V bunke akéhokoľvek živého organizmu prebiehajú milióny chemických reakcií. Každý z nich má veľký význam, preto je dôležité udržiavať rýchlosť biologických procesov na vysokej úrovni. Takmer každá reakcia je katalyzovaná vlastným enzýmom. Čo sú enzýmy? Aká je ich úloha v klietke?
Enzýmy. Definícia
Pojem "enzým" pochádza z latinského fermentum - kvas. Môžu sa tiež nazývať enzýmy, z gréckeho en zyme, „v kvasinkách“.
Enzýmy sú biologicky aktívne látky, takže žiadna reakcia, ktorá prebieha v bunke, sa nezaobíde bez ich účasti. Tieto látky pôsobia ako katalyzátory. Každý enzým má teda dve hlavné vlastnosti:
1) Enzým urýchľuje biochemickú reakciu, ale nespotrebováva sa.
2) Hodnota rovnovážnej konštanty sa nemení, ale iba urýchľuje dosiahnutie tejto hodnoty.
Enzýmy zrýchľujú biochemické reakcie tisíckrát a v niektorých prípadoch aj miliónkrát. To znamená, že pri absencii enzymatického aparátu sa všetky intracelulárne procesy prakticky zastavia a samotná bunka zomrie. Preto je úloha enzýmov ako biologicky aktívnych látok veľká.
Rozmanitosť enzýmov vám umožňuje diverzifikovať reguláciu bunkového metabolizmu. V každej kaskáde reakcií sa zúčastňuje veľa enzýmov rôznych tried. Biologické katalyzátory sú vysoko selektívne vďaka špecifickej konformácii molekuly. Pretože enzýmy sú vo väčšine prípadov proteínovej povahy, majú terciárnu alebo kvartérnu štruktúru. To sa opäť vysvetľuje špecifickosťou molekuly.
Funkcie enzýmov v bunke
Hlavnou úlohou enzýmu je urýchliť zodpovedajúcu reakciu. Akákoľvek kaskáda procesov, od rozkladu peroxidu vodíka po glykolýzu, si vyžaduje prítomnosť biologického katalyzátora.
Správne fungovanie enzýmov sa dosahuje vysokou špecifickosťou pre konkrétny substrát. To znamená, že katalyzátor môže urýchliť iba určitú reakciu a žiadnu inú, dokonca ani veľmi podobnú. Podľa stupňa špecifickosti sa rozlišujú tieto skupiny enzýmov:
1) Enzýmy s absolútnou špecifickosťou, keď je katalyzovaná iba jedna reakcia. Napríklad kolagenáza rozkladá kolagén a m altáza rozkladá m altózu.
2) Enzýmy s relatívnou špecifickosťou. To zahŕňa látky, ktoré môžu katalyzovať určitú triedu reakcií, ako je hydrolytické štiepenie.
Práca biokatalyzátora začína od okamihu, keď je jeho aktívne centrum pripojené k substrátu. V tomto prípade sa hovorí o doplnkovej interakcii ako je zámok a kľúč. To sa týka úplnej zhody tvaru aktívneho centra so substrátom, čo umožňuje urýchliť reakciu.
Ďalším krokom je samotná reakcia. Jeho rýchlosť sa zvyšuje v dôsledku pôsobenia enzymatického komplexu. Nakoniec získame enzým, ktorý je spojený s produktmi reakcie.
Poslednou fázou je oddelenie produktov reakcie od enzýmu, po ktorom sa aktívne centrum opäť uvoľní pre ďalšiu prácu.
Schematicky možno prácu enzýmu v každom štádiu zapísať takto:
1) S + E --> SE
2) SE --> SP
3) SP --> S + P, kde S je substrát, E je enzým a P je produkt.
Klasifikácia enzýmov
V ľudskom tele nájdete obrovské množstvo enzýmov. Všetky poznatky o ich funkciách a práci boli systematizované a v dôsledku toho sa objavila jediná klasifikácia, vďaka ktorej je ľahké určiť, na čo je tento alebo ten katalyzátor určený. Tu je 6 hlavných tried enzýmov, ako aj príklady niektorých podskupín.
Oxidoreduktázy
Enzýmy tejto triedy katalyzujú redoxné reakcie. Celkovo je 17 podskupín. Oxidoreduktázy majú zvyčajne neproteínovú časť, ktorú predstavuje vitamín alebo hem.
Nasledovné podskupiny sa často nachádzajú medzi oxidoreduktázami:
a) Dehydrogenázy. Biochémia enzýmov dehydrogenázy spočíva v eliminácii atómov vodíka a ich prenose na iný substrát. Táto podskupina sa najčastejšie vyskytuje pri respiračných reakciách,fotosyntéza. Zloženie dehydrogenáz nevyhnutne obsahuje koenzým vo forme NAD / NADP alebo flavoproteínov FAD / FMN. Často sú tam ióny kovov. Príklady zahŕňajú enzýmy, ako sú cytochrómreduktázy, pyruvátdehydrogenáza, izocitrátdehydrogenáza a mnohé pečeňové enzýmy (laktátdehydrogenáza, glutamátdehydrogenáza atď.).
b) Oxidáza. Množstvo enzýmov katalyzuje pridávanie kyslíka k vodíku, výsledkom čoho môžu byť produkty reakcie voda alebo peroxid vodíka (H20, H2 0 2). Príklady enzýmov: cytochróm oxidáza, tyrozináza.
c) Peroxidázy a kataláza sú enzýmy, ktoré katalyzujú rozklad H2O2 na kyslík a vodu.
d) Oxygenázy. Tieto biokatalyzátory urýchľujú pridávanie kyslíka do substrátu. Jedným z príkladov takýchto enzýmov je dopamínhydroxyláza.
2. Transferázy.
Úlohou enzýmov tejto skupiny je prenášať radikály z donorovej látky na látku príjemcu.
a) Metyltransferáza. DNA metyltransferázy sú hlavné enzýmy, ktoré riadia proces replikácie DNA. Metylácia nukleotidov hrá dôležitú úlohu pri regulácii funkcie nukleových kyselín.
b) Acyltransferázy. Enzýmy tejto podskupiny transportujú acylovú skupinu z jednej molekuly do druhej. Príklady acyltransferáz: lecitíncholesterolacyltransferáza (prenáša funkčnú skupinu z mastnej kyseliny na cholesterol), lyzofosfatidylcholínacyltransferáza (acylová skupina sa prevádza na lyzofosfatidylcholín).
c) Aminotransferázy sú enzýmy, ktoré sa podieľajú na premene aminokyselín. Príklady enzýmov: alanínaminotransferáza, ktorá katalyzuje syntézu alanínu z pyruvátu a glutamátu prenosom aminoskupín.
d) Fosfotransferázy. Enzýmy tejto podskupiny katalyzujú adíciu fosfátovej skupiny. Iný názov pre fosfotransferázy, kinázy, je oveľa bežnejší. Príkladom sú enzýmy, ako sú hexokinázy a aspartátkinázy, ktoré pridávajú zvyšky fosforu k hexózam (najčastejšie glukóze) a kyseline asparágovej.
3. Hydrolázy sú triedou enzýmov, ktoré katalyzujú štiepenie väzieb v molekule, po ktorom nasleduje pridanie vody. Látky, ktoré patria do tejto skupiny, sú hlavnými enzýmami trávenia.
a) Esterasy – rozbíjajú éterické väzby. Príkladom sú lipázy, ktoré rozkladajú tuky.
b) Glykozidázy. Biochémia enzýmov tohto radu spočíva v deštrukcii glykozidických väzieb polymérov (polysacharidov a oligosacharidov). Príklady: amyláza, sacharáza, m altáza.
c) Peptidázy sú enzýmy, ktoré katalyzujú rozklad bielkovín na aminokyseliny. Peptidázy zahŕňajú enzýmy, ako sú pepsíny, trypsín, chymotrypsín, karboxypeptidáza.
d) Amidázy - štiepené amidové väzby. Príklady: argináza, ureáza, glutamináza atď. Mnohé amidázové enzýmy sa vyskytujú v ornitínovom cykle.
4. Lyázy sú enzýmy funkčne podobné hydrolázam, avšak pri štiepení väzieb v molekulách sa voda nespotrebováva. Enzýmy tejto triedy vždy obsahujú nebielkovinovú časť, napríklad vo forme vitamínov B1 alebo B6.
a) Dekarboxylázy. Tieto enzýmy pôsobia na väzbu C-C. Príklady súslúžia ako glutamátdekarboxyláza alebo pyruvátdekarboxyláza.
b) Hydratázy a dehydratázy sú enzýmy, ktoré katalyzujú reakciu štiepenia väzieb C-O.
c) Amidín-lyázy - ničia väzby C-N. Príklad: arginín sukcinát lyáza.
d) P-O lyáza. Takéto enzýmy spravidla odštiepia fosfátovú skupinu zo substrátu. Príklad: adenylátcykláza.
Biochémia enzýmov je založená na ich štruktúre
Schopnosti každého enzýmu sú určené jeho individuálnou, jedinečnou štruktúrou. Enzým je predovšetkým proteín a jeho štruktúra a stupeň zloženia zohrávajú rozhodujúcu úlohu pri určovaní jeho funkcie.
Každý biokatalyzátor je charakterizovaný prítomnosťou aktívneho centra, ktoré je zase rozdelené do niekoľkých nezávislých funkčných oblastí:
1) Katalytické centrum je špeciálna oblasť proteínu, cez ktorú je enzým pripojený k substrátu. V závislosti od konformácie molekuly proteínu môže mať katalytické centrum rôzne formy, ktoré musia zapadnúť do substrátu rovnakým spôsobom ako zámok na kľúč. Takáto komplexná štruktúra vysvetľuje, prečo je enzymatický proteín v terciárnom alebo kvartérnom stave.
2) Adsorpčné centrum – funguje ako „držiak“. Tu ide predovšetkým o spojenie medzi molekulou enzýmu a molekulou substrátu. Väzby vytvorené adsorpčným centrom sú však veľmi slabé, čo znamená, že katalytická reakcia je v tomto štádiu reverzibilná.
3) Allosterické centrá môžu byť umiestnené akov aktívnom mieste a na celom povrchu enzýmu ako celku. Ich funkciou je regulovať fungovanie enzýmu. Regulácia prebieha pomocou molekúl inhibítora a molekúl aktivátora.
Aktivátorové proteíny, ktoré sa viažu na molekulu enzýmu, urýchľujú jeho prácu. Inhibítory, naopak, inhibujú katalytickú aktivitu, a to môže nastať dvoma spôsobmi: buď sa molekula naviaže na alosterické miesto v oblasti aktívneho miesta enzýmu (kompetitívna inhibícia), alebo sa naviaže na inú oblasť proteínu. (nekompetitívna inhibícia). Kompetitívna inhibícia sa považuje za účinnejšiu. Tým sa totiž uzatvára miesto pre väzbu substrátu na enzým a tento proces je možný len v prípade takmer úplnej zhody tvaru molekuly inhibítora a aktívneho centra.
Enzým často pozostáva nielen z aminokyselín, ale aj z iných organických a anorganických látok. Podľa toho sa izoluje apoenzým - proteínová časť, koenzým - organická časť a kofaktor - anorganická časť. Koenzým môžu predstavovať sacharidy, tuky, nukleové kyseliny, vitamíny. Kofaktorom sú zasa najčastejšie pomocné ióny kovov. Aktivita enzýmov je určená ich štruktúrou: ďalšie látky, ktoré tvoria kompozíciu, menia katalytické vlastnosti. Rôzne typy enzýmov sú výsledkom kombinácie všetkých vyššie uvedených komplexných faktorov tvorby.
Regulácia enzýmov
Enzýmy ako biologicky aktívne látky nie sú pre telo vždy potrebné. Biochémia enzýmov je taká, že v prípade nadmernej katalýzy môžu poškodiť živú bunku. Aby sa zabránilo škodlivým účinkom enzýmov na telo, je potrebné nejako regulovať ich prácu.
T. Keďže enzýmy sú bielkovinovej povahy, pri vysokých teplotách sa ľahko ničia. Proces denaturácie je reverzibilný, ale môže výrazne ovplyvniť fungovanie látok.
pH tiež zohráva veľkú úlohu v regulácii. Najvyššia aktivita enzýmov sa spravidla pozoruje pri neutrálnych hodnotách pH (7,0-7,2). Existujú aj enzýmy, ktoré fungujú len v kyslom prostredí alebo len v zásaditom. Takže v bunkových lyzozómoch sa udržiava nízke pH, pri ktorom je aktivita hydrolytických enzýmov maximálna. Ak sa náhodou dostanú do cytoplazmy, kde je už prostredie bližšie k neutrálnemu, ich aktivita sa zníži. Takáto ochrana proti "samopožieraniu" je založená na zvláštnostiach práce hydroláz.
Za zmienku stojí význam koenzýmu a kofaktora v zložení enzýmov. Prítomnosť vitamínov alebo kovových iónov výrazne ovplyvňuje fungovanie určitých špecifických enzýmov.
Nomenklatúra enzýmov
Všetky enzýmy v tele sú zvyčajne pomenované v závislosti od ich príslušnosti k niektorej z tried, ako aj od substrátu, s ktorým reagujú. Niekedy sa podľa systematickej nomenklatúry v názve nepoužíva jeden, ale dva substráty.
Príklady názvov niektorých enzýmov:
- Pečeňové enzýmy: laktát-dehydrogenáza, glutamátdehydrogenáza.
- Úplný systematický názov enzýmu: laktát-NAD+-oxidoredukt-áza.
Existujú aj triviálne mená, ktoré nespĺňajú pravidlá názvoslovia. Príkladmi sú tráviace enzýmy: trypsín, chymotrypsín, pepsín.
Proces syntézy enzýmov
Funkcie enzýmov sú určené na genetickej úrovni. Keďže molekula je vo všeobecnosti proteín, jej syntéza presne opakuje procesy transkripcie a translácie.
Syntéza enzýmov prebieha podľa nasledujúcej schémy. Najprv sa z DNA načítajú informácie o požadovanom enzýme, v dôsledku čoho sa vytvorí mRNA. Messenger RNA kóduje všetky aminokyseliny, ktoré tvoria enzým. Regulácia enzýmov môže nastať aj na úrovni DNA: ak je produkt katalyzovanej reakcie dostatočný, transkripcia génu sa zastaví a naopak, ak je produkt potrebný, proces transkripcie sa aktivuje.
Po vstupe mRNA do cytoplazmy bunky začína ďalšia fáza - translácia. Na ribozómoch endoplazmatického retikula sa syntetizuje primárny reťazec pozostávajúci z aminokyselín spojených peptidovými väzbami. Proteínová molekula v primárnej štruktúre však ešte nemôže vykonávať svoje enzymatické funkcie.
Aktivita enzýmov závisí od štruktúry proteínu. Na tom istom ER dochádza k skrúteniu proteínov, v dôsledku čoho sa vytvárajú najprv sekundárne a potom terciárne štruktúry. Syntéza niektorých enzýmov sa zastaví už v tomto štádiu, avšak na aktiváciu katalytickej aktivity je často potrebnépridanie koenzýmu a kofaktora.
V určitých oblastiach endoplazmatického retikula sú pripojené organické zložky enzýmu: monosacharidy, nukleové kyseliny, tuky, vitamíny. Niektoré enzýmy nemôžu fungovať bez prítomnosti koenzýmu.
Kofaktor hrá kľúčovú úlohu pri tvorbe kvartérnej štruktúry proteínu. Niektoré funkcie enzýmov sú dostupné iba vtedy, keď proteín dosiahne organizáciu domény. Preto je pre nich veľmi dôležitá prítomnosť kvartérnej štruktúry, v ktorej spojovacím článkom medzi niekoľkými proteínovými globulami je kovový ión.
Viaceré formy enzýmov
Sú situácie, kedy je potrebné mať viacero enzýmov, ktoré katalyzujú rovnakú reakciu, ale v niektorých parametroch sa navzájom líšia. Napríklad enzým môže pracovať pri 20 stupňoch, ale pri 0 stupňoch už nebude schopný vykonávať svoje funkcie. Čo by mal živý organizmus robiť v takejto situácii pri nízkych teplotách okolia?
Tento problém je ľahko vyriešený prítomnosťou niekoľkých enzýmov naraz, ktoré katalyzujú rovnakú reakciu, ale fungujú za rôznych podmienok. Existujú dva typy rôznych foriem enzýmov:
- Izoenzýmy. Takéto proteíny sú kódované rôznymi génmi, pozostávajú z rôznych aminokyselín, ale katalyzujú rovnakú reakciu.
- Skutočné tvary množného čísla. Tieto proteíny sú transkribované z rovnakého génu, ale peptidy sú modifikované na ribozómoch. Výstupom je niekoľko foriem toho istého enzýmu.
BV dôsledku toho sa prvý typ viacerých foriem vytvára na genetickej úrovni, zatiaľ čo druhý typ sa vytvára na post-translačnej úrovni.
Význam enzýmov
Používanie enzýmov v medicíne sa obmedzuje na uvoľňovanie nových liekov, v ktorých sú látky už v správnom množstve. Vedci zatiaľ nenašli spôsob, ako stimulovať syntézu chýbajúcich enzýmov v tele, ale dnes sú široko dostupné lieky, ktoré môžu dočasne nahradiť ich nedostatok.
Rôzne enzýmy v bunke katalyzujú širokú škálu životne dôležitých reakcií. Jedným z týchto enizmov sú zástupcovia skupiny nukleáz: endonukleázy a exonukleázy. Ich úlohou je udržiavať konštantnú hladinu nukleových kyselín v bunke, odstraňovať poškodenú DNA a RNA.
Nezabúdajte na taký jav, akým je zrážanie krvi. Tento proces je účinným meradlom ochrany a je pod kontrolou množstva enzýmov. Hlavným je trombín, ktorý premieňa neaktívny proteín fibrinogén na aktívny fibrín. Jeho vlákna vytvárajú akúsi sieť, ktorá upcháva miesto poškodenia cievy, čím zabraňuje nadmernej strate krvi.
Enzýmy sa používajú pri výrobe vína, pivovarníctve a pri výrobe mnohých fermentovaných mliečnych výrobkov. Kvasnice sa dajú použiť na výrobu alkoholu z glukózy, ale pre úspešný priebeh tohto procesu stačí extrakt z nich.
Zaujímavé fakty, ktoré ste nevedeli
- Všetky enzýmy v tele majú obrovskú hmotnosť – od 5000 do1 000 000 Áno. Je to spôsobené prítomnosťou proteínu v molekule. Pre porovnanie: molekulová hmotnosť glukózy je 180 Da a oxidu uhličitého iba 44 Da.
- Doteraz bolo objavených viac ako 2000 enzýmov, ktoré sa našli v bunkách rôznych organizmov. Väčšina z týchto látok však ešte nie je úplne pochopená.
- Enzýmová aktivita sa používa na výrobu účinných pracích prostriedkov. Enzýmy tu plnia rovnakú úlohu ako v tele: rozkladajú organické látky a táto vlastnosť pomáha v boji proti škvrnám. Odporúča sa použiť podobný prací prášok pri teplote nie vyššej ako 50 stupňov, inak môže dôjsť k procesu denaturácie.
- Podľa štatistík trpí 20 % ľudí na celom svete nedostatkom niektorého z enzýmov.
- Vlastnosti enzýmov sú známe už veľmi dlho, no až v roku 1897 si ľudia uvedomili, že nie samotné kvasinky, ale extrakt z ich buniek možno použiť na fermentáciu cukru na alkohol.
