Ένζυμο

Ένα παράδειγμα ενζύμου είναι η αμυλάση, που βρίσκεται στο σάλιο. Διασπά τα μόρια αμύλου σε μικρότερα μόρια γλυκόζης και μαλτόζης. Ένα άλλο είδος ενζύμου είναι η λιπάση. Διασπά τα λίπη σε μικρότερα μόρια, λιπαρά οξέα και γλυκερόλη.δ

Οι πρωτεάσες είναι μια ολόκληρη κατηγορία ενζύμων. Διασπούν άλλα ένζυμα και πρωτεΐνες σε αμινοξέα. Οι νουκλεάσες είναι ένζυμα που κόβουν το DNA ή το RNA, συχνά σε συγκεκριμένο σημείο του μορίου.

Τα ένζυμα δεν είναι μόνο για τη διάσπαση μεγάλων χημικών ουσιών σε μικρότερες χημικές ουσίες. Άλλα ένζυμα παίρνουν μικρότερες χημικές ουσίες και τις μετατρέπουν σε μεγαλύτερες χημικές ουσίες και κάνουν πολλές άλλες χημικές εργασίες. Η ταξινόμηση που ακολουθεί παραθέτει τους κύριους τύπους.

Οι βιοχημικοί συχνά σχεδιάζουν μια εικόνα ενός ενζύμου για να τη χρησιμοποιήσουν ως οπτικό βοήθημα ή χάρτη του ενζύμου. Αυτό είναι δύσκολο να γίνει επειδή μπορεί να υπάρχουν εκατοντάδες ή χιλιάδες άτομα σε ένα ένζυμο. Οι βιοχημικοί δεν μπορούν να σχεδιάσουν όλες αυτές τις λεπτομέρειες. Αντ' αυτού, χρησιμοποιούν μοντέλα κορδέλας ως εικόνες των ενζύμων. Τα μοντέλα κορδέλας μπορούν να δείξουν το σχήμα ενός ενζύμου χωρίς να χρειάζεται να σχεδιάσουν κάθε άτομο.

Τα περισσότερα ένζυμα δεν θα λειτουργήσουν αν η θερμοκρασία και το pH δεν είναι ακριβώς σωστά. Στα θηλαστικά η σωστή θερμοκρασία είναι συνήθως περίπου 37C^o (θερμοκρασία σώματος). Το σωστό pH μπορεί να ποικίλλει σε μεγάλο βαθμό. Η πεψίνη είναι ένα παράδειγμα ενζύμου που λειτουργεί καλύτερα όταν το pH είναι περίπου 1,5.

Η θέρμανση ενός ενζύμου πάνω από μια ορισμένη θερμοκρασία θα καταστρέψει μόνιμα το ένζυμο. Θα διασπαστεί από την πρωτεάση και οι χημικές ουσίες θα χρησιμοποιηθούν ξανά.

Ορισμένες χημικές ουσίες μπορούν να βοηθήσουν ένα ένζυμο να κάνει ακόμη καλύτερα τη δουλειά του. Αυτά ονομάζονται ενεργοποιητές. Μερικές φορές, μια χημική ουσία μπορεί να επιβραδύνει ένα ένζυμο ή ακόμη και να το κάνει να μην λειτουργεί καθόλου. Αυτά ονομάζονται αναστολείς. Τα περισσότερα φάρμακα είναι χημικές ουσίες που είτε επιταχύνουν είτε επιβραδύνουν κάποιο ένζυμο στο ανθρώπινο σώμα.

Ένα παράδειγμα ενζύμου είναι η αμυλάση, που βρίσκεται στο σάλιο. Διασπά μόρια αμύλου σε μικρότερα μόρια γλυκόζης και μαλτόζης. Ένα άλλο είδος ενζύμου είναι η λιπάση. Διασπά τα λίπη σε μικρότερα μόρια, λιπαρά οξέα και γλυκερόλη.δ

Οι πρωτεάσες είναι μια ολόκληρη κατηγορία ενζύμων. Διασπούν άλλα ένζυμα και πρωτεΐνες σε αμινοξέα. Οι νουκλεάσες είναι ένζυμα που κόβουν το DNA ή το RNA, συχνά σε συγκεκριμένο σημείο του μορίου.

Τα ένζυμα δεν είναι μόνο για τη διάσπαση μεγάλων χημικών ουσιών σε μικρότερες χημικές ουσίες. Άλλα ένζυμα παίρνουν μικρότερες χημικές ουσίες και τις μετατρέπουν σε μεγαλύτερες χημικές ουσίες και κάνουν πολλές άλλες χημικές εργασίες. Η ταξινόμηση που ακολουθεί παραθέτει τους κύριους τύπους.

Οι βιοχημικοί συχνά σχεδιάζουν μια εικόνα ενός ενζύμου για να τη χρησιμοποιήσουν ως οπτικό βοήθημα ή χάρτη του ενζύμου. Αυτό είναι δύσκολο να γίνει επειδή μπορεί να υπάρχουν εκατοντάδες ή χιλιάδες άτομα σε ένα ένζυμο. Οι βιοχημικοί δεν μπορούν να σχεδιάσουν όλες αυτές τις λεπτομέρειες. Αντ' αυτού, χρησιμοποιούν μοντέλα κορδέλας ως εικόνες των ενζύμων. Τα μοντέλα κορδέλας μπορούν να δείξουν το σχήμα ενός ενζύμου χωρίς να χρειάζεται να σχεδιάσουν κάθε άτομο.

Τα περισσότερα ένζυμα δεν θα λειτουργήσουν αν η θερμοκρασία και το pH δεν είναι ακριβώς σωστά. Στα θηλαστικά η σωστή θερμοκρασία είναι συνήθως περίπου 37C^o (θερμοκρασία σώματος). Το σωστό pH μπορεί να ποικίλλει σε μεγάλο βαθμό. Η πεψίνη είναι ένα παράδειγμα ενζύμου που λειτουργεί καλύτερα όταν το pH είναι περίπου 1,5.

Η θέρμανση ενός ενζύμου πάνω από μια ορισμένη θερμοκρασία θα καταστρέψει το ένζυμο μόνιμα. Θα διασπαστεί από την πρωτεάση και οι χημικές ουσίες θα χρησιμοποιηθούν ξανά.

Ορισμένες χημικές ουσίες μπορούν να βοηθήσουν ένα ένζυμο να κάνει ακόμη καλύτερα τη δουλειά του. Αυτά ονομάζονται ενεργοποιητές. Μερικές φορές, μια χημική ουσία μπορεί να επιβραδύνει ένα ένζυμο ή ακόμη και να το κάνει να μην λειτουργεί καθόλου. Αυτά ονομάζονται αναστολείς. Τα περισσότερα φάρμακα είναι χημικές ουσίες που είτε επιταχύνουν είτε επιβραδύνουν κάποιο ένζυμο στο ανθρώπινο σώμα.

Το 1958, ο Daniel Koshland πρότεινε μια τροποποίηση του μοντέλου με κλειδαριά και κλειδί. Δεδομένου ότι τα ένζυμα είναι μάλλον εύκαμπτες δομές, το ενεργό κέντρο αναδιαμορφώνεται από τις αλληλεπιδράσεις με το υπόστρωμα. Κατά συνέπεια, το υπόστρωμα δεν προσδένεται απλώς σε ένα άκαμπτο ενεργό κέντρο. Οι πλευρικές αλυσίδες αμινοξέων του ενεργού κέντρου κάμπτονται σε θέσεις ώστε το ένζυμο να επιτελεί το καταλυτικό του έργο. Σε ορισμένες περιπτώσεις, όπως οι γλυκοσιδάσες, το μόριο του υποστρώματος αλλάζει επίσης ελαφρώς σχήμα καθώς εισέρχεται στο ενεργό κέντρο.

Το 1958, ο Daniel Koshland πρότεινε μια τροποποίηση του μοντέλου με κλειδαριά και κλειδί. Δεδομένου ότι τα ένζυμα είναι μάλλον εύκαμπτες δομές, το ενεργό κέντρο αναδιαμορφώνεται από τις αλληλεπιδράσεις με το υπόστρωμα. Κατά συνέπεια, το υπόστρωμα δεν προσδένεται απλώς σε ένα άκαμπτο ενεργό κέντρο. Οι πλευρικές αλυσίδες αμινοξέων του ενεργού κέντρου κάμπτονται σε θέσεις ώστε το ένζυμο να επιτελεί το καταλυτικό του έργο. Σε ορισμένες περιπτώσεις, όπως οι γλυκοσιδάσες, το μόριο του υποστρώματος αλλάζει επίσης ελαφρώς σχήμα καθώς εισέρχεται στο ενεργό κέντρο.

Η γενική εξίσωση για μια ενζυμική αντίδραση είναι:

Υπόστρωμα + Ένζυμο -> Υπόστρωμα:Ένζυμο -> Προϊόν:Ένζυμο -> Προϊόν + Ένζυμο

Τα ένζυμα μειώνουν την ενέργεια ενεργοποίησης μιας αντίδρασης σχηματίζοντας ένα ενδιάμεσο σύμπλοκο με το υπόστρωμα. Το σύμπλοκο αυτό ονομάζεται σύμπλοκο ενζύμου-υποστρώματος.

Για παράδειγμα, η σακχράση, 400 φορές μεγαλύτερη από το μέγεθος του υποστρώματος της σακχαρόζης, διασπά τη σακχαρόζη στα συστατικά της σάκχαρα, τα οποία είναι η γλυκόζη και η φρουκτόζη. Η σακκράση κάμπτει τη σακχαρόζη και τεντώνει τον δεσμό μεταξύ της γλυκόζης και της φρουκτόζης. Τα μόρια του νερού ενώνονται και πραγματοποιούν τη διάσπαση σε κλάσμα του δευτερολέπτου. Τα ένζυμα έχουν αυτά τα βασικά χαρακτηριστικά:

1. Είναι καταλυτικές. Συνήθως αυξάνουν τον ρυθμό της αντίδρασης κατά 10 δισεκατομμύρια φορές.^p39 Το ίδιο το ένζυμο δεν μεταβάλλεται από την αντίδραση.
2. Είναι αποτελεσματικά σε μικρές ποσότητες. Ένα μόριο ενζύμου μπορεί να μετατρέψει 1000 μόρια υποστρώματος το λεπτό, ενώ ορισμένα είναι γνωστό ότι μετατρέπουν 3 εκατομμύρια σε ένα λεπτό.^p39
3. Είναι πολύ συγκεκριμένα. Ένα ένζυμο θα εκτελέσει μόνο μία από τις πολλές αντιδράσεις για τις οποίες είναι ικανό ένα υπόστρωμα.

Έλεγχος της ενζυμικής δραστηριότητας

Υπάρχουν πέντε κύριοι τρόποι με τους οποίους ελέγχεται η ενζυμική δραστηριότητα στο κύτταρο.

