Valintakoe B: Lääketiede ja biotieteet
Miten entsyymit toimivat?
Entsyymit ovat biologisia katalyyttejä, useimmiten proteiineja, jotka nopeuttavat reaktioita alentamalla niiden aktivoitumisenergiaa. Substraatti sitoutuu entsyymin aktiiviseen kohtaan, jonka muoto ja varaukset sopivat vain tietyille molekyyleille, ja siksi entsyymi on spesifinen. Entsyymi ei kulu reaktiossa eikä muuta reaktion energiamuutosta tai tasapainoasemaa, joten sama molekyyli voi katalysoida reaktiota yhä uudelleen.
Aktiivinen kohta sitoo substraatin ja asettaa sen asentoon, jossa sidokset katkeavat tai muodostuvat helpommin. Sitoutuessaan entsyymi usein muuttaa hieman muotoaan ja tarttuu substraattiin tiukemmin. Spesifisyyden vuoksi yksi entsyymi katalysoi yleensä yhtä reaktiota tai samankaltaisten reaktioiden ryhmää.
Lämpötilan nousu lisää ensin reaktionopeutta, koska molekyylit törmäävät useammin. Liian korkeassa lämpötilassa heikot sidokset, jotka pitävät proteiinin muodon koossa, katkeavat, ja entsyymi denaturoituu. pH vaikuttaa aktiivisen kohdan varauksiin, joten jokaisella entsyymillä on pH-optimi: mahan pepsiinillä se on hapan, ohutsuolen trypsiinillä lievästi emäksinen.
Substraattipitoisuuden kasvaessa nopeus kasvaa ensin, mutta tasaantuu, kun kaikki aktiiviset kohdat ovat käytössä. Enimmäisnopeutta voi nostaa vain lisäämällä entsyymiä. Monet entsyymit tarvitsevat avukseen kofaktoreita, kuten metalli-ioneja tai vitamiineista johdettuja koentsyymejä.
Esimerkki
Pepsiini pilkkoo proteiineja mahalaukussa, jonka pH on noin 2. Kun mahan sisältö siirtyy ohutsuoleen, jonka pH on noin 7-8, pepsiini lakkaa toimimasta. Selitä miksi.
- Pepsiinin pH-optimi on hapan, noin 2, joten sen aktiivisen kohdan varaukset ovat toimivassa tilassa happamassa ympäristössä.
- Neutraalissa tai emäksisessä ympäristössä sivuketjujen protonoituminen muuttuu, ja aktiivisen kohdan varaukset muuttuvat.
- Substraatti ei enää sitoudu oikein, ja proteiinin rakenne voi myös purkautua, joten aktiivisuus loppuu. Ohutsuolessa proteiinien pilkkomista jatkavat haiman entsyymit, kuten trypsiini.
Tyypillinen virhe
Korkea lämpötila ei tapa entsyymiä, koska entsyymi ei ole elävä. Se denaturoituu: aminohappojärjestys säilyy, mutta kolmiulotteinen muoto ja siksi toiminta katoavat. Toinen virhe on luulla, että entsyymi siirtää tasapainoa tuotteiden suuntaan.
Valintakokeessa B
Entsyymit kuuluvat sekä lukion biologiaan että kemiaan, ja valintakoe B arvioi kuvaajien tulkintaa. Entsyymiaktiivisuuden kuvaajasta kannattaa osata erottaa lämpötilan, pH:n ja substraattipitoisuuden vaikutukset.
Missä kurssissa tämä opetetaan
SmartVK:n valintakoe B -kurssin luvussa 15: Orgaaninen kemia, biomolekyylit ja entsyymit. Katso kurssin sisältö.
Kysymyksiä
Mikä on aktivoitumisenergia?
Aktivoitumisenergia on energiavalli, joka lähtöaineiden on ylitettävä, jotta reaktio pääsee alkamaan. Entsyymi tarjoaa reaktiolle reitin, jolla valli on matalampi, joten useampi törmäys johtaa reaktioon ja reaktio nopeutuu. Lähtöaineiden ja tuotteiden energiatasot eivät muutu.
Ovatko kaikki entsyymit proteiineja?
Useimmat ovat, mutta eivät kaikki. Myös RNA-molekyyli voi katalysoida reaktioita, ja tällaisia RNA-entsyymejä kutsutaan ribotsyymeiksi. Esimerkiksi ribosomissa peptidisidoksen muodostumista katalysoi ribosomin RNA eikä proteiini. Ribotsyymit tukevat ajatusta, että varhaisessa elämässä RNA toimi sekä perimänä että katalyyttinä.