Biochemie enzymů. Struktura, vlastnosti a funkce

V buňce každého živého organismu dochází k milionům chemických reakcí. Každý z nich má velký význam, proto je důležité udržovat rychlost biologických procesů na vysoké úrovni. Téměř každá reakce je katalyzována enzymem. Co jsou enzymy? Jaká je jejich role v buňce?

Enzymy. Definice

Termín "enzym" pochází z latinského fermentu - kvasu. Mohou být také nazývány enzymy z řeckého en zyme - "v kvasnicích".

Enzymy jsou biologicky aktivní látky, takže žádná reakce, která se děje v buňce, se bez jejich účasti neuskuteční. Tyto látky působí jako katalyzátory. V souladu s tím má každý enzym dvě základní vlastnosti:

1) Enzym zrychluje biochemickou reakci, ale není spotřebován.

2) Velikost rovnovážné konstanty se nemění, ale zrychlení této hodnoty se zrychluje.

Enzymy urychlují biochemické reakce v tisících a v některých případech v milionech. To znamená, že v nepřítomnosti enzymatického aparátu se všechny intracelulární procesy prakticky zastaví a samotná buňka zemře. Proto je úloha enzymů jako biologicky aktivních látek velká.

Různé enzymy umožňují různé způsoby regulace metabolismu buňky. V každé kaskádě reakcí se účastní mnoho enzymů různých tříd. Biologické katalyzátory Vzhledem ke specifické konformaci molekuly jsou vysoce selektivní. Protože enzymy jsou ve většině případů proteinové povahy, jsou v terciární nebo kvartérní struktuře. To je vysvětleno opět specifičností molekuly.

Funkce enzymů v buňce

Hlavním úkolem enzymu je zrychlení odpovídající reakce. Každá kaskáda procesů od rozkladu peroxidu vodíku k glykolýze vyžaduje přítomnost biologického katalyzátoru.

Správná práce enzymů se dosahuje vysokou specifičností k určitému substrátu. Znamená to, že katalyzátor může urychlit pouze určitou reakci a už ne, dokonce ani velmi podobnou. Podle stupně specificity se rozlišují následující skupiny enzymů:

1) Enzymy s absolutní specifičností, když je katalyzována pouze jedna reakce. Například kolagenasa štěpí kolagen a maltasa rozděluje maltózu.

2) Enzymy s relativní specifičností. Patří sem látky, které mohou katalyzovat určitou třídu reakcí, například hydrolytické štěpení.

Práce biokatalyzátoru začíná okamžikem připojení aktivního centra k substrátu. Současně mluví o doplňkové interakci jako zámek a klíč. Zde máme na mysli úplnou shodu tvaru aktivního centra se substrátem, což umožňuje zrychlit reakci.

Další etapa spočívá v průběhu samotné reakce. Jeho rychlost se zvyšuje kvůli působení enzymatického komplexu. Nakonec získáme enzym, který je spojen s produkty reakce.

Posledním stupněm je oddělení reakčních produktů od enzymu, po kterém se aktivní centrum opět uvolní pro další práci.

Schematicky může být práce enzymu v každé fázi napsána následovně:

1) S + E -> SE

2) SE -> SP

3) SP -> S + P, kde S je substrát, E je enzym a P je produkt.

Klasifikace enzymů

V lidském těle najdete obrovské množství enzymů. Všechny poznatky o jejich funkcí a práce byly systematizované, a v důsledku toho došlo ke společné klasifikaci, s jehož pomocí můžete snadno určit, co je zvláštní katalyzátor. Zde je 6 základních tříd enzymů, stejně jako příklady některých podskupin.

1. Oxidoreduktáza.

Enzymy této třídy katalyzují oxidační-redukční reakce. Celkem bylo identifikováno 17 podskupin. Oxidoreduktázy mají obvykle neproteinovou část, reprezentovanou vitaminem nebo hemem.

Mezi oxidoreduktasy jsou často tyto podskupiny:

a) dehydrogenázy. Biochemie enzymů dehydrogenázy spočívá v rozdělení atomů vodíku a jejich přenesení na jiný substrát. Tato podskupina se nejčastěji vyskytuje v reakcích na dýchání, fotosyntézu. Dehydrogenázy nutně obsahují koenzym ve formě NAD / NADP nebo flavoproteinů FAD / FMN. Často jsou kovové ionty. Příklady zahrnují enzymy jako tsitohromreduktazy, pyruvát dehydrogenáza isocitrátdehydrogenáza, a také mnoho jaterních enzymů (laktátdehydrogenázy, glutamát dehydrogenázy, a tak dále. D.).

b) Oxidáza. Řada enzymů katalyzuje přidání kyslíku k vodíku, v důsledku čeho mohou být reakčními produkty voda nebo peroxid vodíku (H₂0, H₂0₂). Příklady enzymů: cytochrom oxidasa, tyrosinasa.

c) Peroxidázy a katalázy - enzymy katalyzující rozklad H₂O₂ na kyslík a vodu.

d) Oxygenázy. Tyto biokatalyzátory urychlují připojení kyslíku na substrát. Dopaminhydroxyláza je jedním příkladem takových enzymů.

2. Transfery.

Úkolem enzymů této skupiny je přenos radikálů z donorové látky na příjemce.

a) Methyltransferázy. DNA-methyltransferasy jsou hlavními enzymy, které řídí replikační proces DNA. Methylace nukleotid hraje důležitou roli při regulaci nukleové kyseliny.

b) Acyltransferázy. Enzymy této podskupiny transportují acylovou skupinu z jedné molekuly do druhé. Příklady acyltransferázy: lecitin-cholesterol acyltransferáza (nese funkční skupinu, s mastnou kyselinou o cholesterolu), lizofosfatidilholinatsiltransferaza (acylová skupina se převádí na lysofosfatidylcholin).

c) Aminotransferázy jsou enzymy, které se podílejí na konverzi aminokyselin. Příklady enzymů: alaninaminotransferáza, která katalyzuje syntézu alaninu z pyruvátu a glutamátu pomocí aminového přenosu.

d) fosfotransferáza. Enzymy této podskupiny katalyzují přidání fosfátové skupiny. Další název pro fosfotransferázy, kinázy, je mnohem častější. Příklady zahrnují enzymy jako hexokinas a aspartátu, které jsou připojeny ke zbytkům hexózy fosfát (hlavně glukózy), a kyselinu asparagovou, v tomto pořadí.

3. Hydrolázy - skupina enzymů, které katalyzují štěpení vazeb v molekule s následným přidáním vody. Látky patřící do této skupiny jsou základní enzymy trávení.

a) Esterases - rozdělit éterické vazby. Příkladem jsou lipázy, které rozkládají tuky.

b) glykosidasy. Biochemie enzymů této řady spočívá v destrukci glykosidických vazeb polymerů (polysacharidů a oligosacharidů). Příklady: amyláza, sacharóza, maltáza.

c) Peptidázy - enzymy, které katalyzují rozpad bílkovin na aminokyseliny. Peptidázy zahrnují enzymy, jako jsou pepsiny, trypsin, chymotrypsin a karboxypeptidáza.

d) amidázy - štěpení amidových vazeb. Příklady: arginasa, ureáza, glutaminasa atd. V mnoha případech se vyskytuje mnoho enzymů amidázy ornitinový cyklus.

4. Lysy jsou enzymy, které fungují podobně jako hydrolázy, nicméně při rozštěpení vazeb v molekulách není voda vyčerpána. Enzymy této třídy mají vždy neproteinovou část, například ve formě vitamínů B1 nebo B6.

a) dekarboxyláza. Tyto enzymy působí na vazbu C-C. Příklady jsou glutamát dekarboxyláza nebo pyruvát dekarboxyláza.

b) Hydratázy a dehydratázy jsou enzymy, které katalyzují reakci štěpení vazeb C-O.

c) Amidin-lyáza - zničit vazbu C-N. Příklad: argininsukcinát-lyáza.

d) P-O-lyáza. Takové enzymy zpravidla štěpí fosfátovou skupinu ze substrátové látky. Příklad: adenylátcykláza.

Biochemie enzymů je založena na jejich struktuře

Schopnosti každého enzymu jsou určeny jednotlivcem, pouze jeho vlastní strukturou. Každý enzym je především protein a jeho struktura a stupeň skládání hraje rozhodující roli při určování jeho funkce.

Každý biokatalyzátor je charakterizován přítomností aktivního centra, které se dále dělí na několik nezávislých funkčních oblastí:

1) Katalytické centrum je speciální oblastí proteinu, kterým je enzym připojen k substrátu. V závislosti na konformaci molekuly proteinu může katalytické centrum mít různorodou formu, která musí odpovídat substrátu stejným způsobem jako zámek klíče. Taková složitá struktura vysvětluje proč fermentačního proteinu je v terciárním nebo kvartérním stavu.

