
Inhibicja dzieli się na 2 rodzaje:
- odwracalna: inhibitor wiąże się z enzymem nietrwale, a po jego usunięciu enzym odzyskuje aktywność; do tej grupy należy inhibicja kompetycyjna i niekompetycyjna,
- nieodwracalna: inhibitor wiąże się z enzymem trwale i enzym nie odzyskuje już aktywności.
Jak zbudowany jest enzym i jego centrum aktywne, przeczytasz w artykule o budowie i działaniu enzymów.
Na czym polega inhibicja nieodwracalna
Inhibitor nieodwracalny wiąże się z enzymem trwale, najczęściej wiązaniem kowalencyjnym. Może zablokować centrum aktywne albo trwale zmienić budowę enzymu. Przykłady:
- penicylina: blokuje enzym bakterii, który buduje ich ścianę komórkową,
- jony metali ciężkich, np. rtęci i ołowiu: wiążą się z grupami –SH w białku i zmieniają jego strukturę.
Inhibicja kompetycyjna a niekompetycyjna: czym się różnią 🤔
Na moich lekcjach uczniowie najczęściej mylą te dwa rodzaje inhibicji. Najważniejsze pytanie brzmi: gdzie inhibitor wiąże się z enzymem? Inhibitor kompetycyjny wiąże się w centrum aktywnym. Inhibitor niekompetycyjny wiąże się w innym miejscu enzymu.
Jak działa inhibicja kompetycyjna
Kompetycja to inaczej rywalizacja. Inhibitor kompetycyjny ma budowę podobną do substratu. Dlatego pasuje do centrum aktywnego i rywalizuje z substratem o to miejsce. Gdy inhibitor zajmie centrum aktywne, substrat nie może się związać i produkt nie powstaje.
O wyniku tej rywalizacji decyduje to, czego jest więcej. Gdy zwiększysz stężenie substratu, substrat częściej trafia do centrum aktywnego i wypiera inhibitor. Gdy zwiększysz stężenie inhibitora, hamowanie jest silniejsze.
Przykład: malonian hamuje dehydrogenazę bursztynianową, enzym cyklu Krebsa. Malonian ma budowę podobną do bursztynianu, czyli naturalnego substratu tego enzymu.
Jak działa inhibicja niekompetycyjna
Inhibitor niekompetycyjny nie rywalizuje z substratem. Wiąże się z enzymem w innym miejscu niż centrum aktywne, często nazywanym centrum allosterycznym. Po związaniu inhibitora zmienia się kształt cząsteczki enzymu i enzym przestaje sprawnie katalizować reakcję.
Dodanie substratu nic tu nie da, bo substrat i inhibitor nie walczą o to samo miejsce. Hamowanie ograniczy dopiero usunięcie inhibitora ze środowiska reakcji.
Porównanie obu inhibicji w tabeli 🆚
| Cecha | Inhibicja kompetycyjna | Inhibicja niekompetycyjna |
|---|---|---|
| Gdzie wiąże się inhibitor | w centrum aktywnym | poza centrum aktywnym |
| Czy inhibitor przypomina substrat | tak | nie musi |
| Czy rywalizuje z substratem | tak | nie |
| Co daje więcej substratu | osłabia hamowanie | nie osłabia hamowania |
| Jak ograniczyć hamowanie | dodać substrat albo usunąć inhibitor | usunąć inhibitor |
| Vmax | bez zmian | spada |
| Km | rośnie | bez zmian |
Jak rozpoznać rodzaj inhibicji na wykresie
Na maturze często dostajesz wykres szybkości reakcji od stężenia substratu: jedną krzywą bez inhibitora i jedną z inhibitorem. Patrz na 2 rzeczy: na jakiej wysokości krzywa się wypłaszcza i gdzie leży ½ Vmax.
- Inhibicja kompetycyjna: krzywa z inhibitorem rośnie wolniej, ale przy dużym stężeniu substratu dochodzi do tej samej Vmax. Km jest większa, bo do połowy Vmax potrzeba więcej substratu.
- Inhibicja niekompetycyjna: krzywa z inhibitorem wypłaszcza się niżej, więc Vmax jest mniejsza. Km się nie zmienia.
Sprzężenie zwrotne ujemne: hamuje substrat czy produkt ✋
Hamuje produkt. Często można pomylić substrat z produktem.
Sprzężenie zwrotne ujemne działa tak:
- Enzym przekształca substrat w produkt.
