Ako sa líšia enzýmy od anorganických katalyzátorov? Na čom je založená enzymatická katalýza?

Enzýmy sú špecializované proteíny, ktoré sa tvoria v bunkách a sú schopné urýchľovať biochemické procesy, t.j. Sú to biologické katalyzátory.

Mnohé enzýmy vyžadujú prítomnosť určitých neproteínových látok – kofaktorov – aby vykazovali katalytickú aktivitu. Existujú 2 skupiny kofaktorov – ióny kovov (ako aj niektoré anorganické zlúčeniny) a koenzýmy, ktoré sú organickej hmoty. Medzi koenzýmy patria tie, ktoré obsahujú kovy (železo v heme, kobalt v kobalamide).

Podobnosti medzi enzýmami a anorganickými katalyzátormi:

• 1. katalyzovať len energeticky možné reakcie;
• 2. nemeniť rovnováhu pri reverzibilných reakciách;
• 3. nemeňte smer reakcie;
• 4. sa v dôsledku reakcie nespotrebujú.

Rozdiely medzi enzýmami a anorganické katalyzátory(všeobecné vlastnosti enzýmov):

• 1. zložitosť štruktúry;
• 2. vysoká sila pôsobenia. Za jednotku enzýmu sa považuje množstvo, ktoré katalyzuje premenu 1 uM látky za 1 minútu;
• 3. špecifickosť;
• 4. ide o látky s kontrolovanou činnosťou;

pôsobiť v mierne stavy telo.

Už dávno sa zistilo, že všetky enzýmy sú bielkoviny a majú všetky vlastnosti bielkovín. Preto, podobne ako bielkoviny, aj enzýmy sa delia na jednoduché a zložité.

Jednoduché enzýmy pozostávajú iba z aminokyselín - napríklad pepsín, trypsín, lyzozým.

Komplexné enzýmy (holoenzýmy) majú bielkovinovú časť pozostávajúcu z aminokyselín - apoenzým a nebielkovinovú časť - kofaktor. Kofaktor sa zase môže nazývať koenzým alebo protetická skupina. Príklady zahŕňajú sukcinátdehydrogenázu (obsahuje FAD) (v cykle trikarboxylových kyselín), aminotransferázy (obsahuje pyridoxalfosfát) (funkcia), peroxidázu (obsahuje hém). Na uskutočnenie katalýzy je potrebný kompletný komplex apoproteínu a kofaktora, ktoré nemôžu vykonávať katalýzu samostatne.

Na základe typu reakcií, ktoré katalyzujú, sú enzýmy rozdelené do 6 tried podľa hierarchickej klasifikácie enzýmov (EC - Enzyme Commission code). Klasifikácia bola navrhnutá Medzinárodnou úniou biochémie a molekulárnej biológie. Každá trieda obsahuje podtriedy, takže enzým je opísaný súborom štyroch čísel oddelených bodkami. Napríklad pepsín má názov EÚ 3.4.23.1. Prvé číslo zhruba popisuje mechanizmus reakcie katalyzovanej enzýmom:

• 1. Oxidoreduktázy, ktoré katalyzujú oxidáciu alebo redukciu. Príklad: kataláza, alkoholdehydrogenáza
• 2. Transferázy, ktoré katalyzujú prenos chemických skupín z jednej molekuly substrátu na druhú. Medzi transferázami sa rozlišujú najmä kinázy, ktoré prenášajú fosfátovú skupinu, zvyčajne z molekuly ATP.
• 3. Hydrolázy, ktoré katalyzujú hydrolýzu chemických väzieb. Príklad: esterázy, pepsín, trypsín, amyláza, lipoproteínová lipáza
• 4. Lyázy, ktoré katalyzujú rozpad chemických väzieb bez hydrolýzy s tvorbou dvojitej väzby v jednom z produktov.
• 5. Izomerázy, ktoré katalyzujú štrukturálne alebo geometrické zmeny v molekule substrátu.
• 6. Ligázy, ktoré katalyzujú tvorbu chemických väzieb medzi substrátmi v dôsledku hydrolýzy ATP. Príklad: DNA polymeráza

