Milijoni kemičnih reakcij potekajo v celici katerega koli živega organizma. Vsak od njih je velikega pomena, zato je pomembno ohranjati hitrost bioloških procesov na visoki ravni. Skoraj vsako reakcijo katalizira lasten encim. Kaj so encimi? Kakšna je njihova vloga v kletki?
Encimi. Definicija
Izraz "encim" izvira iz latinskega fermentum - kvas. Lahko jih imenujemo tudi encimi, iz grškega en zyme, "v kvasu".
Encimi so biološko aktivne snovi, zato nobena reakcija, ki poteka v celici, ne more brez njihove udeležbe. Te snovi delujejo kot katalizatorji. V skladu s tem ima vsak encim dve glavni lastnosti:
1) Encim pospeši biokemično reakcijo, vendar se ne porabi.
2) Vrednost ravnotežne konstante se ne spremeni, ampak samo pospeši doseganje te vrednosti.
Encimi pospešijo biokemične reakcije za tisoč, v nekaterih primerih pa tudi milijonkrat. To pomeni, da se v odsotnosti encimskega aparata vsi znotrajcelični procesi praktično ustavijo in celica sama bo umrla. Zato je vloga encimov kot biološko aktivnih snovi velika.
Raznolikost encimov vam omogoča diverzifikacijo regulacije celičnega metabolizma. V kateri koli kaskadi reakcij sodelujejo številni encimi različnih razredov. Biološki katalizatorji so zelo selektivni zaradi specifične konformacije molekule. Ker so encimi v večini primerov beljakovinske narave, so v terciarni ali kvaternarni strukturi. To je spet razloženo s specifičnostjo molekule.
Funkcije encimov v celici
Glavna naloga encima je pospešiti ustrezno reakcijo. Vsaka kaskada procesov, od razgradnje vodikovega peroksida do glikolize, zahteva prisotnost biološkega katalizatorja.
Ustrezno delovanje encimov je doseženo z visoko specifičnostjo za določen substrat. To pomeni, da lahko katalizator pospeši le določeno reakcijo in nobene druge, tudi zelo podobne. Glede na stopnjo specifičnosti ločimo naslednje skupine encimov:
1) Encimi z absolutno specifičnostjo, ko je katalizirana samo ena sama reakcija. Na primer, kolagenaza razgradi kolagen, m altaza pa m altozo.
2) Encimi z relativno specifičnostjo. To vključuje snovi, ki lahko katalizirajo določen razred reakcij, kot je hidrolitična cepitev.
Delo biokatalizatorja se začne od trenutka, ko je njegovo aktivno središče pritrjeno na substrat. V tem primeru govorimo o komplementarni interakciji, kot sta ključavnica in ključ. To se nanaša na popolno sovpadanje oblike aktivnega središča s substratom, kar omogoča pospešitev reakcije.
Naslednji korak je sama reakcija. Njegova hitrost se poveča zaradi delovanja encimskega kompleksa. Na koncu dobimo encim, ki je povezan s produkti reakcije.
Zadnja faza je ločitev reakcijskih produktov od encima, po kateri je aktivni center spet prost za naslednje delo.
Shematično lahko delo encima na vsaki stopnji zapišemo takole:
1) S + E --> SE
2) SE --> SP
3) SP --> S + P, kjer je S substrat, E je encim in P je produkt.
Razvrstitev encimov
V človeškem telesu lahko najdete ogromno encimov. Vse znanje o njihovih funkcijah in delu je bilo sistematizirano in posledično se je pojavila enotna klasifikacija, zahvaljujoč kateri je enostavno ugotoviti, čemu je namenjen ta ali oni katalizator. Tukaj je 6 glavnih razredov encimov, pa tudi primeri nekaterih podskupin.
Oksidoreduktaze
Encimi tega razreda katalizirajo redoks reakcije. Skupno je 17 podskupin. Oksidoreduktaze imajo običajno nebeljakovinski del, ki ga predstavlja vitamin ali hem.
Med oksidoreduktazami pogosto najdemo naslednje podskupine:
a) Dehidrogenaze. Biokemija encimov dehidrogenaze je sestavljena iz eliminacije vodikovih atomov in njihovega prenosa na drug substrat. Ta podskupina se najpogosteje pojavlja pri respiratornih reakcijah,fotosinteza. Sestava dehidrogenaz nujno vsebuje koencim v obliki NAD/NADP ali flavoproteinov FAD/FMN. Pogosto obstajajo kovinski ioni. Primeri vključujejo encime, kot so citokrom reduktaze, piruvat dehidrogenaza, izocitrat dehidrogenaza in številni jetrni encimi (laktat dehidrogenaza, glutamat dehidrogenaza itd.).
b) Oksidaza. Številni encimi katalizirajo dodajanje kisika vodiku, zaradi česar so produkti reakcije lahko voda ali vodikov peroksid (H20, H2 0 2). Primeri encimov: citokrom oksidaza, tirozinaza.
c) Peroksidaze in katalaza so encimi, ki katalizirajo razgradnjo H2O2 v kisik in vodo.
d) Oksigenaze. Ti biokatalizatorji pospešujejo dodajanje kisika substratu. Dopamin hidroksilaza je en primer takšnih encimov.
2. Transferaze.
Naloga encimov te skupine je prenos radikalov iz donorske snovi v prejemno snov.
a) Metiltransferaza. DNA metiltransferaze so glavni encimi, ki nadzorujejo proces replikacije DNK. Metilacija nukleotidov ima pomembno vlogo pri uravnavanju delovanja nukleinske kisline.
b) Aciltransferaze. Encimi te podskupine prenašajo acilno skupino iz ene molekule v drugo. Primeri aciltransferaz: lecitinholesterol aciltransferaza (prenese funkcionalno skupino iz maščobne kisline v holesterol), lizofosfatidilholin aciltransferaza (acilna skupina se prenese na lizofosfatidilholin).
c) Aminotransferaze so encimi, ki sodelujejo pri pretvorbi aminokislin. Primeri encimov: alanin aminotransferaza, ki katalizira sintezo alanina iz piruvata in glutamata s prenosom amino skupine.
d) Fosfotransferaze. Encimi te podskupine katalizirajo dodajanje fosfatne skupine. Drugo ime za fosfotransferaze, kinaze, je veliko bolj pogosto. Primeri so encimi, kot so heksokinaze in aspartat kinaze, ki dodajo fosforjeve ostanke heksozam (najpogosteje glukozi) oziroma asparaginski kislini.
3. Hidrolaze so razred encimov, ki katalizirajo cepitev vezi v molekuli, čemur sledi dodajanje vode. Snovi, ki spadajo v to skupino, so glavni prebavni encimi.
a) Esteraze - pretrgajo eterične vezi. Primer so lipaze, ki razgrajujejo maščobe.
b) Glikozidaze. Biokemija encimov te serije je sestavljena iz uničenja glikozidnih vezi polimerov (polisaharidov in oligosaharidov). Primeri: amilaza, saharaza, m altaza.
c) Peptidaze so encimi, ki katalizirajo razgradnjo beljakovin v aminokisline. Peptidaze vključujejo encime, kot so pepsini, tripsin, kimotripsin, karboksipeptidaza.
d) Amidaze - razcepljene amidne vezi. Primeri: arginaza, ureaza, glutaminaza itd. Veliko encimov amidaze se pojavi v ornitinskem ciklu.
4. Liaze so encimi, ki so po funkciji podobni hidrolazam, vendar se voda med cepljenjem vezi v molekulah ne porablja. Encimi tega razreda vedno vsebujejo nebeljakovinski del, na primer v obliki vitaminov B1 ali B6.
a) Dekarboksilaze. Ti encimi delujejo na vez C-C. Primeri soslužijo kot glutamat dekarboksilaza ali piruvat dekarboksilaza.
b) Hidrataze in dehidrataze so encimi, ki katalizirajo reakcijo cepitve C-O vezi.
c) Amidin-liaze - uničijo C-N vezi. Primer: arginin sukcinat liaza.
d) P-O liaza. Takšni encimi praviloma odcepijo fosfatno skupino od substratne snovi. Primer: adenilat ciklaza.
Biokemija encimov temelji na njihovi strukturi
Zmožnosti vsakega encima določa njegova individualna, edinstvena struktura. Encim je v prvi vrsti beljakovina, njegova struktura in stopnja zvijanja pa igrata odločilno vlogo pri določanju njegove funkcije.
Za vsak biokatalizator je značilna prisotnost aktivnega centra, ki je nato razdeljen na več neodvisnih funkcionalnih področij:
1) Katalitično središče je posebna regija beljakovine, preko katere je encim vezan na substrat. Glede na konformacijo proteinske molekule ima lahko katalitični center različne oblike, ki se morajo prilegati substratu na enak način kot ključavnica na ključ. Tako zapletena struktura pojasnjuje, zakaj je encimski protein v terciarnem ali kvartarnem stanju.
2) Adsorpcijski center - deluje kot "držalo". Tu je najprej povezava med molekulo encima in molekulo substrata. Vendar pa so vezi, ki jih tvori adsorpcijski center, zelo šibke, kar pomeni, da je katalitična reakcija na tej stopnji reverzibilna.
