Milijuni kemijskih reakcija odvijaju se u stanici bilo kojeg živog organizma. Svaki od njih je od velike važnosti, stoga je važno održavati brzinu bioloških procesa na visokoj razini. Gotovo svaku reakciju katalizira vlastiti enzim. Što su enzimi? Koja je njihova uloga u kavezu?
Enzimi. Definicija
Izraz "enzim" dolazi od latinskog fermentum - kvasac. Oni se također mogu zvati enzimi, od grčkog en zyme, "u kvascu".
Enzimi su biološki aktivne tvari, pa svaka reakcija koja se odvija u stanici ne može bez njihovog sudjelovanja. Ove tvari djeluju kao katalizatori. Prema tome, svaki enzim ima dva glavna svojstva:
1) Enzim ubrzava biokemijsku reakciju, ali se ne troši.
2) Vrijednost konstante ravnoteže se ne mijenja, već samo ubrzava postizanje ove vrijednosti.
Enzimi ubrzavaju biokemijske reakcije tisuću, a u nekim slučajevima i milijun puta. To znači da će u nedostatku enzimskog aparata svi unutarstanični procesi praktički prestati, a sama stanica će umrijeti. Stoga je uloga enzima kao biološki aktivnih tvari velika.
Različitost enzima omogućuje diverzifikaciju regulacije staničnog metabolizma. U bilo kojoj kaskadi reakcija sudjeluju mnogi enzimi različitih klasa. Biološki katalizatori su vrlo selektivni zbog specifične konformacije molekule. Budući da su enzimi u većini slučajeva proteinske prirode, oni su u tercijarnoj ili kvartarnoj strukturi. To se opet objašnjava specifičnošću molekule.
Funkcije enzima u stanici
Glavni zadatak enzima je ubrzati odgovarajuću reakciju. Bilo koja kaskada procesa, od razgradnje vodikovog peroksida do glikolize, zahtijeva prisutnost biološkog katalizatora.
Pravilno funkcioniranje enzima postiže se visokom specifičnošću za određeni supstrat. To znači da katalizator može samo ubrzati određenu reakciju i nijednu drugu, čak i vrlo sličnu. Prema stupnju specifičnosti razlikuju se sljedeće skupine enzima:
1) Enzimi s apsolutnom specifičnošću, kada se katalizira samo jedna reakcija. Na primjer, kolagenaza razgrađuje kolagen, a m altaza m altozu.
2) Enzimi s relativnom specifičnošću. To uključuje tvari koje mogu katalizirati određenu klasu reakcija, kao što je hidrolitičko cijepanje.
Rad biokatalizatora počinje od trenutka kada je njegovo aktivno središte pričvršćeno na supstrat. U ovom slučaju se govori o komplementarnoj interakciji poput brave i ključa. To se odnosi na potpunu podudarnost oblika aktivnog centra sa supstratom, što omogućuje ubrzanje reakcije.
Sljedeći korak je sama reakcija. Njegova brzina se povećava zbog djelovanja enzimskog kompleksa. Na kraju dobivamo enzim koji je povezan s produktima reakcije.
Završna faza je odvajanje produkta reakcije od enzima, nakon čega aktivni centar ponovno postaje slobodan za sljedeći rad.
Šematski, rad enzima u svakoj fazi može se zapisati na sljedeći način:
1) S + E --> SE
2) SE --> SP
3) SP --> S + P gdje je S supstrat, E je enzim, a P je proizvod.
Klasifikacija enzima
U ljudskom tijelu možete pronaći ogromnu količinu enzima. Sva znanja o njihovim funkcijama i radu su sistematizirana, te se kao rezultat toga pojavila jedinstvena klasifikacija, zahvaljujući kojoj je lako odrediti čemu je namijenjen ovaj ili onaj katalizator. Ovdje je 6 glavnih klasa enzima, kao i primjeri nekih od podskupina.
Oksidoreduktaze
Enzimi ove klase kataliziraju redoks reakcije. Ukupno ima 17 podskupina. Oksidoreduktaze obično imaju ne-proteinski dio, predstavljen vitaminom ili hemom.
Sljedeće podskupine se često nalaze među oksidoreduktazama:
a) Dehidrogenaze. Biokemija enzima dehidrogenaze sastoji se u eliminaciji atoma vodika i njihovom prijenosu na drugi supstrat. Ova se podskupina najčešće nalazi u respiratornim reakcijama,fotosinteza. Sastav dehidrogenaza nužno sadrži koenzim u obliku NAD/NADP ili flavoproteina FAD/FMN. Često postoje ioni metala. Primjeri uključuju enzime kao što su citokrom reduktaze, piruvat dehidrogenaza, izocitrat dehidrogenaza i mnoge jetrene enzime (laktat dehidrogenaza, glutamat dehidrogenaza, itd.).
b) Oksidaza. Brojni enzimi kataliziraju dodavanje kisika vodiku, kao rezultat toga produkti reakcije mogu biti voda ili vodikov peroksid (H20, H2 0 2). Primjeri enzima: citokrom oksidaza, tirozinaza.
c) Peroksidaze i katalaza su enzimi koji kataliziraju razgradnju H2O2 u kisik i vodu.
d) Oksigenaze. Ovi biokatalizatori ubrzavaju dodavanje kisika supstratu. Dopamin hidroksilaza je jedan primjer takvih enzima.
2. Transferaze.
Zadatak enzima ove skupine je da prenesu radikale iz donorske tvari u supstanciju primatelja.
a) Metiltransferaza. DNA metiltransferaze su glavni enzimi koji kontroliraju proces replikacije DNA. Metilacija nukleotida igra važnu ulogu u regulaciji funkcije nukleinske kiseline.
b) Aciltransferaze. Enzimi ove podskupine prenose acilnu skupinu s jedne molekule na drugu. Primjeri aciltransferaza: lecitinholesterol aciltransferaza (prenosi funkcionalnu skupinu s masne kiseline na kolesterol), lizofosfatidilkolin aciltransferaza (acilna skupina se prenosi na lizofosfatidilkolin).
c) Aminotransferaze su enzimi koji sudjeluju u pretvorbi aminokiselina. Primjeri enzima: alanin aminotransferaza, koja katalizira sintezu alanina iz piruvata i glutamata prijenosom amino skupine.
d) Fosfotransferaze. Enzimi ove podskupine kataliziraju dodavanje fosfatne skupine. Drugi naziv za fosfotransferaze, kinaze, mnogo je češći. Primjeri su enzimi poput heksokinaze i aspartat kinaze, koji dodaju ostatke fosfora u heksozu (najčešće glukozu) odnosno asparaginsku kiselinu.
3. Hidrolaze su klasa enzima koji kataliziraju cijepanje veza u molekuli, nakon čega slijedi dodavanje vode. Tvari koje pripadaju ovoj skupini glavni su enzimi probave.
a) Esteraze - razbijaju eterske veze. Primjer su lipaze koje razgrađuju masti.
b) Glikozidaze. Biokemija enzima ove serije sastoji se u razaranju glikozidnih veza polimera (polisaharida i oligosaharida). Primjeri: amilaza, saharaza, m altaza.
c) Peptidaze su enzimi koji kataliziraju razgradnju proteina u aminokiseline. Peptidaze uključuju enzime kao što su pepsini, tripsin, kimotripsin, karboksipeptidaza.
d) Amidaze - podijeljene amidne veze. Primjeri: arginaza, ureaza, glutaminaza, itd. Mnogi enzimi amidaze javljaju se u ciklusu ornitina.
4. Liaze su enzimi slični po funkciji hidrolazama, međutim, voda se ne troši tijekom cijepanja veza u molekulama. Enzimi ove klase uvijek sadrže neproteinski dio, na primjer, u obliku vitamina B1 ili B6.
a) Dekarboksilaze. Ovi enzimi djeluju na C-C vezu. Primjeri susluže kao glutamat dekarboksilaza ili piruvat dekarboksilaza.
b) Hidrataze i dehidrataze su enzimi koji kataliziraju reakciju cijepanja C-O veza.
c) Amidin-liaze - uništavaju C-N veze. Primjer: arginin sukcinat liaza.
d) P-O liza. Takvi enzimi u pravilu odcjepljuju fosfatnu skupinu od supstratne tvari. Primjer: adenilat ciklaza.
Biokemija enzima temelji se na njihovoj strukturi
Sposobnosti svakog enzima određene su njegovom individualnom, jedinstvenom strukturom. Enzim je prije svega protein, a njegova struktura i stupanj savijanja igraju odlučujuću ulogu u određivanju njegove funkcije.
Svaki biokatalizator karakterizira prisutnost aktivnog centra, koji je pak podijeljen u nekoliko neovisnih funkcionalnih područja:
1) Katalitički centar je posebna regija proteina, kroz koju je enzim vezan za supstrat. Ovisno o konformaciji proteinske molekule, katalitičko središte može poprimiti različite oblike, koji moraju odgovarati supstratu na isti način kao brava na ključu. Takva složena struktura objašnjava zašto je enzimski protein u tercijarnom ili kvartarnom stanju.
