Ένζυμα – Λειτουργία και τύποι

Βασικές έννοιες

Σε αυτό το άρθρο, θα μάθετε για τις λειτουργίες, τη μηχανική και τους τύπους ενός από τα πιο σημαντικά βιομόρια:τα ένζυμα.

Τι είναι τα ένζυμα;

Τα ένζυμα είναι μια κατηγορία βιομορίων που είναι υπεύθυνα για την κατάλυση χημικών αντιδράσεων στα κύτταρα. Τα ένζυμα καθιστούν δυνατή τη ζωή, καθώς επιτρέπουν πολλές από τις πιο σημαντικές βιοχημικές αλλαγές στα κύτταρα. Πράγματι, χωρίς ένζυμα, κρίσιμες διεργασίες όπως η κυτταρική αναπνοή, η φωτοσύνθεση και η πρωτεϊνοσύνθεση δεν θα συνέβαιναν. Στην πραγματικότητα, η χρησιμότητα των ενζύμων επιτρέπει τη χρήση τους σε διαδικασίες σημαντικές για την έρευνα, όπως η μοριακή κλωνοποίηση και η PCR.

Η πλειοψηφία των ενζύμων είναι πρωτεΐνες. Αυτά τα ένζυμα αποτελούνται από αμινοξέα που συνδέονται μεταξύ τους με πεπτιδικούς δεσμούς, όπως όλες οι πρωτεΐνες. Όπως όλες οι πρωτεΐνες, τα ένζυμα μπορεί να μετουσιωθούν σε ακραίες συνθήκες. Ωστόσο, υπάρχουν πολλά ένζυμα που αποτελούνται από ριβονουκλεϊκά οξέα (RNA), τα οποία οι βιοχημικοί ονομάζουν «ριβοένζυμα». Είναι ενδιαφέρον ότι πολλά ένζυμα αποτελούνται κυρίως από αμινοξέα, αλλά μπορεί να έχουν πρόσθετα συνδετικά συστατικά κατασκευασμένα από μεταλλικά κατιόντα ή οργανικό υλικό που διαδραματίζουν σημαντικούς ρόλους στη λειτουργία του ενζύμου. Οι βιοχημικοί αποκαλούν τα οργανικά μη πρωτεϊνικά δομικά συστατικά "προσθετικές ομάδες".

Εκτός από τις προσθετικές ομάδες, τα ένζυμα μπορεί επίσης να απαιτούν από μόρια να συμμετέχουν σε μια αντίδραση εκτός από το κύριο αντιδραστήριο, που ονομάζεται "συνυποστρώματα". Συλλογικά, οι βιοχημικοί χρησιμοποιούν τον όρο "συμπαράγοντας" για να συμπεριλάβουν συν-υποστρώματα, προσθετικές ομάδες και μεταλλικά κατιόντα που χρησιμοποιούνται από ένζυμα.

Τα ένζυμα, ως ομάδα, έχουν εκτεταμένη δομική ποικιλομορφία και οι βιοχημικοί έχουν παρατηρήσει ένζυμα σε διάφορα σχήματα και μεγέθη. Αυτή η ποικιλομορφία αντανακλά το ευρύ φάσμα των λειτουργιών που εξυπηρετούν τα ένζυμα, λόγω του τεράστιου όγκου των χημικών αντιδράσεων που είναι απαραίτητες για τη ζωή.

Τι κάνουν τα ένζυμα;

Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, τα ένζυμα εκτελούν τη σημαντική λειτουργία της κατάλυσης της αντίδρασης. Με άλλα λόγια, τα ένζυμα διευκολύνουν τις αργές αντιδράσεις προσδιορισμού του ρυθμού, γεγονός που επιταχύνει τη συνολική αλυσίδα αντίδρασης. Ο τρόπος με τον οποίο τα ένζυμα εξυπηρετούν αυτόν τον σκοπό σχετίζεται άμεσα με τη δομή τους.

Ο ενεργός ιστότοπος

Όλα τα ένζυμα έχουν μια σημαντική δομή που ονομάζεται ενεργή θέση, στην οποία συνδέονται τα επιθυμητά αντιδραστήρια τους. Οι οργανισμοί τείνουν να δημιουργούν ένζυμα για να εκτελέσουν μια συγκεκριμένη αντίδραση, που σημαίνει ότι η ενεργή θέση ενός ενζύμου χρειάζεται μόνο να συνδεθεί με τα αντιδρώντα της αντίδρασής τους και τίποτα άλλο. Εξαιτίας αυτού, η ενεργή θέση ενός ενζύμου έχει γενικά υψηλή εξειδίκευση υποστρώματος, πράγμα που σημαίνει ότι μόνο τα αντιδραστήρια της αντίδρασής τους είναι χημικά ικανά να συνδεθούν με τη δραστική θέση. "Υπόστρωμα" είναι ο τεχνικός όρος που χρησιμοποιούν οι βιοχημικοί για να περιγράψουν τα επιθυμητά μόρια που συνδέονται με ένα ένζυμο.

Επιπλέον, δεδομένου ότι η εξειδίκευση του υποστρώματος ενός ενζύμου προέρχεται από τη χημεία της ενεργού θέσης του, το υπόστρωμα του ενζύμου πρέπει να δεσμεύεται με συγκεκριμένο προσανατολισμό. Οι χημικές ομάδες του υποστρώματος πρέπει να αλληλεπιδράσουν με αυτές της ενεργού θέσης με συγκεκριμένο τρόπο για να συνδεθούν με το ένζυμο.

Εφόσον οι ενεργές θέσεις δεσμεύουν μόνο υποστρώματα συγκεκριμένου προσανατολισμού, αυτό επιτρέπει στα ένζυμα να έχουν ειδικότητα για ορισμένα στερεοϊσομερή χειρόμορφων υποστρωμάτων.

Μόλις το υπόστρωμα γεμίσει την ενεργή θέση, η διαμόρφωση του ενζύμου ή η βιοχημική του δομή, αλλάζει. Αυτό μετατοπίζει τα υποστρώματα για να επιτρέψει εύκολα να λάβει χώρα η επιθυμητή αντίδραση.

Γενικά, οι αντιδράσεις που καταλύονται από ένζυμα περιλαμβάνουν τόσο το σπάσιμο όσο και το σχηματισμό χημικών δεσμών. Για να γίνει αυτό, η αλλαγή της διαμόρφωσης του ενζύμου τείνει να περιλαμβάνει ενζυμικές δομές που διαχωρίζουν μέρη ενός μορίου για να σπάσουν δεσμούς και να ενώνουν άλλες δομές για να σχηματίσουν δεσμούς.

Η μεταβατική κατάσταση

Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, τα ένζυμα επιταχύνουν τις αντιδράσεις κάνοντας ελιγμούς στα υποστρώματα για τη μεγαλύτερη ευκολία αντίδρασης. Οι χημικοί κατανοούν αυτό το φαινόμενο εξετάζοντας τη «μεταβατική κατάσταση» της αντίδρασης. Ωστόσο, αντί να είναι ένα απομονώσιμο μόριο, η κατάσταση μετάβασης αντιπροσωπεύει κάποιο απαραίτητο στάδιο μεταξύ προϊόντος και αντιδραστηρίου που υπάρχει μόνο για μία στιγμή.

