Untitled Notes

4.2. Budowa i działanie enzymów

Ważne w tym temacie

Cechy charakterystyczne budowy enzymu
Swoistość substratowa enzymu
Mechanizm katalizy enzymatycznej
Szlaki i cykle metaboliczne

Reakcje chemiczne w organizmach

W komórkach oraz płynach ustrojowych organizmów zachodzi równocześnie tysiące reakcji chemicznych. W trakcie tych reakcji, określone substraty przekształcają się w określone produkty. Prawidłowe funkcjonowanie organizmu wymaga, aby reakcje te zachodziły szybko i w odpowiedniej kolejności. Jest to możliwe dzięki udziałowi katalizatorów, czyli substancji przyspieszających przebieg reakcji chemicznych. Biologiczne katalizatory noszą nazwę enzymów, a zjawisko przyspieszania reakcji chemicznych przez enzymy określa się mianem katalizy enzymatycznej.

Budowa enzymów

Chemiczna struktura enzymów

Pod względem chemicznym, enzymy są białkami. Niektóre z nich, takie jak pepsyna, trypsyna i chymotrypsyna, są zbudowane wyłącznie z aminokwasów i należą do białek prostych. Zdecydowana większość enzymów to białka złożone, które dodatkowo zawierają kofaktory.

Rodzaje kofaktorów

Kofaktory mogą być:

Metale: np. Zn²⁺, Mg²⁺
Koenzymy: drobnocząsteczkowe związki organiczne, do których należą witaminy (np. biotyna) lub pochodne witamin (np. FAD).
Koenzymy mogą być związane z apoenzymem nietrwale lub trwale. Te koenzymy, które są trwale związane z apoenzymem, określa się mianem grup prostetycznych. Apoenzym połączony z kofaktorem nosi nazwę holoenzymu.

Centrum aktywne enzymu

Każdy enzym ma niepowtarzalną strukturę przestrzenną i zawiera centrum aktywne (miejsce aktywne) w postaci zagłębienia (kieszeni). W centrum aktywnym zachodzi:

Wiązanie substratu
Przekształcenie substratu w produkt
W przypadku holoenzymów centrum aktywne zawiera również kofaktor. Aktywność katalityczną wykazuje tylko kompletny holoenzym.
Centrum aktywne ma zwykle postać trójwymiarowego zagłębienia, w którym znajdują się łańcuchy boczne aminokwasów zawierających grupy funkcyjne uczestniczące w wytwarzaniu między enzymem a substratem. Oddziaływania te tworzą się tylko na czas reakcji, co umożliwia powstanie produktu.
Przykładowo, centrum aktywne chymotrypsyny (enzymu przewodu pokarmowego, który katalizuje rozkład białek) zawiera łańcuchy boczne kwasu asparaginowego (Asp), histydyny (His) oraz seryny (Ser). W strukturze II-rzędowej chymotrypsyny aminokwasy te są od siebie oddalone, jednak w trakcie tworzenia się struktury III-rzędowej zbliżają się do siebie i tworzą trójwymiarowe centrum aktywne, które jest dopasowane przestrzennie do substratu.

Nazewnictwo i klasyfikacja enzymów

Tworzenie nazw enzymów

Nazwy enzymów tworzy się zwykle przez dodanie końcówki „-aza” do:

Nazw odpowiednich substratów, np. maltaza to enzym katalizujący rozkład maltozy.
Nazw katalizowanych reakcji, np. syntaza ATP to enzym katalizujący syntezę ATP.
Niektóre enzymy, takie jak pepsyna czy trypsyna, mają nazwy historyczne wywodzące się z języka łacińskiego lub greckiego.

Klasyfikacja enzymów według typu katalizowanej reakcji

Klasa	Nazwa	Typ katalizowanej reakcji
1	Oksydoreduktazy	Katalizują reakcje utlenienia-redukcji, czyli reakcje przebiegające z wymianą elektronów między dwoma substratami (e.g., $(XH<em>2 + Y o YH</em>2 + X)$ ).
2	Transferazy	Katalizują reakcje przeniesienia grup chemicznych z substratu (dawcy) na substrat (biorcę) (e.g., $(XR + Y o X + YR)$ ).
3	Hydrolazy	Katalizują reakcje rozkładu związków chemicznych z udziałem wody (e.g., $(XY + H_2O o XH + YOH)$ ).
4	Liazy	Katalizują reakcje dodania atomu lub grupy atomów do wiązania podwójnego lub reakcje usunięcia atomu lub grupy atomów z wytworzeniem wiązania podwójnego (e.g., $(X = Y o X + Y)$ ).
5	Izomerazy	Katalizują wzajemne przekształcenia izomerów (e.g., $(XY o YX)$ ).
6	Ligazy	Katalizują reakcje syntezy, sprzężone zwykle z reakcją rozkładu ATP (e.g., $(X + Y + ATP + H<em>2O o XY + ADP + P</em>i)$ ).
7	Translokazy	Katalizują przenoszenie jonów lub cząsteczek związków chemicznych przez błony biologiczne z udziałem energii.