2) Adsorpcijski centar - djeluje kao "držač". Ovdje prije svega postoji veza između molekule enzima i molekule supstrata. Međutim, veze koje stvara adsorpcijski centar su vrlo slabe, što znači da je katalitička reakcija reverzibilna u ovoj fazi.
3) Alosterični centri mogu se nalaziti kaou aktivnom mjestu, i na cijeloj površini enzima u cjelini. Njihova je funkcija reguliranje rada enzima. Regulacija se događa uz pomoć molekula inhibitora i molekula aktivatora.
Proteini aktivatora, vežući se na molekulu enzima, ubrzavaju njegov rad. Inhibitori, naprotiv, inhibiraju katalitičku aktivnost, a to se može dogoditi na dva načina: ili se molekula veže na alosterično mjesto u području aktivnog mjesta enzima (konkurentska inhibicija), ili se veže za drugu regiju proteina. (nekonkurentska inhibicija). Kompetitivna inhibicija se smatra učinkovitijom. Uostalom, time se zatvara mjesto za vezanje supstrata na enzim, a taj je proces moguć samo u slučaju gotovo potpunog podudaranja oblika molekule inhibitora i aktivnog centra.
Enzim se često sastoji ne samo od aminokiselina, već i od drugih organskih i anorganskih tvari. Sukladno tome, izoliran je apoenzim - proteinski dio, koenzim - organski dio i kofaktor - anorganski dio. Koenzim može biti predstavljen ugljikohidratima, mastima, nukleinskim kiselinama, vitaminima. Zauzvrat, kofaktor su najčešće pomoćni ioni metala. Aktivnost enzima određena je njegovom strukturom: dodatne tvari koje čine sastav mijenjaju katalitička svojstva. Različite vrste enzima rezultat su kombinacije svih gore navedenih faktora stvaranja kompleksa.
Regulacija enzima
Enzimi kao biološki aktivne tvari nisu uvijek potrebni tijelu. Biokemija enzima je takva da mogu oštetiti živu stanicu u slučaju pretjerane katalize. Kako bi spriječili štetno djelovanje enzima na organizam, potrebno je nekako regulirati njihov rad.
T. Budući da su enzimi proteinske prirode, lako se uništavaju na visokim temperaturama. Proces denaturacije je reverzibilan, ali može značajno utjecati na funkcioniranje tvari.
pH također igra veliku ulogu u regulaciji. Najveća aktivnost enzima u pravilu se opaža pri neutralnim pH vrijednostima (7,0-7,2). Postoje i enzimi koji djeluju samo u kiseloj sredini ili samo u alkalnoj. Dakle, u staničnim lizosomima održava se nizak pH, pri kojem je aktivnost hidrolitičkih enzima maksimalna. Ako slučajno uđu u citoplazmu, gdje je okruženje već bliže neutralnom, njihova će se aktivnost smanjiti. Takva zaštita od "samožderanja" temelji se na posebnostima rada hidrolaza.
Vrijedi spomenuti važnost koenzima i kofaktora u sastavu enzima. Prisutnost vitamina ili metalnih iona značajno utječe na rad određenih specifičnih enzima.
Nomenklatura enzima
Svi enzimi u tijelu obično se nazivaju ovisno o njihovoj pripadnosti bilo kojoj od klasa, kao i prema supstratu s kojim reagiraju. Ponekad se, prema sustavnoj nomenklaturi, u nazivu ne koristi jedan, već dva supstrata.
Primjeri naziva nekih enzima:
- Jetreni enzimi: laktat-dehidrogenaza, glutamat dehidrogenaza.
- Puni sustavni naziv enzima: lactate-NAD+-oxidoreduct-ase.
Postoje i trivijalni nazivi koji se ne pridržavaju pravila nomenklature. Primjeri su probavni enzimi: tripsin, kimotripsin, pepsin.
Proces sinteze enzima
Funkcije enzima određene su na genetskoj razini. Budući da je molekula uglavnom protein, njezina sinteza točno ponavlja procese transkripcije i translacije.
Sinteza enzima odvija se prema sljedećoj shemi. Najprije se iz DNK čita informacija o željenom enzimu, uslijed čega nastaje mRNA. Messenger RNA kodira sve aminokiseline koje čine enzim. Regulacija enzima može se dogoditi i na razini DNK: ako je proizvod katalizirane reakcije dovoljan, transkripcija gena se zaustavlja i obrnuto, ako postoji potreba za proizvodom, aktivira se proces transkripcije.
Nakon što mRNA uđe u citoplazmu stanice, počinje sljedeća faza - translacija. Na ribosomima endoplazmatskog retikuluma sintetizira se primarni lanac koji se sastoji od aminokiselina povezanih peptidnim vezama. Međutim, proteinska molekula u primarnoj strukturi još ne može obavljati svoje enzimske funkcije.
