Enzymy i ich udział w reakcjach chemicznych

ENZYMY I ICH UDZIAŁ
W REAKCJACH CHEMICZNYCH

Enzymy, fermenty, jest to grupa białek działających w komórkach i płynach ustrojowych żywych organizmów jako biokatalizatory reakcji biosyntezy i rozkładu; ostatnio odkryto, że niezależnie od białek aktywność biokatalityczną wykazują również cząsteczki kwasów rybonukleinowych.
W komórce enzymy występują pojedynczo lub tworzą układy wieloenzymatyczne (np. układ oksydazy pirogronianowej) katalizujące szereg następujących po sobie reakcji. Każda tkanka ma nieco inny zestaw enzymów. Wiele enzymów jest syntetyzowanych w formie nieczynnej, która jest aktywowana w miarę zapotrzebowania.
Nieczynna postać enzymów to proenzymy. Ich centra aktywne są zablokowane przez enzymatyczne inhibitory ,najczęściej białkowe lub polipeptydowe. Usunięcie blokującej substancji przez odpowiednie enzymatyczne aktywatory uczynnia proenzymy. Jako przykład można podać zachodzące pod wpływem enterokinazy (aktywator) odłączenie peptydów od pepsynogenu co daje aktywny enzym pepsynę.

Enzymy mogą być zbudowane z samego białka (np. trypsyna, ureaza, rybonukleaza), jednak w większości składają się z części białkowej ( apoenzym) i niebiałkowej (małocząsteczkowe związki nieorganiczne, atomy metali, pochodne witamin) tzw. grup prostetycznych i koenzymów.
Niebiałkowe części enzymu pełnią w reakcjach enzymatycznych funkcję przenośników elektronów, określonych atomów lub ugrupowań chem. z jednego metabolitu na drugi.
Część białkowa jest czynna tylko w połączeniu ze składnikiem niebiałkowym – koenzymem i decyduje o swoistości enzymu, a często i o rodzaju reakcji, np. dekarboksylację i transaminację aminokwasów katalizują enzymy o różnych apoenzymach i tych samych koenzymach.
Nazwą grupy prostetyczne określa się różnorodne niebiałkowe związki chem. (sacharydy, żelazoporfiryny) i atomy metali luźno związane w cząsteczkach białek oraz koenzymy.
Same koenzymy wykazują duże pokrewieństwo z witaminami, a często są ich pochodnymi.

Koenzymy spełniają rolę przenośników elektronów, atomów lub grup chemicznych. Biorą one udział w 2 kolejnych reakcjach enzymatycznych: w pierwszej pobierają z jednego substratu grupę chemiczną, w drugiej oddają ją drugiemu substratowi, odtwarzając się w pierwotnej postaci, po czym proces się powtarza; połączenie koenzymów z przenoszoną grupą chemiczną odznacza się dużą reaktywnością. Dzięki cykliczności procesu przenoszenia koenzymy mogą występować w żywej komórce w ilościach równoważnych ilościom enzymów, choć reagują z substratami stechiometrycznie. Trwałość połączenia apoenzymu w koenzymami jest różna; jeśli koenzym łatwo dysocjuje, reakcje przenoszenia grup chemicznych na koenzymy i z koenzymów katalizuje układ złożony z 2 enzymów o wspólnym koenzymie; jeśli koenzym jest związany z enzymem trwale, enzym ten katalizuje kolejno obie reakcje.
Połączenie koenzymu i apoenzymu określa się mianem holoenzymu.

Enzymy katalizują reakcje termodynamicznie możliwe, zmniejszając jedynie energię aktywacji cząsteczek substratu, czyli energię niezbędną do przebiegu reakcji; przyspieszają dzięki temu osiągnięcie stanu równowagi reakcji (dla powiększenia rysunku kliknij na nim myszą - dotyczy to wszystkich ilustracji).

W czasie katalizy enzymatycznej cząsteczka substratu jest wiązana w określonym obszarze cząsteczki enzymu w tzw. centrum aktywnym, w którym w enzymach złożonych znajduje się grupa prostetyczna; tworzy się wówczas kompleks enzym–substrat. Dzięki swoistemu układowi grup chemicznych w centrum, enzym oddziałuje na grupy chemiczne substratu rozluźniając określone wiązanie chemiczne. Po powstaniu produktów reakcji cząsteczka enzymu uwalnia się z kompleksu i po powrocie do formy pierwotnej (w enzymach złożonych po przyłączeniu przenoszonych grup do innego związku) tworzy nowy kompleks z następną cząsteczką substratu itd.
Wyróżniamy dwa typy mechanizmów łączenia się enzymu z substratem:

-model klucza i zamka – gdzie enzym, tzn. jego miejsce aktywne, musi być dopasowany swoim kształtem do substratu by móc przekształcić go w produkt. Teoria ta jednak ma już tylko znaczenie historyczne

- model indukowanego dopasowania -mechanizm opierający się na dopasowaniu kształtu enzymu do substratu lub odpowiedniej grupy substratów i przekształceniu ich w produkty. Poza tym enzym może zniekształcić substrat wymuszając w nim konformację podobną do stanu przejściowego. Przykładem może być związanie glukozy z heksokinazą.

Szybkość procesu enzymatycznego zależy od łatwości tworzenia kompleksu enzymu z substratem (powinowactwo enzymu do substratu). Zależność tę przedstawia równanie matematyczne L. Michaelisa i M.L. Menten, zawierające tzw. stałą Michaelisa charakterystyczną dla danego enzymu.
Stała Michaelisa K_m to wielkość liczbowa, określająca stężenie substratu (w molach na litr roztworu), przy którym szybkość reakcji enzymatycznej jest równa połowie szybkości maksymalnej, osiąganej przy wysyceniu enzymu substratem i niezależnej już od dalszego wzrostu jego stężenia.
Model Michaelisa – Menten opiera się na następującej koncepcji katalizy enzymatycznej:

K_m dla poszczególnych substratów danego enzymu mają różne wartości; prawdopodobnie w żywych komórkach stężenie danego substratu jest bliskie jego wartości K_m (10^–3 – 10^–7), gdyż wówczas szybkość reakcji jest wprost proporcjonalna do stężenia substratu, co ułatwia utrzymanie stałej, właściwej dla komórki wartości tego stężenia.

Szybkość reakcji zależy nie tylko od stężenia enzymu i substratu, lecz także od:

- temperatury (optimum działania enzymu zwykle mieści się w granicach 30–40°C),
- stężenia jonów wodorowych (optymalne pH reakcji jest różne dla różnych enzymów, np. dla pepsyny wynosi 1, dla arginazy — 10)
- obecności enzymatycznych aktywatorów i enzymatycznych inhibitorów.

Istnieje wiele typów cząsteczek , które są zdolne do zakłócania aktywności danego enzymu. Każda cząsteczka działająca bezpośrednio na enzym w kierunku zmniejszenia jego aktywności katalitycznej jest określana jako inhibitor.
Pewne inhibitory enzymów są normalnymi metabolitami komórkowymi, które hamują dany enzym w ramach naturalnej metabolicznej kontroli odpowiedniego szlaku. Inne inhibitory mogą być substancjami obcymi dla organizmu, takimi jak toksyny i leki, i w tym przypadku hamowanie enzymu może mieć działanie terapeutyczne , ale również letalne.
Rozróżnia się dwa główne typu inhibicji :
- nieodwracalną
- odwracalną
Inhibicję odwracalną można podzielić na:

1) kompetycyjną
2) niekompetycyjną

Inhibicja nieodwrcalna polega na wiązaniu się inhibitora i enzymu w sposób trwały , nieodwracalny, często tworząc wiązania kowalencyjne z resztami aminokwasów, znajdującymi się w miejscu aktywnym lub jego pobliżu i w ten sposób inaktywują enzym na stałe. W wiązaniu tym biorą udział reszty Ser i Cys mające , odpowiednio, reaktywne grupy -OH i -SH .
Przykładem może być związek diizopropylofluorofosforan ( DIPF) , składnik gazów bojowych (soman) działający na układ nerwowy, reaguje z resztą Ser w miejscu aktywnym enzymu esterazy acetylocholinowej, nieodwracalnie hamując enzym i uniemożliwiając przekazywanie impulsów nerwowych.

Inhibitor kompetycyjny jest zazwyczaj strukturalnie podobny do normalnego substratu danego enzymu. Dzięki temu współzawodniczy z cząsteczkami o wiązanie się z miejscem aktywnym. Enzym może się wiązać albo z cząsteczkę substratu, albo cząsteczkę inhibitora, ale nie z obiema jednocześnie. Inhibitor kompetycyjny wiąże się z miejscem aktywnym odwracalnie.
Przy dużych stężeniach substratu działanie inhibitora kompetucyjnego zostaje przezwyciężone , ponieważ duże stężenie substratu będzie z powodzeniem współzawodniczyć z cząsteczką inhibitora o wiązanie się w miejscu aktywnym. Nie nastąpi więc żadna zmiana w wartości V_max enzymu , ale w obecności inhibitora kompetycyjnego zmniejsza się powinowactwo enzymu do jego substratu i dlatego wratośc K_m wzrasta.
Przykładem hamowania kompetycyjnego może być dehydrogenaza bursztynianowa.
Enzum ten używa bursztyniany jako substratu i jest hamowany kompetycyjnie przez malonian, który różni się od bursztynianu posiadniem tylko jednej, a nie dwóch grup metylenowych.

Inhibitor niekompetycyjny wiąże się odwracalnie w innym miejscu enzymu niż jego miejsce aktywne i powoduje zmianę przestrzennego kształtu enzymu, co prowadzi do zmniejszenia aktywności katalitycznej. Ponieważ inhibitor wiąże się w innym miejscu niż substrat, enzym może wiązać albo inhibitor, albo substrat równocześnie.
Efektu inhibitora niekompetycyjnego nie można przezwyciężyć przez zwiększanie stężenia substratu i dlatego zmniejsza się wartość V_max . W inhibicji niekompetycyjnej powinowactwo enzymu do substratu pozostaje nie zmienione, a więc wartość K_m nie zmienia się .
Przykładem inhibicji niekompetycyjnej jest działanie pepstatyny na enzym reninę .

Pomiar szybkości reakcji, czyli ilości przekształconego substratu lub wytworzonego produktu w jednostce czasu, jest podstawą oznaczania enzymatycznej aktywności.
Międzynarodowa jednostka enzymu (U) jest to taka ilość enzymu, która katalizuje przekształcenie 1 mikromola substratu w ciągu 1 min w temp. 30°C przy nasyceniu enzymu substratem i przy optymalnym pH dla jego aktywności.

Oprócz enzymów z jednym centrum aktywnym mamy także enzymy allosteryczne. Są to związki mające więcej niż jedno miejsce aktywne, które to miejsca kooperatywnie wiążą cząsteczki substratu, dzięki czemu związanie substratu w jednym miejscu aktywnym indukuje w enzymie zmianę konformacyjną, zmieniającą powinowactwo do substratu w innych miejscach aktywnych. Ten typ enzymów może występować w formie białka złożonego z wielu podjednostek, z których każda ma miejsce aktywne. Poza tym enzymy allosteryczne mogą być kontrolowane przez cząsteczki efektorowe (aktywatory i inhibitory), które wiążą się do innych miejsc niż miejsca aktywne i zmieniają szybkość aktywności enzymatycznej.

Enzymy wykazują rozmaitą swoistość katalitycznego oddziaływania na substraty. Niektóre reagują tylko z jednym związkiem, inne są mniej swoiste i działają na określoną grupę związków; swoistość enzymu zależy od budowy substratu, który musi zawierać wiązanie ulegające atakowi danego enzymu oraz grupę funkcyjną (lub grupy funkcyjne) umożliwiającą odpowiednie połączenie się enzymu z substratem i zapoczątkowanie katalizowanej reakcji.
Enzymy wykazują także swoistość przestrzenną: działają tylko na jeden z możliwych stereoizomerów i syntetyzują asymetrycznie (np. tylko L-aminokwasy czy tylko b-glikozydy).

Podstawą klasyfikacji enzymów, wprowadzonej 1961 przez Komitet Enzymowy Międzynarodowej Unii Biochemicznej, jest rodzaj katalizowanej reakcji. Poszczególne klasy obejmują enzymy katalizujące następujące reakcje:

1) oksydo-redukcji ( oksydoreduktazy)
2) przenoszenia różnych grup chemicznych ( transferazy)
3) hydrolizy ( hydrolazy)
4) niehydrolitycznego odszczepiania różnych grup chemicznych ( liazy)
5) izomeryzacji, czyli wewnątrzcząsteczkowego przegrupowania ( izomerazy)
6) powstania różnych wiązań kosztem wysokoenergetycznego wiązania nukleozydotrifosforanów, np. ATP, GTP (ligazy, czyli syntetazy)

Wszystkie nazwy systematyczne i większość potocznych nazw enzymów mają końcówkę -aza (amylaza, peptydaza, transferaza itd.).
Enzymy są wykorzystywane w przemyśle do prowadzenia różnego rodzaju fermentacji, w lecznictwie służą jako leki (pepsyna, streptokinaza)

Oznaczanie różnych enzymów w tkankach i płynach fizjologicznych odgrywa rolę w diagnostyce lekarskiej. Brak lub niedobór pewnych enzymów lub zmiana ich aktywności w wyniku zmiany ich budowy jest powodem wielu schorzeń (np. albinizm, fenyloketonuria, galaktozemia, methemo-globi-nemia).

Literatura:

AUTHOR Stryer, Lubert (1938- ).
TITLE "Biochemia" / Lubert Stryer ; przekł. zbior. pod red. Jacka Augustyniaka i Jana Michejdy z 4 wyd. amer. ;
[zespół tł. Halina Augustyniak et al.].
EDITION Wyd. nowe.
PUBLICATION Warszawa : Wydaw. Naukowe PWN, 1997.
MATERIAL XXXIV, 1132 s. : il. ; 29 cm.
NOTE "Wybór piśmiennictwa" przy rozdz.
ADDED ENTRY Augustyniak, Jacek (1932-2000). Red.
ADDED ENTRY Michejda, Jan ( -1999). Red.
ADDED ENTRY Augustyniak, Halina. Tł.
ISBN 83-01-12044-4
SUBJECT Biochemia -- podręczniki akademickie.

AUTHOR Kafarski, Paweł.
TITLE "Chemia bioorganiczna" / Paweł Kafarski, Barbara Lejczak.
PUBLICATION Warszawa : Wydaw. Naukowe PWN, 1994.
MATERIAL 540, [2] s. ; 25 cm.
ADDED ENTRY Lejczak, Barbara (1948- ).
ISBN 83-01-11247-6
SUBJECT Chemia bioorganiczna -- podręczniki akademickie.

TITLE Enzymy : nomenklatura i klasyfikacja : zalecenia Międzynarodowej Unii Biochemicznej z roku 1964 dotyczące nomenklatury i klasyfikacji enzymów wraz z ich jednostkami i symbolami kinetyki enzymatycznej / tł. z ang. pod red. Tadeusza Korzybskiego.
PUBLICATION Warszawa : Państ. Wydaw. Naukowe, 1967.
MATERIAL 220 s. ; 29 cm.
NOTE Komisja Redaktorów Czasopism Biochemicznych Międzynarodowej Unii Biochemicznej na posiedzeniu odbytym w Rzymie w roku 1964 przedyskutowała i zatwierdziła te zalecenia.
NOTE Polska Akademia Nauk. Komitet Biochemiczny i Biofizyczny.
ADDED ENTRY Korzybski, Tadeusz (1906-2002). Tł.

A.E. Humphrey, N.F. Millis, S. Aiba, "Inżynieria biochemiczna"
A.C. Ville, E.P. Solomon, "Biologia"

Urszula Ochnik - studentka III roku Wydziału Chemii UW w roku akad. 2002/2003

Powrót