Κέντρο ενεργοποίησης

Τα ένζυμα θεωρούνται βιολογικά μόρια που δρουν ως καταλύτες για να επιταχύνουν διάφορες διαδικασίες. Είναι πηγές πρωτεΐνης που σχηματίζονται από αλυσίδες αμινοξέων σε διάφορους συνδυασμούς. Τα ένζυμα είναι εξαιρετικά ειδικά ως προς την αντιδραστικότητα. Υπάρχουν πολλά ένζυμα στο ανθρώπινο σώμα που καταλύουν διάφορες μεταβολικές αντιδράσεις που συμβαίνουν μέσα στο σώμα. Τα ένζυμα λειτουργούν στις ήπιες συνθήκες θερμοκρασίας, pH και πίεσης των κυττάρων. Είναι εξαιρετικά αποτελεσματικά και συγκεκριμένα.

Τα ένζυμα ταξινομούνται στους ακόλουθους έξι τύπους με βάση τον τύπο της αντίδρασης που καταλύουν:

1. Οξειδορεδουκτάσες
2. Μεταγραφές
3. Υδρολάσες
4. Λυάσες
5. Λιγάσες
6. Ισομεράσες

Τι είναι τα ένζυμα;

Τα ένζυμα είναι συνήθως σφαιρικές πρωτεΐνες που είναι τρισδιάστατες και παράγονται από ριβοσώματα και RNA (Ribo Nucleic Acids) του κυττάρου. Όλα τα ένζυμα έχουν συγκεκριμένα κέντρα ενεργοποίησης στην επιφάνειά τους, τα οποία λειτουργούν για ένα συγκεκριμένο υπόστρωμα. Το υπόστρωμα είναι το αντιδρών είδος μιας αντίδρασης που αλλάζει για να σχηματίσει προϊόντα. Κάθε υπόστρωμα και προϊόν έχει μια συγκεκριμένη ενέργεια. Μερικοί μπορεί να έχουν χαμηλή ενέργεια και άλλοι μπορεί να έχουν υψηλή ενέργεια. Τα σωματίδια που αντιδρούν πρέπει να διασχίσουν το ενεργειακό φράγμα που ονομάζεται ενέργεια ενεργοποίησης για να μετατραπεί το υπόστρωμα σε προϊόντα. Αυτή η ενέργεια ενεργοποίησης για όλα τα μόρια του υποστρώματος μπορεί να μην είναι ίση και οδηγεί σε λιγότερα προϊόντα και χρειάζεται σχετικά περισσότερο χρόνο για να ολοκληρωθεί.

Για να αυξηθεί ο ρυθμός μετατροπής του υποστρώματος σε προϊόντα, χρησιμοποιείται ένας μικρός αριθμός ενζύμων που είναι κατάλληλα για τη συγκεκριμένη αντίδραση. Αυτό ενισχύει την ταχύτητα της αντίδρασης μειώνοντας την ενέργεια ενεργοποίησης για την αντίδραση.

Παράδειγμα 1:Το σάλιο στο στόμα παράγει ένζυμα σάλιου για να ενισχύσει την πέψη της τροφής στο στόμα.

Παράδειγμα 2:Σχηματισμός Αμμωνίας

N₂ + 3H₂ → 2NH₃

Αυτή η αντίδραση χρειάζεται σχετικά μεγάλο χρόνο για να ολοκληρωθεί, επομένως για να επιταχυνθεί η διαδικασία, χρησιμοποιείται ένας καταλύτης μετάλλου σιδήρου (Fe). Στην ίδια αντίδραση, το μολυβδαίνιο χρησιμοποιείται ως προαγωγέας.

Κέντρα ενεργοποίησης ενζύμων

Τα ένζυμα έχουν κέντρο ενεργοποίησης συγκεκριμένων σχημάτων καθώς έχουν τριτοταγείς δομές. Μια μικρή αλλαγή στο μέγεθος ή το σχήμα του κέντρου ενεργοποίησης μπορεί να αλλάξει τη δραστηριότητα των ενζύμων. Τα κέντρα ενεργοποίησης των ενζύμων μπορούν περαιτέρω να ταξινομηθούν στη θέση δέσμευσης και στην καταλυτική θέση.

Δεσμευτικός ιστότοπος :Αυτός ο ιστότοπος επιλέγει το υπόστρωμα και το συνδέει στο κέντρο ενεργοποίησης.

Καταλυτικός ιστότοπος :Αυτή η τοποθεσία εκτελεί την καταλυτική λειτουργία ενός ενζύμου.

Οι συμπαράγοντες είναι τα μη πρωτεϊνικά μόρια που εκτελούν ή καταλύουν αντιδράσεις που δεν πραγματοποιούνται από τα 20 αμινοξέα που υπάρχουν στο σώμα μας. Οι συμπαράγοντες μπορεί να είναι οργανικοί ή ανόργανοι.

Οι συμπαράγοντες συνδέονται με την πρωτεΐνη και την καθιστούν ενεργή, ενώ οι πρωτεΐνες χωρίς πρωτεΐνη συμπαράγοντα είναι ανενεργές.

Τα ένζυμα μπορεί να είναι ενδοκυτταρικά και εξωκυτταρικά. Τα ενδοκυτταρικά ένζυμα είναι αυτά που παράγονται στο σώμα και διατηρούνται για τη λειτουργία του κυττάρου. Τα εξωκυτταρικά ένζυμα είναι εκείνα που παράγονται στο κύτταρο και αποστέλλονται έξω από το κύτταρο για να λειτουργήσουν εξωτερικά.

Σύμπλοκο ενζύμου-υποστρώματος

Όταν ένα ένζυμο (Ε) συνδέεται με το υπόστρωμά του (S), σχηματίζεται ένα σύμπλοκο ενζύμου-υποστρώματος (ES). Αυτό το σύμπλεγμα ενζύμου-υποστρώματος (ES) τροποποιεί την ενέργεια ενεργοποίησης της αντίδρασης μειώνοντάς την. Λόγω της μείωσης της ενέργειας ενεργοποίησης, το σύμπλεγμα ES προάγει τον γρήγορο σχηματισμό προϊόντων.

Ένα ένζυμο καθιστά τα υποστρώματα διαθέσιμα σε βέλτιστο προσανατολισμό. αυξάνοντας έτσι τον ρυθμό των χημικών αντιδράσεων.

Το κέντρο ενεργοποίησης ή ο καταλυτικός ιστότοπος:

1. Το κέντρο ενεργοποίησης (θέση) ή η καταλυτική θέση είναι η συγκεκριμένη θέση που υπάρχει στο ένζυμο όπου συνδέεται το υπόστρωμα.
2. Η δομή του ενζύμου και του υποστρώματος είναι συμπληρωματικά μεταξύ τους για να ταιριάζουν αμοιβαία. Αυτή η αμοιβαία προσαρμογή του ενζύμου και του υποστρώματος ονομάζεται επαγόμενη προσαρμογή.
3. Γενικά, το κέντρο ενεργοποίησης είναι μια αυλάκωση του ενζύμου που μπορεί να υπάρχει σε μια βαθιά σήραγγα μέσα στο ένζυμο.
4. Στην πρωτογενή δομή της πρωτεΐνης (που υπάρχει στο ένζυμο), ένα υπόλειμμα αμινοξέος (που υπάρχει στο κέντρο ενεργοποίησης) μπορεί να είναι πολύ μακριά. Μετά την αναδίπλωση, σχηματίζει μια τριτοταγή δομή και αυτά τα υπολείμματα αμινοξέων έρχονται πιο κοντά το ένα στο άλλο.
5. Μετά τη σύνδεση, το υπόστρωμα με το κέντρο ενεργοποίησης υφίσταται αλλαγές διαμόρφωσης.
6. Η σύνδεση του υποστρώματος στο κέντρο ενεργοποίησης είναι πολύ συγκεκριμένη. Τα αμινοξέα που υπάρχουν στο κέντρο ενεργοποίησης είναι εξαιρετικά διατηρημένα και δεν μπορούν να χωρέσουν στα άλλα είδη.
7. Η λειτουργική ομάδα του ενζύμου είναι η θέση του κέντρου ενεργοποίησης όπου το υπόστρωμα μπορεί να συνδεθεί και να σχηματίσει τη μεταβατική κατάσταση.
8. Τα μόρια με παρόμοια δομή με τη μεταβατική κατάσταση είναι πολύ αποτελεσματικοί αναστολείς ενζύμων.
9. Το κέντρο ενεργοποίησης ενός ενζύμου μπορεί να λειτουργήσει κάτω από ένα ιδανικό περιβάλλον όπως μια λιγότερο όξινη ή μη πολική κατάσταση.
10. Ο ρυθμός αντίδρασης μπορεί να αυξηθεί μετά την αύξηση της θερμοκρασίας, αλλά πολύ μεγάλες αλλαγές στη θερμοκρασία και το pH μπορούν να μετουσιώσουν ένα ένζυμο και δεν μπορεί να καταλύσει την αντίδραση.
11. Οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για την ανάλυση των κέντρων ενεργοποίησης είναι:

• Ετικέτες συγγένειας
• Ανάλυση περίθλασης ακτίνων Χ
• Μεταλλαξιγένεση κατευθυνόμενη από ιστότοπο

12. Το ένζυμο επανέρχεται στην αρχική του μορφή μετά την ολοκλήρωση της αντίδρασης. Ως εκ τούτου, τα ένζυμα δεν αλλάζουν μετά τις αντιδράσεις.
13. Μετά την ολοκλήρωση της αντίδρασης, ένα ένζυμο απελευθερώνει τα προϊόντα του (υποστρώματα).

Ενεργοποίηση από συμπαράγοντες:

Τα περισσότερα από τα ένζυμα ενεργοποιούνται από συμπαράγοντες.

Παράδειγμα 1:Η πολυμεράση DNA, η οποία είναι ένα ολοένζυμο, χρησιμοποιεί ιόν μαγνησίου ως συμπαράγοντα.

Παράδειγμα 2:Η αφυδρογονάση του ήπατος αλόγου χρησιμοποιεί ιόν ψευδαργύρου ως συμπαράγοντα.

Τα ένζυμα δρουν με πολύ συγκεκριμένο τρόπο. Έχουν διαφορετικούς βαθμούς ειδικότητας ως προς:

• Ειδικότητα σύνδεσης
• Ειδικότητα ομάδας
• Απόλυτη ειδικότητα
• Οπτική ή στερεοειδικότητα
• Διπλή ειδικότητα

Λειτουργία των ενζύμων:  

Οι αντιδράσεις που καταλύονται από ένζυμα συμβαίνουν σε δύο στάδια.

1. Ένα ένζυμο (Ε) και το υπόστρωμα (S) έρχονται κοντά το ένα στο άλλο μετά από σύγκρουση για να σχηματίσουν μια ενδιάμεση ένωση γνωστή ως σύμπλοκο ενζύμου-υποστρώματος (E-S).

2. Το ένζυμο καταλύει το σχηματισμό του προϊόντος (P) μετά το σχηματισμό του συμπλόκου E-S, το οποίο απελευθερώνεται από την επιφάνεια του ενζύμου:

S + E → E–SE–S → P + E

Μοντέλο Induced Fit : 

Σύμφωνα με αυτό το μοντέλο, μετά τη σύνδεση, τόσο το ένζυμο όσο και το υπόστρωμα υφίστανται δυναμικές διαμορφωτικές αλλαγές. Το ένζυμο αυξάνει τον ρυθμό της αντίδρασης περιστρέφοντας το υπόστρωμα στη μεταβατική του κατάσταση.

Συμπέρασμα

Τα ένζυμα έχουν συγκεκριμένες θέσεις που ονομάζονται ενεργές θέσεις ή καταλυτικές θέσεις ή κέντρα ενεργοποίησης. Τα κέντρα ενεργοποίησης είναι τα σημεία ή οι περιοχές των ενζύμων όπου το υπόστρωμα προσκολλάται στο ένζυμο. Όταν ενεργοποιούνται από ορισμένες ουσίες, τα ένζυμα ενεργοποιούνται και παρουσιάζουν πλήρη αποτελεσματικότητα κατά τη διάρκεια μιας χημικής αντίδρασης που σχηματίζει τα προϊόντα. Το κέντρο ενεργοποίησης ενός ενζύμου μπορεί να λειτουργήσει κάτω από ένα ιδανικό περιβάλλον όπως μια λιγότερο όξινη ή μη πολική κατάσταση.