Aktivnost enzima ovisi o strukturi proteina. Na istom ER-u dolazi do uvijanja proteina, uslijed čega nastaju prvo sekundarne, a zatim tercijarne strukture. Sinteza nekih enzima prestaje već u ovoj fazi, međutim da bi se aktivirala katalitička aktivnost često je potrebnododatak koenzima i kofaktora.
U određenim područjima endoplazmatskog retikuluma vezani su organski sastojci enzima: monosaharidi, nukleinske kiseline, masti, vitamini. Neki enzimi ne mogu djelovati bez prisutnosti koenzima.
Kofaktor igra ključnu ulogu u formiranju kvartarne strukture proteina. Neke funkcije enzima dostupne su samo kada protein dođe u organizaciju domene. Stoga je za njih vrlo važna prisutnost kvartarne strukture u kojoj je spojna karika između nekoliko proteinskih globula metalni ion.
Više oblika enzima
Postoje situacije kada je potrebno imati nekoliko enzima koji kataliziraju istu reakciju, ali se međusobno razlikuju po nekim parametrima. Na primjer, enzim može raditi na 20 stupnjeva, ali na 0 stupnjeva više neće moći obavljati svoje funkcije. Što bi živi organizam trebao učiniti u takvoj situaciji pri niskim temperaturama okoline?
Ovaj problem se lako rješava prisutnošću nekoliko enzima odjednom, koji kataliziraju istu reakciju, ali djeluju u različitim uvjetima. Postoje dvije vrste višestrukih oblika enzima:
- Izoenzimi. Takvi proteini su kodirani različitim genima, sastoje se od različitih aminokiselina, ali kataliziraju istu reakciju.
- Pravi oblici množine. Ovi proteini su transkribirani iz istog gena, ali su peptidi modificirani na ribosomima. Rezultat je nekoliko oblika istog enzima.
BKao rezultat toga, prvi tip višestrukih oblika nastaje na genetskoj razini, dok se drugi tip formira na posttranslacijskoj razini.
Važnost enzima
Upotreba enzima u medicini svodi se na oslobađanje novih lijekova, u kojima su tvari već u pravim količinama. Znanstvenici još nisu pronašli način da stimuliraju sintezu nedostajućih enzima u tijelu, ali danas su široko dostupni lijekovi koji mogu privremeno nadoknaditi njihov nedostatak.
Različiti enzimi u stanici kataliziraju široku paletu reakcija koje održavaju život. Jedan od tih enizama su predstavnici skupine nukleaza: endonukleaze i egzonukleaze. Njihov je posao održavati stalnu razinu nukleinskih kiselina u stanici, uklanjajući oštećenu DNK i RNA.
Ne zaboravite na takav fenomen kao što je zgrušavanje krvi. Budući da je učinkovita mjera zaštite, ovaj proces je pod kontrolom brojnih enzima. Glavni je trombin, koji pretvara neaktivni protein fibrinogen u aktivni fibrin. Njegove niti stvaraju svojevrsnu mrežu koja začepljuje mjesto oštećenja žile, čime se sprječava prekomjeran gubitak krvi.
Enzimi se koriste u proizvodnji vina, pivarstvu, dobivanju mnogih fermentiranih mliječnih proizvoda. Kvasac se može koristiti za proizvodnju alkohola iz glukoze, ali ekstrakt iz njega dovoljan je za uspješan tijek ovog procesa.
Zanimljive činjenice koje niste znali
- Svi enzimi u tijelu imaju ogromnu masu - od 5000 do1000000 Da. To je zbog prisutnosti proteina u molekuli. Za usporedbu: molekularna težina glukoze je 180 Da, a ugljičnog dioksida samo 44 Da.
- Do danas je otkriveno više od 2000 enzima koji su pronađeni u stanicama različitih organizama. Međutim, većina ovih tvari još nije u potpunosti shvaćena.
- Enzimska aktivnost koristi se za proizvodnju učinkovitih deterdženata za pranje rublja. Ovdje enzimi imaju istu ulogu kao i u tijelu: razgrađuju organsku tvar, a to svojstvo pomaže u borbi protiv mrlja. Preporuča se koristiti sličan prašak za pranje na temperaturi ne višoj od 50 stupnjeva, inače može doći do procesa denaturacije.
- Prema statistikama, 20% ljudi diljem svijeta pati od nedostatka bilo kojeg od enzima.
- Svojstva enzima poznata su jako dugo, ali tek 1897. ljudi su shvatili da se ne sam kvasac, već ekstrakt iz njihovih stanica može koristiti za fermentaciju šećera u alkohol.
