- ระบุว่า เอนไซม์ เป็นโปรตีนทรงกลมที่ทำหน้าที่เร่งปฏิกิริยาภายในเซลล์ (เอนไซม์ภายในเซลล์) หรือถูกหลั่งออกมาเพื่อเร่งปฏิกิริยาภายนอกเซลล์ (เอนไซม์ภายนอกเซลล์)
- อธิบายรูปแบบการทำงานของเอนไซม์ในเชิงของ ตำแหน่งทำงาน, คอมเพล็กซ์เอนไซม์-สารตั้งต้น, การลด พลังงานกระตุ้น และ ความจำเพาะของเอนไซม์ ซึ่งรวมถึง สมมติฐานกุญแจและล็อค และ สมมติฐานการปรับให้เข้ากัน
- ตรวจสอบความก้าวหน้าของปฏิกิริยาที่เร่งด้วยเอนไซม์โดยการวัดอัตราการเกิดผลิตภัณฑ์โดยใช้ แคตาเลส และอัตราการหายไปของสารตั้งต้นโดยใช้ แอมิลเลส
- สรุปการใช้ สีมิเตอร์ ในการตรวจสอบความก้าวหน้าของปฏิกิริยาที่เร่งด้วยเอนไซม์ซึ่งมีการเปลี่ยนแปลงสี
เอนไซม์
Biology A-Level · หัวข้อ 3
13:51
เอนไซม์
ภายในเซลล์ทุกชนิด มีปฏิกิริยาเคมีนับพันเกิดขึ้นทุกวินาที — เร็วกว่ามากเมื่อเกิดเองโดยไม่มีตัวเร่ง ปฏิกิริยาเหล่านี้ใช้โปรตีนชนิดพิเศษ…
การบรรยายภาษาอังกฤษ · คำบรรยายภาษาอังกฤษ + 中文 ลอยตัวบนภาพ
3.1
เอนไซม์คืออะไร
หลักสูตร
แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International
*การทำงานของเอนไซม์: กุญแจและล็อค
เอนไซม์ เป็น โปรตีนทรงกลม — ประเภทหนึ่งของ โปรตีน ที่มีรูปร่างกลมและละลายได้它们是生物催化剂:它们催化（加速）生物体内的化学反应，并且不会被消耗掉，因此每个酶可以反复工作。
เอนไซม์ทำงานได้ในสองสถานที่:
- เอนไซม์ภายในเซลล์ (intracellular enzymes) ทำงานภายใน เซลล์ ที่ผลิตมัน ตัวอย่างเช่น แคทาลาเส ทำลายไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ที่เป็นอันตราย
- เอนไซม์ภายนอกเซลล์ (extracellular enzymes) ถูก หลั่งออกมา เพื่อทำงานนอกเซลล์ ตัวอย่างเช่น แอมิลาส ถูกปล่อยเข้าไปในลำไส้เพื่อ ย่อย แป้ง
*เอนไซม์ของยีสต์หมักน้ำตาล ปล่อยฟองก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ออกมา
คำศัพท์
ฝึกฝน
| English | ไทย |
|---|---|
| enzyme/ˈenzaɪm/ | เอนไซม์ |
| globular protein/ˈɡlɒbjʊlə ˈprəʊtiːn/ | โปรตีนทรงกลม |
| protein/ˈprəʊtiːn/ | โปรตีน |
| catalyse/ˈkætəlaɪz/ | เร่งปฏิกิริยา (catalyse) |
| intracellular/ˌɪntrəˈseljʊlə/ | intracellular |
| cell/sel/ | เซลล์ |
| catalase/ˈkætəleɪz/ | catalase |
| extracellular/ˌekstrəˈseljʊlə/ | extracellular |
| secrete/sɪˈkriːt/ | หลั่ง |
| amylase/ˈæmɪleɪz/ | amylase |
| digest/ˈdaɪdʒest/ | ไดเจสต์ |
| starch/stɑːtʃ/ | แป้งข้าวโพด |
3.1
เอนไซม์ทำงานอย่างไร
เอนไซม์แต่ละชนิดมีช่องว่างพิเศษที่เรียกว่า ตำแหน่งออกฤทธิ์ (active site) โมเลกุลที่เอนไซม์ทำปฏิกิริยากับมันคือ สารตั้งต้น (substrate) สารตั้งต้นจะเข้าจับกับตำแหน่งออกฤทธิ์เพื่อสร้าง คอมเพล็กซ์ของเอนไซม์และสารตั้งต้น (enzyme–substrate complex) จากนั้นปฏิกิริยาก็เกิดขึ้น และ ผลิตภัณฑ์ (products) จะแยกตัวออกไป ทำให้ตำแหน่งออกฤทธิ์ว่างพร้อมสำหรับสารตั้งต้นตัวถัดไป
ความจำเพาะ
เอนไซม์มีความ จำเพาะ: โดยทั่วไปจะทำปฏิกิริยากับสารตั้งต้นเพียงชนิดเดียวเท่านั้น เนื่องจากรูปร่างของตำแหน่งออกฤทธิ์เป็น รูปทรงที่สอดคล้องกัน (complementary) กับรูปร่างของสารตั้งต้นนั้นโดยเฉพาะและไม่ตรงกับสารอื่น เราเรียกว่าสิ่งนี้ว่า ความจำเพาะ (specificity)
มีแนวคิดสองอย่างที่อธิบายการเข้าจับของสารตั้งต้น:
- สมมติฐานกุญแจและล็อค (lock-and-key hypothesis) — ตำแหน่งออกฤทธิ์มีรูปร่างตายตัว และมีเพียงสารตั้งต้นที่มีรูปร่างตรงกันเท่านั้นที่จะเข้าได้ เหมือนกุญแจที่ใส่เข้าล็อค
- สมมติฐานการปรับรูปทรง (induced-fit hypothesis) — ตำแหน่งออกฤทธิ์ไม่ได้มีรูปร่างที่ถูกต้องที่สุดตั้งแต่แรก เมื่อสารตั้งต้นเข้าจับ ตำแหน่งออกฤทธิ์จะเปลี่ยนรูปร่างเล็กน้อยเพื่อโอบล้อมสารตั้งต้นให้แน่นขึ้น แนวคิดนี้สอดคล้องกับหลักฐานทางวิทยาศาสตร์มากกว่า
การลดพลังงานกระตุ้น
ทุกปฏิกิริยาต้องการพลังงาน "ผลัก" เล็กน้อยเพื่อเริ่มต้น ซึ่งเรียกว่า พลังงานกระตุ้น (activation energy) เอนไซม์ช่วยลดพลังงานกระตุ้นลง สิ่งนี้ช่วยให้ปฏิกิริยาเกิดขึ้นได้รวดเร็วที่ อุณหภูมิ ปกติของเซลล์ แทนที่ต้องใช้ความร้อนสูง
*เส้นทางของเอนไซม์มีพลังงานกระตุ้นต่ำกว่า ($E_A$) จึงมีโมเลกุลสามารถเกิดปฏิกิริยาได้มากขึ้น
สำรวจ
วงจรการเร่งปฏิกิริยา
ผ่านขั้นตอนของวงจร เอนไซม์จับกับสารตั้งต้น发生反应，产物离开 — และ same เอนไซม์อิสระที่จะไปอีกครั้ง
คำศัพท์
ฝึกฝน
| English | ไทย |
|---|---|
| active site/ˈæktɪv saɪt/ | ตำแหน่งที่ทำงานของเอนไซม์ |
| substrate/ˈsʌbstreɪt/ | สารตั้งต้น |
| enzyme–substrate complex/ˈenzaɪm ˈsʌbstreɪt ˈkɒmpleks/ | คอมเพล็กซ์เอนไซม์–สารตั้งต้น |
| product/ˈprɒdʌkt/ | ผลิตภัณฑ์ |
| complementary/ˌkɒmplɪˈmentəri/ | สีคู่เสริม |
| specificity/ˌspesɪˈfɪsɪti/ | ความจำเพาะ |
| lock-and-key hypothesis/lɒk ænd kiː haɪˈpɒθəsɪs/ | สมมติฐานกุญแจและล็อค |
| induced-fit hypothesis/ɪnˈdjuːst fɪt haɪˈpɒθəsɪs/ | สมมติฐานการจับแบบปรับตัว (induced-fit hypothesis) |
| activation energy/ˌæktɪˈveɪʃn ˈenədʒi/ | พลังงานก่อกวน (activation energy) |
3.1
การวัดอัตราการเกิดปฏิกิริยา
คุณสามารถติดตามปฏิกิริยาของเอนไซม์ได้สองวิธี:
- วัดความเร็วในการสร้าง ผลิตภัณฑ์ ในกรณีของคาตาเลซ ออกซิเจนแก๊สคือผลิตภัณฑ์ ดังนั้นเราจึงเก็บแก๊สและวัดปริมาตรตามเวลา
- วัดความเร็วที่สารตั้งต้นหายไป ในกรณีของแอมิเลส เราจะเก็บตัวอย่างและทดสอบด้วยไอโอดีน สีน้ำเงิน-ดำจะจางลงเมื่อแป้งถูกใช้หมด
เครื่องวัดสี (colorimeter) ช่วยทำให้การวัดนี้แม่นยำ โดยส่องแสงผ่านหลอดทดลองและวัดปริมาณแสงที่ถูกดูดซับ ทำให้การเปลี่ยนแปลงสีกลายเป็นตัวเลขที่สามารถนำไปพล็อตกราฟได้
อัตราการเกิดปฏิกิริยา มีความชันมากที่สุดในช่วงต้น (เมื่อมีสารตั้งต้นมากที่สุด) ดังนั้น อัตราเริ่มต้น (initial rate) (ซึ่งคือความชันที่เวลา 0) จึงเป็นค่าที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการเปรียบเทียบ
*ผลิตภัณฑ์สะสมเร็วที่สุดในช่วงต้น; อัตราเริ่มต้นคือความชันของเส้นสัมผัสที่เวลา 0 — ซึ่งเป็นค่าที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการเปรียบเทียบ
ตัวอย่างคำอธิบาย. ในช่วง $20$ วินาทีแรกของปฏิกิริยาคาตาเลซ ได้แก๊สออกซิเจนมา $16\ \text{cm}^3$ ให้ประมาณการอัตราการเกิดปฏิกิริยา
$$\text{rate} = \frac{\text{volume of product}}{\text{time}} = \frac{16}{20} = 0.8\ \text{cm}^3\,\text{s}^{-1}.$$
เนื่องจากปฏิกิริยาเกิดขึ้นเร็วที่สุดในช่วงต้น การวัดในช่วงสั้นๆ แรกนี้จะให้ค่าใกล้เคียงกับอัตราเริ่มต้นมากที่สุด; หากเฉลี่ยในช่วงเวลาที่นานกว่าจะรวมถึงขั้นตอนที่ช้าลงในระยะหลังและทำให้ค่า underestimate
คำศัพท์
ฝึกฝน
| English | ไทย |
|---|---|
| colorimeter/ˌkʌləˈrɪmɪtə/ | colorimeter |
| rate of reaction/reɪt ɒv rɪˈækʃn/ | อัตราของปฏิกิริยา |
3.2
ปัจจัยที่มีผลต่อกิจกรรมของเอนไซม์
หลักสูตร
- ตรวจสอบและอธิบายผลกระทบของปัจจัยต่อไปนี้ต่ออัตราการเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์: • อุณหภูมิ • pH (ใช้สารละลายบัฟเฟอร์) • ความเข้มข้นของเอนไซม์ • ความเข้มข้นของสารตั้งต้น • ความเข้มข้นของสารยับยั้ง
- อธิบายว่า อัตราสูงสุดของปฏิกิริยา ($V_{\text{max}}$) ถูกนำมาใช้เพื่อหา ค่าคงที่ไมเคิลิส-เมนเทน ($K_{\text{m}}$) ซึ่งถูกนำไปใช้เปรียบเทียบ ความ.sql ของเอนไซม์ต่างๆ กับสารตั้งต้น
- อธิบายผลกระทบของ สารยับยั้งแบบย้อนกลับ ทั้งแบบ แข่งขัน และ ไม่แข่งขัน ต่อกิจกรรมของเอนไซม์
- ตรวจสอบความแตกต่างของกิจกรรมระหว่างเอนไซม์ที่ ติดกัก ใน อัลจิเนต กับเอนไซม์เดียวกันที่ลอยตัวในสารละลาย และระบุข้อดีของการใช้ เอนไซม์ที่ติดกัก
แหล่งที่มา: หลักสูตร Cambridge International
อุณหภูมิ
เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น โมเลกุลจะมี พลังงานจลน์ (kinetic energy) มากขึ้นและ ชนกัน (collide) บ่อยขึ้น ทำให้อัตราเพิ่มขึ้น แต่เกิน อุณหภูมิที่เหมาะสม (optimum temperature) เอนไซม์จะเริ่ม เสียสภาพ (denature): ความร้อนทำลายพันธะที่ยึดรักษารูปร่างไว้ ทำให้ตำแหน่งออกฤทธิ์เปลี่ยนไปและไม่เข้ากับสารตั้งต้นอีกต่อไป อัตราจึงลดลงอย่างรวดเร็ว
*อัตราเพิ่มขึ้นสู่จุดที่เหมาะสม แล้วลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อเอนไซม์เสียสภาพ
ค่า pH
เอนไซม์แต่ละชนิดมีค่า pH ที่เหมาะสม หากค่า pH เบี่ยงเบนจากจุดนี้มากเกินไป เอนไซม์จะเสียสภาพและอัตราจะลดลง เพื่อการศึกษาค่า pH อย่างยุติธรรม ควรคงค่าให้คงที่โดยใช้ สารละลายบัฟเฟอร์ (buffer solution)
*อัตราพุ่งสูงสุดที่ค่า pH ที่เหมาะสมและลดลงทั้งสองข้าง
ความเข้มข้นของเอนไซม์
เมื่อมีสารตั้งต้นเพียงพอ การเพิ่มเอนไซม์จะทำให้มีตำแหน่งออกฤทธิ์มากขึ้น อัตราจึงเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนกับความเข้มข้นของเอนไซม์
ความเข้มข้นของสารตั้งต้น
ในช่วงแรก การเพิ่มสารตั้งต้นจะเร่งปฏิกิริยา แต่เมื่อบริเวณออกฤทธิ์ทั้งหมดถูกใช้งานหมด การเพิ่มสารตั้งต้นเพิ่มเติมจะไม่มีการเปลี่ยนแปลง — อัตราจะราบเรียบที่ระดับสูงสุด
ความเข้มข้นของตัวยับยั้ง
ตัวยับยั้ง (inhibitor) คือโมเลกุลที่ชะลอการทำงานของเอนไซม์ ยิ่งมีตัวยับยั้งมาก อัตราจะยิ่งต่ำ
สำรวจ
温度如何改变酶活性
拖动温度滑块。活性上升至最适点，随后因酶变性导致活性位点失去形状而骤降。
คำศัพท์
ฝึกฝน
| English | ไทย |
|---|---|
| temperature/ˈtemprɪtʃə/ | อุณหภูมิ |
| kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ | พลังงานจลน์ |
| collide/kəˈlaɪd/ | ชนกัน |
| optimum temperature/ˈɒptɪməm ˈtemprɪtʃə/ | อุณหภูมิที่เหมาะสม |
| denature/ˈdenətʃə/ | denature |
| buffer solution/ˈbʌfə səˈluːʃn/ | สารบัฟเฟอร์ |
| inhibitor/ɪnˈhɪbɪtə/ | inhibitor |
| Michaelis–Menten constant/ˈmaɪkəliz ˈmentn ˈkɒnstənt/ | Michaelis–Menten constant |
3.2
V_max และค่าคงที่ Michaelis–Menten
อัตราที่ราบเรียบเมื่อตำแหน่งออกฤทธิ์ทั้งหมดเต็มคืออัตราสูงสุด เขียนว่า $V_{\text{max}}$
ค่าคงที่ Michaelis–Menten ($K_{\text{m}}$) คือความเข้มข้นของสารตั้งต้นที่ให้ ครึ่งหนึ่ง ของ $V_{\text{max}}$ มันบอกเกี่ยวกับ ความผูกพัน (affinity) (แรงดึง) ของเอนไซม์ต่อสารตั้งต้นของคุณ:
- ค่าต่ำ ของ $K_{\text{m}}$ หมายความว่าเอนไซม์ถึงครึ่งความเร็วที่ความเข้มข้นสารตั้งต้นต่ำ แสดงว่ามี ความผูกพันสูง (high affinity)
- ค่าสูง ของ $K_{\text{m}}$ หมายความว่ามีความผูกพัน ต่ำ (low affinity)
ดังนั้น $K_{\text{m}}$ จึงช่วยให้คุณเปรียบเทียบได้ว่าเอนไซม์ต่างชนิดกันยึดจับสารตั้งต้นต่างกันอย่างไร
*อัตราพุ่งขึ้นสู่ $V_{\text{max}}$ เมื่อตำแหน่งออกฤทธิ์ทั้งหมดเต็ม; $K_{\text{m}}$ คือความเข้มข้นของสารตั้งต้นที่ให้ครึ่งหนึ่งของ $V_{\text{max}}$
สำรวจ
底物浓度与Vmax
增加更多底物：速率上升，当所有活性位点都被占用后达到平台期$V_{max}$。$K_m$是产生$V_{max}$一半速率所需的底物浓度。
คำศัพท์
ฝึกฝน
| English | ไทย |
|---|---|
| affinity/əˈfɪnɪti/ | affinity |
3.2
ตัวยับยั้งที่ย้อนกลับได้
บางชนิดของตัวยับยั้งเป็น ย้อนกลับได้ (reversible): สามารถหลุดออกจากเอนไซม์ได้อีก มีสองประเภท
| ประเภท | สถานที่จับ | ผลของการเพิ่มสารตั้งต้นมากขึ้น | ผลต่อ $V_{\text{max}}$ และ $K_{\text{m}}$ |
|---|---|---|---|
| ตัวยับยั้งแบบแข่งขัน | ในตำแหน่งกัมมันต์ (มีรูปร่างคล้ายกับสารตั้งต้น) | เพิ่มสารตั้งต้นมากพอจะแย่งตำแหน่งได้ ผลกระทบจึงลดลง | $V_{\text{max}}$ ไม่เปลี่ยน; $K_{\text{m}}$ เพิ่มขึ้น |
| ตัวยับยั้งไม่แข่งขัน | ที่ตำแหน่งอื่น เปลี่ยนรูปร่างของตำแหน่งกัมมันต์ | การเพิ่มสารตั้งต้นไม่ได้ช่วยเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยา | $V_{\text{max}}$ ลดลง; $K_{\text{m}}$ ไม่เปลี่ยน |
คำศัพท์
ฝึกฝน
| English | ไทย |
|---|---|
| reversible/rɪˈvɜːsɪbl/ | ผันกลับได้ |
| competitive inhibitor/kəmˈpetɪtɪv ɪnˈhɪbɪtə/ | สารยับยั้งแบบแข่งขัน |
| non-competitive inhibitor/nɒn kəmˈpetɪtɪv ɪnˈhɪbɪtə/ | สารยับยั้งไม่แข่งขัน |
3.2
เอนไซม์ติดตัว
เอนไซม์ติดตัว คือเอนไซม์ที่ถูกตรึงไว้ที่จุดหนึ่ง — เช่น ถูกกักขังอยู่ในเม็ดเล็กๆ ของ อัลจิเนต — แทนที่จะลอยตัวอิสระในสารละลาย สารละลายของสารตั้งต้นจะไหลผ่านเม็ดเหล่านี้
เอนไซม์อิสระมักทำงานได้เร็วขึ้นเล็กน้อย เพราะสารตั้งต้นเข้าถึงได้ง่าย แต่เอนไซม์ติดตัวมีข้อดีทางปฏิบัติที่สำคัญ:
- เอนไซม์ไม่ถูกล้างไป สามารถนำไปใช้ซ้ำได้หลายครั้ง
- ผลิตภัณฑ์มีความบริสุทธิ์ ไม่ปนเปื้อนด้วยเอนไซม์
- เอนไซม์มีความเสถียรกว่า ทนต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและ pH ได้ดีกว่า
- กระบวนการสามารถดำเนินต่อได้ต่อเนื่อง โดยมีการไหลเข้าของสารตั้งต้นและการไหลออกของผลิตภัณฑ์
คำศัพท์
ฝึกฝน
| English | ไทย |
|---|---|
| immobilised enzyme/ɪˈməʊbəlaɪzd ˈenzaɪm/ | immobilised enzyme |
| alginate/ˈældʒɪneɪt/ | อัลจิเนต |
3.2
ข้อแนะนำสำหรับการสอบ
- อธิบายการทำงานของเอนไซม์ด้วยโมเดล การปรับให้เข้ากัน (induced-fit) (ตำแหน่งกัมมันต形態ปรับตัวห่อหุ้มสารตั้งต้น) ซึ่งปัจจุบันนิยมใช้มากกว่าโมเดลกุญแจและล็อค
- เหนือจุดที่เหมาะสม เอนไซม์จะ เสียสภาพ (denatures) (พันธะไฮโดรเจนและโครงสร้างระดับสามสลาย) ให้เขียนว่า "เสียสภาพ" อย่าเขียนว่า "ตาย" หรือ "ถูกฆ่า"
- แยกแยะตัวยับยั้ง: แบบแข่งขัน จับที่ตำแหน่งกัมมันต์ (เอาชนะได้ด้วยสารตั้งต้นเพิ่มขึ้น, $V_{max}$ เดิม); แบบไม่แข่งขัน จับที่ตำแหน่งอื่น (ลด $V_{max}$)
- เปรียบเทียบอัตราโดยใช้ อัตราเริ่มต้น (initial rate) (เส้นสัมผัสที่เวลาศูนย์) ซึ่งเป็นค่าวัดที่ยุติที่สุด ก่อนที่สารตั้งต้นจะกลายเป็นปัจจัยจำกัด
บทเรียนเชิงโต้ตอบสำหรับหัวข้อนี้
ทำทีละขั้นตอน พร้อมแบบฝึกหัดตรวจสอบผลทันที