Podobnosti medzi enzýmami a	Rozdiel medzi enzýmami a anorganické katalyzátory
1. Urýchľujú sa len termodynamicky možné reakcie	1. Enzýmy sa vyznačujú vysokou špecifickosťou: substrátová špecifickosť : ▪ absolútne (1 enzým – 1 substrát), ▪ skupina (1 enzým – niekoľko podobných substrátov) ▪ stereošpecifickosť (enzýmy fungujú len so substrátmi určitej stereo série L alebo D). katalytická špecifickosť (enzýmy katalyzujú reakcie prevažne jedného typu chemickej reakcie - hydrolýzu, oxidačno-redukciu atď.)
2. Nemenia stav reakčnej rovnováhy, ale len urýchľujú jej dosiahnutie.	2. Vysoká účinnosť: enzýmy urýchľujú reakcie 10 8 -10 14 krát.
3. V reakciách sa nespotrebúvajú	3. Enzýmy pôsobia len za miernych podmienok (t = 36-37ºС, pH ~ 7,4, atmosférický tlak), pretože majú konformačnú labilitu - schopnosť meniť konformáciu molekuly vplyvom denaturačných činidiel (pH, T, chemikálie).
4. Účinné v malých množstvách	4. V organizme je pôsobenie enzýmov regulované špecificky (katalyzátory sú len nešpecifické)
5. Citlivé na aktivátory a inhibítory	5. Široké spektrum účinku (väčšina procesov v tele je katalyzovaná enzýmami).

V súčasnosti je štúdium enzýmov ústredným prvkom biochémie a je rozdelené do samostatnej vedy - enzymológia . Úspechy enzymológie sa využívajú v medicíne na diagnostiku a liečbu, na štúdium mechanizmov patológie a okrem toho aj v iných oblastiach, napr. poľnohospodárstvo, potravinársky priemysel, chemický, farmaceutický a pod.

Štruktúra enzýmov

Metabolit - látka, ktorá sa podieľa na metabolických procesoch.

Substrát – látka, ktorá podlieha chemickej reakcii.

Produkt – látka, ktorá vzniká pri chemickej reakcii.

Enzýmy sa vyznačujú prítomnosťou špecifických centier katalýzy.

Aktívne centrum (Ac) je časť molekuly enzýmu, ktorá špecificky interaguje so substrátom a priamo sa podieľa na katalýze. Ats sa spravidla nachádza vo výklenku (vrecku). V Ac možno rozlíšiť dve oblasti: väzbové miesto substrátu - plocha substrátu (kontaktná podložka) a vlastne katalytické centrum .

Väčšina substrátov vytvára s enzýmom minimálne tri väzby, vďaka ktorým sa molekula substrátu pripojí k aktívnemu miestu jediným možným spôsobom, ktorý zaisťuje substrátovú špecifickosť enzýmu. Katalytické centrum poskytuje výber cesty chemickej transformácie a katalytickej špecifickosti enzýmu.

Skupina regulačných enzýmov má alosterické centrá , ktoré sa nachádzajú mimo aktívneho centra. K alosterickému centru môžu byť pripojené modulátory „+“ alebo „–“, ktoré regulujú aktivitu enzýmu.

Existujú jednoduché enzýmy, pozostávajúce len z aminokyselín, a komplexné enzýmy, ktoré zahŕňajú aj nízkomolekulárne organické zlúčeniny neproteínovej povahy (koenzýmy) a (alebo) ióny kovov (kofaktory).

Koenzýmy sú organické látky nebielkovinovej povahy, ktoré sa zúčastňujú katalýzy ako súčasť katalytického miesta aktívneho centra. V tomto prípade sa proteínová zložka nazýva apoenzým a katalyticky aktívna forma komplexného proteínu je holoenzým . Teda: holoenzým = apoenzým + koenzým.

Nasledujúce funkcie ako koenzýmy:

nukleotidy,

koenzým Q,

glutatión

deriváty vitamínov rozpustných vo vode:

Koenzým, ktorý je pripojený k proteínovej časti kovalentnými väzbami, sa nazýva protetická skupina . Sú to napríklad FAD, FMN, biotín, kyselina lipoová. Protetická skupina nie je oddelená od proteínovej časti. Koenzým, ktorý je pripojený k proteínovej časti nekovalentnými väzbami, sa nazýva kosubstrát . Sú to napríklad NAD +, NADP +. Kosubstrát sa naviaže na enzým v čase reakcie.

Enzýmové kofaktory sú ióny kovov nevyhnutné pre katalytickú aktivitu mnohých enzýmov. Ióny draslíka, horčíka, vápnika, zinku, medi, železa atď. pôsobia ako kofaktory. Ich úloha je rôznorodá; stabilizujú molekuly substrátu, aktívne centrum enzýmu, jeho terciárnu a kvartérnu štruktúru a zabezpečujú väzbu a katalýzu substrátu. Napríklad ATP sa viaže na kinázy iba v spojení s Mg2+.

izoenzýmy - ide o viaceré formy jedného enzýmu, ktoré katalyzujú rovnakú reakciu, líšia sa však fyzikálnymi a chemickými vlastnosťami (afinita k substrátu, maximálna rýchlosť katalyzovanej reakcie, elektroforetická pohyblivosť, rozdielna citlivosť na inhibítory a aktivátory, optimum pH a tepelná stabilita) . Izoenzýmy majú kvartérnu štruktúru, ktorá je tvorená párnym počtom podjednotiek (2, 4, 6 atď.). Izoformy enzýmov sú tvorené rôznymi kombináciami podjednotiek.