2) Adsorpční centrum - slouží jako "držák". Zde je nejprve spojení mezi molekulou enzymu a molekulou substrátu. Avšak vazby, které tvoří adsorpční centrum, jsou velmi slabé, a proto je katalytická reakce v této fázi reverzibilní.

3) Všechny alosterická centra mohou být umístěna jak v aktivním centru, tak v celém povrchu enzymu jako celku. Jejich funkcí je regulace enzymu. Regulace probíhá pomocí molekul inhibitoru a molekul aktivátoru.

Aktivátorové proteiny, které se váží na molekulu enzymu, urychlují jeho práci. Inhibitory, naopak, inhibují katalytickou aktivitu, a to může dojít dvěma způsoby: buď se molekula váže na alosterické středové oblasti aktivního centra enzymu (kompetitivní inhibice), nebo je připojen k jiné oblasti proteinu (nekompetitivní inhibice). Konkurenční inhibice je považována za účinnější. Poté, co takto uzavřeného prostoru pro substrát vazba na enzym, a tento proces je možné pouze v případě, že prakticky úplné koincidence molekuly inhibitoru a tvoří aktivní centrum.

Enzym často sestává nejen z aminokyselin, ale také z jiných organických a anorganických látek. Proto je izolován apoenzym - proteinová část, koenzym je organická část a kofaktor je anorganická část. Koenzym mohou být reprezentovány vředy, tuky, nukleové kyseliny, vitamíny. Na druhou stranu je kofaktor nejčastěji pomocnými kovovými ionty. Aktivita enzymů je určena jeho strukturou: další látky ve složení mění katalytické vlastnosti. Různé typy enzymů jsou výsledkem kombinace všech výše uvedených faktorů tvorby komplexu.

Regulace enzymů

Enzymy jako biologicky aktivní látky nejsou vždy nezbytné pro tělo. Biochemie enzymů je taková, že mohou v případě nadměrné katalýzy poškodit živou buňku. Aby se zabránilo škodlivému účinku enzymů na tělo, je nutné nějak regulovat jejich práci.

Vzhledem k tomu, že enzymy mají podobu bílkovin, snadno se při vysokých teplotách rozpadají. Proces denaturace je reverzibilní, ale může významně ovlivnit práci s látkami.

pH také hraje velkou roli v regulaci. Nejvyšší aktivita enzymů je zpravidla pozorována při neutrálních hodnotách pH (7,0-7,2). Také existují enzymy, které pracují pouze v kyselém prostředí nebo pouze v alkalickém prostředí. Tudíž nízké pH je udržováno v buněčných lysosomech, při kterých je aktivita hydrolytických enzymů maximální. V případě jejich náhodného vstupu do cytoplazmy, kde je médium blíže neutrálnímu, bude jejich činnost snížit. Tato ochrana proti "vlastnímu stravování" je založena na vlastnostech hydroláz.

Za zmínku stojí význam koenzýmu a kofaktoru v složení enzymů. Přítomnost vitamínů nebo kovových iontů významně ovlivňuje funkci některých specifických enzymů.

Nomenklatura enzymů

Všechny enzymy těla jsou volány v závislosti na jejich příslušnosti ke kterékoli třídě a také na substrátu, s nímž reagují. Někdy dál systematická nomenklatura použití v názvu není jeden, ale dva substráty.

Příklady názvů některých enzymů:

1. Enzymy jater: laktát-dehydrogenasa, glutamát-dehydrogenasa.
2. Úplným systematickým názvem enzymu je laktát-NAD + -hydroxydoreduktáza.

Zachované a triviální názvy, které nedodržují pravidla nomenklatury. Příklady jsou trávicí enzymy: trypsin, chymotrypsin, pepsin.

Proces syntézy enzymů

Funkce enzymů jsou určovány na genetické úrovni. Vzhledem k tomu, že molekula je převážně bílkovina, pak její syntéza přesně opakuje proces transkripce a translace.

Syntéza enzymů probíhá podle následujícího schématu. Nejprve se informace o požadovaném enzymu čte z DNA, což vede k tvorbě mRNA. RNA matice kóduje všechny aminokyseliny, které tvoří enzym. Regulace enzymů může dojít také na úrovni DNA, v případě, že produkt reakce katalyzované dostatek genové transkripce zastaví a naopak, v případě, že je zapotřebí v produktu, aktivuje proces transkripce.

Po uvolnění mRNA do cytoplazmy buňky začíná další fáze - překlad. V endoplazmatickém retikulu ribozomy syntetizovaných primární řetězec skládající se z aminokyselin spojených peptidovými vazbami. Nicméně molekula proteinu v primární struktuře ještě nesplňuje své enzymatické funkce.

