Enzym
Z Wikipedii
Enzymy (gr. ensyme: en - w, syme - drożdże) – rodzaj białek występujących naturalnie w organizmach żywych, których działanie sprowadza się do katalizowania reakcji biochemicznych. Zwane są także inaczej fermentami. Katalizowanie reakcji przez białkowe katalizatory (enzymy alias fermenty) polega na przyspieszeniu szybkości zajścia reakcji (szybciej przebiega, ale wartość stałej równowagi reakcji pozostaje niezmieniona).
Spis treści |
[edytuj] Mechanizm katalizowania reakcji biochemicznych
Enzymy stanowią największą grupę tzw. biokatalizatorów. Biokatalizatory stanowią właściwie podgrupę katalizatorów, pochodzenia biologicznego. Działanie katalizatorów nie wiąże się, jak można niekiedy przeczytać w starszych podręcznikach, z obniżeniem energii aktywacji. Energia aktywacji określa, jaką energię muszą mieć cząsteczki substratu, aby w reakcji elementarnego zderzenia (vide teoria zderzeniowa Arrheniusa; dziś uważa się, że wystarczy zbliżenie atomów lub cząsteczek reagentów) powstał produkt reakcji. Mówiąc inaczej, jeżeli cząsteczki nie zbliżą się do siebie mając odpowiednio wysoki wartość energii kinetycznej, to nie pokonają bariery aktywacji, koniecznej do zajścia reakcji (można ją utożsamiać z energią aktywacji). Zbliżenie dwóch indywiduów chemicznych o odpowiedniej energii powoduje wzrost energii potencjalnej układu. W momencie, gdy układ osiąga stan maksymalnej energii potencjalnej (ekstremum globalne) dochodzi do utworzenia przejściowego tworu (reakcja odwracalna) zwanego kompleksem aktywnym. Kompleks ten może z powrotem utworzyć substraty lub w skutek przegrupowania atomów cząsteczek wchodzących w skład kompleksu aktywnego utworzyć produkt (energia potencjalna maleje do wartości charakterystycznej dla produktów). Stan, w którym następuje osiągnięcie wartości energii potencjalnej charakterystycznej dla produktów (po przegrupowaniu atomów) a kompleks aktywny jeszcze się nie rozpadł, nazywamy stanem przejściowym reakcji. Pod wpływem niewielkiego bodźca, następuje "rozpad" kompleksu aktywnego i utworzenie właściwych produktów. Mechanizm kinetyczny reakcji, opisany tutaj, jest właściwy dla wszystkich reakcji. Katalizatory mogą przyspieszać osiągnięcie stanu równowagi (nie zmieniają wartości stałej równowagi reakcji) poprzez m.in. stabilizację kompleksu aktywnego a także poprzez zmianę mechanizmu reakcji. Tak działają wszystkie katalizatory, w tym i enzymy. Wartość bariery aktywacji (energii aktywacji) jest zdeterminowana rodzajem reakcji (ułożenie atomów i ich rodzaj w kompleksie aktywnym) i nie może być obniżana przez katalizator. Energia aktywacji jest funkcją parametrów intensywnych układu (temperatury, ciśnienia, objętości - tj. parametrów niezależnych od masy układu), stąd podwyższenie temperatury, czy ciśnienia spowoduje przyspieszenie szybkości reakcji. W stałej temperaturze (T=const), ciśnieniu (p=const) i objętości (V=const) katalizatory nie powinny działać! W celu zdemaskowania twierdzenia, że enzymy obniżają energię aktywacji warto przeprowadzić proste doświadczenie:
1. Wziąć probówkę, wlać do niej skrobię i roztwór jodu (0,5% roztwór jodu przygotowany poprzez rozpuszczenie jodu w stężonym roztworze jodku potasu). Jak wiadomo, skrobia z jodem tworzy granatowy kompleks. Zmiany barwy roztworu w czasie reakcji pozwolą na obserwowanie "gołym okiem" postępu reakcji.
2.Do probówki dodać śliny (amylazy) lub handlowych preparatów amylaz. Amylazy powodują upłynnienie skrobi i jej rozkład. Najpierw, w miarę ubywania skrobi, roztwór zmienia kolor na bardziej fioletowy (amylodekstryny), potem na czerwony (erytrodekstryny), pomarańczowy (achrodekstryny). W momencie, gdy cała skrobia zostanie rozłożona, roztwór odbarwia się. Probówkę należy umieścić na statywie (próbka kontrolna).
3. Do drugiej probówki dodać te same składniki, umieścić w autoklawie (czas eksperymentu nie pozwala na osiągnięcie stanu równowagi), który będzie symulował zmienne warunki ciśnienia i temperatury (temperatura niezbyt wysoka ~ ok.320K)
4. Trzecią probówkę, z tymi samymi składnikami, należy umieścić w termostacie (T=const). Stałą objętość roztworu zapewniają ścianki probówki (warunki izochoryczne, przy zaniedbaniu parowania), natomiast brak korka w probówce (kontakt z atmosferą) gwarantuje warunki izobaryczne. Zmianę barwy kontrolować, co pięć minut, przez godzinę. W warunkach izobaryczno- izochoryczno-izotermicznych (w przybliżeniu) energia aktywacji jest dla danej reakcji stała.
Co ciekawe, odbarwienie roztworu zajdzie we wszystkich trzech probówkach. Oznacza to, że działanie enzymów (wszystkich katalizatorów) nie wiąże się ze obniżeniem energii aktywacji, bo w trzeciej probówce dla reakcji rozkładu skrobi, bariera aktywacji została ustalona na stałym poziomie (energia potencjalna układu substratów nie mogła się podnieść poprzez wzrost temperatury, ciśnienia, czy zmniejszenie objętości). Każdy katalizator zmienia mechanizm reakcji. Nowa reakcja (z katalizatorem) może mieć większą barierę aktywacji (kataliza ujemna lub inhibicja) lub mniejszą (kataliza dodatnia) od reakcji wyjściowej. Czasami wartość bariery jest identyczna a jednak reakcja wymaga obecności dodatkowego substratu (słynne ciała "M").
Mechanizm reakcji niekatalizowanej
A + B ↔ [AB]# → Pp → Produkt gdzie A, B to substraty, [AB]# kompleks aktywny, Pp produkt przejściowy
Mechanizm reakcji katalizowanej
A + kat ↔ [A-kat]
[A-kat] + B ↔ [A-kat-B]#
[A-kat-B]# → Pp → Produkt + kat, gdzie kat- katalizator, [A-kat-B]# - kompleks aktywny
Enzymy są niczym więcej, jak tylko katalizatorami, białkowymi katalizatorami. Wykazują, więc mechanizm działania taki sam, jak wszelkie inne katalizatory. Przykład: Najpierw substrat, np. mocznik zbliża się do centrum aktywnego enzymu ureazy. Centrum aktywne stanowi miejsce, które wiąże substraty i jest odpowiedzialne za przebieg reakcji katalitycznej. Enzym łączy się tylko z substratem o odpowiedniej konformacji przestrzennej (analogia „klucz pasuje tylko do odpowiedniego zamka”), wskutek tego tworzy się, znany z lekcji biologii kompleks ES (enzym substrat), odpowiada on w przybliżeniu kompleksowi aktywnemu i stanowi przejściowemu reakcji (kinetyka chemiczna). Kompleks ten rozpada się na enzym i produkt (ditlenek węgla i amoniak). Często, w zapisie sumarycznej reakcji, nie uwzględnia się roli enzymu. Warto jednak pamiętać, że stanowi on substrat reakcji! Reakcja katalityczna ma, zatem inny mechanizm, niż reakcja przebiegająca bez udziału enzymu. Działanie enzymu nie wiąże się, więc w żaden sposób z rzekomym obniżeniem energii aktywacji. Pomimo, że na kierunkach przyrodniczych często nie prowadzi się zajęć z chemii fizycznej, lub chociaż biofizyki (względnie kończą się zaliczeniem na ocenę), to w najnowszych podręcznikach biochemii nie spotyka się już raczej twierdzeń o obniżaniu energii aktywacji przez enzymy.
Przykład:
mocznik + ureaza → kompleks ES powstaje kompleks enzym-substrat (ureaza-mocznik)
ES → amoniak + ditlenek węgla + ureaza
[edytuj] Budowa i działanie
Jeżeli enzym jest białkiem złożonym, to składa się z:
- części białkowej nazywanej apoenzymem
- części niebiałkowej nazywanej koenzymem lub grupą prostetyczną enzymu (w zależności od rodzaju wiązania łączącego ją z apoenzymem). Grupa prostetyczna jest trwale związana z enzymem.
Enzym składający się z obu wymienionych części określany jest mianem holoenzymu. (apoenzym + koenzym = holoenzym lub apoferment+koferment=holoferment)
[edytuj] Specyficzność
Działanie enzymów charakteryzuje się specyficznością - katalizuje tylko określony substrat lub określony typ reakcji chemicznej.
[edytuj] Model "klucza i zamka"
W 1894 roku Emil Fischer zasugerował, że zarówno miejsce aktywne enzymu jak i substrat posiadają specyficzne, komplementarne względem siebie kształty. Model ten często przyrównuje się do "klucza i zamka". Enzym łączy się z substratem tworząc nietrwały kompleks enzym-substrat. Model ten tłumaczy specyficzność enzymu względem substratu, jednak nie wyjaśnia w jaki sposób stabilizowany jest stan przejściowy.
[edytuj] Model indukowanego dopasowania
W 1958 roku Daniel Koshland zmodyfikował model "klucza i zamka". Enzymy są strukturami giętkimi, w związku z czym możliwa jest modyfikacja kształtu enzymu w wyniku interakcji z substratem. Łańcuchy boczne aminokwasów tworzące miejsce aktywne enzymu mogą przemieszczać się w jego obrębie dopasowując się do kształtu specyficznego subtratu. W przeciwieństwie do modelu "klucza i zamka", ten model wyjaśnia specyficzność enzymów oraz sposób stabilizacji stanu przejściowego.
[edytuj] Klasyfikacja
Klasy enzymów wg klasyfikacji międzynarodowej:
- Klasa 1: oksydoreduktazy - przenoszą ładunki (elektrony i jony H3O+ - protony) z cząsteczki substratu na cząsteczkę akceptora: AH2 + B → A + BH2;
- Klasa 2: transferazy - przenoszą daną grupę funkcyjną (tiolową, aminową, itp.) z cząsteczki jednej substancji na cząsteczkę innej substancji: AB + C → A + BC;
- Klasa 3: hydrolazy - powodują rozpad substratu pod wpływem wody (hydroliza); do grupy tej należy wiele enzymów trawiennych: AB + H2O → A + B;
- Klasa 4: liazy - powodują rozpad substratu bez hydrolizy: AB → A + B;
- Klasa 5: izomerazy - zmieniają wzajemne położenie grup chemicznych bez rozkładu szkieletu związku: AB → BA;
- Klasa 6: ligazy - powodują syntezę różnych cząsteczek; powstają wiązania chemiczne: A + B → AB;
Klasyfikacja enzymów przydziela im numer EC (ang. enzyme code) czyli kod danego enzymu.
Działanie enzymu opiera się na przyłączaniu odpowiedniego substratu do centrum aktywnego, które zbudowane jest z konkretnej (zależnej od reakcji, którą ma katalizować) sekwencji aminokwasów. Następuje to w specyficznych warunkach, tj.:
- w temperaturze ok. 37-40 °C
- przy odpowiednim pH
- przy braku inhibitorów (np. soli metali ciężkich)
- w obecności aktywatorów
Enzymy nie tracą swoich właściwości w reakcjach przeprowadzanych in vitro. Enzymy, podobnie jak inne katalizatory, nie zużywają się w wyniku uczestniczenia w reakcji. Przyjmuje się, że jeden enzym jest zdolny do katalizowania tylko jednego typu reakcji ("jeden enzym - jedna reakcja"). Znaczna swoistość enzymów jest odbiciem ich III-rzędowej struktury. Znane nauce są, mimo wszystko, enzymy katalizujące kilka reakcji.
[edytuj] Historia odkrycia
Termin enzym został wprowadzony przez Kuhne, podobno współpracownika Pasteura ok. 1836 r. Równolegle Jöns Jacob Berzelius ogłosił klasyczną teorię katalizy chemicznej, a w 1897 r. bracia Buechner przeprowadzili fermentację alkoholową poza komórką. Przed doświadczeniem braci Buechner sądzono, iż aktywność katalityczna enzymu może znaleźć swój wyraz jedynie w nienaruszonej komórce, mimo, iż Gustav Kirchhoff w 1814 r. przeprowadził hydrolizę skrobi przy użyciu wyciągu ze słodu - stąd taka właśnie etymologia słowa.
[edytuj] Zastosowanie w przemyśle
Enzymy znalazły zastosowanie w technologiach przemysłowych (np. przy hydrolizie skrobi i białek) i spożywczych, a także analizie chemicznej. Szeroko stosowane są m.in. w genetyce, np. w metodzie PCR, gdzie konieczne stało się wykorzystanie enzymów pochodzących od archebakterii, ze względu na ich stabilność w wysokich temperaturach.
[edytuj] Zobacz też
