Ензими

Хемијска природа ензима

Ензими, или како су се раније звали, ферменти, биолошки су врло важна група протеина. То су сложена органска једињења, која стварају и излучују живе ћелије. Име ензим (enzyme) значи у квасцу, јер су први познати ензими били они које излучују ћелије квасца. Пастер1 који је открио природу врења (ферментације) мислио је да је потребна жива ћелија квасца за врење. Касније је нађено да је и сок исцеђен из сасвим разорених квасаца још увек способан да изазове врење.

Ензими су катализатори у живој ћелији. Сва хемијска претварања у организму које називамо метаболизмом, могућа су само због присуства, или тачније речено, деловање ензима. Супстрати су једињења која се хемијски мењају деловањем ензима.

Сви до данас познати ензими прпадају протеинима или протеидима. До данас је изоловано много стотина ензима у кристалном стању, а први ензим изолован у кристалном стању била је уреаза. Многим ензимима одређена је секвенца АК и објашњена конформација. За каталитичко деовање ензима одговоран је „Активни центар“ који настаје од одређених делова полипептидног ланца посебним набирањем. При денатурацији разграђује се конформација, због чега се губи каталитичко деловање иако је секвенца аминокиселина остала иста.

Слика 1. Супстрат и активни центар

Многи ензими припадају пептидима, па се састоје од протеинског дела и од одређене „простетичне групе“ Неки ензими у свом активном облику вежу такву групу

1

реверзибилно, па протеин тада називамо апоензимом, а простетску групу коензимом: коензим + апоензим = (холо) ензим. Коензими, који би се према систематици требало исправније називати косупстратом, имају важну функцију при ензимском деловању.

Ензими делују врло специфично. Они поседују специфичност према супстрату, тј. Они реагују с тачно одређеним међупроизводом метаболизма. Најчешће не реагују ни са врло сличним једињењима. Ензими показују специфичност деловања, па од многобројних реакција у које може да уђе неки метаболит катализована је само једна. У томе се ти катализатори битно разликују од неспецифичних поступака за убрзавање реакција, као што су повишење температуре и општа киселинска и базна катализа.

Подела и номенклатура ензима

Одавно познати ензими имају тривијална имена која се и сада употребљавају (трипсин,пепсин, емулзин,итд.). Касније су се имена градила применом суфикса „-аза“.

Сви до сада познати ензими према врсти реакције који катализују разврстани су у 6 класа:

1. Оксидоредуктазе (ензими биолошке оскидације и редукције)2. Трансферазе (ензими који преносе групе)3. Хидролазе ( ензими који катализују хидролитичка цепања)4. Лиазе ( катализују реакције елиминације уз стварање двоструке везе или адиције на

двоструку везу)5. Изомеразе ( катализују преградњу унутар молекула)6. Лигазе или синтетазе ( стварају везе везе уз истовремено цепање АТП )

У зависности од тога где се дешава ензимска активност, ензими се деле на:

1. Егзоензими- екстарцелуларни простор (делују изван ћелије, нпр. ензими варења)2. Ендоензими- интрацелуларни простор (делују унутар ћелије, нпр. ензими

метаболичких ракција )

Један ензим може да припада обема групама.

2

Структуре сложених ензима

Апоензим - Високомолекулска протеинска компонента која садржи активни центар. Може да веже коензим или кофактор.

Коензим - Органски молекул мале молекулске масе NAD+ , FAD

Кофактор - Неоргански молекул или јон неопходан за функцију ензима, пр. Гвожђе, цинк или магнезијум.

Коензими

Коензими и простетичне групе

Појмови „коензим“ и „простетична група“ често се сматрају синонимима. Уобичајено је да се чврсто везане групе, које се не могу уклонити дијализом означавају као простетичне групе, а оне које се дисоцијацијом лако одвајају ко коензими. Често је тешко да се одреди да ли се нешто „лако“ или „тешко“ одваја, јер постоје сви могући прелази између тих стања. Простетичне групе (које се називају још и активним групама) учествују у хемијским реакцијама у току каталитичког процеса, при чему се и мењају.

Типични коензими који дисосују требало би да се зову косупстратима. Они преузимају улогу донатора водоника или неке груп. На пример, аденозинтрифосфат (АТП) даје фосфатни остатак код хексокиназне реакције, а ниотин-амид-динуклеотид (НАД) реузима водоник са супстрата. Оба једињења (АТП и НАД) фигуришу као други супстрат, који са стварним супстратом улази заправо у некаталитичку реакцију која се стехиометријски одвија. –у другој ракцији, која је катализована неким другим ензимским протеином, може хидрирани НАДХ опет да отпусти свој водоник (или аденозинтрифосфат (АДП) може опет да прими фосфатну групу) . И у овој ракцији су коензими косупстрати који реагују стехиометријски. Каталитичко деловање коензима покзује се тек његовим повезивањем са оба ензима, чиме се ствара ензимски систем.

3

Грађа и подела коензима

Готово сви коензими садрже фосфорну киселину, као битан саставни део, често повезану на начин који означавамо као „нуклеозид-фосфат“ или нуклеотид. Нуклеотиди су изграђени од неке базе (обично пурина или пиримидина), моносахарида (готово увек рибозе) и фосфорне киселине. База и шећер повезани су N-гликозидном везом, а фосфорна киселина естарски је повезана с једном хидроксилном групом рибозе. Нуклеотиди су прво пронађени као саставни део нуклеинских киселина, па им отуда име.

Многи коензими уско су повезани с витаминима. Витамини су активне супстанце које се морају уносити храном. Потребни су за све животне функције и не могу се надокнадитиосталим супстанцама нити их организам може сам изградити ако нису присутни њихови изворни прекурсори – провитамини. Дневна количина витамина која се треба унети храном врло је мала. Значи да то нису „хранљиве супстанце“ у уобичајном смислу речи, већ да имају каталитичке функције.

1.Коензими преносиоци водоника

Никотинамид-нуклеотиди- Многи ензими који катализују преношење водоника, врше то са супстратом никотинамд-аденин-динуклеотид (НАД) или на никотинамид-аденин-диуклеотид-фосфат (НАДП)

Слика 2. Никотинамид (НАД)

4

Флавински нуклотиди – У простетичним групама флавопротеина налази се флавин-мононуклеотид (ФМН) и ФАД (рибофлавини- витамини из групе Б12.) То су дривати алоксазина, изграђени тако да да је на птеридински прстен кондензацијом везан бензенов прстен. Систематско име је 7,8-диметил-10-рибозил-изоалоксазин. Бочни ланац се састоји од рибитола (петочлани полихидроксилни ланац) који као простетична група има фосфатни остатак на петом C-атому.

2.Коензими преносиоци група

Аденилна киселина је једињење изграђено од нуклеозида и фосфорне киселине; често се назива аденозин-монофосфат (AMP), заједно са аденозиндифосфатом (ADP) и аденозин-трифосфатом (ATP) чини систем аденилне киселине. Код ензимских реакција, поједини чланови могу да прелазе један у други.

Велика важност ATP у метаболизму ћелија заснива се на чињеници да се енергија садржана у његовом молекулу може искористити за покретање биохемијских реакција којиме је потребна енергија. Наиме, ATP садржи две енергијом богате везе (анхидридне везе), које могу да буду преношене на супстрате, који подлежу дејству ензима киназа, који имају хидроксилне, карбоксилне или гуанидне групе. У свим овим случајевима ATP је донатор фосфатне групе. Ако је фосфатни остатак уместо на алкохол пренет на воду, настаје реакција која се зове хидролиза.

Ензими који катализују ову реакцију зову се аденозинтрифосфатазе. ATP може да пренесе и AMP на супстрат уз ослобођање пирофосфата. Најважнија реакција овог типа је биосинтеза нуклеинских киселина. Пренос нуклеотидног остатка важан је и код биосинтезе NAD и FAD. Пренос дифосфата се дешава врло ретко. Пример за то је превођење рибоза-5-фосфорибозил-1-дифосфат, код синтезе нуклеотида.

Аденозил-метионин. Метионин, аминокиселина која садржи сумпор, најважнији је донатор метил-група (H3C-), које се преносе на различита једињења, пре свега на амину-групе.

Тетрахидрофолна киселина ( H4- фолат, витамин Bc) је коензим за пренос хидрокси-метил група, HOH2C-, и формил-група, -CHO, (C1- јединице). Основно једињење, фолна киселина, (птерилглутаминска киселина), откривено је као витамин. Састављена је од три компоненте: птеридински дериват (2- амино-4-хидрокси-6-метилптеридин), p-аминобензоева киселина (сматра се витамином) и глутаминска киселина.

5

Механизам дејства је тај што азотови атоми 5 и 10 могу да вежу активиране C1 јединице, с тим што N10 има виши потенцијал преноса група. Често се између двеју азотових атома гради петочлани прстен са једном C1 јединицом.

Биотин (витамин H)- простетична је група карбоксил-трансферазе. То је циклични дериват имидазола, који садржи и тиазолов прстен. Биотин је са ензимом амидно везан преко 6-аминогрупе лизиног остатка.

Коензим А ( CoA)- може да веже енергију богатом везом ацетат или друге карбоксилатне анјоне. Коензим А и ацил CoA су прави косупстрати, тј. Учесници ракција различитих апоензима.

3.Коензими изомераза, лиаза и лигаза

Пиродоксал фосфат ( витамин Б6) најважнији коензим метаболизма аминокиселина, пример је како иста простетична група може да катализује потпуно различите реакције. Пиродоксал-фосфат је истовремено активна група аминотрансфераза, аминодекарбоксилаза и различитих лиаза и синтаза које учествују у метаболизму амоникиселина.

Слика 3. Пиридоксал фосфат

6

Тиамин-дифосфат- (тиамин, витамин Б1) Је један од најдуже познатих витамина. Он има два прстена који нису кондензовани- питимидински и тиазолни. Место повезивања је квартарни азот тиазоловог прстена. У тиамин- дифосфату – дифосфатна група повезана је с хидроксилном групом бочног низа.

Слика 4. Тиамин дифосфат

Кобаламин-коензими- Су најкомпликованији природни оензими, а одводе се од цијано кобаламина (витамин Б12) . Најважнији коензим ове врсте је аденозил- кобаламин, који уместо цијанидне групе садржи аденин. Аденозил-кобаламин учествује у реакцијама преградње у којима водоник и органске групе мењају места.

Модели интеракције (везивања) супстрата и ензима

Слика 5. Модел кључа и браве

Сваки ензим везује један тип супстрата- Ензим и супстрат имају комплементарну структуру.

7

Супстрат задовољава облик и распоред наелектрисања активног центра, што му дозвољава да уђе и интерагује са активним центром ензима.

Слика 6. Модел индукованог подешавања – индукованог прилагођавања

Супстрат не одговара у потпуности активном центру, али везивање супстрата индукује конформационе промене у ензиму, што за собом повлачи да околина активног центра одговара супстрату по принципу кључа и браве.

Кинетика ензимских реакција

Општи принципи кинетике хемијских реакција примењиви су и на ензимске реакције.

Неуобичајено: При довољно високим концентрацијама супстрата брзина реакције се више не повећава - достиже се максимална брзина.

Објашњење:У току процеса катализе ствара се комплекс ензим-супстрат, који се после обављене реакције разлаже на производ реакције и непромењени ензим.

У ћелијама је концентрација ензима мала,па су при високој концентрацији супстрата сви молекули ензима засићени, а брзина реакције престаје да се мењаПоред тога, производ једне реакције у биолошким системима се обично одмах користи за неку другу реакцију, па је равнотежа изразито померене у правцу настајања производа.

8

Механизам деловања ензима

Ензими везују супстрате за активни центар и гради се прелазни ензим-супстрат комплекс.

Слика 7. Ензим- супстрат комплекс

Утицај различитих фактора на активност ензима

Средина:

1. Температура2. pH3. Концентрација супстрата и ензима

Хемијска једињења:

1. Инхибитори2. Активатори

9

1.Утицај средине

Ензими су протеинске природе тако да активност ензима јако зависи од промена pH вредности и температуре.

Сваки ензим има максималну активност при одређеној pH вредности и температуре, а његова активност опада како се те вредности смањују или повећавају.