Aktivita enzymů závisí na struktuře bílkovin. Na stejném EPS je protein zkroucený, což vede ke vzniku sekundární a pak terciární struktury. Syntéza některých enzymů se zastaví v této fázi, ale pro zvýšení aktivity katalyzátoru je často nutné připojení a kofaktor koenzym.

V určitých oblastech endoplazmatického retikula dodává připevněný organické složky enzymu: cukry, nukleové kyseliny, tuky a vitamíny. Některé enzymy nemohou fungovat bez přítomnosti koenzymu.

Kofaktor hraje rozhodující roli ve vzdělávání kvarterní strukturu proteinu. Některé funkce enzymů jsou dostupné pouze tehdy, když protein dosáhne organizace domény. Proto je pro ně velmi důležitá přítomnost kvartérní struktury, ve které kovový iont je spojovací vazbou mezi několika globulemi proteinu.

Více forem enzymů

Existují situace, kdy je nutné mít několik enzymů, které katalyzují stejnou reakci, ale v některých parametrech se navzájem liší. Například enzym může pracovat při 20 stupních, ale při teplotě 0 stupňů již nemůže vykonávat své funkce. Co by měl život živý organismus dělat v podobné situaci při nízkých okolních teplotách?

Tento problém lze snadno vyřešit přítomností několika enzymů katalyzujících stejnou reakci, avšak pracujících za různých podmínek. Existují dva typy více forem enzymů:

1. Isozymes. Tyto proteiny jsou kódovány různými geny, skládají se z různých aminokyselin, ale katalyzují stejnou reakci.
2. Pravé vícenásobné formuláře. Tyto proteiny jsou transkribovány ze stejného genu, nicméně na ribozómech se modifikují peptidy. Na výstupu se získá několik forem stejného enzymu.

Výsledkem je, že první typ vícečetných forem je tvořen na genetické úrovni, když druhý typ je posttranslační.

Význam enzymů

Použití enzymů v medicíně je omezeno na výrobu nových léků, ve kterých jsou látky již v správném množství. Vědci dosud nenalezli způsob, jak stimulovat syntézu chybějících enzymů v těle, ale dnes jsou široce používány drogy, které mohou dočasně naplnit svůj nedostatek.

Různé enzymy v buňce katalyzují velké množství reakcí spojených se zachováním životně důležité aktivity. Jedním z takových ennómů jsou zástupci nukleázové skupiny: endonukleázy a exonukleázy. Jejich úkolem je udržovat konstantní hladinu nukleových kyselin v buňce, odstranit poškozenou DNA a RNA.

Nezapomeňte na fenomén srážení krve. Jako účinná míra ochrany je tento proces řízen množstvím enzymů. Hlavní je trombin, který přenáší inaktivní proteinový fibrinogen na aktivní fibrin. Jeho vlákna vytvářejí určitý druh sítě, která zanáší místo poškození plavidla, čímž se zabrání nadměrné ztrátě krve.

Enzymy se používají při vinařství, pivovarnictví, získávání mnoha fermentovaných mléčných výrobků. Kvasinky mohou být použity k produkci alkoholu z glukózy, nicméně výtažek z nich postačuje pro úspěšný průběh tohoto procesu.

Zajímavé skutečnosti, o kterých jste nevěděli

- Všechny enzymy těla mají obrovskou hmotnost - od 5000 do 1 000 000 Da. To je způsobeno přítomností bílkovin v molekule. Pro srovnání molekulová hmotnost glukózy je 180 Da, a molekulová hmotnost oxidu uhličitého je pouze 44 Da.

- K dnešnímu dni bylo objeveno více než 2000 enzymů, které byly nalezeny v buňkách různých organismů. Většina těchto látek však ještě není zcela pochopena.

- Aktivita enzymů se používá k získání účinných detergentních prášků. Zde enzymy plní stejnou roli jako v těle: zničí organické látky a tato vlastnost pomáhá v boji proti skvrnám. Doporučuje se použít podobný prací prostředek při teplotě nejvýše 50 stupňů, jinak by mohlo dojít k denaturaci.

- Podle statistik trpí 20% lidí na celém světě nedostatkem některého z enzymů.

- O vlastnostech enzymů známých po dlouhou dobu, ale teprve v roce 1897, si lidé uvědomili, že ne kvasinky, a výpis z jejich buněk může být použit pro fermentaci cukru na alkohol.