1. Η παραγωγή ενζύμων (μεταγραφή και μετάφραση των γονιδίων των ενζύμων) μπορεί να αυξηθεί ή να μειωθεί σε απόκριση σε αλλαγές στο περιβάλλον του κυττάρου. Αυτή η μορφή γονιδιακής ρύθμισης ονομάζεται επαγωγή και αναστολή ενζύμων. Για παράδειγμα, σε βακτήρια που είναι ανθεκτικά σε αντιβιοτικά όπως η πενικιλλίνη, επάγονται ένζυμα που υδρολύουν το μόριο της πενικιλλίνης.
2. Τα ένζυμα μπορούν να εμφανιστούν σε διάφορα κυτταρικά διαμερίσματα. Για παράδειγμα, τα λιπαρά οξέα συντίθενται από ένα σύνολο ενζύμων στο κυτταρόλυμα, το ενδοπλασματικό δίκτυο και τη συσκευή Golgi. Στη συνέχεια χρησιμοποιούνται από ένα διαφορετικό σύνολο ενζύμων ως πηγή ενέργειας στα μιτοχόνδρια.
3. Τα ένζυμα μπορούν να ρυθμίζονται από τα ίδια τους τα προϊόντα. Για παράδειγμα, τα τελικά προϊόντα συχνά αναστέλλουν ένα από τα πρώτα ένζυμα της οδού. Ένας τέτοιος ρυθμιστικός μηχανισμός ονομάζεται αρνητική ανατροφοδότηση, επειδή η ποσότητα του παραγόμενου τελικού προϊόντος ρυθμίζεται από τη δική του συγκέντρωση. Αυτό εμποδίζει τα κύτταρα να παράγουν υπερβολική ποσότητα ενζύμου. Ο έλεγχος της δράσης των ενζύμων συμβάλλει στη διατήρηση ενός σταθερού εσωτερικού περιβάλλοντος στους ζωντανούς οργανισμούς.
4. Τα ένζυμα μπορούν να ρυθμίζονται με την τροποποίησή τους μετά την παραγωγή τους. Ένα παράδειγμα είναι η διάσπαση της πολυπεπτιδικής αλυσίδας. Η χυμοθρυψίνη, μια πεπτική πρωτεάση, παράγεται σε ανενεργή μορφή στο πάγκρεας και μεταφέρεται σε αυτή τη μορφή στο στομάχι όπου και ενεργοποιείται. Αυτό εμποδίζει το ένζυμο να χωνέψει το πάγκρεας ή άλλους ιστούς πριν εισέλθει στο έντερο. Αυτός ο τύπος ανενεργού πρόδρομου ενζύμου είναι γνωστός ως ζυμογόνο.
5. Ορισμένα ένζυμα μπορεί να ενεργοποιούνται όταν μετακινούνται σε διαφορετικό περιβάλλον (π.χ. από υψηλό pH σε χαμηλό pH). Για παράδειγμα, η αιμοσυγκολλητίνη στον ιό της γρίπης ενεργοποιείται από την αλλαγή σχήματος. Αυτό προκαλείται από τις όξινες συνθήκες που επικρατούν στο εσωτερικό του λυσοσώματος του κυττάρου ξενιστή.

Η γενική εξίσωση για μια ενζυμική αντίδραση είναι:

Υπόστρωμα + Ένζυμο -> Υπόστρωμα:Ένζυμο -> Προϊόν:Ένζυμο -> Προϊόν + Ένζυμο

Τα ένζυμα μειώνουν την ενέργεια ενεργοποίησης μιας αντίδρασης σχηματίζοντας ένα ενδιάμεσο σύμπλοκο με το υπόστρωμα. Το σύμπλοκο αυτό ονομάζεται σύμπλοκο ενζύμου-υποστρώματος.

Για παράδειγμα, η σακχράση, 400 φορές μεγαλύτερη από το μέγεθος του υποστρώματος της σακχαρόζης, διασπά τη σακχαρόζη στα συστατικά της σάκχαρα, τα οποία είναι η γλυκόζη και η φρουκτόζη. Η σακκράση κάμπτει τη σακχαρόζη και τεντώνει τον δεσμό μεταξύ της γλυκόζης και της φρουκτόζης. Τα μόρια του νερού ενώνονται και πραγματοποιούν τη διάσπαση σε κλάσμα του δευτερολέπτου. Τα ένζυμα έχουν αυτά τα βασικά χαρακτηριστικά:

1. Είναι καταλυτικές. Συνήθως αυξάνουν τον ρυθμό της αντίδρασης κατά 10 δισεκατομμύρια φορές.^p39 Το ίδιο το ένζυμο δεν μεταβάλλεται από την αντίδραση.
2. Είναι αποτελεσματικά σε μικρές ποσότητες. Ένα μόριο ενζύμου μπορεί να μετατρέψει 1000 μόρια υποστρώματος το λεπτό, ενώ ορισμένα είναι γνωστό ότι μετατρέπουν 3 εκατομμύρια σε ένα λεπτό.^p39
3. Είναι πολύ συγκεκριμένα. Ένα ένζυμο θα εκτελέσει μόνο μία από τις πολλές αντιδράσεις για τις οποίες είναι ικανό ένα υπόστρωμα.

Έλεγχος της ενζυμικής δραστηριότητας

Υπάρχουν πέντε κύριοι τρόποι με τους οποίους ελέγχεται η ενζυμική δραστηριότητα στο κύτταρο.

1. Η παραγωγή ενζύμων (μεταγραφή και μετάφραση των γονιδίων των ενζύμων) μπορεί να αυξηθεί ή να μειωθεί σε απόκριση σε αλλαγές στο περιβάλλον του κυττάρου. Αυτή η μορφή γονιδιακής ρύθμισης ονομάζεται επαγωγή και αναστολή ενζύμων. Για παράδειγμα, σε βακτήρια που είναι ανθεκτικά σε αντιβιοτικά όπως η πενικιλλίνη, επάγονται ένζυμα που υδρολύουν το μόριο της πενικιλλίνης.
2. Τα ένζυμα μπορούν να εμφανιστούν σε διάφορα κυτταρικά διαμερίσματα. Για παράδειγμα, τα λιπαρά οξέα συντίθενται από ένα σύνολο ενζύμων στο κυτταρόλυμα, το ενδοπλασματικό δίκτυο και τη συσκευή Golgi. Στη συνέχεια χρησιμοποιούνται από ένα διαφορετικό σύνολο ενζύμων ως πηγή ενέργειας στα μιτοχόνδρια.
3. Τα ένζυμα μπορούν να ρυθμίζονται από τα ίδια τους τα προϊόντα. Για παράδειγμα, τα τελικά προϊόντα συχνά αναστέλλουν ένα από τα πρώτα ένζυμα της οδού. Ένας τέτοιος ρυθμιστικός μηχανισμός ονομάζεται αρνητική ανατροφοδότηση, επειδή η ποσότητα του παραγόμενου τελικού προϊόντος ρυθμίζεται από τη δική του συγκέντρωση. Αυτό εμποδίζει τα κύτταρα να παράγουν υπερβολική ποσότητα ενζύμου. Ο έλεγχος της δράσης των ενζύμων συμβάλλει στη διατήρηση ενός σταθερού εσωτερικού περιβάλλοντος στους ζωντανούς οργανισμούς.
4. Τα ένζυμα μπορούν να ρυθμίζονται με την τροποποίησή τους μετά την παραγωγή τους. Ένα παράδειγμα είναι η διάσπαση της πολυπεπτιδικής αλυσίδας. Η χυμοθρυψίνη, μια πεπτική πρωτεάση, παράγεται σε ανενεργή μορφή στο πάγκρεας και μεταφέρεται σε αυτή τη μορφή στο στομάχι όπου και ενεργοποιείται. Αυτό εμποδίζει το ένζυμο να χωνέψει το πάγκρεας ή άλλους ιστούς πριν εισέλθει στο έντερο. Αυτός ο τύπος ανενεργού πρόδρομου ενζύμου είναι γνωστός ως ζυμογόνο.
5. Ορισμένα ένζυμα μπορεί να ενεργοποιούνται όταν μετακινούνται σε διαφορετικό περιβάλλον (π.χ. από υψηλό pH σε χαμηλό pH). Για παράδειγμα, η αιμοσυγκολλητίνη στον ιό της γρίπης ενεργοποιείται από την αλλαγή σχήματος. Αυτό προκαλείται από τις όξινες συνθήκες που επικρατούν στο εσωτερικό του λυσοσώματος του κυττάρου ξενιστή.

