Лентова диаграма на ензима холинестераза

Ензим

Лентова диаграма на ензима холинестераза

С помощта на ензимите, биохимичните реакции в организма могат да бъдат ускорени до 1 000 000 пъти. Принципът на действие включва снижаването на енергетичната бариера за протичането на дадена реакция, до стойности гарантиращи осъществяването на процеса, без това да влияе на термодинамичното равновесие. Именно тази основна функция на ензимите, както и възможностите за контрол върху ензимното действие ги прави важен компонент на всяка жива система.

Досега са открити над 4 000 ензима, а повече от 1 000 са сравнително добре описани.^[6]

Етимология и кратка история на ензимологията [редактиране]

Първите стъпки в познанието за същността на ензимите датират от края на 18, началото на 19 век, когато било забелязано, че определени животински или растителни екстракти могат да разграждат хранителни вещества, но по това време деликатния механизъм на протичащите процеси бил неизвестен.^[8]

Луи Пастьор

Началото на науката за строежа и функцията на ензимите - ензимолология, поставя Луи Пастьор с изследванията си върху алкохолната ферментация. Луи Пастьор стига до извода, че ферментацията е функция на живи системи, каквито са дрождевите клетки и е невъзможна без тяхното участие. Виталистичната убеденост на Пастьор постулира участието на жива сила (vis vitalis), която той нарича фермент.^[9]

През 1897 г. Едуард Бухнер показва, че процесът на ферментация се дължи на определени вещества в самата клетка.^[10] Бухнер открива също, че тези вещества са относително нестабилни и могат да бъдат инактивирани при ниски температури.

Макар и по това време ензимите да не са били достъпни в чиста форма, работите върху механизма на действие позволяват в началото на 20 век да се оформят и първите хипотези за белтъчната природа и фината структура на ензимите, както и да се направят първите математически модели на ензимна кинетика.

Окончателното отхвърляне на хипотезата за живата сила и потвърждаването на белтъчната природа на ензимите става след изолирането на първите ензими - уреаза (1926 г. от Джеймс Съмнър), пепсин и трипсин (1929 г. от Джон Нортроп). През 1946 г. Съмнър, Нортроп заедно с Уендел Станли получават Нобелова награда за химия, за пречистванането и кристализирането на ензими.^[11]

Откритието, че ензимите могат да кристализират, дава възможност структурата им да бъде изследвана чрез рентгенова кристалография. Това е направено за пръв път с лизозима, ензим, съдържащ се в сълзите, слюнката и яйчения белтък. Структурата му е описана от група, ръководена от Дейвид Чилтън Филипс, през 1965 г.^[12] This high-resolution structure of lysozyme marked the beginning of the field of structural biology and the effort to understand how enzymes work at an atomic level of detail.

Структура [редактиране]

Често се наблюдава и асоцииране на няколко отделни протеина в самостоятелна единица, функционираща като едно цяло. В този случай ензимите се наричат олигомери - съставени от отделни независими белтъци.

Пространствена структура на химотрипсин заедно с аналог на нормалния субстрат (червено). Активният център на ензима е оцветен в синьо.

В строежа на ензима освен белтъчна част е възможно, но не винаги участват и редица други органични или неорганични съединения означавани като кофактори. Когато ензима притежва и небелтъчна част, белтъчната се означава като апоензим. Съвкупността от апоензим и съответния кофактор се нарича холоензим - функционално цяло.

В рамките на апоензима се открояват няколко важни функционални участъка:

• 
  Активният (каталитичен) участък е мястото на осъществяване на самата каталитична реакция и пряката връзка със субстрата. Често това са малко на брой аминокиселини приближени пространствено при нагъването на полипептидната верига.
  
• 
  Свързващ участък - разположен в близост или около активния участък и представлява областта на допълнителна връзка между субстрата и самата ензимна молекула обикновено с поддържаща функция.
  
• 
  Регулаторен участък - незадължителен, но може да бъдат и няколко. Това са области от белтъка, където взаимодействие с други регулаторни молекули променя конформацията на ензима и влияе върху неговото действие.
  

Механизъм на действие [редактиране]

Ензимите катализират превръщането на определени химични съединения, наречени субстрати на реакцията в съответни продукти. Процесът протича на няколко стъпала като се минава през създаването на ензим-субстратен комплекс, ензим-продуктен комплекс и се стига до получаването на реакционен продукт и отделяне на ензима:

Базова концепция в целия механизъм е т.нар. преходно състояние. Преходното състояние е хипотетичен момент, в който е равно вероятностно протичането на реакцията в права посока (до получаване на продукт) или в обратна посока (до формирането на субстрат). Това не е химично съединение подобно на възможни междинни продукти, а представлява състояние на максимална енергия - напрегнатост на системата.

