From Wikipedia, the free encyclopedia
Ензимите са молекули, които катализират биохимични процеси в клетката.[1][2] Типичните ензими представляват белтъци или белтъчни комплекси, но съществуват и рибонуклеинови киселини с ензимна функция – т.нар. рибозими.[3][4] Синтетични молекули, наречени изкуствени ензими, също показват каталитични способности.[5]
С помощта на ензимите биохимичните реакции в организма могат да бъдат ускорени до 1 000 000 пъти. Принципът на действие включва снижаването на енергетичната бариера за протичането на дадена реакция до стойности, гарантиращи осъществяването на процеса, без това да влияе на термодинамичното равновесие. Именно тази основна функция на ензимите, както и възможностите за контрол върху ензимното действие ги правят важен компонент на всяка жива система.
Открити са над 4000 ензима, а повече от 1000 са сравнително добре описани.[6]
Произходът на думата ензим идва от гръцкото „en zymē“, означаващо „в мая“. Понятието е въведено през 1878 г. от Вили Кюне първоначално за описание на последователност от неизвестни процеси, но съвременното му значение включва обозначаването на отделни биологично активни молекули. Като синоним на ензим в българския език се използва и фермент (субстанция, предизвикваща ферментация). Постепенно в научната литература думата фермент губи своята популярност.[7]
Първите стъпки в познанието за същността на ензимите датират от края на 18 и началото на 19 век, когато било забелязано, че определени животински или растителни екстракти могат да разграждат хранителни вещества, но по това време деликатният механизъм на протичащите процеси бил неизвестен.[8]
Началото на науката за строежа и функцията на ензимите – ензимолология, поставя Луи Пастьор с изследванията си върху алкохолната ферментация. Луи Пастьор стига до извода, че ферментацията е функция на живи системи, каквито са дрождевите клетки, и е невъзможна без тяхното участие. Виталистичната убеденост на Пастьор постулира участието на жива сила (vis vitalis), която той нарича фермент.[9]
През 1897 г. Едуард Бухнер показва, че процесът на ферментация се дължи на определени вещества в самата клетка.[10] Бухнер открива също, че тези вещества са относително нестабилни и могат да бъдат инактивирани при ниски температури.
Макар и по това време ензимите да не са били достъпни в чиста форма, работите върху механизма на действие позволяват в началото на 20 век да се оформят и първите хипотези за белтъчната природа и фината структура на ензимите, както и да се направят първите математически модели на ензимна кинетика.
Окончателното отхвърляне на хипотезата за живата сила и потвърждаването на белтъчната природа на ензимите става след изолирането на първите ензими – уреаза (през 1926 г. от Джеймс Съмнър), пепсин и трипсин (през 1929 г. от Джон Нортроп). През 1946 г. Съмнър и Нортроп заедно с Уендел Станли получават Нобелова награда за химия за пречистването и кристализирането на ензими.[11]
Откритието, че ензимите могат да кристализират, дава възможност структурата им да бъде изследвана чрез рентгенова кристалография. Това е направено за пръв път с лизозима – ензим, съдържащ се в сълзите, слюнката и яйчения белтък. Структурата му е описана от група, ръководена от Дейвид Чилтън Филипс, през 1965 г.[12] Именно тази висококачествена структура на лизозима поставя началото на клон от биологията, известен като структурна биология, и дава една от най-ранните представи за това, как ензимите осъществяват своето каталитично действие.
С изключение на малка група каталитично активни РНК молекули, всички познати ензими са белтъци. Като типични белтъци ензимите са изградени от линейното подреждане на аминокиселини в полипептидни вериги. Дължината на тези вериги варира от стотина до десетки хиляди аминокиселини. Функцията на ензима зависи не само от правилното подреждане на отделните аминокиселини, но преди всичко от триизмерното нагъване на полипептидната верига в пространството.
Често се наблюдава и асоцииране на няколко отделни протеина в самостоятелна единица, функционираща като едно цяло. В този случай ензимите се наричат олигомери – съставени от отделни независими белтъци.
В зависимост от строежа си ензимите се разделят на две групи:
В рамките на апоензима се открояват няколко важни функционални участъка:
Кофакторите могат да бъдат разнообразни по природа и функции. Често са ковалентно свързани с белтъчната част и неразривно участват в каталитичния акт. Този тип се означава като простетична група. Ролята на простетични групи изпълняват малки органични съединения (тиамин-пирофосфат), както и метални катиони. Друг тип кофактори, наречени коензими, не са здраво свързани с ензима, но са необходими за функционирането му. Те се асоциират в момента на самата реакция, тъй като присъстват в големи количества в средата. Коензимите са също малки органични съединения (флавин, НАД, хем) или неорганични метални йони.
Ензимите катализират превръщането на определени химични съединения, наречени субстрати на реакцията, в съответни продукти. Процесът протича на няколко етапа, като се минава през създаването на ензимсубстратен комплекс, ензимпродуктен комплекс и се стига до получаването на реакционен продукт и отделяне на ензима:
Базова концепция в целия механизъм е т. нар. преходно състояние. Преходното състояние е хипотетичен момент, в който е протичането на реакцията в права посока (до получаване на продукт) или в обратна посока (до формирането на субстрат) е равновероятно. Това не е химично съединение, подобно на възможни междинни продукти, а представлява състояние на максимална енергия – напрегнатост на системата.
Ензимите могат да осъществят до няколко милиона каталитични цикъла (получаване на продукт, отделяне от продукта и свързване на нов субстрат).
Ензимите обикновено са специфични както по отношение на реакцията, която катализират, така и по отношение на веществата, които влизат в нея. Специфичността се определя от съответствието във формата на субстрата и каталитичния участък на ензима, от привличането и отблъскването на повърхностните им електрични заряди и от съвпадението на съответни хидрофобни и хидрофилни области. Съществуват няколко типа специфичност на ензимното действие, присъщи в различна степен за отделните ензими:
За обяснение на наличието на специфичност по отношение на различни възможни изходни вещества първоначално била прилагана хипотезата на Емил Фишер за т. нар. структурно съответствие тип ключ-ключалка. Тя постулирала пълно структурно съответствие между субстрата и ензима, като субстратът буквално прилепва в активния център на ензима. Хипотезата не може да обясни стабилизацията на преходното състояние.
Корекцията на предложения от Фишер модел е направена от Даниел Кошланд през 1958 г., когато Кошланд предлага модела на индуцираното структурно сходство. Според него в момента на взаимодействие ензимът се нагажда конформационно към субстрата, за да се получи пълно съответствие.
При особено сложни субстратни молекули, каквито могат да са например цели белтъчни молекули, не е изключено и нагаждане на самия субстрат чрез конформационни промени в него самия.
Някои от ензимите могат да работят заедно в специфичен порядък, образуващи метаболитни пътища (серия от химични реакции, осъществяващи се в клетката и катализирани от ензими). В тях един ензим взима продукта от друг ензим като начален субстрат. След каталитичната реакция продуктът се прехвърля на друг ензим. Крайният продукт от този метаболитен път е често инхибитор на един от първите ензими, което гарантира необратимост на реакцията и така се регулира количеството на крайния продукт, получен по този начин.
Най-общи механизми на инхибиране по тип обратна връзка:
Подобно на всички други катализатори ензимите катализират само термодинамично възможни процеси. Това са спонтанни реакции, при които имаме негативна промяна на свободната енергия на Гибс. Ензимът не влияе на термодинамичното равновесие, но помага то да бъде достигнато значително по-бързо. Възможно е спонтанната некатализирана реакция да води до формирането на различен продукт от този при ензимкатализирана реакция, но това е избор на един от възможните реакционни пътища. Пример от класическата термодинамика е взаимодействие на въглерод и водород – възможните продуктите на реакцията са множество. Но ако същата реакция се катализира от хипотетичен ензим, той ще е специализиран за формирането на единствен продукт.
Ензимите могат да обединяват силно изгоден термодинамичен процес с реакция, която е термодинамично неизгодна. Сумарно процесът се нарича спрегната реакция. Често като избор за термодинамично изгоден процес се осъществява хидролизата на енергетически богато съединение (напр. АТФ), а отделената енергия се използва за създаването на нови химични връзки в други молекули.