Ako príklad zvážte laktátdehydrogenázu (LDH), enzým, ktorý katalyzuje reverzibilnú reakciu:

NADH 2 NAD +

pyruvát ← LDH → laktát

LDH existuje vo forme 5 izoforiem, z ktorých každá pozostáva zo 4 protomérov (podjednotiek) 2 typov M (sval) a H (srdce). Syntéza protomérov typu M a H je kódovaná dvoma rôznymi genetickými lokusmi. Izoenzýmy LDH sa líšia na úrovni kvartérnej štruktúry: LDH 1 (NNNN), LDH 2 (NNMM), LDH 3 (NNMM), LDH 4 (NMMM), LDH 5 (MMMM).

Polypeptidové reťazce typu H a M majú rovnakú molekulovú hmotnosť, ale v prvých dominujú karboxylové aminokyseliny, v tých druhých diaminokyseliny, takže nesú rôzne náboje a možno ich oddeliť elektroforézou.

Metabolizmus kyslíka v tkanivách ovplyvňuje izoenzýmové zloženie LDH. Tam, kde dominuje aeróbny metabolizmus, prevláda LDH 1, LDH 2 (myokard, nadobličky), kde anaeróbny metabolizmus - LDH 4, LDH 5 (kostrové svaly, pečeň). Počas individuálneho vývoja organizmu dochádza v tkanivách k zmenám obsahu kyslíka a izoforiem LDH. V embryu prevláda LDH 4 a LDH 5. Po narodení sa obsah LDH 1 a LDH 2 v niektorých tkanivách zvyšuje.

Existencia izoforiem zvyšuje adaptačnú kapacitu tkanív, orgánov a tela ako celku na meniace sa podmienky. Metabolický stav orgánov a tkanív sa hodnotí zmenami v zložení izoenzýmov.

Lokalizácia a kompartmentalizácia enzýmov v bunkách a tkanivách.

Enzýmy sú rozdelené do 3 skupín podľa lokalizácie:

I – všeobecné enzýmy (univerzálne)

II - orgánovo špecifické

III - špecifické pre organely

Bežné enzýmy nachádzajúce sa takmer vo všetkých bunkách, zabezpečujú životnú aktivitu bunky, katalyzujú reakcie biosyntézy bielkovín a nukleových kyselín, tvorba biomembrán a hlavných bunkových organel, výmena energie. Bežné enzýmy rôznych tkanív a orgánov sa však líšia aktivitou.

Orgánovo špecifické enzýmy charakteristické len pre konkrétny orgán alebo tkanivo. Napríklad: Pre pečeň - argináza. Pre obličky a kostné tkanivo - alkalická fosfatáza. Pre prostatu – AF (kyslá fosfatáza). Pre pankreas – α-amyláza, lipáza. Pre myokard – CPK (kreatínfosfokináza), LDH, AST atď.

Enzýmy sú tiež nerovnomerne rozložené vo vnútri buniek. Niektoré enzýmy sú v cytosóle rozpustené v koloidnom stave, iné sú uložené v bunkových organelách (štruktúrovaný stav).

Enzýmy špecifické pre organely . Rôzne organely majú špecifický súbor enzýmov, ktorý určuje ich funkcie.

Enzýmy špecifické pre organely sú markery intracelulárnych útvarov, organel:

Bunková membrána: ALP (alkalická fosfatáza), AC (adenylátcykláza), K-Na-ATPáza

Cytoplazma: enzýmy glykolýzy, pentózový cyklus.

ER: enzýmy zabezpečujúce hydroxyláciu (mikrozomálnu oxidáciu).

Ribozómy: enzýmy, ktoré zabezpečujú syntézu bielkovín.

Mitochondrie: enzýmy oxidačnej fosforylácie, TCA cyklus (cytochrómoxidáza, sukcinátdehydrogenáza), β-oxidácia mastných kyselín.

Bunkové jadro: enzýmy zabezpečujúce syntézu RNA, DNA (RNA polymeráza, NAD syntetáza).

Nucleolus: DNA-dependentná RNA polymeráza

Vďaka tomu sa v bunke vytvárajú kompartmenty, ktoré sa líšia súborom enzýmov a metabolizmom (kompartmentalizácia metabolizmu).

Medzi enzýmami je malá skupina R regulačné enzýmy, ktoré sú schopné reagovať na špecifické regulačné vplyvy zmenou činnosti. Tieto enzýmy sú prítomné vo všetkých orgánoch a tkanivách a sú lokalizované na začiatku alebo v miestach vetvenia metabolických dráh.