Ензимите могат да осъществят до няколко милиона каталитични цикъла (получаване на продукт, отделяне от продукта и свързване на нов субстрат).

Специфичност [редактиране]

Ензимите обикновено са специфични както по отношение на реакцията, която катализират, така и по отношение на веществата които влизат в нея. Специфичността се определя от съответствието във формата на субстрата и каталитичния участък на ензима, от привличането и отблъскването на повърхностните им електрични заряди и от съвпадението на съответни хидрофобни и хидрофилни области. Съществуват няколко типа специфичност на ензимното действие, присъщи в различна степен за отделните ензими:

• 
  хемоспецифичност (групова специфичност) - специфичност по отношение на определени химични групи, присъстващи в субстрата.
  
• 
  региоспецифичност (реакционна специфичност) - специфичност по отношение на тип връзка, която се разкъсва или създава в течение на реакцията.
  
• 
  стереоспецифичност - специфичност по отношение на конфигурацията на молекулата, с предпочитание към един или друг енантиомер.
  

За обяснение на наличието на специфичност по отношение на различни възможни изходни вещества първоначално била прилагана хипотезата на Емил Фишер за т.нар. структурно съответствие тип ключ-ключалка. Тя постулирала пълно структурно съответствие между субстрата и ензима, като субстрата буквално прилепва в активния център на ензима. Хипотезата не може да обясни стабилизацията на преходното сътояние.

Корекцията на предложения от Фишер модел, е направена от Даниел Кошланд през 1958 г., когато Кошланд предлага модела на индуцираното структурно сходство. Според него в момента на взаимодействие ензима се нагажда конформационно към субстрата, за да се получи пълно съответствие.

‎

При особено сложни субстратни молекули, каквито могат да са например цели белтъчни молекули не е изключено и нагаждане на самия субстрат чрез конформационни промени в него самия.

Метаболитни пътища [редактиране]

Някои от ензимите могат да работят заедно в специфичен порядък, образуващи метаболитни пътища (серия от химични реакции, осъществяващи се в клетката, катализирани от ензими). В тях един ензим взима продукта от друг ензим, като начален субстрат. След каталитичната реакция, продуктът се прехвърля на друг ензим. Крайният продукт от този метаболитен път е често инхибитор на един от първите ензими, което гарантира необратимост на реакцията и така се регулира количеството на крайния продукт, получен по този начин.

Термодинамика на ензимната реакция [редактиране]

Подобно на всички други катализатори ензимите катализират само термодинамично възможни процеси. Това са спонтанни реакции, при които имаме негативна промяна на свободната енергия на Гибс. Ензима не влияе на термодинамичното равновесие, но помага то да бъде достигнато значително по-бързо. Възможно е спонтанната некатализирана реакция да води до формирането на различен продукт от този при ензим-катализирана реакция, но това е избор на един от възможните реакционни пътища. Пример от класическата термодинамика е взаимодействие на въглерод и водород - възможните продуктите на реакцията са множество. Но ако същата реакция се катализира от хипотетичен ензим, той ще е специализиран за формирането на единствен продукт.

Ензимите могат да обединяват силно изгоден термодинамичен процес с реакция която е термодинамично неизгодна. Сумарно процеса се нарича спрегната реакция. Често като избор за термодинамично изгоден процес се осъществява хидролизата на енергетически богато съединение (напр. АТФ), а отделената енергия се използва за създаването на нови химични връзки в други молекули.

Ензимът катализира както правата, така и обратната реакция, до достигането на термодинамичното равновесие. Правата и обратна реакция не повлияват на равновесието, а само на скоростта на достигането му. Например карбоанхидразата, катализира следните две реакции в замисимост от началната концентрация на реагентите:

(в тъканите - висока CO₂ концентрация)

(в белите дробове - ниска CO₂ концентрация)

Съществува вероятност при физиологичните концентрации на реагиращите вещества и продуктите, общата промяна на свободната енергия на Гибс да е силно отрицателна, което от своя страна прави процеса необратим. Тогава ензима практически катализира единствено правата реакция.

