Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Wszystkie żywe organizmy nieustannie przeprowadzają liczne reakcje biochemiczne, aby podtrzymać swoją obecność. Większość z tych reakcji wymaga do rozpoczęcia wkładu energii, która nazywa się energią aktywacji. Katalizatory to substancje chemiczne, które obniżają energię aktywacji. Mimo że katalizatory ułatwiają reakcję chemiczną, nie są przez nią zużywane. Oznacza to, że katalizator może ułatwiać określoną reakcję chemiczną w kółko po kolei, zwiększając szybkość tej reakcji.
Enzymy są katalizatorami biologicznymi, które zwiększają szybkość i wydajność reakcji biochemicznych. Większość enzymów to białka, ale niektóre cząsteczki kwasu rybonukleinowego mają również właściwości katalityczne. Każdy rodzaj enzymu może wiązać się tylko z jednym lub kilkoma określonymi substratami, dlatego istnieje ogromna różnorodność enzymów, z których każdy ma odrębne funkcje. Specyficzna reakcja enzymu zależy od jego miejsc aktywnych, które mają kształty ściśle dopasowane do kształtu jego substratów. Po związaniu substratu enzym zmienia nieznacznie kształt w sposób, który umożliwia łatwiejszy przebieg reakcji chemicznej, zmniejszając w ten sposób energię aktywacji reakcji. Po zajściu reakcji enzym uwalnia produkty i powraca do swojego pierwotnego kształtu, co pozwala mu na ponowne powtórzenie procesu.
Większość reakcji enzymatycznych można sklasyfikować jako kataboliczne i anaboliczne, które pełnią przeciwstawne funkcje. Enzymy, które pośredniczą w reakcjach katabolicznych, rozkładają większe substancje na wiele produktów. Dobrze znanym enzymem katabolicznym jest laktaza, która rozkłada dwucukier laktozę w produktach mlecznych na cukrów prostych, galaktozę i glukozę. Ludzie mają duże ilości laktazy w jelicie cienkim po urodzeniu, jednak wiele osób traci ponad 90% laktazy we wczesnym dzieciństwie1. Zmniejszenie to zmniejsza zdolność trawienia laktozy w sposób zależny od wieku, co jest znane jako nietolerancja laktozy2.
Enzymy anaboliczne łączą wiele substancji w jeden produkt. Na przykład enzym polimeraza DNA syntetyzuje cząsteczki DNA, łącząc ze sobą nukleotydy. Podobnie enzym syntaza glikogenu łączy cząsteczki glukozy w celu wytworzenia glikogenu. Insulina reguluje aktywność syntazy glikogenu, dlatego pacjenci z cukrzycą z niskim lub zerowym poziomem insuliny nie mogą syntetyzować glikogenu bez leczenia insuliną3.
Kształt i ładunek miejsca aktywnego enzymu jest dostosowany do konkretnej reakcji chemicznej, którą katalizuje, dlatego na aktywność enzymu wpływają czynniki wpływające na jego miejsce aktywne. W związku z tym enzymy wymagają określonych warunków, aby działać na optymalnym poziomie, a w zależności od ich funkcji i lokalizacji, warunki te mogą się znacznie różnić. Czynniki te obejmują pH i temperaturę. Na przykład miejsca aktywne enzymów często zawierają aminokwasy kwaśne lub zasadowe. Odchylenia od optymalnego pH zmieniają ładunki w miejscu aktywnym, utrudniając substratom interakcję z enzymem. Właściwość ta jest wykorzystywana od wieków do konserwowania żywności poprzez kiszenie, które obniża pH kiszonego produktu spożywczego do poziomu, który skutecznie hamuje aktywność enzymatyczną drobnoustrojów. Podobnie każdy enzym działa w optymalnym zakresie temperatur. Jeśli temperatura zmieni się poniżej lub powyżej tego zakresu, zmienia kształt miejsca aktywnego, uniemożliwiając mu skuteczną interakcję z substratami. W większości przypadków powrót do optymalnej temperatury przywraca enzymowi pierwotny kształt i funkcję, jednak zbyt wysokie temperatury mogą ulec denaturacji lub nieodwracalnemu uszkodzeniu struktury enzymu. Ponownie, właściwości te są przydatne dla bezpieczeństwa żywności; Dokładnie gotujemy mięso, aby zabić szkodliwe bakterie poprzez denaturację ich enzymów i schładzamy większość produktów spożywczych, aby spowolnić aktywność enzymatyczną mikroorganizmów.
