Ensüümid on globulaarsed valgud, mis aitavad kõigil rakuprotsessidel kulgeda. Nagu kõik katalüsaatorid, ei saa need reaktsiooni tagasi pöörata, vaid aitavad seda kiirendada.
Ensüümide lokaliseerimine rakus
Raku sees sisalduvad üksikud ensüümid tavaliselt ja need toimivad rangelt määratletud organellides. Ensüümide lokaliseerimine on otseselt seotud funktsiooniga, mida see rakuosa tavaliselt täidab.
Peaaegu kõik glükolüüsi ensüümid asuvad tsütoplasmas. Trikarboksüülhappe tsükli ensüümid on mitokondriaalses maatriksis. Hüdrolüüsi aktiivsed ained sisalduvad lüsosoomides.
Loomade ja taimede üksikud koed ja elundid erinevad mitte ainult ensüümide komplekti, vaid ka aktiivsuse poolest. Seda kudede omadust kasutatakse kliinikus teatud haiguste diagnoosimisel.
Kudede aktiivsuses ja ensüümide komplektis on ka vanusega seotud tunnuseid. Need on kõige selgemini nähtavad embrüonaalse arengu ajal kudede diferentseerumise ajal.
Ensüümide nomenklatuur
On mitmeid nimesüsteeme, millest igaüks võtab erineval määral arvesse ensüümide omadusi.
- Triviaalne. Ainete nimetused on antud juhuslikult. Näiteks pepsiin (pepsis - "seedimine", kreeka keeles) ja trüpsiin (tripsis - "õhuke", kreeka keeles)
- Ratsionaalne. Ensüümi nimi koosneb substraadist ja lõpust "-ase". Näiteks amülaas kiirendab tärklise hüdrolüüsi (amülo – "tärklis", kreeka keeles).
- Moskva. Selle võttis 1961. aastal vastu 5. rahvusvahelisel biokeemiakongressil Rahvusvaheline Ensüümide Nomenklatuuri Komisjon. Aine nimetus koosneb substraadist ja reaktsioonist, mida ensüüm katalüüsib (kiireneb). Kui ensüümide ülesanne on aatomite rühma ülekandmine ühelt molekulilt (substraadilt) teisele (aktseptorile), sisaldab katalüsaatori nimetus aktseptori keemilist nimetust. Näiteks aminorühma alaniinilt 2-hüdroksüglutaarhappele ülekandmise reaktsioonis osaleb ensüüm alaniin: 2-oksoglutaraataminotransferaas. Nimi peegeldab:
- substraat – alaniin;
- aktseptor – 2-oksoglutaarhape;
- reaktsioonis kantakse üle aminorühm.
Rahvusvaheline komisjon on koostanud nimekirja kõigist teadaolevatest ensüümidest, mida pidev alt uuendatakse. Selle põhjuseks on uute ainete avastamine.
Ensüümide klassifikatsioon
Ensüümide rühmadesse jagamiseks on kaks võimalust. Esimene sisaldab kahte nende ainete klassi:
- lihtne – koosneb ainult valkudest;
- kompleks – sisaldab valgulist osa (apoensüüm) ja mittevalgulist osa, mida nimetatakse koensüümiks.
Mittevalgusesse ossakompleksne ensüüm võib sisaldada vitamiine. Koostoime teiste ainetega toimub aktiivse keskuse kaudu. Kogu ensüümi molekul ei osale protsessis.
Ensüümide, nagu ka teiste valkude omadused, määrab nende struktuur. Sõltuv alt sellest kiirendavad katalüsaatorid ainult oma reaktsioone.
Teine klassifitseerimismeetod jagab ained ensüümide funktsioonide järgi. Tulemuseks on kuus klassi:
- oksidoreduktaas;
- ülekanded;
- hüdrolaasid;
- isomeraas;
- lyases;
- ligaasid.
Need on üldtunnustatud rühmad, need erinevad mitte ainult reaktsioonitüüpide poolest, mis reguleerivad neis sisalduvaid ensüüme. Erinevate rühmade ainetel on erinev struktuur. Seetõttu ei saa ensüümide funktsioonid rakus olla samad.
Oksidoreduktaasid – redoks
Esimese rühma ensüümide põhiülesanne on redoksreaktsioonide kiirendamine. Iseloomulik tunnus: võime moodustada oksüdatiivsete ensüümide ahelaid, milles elektronid või vesinikuaatomid kantakse üle kõige esimesest substraadist lõplikule aktseptorile. Need ained eraldatakse reaktsioonis tööpõhimõtte või töökoha järgi.
- Aeroobsed dehüdrogenaasid (oksüdaasid) kiirendavad elektronide või prootonite ülekannet otse hapnikuaatomitele. Anaeroobsed teevad samu toiminguid, kuid reaktsioonides, mis kulgevad ilma elektronide või vesinikuaatomite üleminekuta hapnikuaatomitele.
- Esmanedehüdrogenaasid katalüüsivad vesinikuaatomite eemaldamise protsessi oksüdeeritud ainest (esmasest substraadist). Sekundaarne – kiirendab vesinikuaatomite eemaldamist sekundaarsest substraadist, need saadi primaarse dehüdrogenaasi abil.
Teine omadus: kuna need on kahekomponendilised katalüsaatorid, millel on väga piiratud hulk koensüüme (aktiivsed rühmad), võivad nad kiirendada mitmesuguseid redoksreaktsioone. See saavutatakse paljude võimaluste abil: sama koensüüm võib liituda erinevate apoensüümidega. Igal juhul saadakse spetsiaalne oksidoreduktaas, millel on oma omadused.
Selle rühma ensüümidel on veel üks funktsioon, mida ei saa eirata – need kiirendavad energia vabanemisega seotud keemiliste protsesside kulgu. Selliseid reaktsioone nimetatakse eksotermilisteks.
Ülekanded – operaatorid
Need ensüümid täidavad molekulaarsete jääkide ja funktsionaalrühmade ülekandereaktsioonide kiirendamise funktsiooni. Näiteks fosfofruktokinaas.
Ülekantud rühma alusel eristatakse kaheksat katalüsaatorite rühma. Vaatame neist vaid mõnda.
- Fosfotransferaasid – aitavad üle kanda fosforhappejääke. Need on jaotatud alamklassidesse vastav alt sihtkohale (alkohol, karboksüül ja teised).
- Aminotransferaasid – kiirendavad aminohapete transaminatsioonireaktsioone.
- Glükosüültransferaasid – viivad glükosüüli jäägid fosforestri molekulidelt üle mono- ja polüsahhariidimolekulidesse. Pakkuda reaktsiooneoligo- või polüsahhariidide lagunemine ja süntees taimedes ja loomades. Näiteks osalevad nad sahharoosi lagundamisel.
- Atsüültransferaasid viivad karboksüülhappejäägid üle amiinideks, alkoholideks ja aminohapeteks. Atsüül-koensüüm-A on universaalne atsüülrühmade allikas. Seda võib pidada atsüültransferaaside aktiivseks rühmaks. Äädikhappe atsüül on kõige sagedamini talutav.
Hüdrolaasid – veega jagatud
Selles rühmas toimivad ensüümid orgaaniliste ühendite lõhustamisreaktsioonide (harvemini sünteesi) katalüsaatoritena, milles osaleb vesi. Selle rühma aineid leidub rakkudes ja seedemahlas. Katalüsaatorite molekulid seedetraktis koosnevad ühest komponendist.
Nende ensüümide asukoht on lüsosoomid. Nad täidavad rakus ensüümide kaitsefunktsioone: lagundavad membraani läbinud võõraineid. Nad hävitavad ka need ained, mida rakk enam ei vaja ja mille lüsosoomidele anti hüüdnimed korrapidajad.
Nende teine "hüüdnimi" on rakkude enesetapud, kuna need on rakkude autolüüsi peamine tööriist. Kui tekib infektsioon, algavad põletikulised protsessid, lüsosoomi membraan muutub läbilaskvaks ja hüdrolaasid sisenevad tsütoplasmasse, hävitades kõik oma teel ja hävitades raku.