Ензимна кинетика [редактиране]

Ензимната кинетика си поставя за цел да изследва как ензимите се свързват с техните субстрати и ги превръщат в продукти, както и да определи скоростта на това превръщане. През 1913 г. Леонор Михаелис и Мауд Ментен поставят основите на количествената теория на ензимната кинетика. Техните работи са доразвити от Бригс и Джон Холдейн, с представянето на нов математически апарат. ^[7]

Михаелис и Ментен разглеждат ензимната реакция, като разделена на два стадия. В първият има равновесна реакция на свързване на субстрата с ензима до формиране на ензим-субстратен комплекс. Като втори стадий те поставят необратима реакция на превръщането на субстрата в продукт и освобождаването на продукта от ензима. Моделът е за едносубстратна реакция :

Константите k₁,k_-1 и k₂, посочени в уравнението са съответните скоростни константи на химичните реакции. Въз основа на това предположение са съставени няколко кинетични уравнения, за описването и практическото намиране на скоростта на ензимната реакция. Повечето ензими се подчиняват на този модел, известен като кинетиката на Михаелис-Ментен.

Кинетичното уравнение, известно като уравнение на Михаелис-Ментен, описващо скоростта на ензимната реакция (v) във всеки момент се извежда от посочения модел и графично представлява:

Съответните означения са коментирани в детайли по-надолу.

Скорост на реакциите, провеждани посредством ензими [редактиране]

Диаграма на каталитична реакция, показваща необходимата Енергия на реакция (E) по отношение на времето (t).

Ензимите могат да увеличат скоростта на реакциите, чрез защитаване или даване на възможност на различен път на реакцията с по-ниска активираща енергия, което прави по-лесно протичането на съответната реакция. Общата скорост на ензимно катализираната реакция зависи от много фактори като температура, pH на средата, концентрации на реагентите, присъствието на инхибитори и др.

Веществата (A и B) се нуждаят от голямо количество енергия (E1) за да достигнат междинното състояние A…B, което след това реагира до краен продукт (AB). Ензимът (E) образува микросреда, в която A и B могат да реагират до междинното състояние (A…E…B) по-лесно, намалявайки необходимата енергия (E2). Като резултат се повишава вероятността за осъществяване на тази реакция и по този начин се повишава скоростта ѝ.

От практически съображения са въведени няколко показателя за кинетичното характеризиране на дадена реакция - максимална скорост, начална скорост, константа на Михаелис-Ментен, оборотно число и константа на специфичност.


Максималната скорост (V_max) се постига при пълно насищане на ензима, до отсъствието на свободни ензимни молекули.^[7] Практически се намира като постепенно се увеличава концентрацията на субстрата, докато се наблюдава постоянна скорост, наречена максимална скорост (V_max), на формирането на продукт. Тогава концентрацията на ензим-субстратния комплекс е числено равна на началната концентрация на ензима. При разглежданто на кинетичните уравнения при такива условия, лесно се изчислява и константата на Михаелис-Ментен (числено равна на субстратната концентрация, необходима за достигане на 1/2 от максималната скорост). Константата на Михаелис-Ментен (K_m) е показател за сродството на ензима към неговия субстрат в рамките на ензим-субстратния комплекс - колкото по голяма е тя, толкова по-лесно ензима се освобождава от своя субстрат.

Забележка: Константата на Михаелис-Ментен, често погрешно се интерпретира като дисоционна константа, но това е вярно само когато скоростта на превръщането на ензим-субстратния комплекс в продукт е много по-малка от скоростта на разпадането му до субстрат.

Началната скорост (V₀) е проблем за измерване, тъй като концентрацията на субстрат се променя в течение на реакцията.^[7] За определянето и се използват значителни концентрации на субстрат, надвишаващи тази на ензима. При това условие, промяната на концентрацията на субстрат в първите няколко секунди от реакцията е незначителна и с подходящ математичеки апарат, може да се определи началната скорост на реакцията.

Оборотното число (k_cat, прости реакции k_cat=k₂) е показател за ефективността на ензима. Това е просто скоростната константа на превръщането на ензим-субстратния комплекс в продукт и неговото освобождаване. Кинетичния смисъл на оборотното число е максималния брой сбстратни молекули, които могат да се преработят от един активен център за една секунда.

Последният показател за характеристика на ензим е т.нар. константа на специфичност - отношението между оборотното число и константата на Михаелис-Ментен. Това позволява сравнение на каталитичната ефективност на различни ензими или преработката на различни субстрати от един ензим. Кинетичния смисъл е максималния броя на субстратни молекули превърнати за единица време от един активен център при еднакви условия на афинитет към субстрата. Има горна граница на тази константа и това е скоростта на проста дифузия на на ензима от субстрата в разтвор - не е възможно да се превърнат повече молекули от достъпните за контакт в разтвор. Скоростта на дифузия на ензима от субстрата е в рамките на 10⁸ до 10⁹ mol^-1.l. s^-1. Много ензими притежават константи на специфичност в този порядък и те се означават като каталитично перфектни. Примери за такъв тип каталитично перфектни ензими са ацетилхолинестераза, карбоанхидраза, каталаза, кротоназа, фумараза, b-лактамаза. ^[13]

Функции [редактиране]

Ензимите катализират биохимични реакции. С тяхна помощ се извършва синтез и разграждане на органичните вещества, редуциране, окисление, обмяна на веществата между организмите и околната среда.

