Ензими. Структура и функция. Механизъм на действие.

Ензими. Структура и функция. Механизъм на действие.

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.

Броят на ензимите, участващи в осъществяване на метаболизма на човешката клетка надвишава 3 000. Те са разпределени в 6 главни групи.

Тези групи са:

  • оксидоредуктази
  • трансферази
  • хидролази
  • лиази
  • изомерази
  • синтетази

Името на всеки ензим има (съдържа) две части: например 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 субстрата, за да се превърне в краен продукт. В еднокомпонентните ензими активния 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.

Свойства на ензимите

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:

  • на Фишер (абсолютно структурно и геометрично съответствие между активния център и субстрата), валиден за малък брой абсолютно специфични ензими
  • 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, наприме 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) действат 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.

Други примери: пиридоксалфосфат и пиридоксаминфосфат, близки производни на витамин В6 (пиридоксол), са коензим на трансаминази. Метални йони и фосфатни остатъци често също така действат като простетични групи и т.н.

От химична гледна точка част от коензимите са нуклеотиди – например АТФ (аденозин трифосфат) е преносител на фосфатна група и енергия. Други нуклеотидни коензими са едновременно и производни на витамини – например 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).

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 – например 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

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:

  • киселинно-основна катализа (например при рибонуклеаза)
  • индуциране на напрежение в субстратната молекула (например при лизозим)
  • ковалентна катализа (например при серинови протеази)
  • ентропийни ефекти

Често ензимните реакции са от смесен тип. Например 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:

  • т.н. “пинг-понг”-механизъм (например при трансаминиране)
  • 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. Например в активния център на химотрипсина участват Хис57, Асп102 и Сер195.

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

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

2) 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 – например уреаза, аргиназа, сукцинат дехидрогеназа, амино-ацил-тРНК синтетази.

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.

  • абсолютно структурно и химическо съответствие от типа “ключ-ключалка” (Фишер)
  • индуцирано структурно притъкмяване (Кошланд)
  • 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 субстрата не съвпадат напълно. 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).

Обратно към радел “Анатомия и физиология”.

Публикувано от
Специалист по клетъчно хранене, интеграция на фитнес упражнения и тренировки, в ежедневието на обикновения любител спортист, професионалния атлет, както и експерт при храненето, суплемнтирането и спорта при проблемни състояния и заболявания.

Архив