ENZIMI – struktura i opće karakteristike
Enzimi su nosioci mnogih metaboličkih reakcija u organizmu. Metaboličke reakcije u ljudskom tijelu ne bi bile moguće bez prisutnosti enzima. Supstratima nazivamo spojeve koji se kemijski mijenjaju djelovanjem enzima. Prvi enzim izoliran u kristalnom stanju je bila ureaza ( Summer ).
Enzimi sadrže aktivno središte koje je dio njihovog lanca i posebno je nabran. Denaturiranjem enzima oni gube svoju funkciju, iako sekvencija aminokiselina ostaje ista. Mnogi enzimi se sastoje od proteinskog dijela i neproteinskog ( prostetskog ). Apoenzimi vežu takvu grupu reverzibilno, a prostetska grupa naziva se koenzim.
Enzimi su stereospecifični. Oni reagiraju samo sa jednim stereoizomerom supstrata.
Svojstva enzima možemo podijeliti sažeto u 4 pravila:
- Reverzibilno vežu supstrat
- Ne mijenjaju smjer kemijske reakcije, nego ju ubrzavaju u oba smjera
- Iz reakcije izlaze kemijski nepromijenjeni ( fizikalno se mijenjaju )
- Enzimska kataliza se može regulirati
Energija aktivacije
Koraci u reakcijama sa enzimima:
Spajanje enzima i supstrata u enzim-supstrat ( ES ), Reakcija je egzorgona.
Za svaki korak vrijedi zakon o djelovanju Petera. Reakcije u organizmu su uglavnom endorgone, a uz prisustvo enzima se ubrzavaju za faktor 〖10〗^8-〖10〗^10.
Međureakcije po kojima se odvija ukupni proces nisu u ravnoteži, jer se jedan produkt uvijek troši. Druga reakcija mora biti egzorgona, da bi ukupno vrijedilo ΔG=0
Struktura enzima
Enzimi su uglavnom globularni proteini, molekulske Petere od 1000 – 10000. Mogu se spajati u multi-enzimske komplekse, koji postaju važna mjesta regulacije. Mnogostruko nabrani dio lanca stvara skelet za stabilizaciju aktivnog središta. Na tome se mjestu veže supstrat uz oslobađanje energije.
Središte se nalazi u žlijebu u kojem sa supstratom mogu reagirati pobočni lanci aminokiselina i nekad kovalentno vezani supstrati. Ta struktura nije kruta, nego je dinamička i postiže reverzibilne konformacijske promjene. U reakciji vezanja bitan je i prostorni razmještaj sudionika i dolazi do inducirane konformacijske promjene supstrata i enzima.
Enzimi su uglavnom izolirani u kristalnom obliku i struktura im je određena rendgenskom difrakcijom.
Aktivno središte stvara više dijelova polipeptidnog lanca. Supstrat ulazi u žlijeb gdje biva izložen reaktivnim grupama pobočnih lanaca polipeptida. Može se vezati ionskom vezom, metalnom ( magnezijev ion ), hidrofobnom ili vodikovom. Također dolazi do konformacijske promjene na supstratu i enzimu, što se naziva inducirano prilagođavanje.
Supstrat se prilikom reakcije vezanja uklanja iz vodene okoline i ulazi u jednu novu, gdje vsenty drugačija konstanta ravnoteže tzv. unutrašnja konstanta ravnoteže. Na supstrat djeluju različite funkcionalne grupe u žlijebu, koje mogu djelovati kao akceptori ili donori protone. Dolazi do steričke i elektronske deformacije supstrata.
Tim gore navedenim procesima se stvara prijelazno stanja gdje uz oslobađanje energije dolazi i do otpuštanja produkta.
Ping-Pong mehanizam
Ping-Pong mehanizam zasniva se na činjenici da se više supstrata veže određenim redoslijedom. U tom procesu dolazi do prijelaza funkcionalnih skupina sa jednog supstrata na drugi. Drugi supstrat se veže na aktivno središte tek nakon disocijacije prvog. Primjer za ovaj mehanizam su aminotransferaze za prijenos amino skupine, pri čemu se stvara schiffova baza.