Ekstremofile, czyli organizmy występujące w ekstremalnych warunkach, które są śmiertelne dla większości form życia, mają enzymy zdolne do funkcjonowania w tych ekstremalnych warunkach. Na przykład Thermus aquaticus to bakteria występująca w gorących źródłach i kominach hydrotermalnych, osiągająca temperatury, przy których większość białek uległaby denaturacji. Polimeraza Taq to termostabilna polimeraza DNA występująca w T. aquaticus, która umożliwiła opracowanie reakcji łańcuchowej polimerazy (PCR), szeroko stosowanej metody laboratoryjnej do szybkiej replikacji DNA. PCR wymaga wysokich temperatur do oddzielenia nici podwójnej helisy DNA, która ma zostać zreplikowana. Polimeraza Taq pozostaje stabilna w tych wysokich temperaturach, podczas gdy większość enzymów uległaby degradacji. PCR przechodzi między wysokimi temperaturami, które rozbijają DNA na pojedyncze nici, a niższymi temperaturami, które pozwalają polimerazie na budowę nowego dwuniciowego DNA.
Oprócz określonych zakresów pH i temperatur, niektóre enzymy działają lepiej w obecności innych cząsteczek lub jonów. Koenzymy to biomolekuły, które wiążą się z miejscem aktywnym enzymu i uczestniczą w katalizie, nie będąc pochłanianymi przez reakcję. Koenzymy często transportują elektrony, określone atomy i grupy funkcyjne, a tym samym działają jako nośniki pośrednie. Witaminy z grupy B działają jak koenzymy w licznych reakcjach biochemicznych. Na przykład koenzym A (coA), który jest aktywną formą kwasu pantotenowego, jest wymagany przez 4% wszystkich enzymów ssaków4. Kofaktory są często klasyfikowane jako substancje nieorganiczne, takie jak jony, które są niezbędne do funkcji enzymatycznej. Na przykład wszystkie enzymy polimerazy DNA wymagają Mg2+ lub Mn2+ do replikacji DNA, a także wycinania nieprawidłowo włączonych nukleotydów5.
Istnieją również inne cząsteczki, które nie są niezbędne do funkcjonowania enzymu, ale są zdolne do zmiany aktywności enzymatycznej. Substancje, które zwiększają aktywność enzymu, nazywane są aktywatorami, podczas gdy inne, które zmniejszają aktywność enzymu, nazywane są inhibitorami. Cząsteczki te wiążą się z enzymami w miejscu aktywnym lub w innych miejscach enzymu, znanych jako miejsca allosteryczne. Czasami cząsteczki te mogą wiązać się dokładnie w miejscu aktywnym jako substrat, a tym samym konkurować z substratem o wiązanie enzymu. Inne, zwłaszcza substancje, które wiążą się z miejscami allosterycznymi, mogą zmieniać funkcję enzymu bez blokowania wiązania substratu z miejscem aktywnym, a zatem są niekonkurencyjne. Co więcej, wiązanie inhibitorów może być odwracalne lub nieodwracalne. Gdy interakcja jest odwracalna, enzym może wznowić swoją funkcję po odłączeniu inhibitora. Jednakże, gdy wiązanie jest nieodwracalne, inhibitor nigdy nie odrywa się od enzymu, a enzym ulega nieodwracalnemu uszkodzeniu i musi zostać wymieniony. Niemniej jednak inhibitory enzymów są również przydatne. Na przykład inhibitory były stosowane jako antybiotyki hamujące wzrost bakterii oraz jako chemioterapeutyki hamujące niekontrolowany podział komórek rakowych6.
Jedną z metod stosowanych przez naukowców do badania wpływu różnych warunków na funkcję enzymu jest ilościowe określenie szybkości reakcji, czyli tego, jak szybko enzym katalizuje reakcję. Dlatego wyższa szybkość reakcji wskazuje, że enzym katalizuje reakcje bardziej efektywnie, podczas gdy niższa szybkość oznacza, że działa mniej wydajnie. Aby określić szybkość reakcji, prędkość reakcji oblicza się, mierząc ilość produktu wytworzonego w jednostce czasu. Odbywa się to poprzez pomiar stężenia produktu począwszy od samego początku reakcji, kiedy stężenie produktu wzrasta liniowo, aż do całkowitego nasycenia enzymu substratem, a kataliza osiągnie stały poziom. Po określeniu wyjściowej częstości reakcji można ją wykorzystać jako punkt odniesienia lub kontrolę podczas porównywania różnych metod leczenia. Szybkość reakcji możemy oceniać jako miary względne lub bezwzględne. Względna szybkość reakcji to miara porównawcza, która pokazuje różnice między dwoma lub więcej warunkami, takimi jak leczenie w jednym eksperymencie, ale nie daje wartości tego, co jest mierzone. Bezwzględna szybkość reakcji opiera się na ilościowej mierze postępu reakcji. Łatwym sposobem na zrozumienie różnicy między względnymi i bezwzględnymi wskaźnikami reakcji jest rozważenie pomiaru prędkości samochodu w wyścigu. Metoda względna polegałaby na porównaniu poprzez ocenę klasyfikacji samochodów na mecie, podczas gdy stawka bezwzględna oceniałaby i porównywała prędkość poszczególnych samochodów w milach na godzinę.
Ponieważ enzymy są tak szeroko stosowane, naukowcy zaczęli szukać sposobów tworzenia i modyfikowania enzymów w celu zaspokojenia określonych potrzeb, znanych jako inżynieria białkowa. Technologia rekombinacji DNA umożliwia zmianę sekwencji aminokwasów w celu zmiany kształtu enzymu lub powinowactwa do miejsca aktywnego. Zostało to wykorzystane do stworzenia wysoce czułych testów diagnostycznych dla różnych schorzeń, a także do działań bioremediacyjnych i narzędzi do gospodarowania odpadami7.
Europejscy odkrywcy dysponowali odpowiednią wiedzą, umiejętnościami i sprzętem, dlaczego jednak dotarli do Nowego Świata dopiero pod koniec XV wieku? Będziesz zaskoczony, gdy dowiesz się, że odpowiedź na to pytanie jest związana z małymi cząsteczkami biologicznymi zwanymi enzymami, które działają jak katalizatory.
Co to jest katalizator? Jest to substancja, która umożliwia szybszy przebieg reakcji, zużywając mniej energii. Gdybyś narysował wykres energii potrzebnej do niekatalizowanej reakcji biologicznej, wyglądałoby to mniej więcej tak. Wysokość ta reprezentuje energię aktywacji, która jest minimalną ilością energii potrzebną do przebiegu reakcji. Enzymy, działając jako katalizator, zapewniają alternatywny szlak reakcji, o niższej energii aktywacji.
Jak więc właściwie działają enzymy? Większość enzymów to białka. Część ich struktury, która oddziałuje z katalizowanymi przez nie cząsteczkami, nazywana jest miejscem aktywnym, które ma powinowactwo tylko do niektórych substratów i nie wiąże się z innymi. Kiedy właściwe substraty dostaną się do miejsca aktywnego, enzym zmienia swój kształt, aby osiągnąć konfigurację o wyższym powinowactwie. Ten stan przejściowy ułatwia reakcję i przekształca reagenty w produkty. Enzym ma jednak mniejsze powinowactwo do produktów, więc uwalnia je i wraca do swojego pierwotnego kształtu, gotowy do powtórzenia tego samego procesu. Jest to przykład enzymu katabolicznego, ponieważ wziął on pojedynczy substrat i rozbił go, tworząc wiele produktów. Przeciwieństwem tego jest enzym anaboliczny, który bierze dwa substraty i łączy je ze sobą, aby stworzyć większy produkt.
Istnieje wiele innych sposobów działania enzymów. Na przykład enzym ten przekształca pojedynczy substrat w nowy kształt. Natomiast ten, przenosi część jednego podłoża na drugi. Niektóre enzymy nie mogą samodzielnie katalizować reakcji i wymagają kofaktorów lub koenzymów w celu katalizowania ich reakcji.
Być może zastanawiasz się, jak to wszystko ma się do XV-wiecznych podróży? W tym czasie żeglarze nie mieli dostępu do świeżych produktów zawierających witaminę C, koenzym niezbędny do syntezy kolagenu. Z tego powodu marynarze zapadali na szkorbut, chorobę związaną z niedoborem witaminy C, która często była śmiertelna. Rozwiązali ten problem, kisząc owoce i warzywa bogate w witaminę C. Marynowanie obniżyło pH żywności, co zapobiegało aktywności enzymów mikrobiologicznych, odpowiedzialnych za ich gnicie. Dlatego zniszczenie enzymów mikrobiologicznych i uratowanie niezbędnego koenzymu odegrało główną rolę w powodzeniu długich ekspedycji.
W tym laboratorium można określić ilościowo, w jaki sposób różne warunki wpływają na funkcję enzymu, oceniając szybkość reakcji, ilość wytworzonego produktu w jednostce czasu. Najpierw zmierzysz wyjściową szybkość reakcji w standardowej temperaturze pokojowej i neutralnym pH. Szybkość będzie rosła na początku, aż wszystkie cząsteczki enzymu zostaną całkowicie nasycone substratem. A następnie kataliza osiągnie stały poziom, ponieważ enzymy są zajęte kontynuowaniem cyklu wiązania substratu, katalizy i uwalniania. Po ustaleniu wyjściowej szybkości reakcji, można ją wykorzystać jako punkt odniesienia dla innych warunków. Enzymem, z którym będziesz pracować w tym laboratorium, jest peroksydaza rzepy. Ocenisz jego aktywność przy różnych wartościach temperatury i pH.
