Enzymy

Zapoczątkowane i przeprowadzanie reakcji chemicznych wymaga dostarczenia odpowiedniej ilości energii, np. do rozkładu 1 mola nadtlenku wodoru (H2O2) potrzeba 75600 J (dżuli).
Ilość energii potrzbnej do zapoczątkowania reakcji chemicznej nazywamy energią aktywanji. Jednym ze sposobów dostarczania energii aktywnej jest ogrzewanie. Jednak nie dotyczy to komórek które funkcjinują w dość niskich temteraturach - od kilku stopni poniżej ) do 40 - 45 C. tak wąski zakres tolerancji wynika z faktu że w temperaturze poniżej 0C cytozol zaczyna zamarzać, a powyżej 40C dochodzi zazwyczaj do denaturacji białek, a tym samym do śmierci komórki.
Sposobem na zapoczątkowanie reakcji we względnie niskich i stałych temperaturach, jakie panują w komórce, jest zastosowanie katalizatora. Jest to substancja przyśpieszająca reakcje przez obniżenie jej energii aktywacji. W komórkach funkcję katalizatorów biologicznych pełnia enzymy. Cząsteczki te nie są substratami reakcji, dlatego nie zużywaką się w przebiegu reakcji i mogą być wykorzystywane wielokrotnie.

Budowa enzymów

Prawie wszystkie enzymy są białkami. Wyjątek stanowią cząsteczki RNA - rybozymy - oraz cząsteczki DNA - deoksyrybozomy, które pełnią funkcje katalityczne.
Istnieja enzymy zbudowane tylko z łańcuchów polipeptydowych (np. większość enzymów układu pokarmowego, amylaza ślinowa, pepsyna czy trypsyna).
Jednak najczęściej enzymy składają się z dwóch elementów: części białkowej zwanej apoenzymem i części niebiałkowej zwanej kafaktorem. Częścią niebiałkową mogą byc metale w postaci jonó (Zn2+, Mg2+, Mn2+, K+) lub niewielkie cząsteczki organiczne. Jony nieorganiczne zawsze wiążą się z apoenzymem w sposób trwały. Cząsteczki organiczne natomiast są związane z apoenzymem albo luźno (z możliwością przyłączenie sie i odłączenia), albo trwale.
Gdy są związane luźno, nazywa się je koenzymami, a gdy są związane trwale, noszą nazwę grup prostetycznych. Do koenzymów należą: ATP, NAD+, FAD, NADP+, a także witaminy (zwłaszcza z grupy B) lub ich pochodne.
W obrębie enzymu znajduje się miejsce aktywne (centrum aktywne). Jest to specyficzny obszar, który wiąże cząsteczki substratu i ewentualnie część niebiałkową enzymu. Zawiera on odpowiednio ułożone przestrzennie grupy funkcyjne aminokwasów. Uczestnicząone bezpośrednio w tworzeniu niekowalencyjnych wiązań i oddziaływań chemicznych (tj. wiązań wodorowych, oddziaływań elektrostatycznych, van der Waalsa i hydrofobowych) między cząsteczką enzymu a cząsteczką substratu. Wiązanie te tworzone sa tylko na czas reakcji.
Niektóre enzymy zwane enzymami allosterycznymi składaja się zwykle z kilku pojedyńczych jednostek, z których każda ma własne centrum aktywne. Przyłaczenie substratu do jednego miejsca może zmienić właściwości miejsc aktywnych.

budowa_enzymu

BUDOWA ENZYMU ZAWIERAJĄCEGO CZĘŚĆ NIEBIAŁKOWĄ
Część białkoą (apoenzym) Część niebiałkowa (kofaktor)
jony metali, np. żelaza, miedzi, cynku, magnezu grupa prostetyczna - mała cząsteczka organiczna trwale związana z enzymem, np. pochodna wit. B1, w dehydrogenazie pirogranowej koenzym - mała cząsteczka organiczna nietrwale związana z enzymem, np. koenzym A, witaminy, NAD+, FAD

Właściwości enzymów

Enzymy cechuje :

Mechanizm działania enzymów

Enzym wiąże określony substrat lub substraty, tworząc z nimi nietrwały kompleks enzym - substrat (E-S), który następnie ulega rozpadowi na produkt lub produkty i enzym. Uwolniony po rozpadzie enyzm może sie połączyć z kolejną cząsteczką substratu. Kataliza enzymatyczna, czyli przyspieszenie reakcji chemicznej spowodowane działaniem katalizatora - enzymu, przebiega więc etapami, podczas których następuje :

Mechanizm działania enzymów

Enzymy wiąże określon substrat lub substraty, tworząc z nimi niertwały kompleks Eznym - Substrat (E-S), który następnie ulega rozpadowi na produkt lub produkty i enzym. Uwolniony po rozpadzie enzym może się połączyć z koleją cząsteczką substratu. Kataliza enzymatyczna, czyli przyśpieszenie reakcji chemicznej spowodowane działaniem katalizatora - enzymu, przebiega więc etapami, podczas których nastepuje :

Równanie reakcji enzymatycznej

równanie reakcji enzymatycznej

Model powstawania kompleksu enzym - substrat

Enzymy nie są sztywnymi strukturami, a kształt ich centrum aktywnego zmienia się pod wpływem substratu. Czasami do zmiany wystarczy bliski kontakt centrum aktywnego z zsubstratem, a czasem kształt centrum aktywnego zmienia sie dopiero po związaniu z substratem. Taki proces dynamicznego dopasowywania sie enzymu do substratu jest nazywany modelem indukowanego(wymuszonego)dopasowania. Model ten jest obrazowo porównywany do ręki (substrat) wsuwanej do rękawiczki (enzym).

model powstawania kompleksu eznym-substrat model powstawania kompleksu eznym-substrat

Czynniki wpływające na szybkość reakcji enzymatycznych

Szybkość reakcji enzymatycznych zależy od: stężenia substratu, temperatury, wysokości pH środowiska, stężenia jonów i obecności substancji aktywujących lub hamujących.

Stężenie substratu

Wzrost stężenia substratu zwiększa szybkość reakcji aż do osiągnięcia maksymalnej wartości (Vmax). Dalsze zwiększenie stężenia substratu nie zwiększa szybkości reakcji z powodu wypełnienia substratem centrum aktywnegi eznymu (wysycenia emzymu substratem). Takie stężenie substratu, przy którym szybkość reakcji enzymatycznej osiąga połowę szybkości maksymalnej, określa się mianem stałej Michaelisa [wym. mikaelisa] (KM). Stała ta opisuje powinowactwo enzymu do substratu, czyli łatwość powstawania kompleksu E - S. Im większa wartość KM, tym mniejsze powinowactwo enzymu do substratu, a w konsekwencji mniejsza efektywność działania enzymu.

Temperarura

Wzrost temperaturyo każde 10 oC średnio dwuktotnie zwiększa szybkość reakcji chemicznej. Reguła ta odnosi się również do reakcji enzymatycznych, ale tylko w określonych granicach, najczęściej 0 - 45oC. Dalszy wzrost temperatury powoduje gwałtowne spowolnienie reakcji. Przyczyną jest denaturacja białek enzymatycznych prowadząca do zniszczenia struktury przestrzennej enzymu, przez co traci on właściwości katalityczne. Zaktes temperatury, w jakim enzym może być aktywny, zależy od temperatury komórki, w której występuje. Za optymalną dla działania większości enzymów człowieka uważa się tepm. ok. 38oC.

Wartość pH i stężenie soli

W wypadku pH trudno określićoptimum jednolite dla funkcjonowania wszystkich enzymów. Większość enzymów komórkowych jest aktywnych w pH ok. 7, czyli środowisku zbliżonym do obojętnego. Enzymy lizosomów są aktywne w środowisku lekko kwaśnym (ph ok. 5). Z kolei poszczególnie enzymy trawienne działają w typowym dla siebie, zwykle wąskim przedziale pH, poza którym znacznie obniża się ich aktywność.
Np. dla pepsyny optymalne jest bardzo kwaśne środowisko (pH = 2), dla amylazy ślinowej środowisko obojętne (ph = 7), a dla trypsyny - środowisko zasadowe (pH = 8,5).
Aby wnzymy były aktywne, potrzebne jest zwykle określone stężenie soli - stężenie zbyt wysokie może hamować aktywność enzymów. Ponadto dla niektórych enzymów niezbędne są specyficzne jony (np. Mg2+). Inne jony, takie jak kationy metali ciężkich (np. rtęci, ołowiu, miedzi), powodują denaturację enzymów.

Substancje aktywne i hamujące

Substancje aktywujące enzymy - aktywatory - to cząsteczki, które zminiają strukturę przestrzenną centrum aktywnego, ułatwiając wiązanie określonych substratów. Aktywatorami mogą być jony metali, m.in. Mg2+, Zn2+, Ca2+, białka i drobnocząsteczkowe związki organiczne. Przykładowo aktywatorem amylazy ślinowej (enzymu rozkładającego cukry) są jony chlorkowec(Cl-). Z kolei substancje hamujące - inhibitory - są cząsteczkami, które hamują przebieg reakcji enzymatycznej. Hamowanie (inhibicja) enzymu może być procesem nieodwracalnym lub odwracalnym.

W czasie hamowania nieodwracalnego cząsteczki inhinitora przyłączają się do centrum aktywnego enzymu za pomocą wiązań kowalencyjnych. W ten sposób powstaje trwały kompleks enzym - inhibitor, a działanie enzymu zostaje zahamowane. Do inhibitorórów działających w opisany sposób należy większość trucizn m.in. cyjanek potasu, który chamuje aktywność jednego z enzymów oddychania komórkowego. Niektóre inhibitory są ważnymi lekami.
Hamowanie odwracalne może byc kompetycyjne lub niekompetycyjne. Każdy z tych rodzajów hamowania wiąże się z działaniem okreśkonych inhibitoróe. Inhibitory kompetycyjne (współzawodniczące) to cząsteczki o strukturze przestrzennej zblizonej do struktury cząsteczki substratu. Wygrywając konkurencję z substratem, zajmują jego miejsce w centrum aktywnym enzymu (uniemożliwiają więc związanie substratu). Do inhibitorów działającycj w ten sposób należą m.in. antywitaminy - naturalne i syntetyczne związki chemiczne, które blokując enzym, uniemożliwiają wykorzystanie danej witaminy przez organizm. Inchibicja kompetycyjna jest znoszona przez zwiększenie stężenia substratu, dzięki czemu może on wyprzeć inhibitor z centrum aktywnego.

Inhibitory niekompetycyjne (niewspółzawodniczące) nie wiążą się z enzymem w centrum aktywnym, ale w innym miejscu. Powodują one zmianę kształtu miejsca aktywnego cząsteczki enzymu. W konsekwencji uniemożliwiają przyłączenie substratu. Działanie inhibitora nie może być zniesione przez zwiększenie stężenia substratu. Do inhibitorów niekompwtycyjnych należą m.in. niektóre metabolity, które w ten sposób regulują aktywność enzymów, oraz jony metali ciężkich.

Nazewnictwo i klasyfikacja enzymó

Nazwy potoczne większości enzymów tworzy się przez dodanie zakończenia "-aza" do nazw ich substratów lub nazw katalizowanych reakcji. Np. sacharaza jest enzymem katalizującym rozkład sacharozy, a syntaza ATPto enzym, który odpowiada za syntezę ATP. Niektóre enzymy noszą historyczną nazwę. Nie dostarczają one jednak inforamcji na temat specyfiki sziałania enzymów (np. trypsyna - enzym proteolityczny soku trzustkowego czy pepsyna - enzym proteolityczny soku żołądkowego). Naukowcy w swojej pracy używają nazw ustalonych przez Komisję Enzymatyczną, powołaną w 1964r. przez Międzynarodową Unię Biochemiczną. Komisja ta dokonała klasyfikacji enzymów na sześć klas głównych, przyjmując jako kryterium podziału rodzaj katalizowanej przez enzymy reakcji.

Szlaki metaboliczne

Przemiany metaboliczne zachodzące w komórce zwykle nie są pojedynczymi reakcjami, lecz tworzą szlaki metaboliczne. Są to ciągi następujących po sobie w określonej kolejności reakcji katalizowanych przez odpowiednie enzymy, w których produkt jednej reakcji jest substratem kolejnej reakcji.
Szlak liniowy - obejmuje ciąg reakcji przebiegających tylko w jednym kierunku, tzn. prowadzi on albo do rozkładu, albo do syntezy określonej substancji. Gdy w jednej komórce zachodzi procesy przeciwstawne, jak np. rozkład i synteza glikegonu w komótkach wątroby, przebiagają one dwoma odrębnymi szlakami metabolitycznymi. Są one zazwyczaj oddzielone przestrzennie.
Szlak cykliczny- zwany również cyklem przemian metabolicznych, następuje odtworzenie jednego ze związków chemicznych. Powstaje on jako jeden z produktów końcowych, po czym staje się substratem dla pierwszej reakcji rozpoczynającej kolejny cykl.

Regulacja przebiegu szlaków metabolicznych

Nawet najprostrza komórka bakteryjna potrafi przeprowadzać ponad 1000 zależnych od siebie reakcji metabolicznych. Dlatego system ten musi podlegac ścisłej kontroli. Obejmuje ona: regulację aktywności enzymów, aktywację proenzymów i regulację liczby enzymów.
Aktywność enzymów jest często hamowana przez powstający produkt reakcji. Taki model regulacji nazywamy ujemnym sprzężeniem zwrotnym. Pozwala on komórce nie marnować energii na wytwarzanie niepotrzenych produktów. Innym sposobem regulacji aktywności enzymów jest omówione wcześniej przyłączenie aktywatorów lub inhibitorów. Jednym z najczęściej stosowanych przez komórkę mechanizmów regulacji aktywności enzymów będących białkami jest dodawanie do niech dodatkowych grup funkcyjnych. Przykładem jest dołączenie lub odłączenie reszt fosforanowych w proccesach fosforylacji i defosforylacji enzymów.
Liczne enzymy, zwłaszcza proteolityczne, są wydzielane w postaci nieaktywnych proenzymów nazywanych również zymogenami (np. pepsynogen, trypsynogen). Zapobiega to ewentualnym uszkodzeniom narządów, w których komórkach są wytwarzane, np. żołądka. Wydzielanie nieaktywnych proenzymów pozwala na ich aktywację w miejscu, w którym są potrzebne, i w czasie gdy są potrzebne.

Mechanizm aktywacji proenzymu na przykładzie pepsyny

Regulacja liczby cząsteczek enzymów może następować na etapie ich syntezy, jak również przez degradację zbędnych lub uszkodzonych enzymów. Istnieje kilka sposobów rozpoznawania oraz degradowania takich enzymów w komórce. Przykładem jest mechanizm usuwania enzymów będących białkami, stosowany również do usuwania innych białek. Polega on na rozpoznawaniu białek przez receptory umieszczone w błonach lizosomów oraz ich rozkładzie za pomocą proteolitycznych enzymów lizosomalnych. Inny sposób nosi nazwę ubikwitynozależnej degradacji białek. Przeznaczone do zniszczenia białka zostają wówczas oznakowane przez cząsteczki ubikwityny. Jest ona białkiem o niewielkiej masie cząsteczkowej, przyłączanym kowalencyjnie do uszkodzonych lub niepotrzebnych białek komórki. Ubikwityna wskazuje w ten sposób te białka, które są przeznaczone do degradacji (z powodu tej funkcji ubikwityna bywa nazywana znakiem śmierci). Tak wyróżnione bialka są następnie rozkładane w obrębie proteasomu - ogromnego kompleksu białkowego, który zawiera eznymy proteolityczne.

Ubikwitynozależna degradacja białek