Ензимът катализира както правата, така и обратната реакция до достигането на термодинамичното равновесие. Правата и обратната реакция не влияят върху равновесието, а само върху скоростта на достигането му. Например карбоанхидразата катализира следните две реакции в зависимост от началната концентрация на реагентите:
Съществува вероятност при физиологичните концентрации на реагиращите вещества и продуктите общата промяна на свободната енергия на Гибс да е силно отрицателна, което, от своя страна, прави процеса необратим. Тогава ензимът практически катализира единствено правата реакция.
Ензимната кинетика си поставя за цел да изследва как ензимите се свързват с техните субстрати и ги превръщат в продукти, както и да определи скоростта на това превръщане. През 1913 г. Леонор Михаелис и Мауд Ментен поставят основите на количествената теория на ензимната кинетика. Техните работи са доразвити от Бригс и Джон Холдейн с представянето на нов математически апарат.[7]
Михаелис и Ментен разглеждат ензимната реакция като разделена на два стадия. В първия има равновесна реакция на свързване на субстрата с ензима до формиране на ензимсубстратен комплекс. Като втори стадий те поставят необратима реакция на превръщането на субстрата в продукт и освобождаването на продукта от ензима. Моделът е за едносубстратна реакция:
Константите k1,k-1 и k2, посочени в уравнението, са съответните скоростни константи на химичните реакции. Въз основа на това предположение са съставени няколко кинетични уравнения за описването и практическото намиране на скоростта на ензимната реакция. Повечето ензими се подчиняват на този модел, известен като кинетично уравнение на Михаелис-Ментен.
Кинетичното уравнение, което описва скоростта на ензимната реакция (v) във всеки момент, се извежда от посочения модел и изглежда така:
Съответните означения са коментирани в детайли по-надолу.
Ензимите могат да увеличат скоростта на реакциите чрез защитаване или даване на възможност за различен път на реакцията с по-ниска активираща енергия, което прави по-лесно протичането на съответната реакция. Общата скорост на ензимно катализираната реакция зависи от много фактори като температура, pH на средата, концентрации на реагентите, присъствието на инхибитори и др.
Веществата (A и B) се нуждаят от голямо количество енергия (E1), за да достигнат междинното състояние A…B, което след това реагира до краен продукт (AB). Ензимът (E) образува микросреда, в която A и B могат да реагират до междинното състояние (A…E…B) по-лесно, намалявайки необходимата енергия (E2). Като резултат се повишава вероятността за осъществяване на тази реакция и така се повишава скоростта ѝ.
От практически съображения са въведени няколко показателя за кинетичното характеризиране на дадена реакция – максимална скорост, начална скорост, константа на Михаелис-Ментен, оборотно число и константа на специфичност.
Максималната скорост (Vmax) се постига при пълно насищане на ензима до отсъствието на свободни ензимни молекули.[7] Практически се намира, като постепенно се увеличава концентрацията на субстрата при наблюдаване на постоянна скорост (максимална скорост Vmax на формирането на продукт). Тогава концентрацията на ензимсубстратния комплекс е числено равна на началната концентрация на ензима. При разглеждането на кинетичните уравнения при такива условия лесно се изчислява и константата на Михаелис-Ментен (равна на субстратната концентрация, която е необходима за достигане на 1/2 от максималната скорост). Константата на Михаелис-Ментен (Km) е показател за сродството на ензима към неговия субстрат в рамките на ензимсубстратния комплекс – колкото по-голяма е тя, толкова по-лесно ензимът се освобождава от своя субстрат.
Забележка. Константата на Михаелис-Ментен често погрешно се интерпретира като дисоциационна константа, но това е вярно само когато скоростта на превръщането на ензимсубстратния комплекс в продукт е много по-малка от скоростта на разпадането му до субстрат.
Началната скорост (V0) е проблем за измерване, тъй като концентрацията на субстрат се променя в течение на реакцията.[7] За определянето ѝ се използват значителни концентрации на субстрат, надвишаващи тази на ензима. При това условие промяната на концентрацията на субстрат в първите няколко секунди от реакцията е незначителна и с подходящ математически апарат може да се определи началната скорост на реакцията.
Оборотното число (kcat, за прости реакции kcat=k2) е показател за ефективността на ензима. Това е скоростната константа на превръщането на ензимсубстратния комплекс в продукт и неговото освобождаване. Кинетичният смисъл на оборотното число е максималният брой субстратни молекули, които могат да се преработят от един активен център за една секунда.
Последният показател за характеристика на ензим е т. нар. константа на специфичност – отношението между оборотното число и константата на Михаелис-Ментен. Това позволява сравнение на каталитичната ефективност на различни ензими или преработката на различни субстрати от един ензим. Кинетичният смисъл е максималният брой на субстратни молекули, превърнати за единица време от един активен център при еднакви условия на афинитет към субстрата. Има горна граница на тази константа и това е скоростта на проста дифузия на ензима в разтвор – не е възможно да се превърнат повече молекули от достъпните за контакт в разтвор. Скоростта на дифузия на ензима от субстрата е в рамките на 108 – 109 mol-1.l. s-1. Много ензими притежават константи на специфичност в този порядък и те се означават като каталитично перфектни. Примери за такъв тип каталитично перфектни ензими са ацетилхолинестераза, карбоанхидраза, каталаза, кротоназа, фумараза, b-лактамаза.[13]
Ензимите катализират биохимични реакции. С тяхна помощ се извършва синтез и разграждане на органичните вещества, редуциране, окисление, обмяна на веществата между организмите и околната среда.
Ензимите могат да свържат две или повече реакции, така че термодинамично най-вероятната реакция може да бъде използвана, за да доведе до термодинамично по-малко вероятна такава. Един от най-общите примери за това са ензимите, използвани за дефосфорилация на аденозин трифосфат (АТФ).
Ензимите са особено важни за живите организми и неправилната работа дори на един от около 2000 съществуващи в организма ензима може да доведе до заболяване. Пример на болест, причинена от неправилно функциониране на ензим, е фенилкетонуриа. При нея ензимът фенилаланин хидроксилаза, който преработва основната аминокиселина фенилаланин в тирозин, просто не работи. Това води до повишаване на нивата на фенилаланин с последици от увреждане на мозъка и забавяне на умствената дейност.[14]
Ензимите в човешкото тяло също се влияят от инхибитори. Аспиринът например инхибира ензимите, преработващи простагландините (веществата, които дават сигнал на имунната система за инфекция или възпаление), и по този начин потиска болката и възпалението. Ензимите се използват и в ежедневните продукти като миещи препарати, където ускоряват химическите реакции при прането (например разлагане на петна от кръв или други органични вещества).
Храненето при животните е основано на храносмилателни ензими като α-амилаза, трипсин. Основната роля е за храносмилането на храната и осигуряването на хранителните вещества за цялото тяло. Друг клас ензими се наричат метаболитни ензими. Тяхната роля е да катализират химическите реакции в цялото тяло, включително и приемането на кислород. Повечето от нашите клетки (с изключение на еритроцитите) биха страдали от недостиг на кислород даже и при негов излишък без действието на ензима цитохром оксидаза. Ензимите също играят роля при контракцията на мускулите и отпускането им. Факт е, че без тези два класа ензими животът няма как да съществува.
Общоприето е името на ензима да се състои от описанието му, завършващо с -аза, например алкохолдехидрогеназа или ДНК полимераза. Съществува систематична номенклатура на ензимите, в която всеки отделен представител притежава уникален номер (EC – номер). Това е последователност, започваща с EC (Enzyme Commission) и 4 отделни числа, разделени с точки (напр. EC 4.3.1.17). Първото число показва класа, второто – подкласа, а последното – вида реакция, която се катализира от съответния ензим. Най-общо първото число класифицира ензимите по механизма на действието им в 6 основни класа:
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
![{\displaystyle v=k_{2}[E_{0}]{\frac {[C]}{K_{m}+[C]}}=V_{max}{\frac {[C]}{K_{m}+[C]}}}](http://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/8b93b3b98ac17ec072c0bb012bc3760019a34f86)
