Iga elusorganismi rakus toimuvad miljonid keemilised reaktsioonid. Igaüks neist on suure tähtsusega, seetõttu on oluline säilitada bioloogiliste protsesside kiirus kõrgel tasemel. Peaaegu iga reaktsiooni katalüüsib tema enda ensüüm. Mis on ensüümid? Mis on nende roll puuris?
Ensüümid. Definitsioon
Mõiste "ensüüm" pärineb ladinakeelsest sõnast fermentum - juuretis. Neid võib nimetada ka ensüümideks, kreeka sõnast en zyme, "pärmis".
Ensüümid on bioloogiliselt aktiivsed ained, seega ei saa ükski rakus toimuv reaktsioon läbi ilma nende osaluseta. Need ained toimivad katalüsaatoritena. Seega on igal ensüümil kaks peamist omadust:
1) Ensüüm kiirendab biokeemilist reaktsiooni, kuid seda ei tarbita.
2) Tasakaalukonstandi väärtus ei muutu, vaid ainult kiirendab selle väärtuse saavutamist.
Ensüümid kiirendavad biokeemilisi reaktsioone tuhande ja mõnel juhul miljon korda. See tähendab, et ensümaatilise aparaadi puudumisel peatuvad kõik intratsellulaarsed protsessid praktiliselt ja rakk ise sureb. Seetõttu on ensüümide roll bioloogiliselt aktiivsete ainetena suur.
Ensüümide mitmekesisus võimaldab mitmekesistada rakkude ainevahetuse regulatsiooni. Igas reaktsioonikaskaadis osalevad paljud eri klasside ensüümid. Bioloogilised katalüsaatorid on molekuli spetsiifilise konformatsiooni tõttu väga selektiivsed. Kuna ensüümid on enamikul juhtudel valgulised, on nad tertsiaarses või kvaternaarses struktuuris. Seda seletab jällegi molekuli spetsiifilisus.
Ensüümide funktsioonid rakus
Ensüümi põhiülesanne on vastava reaktsiooni kiirendamine. Mis tahes protsesside kaskaad alates vesinikperoksiidi lagunemisest kuni glükolüüsini nõuab bioloogilise katalüsaatori olemasolu.
Ensüümide õige toimimine saavutatakse kõrge spetsiifilisusega konkreetse substraadi suhtes. See tähendab, et katalüsaator saab kiirendada ainult teatud reaktsiooni ja mitte ühtegi teist, isegi väga sarnast reaktsiooni. Spetsiifilisuse astme järgi eristatakse järgmisi ensüümide rühmi:
1) Absoluutse spetsiifilisusega ensüümid, kui katalüüsitakse ainult ühte reaktsiooni. Näiteks kollagenaas lagundab kollageeni ja m altaas m altoosi.
2) Suhtelise spetsiifilisusega ensüümid. See hõlmab aineid, mis võivad katalüüsida teatud tüüpi reaktsioone, näiteks hüdrolüütilist lõhustumist.
Biokatalüsaatori töö algab hetkest, kui selle aktiivne kese kinnitub aluspinnale. Sel juhul räägitakse täiendavast suhtlusest nagu lukk ja võti. See viitab aktiivse tsentri kuju täielikule kokkulangemisele substraadiga, mis võimaldab reaktsiooni kiirendada.
Järgmine samm on reaktsioon ise. Selle kiirus suureneb ensümaatilise kompleksi toime tõttu. Lõpuks saame ensüümi, mis on seotud reaktsiooni saadustega.
Lõppetapp on reaktsioonisaaduste eraldumine ensüümist, misjärel vabaneb aktiivne keskus uuesti järgmiseks tööks.
Skeemiliselt võib ensüümi töö igas etapis kirjutada järgmiselt:
1) S + E --> SE
2) SE --> SP
3) SP --> S + P, kus S on substraat, E on ensüüm ja P on toode.
Ensüümide klassifikatsioon
Inimese kehas võib leida tohutul hulgal ensüüme. Kõik teadmised nende funktsioonide ja töö kohta süstematiseeriti ning selle tulemusena tekkis ühtne klassifikatsioon, tänu millele on lihtne kindlaks teha, milleks see või teine katalüsaator on mõeldud. Siin on 6 peamist ensüümide klassi ja näiteid mõnedest alarühmadest.
Oksidoreduktaasid
Selle klassi ensüümid katalüüsivad redoksreaktsioone. Kokku on 17 alagruppi. Oksüdoreduktaasidel on tavaliselt mittevalguline osa, mida esindab vitamiin või heem.
Oksidoreduktaaside hulgas leidub sageli järgmisi alarühmi:
a) Dehüdrogenaasid. Dehüdrogenaasi ensüümide biokeemia seisneb vesinikuaatomite elimineerimises ja nende ülekandmises teisele substraadile. Seda alarühma leidub kõige sagedamini hingamisteede reaktsioonides,fotosüntees. Dehüdrogenaaside koostis sisaldab tingimata koensüümi NAD / NADP või flavoproteiinide FAD / FMN kujul. Sageli on metalliioone. Näited hõlmavad ensüüme, nagu tsütokroom reduktaasid, püruvaatdehüdrogenaas, isotsitraatdehüdrogenaas ja paljud maksaensüümid (laktaatdehüdrogenaas, glutamaatdehüdrogenaas jne).
b) Oksidaas. Mitmed ensüümid katalüüsivad hapniku lisamist vesinikule, mille tulemusena võivad reaktsiooniproduktid olla vesi või vesinikperoksiid (H20, H2 0 2). Näited ensüümidest: tsütokroomoksüdaas, türosinaas.
c) Peroksidaasid ja katalaas on ensüümid, mis katalüüsivad H2O2 hapnikuks ja veeks.
d) Oksügenaasid. Need biokatalüsaatorid kiirendavad hapniku lisamist substraadile. Dopamiini hüdroksülaas on üks näide sellistest ensüümidest.
2. Ülekanded.
Selle rühma ensüümide ülesanne on viia radikaalid doonorainelt retsipientainele.
a) Metüültransferaas. DNA metüültransferaasid on peamised ensüümid, mis kontrollivad DNA replikatsiooni protsessi. Nukleotiidide metüülimine mängib olulist rolli nukleiinhapete funktsiooni reguleerimisel.
b) Atsüültransferaasid. Selle alarühma ensüümid transpordivad atsüülrühma ühest molekulist teise. Atsüültransferaaside näited: letsitiinkolesterooli atsüültransferaas (viib funktsionaalrühma rasvhappelt üle kolesterooliks), lüsofosfatidüülkoliini atsüültransferaas (atsüülrühm viiakse üle lüsofosfatidüülkoliiniks).
c) Aminotransferaasid on ensüümid, mis osalevad aminohapete muundamises. Näited ensüümidest: alaniini aminotransferaas, mis katalüüsib alaniini sünteesi püruvaadist ja glutamaadist aminorühma ülekande teel.
d) Fosfotransferaasid. Selle alarühma ensüümid katalüüsivad fosfaatrühma lisamist. Fosfotransferaaside teine nimetus, kinaasid, on palju levinum. Näited on ensüümid, nagu heksokinaasid ja aspartaatkinaasid, mis lisavad fosforijääke vastav alt heksoosidele (enamasti glükoosile) ja asparagiinhappele.
3. Hüdrolaasid on ensüümide klass, mis katalüüsivad molekulis olevate sidemete lõhustamist, millele järgneb vee lisamine. Sellesse rühma kuuluvad ained on peamised seedimise ensüümid.
a) Esteraasid – lõhuvad eeterlikud sidemed. Näiteks on lipaasid, mis lagundavad rasvu.
b) Glükosidaasid. Selle seeria ensüümide biokeemia seisneb polümeeride (polüsahhariidide ja oligosahhariidide) glükosiidsidemete hävitamises. Näited: amülaas, sahharaas, m altaas.
c) Peptidaasid on ensüümid, mis katalüüsivad valkude lagunemist aminohapeteks. Peptidaaside hulka kuuluvad ensüümid, nagu pepsiinid, trüpsiin, kümotrüpsiin, karboksüpeptidaas.
d) Amidaasid – lõhenenud amiidsidemed. Näited: arginaas, ureaas, glutaminaas jne. Ornitiini tsüklis esineb palju amidaasi ensüüme.
4. Lüaasid on hüdrolaaside funktsioonilt sarnased ensüümid, kuid molekulide sidemete lõhustumisel vett ei kulutata. Selle klassi ensüümid sisaldavad alati mittevalgulist osa, näiteks vitamiinide B1 või B6 kujul.
a) Dekarboksülaasid. Need ensüümid toimivad C-C sidemele. Näited ontoimida glutamaadi dekarboksülaasi või püruvaadi dekarboksülaasina.
b) Hüdrataasid ja dehüdrataasid on ensüümid, mis katalüüsivad C-O sidemete lõhenemise reaktsiooni.
c) Amidiin-lüaasid – hävitavad C-N sidemed. Näide: arginiinsuktsinaatlüaas.
d) P-O lüaas. Sellised ensüümid lõhustavad reeglina substraadi ainest fosfaatrühma. Näide: adenülaattsüklaas.
Ensüümide biokeemia põhineb nende struktuuril
Iga ensüümi võimed määrab selle individuaalne ainulaadne struktuur. Ensüüm on ennekõike valk ning selle struktuur ja voltimisaste mängivad selle funktsiooni määramisel otsustavat rolli.
Iga biokatalüsaatorit iseloomustab aktiivse keskuse olemasolu, mis omakorda jaguneb mitmeks sõltumatuks funktsionaalseks piirkonnaks:
1) Katalüütiline keskus on valgu eriline piirkond, mille kaudu ensüüm kinnitub substraadi külge. Sõltuv alt valgu molekuli konformatsioonist võib katalüütiline tsenter võtta mitmesuguseid vorme, mis peavad sobituma substraadiga samamoodi nagu võtme lukk. Selline keeruline struktuur selgitab, miks ensümaatiline valk on tertsiaarses või kvaternaarses olekus.
2) Adsorptsioonikeskus – toimib "hoidjana". Siin on esiteks seos ensüümi molekuli ja substraadi molekuli vahel. Adsorptsioonikeskuse moodustunud sidemed on aga väga nõrgad, mis tähendab, et katalüütiline reaktsioon on selles etapis pöörduv.
3) Allosteerilised keskused võivad paikneda kuiaktiivses kohas ja kogu ensüümi pinnal tervikuna. Nende ülesanne on reguleerida ensüümi toimimist. Reguleerimine toimub inhibiitormolekulide ja aktivaatormolekulide abil.
Aktivaatorvalgud, mis seonduvad ensüümi molekuliga, kiirendavad selle tööd. Inhibiitorid, vastupidi, pärsivad katalüütilist aktiivsust ja see võib toimuda kahel viisil: kas molekul seondub allosteerilise saidiga ensüümi aktiivse saidi piirkonnas (konkureeriv inhibeerimine) või kinnitub valgu mõne muu piirkonnaga. (mittekonkureeriv pärssimine). Konkurentsi pärssimist peetakse tõhusamaks. See sulgeb ju koha substraadi sidumiseks ensüümiga ja see protsess on võimalik ainult juhul, kui inhibiitormolekuli ja aktiivse tsentri kuju peaaegu täielikult langeb kokku.
Ensüüm koosneb sageli mitte ainult aminohapetest, vaid ka muudest orgaanilistest ja anorgaanilistest ainetest. Vastav alt sellele isoleeritakse apoensüüm - valguosa, koensüüm - orgaaniline osa ja kofaktor - anorgaaniline osa. Koensüümi võivad esindada süsivesikud, rasvad, nukleiinhapped, vitamiinid. Kofaktoriks on omakorda kõige sagedamini abimetalliioonid. Ensüümide aktiivsuse määrab selle struktuur: kompositsiooni moodustavad täiendavad ained muudavad katalüütilisi omadusi. Erinevat tüüpi ensüümid on kõigi ül altoodud komplekssete moodustumise tegurite kombinatsiooni tulemus.
Ensüümide reguleerimine
Ensüümid kui bioloogiliselt aktiivsed ained ei ole alati organismile vajalikud. Ensüümide biokeemia on selline, et ülemäärase katalüüsi korral võivad nad elusrakku kahjustada. Et vältida ensüümide kahjulikku mõju organismile, on vaja nende tööd kuidagi reguleerida.
T. Kuna ensüümid on valgulised, hävivad need kõrgel temperatuuril kergesti. Denaturatsiooniprotsess on pöörduv, kuid see võib oluliselt mõjutada ainete toimimist.
pH mängib samuti reguleerimisel suurt rolli. Ensüümide kõrgeimat aktiivsust täheldatakse reeglina neutraalsete pH väärtuste juures (7,0-7,2). On ka ensüüme, mis töötavad ainult happelises või ainult aluselises keskkonnas. Seega säilib rakulüsosoomides madal pH, mille juures hüdrolüütiliste ensüümide aktiivsus on maksimaalne. Kui nad kogemata satuvad tsütoplasmasse, kus keskkond on juba neutraalsele lähemal, siis nende aktiivsus väheneb. Selline kaitse "enesesöömise" eest põhineb hüdrolaaside töö iseärasustel.
Tasub mainida koensüümi ja kofaktori tähtsust ensüümide koostises. Vitamiinide või metalliioonide olemasolu mõjutab oluliselt teatud spetsiifiliste ensüümide talitlust.
Ensüümide nomenklatuur
Kõiki keha ensüüme nimetatakse tavaliselt sõltuv alt nende kuuluvusest mõnda klassi, samuti substraadist, millega nad reageerivad. Mõnikord ei kasutata nimes süstemaatilise nomenklatuuri järgi mitte ühte, vaid kahte substraati.
Mõnede ensüümide nimede näited:
- Maksaensüümid: laktaat-dehüdrogenaas, glutamaatdehüdrogenaas.
- Ensüümi süstemaatiline täisnimi: laktaat-NAD+-oksidoreduktaas.
On ka triviaalseid nimesid, mis ei pea kinni nomenklatuurireeglitest. Näited on seedeensüümid: trüpsiin, kümotrüpsiin, pepsiin.
Ensüümide sünteesiprotsess
Ensüümide funktsioonid on määratud geneetilisel tasandil. Kuna molekul on suures osas valk, siis selle süntees kordab täpselt transkriptsiooni ja translatsiooni protsesse.
Ensüümide süntees toimub vastav alt järgmisele skeemile. Esiteks loetakse DNA-st informatsioon soovitud ensüümi kohta, mille tulemusena moodustub mRNA. Messenger RNA kodeerib kõiki aminohappeid, millest ensüüm koosneb. Ensüümide reguleerimine võib toimuda ka DNA tasemel: kui katalüüsitud reaktsiooni produktist piisab, siis geenide transkriptsioon peatub ja vastupidi, kui tekib vajadus produkti järele, aktiveerub transkriptsiooniprotsess.
Pärast mRNA sisenemist raku tsütoplasmasse algab järgmine etapp – translatsioon. Endoplasmaatilise retikulumi ribosoomidel sünteesitakse primaarne ahel, mis koosneb peptiidsidemetega ühendatud aminohapetest. Kuid primaarstruktuuris olev valgumolekul ei saa veel täita oma ensümaatilisi funktsioone.
Ensüümide aktiivsus sõltub valgu struktuurist. Samal ER-l toimub valkude keerdumine, mille tulemusena moodustuvad esm alt sekundaarsed ja seejärel tertsiaarsed struktuurid. Mõne ensüümi süntees peatub juba selles etapis, kuid katalüütilise aktiivsuse aktiveerimiseks on sageli vajakoensüümi ja kofaktori lisamine.
Teatud endoplasmaatilise retikulumi piirkondades on kinnitunud ensüümi orgaanilised komponendid: monosahhariidid, nukleiinhapped, rasvad, vitamiinid. Mõned ensüümid ei tööta ilma koensüümita.
Kofaktor mängib valgu kvaternaarse struktuuri moodustamisel otsustavat rolli. Mõned ensüümide funktsioonid on saadaval ainult siis, kui valk jõuab domeeni organisatsiooni. Seetõttu on nende jaoks väga oluline kvaternaarse struktuuri olemasolu, milles mitme valgugloobuli vaheliseks ühenduslüliks on metalliioon.
Ensüümide mitu vormi
On olukordi, kus on vaja mitut ensüümi, mis katalüüsivad sama reaktsiooni, kuid erinevad üksteisest mõne parameetri poolest. Näiteks ensüüm võib töötada 20 kraadi juures, kuid 0 kraadi juures ei suuda ta enam oma funktsioone täita. Mida peaks elusorganism sellises olukorras madala ümbritseva õhu temperatuuri juures tegema?
See probleem on kergesti lahendatav mitme ensüümi korraga olemasoluga, mis katalüüsivad sama reaktsiooni, kuid toimivad erinevates tingimustes. Ensüüme on kahte tüüpi mitut tüüpi:
- Isoensüümid. Selliseid valke kodeerivad erinevad geenid, need koosnevad erinevatest aminohapetest, kuid katalüüsivad sama reaktsiooni.
- Tõelised mitmuse vormid. Need valgud transkribeeritakse samast geenist, kuid peptiide muudetakse ribosoomidel. Väljundiks on sama ensüümi mitu vormi.
BSelle tulemusena moodustub esimest tüüpi mitu vormi geneetilisel tasandil, teine tüüp aga translatsioonijärgsel tasemel.
Ensüümide tähtsus
Ensüümide kasutamine meditsiinis taandub uute ravimite vabastamisele, milles aineid on juba õigetes kogustes. Teadlased ei ole veel leidnud viisi, kuidas stimuleerida kehas puuduvate ensüümide sünteesi, kuid tänapäeval on laialdaselt saadaval ravimid, mis võivad ajutiselt nende puudust korvata.
Rakus leiduvad erinevad ensüümid katalüüsivad väga erinevaid elutähtsaid reaktsioone. Üks neist enismidest on nukleaaside rühma esindajad: endonukleaasid ja eksonukleaasid. Nende ülesanne on säilitada rakus konstantset nukleiinhapete taset, eemaldades kahjustatud DNA ja RNA.
Ärge unustage sellist nähtust nagu vere hüübimine. Kuna see protsess on tõhus kaitsemeede, on see paljude ensüümide kontrolli all. Peamine neist on trombiin, mis muudab inaktiivse valgu fibrinogeeni aktiivseks fibriiniks. Selle niidid loovad omamoodi võrgustiku, mis ummistab veresoone kahjustuse koha, vältides sellega liigset verekaotust.
Ensüüme kasutatakse veinivalmistamisel, õllepruulimisel ja paljude fermenteeritud piimatoodete valmistamisel. Pärmi saab kasutada glükoosist alkoholi tootmiseks, kuid selle protsessi edukaks kulgemiseks piisab selle ekstraktist.
Huvitavad faktid, mida sa ei teadnud
- Kõigil keha ensüümidel on tohutu mass - 5000 kuni1000000 jah. See on tingitud valgu olemasolust molekulis. Võrdluseks: glükoosi molekulmass on 180 Da ja süsinikdioksiidi molekulmass on ainult 44 Da.
- Praeguseks on avastatud üle 2000 ensüümi, mis on leitud erinevate organismide rakkudest. Enamikku neist ainetest pole aga veel täielikult mõistetud.
- Ensüümi aktiivsust kasutatakse tõhusate pesupesemisvahendite tootmiseks. Siin täidavad ensüümid sama rolli, mis organismis: lagundavad orgaanilist ainet ja see omadus aitab võidelda plekkide vastu. Soovitatav on kasutada sarnast pesupulbrit temperatuuril mitte üle 50 kraadi, vastasel juhul võib tekkida denaturatsiooniprotsess.
- Statistika kohaselt kannatab 20% inimestest kogu maailmas mõne ensüümi puuduse all.
- Ensüümide omadused on teada olnud väga pikka aega, kuid alles 1897. aastal mõistsid inimesed, et suhkru alkoholiks kääritamiseks saab kasutada mitte pärmi ennast, vaid nende rakkude ekstrakti.