Τα ένζυμα έχουν ταξινομηθεί από τη Διεθνή Ένωση Βιοχημείας. Η Επιτροπή τους για τα ένζυμα έχει ομαδοποιήσει όλα τα γνωστά ένζυμα σε έξι κατηγορίες:

1. Οξειδοαναγωγάσες: καταλύουν τη μεταφορά ηλεκτρονίων
2. Τρανσφεράσες: μετακινούν λειτουργική ομάδα από ένα μόριο σε άλλο
3. Υδρολάσες: προσθέτουν ομάδα -ΟΗ (υδροξύλιο)
4. Λυάσες: διασπούν χημικούς δεσμούς και συχνά προσθέτουν διπλό δεσμό ή δομή δακτυλίου
5. Ισομεράσες: όπου το Β είναι ισομερές του Α
6. Λιγάσες: ενώνουν δύο μεγάλα μόρια: A-C + b

Τα μεμονωμένα ένζυμα λαμβάνουν έναν τετραψήφιο αριθμό που τα ταξινομεί στη βάση δεδομένων. ^p145

Τα ένζυμα έχουν ταξινομηθεί από τη Διεθνή Ένωση Βιοχημείας. Η Επιτροπή τους για τα ένζυμα έχει ομαδοποιήσει όλα τα γνωστά ένζυμα σε έξι κατηγορίες:

1. Οξειδοαναγωγάσες: καταλύουν τη μεταφορά ηλεκτρονίων
2. Τρανσφεράσες: μετακινούν λειτουργική ομάδα από ένα μόριο σε άλλο
3. Υδρολάσες: προσθέτουν ομάδα -ΟΗ (υδροξύλιο)
4. Λυάσες: διασπούν χημικούς δεσμούς και συχνά προσθέτουν διπλό δεσμό ή δομή δακτυλίου
5. Ισομεράσες: όπου το Β είναι ισομερές του Α
6. Λιγάσες: ενώνουν δύο μεγάλα μόρια: A-C + b

Τα μεμονωμένα ένζυμα λαμβάνουν έναν τετραψήφιο αριθμό που τα ταξινομεί στη βάση δεδομένων. ^p145

Τα ένζυμα χρησιμοποιούνται εμπορικά για:

• παρασκευή παιδικής τροφής - προ-χώνευση τροφής για μωρά
• μαλακώνουν τα κέντρα των σοκολατών
• βιολογική σκόνη πλυσίματος - η οποία περιέχει ένζυμα πρωτεάσης που διασπούν τη βρωμιά και τη βρωμιά. Σπάει τα μεγάλα, αδιάλυτα μόρια σε μικρά, διαλυτά μόρια. Λειτουργεί σε χαμηλότερη θερμοκρασία, οπότε απαιτείται λιγότερη ενέργεια (θερμοσταθερό)

Τα ένζυμα χρησιμοποιούνται εμπορικά για:

• παρασκευή παιδικής τροφής - προ-χώνευση τροφής για μωρά
• μαλακώνουν τα κέντρα των σοκολατών
• βιολογική σκόνη πλυσίματος - η οποία περιέχει ένζυμα πρωτεάσης που διασπούν τη βρωμιά και τη βρωμιά. Σπάει τα μεγάλα, αδιάλυτα μόρια σε μικρά, διαλυτά μόρια. Λειτουργεί σε χαμηλότερη θερμοκρασία, οπότε απαιτείται λιγότερη ενέργεια (θερμοσταθερό)

• Κινητική έκρηξης

• Κινητική έκρηξης