Eraldage sellest rühmast mitut tüüpi katalüsaatorid:
- esteraasid – vastutavad alkoholiestrite hüdrolüüsi eest;
- glükosidaasid – kiirendavad glükosiidide hüdrolüüsi, olenev altmis isomeeri nad toimivad, eritavad α- või β-glükosidaase;
- peptiidhüdrolaasid vastutavad valkude peptiidsidemete hüdrolüüsi eest ja teatud tingimustel nende sünteesi eest, kuid seda valgusünteesi meetodit elusrakkudes ei kasutata;
- amidaasid – vastutavad happeamiidide hüdrolüüsi eest, näiteks ureaas katalüüsib uurea lagunemist ammoniaagiks ja veeks.
Isomeraasid – molekuli transformatsioon
Need ained kiirendavad muutusi ühes molekulis. Need võivad olla geomeetrilised või struktuursed. See võib juhtuda mitmel viisil:
- vesinikuaatomite ülekanne;
- fosfaadirühma teisaldamine;
- aatomirühmade paigutuse muutmine ruumis;
- topeltsideme liigutamine.
Isomerisatsioon võib olla orgaanilised happed, süsivesikud või aminohapped. Isomeraasid võivad muuta aldehüüdid ketoonideks ja vastupidi, muuta cis-vormi trans-vormiks ja vastupidi. Et paremini mõista, millist funktsiooni selle rühma ensüümid täidavad, on vaja teada isomeeride erinevusi.
Liased katkestavad sidemed
Need ensüümid kiirendavad orgaaniliste ühendite mittehüdrolüütilist lagunemist sidemete kaudu:
- süsinik-süsinik;
- fosfor-hapnik;
- süsinik-väävel;
- süsinik-lämmastik;
- süsinik-hapnik.
Sel juhul eralduvad sellised lihtsad tooted nagu süsinikdioksiid, vesi, ammoniaak ja kaksiksidemed suletakse. Vähesed neist reaktsioonidest võivad kulgeda vastupidises suunas, vastavad ensüümid sobivas suunasnendes tingimustes katalüüsida mitte ainult lagunemise, vaid ka sünteesi protsesse.
Liaasid klassifitseeritakse vastav alt sideme tüübile, mille nad katkestavad. Need on keerulised ensüümid.
Ligase ristlingid
Selle rühma ensüümide põhiülesanne on sünteesireaktsioonide kiirendamine. Nende eripäraks on loodu konjugatsioon ainete lagunemisega, mis on võimelised andma energiat biosünteesiprotsessi läbiviimiseks. Vastav alt moodustatud ühenduse tüübile on kuus alamklassi. Neist viis on identsed lüaasi alarühmadega ja kuues vastutab lämmastik-metalli sideme loomise eest.
Mõned ligaasid osalevad eriti olulistes rakuprotsessides. Näiteks DNA ligaas osaleb desoksüribonukleiinhappe replikatsioonis. See ristseob üheahelalisi katkeid, luues uusi fosfodiestersidemeid. Tema on see, kes ühendab Okazaki killud.
Sama ensüümi kasutatakse aktiivselt geenitehnoloogias. See võimaldab teadlastel kokku õmmelda DNA molekule vajalikest tükkidest, luues ainulaadsed desoksüribonukleiinhappe ahelad. Neisse saab panna igasugust teavet, luues nii tehase vajalike valkude tootmiseks. Näiteks võite õmmelda bakteri DNA-sse tüki, mis vastutab insuliini sünteesi eest. Ja kui rakk hakkab oma valke tõlkima, valmistab see samal ajal meditsiinilistel eesmärkidel vajalikku kasulikku ainet. Jääb vaid see ära koristada ja see aitab paljusid haigeid inimesi.
Ensüümide tohutu roll kehas
Nad saavadsuurendada reaktsioonikiirust rohkem kui kümme korda. See on lihts alt vajalik raku normaalseks toimimiseks. Ja ensüümid osalevad igas reaktsioonis. Seetõttu on ensüümide funktsioonid kehas mitmekesised, nagu kõik käimasolevad protsessid. Ja nende katalüsaatorite rike põhjustab tõsiseid tagajärgi.
Ensüüme kasutatakse laialdaselt toiduainetes, kergetööstuses, meditsiinis: neist valmistatakse juustu, vorste, konserve ning need on osa pesupulbritest. Neid kasutatakse ka fotomaterjalide valmistamisel.