Presná lokalizácia všetkých enzýmov je zakódovaná v génoch.

Stanovenie aktivity enzýmov špecifických pre organely v plazme alebo sére má široké využitie v klinickej diagnostike.

Klasifikácia a nomenklatúra enzýmov

Nomenklatúra – názvy jednotlivých zlúčenín, ich skupiny, triedy, ako aj pravidlá skladania týchto názvov. Nomenklatúra enzýmov môže byť triviálna (krátky pracovný názov) alebo systematická. Podľa systematickej nomenklatúry prijatej v roku 1961 Medzinárodnou úniou biochémie možno enzým a jeho katalyzovanú reakciu presne identifikovať.

Klasifikácia - rozdelenie niečoho podľa vybraných vlastností.

Klasifikácia enzýmov je založená na type chemickej reakcie, ktorú katalyzujú;

Na základe 6 typov chemických reakcií sú enzýmy, ktoré ich katalyzujú, rozdelené do 6 tried, z ktorých každá má niekoľko podtried a podtried (4-13);

Každý enzým má svoj vlastný kód EC 1.1.1.1. Prvá číslica označuje triedu, druhá - podtriedu, tretia - podtriedu, štvrtá - sériové číslo enzýmu v jeho podtriede (v poradí objavenia).

Názov enzýmu sa skladá z 2 častí: 1 časť - názov substrátu (substráty), 2 časti - typ katalyzovanej reakcie. Koniec – AZA;

Doplňujúce informácie, ak sú potrebné, sú napísané na konci a v zátvorkách: L-malát + NADP+ ↔ PVK + CO 2 + NADH 2 L-malát: NADP+ - oxidoreduktáza (dekarboxylujúca);

Neexistuje jednotný prístup k pravidlám pre pomenovanie enzýmov.

Všetky životné procesy sú založené na tisíckach chemických reakcií katalyzovaných enzýmami. Význam enzýmov presne a obrazne definoval I.P. Pavlov, ktorý ich nazval "patogény života". K výskytu vedú poruchy vo fungovaní enzýmov vážnych chorôb– fenylketonúria, glykogenóza, galaktozémia, tyrozinémia alebo výrazné zníženie kvality života – dyslipoproteinémia, hemofília.

Je známe, že pre vznik chemickej reakcie je potrebné, aby reagujúce látky mali celkovú energiu vyššiu ako je hodnota tzv. energetická bariéra reakcie. Na charakterizáciu veľkosti energetickej bariéry zaviedol tento koncept Arrhenius aktivačné energie. Prekonanie aktivačnej energie pri chemickej reakcii sa dosiahne buď zvýšením energie interagujúcich molekúl, napríklad zahrievaním, ožiarením, zvýšením tlaku, alebo znížením energie potrebnej na reakciu (t.j. aktivačnej energie) pomocou katalyzátorov.

Hodnota aktivačnej energie s enzýmom a bez neho

Svojou funkciou sú enzýmy biologickými katalyzátormi. Podstatou pôsobenia enzýmov, ako aj anorganických katalyzátorov je:

• pri aktivácii molekúl reagujúcich látok,
• pri rozdelení reakcie do niekoľkých stupňov, pričom energetická bariéra každého z nich je nižšia ako bariéra celkovej reakcie.

Enzýmy však nebudú katalyzovať energeticky nemožné reakcie, urýchľujú len tie reakcie, ktoré môžu nastať za daných podmienok.

Podobnosti a rozdiely medzi enzýmami a anorganickými katalyzátormi

Zrýchlenie reakcií pomocou enzýmov je veľmi významné, napríklad:

A. Ureáza urýchľuje reakciu rozkladu úplne stabilnej močoviny na amoniak a vodu 10 13-krát, preto pri infekcii močové cesty(vzhľad bakteriálnej ureázy) moč získava zápach amoniaku.

B. Zvážte rozkladnú reakciu peroxidu vodíka:

2H202 -> 02 + 2H20

Ak sa rýchlosť reakcie bez katalyzátora považuje za jednotku, potom v prítomnosti platinovej černe sa rýchlosť reakcie zvýši 2×10 4-krát a aktivačná energia sa v prítomnosti enzýmu katalázy zníži z 18 na 12 kcal/mol; reakčná rýchlosť sa zvýši 2×10 11-krát s aktiváciou energie 2 kcal/mol.

Enzýmy a ich význam v životných procesoch

Z vášho kurzu chémie viete, čo je katalyzátor. Je to látka, ktorá urýchľuje reakciu, pričom na konci reakcie zostáva nezmenená (nespotrebuje sa). Biologické katalyzátory sa volajú enzýmy(z lat. fermentum– kvasenie, kysnutie), príp enzýmy.