Właściwości enzymów

Wszystkie enzymy wykazują kilka wspólnych właściwości, m.in.:

Przyspieszają przebieg reakcji chemicznych.
Katalizują reakcje samorzutne.
Nie zużywają się w trakcie reakcji chemicznych.
Wykazują swoistość względem typu katalizowanej reakcji.
Wykazują swoistość substratową.

Przyspieszanie przebiegu reakcji chemicznych

Szybkość reakcji chemicznej (v), w tym reakcji enzymatycznej, to szybkość, z jaką substrat przekształca się w produkt. Mierzy się ją ubytkiem ilości substratu lub przyrostem ilości produktu w czasie trwania reakcji.

Enzymy przyspieszają przebieg reakcji chemicznych przez obniżenie energii aktywacji, czyli energii niezbędnej do zapoczątkowania reakcji chemicznej. Energia aktywacji jest zużywana przez substraty do wytworzenia przejściowego kompleksu aktywnego, który poprzedza powstanie produktów. Energia aktywacji decyduje o szybkości reakcji chemicznej: im jest ona niższa, tym szybciej zachodzi reakcja.
Enzymy obniżają energię aktywacji na różne sposoby:

Zwiększają prawdopodobieństwo zderzeń między cząsteczkami, co ma miejsce np. w efekcie zagęszczenia cząsteczek substratu na powierzchni enzymu.
Ukierunkowują cząsteczki względem siebie, tak aby ich grupy funkcyjne znalazły się jak najbliżej i mogły wytworzyć wiązanie.
Wpływają na zmianę struktury przestrzennej substratu, co ułatwia rozrywanie wiązań.
Tworzą optymalne środowisko reakcji, np. hydrofobowe dla reakcji, w których uczestniczy woda.

Kataliza reakcji samorzutnych

Enzymy przyspieszają jedynie reakcje samorzutne, do których należą reakcje egzoenergetyczne. W organizmach zachodzą liczne reakcje endoenergetyczne, jednak enzymy mogą przyspieszać reakcje wymuszone pod warunkiem, że jednocześnie katalizują reakcję samorzutną, np. rozkład ATP do ADP i P. Energia uwolniona podczas reakcje samorzutnej zostaje wykorzystana do przeprowadzenia reakcji wymuszonej.

Brak zużycia enzymów w reakcjach chemicznych

Enzymy nie zużywają się w trakcie reakcji chemicznych, co oznacza, że po zakończeniu reakcji liczba aktywnych cząsteczek enzymu i ich struktura chemiczna pozostają takie same jak przed rozpoczęciem reakcji. Dzięki temu każda cząsteczka enzymu może być wykorzystywana wielokrotnie.

Swoistość enzymów

Swoistość względem typu katalizowanej reakcji

Swoistość względem typu katalizowanej reakcji polega na tym, że określony enzym katalizuje tylko jeden typ reakcji. Na przykład pirogronian jest substratem kilku różnych reakcji, ale każdą z nich katalizuje inny enzym.

Swoistość substratowa enzymów

Swoistość substratowa (swoistość enzymu względem substratu) wynika ze struktury przestrzennej centrum aktywnego. Centrum aktywne każdego enzymu jest zbudowane w odmienny sposób, co powoduje, że dany enzym może łączyć się tylko z jednym substratem lub niewielką grupą substratów o zbliżonej budowie. Przykładem enzymu o dużej swoistości substratowej jest anhydraza węglanowa, która katalizuje wyłącznie syntezę lub rozkład kwasu węglowego.
Niektóre enzymy, zwłaszcza trawienne, wykazują stosunkowo niewielką swoistość substratową. Trypsyna i chymotrypsyna, enzymy proteolityczne działające w jelicie cienkim, rozkładają wiązania peptydowe w cząsteczkach różnych białek pokarmowych. Różnice w składzie aminokwasowym centrum aktywnego czynią to w innych miejscach łańcucha polipeptydowego.
Trypsyna rozkłada wiązania peptydowe utworzone przez grupę -COOH lizyny (Lys) lub argininy (Arg), podczas gdy chymotrypsyna rozkłada wiązania peptydowe utworzone przez grupę -COOH fenyloalaniny (Phe).