Encimi: kaj so, kako delujejo in zakaj so ključni za življenje

Struktura encima

Obstaja na tisoče različnih encimov in vsak je specifičen za reakcijo, ki jo katalizira. Encimi imajo imena, ki kažejo, kaj počnejo. Imena encimov se običajno končajo na -aza, kar pomeni, da gre za encime. Takšni primeri so ATP sintaza. Ta tvori kemikalijo, imenovano ATP. Drug primer je DNK polimeraza. Prebere nepoškodovano verigo DNK in jo uporabi kot predlogo za izdelavo nove verige.

Encim je na primer amilaza, ki jo najdemo v slini. Molekule škroba razgradi na manjše molekule glukoze in maltoze. Druga vrsta encima je lipaza. Ta razgrajuje maščobe na manjše molekule, maščobne kisline in glicerol.d

Proteaze so cel razred encimov. Razgrajujejo druge encime in beljakovine nazaj v aminokisline. Nukleaze so encimi, ki režejo DNK ali RNK, pogosto na določenem mestu v molekuli.

Encimi niso namenjeni le razgradnji velikih kemikalij v manjše kemikalije. Drugi encimi jemljejo manjše kemikalije in jih sestavljajo v večje kemikalije ter opravljajo številne druge kemijske naloge. V spodnji razvrstitvi so navedene glavne vrste.

Biokemiki pogosto narišejo sliko encima, ki služi kot vizualni pripomoček ali zemljevid encima. To je težko narediti, ker je v encimu lahko na stotine ali tisoče atomov. Biokemiki ne morejo narisati vseh teh podrobnosti. Namesto tega kot slike encimov uporabljajo trakaste modele. Z modeli trakov lahko prikažejo obliko encima, ne da bi bilo treba narisati vsak atom.

Večina encimov ne bo delovala, če temperatura in pH ne bosta ravno ustrezna. Pri sesalcih je prava temperatura običajno približno 37^o stopinj C (telesna temperatura). Pravilni pH se lahko zelo razlikuje. Pepsin je primer encima, ki najbolje deluje pri pH približno 1,5.

Segrevanje encima nad določeno temperaturo encim trajno uniči. Proteaza ga bo razgradila in kemikalije se bodo ponovno uporabile.

Nekatere kemikalije lahko encimu pomagajo, da še bolje opravlja svoje delo. Imenujemo jih aktivatorji. Včasih lahko kemikalije upočasnijo delovanje encima ali celo povzročijo, da encim sploh ne deluje. Te kemikalije imenujemo inhibitorji. Večina zdravil so kemikalije, ki pospešujejo ali upočasnjujejo delovanje nekaterih encimov v človeškem telesu.

Slinska amilaza: kloridni ion zelene barve; kalcijev ion bež barve

Struktura encima

Obstaja na tisoče različnih encimov in vsak je specifičen za reakcijo, ki jo katalizira. Encimi imajo imena, ki kažejo, kaj počnejo. Imena encimov se običajno končajo na -aza, kar pomeni, da gre za encime. Takšni primeri so ATP sintaza. Ta tvori kemikalijo, imenovano ATP. Drug primer je DNK polimeraza. Prebere nepoškodovano verigo DNK in jo uporabi kot predlogo za izdelavo nove verige.

Encim je na primer amilaza, ki jo najdemo v slini. Molekule škroba razgradi na manjše molekule glukoze in maltoze. Druga vrsta encima je lipaza. Ta razgrajuje maščobe na manjše molekule, maščobne kisline in glicerol.d

Proteaze so cel razred encimov. Razgrajujejo druge encime in beljakovine nazaj v aminokisline. Nukleaze so encimi, ki režejo DNK ali RNK, pogosto na določenem mestu v molekuli.

Encimi niso namenjeni le razgradnji velikih kemikalij v manjše kemikalije. Drugi encimi jemljejo manjše kemikalije in jih sestavljajo v večje kemikalije ter opravljajo številne druge kemijske naloge. V spodnji razvrstitvi so navedene glavne vrste.

Biokemiki pogosto narišejo sliko encima, ki služi kot vizualni pripomoček ali zemljevid encima. To je težko narediti, ker je v encimu lahko na stotine ali tisoče atomov. Biokemiki ne morejo narisati vseh teh podrobnosti. Namesto tega kot slike encimov uporabljajo trakaste modele. Z modeli trakov lahko prikažejo obliko encima, ne da bi bilo treba narisati vsak atom.

Večina encimov ne bo delovala, če temperatura in pH ne bosta ravno ustrezna. Pri sesalcih je prava temperatura običajno približno 37^o stopinj C (telesna temperatura). Pravilni pH se lahko zelo razlikuje. Pepsin je primer encima, ki najbolje deluje pri pH približno 1,5.

Segrevanje encima nad določeno temperaturo encim trajno uniči. Proteaza ga bo razgradila in kemikalije se bodo ponovno uporabile.

Nekatere kemikalije lahko encimu pomagajo, da še bolje opravlja svoje delo. Imenujemo jih aktivatorji. Včasih lahko kemikalije upočasnijo delovanje encima ali celo povzročijo, da encim sploh ne deluje. Te kemikalije imenujemo inhibitorji. Večina zdravil so kemikalije, ki pospešujejo ali upočasnjujejo delovanje nekaterih encimov v človeškem telesu.

Slinska amilaza: kloridni ion zelene barve; kalcijev ion bež barve

Model z zaklepanjem in ključem

Encimi so zelo specifični. Leta 1894 je Emil Fischer predlagal, da imata encim in substrat specifične komplementarne geometrijske oblike, ki se natančno prilegajo druga drugi. To se pogosto imenuje model "ključavnice in ključa". Vendar pa ta model ne pojasnjuje, kaj se zgodi v nadaljevanju.

Leta 1958 je Daniel Koshland predlagal spremembo modela ključavnice in ključa. Ker so encimi precej prožne strukture, se aktivno mesto preoblikuje zaradi interakcij s substratom. Zato se substrat ne veže preprosto na togo aktivno mesto. Stranske verige aminokislin na aktivnem mestu se upogibajo v položaje, v katerih encim opravlja svoje katalitično delo. V nekaterih primerih, na primer pri glikozidazah, molekula substrata tudi nekoliko spremeni obliko, ko vstopi v aktivno mesto.

Diagrami, ki prikazujejo hipotezo o induciranem prileganju delovanja encimov

Model ključavnice in ključa

Encimi so zelo specifični. Leta 1894 je Emil Fischer predlagal, da imata encim in substrat specifične komplementarne geometrijske oblike, ki se natančno prilegajo druga drugi. To se pogosto imenuje model "ključavnice in ključa". Vendar pa ta model ne pojasnjuje, kaj se zgodi v nadaljevanju.

Leta 1958 je Daniel Koshland predlagal spremembo modela ključavnice in ključa. Ker so encimi precej prožne strukture, se aktivno mesto preoblikuje zaradi interakcij s substratom. Zato se substrat ne veže preprosto na togo aktivno mesto. Stranske verige aminokislin na aktivnem mestu se upogibajo v položaje, v katerih encim opravlja svoje katalitično delo. V nekaterih primerih, na primer pri glikozidazah, molekula substrata tudi nekoliko spremeni obliko, ko vstopi v aktivno mesto.

Diagrami, ki prikazujejo hipotezo o induciranem prileganju delovanja encimov

Funkcija

Splošna enačba za encimsko reakcijo je:

Substrat + encim -> substrat:encim -> izdelek:encim -> izdelek + encim

Encimi znižajo aktivacijsko energijo reakcije tako, da s substratom tvorijo vmesni kompleks. Ta kompleks se imenuje kompleks encim-substrat.

Na primer saharoza, ki je 400-krat večja od substrata saharoze, razcepi saharozo na sestavna sladkorja, to sta glukoza in fruktoza. Sukraza upogne saharozo in pretrga vez med glukozo in fruktozo. Molekule vode se pridružijo in v delčku sekunde izvedejo cepitev. Encimi imajo te ključne lastnosti:

1. So katalizatorji. Običajno povečajo hitrost reakcije za 10 milijardkrat.^p39 Sam encim se pri reakciji ne spremeni.
2. Učinkoviti so v majhnih količinah. Ena molekula encima lahko pretvori 1000 molekul substrata v minuti, za nekatere pa je znano, da jih v minuti pretvorijo 3 milijone.^p39
3. So zelo specifični. Encim lahko izvede le eno od številnih reakcij, ki jih je sposoben izvesti substrat.

Nadzor encimske aktivnosti

Aktivnost encimov v celici nadzorujemo na pet glavnih načinov.

1. Proizvodnja encimov (prepisovanje in prevajanje encimskih genov) se lahko poveča ali zmanjša kot odziv na spremembe v celičnem okolju. Ta oblika uravnavanja genov se imenuje indukcija in inhibicija encimov. Na primer, pri bakterijah, ki so odporne na antibiotike, kot je penicilin, se inducirajo encimi, ki hidrolizirajo molekule penicilina.
2. Encimi se lahko pojavljajo v različnih celičnih predelih. Maščobne kisline na primer sintetizira en sklop encimov v citosolu, endoplazemskem retikulumu in Golgijevem aparatu. Nato jih drug sklop encimov uporabi kot vir energije v mitohondrijih.
3. Encime lahko uravnavajo njihovi lastni produkti. Končni produkt(-i) na primer pogosto zavirajo enega od prvih encimov na poti. Takšen regulacijski mehanizem se imenuje negativna povratna zveza, saj količino proizvedenega končnega produkta uravnava njegova lastna koncentracija. To preprečuje, da bi celice proizvajale preveč encima. Nadzor delovanja encimov pomaga ohranjati stabilno notranje okolje v živih organizmih.
4. Encime lahko uravnavamo tako, da jih po proizvodnji spremenimo. Primer je cepitev polipeptidne verige. Himotripsin, prebavna proteaza, se v neaktivni obliki proizvaja v trebušni slinavki in se v tej obliki prenaša v želodec, kjer se aktivira. S tem se prepreči, da bi encim prebavil trebušno slinavko ali druga tkiva, preden vstopi v črevesje. Ta vrsta neaktivnega predhodnika encima se imenuje nimogen.
5. Nekateri encimi se lahko aktivirajo, ko preidejo v drugo okolje (npr. iz visokega pH v nizek pH). Na primer, hemaglutinin v virusu gripe se aktivira s spremembo oblike. To povzročijo kisle razmere v lizosomu gostiteljske celice.

Graf, ki prikazuje vpliv spreminjanja temperature na aktivnost encima


Graf, ki prikazuje vpliv spremembe pH na aktivnost encima

Funkcija

Splošna enačba za encimsko reakcijo je:

Substrat + encim -> substrat:encim -> izdelek:encim -> izdelek + encim

Encimi znižajo aktivacijsko energijo reakcije tako, da s substratom tvorijo vmesni kompleks. Ta kompleks se imenuje kompleks encim-substrat.

Na primer saharoza, ki je 400-krat večja od substrata saharoze, razcepi saharozo na sestavna sladkorja, to sta glukoza in fruktoza. Sukraza upogne saharozo in pretrga vez med glukozo in fruktozo. Molekule vode se pridružijo in v delčku sekunde izvedejo cepitev. Encimi imajo te ključne lastnosti:

1. So katalizatorji. Običajno povečajo hitrost reakcije za 10 milijardkrat.^p39 Sam encim se pri reakciji ne spremeni.
2. Učinkoviti so v majhnih količinah. Ena molekula encima lahko pretvori 1000 molekul substrata v minuti, za nekatere pa je znano, da jih v minuti pretvorijo 3 milijone.^p39
3. So zelo specifični. Encim lahko izvede le eno od številnih reakcij, ki jih je sposoben izvesti substrat.

Nadzor encimske aktivnosti

Aktivnost encimov v celici nadzorujemo na pet glavnih načinov.

1. Proizvodnja encimov (prepisovanje in prevajanje encimskih genov) se lahko poveča ali zmanjša kot odziv na spremembe v celičnem okolju. Ta oblika uravnavanja genov se imenuje indukcija in inhibicija encimov. Na primer, pri bakterijah, ki so odporne na antibiotike, kot je penicilin, se inducirajo encimi, ki hidrolizirajo molekule penicilina.
2. Encimi se lahko pojavljajo v različnih celičnih predelih. Maščobne kisline na primer sintetizira en sklop encimov v citosolu, endoplazemskem retikulumu in Golgijevem aparatu. Nato jih drug sklop encimov uporabi kot vir energije v mitohondrijih.
3. Encime lahko uravnavajo njihovi lastni produkti. Končni produkt(-i) na primer pogosto zavirajo enega od prvih encimov na poti. Takšen regulacijski mehanizem se imenuje negativna povratna zveza, saj količino proizvedenega končnega produkta uravnava njegova lastna koncentracija. To preprečuje, da bi celice proizvajale preveč encima. Nadzor delovanja encimov pomaga ohranjati stabilno notranje okolje v živih organizmih.
4. Encime lahko uravnavamo tako, da jih po proizvodnji spremenimo. Primer je cepitev polipeptidne verige. Himotripsin, prebavna proteaza, se v neaktivni obliki proizvaja v trebušni slinavki in se v tej obliki prenaša v želodec, kjer se aktivira. S tem se prepreči, da bi encim prebavil trebušno slinavko ali druga tkiva, preden vstopi v črevesje. Ta vrsta neaktivnega predhodnika encima se imenuje nimogen.
5. Nekateri encimi se lahko aktivirajo, ko preidejo v drugo okolje (npr. iz visokega pH v nizek pH). Na primer, hemaglutinin v virusu gripe se aktivira s spremembo oblike. To povzročijo kisle razmere v lizosomu gostiteljske celice.

Graf, ki prikazuje vpliv spreminjanja temperature na aktivnost encima


Graf, ki prikazuje vpliv spremembe pH na aktivnost encima

Inhibitorji encimov

Z inhibitorji lahko preprečimo, da bi se encim vezal na substrat. S tem lahko upočasnimo reakcijo, ki jo nadzoruje encim. Inhibitorji se ohlapno ali delno prilegajo aktivnemu mestu encima. Tako preprečijo ali upočasnijo nastanek kompleksa encima in substrata.

Inhibitorji encimov

Z inhibitorji lahko preprečimo, da bi se encim vezal na substrat. S tem lahko upočasnimo reakcijo, ki jo nadzoruje encim. Inhibitorji se ohlapno ali delno prilegajo aktivnemu mestu encima. Tako preprečijo ali upočasnijo nastanek kompleksa med encimom in substratom.

Denaturacija

Denaturacija je nepovratna sprememba aktivnega mesta encima, ki jo povzroči ekstremna sprememba temperature ali pH. To zmanjša hitrost reakcije, ker se molekula substrata ne more prilegati aktivnemu mestu, zato produkti ne morejo nastati.

Denaturacija

Denaturacija je nepovratna sprememba aktivnega mesta encima, ki jo povzroči ekstremna sprememba temperature ali pH. To zmanjša hitrost reakcije, ker se molekula substrata ne more prilegati aktivnemu mestu, zato produkti ne morejo nastati.

Kofaktorji

Kofaktorji ali koencimi so pomožne molekule, ki so potrebne za delovanje encima. Niso beljakovine in so lahko organske ali anorganske molekule. Obe vrsti molekul včasih vsebujeta kovinski ion v središču, kot so Mg²⁺, Cu²⁺, Mn²⁺ ali železovo-žveplovi skupki. Takšni ioni namreč lahko delujejo kot donorji elektronov, kar je pomembno pri številnih reakcijah. Potreba encimov po različnih malih pomočnikih je osnovni razlog, zakaj živali, vključno z nami, potrebujejo elemente v sledovih in vitamine.

Kofaktorji

Kofaktorji ali koencimi so pomožne molekule, ki so potrebne za delovanje encima. Niso beljakovine in so lahko organske ali anorganske molekule. Obe vrsti molekul včasih vsebujeta kovinski ion v središču, kot so Mg²⁺, Cu²⁺, Mn²⁺ ali železovo-žveplovi skupki. Takšni ioni namreč lahko delujejo kot donorji elektronov, kar je pomembno pri številnih reakcijah. Potreba encimov po različnih malih pomočnikih je osnovni razlog, zakaj živali, vključno z nami, potrebujejo elemente v sledovih in vitamine.

Razvrstitev

Encime je razvrstila Mednarodna zveza za biokemijo. Njena Komisija za encime je vse znane encime razvrstila v šest razredov:

1. Oksidoreduktaze: katalizirajo prenos elektronov
2. Transferaze: premik funkcionalne skupine z ene molekule na drugo
3. Hidrolaze: dodajajo -OH (hidroksilno) skupino
4. liaze: razcepijo kemijske vezi in pogosto dodajo dvojno vez ali strukturo obroča
5. Izomeraze: A -> B, kjer je B izomer A
6. Ligaze: združujejo dve veliki molekuli: Ab + C -> A-C + b

Posamezni encimi dobijo štirimestno številko, ki jih uvršča v podatkovno zbirko. ^p145

Razvrstitev

Encime je razvrstila Mednarodna zveza za biokemijo. Njena Komisija za encime je vse znane encime razvrstila v šest razredov:

1. Oksidoreduktaze: katalizirajo prenos elektronov
2. Transferaze: premik funkcionalne skupine z ene molekule na drugo
3. Hidrolaze: dodajajo -OH (hidroksilno) skupino
4. liaze: razcepijo kemijske vezi in pogosto dodajo dvojno vez ali strukturo obroča
5. Izomeraze: A -> B, kjer je B izomer A
6. Ligaze: združujejo dve veliki molekuli: Ab + C -> A-C + b

Posamezni encimi dobijo štirimestno številko, ki jih uvršča v podatkovno zbirko. ^p145

Uporaba encimov

Encimi se komercialno uporabljajo za:

• priprava hrane za dojenčke - predprebava hrane za dojenčke
• mehčanje sredic čokolade
• biološki pralni prašek, ki vsebuje encime proteaze za razgradnjo umazanije. Velike, netopne molekule razbije v majhne, topne molekule. Deluje pri nižji temperaturi, zato potrebuje manj energije (termostabilen).

Uporaba encimov

Encimi se komercialno uporabljajo za:

• priprava hrane za dojenčke - predprebava hrane za dojenčke
• mehčanje sredic čokolade
• biološki pralni prašek, ki vsebuje encime proteaze za razgradnjo umazanije. Velike, netopne molekule razbije v majhne, topne molekule. Deluje pri nižji temperaturi, zato potrebuje manj energije (termostabilen).

Sorodne strani

• Kinetika izbruha

Sorodne strani

• Kinetika izbruha