Роля на ензимите в химическите реакции [редактиране]

Ензимите могат да свържат 2 или повече реакции, така че термодинамично най-вероятната реакция може да бъде използвана да доведе до термодинамично по-малко вероятна такава. Един от най-общите примери за това са ензимите, използувани за дефосфорилация на аденозин трифосфат (АТФ) да доведе до други неотнасящи се към нея реакции.

Ензими и здраве [редактиране]

Ензимът фениланин хидрохксилаза.

Ензимите са особено важни за живите организми и неправилната работа дори на един от около 2000 съществуващи в организма може да доведе до заболяване. Пример на болест причинена от неправилно функциониране на ензим е фенилкетонуриа. При нея ензима фениланин хидрохксилаза, който преработва основната аминокиселина фениланин в тирозин просто не работи. Това води до повишаване на нивата на фениланин с последици от увреждане на мозъка и забавяне на умствената дейност.^[14]

Ензимите в човешкото тяло също се влияят от инхибитори. Аспиринът, например инхибира ензимите, преработващи простагландините (веществата даващи сигнал на имунната система за инфекция или възпаление) и по този начин потиска болката и възпалението. Ензимите се използват и в ежедневните продукти като миещи препарати, където ускоряват химическите реакции при прането (например разлагане на петна от кръв или други органични вещества).

Храносмилателни и метаболитни ензими [редактиране]

Храненето при животните е основано на храносмилателни ензими като α-амилаза, трипсин. Основната роля е за храносмилането на храната и осигуряването на хранителните вещества за цялото тяло. Друг клас ензими се наричат метаболитни ензими. Тяхната роля е да катализират химическите реакции в цялото тяло, включително и приемането на кислород. Повечето от нашите клетки (с изключение на еритроцитите) биха страдали от недостиг на кислород даже и при негов излишък без действието на ензимита цитохром оксидаза. Ензимите също играят роля при контракцията на мускулите и отпускането им. Факт е че без съществуването на тези два класа ензими животът нямаше да съществува.

Правила за наименоване на ензимите [редактиране]

Общоприето е името на ензима да се състои от описанието му, завършващо с -аза. Например алкохолдехидрогеназа или ДНК-полимераза. Съществува систематична номенклатура на ензимите, в която всеки отделен представител притежава уникален номер (EC - номер). Това е последователност, започваща с EC (Enzyme Commission) и 4 отделни числа, разделени с точки (напр. EC 4.3.1.17). Първото число показва класа, второто подкласа, а последното - вида реакция, която се катализира от съответния ензим. Най-общо първото число класифицира ензимите по механизма на действието им в 6 основни класа:

• 
  EC 1 Оксидоредуктази (Oxidoreductases): ензими, катализиращи окислително-редукционните процеси
  
• 
  EC 2 Трансферази (Transferases): ензими, катализиращи трансфера на функционални групи (напр. метилна или фосфатна група)
  
• 
  EC 3 Хидролази (Hydrolases): ензими, катализиращи хидролизни процеси при различни връзки
  
• 
  EC 4 Лиази (Lyases): ензими, катализиращи разкъсването на химични връзки, без това да става чрез хидролиза или окисление
  
• 
  EC 5 Изомерази (Isomerases): ензими, катализиращи изомеризационни промени в молекули
  
• 
  EC 6 Лигази (Ligases): ензими, които свързват 2 молекули с ковалентни връзки, като необходимата енергия се доставя от хидролизата на енергетично богато съединение (напр. АТФ)
  

Вижте пълната номенклатура на http://www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/enzyme/

Ензими и класове ензими [редактиране]

• 
  аденилатциклаза: участва пренасянето на сигнали по скоро в разделянето им (превръщане от аденозин трифосфат АТФ в АМФ цикличен аденозин монофосфат.
  
• 
  алкохолдехидрогеназа: разкъсва алкохолите до алдехиди в човешкия черен дроб, образува алкохол при ферментация на мая.
  
