Enzimek mik ezek és hogyan működnek
Bevezetés
Egy viszonylag egyszerű sejt, például az Escherichia coli baktérium, több mint 4000 különböző fehérjét képes előállítani. A víz után a fehérjék a leggyakoribb molekulák a sejtekben (
Baktérium tömegének 15% -a). A sejt több ezer, állandó mozgásban levő és meghatározott struktúrákba szerveződött molekula. Ez a gyűjtemény fehérjéket, nukleinsavakat, poliszacharidokat, lipideket, metabolitokat és kis ionokat tartalmaz, mint például nátrium, kálium és magnézium. A következő videón látható egy animáció, amely bemutatja a cellán belül folyamatosan előforduló folyamatok sokféleségét:
Az enzimek a sejtben rendkívül sokféle funkcióval rendelkeznek: lebontják a cukrokat, szintetizálják a zsírokat és aminosavakat, hűen másolják a genetikai információkat, részt vesznek a kívülről érkező jelek felismerésében és továbbításában, és felelősek a sejt mérgező melléktermékeinek lebontásáért, sok más létfontosságú funkció mellett. Az élőlény azonosságát és fiziológiai állapotát az enzimek összegyűjtése határozza meg, amelyek sebészi pontossággal és a sejtek bármely pillanatában villámsebességgel működnek. Így az evolúció milliói alatt a természet az enzimek sokféleségét fejlesztette ki az élet összetett jelenségének fenntartása érdekében.
Mennyire hatékonyak az enzimek? Hogyan működnek?
Az enzim hatékonyságának mérésére többféle módon van lehetőség. A legegyszerűbb annak meghatározása, hogy a reakció milyen gyorsan megy végbe, tekintve, hogy hány szubsztrátmolekula alakul át másodpercenként, mint a szénsav-anhidráz példában. Ha összehasonlítjuk, hogy a katalizált reakció milyen gyorsan halad az enzim hiányában, értékelhetjük az enzimek, mint reakciógyorsító hatékonyságát. Egy másik módszer az, hogy mérlegeljük a reakció kialakulásához szükséges időt. Az eddigi leghatékonyabb enzim az oritidin-5'-foszfát (OMP) nevű szubsztrát dekarboxilezését katalizálja, OMP-dekarboxiláznak hívják. A katalizálatlan reakció 78 millió évig tart. Szerencsére az OMP dekarboxiláz enzim 10-17-szer gyorsítja fel a reakciót, tehát alig 25 ezredmásodperc alatt fordul elő. Ez a reakció nagyon fontos, mivel az uridin-monofoszfát nukleotid termelési láncának része, amely a ribonukleinsav (RNS, angol rövidítése) 4 komponensének egyike.
Hogyan végzik az enzimek ezt a munkát? Ne feledje, hogy az enzimek olyan fehérjék, aminosavak polimerjei, amelyek meghatározott háromdimenziós szerkezettel rendelkeznek. Aktivitása, amely magában foglalja a szubsztráttal való interakciót, háromdimenziós szerkezetétől függ. Ha ez módosul, a katalitikus kapacitás csökkenhet. Annak érdekében, hogy jobban megértsük, hogyan hajlik vagy hajlik egy fehérje a térben, számítási eszközöket fejlesztettek ki ennek a jelenségnek a szimulálására. A kis fehérje hajtogatásának szimulációja a következő videóban látható:
Most mi irányítja vagy határozza meg a fehérje hajtogatását? A fehérjék elegánsan hajtogatnak az őket alkotó aminosavak szekvenciájától függően (aminosavmaradékoknak nevezik őket, mivel ezek egy fehérje részei), és a redők és görbék között bizonyos üregeket vagy helyeket képeznek affinitással a különböző molekulákhoz. Az enzimek esetében ezeken a helyeken következik be a kémiai reakció. Itt van egy nagyon jól sikerült videó, amely a fehérjék és a kis molekulák közötti kölcsönhatás szimulációját mutatja be:
Valahányszor a tudósok egy csoportja meghatározza egy fehérje háromdimenziós szerkezetét, azt egy "Protein Data Bank" (PDB) nevű weboldalon helyezik el. Erről az oldalról kiválasztottuk az enzimek galériáját, amelyet a következő ábra mutat be, kiemelve néhány napjainkban ismert redő kifinomultságát és szépségét (1. ábra). Mindezek a fehérjékről alkotott csodálatos nézetek a strukturális biológia fejlődésének köszönhetők, amely viszonylag fiatal tudomány, amint azt a következő szakaszban megemlítjük.
1.ábra. Enzim Galéria. A szénhidrogén-anhidráz fenntartja vérünk pH-ját (PDB 1CA2). A luciferázt egy medúza izolálták, és felelős a szentjánosbogarak biolumineszcenciájáért is (PDB 2D1S). Az alkohol-dehidrogenáz lebontja az alkoholt, amelyet iszunk, a májban termelődik (PDB 1AGN). A triozefoszfát-izomeráz fontos a cukrok metabolizmusában (PDB 2YPI). A citokróm P450 módosítja a szervezetünkbe kerülő gyógyszereket és mérgező vegyületeket (PDB 1W0E). Beszerezve az EKT-ból (http://www.rcsb.org/pdb/home/home.do).
A reakciót felgyorsító enzimatikus mechanizmusok nagyon változatosak. A két legegyszerűbb és leg intuitívabb a "megközelítés" és a "tájékozódás". Mint minden kémiai reakcióban, a reagenseknek is elegendő energiával és megfelelő irányban kell ütközniük egymással, hogy a molekulák közötti kötések megszakadjanak vagy kialakuljanak. Mivel ezek az ütközések teljesen véletlenszerűen fordulnak elő, nem mindegyikük produktív, vagyis nem mindegyik vált ki kémiai reakciót. Mint korábban említettük, az enzimeknek vannak üregei, amelyek befogadják a szubsztrátumokat, hogy egymással reagáljanak. Ezek alkotják az enzim "aktív helyét". Ezen a helyen olyan specifikus aminosavmaradékok találhatók, amelyek lehetővé teszik a szubsztrátokkal való kölcsönhatást, és megkönnyítik az új kötések megtörését és kialakulását.
| Egyes enzimek szerkezetében fémek vannak (például vas-, réz- és cink-ionok), amelyek részt vehetnek a katalitikus folyamatban. | ||
Egyes enzimek szerkezetében fémek vannak (például vas, réz és cink ionok), amelyek részt vehetnek a katalitikus folyamatban. Emiatt elengedhetetlen az enzim háromdimenziós szerkezetének fenntartása, mivel az aminosavmaradékok és más kofaktorok (azaz fémek) helyzete és orientációja határozza meg, hogy a reakció megtörténik-e vagy sem. A szubsztrátok az enzim aktív helyével kölcsönhatásban közelebb vannak egymáshoz (megközelítési mechanizmus), és szintén sajátos módon orientálódnak (orientációs mechanizmus). Mintha a szubsztrátoknak lenne sablonjuk vagy templátjuk (vagyis az enzim aktív helye), ahol véletlenszerű ütközésekre támaszkodva „fészkelődhetnek”, hogy találkozzanak és reagáljanak. Ily módon az enzim jelenléte egy másik módot biztosít egy bizonyos kémiai reakció lefolytatására. Ez a mechanizmus általában kevesebb energiát igényel, ezért a kémiai reakció gyorsabban megy végbe az enzim jelenlétében. Egy nagyon szemléletes videó, amely példázza ezt a folyamatot, itt látható: