Enzymy

Wewnątrz organizmów żywych enzymy działają jako katalizatory wielu reakcji biochemicznych biorących udział w metabolizmie komórkowym. Rolą enzymów jest zmniejszanie energii aktywacji reakcji biochemicznych poprzez tworzenie kompleksów z ich substratami. Obniżenie energii aktywacji sprzyja wzrostowi szybkości reakcji biochemicznych.

Niedobory enzymów często mogą przekładać się na choroby zagrażające życiu. Na przykład nieprawidłowość genetyczna powodująca niedobór enzymu G6PD (dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej) niekorzystnie wpływa na szlak metaboliczny dostarczający NADPH do komórek.

Zakłócenie tego szlaku metabolicznego może zmniejszyć poziom glutationu w czerwonych krwinkach, powodując uszkodzenie innych enzymów i białek, takich jak hemoglobina. Nadmierny metabolizm hemoglobiny zwiększa poziom bilirubiny, co prowadzi do żółtaczki, stanu, który może stać się ciężki. Dlatego osoby cierpiące na niedobór G6PD muszą unikać niektórych pokarmów i leków zawierających substancje chemiczne, które mogą powodować uszkodzenie czerwonych krwinek z niedoborem glutationu.

Funkcja i struktura enzymu

Enzymy są pogrupowane w różne klasy w zależności od konkretnej funkcji, jaką pełnią. Na przykład oksydoreduktazy biorą udział w reakcjach redoks, podczas gdy transferazy katalizują przenoszenie grup funkcyjnych. Tworzenie wiązań z hydrolizą ATP wymaga ligaz, podczas gdy reakcje hydrolizy i tworzenie wiązań podwójnych są katalizowane odpowiednio przez hydrolazy i liazy. Enzymy izomerazy zwykle katalizują reakcje izomeryzacji.

Enzymy na ogół posiadają miejsca aktywne. Są to specyficzne regiony cząsteczki o konformacji, która sprzyja wiązaniu enzymu z określonym substratem (cząsteczką reagenta) w celu utworzenia kompleksu enzym-substrat lub produktu pośredniego reakcji.

Dwa modele – model zamka i klucza oraz model indukowanego dopasowania – próbują wyjaśnić działanie aktywnej witryny (ryc. 1). Najbardziej uproszczona hipoteza zamka i klucza sugeruje, że miejsce aktywne i kształt molekularny podłoża są komplementarne – pasują do siebie jak klucz w zamku (ryc. 1a). Z drugiej strony, hipoteza indukowanego dopasowania sugeruje, że cząsteczka enzymu jest elastyczna i zmienia kształt, aby dostosować się do wiązania z substratem (ryc. 1b).

Jednak zarówno model zamka i klucza, jak i model indukowanego dopasowania uwzględniają fakt, że enzymy mogą wiązać się tylko z określonymi substratami i katalizują tylko określoną reakcję.

Rysunek 1 (a) Zgodnie z modelem zamka i klucza, kształt miejsca aktywnego enzymu jest idealnie dopasowany do podłoża. (b) Zgodnie z modelem dopasowania indukowanego, miejsce aktywne jest nieco elastyczne i może zmieniać kształt w celu związania się z podłożem.

Inhibitory enzymów

Aktywność enzymów może być również przerwana przez proces hamowania enzymów. Istnieje kilka powszechnych rodzajów hamowania enzymów.

Podczas inhibicji konkurencyjnej cząsteczka (naturalna lub syntetyczna) inna niż substrat wiąże się bezpośrednio z miejscem aktywnym enzymu. Strukturalne i chemiczne podobieństwo inhibitora do substratu ułatwia jego wiązanie się z miejscem aktywnym. Takie konkurencyjne inhibitory konkurują zatem z substratami, uniemożliwiając im wiązanie się z enzymem. Najczęściej zwiększenie stężenia substratu może stłumić efekty hamowania konkurencji.

W inhibicji niekonkurencyjnej cząsteczka (naturalna lub syntetyczna) wiąże się z allosterycznym (innym) regionem enzymu, innym niż jego miejsce aktywne. Wiązanie inhibitora powoduje zmianę konformacyjną w miejscu aktywnym enzymu, co skutkuje zmniejszeniem zdolności enzymu do katalizowania reakcji. W przeciwieństwie do inhibicji kompetycyjnej, wzrost stężenia substratu nie łagodzi hamujących skutków hamowania niekompetycyjnego.

Część tego tekstu została zaadaptowana z Openstax, Chemistry 2e, Section 12.7: Catalysis.