Ενζυμικοί Συμπαράγοντες
Βασικές έννοιες
Σε αυτό το άρθρο, διερευνούμε τη μηχανική και δίνουμε σημασία στις τρεις κύριες ομάδες ενζυμικών συμπαραγόντων:μεταλλικά ιόντα, συνυποστρώματα και προσθετικές ομάδες.
Ενζυμική Κατάλυση με Συμπαράγοντες
Είναι δύσκολο να υπερεκτιμηθεί η σημασία των ενζύμων στα βιολογικά συστήματα. Σχεδόν όλες οι λειτουργίες που εκτελούνται από ένα κύτταρο, συμπεριλαμβανομένης της πρωτεϊνοσύνθεσης, της αντιγραφής του DNA και του μεταβολισμού, εξαρτώνται από χημικές αντιδράσεις που καταλύονται από ένζυμα. Χωρίς ένζυμα, αυτές οι διεργασίες δεν θα μπορούσαν να συμβούν γρήγορα ούτε αρκετά ακριβείς για να υπάρξει ζωή. Λόγω της μεγάλης ποικιλίας λειτουργιών που εξυπηρετούν τα ένζυμα, τα κύτταρα απαιτούν μεγάλη ποικιλία ενζυματικής δομής και λειτουργικότητας.
Για να αυξηθεί η λειτουργικότητα της συστοιχίας ενζύμων ενός κυττάρου, πολλά μονοπάτια που καταλύονται από ένζυμα εξαρτώνται από την παρουσία μη πρωτεϊνικών συστατικών. Οι βιοχημικοί αποκαλούν αυτά τα συστατικά «συμπαράγοντες», οι οποίοι περιλαμβάνουν μεταλλικά ιόντα καθώς και «συνένζυμα», τα οποία αναφέρονται σε συν-υποστρώματα και προσθετικές ομάδες. Κάθε τύπος συμπαράγοντα βοηθά στη χημική τροποποίηση μιας αντίδρασης και τείνουν να διαδραματίζουν αναντικατάστατο ρόλο στις περισσότερες περιπτώσεις. Για αντιδράσεις που εξαρτώνται από συμπαράγοντες, τα ένζυμα μπορούν να μετατραπούν σε ανενεργό «αποένζυμο» χωρίς την παρουσία του συμπαράγοντά τους. Μόλις έρθουν σε επαφή με τον συμπαράγοντά τους, αυτά τα ενζυμικά σύμπλοκα γίνονται πλήρως ενεργά «ολοένζυμα».
Συμπαράγοντες ενζύμων:Ιόντα μετάλλων
Πολλά ένζυμα απαιτούν μεταλλικά ιόντα στην ενεργό τους θέση για να καταλύσουν την αντίστοιχη χημική τους αντίδραση. Αυτά τα μεταλλικά ιόντα συχνά βοηθούν στη σταθεροποίηση ασταθών φορτισμένων ομάδων ή συμμετέχουν σε αντιδράσεις οξειδοαναγωγής. Δεδομένου ότι αυτά τα μέταλλα εξυπηρετούν τόσο σημαντικές χρήσεις στην κατάλυση των ενζύμων, ορισμένες ιχνοποσότητες αυτών των μετάλλων αποτελούν ένα κρίσιμο μέρος της δίαιτας πολλών οργανισμών. Επιπλέον, ορισμένα άλλα μέταλλα μπορεί να έχουν τοξικές επιδράσεις λόγω της ενζυμικής τους δράσης. Αξιοσημείωτα παραδείγματα περιλαμβάνουν το Cd και το Hg, τα οποία μπορούν να αντικαταστήσουν τον Zn σε ένζυμα που εξαρτώνται από αυτό το κατιόν. Ωστόσο, το Cd και το Hg δεν έχουν την ίδια καταλυτική δράση, με αποτέλεσμα δυσλειτουργικά ένζυμα και αρνητικές επιπτώσεις στην υγεία οποιουδήποτε οργανισμού προσλαμβάνει αυτά τα ιόντα.
Ίσως το πιο σημαντικό παράδειγμα μιας σχέσης ενζύμου-μετάλλου περιλαμβάνει αυτό της πολυμεράσης DNA και του Mg. Συγκεκριμένα, η DNA πολυμεράση καταλύει το σχηματισμό φωσφοδιεστερικών δεσμών μεταξύ νουκλεοτιδίων DNA, καθώς και δεσμών υδρογόνου ζευγών βάσεων μεταξύ των κλώνων. Για να γίνει αυτό αποτελεσματικά, το ένζυμο πρέπει να σταθεροποιήσει τα εξαιρετικά αρνητικά φορτισμένα φωσφορικά άλατα που σχηματίζουν τη ραχοκοκαλιά των κλώνων του DNA. Τα κατιόντα μαγνησίου σταθεροποιούν αυτές τις ομάδες με το αντίθετο φορτίο τους, επιτρέποντας τη σύνθεση DNA χωρίς δομικές βλάβες ή στρεβλώσεις στους κλώνους.
Συμπαράγοντες ενζύμων:Συνυποστρώματα
Εκτός από τα μεταλλικά ιόντα, τα ένζυμα μπορεί επίσης να εξαρτώνται από κάποιο οργανικό μόριο για να βοηθήσουν στην κατάλυση μιας αντίδρασης μεταξύ των υποστρωμάτων τους. Οι βιοχημικοί χρησιμοποιούν τον όρο «συνένζυμο» για να περιγράψουν αυτά τα οργανικά μόρια. Ένα συγκεκριμένο είδος συνενζύμου που ονομάζεται «συνυπόστρωμα» δεν είναι χημικά συνδεδεμένο με το ένζυμο, αλλά μάλλον επιπλέει παροδικά στο περιβάλλον του ενζύμου. Επιπλέον, σε αντίθεση με άλλους τύπους συμπαραγόντων, τα συν-υποστρώματα συνδέονται με την ενεργό θέση του ενζύμου και συμμετέχουν στην αντίδραση παράλληλα με το υπόστρωμα. Η ενζυμική κατάλυση καταλήγει να «καταναλώνει» το συνυπόστρωμα. Αυτό σημαίνει ότι το συν-υπόστρωμα τροποποιείται χημικά και πρέπει να συμμετάσχει σε κάποια άλλη αντίδραση για να το αναγεννήσει για να συμμετάσχει σε περαιτέρω αντιδράσεις.
Δινουκλεοτίδιο αδενίνης νικοτιναμίδης (NADH) και δινουκλεοτίδιο αδενίνης φλαβίνης (FADH2 ) χρησιμεύουν ως μερικά από τα πιο σημαντικά συν-υποστρώματα στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς, λόγω της συμμετοχής τους στην κυτταρική αναπνοή. Συγκεκριμένα, στη γλυκόλυση και τον κύκλο του κιτρικού οξέος, οι οξειδωμένες μορφές τους (NAD και FAD) μειώνονται από ένζυμα καθώς τροποποιούν χημικά τη γλυκόζη. Στη συνέχεια, κατά τη διάρκεια της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων, τα ανηγμένα συνυποστρώματα (NADH και FADH2 ) οξειδώνονται. Είναι σημαντικό ότι αυτό ενεργοποιεί τη σύνθεση του ATP μέσω οξειδωτικής φωσφορυλίωσης. Φυσικά, αυτές οι πρόσφατα οξειδωμένες μορφές μπορούν στη συνέχεια να επαναληφθούν για να τροφοδοτήσουν περαιτέρω την κυτταρική αναπνοή. NADH και FADH2 είναι καλά παραδείγματα συνυποστρωμάτων όπου τόσο η ενεργοποίηση όσο και η αδρανοποίησή τους εξυπηρετούν κάποιο σκοπό στην ενζυμική οδό τους.
Συμπαράγοντες ενζύμων:Προσθετικές Ομάδες
Υπάρχουν επίσης συνένζυμα που συνδέονται απευθείας με το ένζυμο, αντί να υπάρχουν ελεύθερα. Οι βιοχημικοί αποκαλούν αυτά τα συνένζυμα «προσθετικές ομάδες» και τείνουν να έχουν ισχυρούς ομοιοπολικούς δεσμούς με την πρωτεΐνη του ενζύμου. Όπως τα συν-υποστρώματα, οι προσθετικές ομάδες απαιτούν αναγέννηση για να γίνουν καταλυτικά ενεργές. Σε αντίθεση με τα συν-υποστρώματα, ωστόσο, αυτή η αναγέννηση λαμβάνει χώρα καθ' όλη τη διάρκεια της ενζυμικής τους αντίδρασης, αντί να απαιτεί μια δευτερεύουσα αντίδραση που περιλαμβάνει διαφορετικό ένζυμο.
Ένα παράδειγμα σημαντικής προσθετικής είναι η ομάδα αίμης που σχετίζεται με πολλά διαφορετικά ένζυμα. Συγκεκριμένα, η ομάδα αίμης περιλαμβάνει ένα ιόν Fe ενσωματωμένο σε μια οργανική δομή. Η ομάδα βοηθά στην κατάλυση σημαντικών οξειδοαναγωγικών αντιδράσεων, και έτσι τείνει να συσχετίζεται με οξειδορεδουκτάσες. Επιπλέον, οι ομάδες αίμης εξυπηρετούν σκοπούς σε μη ενζυμικές πρωτεΐνες, όπως η αιμοσφαιρίνη, όπου οι ομάδες αίμης συνδέονται με το οξυγόνο για μεταφορά.