3) Alosterični centri se lahko nahajajo kotna aktivnem mestu in po celotni površini encima kot celote. Njihova funkcija je uravnavanje delovanja encima. Regulacija poteka s pomočjo inhibitornih molekul in aktivatorskih molekul.
Proteini aktivatorja, ki se vežejo na molekulo encima, pospešijo njegovo delo. Inhibitorji, nasprotno, zavirajo katalitično aktivnost, kar se lahko zgodi na dva načina: bodisi se molekula veže na alosterično mesto v območju aktivnega mesta encima (konkurenčna inhibicija) ali pa se veže na drugo regijo proteina. (nekonkurenčna inhibicija). Konkurenčna inhibicija velja za učinkovitejšo. Navsezadnje se s tem zapre prostor za vezavo substrata na encim, ta proces pa je možen le v primeru skoraj popolnega sovpadanja oblike molekule inhibitorja in aktivnega centra.
Encim pogosto ni sestavljen samo iz aminokislin, ampak tudi iz drugih organskih in anorganskih snovi. V skladu s tem se izolira apoencim - beljakovinski del, koencim - organski del in kofaktor - anorganski del. Koencim lahko predstavljajo ogljikovi hidrati, maščobe, nukleinske kisline, vitamini. Po drugi strani so kofaktor najpogosteje pomožni kovinski ioni. Delovanje encimov je odvisno od njegove strukture: dodatne snovi, ki sestavljajo sestavo, spremenijo katalitične lastnosti. Različne vrste encimov so rezultat kombinacije vseh zgoraj navedenih kompleksnih faktorjev tvorbe.
regulacija encimov
Encimi kot biološko aktivne snovi niso vedno potrebni za telo. Biokemija encimov je takšna, da lahko v primeru pretirane katalize škodijo živi celici. Da bi preprečili škodljive učinke encimov na telo, je treba nekako uravnavati njihovo delovanje.
T. Ker so encimi beljakovinske narave, se pri visokih temperaturah zlahka uničijo. Proces denaturacije je reverzibilen, vendar lahko pomembno vpliva na delovanje snovi.
pH igra tudi veliko vlogo pri regulaciji. Najvišjo aktivnost encimov praviloma opazimo pri nevtralnih pH vrednostih (7,0-7,2). Obstajajo tudi encimi, ki delujejo samo v kislem okolju ali samo v alkalnem. Torej se v celičnih lizosomih ohranja nizek pH, pri katerem je aktivnost hidrolitičnih encimov največja. Če slučajno vstopijo v citoplazmo, kjer je okolje že bližje nevtralnemu, se bo njihova aktivnost zmanjšala. Takšna zaščita pred "samoužitkom" temelji na posebnostih delovanja hidrolaz.
Omeniti velja pomen koencima in kofaktorja v sestavi encimov. Prisotnost vitaminov ali kovinskih ionov pomembno vpliva na delovanje določenih specifičnih encimov.
Nomenklatura encimov
Vsi telesni encimi so običajno poimenovani glede na njihovo pripadnost kateremu od razredov, pa tudi glede na substrat, s katerim reagirajo. Včasih se v skladu s sistematično nomenklaturo v imenu ne uporablja ena, ampak dva substrata.
Primeri imen nekaterih encimov:
- Jetrni encimi: laktat-dehidrogenaza, glutamat dehidrogenaza.
- Popolno sistematično ime encima: laktat-NAD+-oksidoredukt-aza.
Obstajajo tudi trivialna imena, ki se ne držijo pravil nomenklature. Primeri so prebavni encimi: tripsin, kimotripsin, pepsin.
Proces sinteze encimov
Funkcije encimov so določene na genetski ravni. Ker je molekula v veliki meri beljakovina, njena sinteza natančno ponavlja procese transkripcije in prevajanja.
Sinteza encimov poteka po naslednji shemi. Najprej se iz DNK preberejo informacije o želenem encimu, zaradi česar nastane mRNA. Messenger RNA kodira vse aminokisline, ki sestavljajo encim. Regulacija encimov se lahko zgodi tudi na ravni DNK: če je produkt katalizirane reakcije zadosten, se transkripcija gena ustavi in obratno, če obstaja potreba po produktu, se aktivira proces transkripcije.
Ko mRNA vstopi v citoplazmo celice, se prične naslednja faza - translacija. Na ribosomih endoplazmatskega retikuluma se sintetizira primarna veriga, sestavljena iz aminokislin, povezanih s peptidnimi vezmi. Vendar beljakovinska molekula v primarni strukturi še ne more opravljati svojih encimskih funkcij.
Dejavnost encimov je odvisna od strukture beljakovin. Na istem ER pride do zvijanja beljakovin, zaradi česar nastanejo najprej sekundarne in nato terciarne strukture. Sinteza nekaterih encimov se že na tej stopnji ustavi, vendar je za aktiviranje katalitične aktivnosti pogosto potrebnododatek koencima in kofaktorja.
Na določenih predelih endoplazmatskega retikuluma so pritrjene organske sestavine encima: monosaharidi, nukleinske kisline, maščobe, vitamini. Nekateri encimi ne morejo delovati brez prisotnosti koencima.
Kofaktor igra ključno vlogo pri tvorbi kvartarne strukture beljakovin. Nekatere funkcije encimov so na voljo šele, ko protein doseže domensko organizacijo. Zato je zanje zelo pomembna prisotnost kvartarne strukture, v kateri je vezni člen med več beljakovinskimi globulami kovinski ion.
Več oblik encimov
Obstajajo situacije, ko je treba imeti več encimov, ki katalizirajo isto reakcijo, vendar se med seboj razlikujejo po nekaterih parametrih. Encim lahko na primer deluje pri 20 stopinjah, pri 0 stopinjah pa ne bo več mogel opravljati svojih funkcij. Kaj naj stori živi organizem v takšni situaciji pri nizkih temperaturah okolice?
Ta problem je enostavno rešiti s prisotnostjo več encimov hkrati, ki katalizirajo isto reakcijo, vendar delujejo v različnih pogojih. Obstajata dve vrsti več oblik encimov:
- Izoencimi. Takšne beljakovine kodirajo različni geni, sestavljeni so iz različnih aminokislin, vendar katalizirajo isto reakcijo.
- Pravi množinske oblike. Ti proteini so prepisani iz istega gena, vendar so peptidi modificirani na ribosomih. Rezultat je več oblik istega encima.
BPosledično se prvi tip več oblik oblikuje na genetski ravni, drugi tip pa na post-translacijski ravni.
Pomen encimov
Uporaba encimov v medicini se zmanjša na sproščanje novih zdravil, v katerih so snovi že v pravih količinah. Znanstveniki še niso našli načina, kako bi spodbudili sintezo manjkajočih encimov v telesu, danes pa so široko dostopna zdravila, ki lahko začasno nadomestijo njihovo pomanjkanje.
Različni encimi v celici katalizirajo najrazličnejše reakcije, ki vzdržujejo življenje. Eden od teh enizmov so predstavniki skupine nukleaz: endonukleaze in eksonukleaze. Njihova naloga je vzdrževati konstantno raven nukleinskih kislin v celici, pri čemer odstranijo poškodovano DNK in RNA.
Ne pozabite na takšen pojav, kot je strjevanje krvi. Ker je ta proces učinkovito zaščitno sredstvo, je pod nadzorom številnih encimov. Glavni je trombin, ki pretvori neaktivni protein fibrinogen v aktivni fibrin. Njegove niti ustvarjajo nekakšno mrežo, ki zamaši mesto poškodbe žile in s tem prepreči prekomerno izgubo krvi.
Encimi se uporabljajo v vinarstvu, pivovarstvu, pridobivanju številnih fermentiranih mlečnih izdelkov. Kvas se lahko uporablja za proizvodnjo alkohola iz glukoze, vendar izvleček iz njega zadostuje za uspešen potek tega procesa.
Zanimiva dejstva, ki jih niste vedeli
- Vsi encimi v telesu imajo ogromno maso - od 5000 do1000000 Da. To je posledica prisotnosti beljakovin v molekuli. Za primerjavo: molekulska masa glukoze je 180 Da, ogljikov dioksid pa le 44 Da.
- Do danes je bilo odkritih več kot 2000 encimov, ki so jih našli v celicah različnih organizmov. Vendar večina teh snovi še ni popolnoma razumljena.
- Encimska aktivnost se uporablja za proizvodnjo učinkovitih detergentov za pranje perila. Encimi tukaj opravljajo enako vlogo kot v telesu: razgrajujejo organske snovi in ta lastnost pomaga v boju proti madežem. Podoben pralni prašek je priporočljivo uporabljati pri temperaturi, ki ni višja od 50 stopinj, sicer lahko pride do procesa denaturacije.
- Po statističnih podatkih 20 % ljudi po vsem svetu trpi zaradi pomanjkanja katerega koli od encimov.
- Lastnosti encimov so znane že zelo dolgo, a šele leta 1897 so ljudje spoznali, da se za fermentacijo sladkorja v alkohol lahko uporabi ne sam kvas, temveč izvleček iz njihovih celic.