Ово је последица важности терцијарне стуктуре (тј. облика) за активност и функцију ензима.

Утицај промене температуре

1. Ензими имају максималну активност на оптималној температури.2. Повећање температуре повећава кинетичку енергију молекула. Број судара између

ензима и супстрата расте, а тиме и брзина реакције.3. На доста високим температурама раскидају се везе које одређују облик ензима и

активни центар губи свој облик и своју функцију - односно долази до денатурације ензима.

4. За ензимску реакцију може се рећи да је оптимална температру организма из ког потиче.

Утицај промене pH

Сваки ензим има карактеристичну оптималну pH вредностна којој је његова активност највећа.Са повећањем или смањењем pH вредности у односу на њу, активност опада.

Ако је pH вредност далеко од оптималне, може се променити хемијска природа аминокиселина.

То може да резултира променом у везама, а тиме може да дође и до нарушавања терцијарне структуре. Активни центар се нарушава и ензим се денатурише.

10

Утицај концентрације ензима и супстрата

При ниским концентрацијама супстрата постоји велики број активних центара који нису заузети. То значи да је брзина реакције мала.

Са повећањем концентрације молекула супстрата, формира се више ензима-супстрат комплекса, и брзина реакције расте.

Повећање концентрације супстрата изнад одређене границе нема ефекта. Активни центри су засићени супстратом па не може да се даље повећава количина ензим-супстрат комплекса.

Хемијски утицаји- Инхибиција ензимске активности

Инхибитори су супстанце које спречавају или смањују дејство ензима, а сам овај процес назива се инхибиција. Инхибиција може бити реверзибилна и иреверзинилна. Реверзибилна инхибиција може бити компетитивна и некомпетитивна.

Реверзибилна инхибиција

Она је привремена,јер траје док се инхибитор погодним средством не уклони.

1. Компетитивна (конкурентна) инхибиција – молекул инхибитора везује се за активни центар.

2. Некомпетитивна (не конкурентна) инхибиција- инхибитор се везује на неком другом месту, изазивајући промене у конформацији.

ближа максимуму када има више "правог" супстрата, (пр. арабинозу се надмеће са глукозом за активни центар ензима глукоза оксидазе).

11

Реверзибилна компетитивна инхибиција

Компетитивни реверзибилни инхибитори: ови молекули имају структуру која је слична структури супстрата па се привремено везују за активни центар.Брзина реакције биће

Слика 8. Компетитивни инхибитори

1. Инхибитор по структури личи на S, па се везује за исти активни центар као и S. 2. Формира се EI комплекс пре него ES. 3. Пошто се супстрат и инхибитор надмећу, инхибиција се може смањити

разблажењем инхибитора и повећањем концентрације (S).

12

Реверзибилна некомпетитивна (алостерична) инхибиција

Некомпететивни реверзибилни инхибитори: ови молекули уопште не морају да имају облик сличан молекулима супстрата.Они се везују за ензим, али се не везују за активни центар, већ за неко друго место на ензиму. Везивање доводи до промене облика ензима, па брзина реакције опада.

Слика 9. Некомпететивни инхибитори

Инхибитори се везују негде другде на ензиму, а не за активни центар. Везивање мења 3-D конфигурацију ензима и блокира реакцију.

13

Инхибиција се не може смањити повећањем концентрације (S).

Иреверзибилна инхибиција

Она је трајна. Инхибитор се ковалентно веже за ензим или се веже тако да је дисоцијација спора.

Иреверзибилни инхибитори: Ови молекули се трајно (ковалентно) везују за молекуле ензима и на тај начин смањују ефективну концентрацију ензима, што ограничава брзину реакције.Иреверзибилна инхибиција је најчешће изазвана модификацијом или разарањем једне или више група у активном центру ензима.Нпр. цијанид иреверзибилно инхибира ензим цитохром оксидазу, која улази у састав ланца за транспорт електрона у респираторном ланцу. Ако она не може да се користи долази до смрти.

14

Literatura

Knjiga iz organske hemije Ljubisa S.Stojanovic Prokuplje 2010.godine

Slike:

http://sh.wikipedia.org/wiki/Enzim

15