Милиони химични реакции протичат в клетката на всеки жив организъм. Всеки от тях е от голямо значение, така че е важно да се поддържа скоростта на биологичните процеси на високо ниво. Почти всяка реакция се катализира от собствен ензим. Какво представляват ензимите? Каква е тяхната роля в клетката?
Ензими. Определение
Терминът "ензим" идва от латинското fermentum - закваска. Те могат също да се наричат ензими, от гръцки en zyme, "в дрожди".
Ензимите са биологично активни вещества, така че всяка реакция, която протича в клетката, не може да мине без тяхното участие. Тези вещества действат като катализатори. Съответно всеки ензим има две основни свойства:
1) Ензимът ускорява биохимичната реакция, но не се консумира.
2) Стойността на равновесната константа не се променя, а само ускорява постигането на тази стойност.
Ензимите ускоряват биохимичните реакции с хиляди, а в някои случаи и милион пъти. Това означава, че при липса на ензимен апарат всички вътреклетъчни процеси на практика ще спрат и самата клетка ще умре. Следователно ролята на ензимите като биологично активни вещества е голяма.
Разнообразието от ензими ви позволява да разнообразите регулирането на клетъчния метаболизъм. Във всяка каскада от реакции участват много ензими от различни класове. Биологичните катализатори са силно селективни поради специфичната конформация на молекулата. Тъй като ензимите в повечето случаи са от протеинова природа, те са в третична или четвъртична структура. Това отново се обяснява със спецификата на молекулата.
Функции на ензимите в клетката
Основната задача на ензима е да ускори съответната реакция. Всяка каскада от процеси, от разлагането на водороден пероксид до гликолиза, изисква наличието на биологичен катализатор.
Правилното функциониране на ензимите се постига чрез висока специфичност за конкретен субстрат. Това означава, че катализаторът може да ускори само определена реакция и никаква друга, дори много подобна. Според степента на специфичност се разграничават следните групи ензими:
1) Ензими с абсолютна специфичност, когато се катализира само една единствена реакция. Например, колагеназата разгражда колагена, а малтазата разгражда малтозата.
2) Ензими с относителна специфичност. Това включва вещества, които могат да катализират определен клас реакции, като хидролитично разцепване.
Работата на биокатализатор започва от момента, в който активният му център е прикрепен към субстрата. В този случай се говори за допълващо взаимодействие като ключалка и ключ. Това се отнася до пълното съвпадение на формата на активния център със субстрата, което прави възможно ускоряването на реакцията.
Следващата стъпка е самата реакция. Скоростта му се увеличава поради действието на ензимния комплекс. В крайна сметка получаваме ензим, който е свързан с продуктите на реакцията.
Последният етап е отделянето на реакционните продукти от ензима, след което активният център отново става свободен за следващата работа.
Схематично работата на ензима на всеки етап може да се запише по следния начин:
1) S + E --> SE
2) SE --> SP
3) SP --> S + P, където S е субстратът, E е ензимът, а P е продуктът.
Класификация на ензимите
В човешкото тяло можете да намерите огромно количество ензими. Всички знания за техните функции и работа бяха систематизирани и в резултат на това се появи единна класификация, благодарение на която е лесно да се определи за какво е предназначен този или онзи катализатор. Ето 6-те основни класа ензими, както и примери за някои от подгрупите.
Оксидоредуктази
Ензимите от този клас катализират редокс реакции. Има общо 17 подгрупи. Оксидоредуктазите обикновено имат непротеинова част, представена от витамин или хем.
Следните подгрупи често се срещат сред оксидоредуктазите:
a) Дехидрогенази. Биохимията на ензимите дехидрогеназа се състои в елиминирането на водородните атоми и прехвърлянето им към друг субстрат. Тази подгрупа най-често се среща при респираторни реакции,фотосинтеза. Съставът на дехидрогеназите задължително съдържа коензим под формата на NAD/NADP или флавопротеини FAD/FMN. Често има метални йони. Примерите включват ензими като цитохром редуктази, пируват дехидрогеназа, изоцитрат дехидрогеназа и много чернодробни ензими (лактат дехидрогеназа, глутамат дехидрогеназа и др.).
b) Оксидаза. Редица ензими катализират добавянето на кислород към водорода, в резултат на което реакционните продукти могат да бъдат вода или водороден прекис (H20, H2 0 2). Примери за ензими: цитохром оксидаза, тирозиназа.
c) Пероксидазите и каталазата са ензими, които катализират разграждането на H2O2 в кислород и вода.
d) Оксигенази. Тези биокатализатори ускоряват добавянето на кислород към субстрата. Допамин хидроксилазата е един пример за такива ензими.
2. Трансферази.
Задачата на ензимите от тази група е да прехвърлят радикали от донорното вещество към субстанцията-реципиент.
a) Метилтрансфераза. ДНК метилтрансферазите са основните ензими, които контролират процеса на репликация на ДНК. Нуклеотидното метилиране играе важна роля в регулирането на функцията на нуклеинова киселина.
b) Ацилтрансферази. Ензимите от тази подгрупа транспортират ацилната група от една молекула към друга. Примери за ацилтрансферази: лецитинхолестерол ацилтрансфераза (прехвърля функционална група от мастна киселина към холестерол), лизофосфатидилхолин ацилтрансфераза (ацилната група се прехвърля към лизофосфатидилхолин).
c) Аминотрансферазите са ензими, които участват в превръщането на аминокиселините. Примери за ензими: аланин аминотрансфераза, която катализира синтеза на аланин от пируват и глутамат чрез трансфер на аминогрупа.
d) Фосфотрансферази. Ензимите от тази подгрупа катализират добавянето на фосфатна група. Друго име на фосфотрансферазите, кинази, е много по-често срещано. Примери са ензими като хексокинази и аспартат кинази, които добавят фосфорни остатъци към хексозите (най-често глюкоза) и съответно към аспарагинова киселина.
3. Хидролазите са клас ензими, които катализират разцепването на връзките в молекула, последвано от добавяне на вода. Веществата, които принадлежат към тази група, са основните ензими на храносмилането.
a) Естерази - разрушават ефирните връзки. Пример за това са липазите, които разграждат мазнините.
b) Гликозидази. Биохимията на ензимите от тази серия се състои в разрушаването на гликозидните връзки на полимерите (полизахариди и олигозахариди). Примери: амилаза, захараза, малтаза.
c) Пептидазите са ензими, които катализират разграждането на протеините до аминокиселини. Пептидазите включват ензими като пепсини, трипсин, химотрипсин, карбоксипептидаза.
d) Амидази - разцепени амидни връзки. Примери: аргиназа, уреаза, глутаминаза и др. Много амидазни ензими се срещат в орнитиновия цикъл.
4. Лиазите са ензими, подобни по функция на хидролазите, но водата не се консумира по време на разцепването на връзките в молекулите. Ензимите от този клас винаги съдържат непротеинова част, например под формата на витамини В1 или В6.
a) Декарбоксилази. Тези ензими действат върху C-C връзката. Примерите саслужат като глутамат декарбоксилаза или пируват декарбоксилаза.
b) Хидратазите и дехидратазите са ензими, които катализират реакцията на разцепване на C-O връзки.
c) Амидин-лиази - разрушават C-N връзките. Пример: аргинин сукцинат лиаза.
d) P-O лиаза. Такива ензими, като правило, отцепват фосфатната група от субстратното вещество. Пример: аденилат циклаза.
Биохимията на ензимите се основава на тяхната структура
Способностите на всеки ензим се определят от неговата индивидуална, уникална структура. Ензимът е преди всичко протеин и неговата структура и степен на сгъване играят решаваща роля при определянето на неговата функция.
Всеки биокатализатор се характеризира с наличието на активен център, който от своя страна е разделен на няколко независими функционални области:
1) Каталитичният център е специална област на протеина, чрез която ензимът е прикрепен към субстрата. В зависимост от конформацията на протеиновата молекула, каталитичният център може да приеме различни форми, които трябва да пасват на субстрата по същия начин, както ключалката за ключ. Такава сложна структура обяснява защо ензимният протеин е в третично или кватернерно състояние.