Takmer všetky enzýmy sú proteíny (ale nie všetky proteíny sú enzýmy!). V posledných rokoch je známe, že vlastnosti enzýmov majú aj niektoré molekuly RNA.

Vysoko purifikovaný kryštalický enzým bol prvýkrát izolovaný v roku 1926 americkým biochemikom J. Sumnerom. Tento enzým bol ureáza, ktorý katalyzuje rozklad močoviny. K dnešnému dňu je známych viac ako 2 000 enzýmov a ich počet neustále rastie. Mnohé z nich sú izolované zo živých buniek a získané v čistej forme.

V bunke neustále prebiehajú tisíce reakcií. Ak zmiešate organické a anorganické látky v skúmavke v presne rovnakých pomeroch ako v živej bunke, ale bez enzýmov, takmer žiadne reakcie neprebehnú výraznou rýchlosťou. Práve vďaka enzýmom sa realizuje genetická informácia a prebieha celý metabolizmus.

Názov väčšiny enzýmov je charakterizovaný príponou -ase, ktorá sa najčastejšie pridáva k názvu substrátu – látky, s ktorou enzým interaguje.

Štruktúra enzýmov

V porovnaní s molekulovou hmotnosťou substrátu majú enzýmy oveľa väčšiu hmotnosť. Tento nesúlad naznačuje, že nie celá molekula enzýmu sa podieľa na katalýze. Aby ste pochopili túto problematiku, musíte sa zoznámiť so štruktúrou enzýmov.

Podľa štruktúry môžu byť enzýmy jednoduché alebo zložité proteíny. V druhom prípade enzým obsahuje okrem bielkovinovej časti ( apoenzým) existuje ďalšia skupina neproteínovej povahy - aktivátor ( kofaktor, alebo koenzým), čo vedie k vytvoreniu aktívnych holoenzým. Enzýmové aktivátory sú:

1) anorganické ióny (napríklad na aktiváciu enzýmu amylázy nachádzajúceho sa v slinách sú potrebné chloridové ióny (Cl–));

2) prostetické skupiny (FAD, biotín) pevne viazané na substrát;

3) koenzýmy (NAD, NADP, koenzým A), voľne spojené so substrátom.

Proteínová časť a nebielkovinová zložka jednotlivo nemajú enzymatickú aktivitu, ale keď sa spoja, získajú charakteristické vlastnosti enzýmu.

Proteínová časť enzýmov obsahuje aktívne centrá, ktoré sú jedinečné svojou štruktúrou, ktoré sú kombináciou určitých aminokyselinových zvyškov striktne orientovaných vo vzťahu k sebe (teraz bola rozlúštená štruktúra aktívnych centier mnohých enzýmov). Aktívne centrum interaguje s molekulou substrátu a vytvára „komplex enzým-substrát“. "Komplex enzým-substrát" sa potom rozloží na enzým a produkt alebo produkty reakcie.

Podľa hypotézy, ktorú predložil v roku 1890 E. Fisher, sa substrát približuje k enzýmu ako kľúč k zámku, t.j. priestorové konfigurácie aktívneho miesta enzýmu a substrátu presne zodpovedajú ( komplementárne) navzájom. Substrát sa porovnáva s „kľúčom“, ktorý pasuje do „zámku“ – enzýmu. Aktívne centrum lyzozýmu (enzýmu slín) má teda vzhľad štrbiny a tvarom presne zodpovedá fragmentu komplexnej sacharidovej molekuly bakteriálneho bacila, ktorý sa pôsobením tohto enzýmu rozkladá.

V roku 1959 predložil D. Koshland hypotézu, podľa ktorej priestorová zhoda štruktúry substrátu a aktívneho centra enzýmu vzniká až v momente ich vzájomnej interakcie. Táto hypotéza bola tzv hypotéza „ruky a rukavice“.(hypotéza indukovanej interakcie). Tento proces „dynamického rozpoznávania“ je dnes najrozšírenejšou hypotézou.

Rozdiely medzi enzýmami a nebiologickými katalyzátormi

Enzýmy sa líšia od nebiologických katalyzátorov mnohými spôsobmi.

1. Enzýmy sú oveľa účinnejšie (10 4 – 10 9 krát). Jediná molekula enzýmu katalázy teda dokáže za jednu sekundu rozložiť 10 000 molekúl peroxidu vodíka, ktorý je toxický pre bunky:

2H202 ––> 2H20 + O2,

ku ktorému dochádza pri oxidácii rôznych zlúčenín v organizme. Alebo iný príklad potvrdzujúci vysoká účinnosť pôsobenie enzýmu: pri izbovej teplote môže jedna molekula ureázy rozložiť až 30 tisíc molekúl močoviny za jednu sekundu:

H 2N–CO–NH 2 + H 2 O ––> CO 2 + 2NH 3.

Bez katalyzátora by to trvalo asi 3 milióny rokov.

2. Vysoká špecifickosť pôsobenia enzýmov. Väčšina enzýmov pôsobí iba na jednu alebo veľmi malý počet „ich“ prírodných zlúčenín (substrátov). Špecifickosť enzýmov sa odráža vo vzorci "jeden enzým - jeden substrát". Vďaka tomu je v živých organizmoch veľa reakcií katalyzovaných nezávisle.

3. Enzýmy podliehajú jemnej a presnej regulácii. Aktivita enzýmu sa môže zvýšiť alebo znížiť s miernymi zmenami v podmienkach, v ktorých „funguje“.

4. Nebiologické katalyzátory vo väčšine prípadov fungujú dobre len pri vysokých teplotách. Enzýmy, ktoré sú v bunkách prítomné v malých množstvách, fungujú pri bežnej teplote a tlaku (hoci rozsah pôsobenia enzýmov je obmedzený, pretože teplo spôsobuje denaturáciu). Keďže väčšina enzýmov sú bielkoviny, ich aktivita je najvyššia za fyziologicky normálnych podmienok: t = 35–45 °C; mierne zásadité prostredie (aj keď každý enzým má svoju optimálnu hodnotu pH).

5. Enzýmy tvoria komplexy – takzvané biologické prenášače. Proces rozkladu alebo syntézy akejkoľvek látky v bunke sa zvyčajne delí na množstvo chemických operácií. Každá operácia je vykonávaná samostatným enzýmom. Skupina takýchto enzýmov tvorí druh biochemického dopravného pásu.

6. Enzýmy sú schopné regulácie, t.j. „zapnúť“ a „vypnúť“ (neplatí to však pre všetky enzýmy, napr. slinná amyláza a množstvo iných tráviacich enzýmov nie sú regulované). Väčšina molekúl apoenzýmu obsahuje oblasti, ktoré tiež rozpoznávajú finálny produkt, „schádza“ z multienzýmového dopravníka. Ak je takého produktu príliš veľa, potom je ním inhibovaná aktivita samotného počiatočného enzýmu a naopak, ak nie je dostatok produktu, potom sa aktivuje enzým. Takto sú regulované mnohé biochemické procesy.

Enzýmy teda majú oproti nebiologickým katalyzátorom množstvo výhod.

	|	ďalšia prednáška ==>
Analýza zostávajúceho výskumu a publikácií. Problémom financovania regiónov Európskej únie a Ukrajiny sa zaoberali títo vedci: Voznyak G.V., Grigor’eva O.N., Belichenko A.F.	|

1. Enzýmy majú vyššiu katalytickú aktivitu (miliónkrát vyššiu);

2. Katalytická aktivita sa prejavuje za veľmi miernych podmienok (mierne teploty 37-40ºС, normálny tlak, blízke neutrálnym hodnotám pH prostredia 6,0÷8,0). Napríklad hydrolýza bielkovín v prítomnosti anorganických kyselín a zásad prebieha pri teplote 100 °C a vyššej počas niekoľkých desiatok hodín. Za účasti enzýmov tento proces prebieha v desiatkach minút pri 30÷40ºС;

3. Enzýmy majú vysokú špecifickosť účinku, t.j. každý enzým katalyzuje v podstate len presne definovanú chemickú reakciu (napr. platina katalyzuje niekoľko desiatok chemických reakcií);

4. Aktivita enzýmov v bunkách je prísne kontrolovaná a regulovaná;

5.Nespôsobujte žiadne Nežiaduce reakcie;

6. Rozdiely súvisiace s proteínovou povahou enzýmov (tepelná labilita, závislosť od pH prostredia, prítomnosť aktivátorov a inhibítorov a pod.).

Štruktúra enzýmov

Až donedávna sa verilo, že absolútne všetky enzýmy sú látky bielkovinovej povahy. Ale v 80. rokoch bola katalytická aktivita objavená v niektorých nízkomolekulových RNA. Tieto enzýmy boli pomenované ribozýmy . Zvyšok, viac ako 2000 v súčasnosti známych enzýmov, má bielkovinovú povahu a vyznačuje sa všetkými vlastnosťami bielkovín.

Podľa štruktúry sa enzýmy delia na:

Jednoduché alebo jednozložkové;

Komplexné alebo dvojzložkové (holoenzýmy).

Jednoduché enzýmy sú jednoduché bielkoviny a pri hydrolýze sa rozkladajú iba na aminokyseliny. Medzi jednoduché enzýmy patria hydrolytické enzýmy (pepsín, trypsín, ureáza atď.).

Komplexné proteíny sú komplexné proteíny a okrem polypeptidových reťazcov obsahujú aj neproteínovú zložku ( kofaktor ). Väčšina enzýmov sú komplexné proteíny.

Proteínová časť dvojzložkového enzýmu je tzv apoenzým.

Kofaktory môžu mať rôznu silu väzby s apoenzýmom.

Ak je kofaktor pevne naviazaný na polypeptidový reťazec, ide o tzv protetická skupina . Medzi protetickou skupinou a apoenzýmom je kovalentná väzba.

Ak sa kofaktor ľahko oddelí od apoenzýmu a je schopný samostatnej existencie, potom sa takýto kofaktor nazýva koenzým.

Spojenia medzi apoenzýmom a koenzýmom sú slabé – vodíkové, elektrostatické atď.

Chemická povaha kofaktorov mimoriadne rôznorodé. Úlohu kofaktorov v dvojzložkových enzýmoch zohrávajú:

1 – väčšina vitamínov (E, K, Q, C, H, B1, B2, B6, B12 atď.);

2- zlúčeniny nukleotidovej povahy (NAD, NADP, ATP, CoA, FAD, FMN), ako aj množstvo iných zlúčenín;

3 – kyselina lipolová;

4 – mnohé dvojmocné kovy (Mg 2+, Mn 2+, Ca 2+ atď.).

Aktívne miesto enzýmov.

Enzýmy sú vysokomolekulárne látky, ktorých molekulová hmotnosť dosahuje niekoľko miliónov. Molekuly substrátov, ktoré interagujú s enzýmami, majú zvyčajne oveľa menšiu veľkosť. Preto je prirodzené predpokladať, že nie celá molekula enzýmu ako celok interaguje so substrátom, ale iba jej časť - takzvané „aktívne centrum“ enzýmu.

Aktívne centrum enzýmu je časť jeho molekuly, ktorá priamo interaguje so substrátmi a podieľa sa na katalýze.

Aktívne centrum enzýmu sa tvorí na úrovni terciárnej štruktúry. Preto počas denaturácie, keď je terciárna štruktúra narušená, enzým stráca svoju katalytickú aktivitu !

Aktívne centrum zase pozostáva z:

- katalytické centrum ktorý uskutočňuje chemickú transformáciu substrátu;

- stred substrátu („kotva“ alebo kontaktná podložka), ktorá zabezpečuje pripojenie substrátu k enzýmu, tvorbu komplexu enzým-substrát.

Nie je vždy možné nakresliť jasnú čiaru medzi katalytickými centrami a centrami substrátu v niektorých enzýmoch, ktoré sa zhodujú alebo sa prekrývajú.

Okrem aktívneho centra obsahuje molekula enzýmu tzv alosterické centrum . Ide o úsek molekuly enzýmu, ktorý je výsledkom pripojenia určitej nízkomolekulárnej látky ( efektor ), mení sa terciárna štruktúra enzýmu. To vedie k zmene konfigurácie aktívneho miesta a následne k zmene aktivity enzýmu. Ide o fenomén alosterickej regulácie enzýmovej aktivity.

Mnoho enzýmov je multiméry (alebo oligoméry). ), t.j. pozostáva z dvoch alebo viacerých podjednotiek - protoméry(podobná kvartérnej štruktúre proteínu).

Väzby medzi podjednotkami sú všeobecne nekovalentné. Enzým vykazuje maximálnu katalytickú aktivitu vo forme multiméru. Disociácia na protoméry prudko znižuje aktivitu enzýmu.

Enzýmy – multiméry zvyčajne obsahujú jasný počet podjednotiek (2-4), t.j. sú di- a tetraméry. Hoci sú známe hexa- a oktaméry (6-8), triméry a pentaméry (3-5) sú extrémne zriedkavé.

Multimérne enzýmy môžu byť konštruované buď z rovnakých alebo rôznych podjednotiek.

Ak sa multimérne enzýmy tvoria z podjednotiek rôzne druhy môžu existovať vo forme niekoľkých izomérov. Viaceré formy enzýmu sa nazývajú izoenzýmy (izoenzýmy alebo izoenzýmy).

Napríklad enzým pozostáva zo 4 podjednotiek typu A a B. Môže tvoriť 5 izomérov: AAAA, AAAB, AABB, ABBB, BBBB. Tieto izomérne enzýmy sú izoenzýmy.

Izoenzýmy katalyzujú rovnakú chemickú reakciu, zvyčajne pôsobia na rovnaký substrát, ale v niektorých smeroch sa líšia fyzikálne a chemické vlastnosti(molekulová hmotnosť, zloženie aminokyselín, elektroforetická pohyblivosť atď.), lokalizáciou v orgánoch a tkanivách.

Špeciálnu skupinu enzýmov tvoria tzv. multimérne komplexy. Sú to systémy enzýmov, ktoré katalyzujú postupné štádiá transformácie akéhokoľvek substrátu. Takéto systémy sa vyznačujú silnými väzbami a prísnou priestorovou organizáciou enzýmov, ktorá zabezpečuje minimálnu cestu substrátom a maximálnu rýchlosť jeho premeny.

Príkladom je multienzýmový komplex, ktorý vykonáva oxidačnú dekarboxyláciu kyselina pyrohroznová. Komplex pozostáva z 3 typov enzýmov (M.v. = 4 500 000).

Mechanizmus účinku enzýmov

Mechanizmus účinku enzýmov je nasledujúci. Keď sa substrát spojí s enzýmom, vytvorí sa nestabilný komplex enzým-substrát. Aktivuje molekulu substrátu vďaka:

1. polarizácia chemických väzieb v molekule substrátu a redistribúcia elektrónovej hustoty;

2. deformácia väzieb zapojených do reakcie;

3. priblíženie a potrebná vzájomná orientácia molekúl substrátu (S).

Molekula substrátu je fixovaná v aktívnom centre enzýmu v napätej konfigurácii, v deformovanom stave, čo vedie k oslabeniu pevnosti chemických väzieb a znižuje úroveň energetickej bariéry, t.j. substrát sa aktivuje.

V procese enzymatickej reakcie existujú 4 fázy:

1 – pripojenie molekuly substrátu na enzým a vytvorenie komplexu enzým-substrát;

2 – zmena substrátu pôsobením enzýmu, jeho sprístupnenie pre chemickú reakciu, t.j. aktivácia substrátu;

3 – chemická reakcia;

4 – oddelenie produktov reakcie od enzýmu.

Dá sa to napísať ako diagram:

E + S ES ES* EP E + P

kde: E – enzým, S – substrát, S* – aktivovaný substrát, P – produkt reakcie.

V 1. štádiu je tá časť molekuly substrátu, ktorá neprechádza chemickými transformáciami, pripojená k centru substrátu pomocou slabých interakcií.

Pre vznik komplexu enzým-substrát (ES) musia byť splnené tri podmienky, ktoré určujú vysokú špecificitu pôsobenia enzýmu.

Podmienky pre tvorbu komplexu enzým-substrát:

1 - štrukturálny súlad medzi substrátom a aktívnym miestom enzýmu. Ako hovorí Fischer, musia do seba zapadať „ako kľúč k zámku“. Táto podobnosť je zabezpečená na úrovni terciárnej štruktúry enzýmu, t.j. priestorové usporiadanie funkčných skupín aktívnych stred.

2 Elektrostatická zhoda aktívne centrum enzýmu a substrátu, čo je spôsobené interakciou opačne nabitých skupín.

3 Flexibilita terciárnej štruktúry enzýmu je „indukovaná zhoda“. Podľa teórie vynútenej alebo indukovanej konformity môže katalyticky aktívna konfigurácia molekuly enzýmu vzniknúť až v momente prichytenia substrátu v dôsledku jeho deformačného efektu podľa princípu „rukavice“.

Mechanizmus účinku jednozložkových a dvojzložkových enzýmov je podobný.

Apoenzým aj koenzým sa podieľajú na tvorbe komplexu enzým-substrát v komplexných enzýmoch. V tomto prípade sa substrátové centrum zvyčajne nachádza na apoenzýme a koenzým sa priamo zúčastňuje na chemickej premene substrátu. V poslednom štádiu reakcie sa apoenzým a koenzým uvoľňujú nezmenené.

V štádiách 2 a 3 je transformácia molekuly substrátu spojená s prerušením a uzavretím kovalentných väzieb.

Po chemickej reakcii sa enzým vráti do pôvodného stavu a reakčné produkty sa oddelia.

Špecifickosť

Schopnosť enzýmu katalyzovať určitý typ reakcie sa nazýva špecifickosť.

Existujú tri typy špecifickosti:

1. - relatívna alebo skupinová špecifickosť – enzým pôsobí na určitý typ chemickej väzby (napríklad enzým pepsín štiepi peptidovú väzbu);

2. – absolútna špecifickosť - enzým pôsobí len na jeden presne definovaný substrát (napríklad enzým ureáza štiepi amidovú väzbu len v močovine);

3. – stechiometrická špecifickosť – enzým pôsobí len na jeden zo stereoizomérov (napr. enzým glukozidáza fermentuje len D-glukózu, ale nepôsobí na L-glukózu).

Špecifickosť enzýmu zabezpečuje usporiadanosť metabolických reakcií.