- Gdy produktu jest dużo, jego cząsteczki wiążą się z enzymem i go hamują.
- Produkt powstaje wolniej, więc jego stężenie spada.
- Gdy produktu jest mało, hamowanie ustępuje i enzym znów pracuje szybciej.
W komórce działa to najczęściej w całym szlaku metabolicznym. Produkt końcowy szlaku hamuje enzym jednej z pierwszych reakcji. Zwykle wiąże się z nim poza centrum aktywnym, czyli allosterycznie.
*Przykład: izoleucyna hamuje pierwszy enzym szlaku, w którym powstaje z treoniny.
Dzięki temu komórka nie zużywa substratów i energii na produkt, którego ma już wystarczająco.
Doświadczenia z enzymami na maturze 👩🔬
Na maturze możesz dostać opis doświadczenia i polecenie: podaj problem badawczy, hipotezę, próbę kontrolną albo wniosek. Oto 2 klasyczne doświadczenia z enzymami.
Wpływ temperatury na aktywność katalazy
Katalaza rozkłada nadtlenek wodoru do wody i tlenu: . Tlen tworzy pęcherzyki, więc pienienie pokazuje, jak aktywny jest enzym. Katalazę łatwo uzyskać z soku surowego ziemniaka.
Problem badawczy: Czy niska i wysoka temperatura hamują aktywność katalazy?
Hipoteza: Niska i wysoka temperatura hamują aktywność katalazy.
Przebieg:
- Zetrzyj obraną bulwę ziemniaka i przesącz sok przez sączek.
- Do 3 probówek wlej po 2 cm³ soku.
- Probówkę 1 schłódź w lodzie do ok. 4°C. Probówkę 2 ogrzej do ok. 95°C. Probówkę 3 zostaw w temperaturze pokojowej, ok. 25°C. To próba kontrolna.
- Do każdej probówki dodaj 0,5 cm³ 3% roztworu nadtlenku wodoru.
Wyniki:
| Probówka | Temperatura | Co widać |
|---|---|---|
| 1 | ok. 4°C | słabe pienienie, mało pęcherzyków |
| 2 | ok. 95°C | brak pęcherzyków |
| 3 (kontrolna) | ok. 25°C | intensywne pienienie |
Wniosek: W temperaturze ok. 4°C i ok. 95°C katalaza z bulw ziemniaka jest mniej aktywna niż w temperaturze ok. 25°C. W niskiej temperaturze reakcja zwalnia, a w wysokiej katalaza ulega denaturacji i traci aktywność.
Wpływ pH na aktywność pepsyny
Pepsyna to enzym soku żołądkowego, który rozkłada białka do krótszych peptydów. Działa najlepiej w środowisku silnie kwaśnym, przy pH ok. 2.
Problem badawczy: Czy aktywność pepsyny zależy od pH środowiska?
Hipoteza: Aktywność pepsyny zależy od pH środowiska.
Przebieg:
- Ugotuj 2 jaja i wytnij z białka 6 jednakowych kostek.
- Przygotuj 3 kolby z roztworem pepsyny: po 0,05 g pepsyny, uzupełnione wodą destylowaną do 45 cm³.
- Do kolby 1 dodaj ok. 0,2 cm³ 25% kwasu solnego (pH ok. 2). Do kolby 2 dodaj ok. 0,2 cm³ 25% zasady sodowej (pH ok. 12). Do kolby 3 dodaj tyle samo wody destylowanej (pH ok. 7). Odczyn sprawdź papierkiem wskaźnikowym uniwersalnym.
- Przygotuj 3 próby kontrolne: te same roztwory, ale bez pepsyny.
- Do każdej kolby włóż kostkę białka i wstaw wszystkie kolby do cieplarki (36°C, 2,5 h).
Wyniki: Wyraźny rozkład białka widać tylko w kolbie z pepsyną i kwasem solnym (pH ok. 2). W pozostałych kolbach, także we wszystkich próbach kontrolnych, białko się nie zmienia.
Wniosek: Pepsyna działa najlepiej w środowisku kwaśnym, przy pH ok. 2. W odczynie obojętnym i zasadowym traci aktywność.
Próby kontrolne bez pepsyny pokazują, że białko rozkłada pepsyna, a nie sam kwas solny czy zasada sodowa.
Sprawdź się! 📝
Zadanie 1
zamknięte · 1 pktEnzym A ma stałą Michaelisa 0,2 mmol/dm³, a enzym B 2 mmol/dm³ dla tego samego substratu. Które zdanie jest prawdziwe?
Pokaż rozwiązanie
Im niższa Km, tym większe powinowactwo enzymu do substratu. Enzym A ma niższą Km, więc wiąże substrat łatwiej. Km nie mówi nic o szybkości maksymalnej, dlatego trzecie zdanie jest błędne.
Zadanie 2
zamknięte · 1 pktDo mieszaniny enzymu i substratu dodano inhibitor i reakcja zwolniła. Po zwiększeniu stężenia substratu szybkość reakcji wróciła prawie do wartości sprzed dodania inhibitora. Jaki to rodzaj inhibicji?
Pokaż rozwiązanie
Więcej substratu osłabiło hamowanie, więc substrat wyparł inhibitor z centrum aktywnego. Tak działa tylko inhibicja kompetycyjna. W inhibicji niekompetycyjnej i nieodwracalnej dodanie substratu nie pomaga.
Zadanie 3
zamknięte · 1 pktOceń, czy zdanie jest prawdziwe: Inhibitor niekompetycyjny wiąże się w centrum aktywnym enzymu, dlatego zwiększenie stężenia substratu znosi hamowanie.
Pokaż rozwiązanie
Fałsz. Inhibitor niekompetycyjny wiąże się poza centrum aktywnym i zmienia kształt enzymu. Substrat nie rywalizuje z nim o miejsce, więc zwiększenie stężenia substratu nie znosi hamowania.
Zadanie 4
otwarte · 1 pktProdukt końcowy szlaku metabolicznego hamuje enzym, który katalizuje pierwszą reakcję tego szlaku. Wyjaśnij, jakie znaczenie ma ten mechanizm dla komórki.
Pokaż rozwiązanie
Gdy produktu końcowego jest dużo, hamuje on enzym pierwszej reakcji i cały szlak zwalnia. Dzięki temu komórka nie wytwarza nadmiaru produktu i nie zużywa niepotrzebnie substratów ani energii. Gdy produktu ubywa, hamowanie ustępuje i synteza znów przyspiesza.
Zadanie 5
otwarte · 1 pktSok z ziemniaka w probówce 1 ogrzano do 95°C, a potem ostudzono do 25°C. Sok w probówce 2 schłodzono do 4°C, a potem ogrzano do 25°C. Do obu probówek dodano nadtlenek wodoru. Określ, w której probówce pojawią się pęcherzyki tlenu. Uzasadnij odpowiedź.
Pokaż rozwiązanie
Pęcherzyki tlenu pojawią się tylko w probówce 2. Niska temperatura spowalnia reakcję, ale nie niszczy enzymu, więc po ogrzaniu do 25°C katalaza znów działa. W probówce 1 wysoka temperatura spowodowała denaturację katalazy. Ta zmiana jest nieodwracalna, więc po ostudzeniu enzym nadal nie działa.
Najważniejsze informacje o aktywności enzymów ‼️
- Gdy rośnie stężenie substratu, reakcja przyspiesza, aż enzym się wysyci i osiągnie Vmax.
- Km to stężenie substratu przy ½ Vmax. Im niższa Km, tym większe powinowactwo enzymu do substratu.
- Niska temperatura spowalnia enzym, ale go nie niszczy. Wysoka temperatura powoduje denaturację.
- Inhibitor kompetycyjny zajmuje centrum aktywne i można go wyprzeć substratem. Inhibitor niekompetycyjny wiąże się w innym miejscu, więc substrat nie pomaga.
- W sprzężeniu zwrotnym ujemnym enzym hamuje produkt, a nie substrat.
➡️ Chcesz wiedzieć, które działy dają najwięcej punktów na maturze z biologii i jak pisać odpowiedzi pod klucz CKE? Zapisz się na bezpłatne szkolenie z matury rozszerzonej z biologii.
➡️ Pobierz skróconą notatkę "Aktywność enzymatyczna" 💚
Aktywność enzymatyczna - skrócona notatka do pobrania
Administratorem danych jest Edubite Sp. z o.o. Adres e-mail wykorzystamy, żeby wysłać Ci to, o co prosisz, a newsletter tylko po zaznaczeniu zgody. Masz prawo dostępu do danych, ich poprawienia, usunięcia i sprzeciwu. Szczegóły w polityce prywatności.
