Akceptuję
W ramach naszej witryny stosujemy pliki cookies w celu świadczenia państwu usług na najwyższym poziomie, w tym w sposób dostosowany do indywidualnych potrzeb. Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień dotyczących cookies oznacza, że będą one zamieszczone w Państwa urządzeniu końcowym. Możecie Państwo dokonać w każdym czasie zmiany ustawień dotyczących cookies. Więcej szczegółów w naszej Polityce Prywatności

Zamknij X
Strona główna Artykuły

Obserwacje reakcji enzymatycznych

Enzymy są związkami wielkocząsteczkowymi. Grupę tych związków stanowią przede wszystkim białka, choć znane są też enzymy niebiałkowe. Katalizują (przyspieszają) one specyficzne reakcje chemiczne poprzez obniżenie energii aktywacji. Niemal wszystkie reakcje chemiczne związane z funkcjonowaniem organizmów żywych wymagają udziału enzymów w celu osiągnięcia wystarczającej wydajności. Enzymy są wysoce specyficzne wobec substratów. W związku z tym dany enzym katalizuje zaledwie kilka reakcji spośród wielu możliwych dla danych substratów. Zatem enzymy kierują procesami metabolicznymi i biochemicznymi związanymi z funkcjonowaniem organizmów żywych.


Wprowadzenie


Pojęciem enzymów określana jest grupę naturalnych biokatalizatorów makromolekularnych. Prawie wszystkie enzymy są białkami, za wyjątkiem kilku znanych przypadków kwasów rybonukleinowych o własnościach katalitycznych [1]. W przeciwieństwie do wielu katalizatorów niebiałkowych enzymy cechuje specyficzność katalizowanych reakcji oraz duża selektywność reakcji. Związki te często wykazują dużą swoistość w stosunku do substratu. Ciekawostką jest fakt, że w przypadku substratów optycznie czynnych wiele z pośród enzymów jest aktywna wyłącznie w stosunku do jednego z enancjomerów.

Cząsteczki enzymów mogą mieć charakter czysto białkowy, jak na przykład trypsyna lub zawierać części niepeptydowe.

Zgodnie z przyjętą obecnie nomenklaturą, enzym jako całość nazywany jest holoenzymem, jego część białkową określa się mianem apoenzymu, zaś reszty niepeptydowe - grupami prostetycznymi lub koenzymami. Do najważniejszych koenzymów należą grupy hemowe, witaminy i ich pochodne, flawonoidy, fosforany nukleozydów oraz chinony. Aktywność wielu enzymów jest zależna od obecności jonów metali jak i niektórych anionów nieorganicznych.

 

Mechanizm działania enzymów

 

Mechanizm oddziaływania enzymu z substratem polega na tym, że w bezpośredni kontakt z substratem wchodzi nie całe białko enzymatyczne, lecz tylko pewne jego ugrupowanie aminokwasowe. Ugrupowanie to nazywane jest centrum aktywnym enzymu, przy czym każdy enzym ma przynajmniej jedno centrum aktywne. W centrum aktywnym, obok skierowanych do jego wnętrza reszt aminokwasowych, znajdują się związane kowalencyjnie lub koordynacyjnie grupy prostetyczne oraz ewentualne jony potrzebne do wystąpienia prawidłowej aktywności enzymatycznej. Aminokwasy tworzące centrum aktywne mają zwykle charakter polarny oraz posiadają aktywne chemicznie grupy funkcyjne, przez co są zdolne do oddziaływań kowalencyjnych, koordynacyjnych, jonowych i wodorowych zarówno z substratem jak i z koenzymem.

Centra katalityczne umiejscowione są na ogół w zagłębieniu cząsteczki, izolowanym od środowiska zewnętrznego. Specyficzność wiązania zależy od precyzyjnie określonego ułożenia atomów w miejscu aktywnym. Substrat musi mieć odpowiedni kształt aby dopasować się do miejsca aktywnego. Wiązana (dokująca) molekuła musi charakteryzować się, obok właściwego kształtu, właściwym rozkładem gęstości elektronowej, umożliwiającym wiązania z polarnymi grupami funkcyjnymi znajdującymi się w miejscu dokowania.

Miejsca aktywne wielu enzymów nie są strukturami sztywnym, a ich kształt ulega często zmianie po skompleksowaniu cząsteczki substratu. Wynika z tego fakt, iż komplementarny względem substratu kształt miejsca katalitycznego pojawić się może jedynie po związaniu substratu. Enzymy wykazujące takie właściwości cechuje często większa różnorodność katalizowanych reakcji.

Wiele reakcji w organizmach żywych katalizowanych jest przez enzymy o podobnym działaniu lecz

odmiennej strukturze. Mówimy wówczas o izoenzymach. Różnice takie są dostrzegalne przede wszystkim w materiale pochodzącym z tkanek różnych gatunków, jednakże często preparat enzymatyczny uzyskany z jednego organizmu jest niehomogeniczny i można go rozdzielić na białka o takiej samej aktywności biologicznej lecz odmiennej strukturze.


Nazewnictwo i rodzaje enzymów


Nazwy systematyczne enzymów składają się z dwóch części. Cześć pierwsza nazwy z końcówką „aza”, informuje o typie katalizowanej reakcji. Natomiast druga część nazwy enzymu wskazuje na substrat (substraty), na który działa dany enzym [2]. W przypadku transferaz i oksydoreduktaz w nazwach uwzględnia się donor i akceptor. Przy transferazach jako przedrostek podaje się grupę przenoszoną. W grupie ligaz podaje się (w nawiasie) produkt powstały z rozpadu nukleotydu wysokoenergetycznego, wykorzystanego w reakcji. Nazwę substratu podaje się w dopełniaczu liczby pojedynczej, w przypadku gdy w reakcji biorą udział dwa substraty, ich nazwy podaje się w mianowniku liczby pojedynczej, rozdzielone dwukropkiem.

Jeżeli dany enzym katalizuje dwa następujące po sobie przekształcenia, nazwa drugiego powinna być ujęta w nawias i znajdować się jako trzeci człon nazwy.

Ponad to dla enzymów utworzono kod liczbowy służący do ich klasyfikacji. Każdemu enzymowi przyporządkowany jest czteroliczbowy ciąg. Pierwsza liczba określa przynależność enzymu do jednej z sześciu zasadniczych grup, mianowicie oksydoreduktazy (1), transferazy (2), hydrolazy (3), liazy (4), izomerazy (5) oraz ligazy (6). Kolejna liczba określa podklasę w danej grupie enzymów. Natomiast liczba trzecia oznacza przynależność danego enzymu do podpodklasy. Ostatnia czwarta liczba określa konkretny enzym.

Oksydoreduktazy są enzymami, które katalizują reakcje utleniania i redukcji, polegające na przenoszeniu elektronów i atomów wodoru lub przyłączaniu atomów tlenu do substratu. Gdy nazwa enzymu pochodzi od donora atomów wodoru mówimy o dehydrogenazach. Natomiast gdy nazwa enzymu pochodzi od akceptora atomów wodoru a donorem jest NADH2 mówimy o reduktazach. Jeżeli jony wodorkowe przenoszone są z jednego układu nikotynoamidowego na drugi enzymy takie nazywamy transhydrogenazami. Jeśli akceptorem wodoru podczas utleniania substratu jest tlen, enzymy katalizujące tą reakcję nazywamy oksydazami, jeśli jest nim nadtlenek wodoru nazywane są peroksydazami. Przyłączanie tlenu do substratu umożliwiają oksygenazy. Jednoczesne przyłączenie tlenu do dwóch substratów umożliwiają hydroksylazy. Grupami prostetycznymi są najczęściej mono- lub dinukleotydy flawinowe, takie jak FAD, dinukleotydy nikotynoamidoadeninowe NAD, witamina B2, hem, jony żelaza i cynku.

Transferazy, są to enzymy umożliwiające przenoszenie rodnika lub grupy z jednego związku na drugi albo wymianę rodnika lub grupy z atomem wodoru lub tlenu innego związku.

Hydrolazy katalizują rozbicie wiązań przy udziale wody. W zależności od charakteru hydrolizowanych wiązań rozróżniamy hydrolazy działająca na wiązania estrowe (estrazy, lipazy, hydrolazy tioestrów), wiązania monoestrów fosforanowych (fosfatazy, nukleotydazy), działające na związki glikozydowe, peptydy (aminopeptydazy, karboksypeptydazy, dipeptydazy) i inne.

Liazy katalizują rozbicie różnych wiązań nie na drodze hydrolitycznej, przy czym z substratu, na który działa enzym uwalniane są związki małocząsteczkowe. Ze względu na rodzaj odszczepianych grup wyróżniamy między innymi dekarboksylazy (uwalniają CO2), aldolazy (uwalniają małocząsteczkowe aldehydy), dehydratazy (uwalniają wodę), amoniakoliazy (uwalniają amoniak).

Izomerazyumożliwiają wewnątrzcząsteczkową izomeryzację substratu. Proces może obejmować zmianę konfiguracji przy węglu asymetrycznym (racemazy), przeniesienie atomu wodoru (izomerazy) lub grupy funkcyjnej (mutazy).

Ligazy są odpowiedzialne za syntezę (powstawanie nowych wiązań), związaną z pobraniem energii z fosforanów wysokoenergetycznych.

 

Szybkość reakcji enzymatycznej

 

Szybkość reakcji enzymatycznej nie jest funkcja prostoliniową, lecz graficznie przedstawia krzywą przypominającą hiperbolę [3]. Na szybkość reakcji enzymatycznej z jednej strony wpływają inhibitory, zaś z drugiej aktywatory. Inhibicja enzymów przez małe cząsteczki organiczne oraz jony ma zasadnicze znaczenia dla regulacji i kontroli procesów enzymatycznych w żywym organizmie. Inhibicja może być procesem odwracalnym, bądź nieodwracalnym. W inhibicji nieodwracalnej inhibitor łączy się kowalencyjnie z enzymem lub wiąże się z nim w sposób na tyle silny, że rozbicie kompleksu jest praktycznie niemożliwe. W przeciwieństwie do inhibicji nieodwracalnej, inhibicję odwracalną cechuje szybki rozpad kompleksu enzymu z inhibitorem.

Najprostszym typem odwracalnego hamowanie funkcji enzymu jest inhibicja kompetencyjna. W tym przypadku cząsteczka inhibitora wiąże się z enzymem w miejscu wiązania substratu, zmniejszając w ten sposób liczbę molekuł enzymu zdolnych do katalizowania reakcji, zmniejszając zatem szybkość katalizy. Inhibitory kompetencyjne są geometrycznie podobne do substratu. Inhibitory niekompetencyjne wiążą się z enzymem jednocześnie z wiązaniem substratu. Spowalniacz tego typy zmienia własności enzymu, uniemożliwiając tym samym katalizowanie przez niego reakcji.

Grupą enzymów charakteryzującą się odmiennymi właściwościami kinetycznymi oraz cechami procesów inhibicji i aktywacji są enzymy allosteryczne. W przypadku biokatalizatorów z tej grupy w każdej molekule występuje kilka miejsc wiązania substratu, przy czym związanie substratu w jednym z tych miejsc zmienia powinowactwo (zmniejsza lub zwiększa) pozostałych centrów aktywnych do kolejnych cząsteczek substratu. Takie wiązanie substratu nazywamy wiązaniem kooperatywnym. Aktywność enzymu allosterycznego zależy ponadto od obecności cząsteczek regulujących, wiążących się podobnie jak inhibitory niekompetencyjne, poza centrum katalitycznym lecz zmieniających własności katalityczne cząsteczki enzymu. Mogą one mieć zarówno wpływ aktywujący jak i dezaktywujący na biokatalizator.

 

Wpływ środowiska reakcji na aktywność enzymów

 

Maksymalna aktywność każdego enzymu zawiera się w charakterystycznym, dla niego przedziale wartości pH [4]. Ponieważ pH wpływa na ładunek cząsteczki enzymu jak i cząsteczki substratu, największą szybkość reakcji zaobserwować można przy stężeniu jonów wodorowych gwarantującym największą różnicę pomiędzy ładunkiem substratu i enzymu. Dodatkowo zmiany pH wpływają, na skutek jonizacji pewnych grup funkcyjnych białka, na zmianę struktury trzeciorzędowej, a zatem i geometrii, cząsteczki enzymu, co pociąga za sobą zmiany aktywności katalitycznej. Poszczególne enzymy różnią się pH optymalnym.

Podwyższenie reakcji o każde 100 st.C powoduje wzrost szybkości reakcji 2-3 krotnie [4].

W przypadku żywych organizmów prawo to dotyczy niewielkiego zakresu temperatur, w którym nie zachodzą zmiany strukturalne w białkach (do 45 st.C).

 

Podsumowanie

 

Zmiany aktywności enzymów we krwi, są często odzwierciedleniem zmian patologicznych zachodzących w narządach. Nowoczesna diagnostyka opiera się na założeniu, że uszkodzenie narządu pociąga za sobą uszkodzenie struktur komórkowych lub zmianę przepuszczalności błon komórkowych. Uszkodzenia błon powodują ucieczkę enzymów, zwiększając tym samym ich ilość w cieczach ustrojowych, mowa tu o krwi, płynie mózgowo-rdzeniowym, moczu, sok żołądkowym czy dwunastniczym. Lokalizację, rozmiary i intensywności uszkodzenia, niewydolność narządu, można określić nie tylko w przypadku wzrostu, ale również zmniejszeniu aktywności niektórych enzymów w surowicy. Poza stanami patologicznymi, na aktywność danego enzymu może wpływać intensywność ich produkcji przez organizm, a także zmiany ilościowe ich aktywatorów.

Innym zastosowaniem enzymów jest przemysł, zwłaszcza chemiczny i spożywczym, głównie jako niezwykle specyficzne, bezpieczne w użyciu katalizatory. Jakkolwiek ich wadą jest wrażliwość na skrajne warunki, takie jak temperatura, czy pH, niestabilność w środowiskach innych niż wodne oraz stopniowa degradacja podczas użytkowania. Także wysoka specyficzność, istotna z punktu biologicznego, w przemyśle jest ograniczeniem ich uniwersalności. Dlatego też inżynieria białka jest dynamicznie rozwijającą się dziedziną nauki, zajmującą się badaniem i projektowaniem enzymów o nowych właściwościach lub poprawionej wydajności czy stabilności.

Enzymy są podstawą istnienia życia, jako że są niezbędne do zajścia niemalże każdej reakcji chemicznej z szybkością i wydajnością znacząco wysoką dla procesów biologicznych. Bez enzymów większość reakcji zachodziłaby zbyt wolno lub zbyt mało wydajnie, by miało to zauważalne w czasie znaczenie. Większość enzymów, poprzez swój udział w reakcjach katabolicznych i anabolicznych, definiuje metabolizm komórki czy organizmu. Enzymy metaboliczne działają zwykle w grupach (kompleksach), w szeregu sekwencyjnie następujących po sobie reakcji, określanych mianem szlaków metabolicznych. Szlaki te często wykorzystują wspólne produkty pośrednie reakcji, przebiegają równolegle, prowadzą do tego samego produktu lub od tego samego substratu w skomplikowanej sieci zależności reakcji enzymatycznych [ 5].

Enzymy biorą udział także w reakcjach niemetabolicznych. Enzymy są także ważnymi składnikami interakcji między organizmami czy komórkami. Leukocyty używają enzymów do zwalczania patogenów, z kolei bakterie patogenne używają ich podczas infekcji i do obrony przed elementami systemu immunologicznego. Także wirusy używają enzymów do swojej replikacji, a także podczas infekcji i opuszczania komórek gospodarza. Enzymy są także składnikami jadów i toksyn, używanych i wytwarzanych przez wiele organizmów.

Na zakończenie warto wspomnieć, że enzymy pełnią także bardziej wyszukane funkcje, wszędzie tam, gdzie potrzebna jest wydajna, specyficzna kataliza chemiczna, jak na przykład bioluminescencja u świetlików.


Autor: Karolina Wójciuk


Literatura:

1. Lilley, D.M., 2005. Structure, folding and mechanisms of ribozymes. Curr. Opin. Struct. Biol., 3(15), 313-23.

2.  Kruger, K. and coworkers, 1982. Self-splicing RNA: autoexcision and autocyclization of the ribosomal RNA intervening sequence of Tetrahymena. Cell., 1, 147-5.

3. Henri,V., 1902. Theorie generale de l’action de quelques diastases. Compt. rend. hebd. Acad. Sci. Paris. 135, 916-919.

4. Polanowski, A., 2005. Laboratorium z biochemii. Wrocław: Instytut Biochemii i Biologii Molekularnej Uniwersytetu Wrocławskiego.

5. Mayer, J., Thomas, D.W., 1967. Regulation of food intake and obesity. Science,  21, 156. 773.


Tagi: enzym, reakcja enzymatyczna, metabolizm, oksydoreduktazy, transferazy, hydrolazy, liazy, izomerazy, ligazy, koenzym, miejsce aktywne, dokowanie, pH, temperatura
Drukuj PDF
wstecz Podziel się ze znajomymi

Recenzje



Informacje dnia: Ograniczenie soli w diecie może być groźne Nie mam jeszcze wniosków na temat pochodzenia Covid-19 Najdokładniejsze systemy satelitarnego transferu czasu Ponad połowa chorych z SARS-CoV2 cierpi na długi covid Zintegrować informacje o logistyce Wystawa "Nie to niebo" Ograniczenie soli w diecie może być groźne Nie mam jeszcze wniosków na temat pochodzenia Covid-19 Najdokładniejsze systemy satelitarnego transferu czasu Ponad połowa chorych z SARS-CoV2 cierpi na długi covid Zintegrować informacje o logistyce Wystawa "Nie to niebo" Ograniczenie soli w diecie może być groźne Nie mam jeszcze wniosków na temat pochodzenia Covid-19 Najdokładniejsze systemy satelitarnego transferu czasu Ponad połowa chorych z SARS-CoV2 cierpi na długi covid Zintegrować informacje o logistyce Wystawa "Nie to niebo"

Partnerzy

GoldenLine Fundacja Kobiety Nauki Job24 Obywatele Nauki NeuroSkoki Portal MaterialyInzynierskie.pl Uni Gdansk MULTITRAIN I MULTITRAIN II Nauki przyrodnicze KOŁO INZYNIERÓW PB ICHF PAN FUNDACJA JWP NEURONAUKA Mlodym Okiem Polski Instytut Rozwoju Biznesu Analityka Nauka w Polsce CITTRU - Centrum Innowacji, Transferu Technologii i Rozwoju Uniwersytetu Akademia PAN Chemia i Biznes Farmacom Świat Chemii Forum Akademickie Biotechnologia     Bioszkolenia Geodezja Instytut Lotnictwa EuroLab

Szanowny Czytelniku!

 
25 maja 2018 roku zacznie obowiązywać Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2016/679 z dnia 27 kwietnia 2016 r (RODO). Potrzebujemy Twojej zgody na przetwarzanie Twoich danych osobowych przechowywanych w plikach cookies. Poniżej znajdziesz pełny zakres informacji na ten temat.
 
Zgadzam się na przechowywanie na urządzeniu, z którego korzystam tzw. plików cookies oraz na przetwarzanie moich danych osobowych pozostawianych w czasie korzystania przeze mnie ze strony internetowej Laboratoria.net w celach marketingowych, w tym na profilowanie i w celach analitycznych.

Kto będzie administratorem Twoich danych?

Administratorami Twoich danych będziemy my: Portal Laboratoria.net z siedzibą w Krakowie (Grupa INTS ul. Czerwone Maki 55/25 30-392 Kraków).

O jakich danych mówimy?

Chodzi o dane osobowe, które są zbierane w ramach korzystania przez Ciebie z naszych usług w tym zapisywanych w plikach cookies.

Dlaczego chcemy przetwarzać Twoje dane?

Przetwarzamy te dane w celach opisanych w polityce prywatności, między innymi aby:

Komu możemy przekazać dane?

Zgodnie z obowiązującym prawem Twoje dane możemy przekazywać podmiotom przetwarzającym je na nasze zlecenie, np. agencjom marketingowym, podwykonawcom naszych usług oraz podmiotom uprawnionym do uzyskania danych na podstawie obowiązującego prawa np. sądom lub organom ścigania – oczywiście tylko gdy wystąpią z żądaniem w oparciu o stosowną podstawę prawną.

Jakie masz prawa w stosunku do Twoich danych?

Masz między innymi prawo do żądania dostępu do danych, sprostowania, usunięcia lub ograniczenia ich przetwarzania. Możesz także wycofać zgodę na przetwarzanie danych osobowych, zgłosić sprzeciw oraz skorzystać z innych praw.

Jakie są podstawy prawne przetwarzania Twoich danych?

Każde przetwarzanie Twoich danych musi być oparte na właściwej, zgodnej z obowiązującymi przepisami, podstawie prawnej. Podstawą prawną przetwarzania Twoich danych w celu świadczenia usług, w tym dopasowywania ich do Twoich zainteresowań, analizowania ich i udoskonalania oraz zapewniania ich bezpieczeństwa jest niezbędność do wykonania umów o ich świadczenie (tymi umowami są zazwyczaj regulaminy lub podobne dokumenty dostępne w usługach, z których korzystasz). Taką podstawą prawną dla pomiarów statystycznych i marketingu własnego administratorów jest tzw. uzasadniony interes administratora. Przetwarzanie Twoich danych w celach marketingowych podmiotów trzecich będzie odbywać się na podstawie Twojej dobrowolnej zgody.

Dlatego też proszę zaznacz przycisk "zgadzam się" jeżeli zgadzasz się na przetwarzanie Twoich danych osobowych zbieranych w ramach korzystania przez ze mnie z portalu *Laboratoria.net, udostępnianych zarówno w wersji "desktop", jak i "mobile", w tym także zbieranych w tzw. plikach cookies. Wyrażenie zgody jest dobrowolne i możesz ją w dowolnym momencie wycofać.
 
Więcej w naszej POLITYCE PRYWATNOŚCI
 

Newsletter

Zawsze aktualne informacje