Ензими

Ензимите са биологични катализатори (ускорители на химични процеси), за които
са валидни всички общи свойства на катализаторите. Отличават се от тях по изключително високата си ефективност, специфичност (субстратна и реакционна) и възможността за регулация на активността и синтезата им.
Ензимите са високоспециализирани белтъчни молекули, които биват еднокомпонентни (съдържащи само белтъчна част) и двукомпонентни (съдържащи белтъчна и небелтъчна част ). Ако връзката между двете съставни части е слаба, небелтъчната част се нарича коензим, ако връзката между двете части е здрава, ковалентна – небелтъчната част се определя като простетична група.

Ролята на коензими и простетични групи се изпълнява от витамини или техни производни, от някои метални йони, фосфатни остатъци и др. От химична гледна точка част от коензимите са нуклеотиди, напр. АТФ. Някои от нуклеотидните коензими са едновременно и производни на витамини, напр. НАД, ФАД и др.

Броят на ензимите, участващи в осъществяване на метаболизма на клетката надвишава 3000. Те са разпределени в
шест главни групи:

І. Оксидоредуктази;

ІІ. Трансферази;

ІІІ. Хидролази;

ІV. Лиази;

V. Изомерази;

VІ. Синтетази;

Ензимното име има две части: напр. сукцинат дехидрогеназа. Първата част дава името на субстрата, а втората посочва типа на катализираната реакция. Всеки ензим има кодов номер, състоящ се от четири цифри. Първата дава типа на реакцията (главната група); втората и третата цифри дават допълнителна информация за характера и механизма на реакцията (определят подгрупата и подподгрупата). Четвъртата цифра е индивидуалният номер на ензима.

Активният център е малка част по повърхността на ензимната молекула, където се свързва субстратът, за да се превърне в продукт. В еднокомпонентните ензими активният център се състои от няколко отдалечени по протежение на веригата аминокиселинни остатъци, които са близко в пространството поради формираната третична структура на белтъчната молекула. От функционална гледна точка различните химични групи в активния център се определят като каталитични и контактни. В двукомпонентните ензими за формиране на активния център
групи предоставя и небелтъчната съставка. Тя предлага най-често каталитични групи, оставяйки за апоензима
контактната функция.

Специфичността, реакционна и субстратна, е едно от най-съществените свойства на ензимите. Реакционната специфичност се определя от възможностите на групите в активния център да образуват или разграждат определен тип химични връзки. Субстратната специфичност се обяснява с високите стерични изисквания на активния център спрямо субстрата, произтичащи от определена ензимна конформация. Има различни модели за обяснение на субстратната специфичност:

1) на Фишер (абсолютно структурно и геометрично съответствие между активния център и субстрата)
, валиден за малък брой абсолютно специфични ензими;

2) на Кошланд (индуцирано структурно притъкмяване плюс субстратно напрежение), валиден за повечето ензими. Стереоспецифичността се обяснява с множествено свързване на субстрата към активния център.

Значение на ензимите

Учението за ензимите е основа на нашите познания върху всеки жизнен процес в норма и патология. Всеки физиологичен процес протича благодарение на каталитичното действие на определени ензими. Много заболявания непосредствено възникват от нарушения в ензимната катализа. Определянето на ензимни активности в кръв и други биологични течности дава ценни сведения за медицинската диагностика. Ензими се използват и за терапия при някои заболявания, напр. инфаркт на миокарда. Поради това изучаването на особеностите на ензимите и на катализираните от тях реакции е рационален и съвременен подход в медицината.

Oбщи свойства на ензимите като катализатори

Ензимите са биокатализатори, ускоряващи определени химични реакции в клетката. Болшинството от ензимите са белтъци, предимно глобуларни. Отскоро се знае, че малка част от РНК, наречени рибозими, също действат като биокатализатори.

За ензимите са валидни всички общи свойства на катализаторите:

1) Увеличават скоростта на спонтанно протичащи реакции, без да изместват химичното равновесие.

2) Променят в еднаква степен скоростта на правата и на обратната реакция до достигане на химично равновесие.

3) Действуват в незначителни количества.

4) Понижават активиращата енергия на реакцията.

Ензимите, както и другите катализатори, снижават активиращата енергия, защото провеждат реакцията по друг път с по-ниски енергетични изисквания. Характерно е образуването на междинно съединение между изходното вещество (т.н. субстрат) и ензима, което се нарича ензим-субстратен комплекс. Възможно е да се образуват няколко междинни съединения. Независимо колко са междинните фази, активиращата им енергия е винаги по-ниска от тази за некатализираната реакция.

Коензими и простетични групи

Освен еднокомпонентни, има и двукомпонентни ензими, които съдържат белтъчна съставка (апоензим) и небелтъчна съставка. Апоензимът е термолабилен, високомолекулен и не диализира през полупропускливи мембрани. Небелтъчната съставка е термостабилно, нискомолекулно вещество, което диализира през полупропускливи мембрани. Двукомпонентният ензим се означава като холоензим.

1 – витамин Н (биотин) – простетична група на карбоксилази;

2 – витамин В6 (пиридоксол), пиридоксал и активните производни пиридоксалфосфат и пиридоксаминфосфат, коензими на трансаминази.

Като коензими или простетични групи функционират витамини или техни производни (витамините се синтезират в растенията и постъпват в организма на животните и човека с храната). Напр. витамин Н или биотин е простетична група на карбоксилази, свързана към апоензима с ковалентна връзка. Пиридоксалфосфат и пиридоксаминфосфат, близки производни на витамин В6 (пиридоксол), са коензим на трансаминази. Метални йони и фосфатни остатъци често действат като простетични групи.

От химична гледна точка част от коензимите са нуклеотиди – напр. АТФ е преносител на фосфатна група и енергия. Други нуклеотидни коензими са едновременно и производни на витамини – напр. никотинамидаденин динуклеотид (НАД), пренасящ водород, е динуклеотид, който съдържа аденилов нуклеотид и друг нуклеотид с никотинамидна база. Последната е всъщност витамин РР. Подобен е случаят и с други Н-пренасящи коензими като флавинмононуклеотид (ФМН) и флавинадениндинуклеотид (ФАД). ФМН и ФАД съдържат базата рибофлавин (витамин В2).

Примери за нуклеотиди, съдържащи витамини и изпълняващи ролята на коензими:

А - никотинамидадениндинуклеотид (НАД) и никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ);
Б – флавинмононуклеотид (ФМН) и флавинадениндинуклеотид (ФАД).

Представа за механизъм на ензимната катализа

Въпреки че в края на реакцията eнзимите като катализатори се възстановяват непроменени, те фактически участват активно в хода на реакцията – образуват със субстрата (S) междинен ензимно-субстратен комплекс (ЕS). ES комплекси са много нестабилни, имат къс живот, трудно се изолират и изучават. Не при всички ензимни белтъци се знае детайлната пространствена организация, което също затруднява изучаването на ES комплекси. Но има доказателства, че те наистина възникват:

- промяна в спектъра на ензима при взаимодействие със субстрата – напр. при пероксидаза с простетична група хем;

- чрез рентгеноструктурен анализ са получени преки доказателства за образуване на ES комплекси;

- изолиранe на комплекси между ензим и инхибитор, който е структурен аналог на субстрата. Тези комплекси са по-стабилни и по-лесно се изолират.

В най-общ вид ензимно-катализираната реакция протича по следния начин:

Е + S ——-> ES ——-> EP ——–> E + P

В рамките на този комплекс субстратът се преобразува в продукт на реакцията (P), временно свързан с ензима като ензим-продуктен комплекс (EP). Продуктът се освобождава от ензима, който може отново да свърже нова молекула субстрат. Всеки от трите съставни процеса притежава своя активираща енергия, по-ниска от енергията на некатализирания процес.

Активиращата енергия може да се понижи по четири различни механизма:

1) киселинно-основна катализа (напр. при рибонуклеаза);

2) индуциране на напрежение в субстратната молекула (напр. при лизозим);

3) ковалентна катализа (напр. при серинови протеази);

4) ентропийни ефекти.

Често ензимните реакции са от смесен тип. Напр. при лизозим се наблюдава комбинация от първите два механизма. При реакциите, в които участва повече от един субстрат, или пък като втори субстрат действа някакъв коензим, реакцията протича по два главни механизма:

1) т.н. “пинг-понг”-механизъм (напр. при трансаминиране);

2) последователен механизъм, като редът на свързването на субстратите може да бъде случаен или определен.

Какво е активен център?

Ензимът взаимодейства със субстрата чрез своя активен център. Активният център е неголям участък по повърхността на ензимната молекула, където субстратът се свързва и се превръща в продукт. В еднокомпонентни ензими активният център се състои от няколко аминокиселинни остатъка, които са отдалечени по протежение на полипептидната верига, но са близко разположени в пространството поради формиране на третична структура на белтъка. Напр. в активния център на химотрипсин участват Хис57, Асп102 и Сер195.

От химична гледна точка групите в активния център могат да бъдат най-различни -SH, -NH2, -ОН, имидазолово ядро и пр. От функционална гледна точка, според Кошланд се различават 2 вида групи, участващи в активния център:

- каталитични (вземат пряко участие в реакциите на превръщане на субстрата в продукт).

- контактни (прикрепват субстрата към активния център така, че атакуемата от ензима връзка да попадне в обсега на действие на каталитичните групи).

В случаите, когато катализираната реакция изисква включването на две или повече различни субстратни молекули, контактните групи ги довеждат до най-благоприятна за реагиране позиция. Така контактните групи съдействат най-много за високата скорост на ензимно катализираните реакции.

Реакционна специфичност

Реакционната специфичност се определя от възможностите на включените в активния център аминокиселинни остатъци да образуват или разграждат определен тип химични връзки. Пример: три различни ензимa аминоацидооксидази (E1), трансаминази (Е2) и декарбоксилази (Е3) превръщат един и същи субстрат (аминокиселини) в три различни процеса до различни продукти.

Субстратна специфичност

Субстратната специфичност се обяснява с високите изисквания на активния център спрямо субстрата, произтичащи от определена ензимна конформация. Чрез пространствената организация на ензима се създава много добро химично и структурно съответствие на контактните и каталитичните групи в активния център към съответните групи от субстрата. Молекулните размери и разположението на йонни групи и хидрофобни участъци в ензима осигуряват възможност за свързване на определен, понякога единствен субстрат. Други ензими проявяват известна толерантност и могат да въздействат на няколко близки по структура субстрати. Например хексокиназата катализира фосфорилирането на глюкоза, фруктоза, маноза, глюкозамин и 2-дезоксиглюкоза, но с различна скорост.

Съществуват различни модели за обясняване на субстратната специфичност на ензимите. Според модела на Фишер съществува априори абсолютно структурно и геометрично съответствие между активния център и субстратната молекула, така както е съответствието между секретна брава и ключ. Водородни, йонни връзки и хидрофобни взаимодействия допринасят за свързването между ензима и субстрата. Този модел добре обяснява абсолютната субстратна специфичност при малък брой ензими – напр. уреаза, аргиназа, сукцинат дехидрогеназа, амино-ацил-тРНК синтетази.

Уреазата катализира единствено разграждането на уреа до амоняк и въглероден двуокис. Субстрати като тиокарбамид (има геометрично, но липсва химично съответствие) или биурет (има химично, но не и геометрично съответствие) не влизат в активния център. Изследвани са стотици съединения и резултатът е все един и същ – уреазата има един единствен субстрат. Абсолютната специфичност на амино-ацил-тРНК синтетазите осигурява недопускане на грешки при белтъчната биосинтеза.

1 – Абсолютно структурно и химическо съответствие от типа “ключ-ключалка” (Фишер);

2 – Индуцирано структурно притъкмяване (Кошланд);

3 – Индуцирано структурно притъкмяване плюс субстратно напрежение (Кошланд);

Моделът на Фишер не може да обясни всички случаи на взаимодействие между ензима и субстрата. Според Кошланд, активният център и субстратът не съвпадат напълно стерично. Взаимодействието на ензима и субстрата предизвиква конформационни промени в свързващото място, което се променя – увеличава се афинитетът към субстрата, преориентират се някои групи и се оформя каталитичният активен център. Това е т. н. модел за индуцираното структурно притъкмяване между ензима и субстрата.

Пример за подобни промени дава ензимът хексокиназа, която придвижва един от домените си, за да обгърне глюкозата и да доближи групите от активния център до субстрата. Най-голям брой експериментални наблюдения подкрепят модела, който е съчетание от индуцирано структурно притъкмяване и субстратно напрежение. За да се осъществи реакцията, е необходимо да настъпят, макар и незначителни, конформационни изменения и в активния център, и в субстратната молекула. Необходимо е стерично донагласяне на реагиращите структури и в резултат се получава напрягане и отслабване на атакуваните връзки. Например при свързване на субстрата от ензима лизозим, са доказани конформационни промени в част от субстратната молекула (хексозен пръстен преминава от стабилна “стол” в нестабилна “полу-стол”-конформация).

Силата на познанията ми се свежда чак до клетъчно ниво. Това което се случва в телата ни е резултат от много ензимни реакции, за които дори и не подозираме. Биологическото ми образование е донякъде “виновно” за обясненето на най-основните и важните процеси в овешкото тяло. Считам посоката ми работа за уникална за момента – не защото искам да съм единствен, а защото ако допускам пропуски, да знам за тях, да ги анализирам и разбирам. Именно затова аз ровя навътре и навътре в човешката клетка, до толкова, колкото да помагам на вас в сферата на храненето и фитнес тренировките. Всички тези формули и латински оставете на мен. Аз само показвам с какви “формули боравя”, преди да получите вашите насоки. Вижте какво предлагам аз за вас като фитнес услуги.