Όλες οι αντιδράσεις έχουν μεταβατική κατάσταση και η χημεία αυτής της κατάστασης καθορίζει τον ρυθμό τους. Λόγω της βραχύβιας φύσης τους, οι μεταβατικές καταστάσεις τείνουν να έχουν πολύ υψηλότερη ενέργεια και πολύ λιγότερη σταθερότητα τόσο από τα προϊόντα όσο και από τα αντιδρώντα τους. Επομένως, ακόμα κι αν μια αντίδραση περιλαμβάνει την καθαρή απελευθέρωση ενέργειας από τα αντιδρώντα σε προϊόντα, τα αντιδρώντα πρέπει να απορροφήσουν λίγη ενέργεια για να ξεκινήσει η αντίδραση. Οι χημικοί γενικά το απεικονίζουν χρησιμοποιώντας ένα ενεργειακό διάγραμμα, όπου τα αντιδρώντα πρέπει να σκαρφαλώσουν σε έναν λόφο ενέργειας για να φτάσουν στη μεταβατική κατάσταση, πριν μειώσουν την ενέργεια για να σχηματίσουν τα προϊόντα.

Εδώ μπαίνουν τα ένζυμα. Η δομή της ενεργού θέσης ενός ενζύμου έχει σχεδιαστεί ειδικά για να σταθεροποιεί τη μεταβατική κατάσταση. Συχνά, το ένζυμο το κάνει αυτό θωρακίζοντας τις πιο αντιδραστικές και ασταθείς ομάδες με συμπληρωματικές ομάδες στην ενεργό θέση.

Σταθεροποιώντας τη μεταβατική κατάσταση, το ένζυμο μειώνει τη συνολική του ενέργεια. Αυτό στη συνέχεια μειώνει το ενεργειακό φράγμα της αντίδρασης, επιτρέποντάς της να προχωρήσει με ταχύτερους ρυθμούς. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, αυτή η κατάλυση επιτρέπει σε σημαντικές βιοχημικές αντιδράσεις να συμβούν με αρκετά γρήγορο ρυθμό ώστε να υπάρχει ζωή. Η προσέγγιση της σταθερής κατάστασης ισχύει για τις περισσότερες αντιδράσεις που καταλύονται από ένζυμα.

Ποια είναι μερικά παραδείγματα ενζύμων;

Τα ένζυμα αντιπροσωπεύουν μια διαφορετική ομάδα πρωτεϊνών, λόγω της μεγάλης ποικιλίας βιοχημικών αντιδράσεων που καταλύουν στους οργανισμούς. Οι βιοχημικοί χρησιμοποιούν το επίθημα «-ase» για να δηλώσουν ένζυμα. Πολλά από τα πιο σημαντικά ένζυμα εμπίπτουν σε μία από αυτές τις έξι ευρείες ομάδες:

• Μεταφορές , που καταλύουν αντιδράσεις που περιλαμβάνουν τη μεταφορά μιας χημικής ομάδας μεταξύ μορίων.
  • Παραδείγματα:Ακετυλοτρανσφεράση, Μεθυλοτρανσφεράση, Πεπτιδυλοτρανσφεράση.

• Υδρολάσες , που καταλύουν αντιδράσεις υδρόλυσης, διασπώντας μεγάλα μόρια πολυμερούς χρησιμοποιώντας νερό.
  • Παραδείγματα:Αμυλάση, Λιπάση, Πρωτεάση.

• Οξειδορεδουκτάσες , που καταλύουν αντιδράσεις οξειδοαναγωγής.
  • Παραδείγματα:Καταλάση, Οξειδάση NADPH

• Λυάσες , που καταλύουν αντιδράσεις αποβολής που σχηματίζουν διπλούς δεσμούς άνθρακα-άνθρακα.
  • Παραδείγματα:Αλδολάση, Δεαλογονάση

• Λιγάσες , τα οποία καταλύουν αντιδράσεις σχηματισμού δεσμού χρησιμοποιώντας ATP.
  • Παραδείγματα:DNA Ligase, Aminoacyl tRNA Synthetase, Ubiquitin Ligase

• Ισομεράσες , που καταλύουν αντιδράσεις που μετατρέπουν μόρια σε διαφορετικά ισομερή.
  • Παραδείγματα:Ρακεμάση, Ισομεράση.