Milioni hemijskih reakcija odvijaju se u ćeliji bilo kojeg živog organizma. Svaki od njih je od velikog značaja, pa je važno održavati brzinu bioloških procesa na visokom nivou. Gotovo svaku reakciju katalizira vlastiti enzim. Šta su enzimi? Koja je njihova uloga u kavezu?
Enzimi. Definicija
Izraz "enzim" dolazi od latinskog fermentum - kvasac. Mogu se nazvati i enzimi, od grčkog en zyme, "u kvascu".
Enzimi su biološki aktivne supstance, tako da svaka reakcija koja se odvija u ćeliji ne može bez njihovog učešća. Ove tvari djeluju kao katalizatori. Prema tome, svaki enzim ima dva glavna svojstva:
1) Enzim ubrzava biohemijsku reakciju, ali se ne troši.
2) Vrijednost konstante ravnoteže se ne mijenja, već samo ubrzava postizanje ove vrijednosti.
Enzimi ubrzavaju biohemijske reakcije hiljadu, au nekim slučajevima i milion puta. To znači da će u nedostatku enzimskog aparata svi unutarćelijski procesi praktički prestati, a sama stanica će umrijeti. Stoga je uloga enzima kao biološki aktivnih supstanci velika.
Različitost enzima vam omogućava da diverzifikujete regulaciju ćelijskog metabolizma. U bilo kojoj kaskadi reakcija sudjeluju mnogi enzimi različitih klasa. Biološki katalizatori su visoko selektivni zbog specifične konformacije molekula. Pošto su enzimi u većini slučajeva proteinske prirode, oni su u tercijarnoj ili kvaternarnoj strukturi. Ovo se opet objašnjava specifičnošću molekula.
Funkcije enzima u ćeliji
Glavni zadatak enzima je da ubrza odgovarajuću reakciju. Bilo koja kaskada procesa, od razgradnje vodikovog peroksida do glikolize, zahtijeva prisustvo biološkog katalizatora.
Pravilno funkcionisanje enzima postiže se visokom specifičnošću za određeni supstrat. To znači da katalizator može ubrzati samo određenu reakciju i nijednu drugu, čak i vrlo sličnu. Prema stepenu specifičnosti razlikuju se sljedeće grupe enzima:
1) Enzimi sa apsolutnom specifičnošću, kada se katalizira samo jedna reakcija. Na primjer, kolagenaza razgrađuje kolagen, a m altaza m altozu.
2) Enzimi sa relativnom specifičnošću. Ovo uključuje supstance koje mogu katalizirati određenu klasu reakcija, kao što je hidrolitičko cijepanje.
Rad biokatalizatora počinje od trenutka kada je njegov aktivni centar pričvršćen za 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 omogućava ubrzavanje reakcije.
Sljedeći korak je sama reakcija. Njegova brzina se povećava zbog djelovanja enzimskog kompleksa. Na kraju dobijamo enzim koji je povezan sa produktima reakcije.
Završna faza je odvajanje produkta reakcije od enzima, nakon čega aktivni centar ponovo 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, a kao rezultat toga, nastala je jedinstvena klasifikacija, zahvaljujući kojoj je lako odrediti čemu je namijenjen ovaj ili onaj katalizator. Evo 6 glavnih klasa enzima, kao i primjera nekih od podgrupa.
Oxidoreductases
Enzimi ove klase katalizuju redoks reakcije. Ukupno ima 17 podgrupa. Oksidoreduktaze obično imaju ne-proteinski dio, predstavljen vitaminom ili hemom.
Sljedeće podgrupe se često nalaze među oksidoreduktazama:
a) Dehidrogenaze. Biohemija enzima dehidrogenaze sastoji se od eliminacije atoma vodika i njihovog prijenosa na drugi supstrat. Ova podgrupa se najčešće nalazi kod respiratornih reakcija,fotosinteza. Sastav dehidrogenaza obavezno sadrži koenzim u obliku NAD/NADP ili flavoproteina FAD/FMN. Često postoje joni 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 katalaze su enzimi koji katalizuju razgradnju H2O2 u kiseonik i vodu.
d) Oksigenaze. Ovi biokatalizatori ubrzavaju dodavanje kisika supstratu. Dopamin hidroksilaza je jedan primjer takvih enzima.
2. Transferaze.
Zadatak enzima ove grupe je da prenesu radikale sa supstance donora na supstancu primaoca.
a) Metiltransferaza. DNK metiltransferaze su glavni enzimi koji kontrolišu proces replikacije DNK. Metilacija nukleotida igra važnu ulogu u regulaciji funkcije nukleinske kiseline.
b) Aciltransferaze. Enzimi ove podgrupe prenose acilnu grupu od jednog molekula do drugog. Primjeri aciltransferaza: lecitinholesterol aciltransferaza (prenosi funkcionalnu grupu sa masne kiseline na holesterol), lizofosfatidilholin aciltransferaza (acilna grupa se prenosi na lizofosfatidilholin).
c) Aminotransferaze su enzimi koji su uključeni u konverziju aminokiselina. Primjeri enzima: alanin aminotransferaza, koja katalizuje sintezu alanina iz piruvata i glutamata prijenosom amino grupa.
d) Fosfotransferaze. Enzimi ove podgrupe kataliziraju dodavanje fosfatne grupe. 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 molekulu, nakon čega slijedi dodavanje vode. Supstance koje pripadaju ovoj grupi su glavni enzimi probave.
a) Esteraze - razbijaju eterične veze. Primjer su lipaze, koje razgrađuju masti.
b) Glikozidaze. Biohemija enzima ove serije sastoji se u razaranju glikozidnih veza polimera (polisaharida i oligosaharida). Primjeri: amilaza, saharaza, m altaza.
c) Peptidaze su enzimi koji katalizuju 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 tokom cijepanja veza u molekulima. 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 lyase. Takvi enzimi, po pravilu, odcjepljuju fosfatnu grupu od supstratne tvari. Primjer: adenilat ciklaza.
Biohemija enzima je zasnovana na njihovoj strukturi
Sposobnosti svakog enzima su određene njegovom individualnom, jedinstvenom strukturom. Enzim je prije svega protein, a njegova struktura i stepen savijanja igraju odlučujuću ulogu u određivanju njegove funkcije.
Svaki biokatalizator karakterizira prisustvo aktivnog centra, koji je, pak, podijeljen u nekoliko nezavisnih funkcionalnih područja:
1) Katalitički centar je posebna regija proteina, preko koje je enzim vezan za supstrat. U zavisnosti od konformacije proteinske molekule, katalitički centar može imati različite oblike, koji moraju odgovarati supstratu na isti način kao brava na ključu. Ovako složena struktura objašnjava zašto je enzimski protein u tercijarnom ili kvaternarnom stanju.
2) Adsorpcioni centar - djeluje kao "držač". Ovdje, prije svega, postoji veza između molekule enzima i molekule supstrata. Međutim, veze koje formira adsorpcioni centar su veoma slabe, što znači da je katalitička reakcija reverzibilna u ovoj fazi.
3) Alosterični centri se mogu locirati kaona aktivnom mjestu i na cijeloj površini enzima u cjelini. Njihova funkcija je regulacija rada enzima. Regulacija se odvija uz pomoć molekula inhibitora i molekula aktivatora.
Proteini aktivatora, vezujući se za molekul enzima, ubrzavaju njegov rad. Inhibitori, naprotiv, inhibiraju katalitičku aktivnost, a to se može dogoditi na dva načina: ili se molekul veže za alosterično mjesto u području aktivnog mjesta enzima (kompetitivna inhibicija), ili se veže za drugu regiju proteina. (nekonkurentska inhibicija). Kompetitivna inhibicija se smatra efikasnijom. Uostalom, time se zatvara mjesto za vezivanje supstrata za enzim, a ovaj proces je moguć samo u slučaju skoro potpune podudarnosti oblika molekule inhibitora i aktivnog centra.
Enzim se često sastoji ne samo od aminokiselina, već i od drugih organskih i neorganskih supstanci. Shodno tome, izoluje se apoenzim - proteinski deo, koenzim - organski deo i kofaktor - neorganski deo. 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. Različiti tipovi enzima su rezultat kombinacije svih gore navedenih faktora formiranja kompleksa.
Regulacija enzima
Enzimi kao biološki aktivne supstance nisu uvek neophodni organizmu. Biohemija enzima je takva da mogu oštetiti živu ćeliju u slučaju pretjerane katalize. Da bi se spriječilo štetno djelovanje enzima na organizam, potrebno je nekako regulirati njihov rad.
T. Pošto su enzimi proteinske prirode, lako se uništavaju na visokim temperaturama. Proces denaturacije je reverzibilan, ali može značajno utjecati na funkcioniranje tvari.
pH takođe igra veliku ulogu u regulaciji. Najveća aktivnost enzima u pravilu se opaža pri neutralnim pH vrijednostima (7,0-7,2). Postoje i enzimi koji rade samo u kiseloj sredini ili samo u alkalnoj. Dakle, u ćelijskim lizosomima se održava nizak pH, pri čemu je aktivnost hidrolitičkih enzima maksimalna. Ako slučajno uđu u citoplazmu, gdje je okruženje već bliže neutralnom, njihova aktivnost će se smanjiti. Takva zaštita od "samožderanja" zasniva se na posebnostima rada hidrolaza.
Vrijedi spomenuti važnost koenzima i kofaktora u sastavu enzima. Prisustvo vitamina ili metalnih jona značajno utiče na funkcionisanje određenih specifičnih enzima.
Nomenklatura enzima
Svi tjelesni enzimi se obično nazivaju ovisno o njihovoj pripadnosti nekoj od klasa, kao i prema supstratu s kojim reaguju. Ponekad se, prema sistematskoj nomenklaturi, u nazivu ne koristi jedan, već dva supstrata.
Primjeri naziva nekih enzima:
- Enzimi jetre: laktat-dehidrogenaza, glutamat dehidrogenaza.
- Puni sistematski naziv enzima: lactate-NAD+-oxidoreduct-ase.
Postoje i trivijalna imena koja se ne pridržavaju pravila nomenklature. Primjeri su probavni enzimi: tripsin, kimotripsin, pepsin.
Proces sinteze enzima
Funkcije enzima su određene na genetskom nivou. Pošto je molekul uglavnom protein, njegova sinteza tačno ponavlja procese transkripcije i translacije.
Sinteza enzima se odvija prema sljedećoj shemi. Prvo se iz DNK očitava informacija o željenom enzimu, zbog čega se formira mRNA. Messenger RNA kodira sve aminokiseline koje čine enzim. Regulacija enzima može se desiti i na nivou 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 ćelije, počinje sljedeća faza - translacija. Na ribosomima endoplazmatskog retikuluma sintetizira se primarni lanac koji se sastoji od aminokiselina povezanih peptidnim vezama. Međutim, proteinski molekul u primarnoj strukturi još ne može obavljati svoje enzimske funkcije.
Aktivnost enzima zavisi od strukture proteina. Na istom ER-u dolazi do uvijanja proteina, uslijed čega se formiraju prvo sekundarne, a zatim tercijarne strukture. Sinteza nekih enzima se zaustavlja već u ovoj fazi, međutim da bi se aktivirala katalitička aktivnost često je potrebnododatak koenzima i kofaktora.
U određenim oblastima endoplazmatskog retikuluma vezuju se organske komponente enzima: monosaharidi, nukleinske kiseline, masti, vitamini. Neki enzimi ne mogu raditi bez prisustva koenzima.
Kofaktor igra ključnu ulogu u formiranju kvartarne strukture proteina. Neke funkcije enzima su dostupne samo kada protein dođe u organizaciju domena. Stoga je za njih veoma važno prisustvo kvartarne strukture, u kojoj je vezna karika između nekoliko proteinskih globula metalni jon.
Višestruki oblici enzima
Postoje situacije kada je potrebno imati nekoliko enzima koji katalizuju istu reakciju, ali se međusobno razlikuju po nekim parametrima. Na primjer, enzim može raditi na 20 stepeni, ali na 0 stepeni više neće moći da obavlja svoje funkcije. Šta bi živi organizam trebao učiniti u takvoj situaciji na niskim temperaturama okoline?
Ovaj problem se lako rješava prisustvom nekoliko enzima odjednom, koji katalizuju istu reakciju, ali djeluju pod 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 transkribovani sa istog gena, ali su peptidi modifikovani na ribosomima. Izlaz je nekoliko oblika istog enzima.
BKao rezultat toga, prvi tip višestrukih oblika se formira na genetskom nivou, dok se drugi tip formira na post-translacionom nivou.
Važnost enzima
Upotreba enzima u medicini svodi se na oslobađanje novih lijekova, u kojima su supstance već u pravim količinama. Naučnici još nisu pronašli način da stimulišu sintezu nedostajućih enzima u tijelu, ali danas su široko dostupni lijekovi koji mogu privremeno nadoknaditi njihov nedostatak.
Različiti enzimi u ćeliji kataliziraju širok spektar reakcija koje održavaju život. Jedan od ovih enizama su predstavnici grupe nukleaza: endonukleaza i egzonukleaza. Njihov posao je da održavaju konstantan nivo nukleinskih kiselina u ćeliji, uklanjajući oštećenu DNK i RNK.
Ne zaboravite na takav fenomen kao što je zgrušavanje krvi. Kao efikasna mjera zaštite, ovaj proces je pod kontrolom brojnih enzima. Glavni je trombin, koji pretvara neaktivni protein fibrinogen u aktivni fibrin. Njegove niti stvaraju neku vrstu mreže koja začepljuje mjesto oštećenja žile, čime se sprječava pretjeran gubitak krvi.
Enzimi se koriste u proizvodnji vina, pivarstvu, dobijanju mnogih fermentisanih mlečnih proizvoda. Kvasac se može koristiti za proizvodnju alkohola iz glukoze, ali ekstrakt iz njega je dovoljan za uspješan tok ovog procesa.
Zanimljive činjenice koje niste znali
- Svi enzimi u tijelu imaju ogromnu masu - od 5000 do1000000 Da. To je zbog prisustva proteina u molekulu. Za poređenje: molekularna težina glukoze je 180 Da, a ugljičnog dioksida samo 44 Da.
- Do danas je otkriveno više od 2000 enzima koji su pronađeni u ćelijama različitih organizama. Međutim, većina ovih supstanci još nije u potpunosti shvaćena.
- Enzimska aktivnost se koristi za proizvodnju efikasnih deterdženata za pranje rublja. Ovdje enzimi imaju istu ulogu kao i u tijelu: razgrađuju organske tvari, a ovo svojstvo pomaže u borbi protiv mrlja. Preporučljivo je koristiti sličan prašak za pranje na temperaturi ne višoj od 50 stepeni, inače može doći do procesa denaturacije.
- Prema statistikama, 20% ljudi širom svijeta pati od nedostatka bilo kojeg od enzima.
- Svojstva enzima su poznata već dugo vremena, ali tek 1897. ljudi su shvatili da se ne sam kvasac, već ekstrakt iz njihovih ćelija može koristiti za fermentaciju šećera u alkohol.
