Ензими какви са те и как работят

какви

Въведение

Сравнително проста клетка, като бактерията Escherichia coli, може да произведе повече от 4000 различни протеини. След водата протеините са най-разпространените молекули в клетките (

15% от масата на бактерията). Клетката е колекция от хиляди молекули в постоянно движение и организирани в специфични структури. Тази колекция включва протеини, нуклеинови киселини, полизахариди, липиди, метаболити и малки йони, като натрий, калий и магнезий. Анимация, показваща разнообразието от процеси, които се случват по всяко време в клетката, може да се види в следващото видео:

Ензимите имат огромно разнообразие от функции в клетката: те разграждат захарите, синтезират мазнини и аминокиселини, вярно копират генетична информация, участват в разпознаването и предаването на външни сигнали и са отговорни за разграждането на токсичните странични продукти за клетката, сред много други жизненоважни функции. Идентичността и физиологичното състояние на живо същество се определят от събирането на ензими, които работят с хирургична точност и със скоростта на светкавицата във всеки един момент в клетките. По този начин, в продължение на милиони години еволюция, природата е развила голямо разнообразие от ензими, за да поддържа сложния феномен на живота.

Колко ефективни са ензимите? Как работят те?

Има няколко начина за измерване на ефективността на даден ензим. Най-простото е да се определи колко бързо протича реакцията по отношение на това колко субстратни молекули се трансформират в секунда, както в примера с карбоанхидразата. Когато сравним колко бързо преминава катализираната реакция спрямо липсата на ензима, можем да оценим ефективността на ензимите като ускорители на реакцията. Друг начин е да се прецени времето, необходимо за възникване на реакцията. Досега най-ефективният ензим катализира декарбоксилирането на субстрат, наречен оритидин 5'-фосфат (OMP), и се нарича OMP декарбоксилаза. Некатализираната реакция отнема 78 милиона години. За щастие, ензимът OMP декарбоксилаза ускорява реакцията 10-17 пъти, така че се появява за едва 25 хилядни от секундата. Тази реакция е много важна, тъй като е част от производствената верига на нуклеотида уридин монофосфат, един от 4-те компонента на рибонуклеиновата киселина (РНК, за нейното съкращение на английски).

Как ензимите вършат тази работа? Не забравяйте, че ензимите са протеини, полимери на аминокиселини, които имат определена триизмерна структура. Неговата активност, която включва взаимодействие със субстрата, зависи от неговата триизмерна структура. Ако това се промени, каталитичният капацитет може да бъде влошен. За да се разбере по-добре как един протеин се сгъва или огъва в пространството, са разработени изчислителни инструменти за симулиране на това явление. Симулацията на сгъване на малък протеин може да се види в следващото видео:

Сега, какво ръководи или определя сгъването на протеин? Протеините са елегантно сгънати в зависимост от последователността на аминокиселините (наречени аминокиселинни остатъци, тъй като те са част от протеин), които ги съставят и между техните гънки и криви образуват определени кухини или места с афинитет към различни молекули. В случай на ензими, именно на тези места се получава химичната реакция. Ето много добре направено видео, което показва симулация на взаимодействието между протеини и малки молекули:

Всеки път, когато група учени определят триизмерната структура на протеина, той се депозира на уеб страница, наречена „Банка с данни за протеини“ (PDB). От този сайт избрахме галерия от ензими, която е показана на следващата фигура, подчертавайки изтънчеността и красотата на някои от известните до момента гънки (Фигура 1). Всички тези прекрасни възгледи на протеините се дължат на напредъка в структурната биология, която е сравнително млада наука, както ще споменем в следващия раздел.

Фигура 1. Ензимна галерия. Карбонхидразата поддържа рН на нашата кръв (PDB 1CA2). Луциферазата е изолирана от медуза и също е отговорна за биолуминесценцията при светулки (PDB 2D1S). Алкохолната дехидрогеназа разгражда алкохола, който пием, той се произвежда в черния дроб (PDB 1AGN). Триосефосфат изомеразата е важна за метаболизма на захарите (PDB 2YPI). Цитохром P450 модифицира някои лекарства и токсични съединения, които влизат в нашето тяло (PDB 1W0E). Получено от PDB (http://www.rcsb.org/pdb/home/home.do).

Ензимните механизми, които ускоряват реакцията, са много разнообразни. Две от най-простите и интуитивни са „подход“ и „ориентация“. Както при всяка химична реакция, реагентите трябва да се сблъскат помежду си с достатъчно енергия и в правилната ориентация, за да се разрушат или образуват връзките между молекулите. Тъй като тези сблъсъци се случват напълно случайно, не всички от тях са продуктивни, тоест не всички предизвикват химическа реакция. Както бе споменато по-рано, ензимите имат кухини, които могат да побират субстрати, за да реагират помежду си. Те съставляват "активното място" на ензима. На това място има специфични аминокиселинни остатъци, които позволяват взаимодействие със субстратите и улесняват разрушаването и образуването на нови връзки.

Някои ензими включват в структурата си метали (например железни, медни и цинкови йони, наред с други), които могат да участват в каталитичния процес.

Някои ензими включват в структурата си метали (например железни, медни и цинкови йони, наред с други), които могат да участват в каталитичния процес. Поради тази причина е от съществено значение триизмерната структура на ензима да се запази, тъй като позициите и ориентацията на аминокиселинните остатъци и други кофактори (т.е. метали) са тези, които определят дали реакцията се провежда или не. Субстратите, като взаимодействат с активното място на ензима, са по-близо един до друг (механизъм за подход) и също са ориентирани по определен начин (механизъм за ориентация). Сякаш субстратите имат шаблон или шаблон (т.е. ензимният активен сайт), където могат да се „сгънат“, за да се срещнат и реагират, вместо да разчитат на случайни сблъсъци. По този начин присъствието на ензима осигурява друг начин, по който протича определена химическа реакция. Като цяло този механизъм изисква по-малко енергия и следователно химическата реакция протича по-бързо в присъствието на ензима. Много илюстративно видео, което илюстрира този процес, можете да видите тук: