ENZIMI – struktura i opće karakteristike
Enzimi nositelji su mnogih metaboličkih reakcija u tijelu. Metaboličke reakcije u ljudskom tijelu ne bi bile moguće bez prisutnosti enzima. Supstrati su spojevi koji su kemijski modificirani djelovanjem enzima. Prvi enzim izoliran u kristalnom stanju bila je ureaza (ljeto).
Enzimi sadrže aktivno središte koje je dio njihovog lanca i posebno je presavijeno. Denaturirajući enzim, oni gube svoju funkciju, iako aminokiselinski slijed ostaje isti. Mnogi se enzimi sastoje od proteinskog i ne-proteinskog (protetskog) dijela. Apoenzimi takvu skupinu vežu reverzibilno, a protetska skupina naziva se koenzim.
Enzimi su stereospecifični. Oni reagiraju sa samo jednim stereoizomerom supstrata.
Svojstva enzima mogu se podijeliti u 4 pravila:
- Oni reverzibilno vežu podlogu.
- Oni ne mijenjaju smjer kemijske reakcije već je ubrzavaju u oba smjera.
- Kemijski nepromijenjeni (fizički izmijenjeni) izlaze iz reakcije.
- Enzimska kataliza se može regulirati.
Aktivacijska energija
Koraci u reakcijama s enzimima:
Spajanje enzima i supstrata s enzimom-supstratom (ES) je eksergonska reakcija.
Petrov zakon djelovanja odnosi se na svaki korak. Reakcije u tijelu su uglavnom androgeni, a u prisutnosti enzima ubrzavaju se za faktor 〖10〗 ^ 8- 〖10〗 ^ 10.
Intermedijarne reakcije do kojih dolazi do cjelokupnog procesa nisu u ravnoteži jer se uvijek konzumira jedan proizvod. Druga reakcija mora biti eksergonijska da bi G = 0 ukupno vrijedio.
Struktura enzima
Enzimi su uglavnom globularni proteini, molekularni Peter od 1000 – 10000. Mogu se kombinirati u multienzimske komplekse, koji postaju važna mjesta regulacije. Višestruko presavijeni dio lanca stvara kostur za stabilizaciju aktivnog središta. U ovom se trenutku supstrat veže oslobađanjem energije.
Središte se nalazi u utoru u kojem bočni lanci aminokiselina i ponekad kovalentno vezani supstrati mogu reagirati sa supstratom. Ova struktura nije kruta, već dinamična i postiže reverzibilne konformacijske promjene. U reakciji vezanja važan je i prostorni raspored sudionika te dolazi do inducirane konformacijske promjene supstrata i enzima.
Enzimi su uglavnom izolirani u kristalnom obliku, a njihova struktura određena je difrakcijom X-zraka.
Aktivno mjesto generira više dijelova polipeptidnog lanca. Supstrat ulazi u utor, izložen reaktivnim skupinama bočnih lanaca polipeptida. Može biti vezan ionskom vezom, metalom (magnezijev ion), hidrofobnim ili vodikom. Također postoji konformacijska promjena na supstratu i enzimu koja se naziva inducirana adaptacija.
Tijekom reakcije vezanja supstrat se uklanja iz vodene okoline i ulazi u novu, u kojoj je druga konstanta ravnoteže, takozvana konstanta unutarnje ravnoteže. Na supstrat djeluju različite funkcionalne skupine u utoru, djelujući kao akceptori ili donatori protona. Dolazi do steričke i elektroničke deformacije podloge.
Ovi gore spomenuti procesi stvaraju prijelazno stanje u kojem se proizvod oslobađa uz oslobađanje energije.
Ping-Pong mehanizam
Ping-Pong mehanizam temelji se na činjenici da se više podloga veže u određenom redoslijedu. U ovom procesu funkcionalne skupine prelaze s jedne podloge na drugu. Drugi supstrat veže se za aktivno mjesto tek nakon disocijacije prvog. Primjer ovog mehanizma su aminotransferaze za prijenos amino skupina, pri čemu nastaje Schiffova baza.
U centru za aktivaciju neki bočni lanci su predodređeni da komuniciraju:
Histidin
Histidin sadrži imidazolilni ostatak koji može primiti elektrone i preći u imidazolij ion, tvoreći prsten s dva ekvivalentna atoma dušika (pKa = 6 – 7). Histidin može biti akceptor ili donor protona u neutralnom okruženju i učinkovit je katalizator u kiselinsko-baznim reakcijama.
Karboksilatni ion glutamin i asparaginska kiselina mogu biti akceptori protona.
Arginin
Arginin ima jako bazičnu gvanidino skupinu koja može vezati negativno nabijene skupine i tako sudjelovati u vezanju supstrata.
Lizin
Lizin može doprinijeti vezivanju supstrata, a reaktivna skupina -NH2 može stvarati Schiffove baze s karbonilnim spojevima.
Cistein
Cistein sadrži -SH skupinu, koja je slabo kisela i učinkovit je nukleofil. Ova skupina reagira s jodoacetamidom i N-etilmaleinimidom, a skupina -SH je blokirana, tj. Dolazi do trovanja enzimima. Joni teških metala (Hg, Cu () i živa organski spojevi također dovode do trovanja enzimima. SH skupina igra važnu ulogu u stvaranju kovalentnih međuprodukata, kao što su npr. Tioestri, koji su energetski bogati spojevi.
Serine
Serine sadrži –OH skupinu koja može sudjelovati u kovalentnoj katalizi. U serinskoj proteazi hidroksilna skupina veže se na ostatak peptidnog lanca. Ova skupina također može stvoriti vodikove veze i tako sudjelovati u vezanju supstrata.
Tirozin
Tirozin Sadrži fenolnu skupinu koja može biti nukleofil u disociranom obliku, dok je u protoniranom stanju sudionik u hidrofobnim interakcijama s aromatičnim supstratima.
Metoda označavanja afiniteta sintetizira supstrat koji se veže za aktivno mjesto. Cijepanjem enzima s proteazom i ispitivanjem nastalih peptida može se utvrditi koje su aminokiseline s aktivnog mjesta uključene u vezanje supstrata i druge reakcije.
Skupine koje se mogu reverzibilno protonirati nalaze se i na površinama enzimskih proteina. Njihov stupanj disocijacije ovisi o pH, pa se stoga konformacija proteina i njegovo katalitičko djelovanje mijenjaju ovisno o pH.
Zove se količina pH pri kojoj je katalitičko djelovanje najbolje pH-optimum .
Kako se temperatura povećava, tako se povećava i aktivnost enzima sve dok ne počne denaturacija.
U enzimskoj katalizi, zbog specifičnosti katalitičkog centra, uvijek se katalizira samo jedna reakcija. Zbog veličine, konformacije i raspodjele naboja postoji specifičnost prema podlozi koja se može različito izraziti. Specifičnost za stereoizomere posebno je izražena i odnosi se na kiralne i nekiralne supstrate.
Ponekad nekoliko tvari reagira s jednim enzimom, pa govorimo o specifičnosti skupine (glikozidaze).
Izoenzimi
Izoenzimi kataliziraju istu reakciju, ali se razlikuju u strukturi, što se može genetski odrediti. Postoje ili stvarno različiti geni ili oligomeri sastavljeni od različitih podjedinica. Izoenzim je aldolaza ili laktat dehidrogenaza koja ima 5 različitih tetramera, a ekspresija pojedinih podjedinica ovisi o organu. Mogu se međusobno razlikovati u pogledu specifičnosti za supstrat ili osjetljivosti na regulatorne čimbenike.
Multienzimski kompleksi
Multienzimski kompleksi su agregati nekoliko enzima koji kataliziraju niz povezanih reakcija (piruvat ili oligomerne supra strukture sastoje se od dijela enzimskih proteina nastalih fuzijom gena. Njihovo je načelo djelovanja da se međuprodukt enzimske reakcije prenosi s jednog enzima na drugi unutar kompleksa (supra struktura).