2) Адсорбционен център - действа като "държател". Тук, на първо място, има връзка между ензимната молекула и молекулата на субстрата. Въпреки това, връзките, образувани от адсорбционния център, са много слаби, което означава, че каталитичната реакция е обратима на този етап.
3) Алостеричните центрове могат да бъдат разположени катов активния център и върху цялата повърхност на ензима като цяло. Тяхната функция е да регулират функционирането на ензима. Регулирането се осъществява с помощта на инхибиторни молекули и молекули активатори.
Протеини-активатори, свързващи се с ензимната молекула, ускоряват нейната работа. Инхибиторите, напротив, инхибират каталитичната активност и това може да се случи по два начина: или молекулата се свързва с алостеричното място в областта на активното място на ензима (конкурентно инхибиране), или се прикрепя към друга област на протеина (неконкурентно инхибиране). Конкурентното инхибиране се счита за по-ефективно. В крайна сметка това затваря мястото за свързване на субстрата с ензима и този процес е възможен само при почти пълно съвпадение на формата на молекулата на инхибитора и активния център.
Ензимът често се състои не само от аминокиселини, но и от други органични и неорганични вещества. Съответно се изолира апоензимът - протеиновата част, коензимът - органичната част, и кофакторът - неорганичната част. Коензимът може да бъде представен от въглехидрати, мазнини, нуклеинови киселини, витамини. От своя страна кофакторът най-често са спомагателни метални йони. Активността на ензимите се определя от тяхната структура: допълнителните вещества, които съставляват състава, променят каталитичните свойства. Различните видове ензими са резултат от комбинация от всички горепосочени сложни образуващи фактори.
Регулиране на ензимите
Ензимите като биологично активни вещества не винаги са необходими за организма. Биохимията на ензимите е такава, че те могат да навредят на жива клетка в случай на прекомерна катализа. За да се предотврати вредното въздействие на ензимите върху тялото, е необходимо по някакъв начин да се регулира тяхната работа.
T. Тъй като ензимите са от протеинова природа, те лесно се разрушават при високи температури. Процесът на денатурация е обратим, но може значително да повлияе на функционирането на веществата.
pH също играе голяма роля в регулирането. Най-високата активност на ензимите, като правило, се наблюдава при неутрални стойности на pH (7,0-7,2). Има и ензими, които работят само в кисела среда или само в алкална. Така че в клетъчните лизозоми се поддържа ниско pH, при което активността на хидролитичните ензими е максимална. Ако случайно попаднат в цитоплазмата, където средата вече е по-близо до неутралната, тяхната активност ще намалее. Такава защита срещу "самоизяждане" се основава на особеностите на работата на хидролазите.
Заслужава да се спомене значението на коензима и кофактора в състава на ензимите. Наличието на витамини или метални йони значително влияе върху функционирането на определени специфични ензими.
Ензимна номенклатура
Всички ензими на тялото обикновено се назовават в зависимост от принадлежността им към някой от класовете, както и от субстрата, с който реагират. Понякога, според систематичната номенклатура, в името се използват не един, а два субстрата.
Примери за имената на някои ензими:
- Чернодробни ензими: лактат-дехидрогеназа, глутамат дехидрогеназа.
- Пълно систематично наименование на ензима: лактат-NAD+-оксидоредукт-аза.
Има и тривиални имена, които не се придържат към правилата на номенклатурата. Примери са храносмилателните ензими: трипсин, химотрипсин, пепсин.
Процес на ензимен синтез
Функциите на ензимите се определят на генетично ниво. Тъй като една молекула като цяло е протеин, нейният синтез точно повтаря процесите на транскрипция и транслация.
Синтезът на ензими става по следната схема. Първо, информацията за желания ензим се чете от ДНК, в резултат на което се образува иРНК. Месинджър РНК кодира всички аминокиселини, които изграждат ензима. Регулирането на ензимите може да се случи и на ниво ДНК: ако продуктът от катализираната реакция е достатъчен, генната транскрипция спира и обратно, ако има нужда от продукт, процесът на транскрипция се активира.
След като иРНК навлезе в цитоплазмата на клетката, започва следващият етап - транслация. Върху рибозомите на ендоплазмения ретикулум се синтезира първична верига, състояща се от аминокиселини, свързани с пептидни връзки. Въпреки това, протеиновата молекула в първичната структура все още не може да изпълнява своите ензимни функции.
Активността на ензимите зависи от структурата на протеина. На същия ER се получава усукване на протеини, в резултат на което се образуват първо вторични, а след това третични структури. Синтезът на някои ензими спира вече на този етап, но за да се активира каталитичната активност, често е необходимодобавяне на коензим и кофактор.
В определени области на ендоплазмения ретикулум са прикрепени органичните компоненти на ензима: монозахариди, нуклеинови киселини, мазнини, витамини. Някои ензими не могат да работят без наличието на коензим.
Кофакторът играе решаваща роля при формирането на кватернерната структура на протеина. Някои функции на ензимите са достъпни само когато протеинът достигне доменната организация. Следователно за тях е много важно наличието на кватернерна структура, в която свързващата връзка между няколко протеинови глобули е метален йон.
Множество форми на ензими
Има ситуации, когато е необходимо да има няколко ензима, които катализират една и съща реакция, но се различават един от друг по някои параметри. Например един ензим може да работи при 20 градуса, но при 0 градуса вече няма да може да изпълнява функциите си. Какво трябва да направи жив организъм в такава ситуация при ниски температури на околната среда?
Този проблем се решава лесно чрез наличието на няколко ензима едновременно, катализиращи една и съща реакция, но работещи при различни условия. Има два вида множество форми на ензими:
- Изоензими. Такива протеини са кодирани от различни гени, състоят се от различни аминокиселини, но катализират една и съща реакция.
- Истински форми за множествено число. Тези протеини се транскрибират от същия ген, но пептидите са модифицирани върху рибозомите. Резултатът е няколко форми на един и същ ензим.
BВ резултат на това първият тип множествени форми се формира на генетично ниво, докато вторият тип се формира на посттранслационно ниво.
Значение на ензимите
Използването на ензими в медицината се свежда до освобождаване на нови лекарства, в които веществата вече са в правилните количества. Учените все още не са намерили начин да стимулират синтеза на липсващи ензими в тялото, но днес лекарствата са широко достъпни, които могат временно да компенсират техния дефицит.
Различните ензими в клетката катализират голямо разнообразие от животоподдържащи реакции. Един от тези енизми са представители на групата нуклеази: ендонуклеази и екзонуклеази. Тяхната работа е да поддържат постоянно ниво на нуклеинови киселини в клетката, премахвайки увредената ДНК и РНК.
Не забравяйте за такъв феномен като съсирването на кръвта. Като ефективна мярка за защита, този процес е под контрола на редица ензими. Основният е тромбинът, който превръща неактивния протеин фибриноген в активен фибрин. Неговите нишки създават вид мрежа, която запушва мястото на увреждане на съда, като по този начин предотвратява прекомерната загуба на кръв.
Ензимите се използват във винопроизводството, пивоварството, получаването на много ферментирали млечни продукти. Маята може да се използва за производство на алкохол от глюкоза, но екстракт от нея е достатъчен за успешното протичане на този процес.
Интересни факти, които не сте знаели
- Всички ензими на тялото имат огромна маса - от 5000 до1000000 Да. Това се дължи на наличието на протеин в молекулата. За сравнение: молекулното тегло на глюкозата е 180 Da, а въглеродният диоксид е само 44 Da.
- Към днешна дата са открити повече от 2000 ензима, които са открити в клетките на различни организми. Повечето от тези вещества обаче все още не са напълно разбрани.
- Ензимната активност се използва за производство на ефективни перилни препарати. Тук ензимите изпълняват същата роля като в тялото: разграждат органичната материя и това свойство помага в борбата с петната. Препоръчително е да използвате подобен прах за пране при температура не по-висока от 50 градуса, в противен случай може да възникне процес на денатурация.
- Според статистиката 20% от хората по света страдат от липса на някой от ензимите.
- Свойствата на ензимите са известни от много дълго време, но едва през 1897 г. хората осъзнават, че не самата мая, а екстрактът от клетките им може да се използва за ферментиране на захар в алкохол.