U aktivacijskom središtu neki pobočni lanci su predodređeni za interakciju:
Histidin
Histidin sadrži imidazolilni ostatak, koji može primati elektrone i prijeći u imidazolij-ion, te tako nastane prsten sa dva ekvivalentna dušikova atoma ( pKa=6 – 7 ). Histidin može u neutralnom okruženju biti akceptor ili donator protona i on je djelotvoran katalizator pri kiselinsko-baznim reakcijama.
Karboksilat-ion glutaminske i asparaginske kiseline mogu biti proton akceptori.
Arginin
Arginin ima jako baznu gvanidino-skupinu koja može vezati negativno nabijene grupe i tako sudjelovati u vezanju supstrata.
Lizin
Lizin može pridonjeti vezanju supstrata, a reaktivna –NH2 skupina može stvarati schiffove baze sa karbonilnim spojevima.
Cistein
Cistein sadrži –SH skupinu koja je slabo kisela i djelotvoran je nukleofil. Ta skupina reagira sa jodacetamidom i N-etilmaleinimidom i –SH skupina se blokira tj. dolazi do otrovanja enzima. Ioni teških metala ( Hg, Cu… ) i živini organski spojevi također dovode do otrovanja enzima. SH skupina ima važnu ulogu u stvaranju kovalentnih intermedijara, kao npr. tioestera koji su energijom bogati spojevi.
Serin
Serin sadrži –OH skupinu koja može sudjelovati u kovalentnoj katalizi. U serin-proteazi se hidroksilna skupina povezuje sa ostatkom peptidnog lanca . Ta skupina može stvarati i vodikove veze i na taj način sudjeluje u vezanju supstrata.
Tirozin
Tirozin sadrži fenolnu skupinu koja može biti nukleofil u disociranom obliku, dok je u protoniziranom stanju sudionik u hidrofobnim interakcijama sa aromatskim supstratima.
Metodom afinitetnog obilježavanja sintetizira se supstrat koji se veže na aktivno središte. Cijepanjem enzima proteazom i ispitivanjem nastalih peptida može se utvrditi koje aminokiseline iz aktivnog središta sudjeluju u vezanju supstrata i pri drugim reakcijama.
Skupine koje se mogu reverzibilno protonizirati nalaze se i na površini enzimskih proteina. Njihov stupanj disocijacije ovisi o pH, pa se prema tome ovisno o pH mijenja konformacija proteina i njegovo katalitičko djelovanje.
Iznos pH pri kojem je katalitičko djelovanje najbolje naziva se pH-optimum.
Povećanjem temperature raste i aktivnost enzima sve dok ne započne denaturacija.
Pri enzimskoj katalizi zbog specifičnosti katalitičkog središta uvijek se katalizira samo jedna reakcija. Zbog veličine, konformacije i razdiobe naboja javlja se specifičnost prema supstratu., koja može biti različito izražena. Specifičnost prema stereoizomerima naročito je jako izražena, a vrijedi i za kiralne i nekiralne supstrate.
Nekada niz tvari reagira sa jednim enzimom, pa govorimo o grupnoj specifičnosti ( glikozidaze ).
Izoenzimi
Izoenzimi su enzimi koji kataliziraju istu reakciju, ali se razlikuju po strukturi, koja može biti genetski determinirana. Postoje ili stvarno različiti geni ili je riječ o oligomerima sastavljenih od različitih podjedinica. Primjer izoenzima je aldolaza ili laktat-dehidrogenaza, koja posjeduje 5 različitih tetramera, a ekspresija pojedinih podjedinica ovisi o organu. Mogu se međusobno razlikovati prema specifičnosti za neki supstrat ili osjetljivosti prema faktorima regulacije.
Multienzimski kompleksi
Multienzimski kompleksi su agregati više enzima koji kataliziraju niz povezanih reakcija ( piruvat- ili su oligomerne suprastrukture dijelom sastavljene od enzimskih proteina nastalih fuzijom gena. Njihov princip djelovanja je da se međuprodukt enzimske reakcije prenosi sa jednog enzima na drugi unutar kompleksa ( suprastrukture ).
