Substrat v biokemiji: definicija, encimske reakcije in primeri
V biokemiji je substrat molekula, na katero encim deluje, da nastane produkt. p37 Substrat je pogosto manjša molekula ali polimer, ki se veže v aktivno mesto encima; encim spremeni vezave ali elektronsko razporeditev v substratu, da pospeši prehod v produkt.
Splošna enačba za encimsko reakcijo je:
Substrat + encim -> substrat:encim -> izdelek:encim -> izdelek + encim
Kako poteka encimska reakcija
Koraki lahko opišemo takole:
- Večinoma pride do specifične vezave substrata v aktivno mesto encima in tvorbe kompleksa substrat:encim.
- Encim lahko s spremembo prostorskega oblika (model induiranega prileganja) stabilizira prehodno stanje, zmanjša aktivacijsko energijo in omogoči potek reakcije.
- V primeru hidrolaz, kot je sukrasa, se v reakcijo vključijo molekule vode, ki pomagajo pri cepitvi vezi.
- Po nastanku produkta se ta sprosti iz vezanega kompleksa, encim pa je pripravljen za novo reakcijo.
Specifičnost substrata
Encimi razlikujejo stopnje specifičnosti:
- Absolutna specifičnost: encim deluje le na en substrat.
- Skupinska specifičnost: encim prepozna specifično kemično skupino v več podobnih molekulah.
- Specifičnost vezi: encim razpira določeno vrsto vezi (npr. peptidne vezi pri proteazah).
- Stereospecifičnost: encim loči med enantiomeri (npr. L- in D-oblike).
Kinetika in regulacija
Hitrost encimskih reakcij opisuje Michaelis‑Mentenova kinetika, kjer sta ključni konstanti:
- Km (Michaelisova konstanta) — koncentracija substrata pri kateri je hitrost polna Vmax/2; pove, kako močno se substrat veže.
- Vmax — največja hitrost reakcije pri saturaciji encima s substratom.
Obstajajo različne vrste zaviranja, ki vplivajo na vezavo substrata:
- Konkurentno zaviranje — inhibitor tekmuje s substratom za aktivno mesto (poveča aparentni Km, Vmax ostane enak).
- Ne‑konkurentno in nekonkurentno zaviranje — inhibitor deluje na drugo mesto ali le na kompleks substrat:encim in zmanjša Vmax.
- Allosterična regulacija — vezava regulatornih molekul na allosterična mesta spremeni konformacijo in s tem afiniteto za substrat.
Kemični mehanizmi in kofaktorji
Mneni encimi potrebujejo dodatne pomožne molekule:
- Meta‑ioni (npr. Mg2+, Zn2+) pomagajo pri stabilizaciji naboja ali pri katalizi.
- Koencimi (npr. NAD+, FAD, koencim A) prenašajo elektrone ali kemijske skupine med reakcijami.
- Prostetične skupine so kovalentno vezane molekule, nujne za aktivnost encima.
Primeri substratov in encimov
Tipičen primer je delno opisan v spodnjem odstavku, ki pojasni delovanje sukrase:
Sukraza, ki je bistveno večja od substrata saharoze, razdeli saharozo na sestavna sladkorja, ki sta glukoza in fruktoza. Sukraza upogne saharozo in pretrga vez med glukozo in fruktozo. Molekule vode se pridružijo in v delčku sekunde izvedejo cepitev. To je primer hidrolize, kjer encim katalizira razpade vezi z vključitvijo vode.
Druge pogoste pare substrat–encim vključujejo:
- Trigliceridi in lipaze — hidroliza esternih vezi za sproščanje maščobnih kislin.
- Polipeptidi in proteaze (npr. pepsin, trypsin) — cepitev peptidnih vezi.
- Kofaktorji kot substrati za kinaze — prenos fosfatne skupine z ATP na tarčno molekulo.
Dodatne opombe
Enzimske reakcije so odvisne od pogojev okolja: pH, temperature, ionne moči in koncentracije substrata močno vplivajo na hitrost in učinkovitost katalize. Nekateri encimi obdelajo več substratov ali delujejo v zaporednih reakcijskih poteh (metabolnih poti), kjer je produkt enega encima substrat naslednjega.
Razumevanje interakcije med substratom in encimom je ključno za biokemijo, medicino (npr. razvoj inhibitorjev kot zdravil) in biotehnologijo (npr. uporaba encimov v industrijskih procesih).