• 
  алкална фосфатаза
  
• 
  амилаза: разцепва нишестетата в малтоза, присъства в човешката слюнка, а също се отделя от панкреаса
  
• 
  ангиотензин превръщащ ензим
  
• 
  АТФази: тези ензими хидролизират АТФ в АДФ и неорганични фосфати
  
• 
  АТФ-синтаза: образува АТФ от АДФ, неорганични фоисфати и някои форми на енергия
  
• 
  автолизин: общо название на ензимите, които причиняват смърт на клетките
  
• 
  бета-галактозидаза: виж лактаза.
  
• 
  бета-лактамаза: разгражда пеницилина, така бактериите, които произвеждат beta-lactamase стават устойчиви
  
• 
  каталаза: превръща водородния пероксид в кислород и вода
  
• 
  хитиназа: разкъсва хитина
  
• 
  холинестераза
  
• 
  химозин: съдържа се в стомаха и причинява пресичане на мляко (сирищен ензим)
  
• 
  химотрипсин: разгражда белтъците
  
• 
  коензим Q — цитохром C редуктаза: участва в електронния трансфер, намалявайки цитохром C и изпраща протони през клетъчната мембрана.
  
• 
  цитохром C оксидаза: краен етап на електронния трансфер, при който кислорода се редуцира до вода
  
• 
  цитохром C пероксидаза взима редукционния еквивалент от цитохром C и редуцира водородния пероксид до вода
  
• 
  дейодиназа: активира тироидните хормони посредством отнемане на йод
  
• 
  диастаза: превръща нишестето в глюкоза
  
• 
  дихидрофолатредуктаза: редуцира дихидрофоилевата киселина до тетрахидрофолиева киселина
  
• 
  ДНК гираза
  
• 
  глутаматдекарбоксилаза: синтезира невротрансмитера ГАБК (гама-аминобутиринова киселина) в мозъка
  
• 
  глутатионпероксидаза: предпазва клетките като превръща водородния пероксид във вода
  
• 
  изомераза: превръща молекулите в друга изомерна форма
  
• 
  кинази: катализират трансфера на фосфатни групи
  
• 
  Лактаза (бета-галактозидаза): декомпозира лактозата в галактоза и глюкоза
  
• 
  лигази: всички ензими, които могат да свържат (лигират) две молекули с ковалентна връзка
  
• 
  лиази: всички ензими, които могат да елиминират една група от дадена молекула, за да образуват двойна връзка или обратно.
  
• 
  моноаминоксидаза (МАО): оксидира определени невротрансмитери и биологически активни амини
  
• 
  НАДН дехидрогеназа: първият комплекс в електорнния трансфер, прехвърлящ електрони от никотинамид аденин динуклеотид (НАДН) към коензим Q.
  
• 
  нитрогеназа
  
• 
  орнитиндекарбоксилаза: обработва орнитина като първа стъпка от производството на полиамиди
  
• 
  пероксидаза: група ензими, които могат да преобразуват въглероден пероксид и подобни на него съединения
  
• 
  фенилаланинхидроксилаза
  
• 
  фосфолипаза
  
• 
  полимераза: изгражда полимерни дълги вериги на нуклеинови киселини от техните съставки
  
• 
  протеаза (протеиназа, пептидаза): ензимите, които разрушават пептидни връзки на белтъците
  
• 
  протеинкинази: ензими, които прехвърлят една фосфатна група към един аминикиселинен остатък от белтък
  
• 
  протеинфосфатази: ензими, които отделят една фосфатна група от един аминокиселинен остатък от белтък.
  
• 
  рестрикционни ензими (рестриктази): ензими, които прекъсват ДНК или РНК на определени места.
  
• 
  обратна транскриптаза: използва се от ретровирусите за транскрибиране на информация от РНК върху ДНК
  
• 
  рибулозобифосфаткарбоксидаза: свързва въглерода в зелените растения.
  
• 
  РНК-аза: ензими, които могат да разделят РНК на съставящите я нуклеотиди
  
• 
  супероксид дисмутаза: преобразува супероксида в кислород и въглероден пероксид
  
• 
  тирозинкинази: ензими, които прехвърлят фосфатни групи към един тирозинов остатък от белтък
  
• 
  тирозиназа
  
• 
  уреаза: хидролизира карбамида до въглероден диоксид и амоняк
  
• 
  ксантиноксидаза: оксидира хипоксантина до ксантин и след това до пикочна киселина
  

Каталог: uploads
uploads -> Доклад за работата на варненски окръжен съд 2014
uploads -> Програма на Португалски културен и езиков център „Камойнш София" 03 Sábado / събота Celebração da "Martenitza" Честита Баба Марта!

Изтегляне 215.12 Kb.

Сподели с приятели: