אנזימים ביוכימיה. מבנה, תכונות ופונקציות

בתא של כל אורגניזם חי, מיליוני תגובות כימיות מתרחשות. כל אחד מהם הוא בעל חשיבות רבה, ולכן חשוב לשמור על המהירות של תהליכים ביולוגיים ברמה גבוהה. כמעט כל תגובה הוא מזרז על ידי האנזים שלו. מה הם אנזימים? מה תפקידם בתא?

אנזימים. הגדרה

המונח "אנזים" מגיע מן התססה הלטינית - חזה. הם יכולים גם להיקרא אנזימים מן היין יוונית - "בשמרים."

אנזימים הם חומרים פעילים ביולוגית, ולכן כל תגובה המתרחשת בתא לא עושה בלי ההשתתפות שלהם. חומרים אלה פועלים כזרזים. לפיכך, לכל אנזים שני מאפיינים עיקריים:

1) אנזים מאיץ את התגובה הביוכימית, אבל זה לא נצרך.

2) גודל קבוע שיווי המשקל אינו משתנה, אך רק האצה של ערך זה מואצת.

אנזימים להאיץ תגובות ביוכימיות באלף, ובמקרים מסוימים מיליון פעמים. כלומר, בהיעדר מנגנון אנזימטי, כל התהליכים התוך-תאיים יפסיקו כמעט, והתא עצמו ימות. לכן, תפקידם של אנזימים כחומרים פעילים ביולוגית הוא גדול.

מגוון של אנזימים מאפשר מגוון דרכים כדי לווסת את חילוף החומרים של התא. בכל מפל של תגובות, אנזימים רבים של כיתות שונות להשתתף. זרזים ביולוגיים הם מאוד סלקטיבי עקב קונפורמציה מסוימת של המולקולה. כי אנזימים ברוב המקרים הם בעלי אופי חלבון, הם נמצאים במבנה שלישוני או רביעוני. זה מוסבר שוב על ידי הספציפיות של המולקולה.

פונקציות אנזימים בתא

המשימה העיקרית של האנזים היא ההאצה של התגובה המתאימה. כל מפל של תהליכים, מן הפירוק של מי חמצן כדי הגליקוליזה, דורש נוכחות של זרז ביולוגי.

עבודה נכונה של האנזימים מושגת על ידי סגוליות גבוהה למצע מסוים. משמעות הדבר היא כי הזרז יכול רק להאיץ תגובה ספציפית ולא יותר, אפילו מאוד דומה. לפי מידת הייחודיות, הקבוצות הבאות של אנזימים נבדלות:

1) אנזימים עם סגוליות מוחלטת, כאשר רק תגובה אחת הוא מזרז. לדוגמה, collagenase cleaves קולגן, ו maltase פיצול maltose.

2) אנזימים עם ספציפיות יחסית. אלה כוללים חומרים שיכולים לזרז סוג מסוים של תגובות, למשל, מחשוף הידרוליטי.

העבודה של biocatalyst מתחיל מרגע ההתקשרות של המרכז הפעיל שלה על המצע. כך הם מדברים על אינטראקציה משלימה כמו מנעול ומפתח. כאן אנו מציינים את צירוף המקרים המלא של צורת המרכז הפעיל עם המצע, מה שמאפשר להאיץ את התגובה.

השלב הבא מורכב במהלך התגובה עצמה. שיעורו עולה עקב הפעולה של מורכבות אנזימטית. בסופו של דבר, אנו מקבלים אנזים, אשר מזוהה עם מוצרים של התגובה.

השלב הסופי הוא ניתוק של מוצרי התגובה מן האנזים, ולאחר מכן מרכז פעיל שוב הופך להיות חופשי לעבודה הבאה.

באופן סכימטי, את העבודה של האנזים בכל שלב ניתן לכתוב כדלקמן:

1) S + E -> SE

2) SE -> SP

3) SP -> S + P, כאשר S הוא מצע, E הוא אנזים, ו- P הוא מוצר.

סיווג האנזימים

בגוף האדם, אתה יכול למצוא מספר עצום של אנזימים. כל הידע על הפונקציות שלהם ואת העבודה כבר מתודולוגיה, וכתוצאה מכך, סיווג אחד התפתחה, בזכותו קל לקבוע מה הזרז הוא. להלן 6 סוגים בסיסיים של אנזימים, כמו גם דוגמאות של כמה תת קבוצות.

1. חמצון חמצון.

אנזימים של מחלקה זו מזרזים את תגובות הפחתת החמצון. סך של 17 תת-קבוצות מובחנות. Oxidoreductases בדרך כלל יש חלק שאינו חלבון, המיוצגים על ידי ויטמין או heme.

בין oxidoreductases, את תת הקבוצות הבאות נמצאים לעתים קרובות:

א) dehydrogenases. ביוכימיה של אנזימים-dehydrogenases מורכב פיצול אטומי מימן והעברתם למצע אחר. תת-קבוצה זו נמצאת לרוב בתגובות של נשימה, פוטוסינתזה. ב dehydrogenases בהכרח קואנזים הנוכחי בצורה של NAD / NADP או flavoproteins FAD / FMN. יונים מתכת נמצאים לעתים קרובות. דוגמאות כוללות אנזימים כגון רדוקטאז ציטוכרום, deydrogenase deydrogenase, isocitrate dehydrogenase, כמו גם אנזימי כבד רבים (dehydrogenase lactate, גלוטמט dehydrogenase, וכו ').

ב) Oxidase. מספר אנזימים מזרזים את הוספת החמצן למימן, וכתוצאה מכך מוצרי התגובה יכולים להיות מים או מי חמצן (H ₂ 0, H ₂ 0 ₂ ). דוגמאות לאנזימים: ציטוכרום אוקסידאז, טירוזינאז.

ג) פרוקסידים וקטליזים - אנזימים המזרזים את הפירוק של H ₂ O ₂ לחמצן ולמים.

D) Oxygenases. אלה biocatalysts להאיץ את תוספת של חמצן על המצע. Dopaminhydroxylase הוא דוגמה אחת של אנזימים כאלה.

2. העברה.

משימת האנזימים של קבוצה זו היא העברת רדיקלים מחומר התורם לחומר המקבל.

א) Methyltransferases. DNA methyltransferases הם האנזימים העיקריים השולטים בתהליך שכפול הדנ"א. מתילציה של נוקליאוטידים ממלא תפקיד חשוב בוויסות הפעולה של החומצה הגרעינית.

ב) Acyltransferases. האנזימים של תת-קבוצה זו מעבירים את קבוצת ה- acyl ממולקולה אחת לאחרת. דוגמאות של acyltransferases: acoltransferase כולסטרול lecithin (העברת קבוצה תפקודית מחומצת שומן לכולסטרול), cholinacyltransferase lysophosphatidyl (קבוצת acyl מועבר lysophosphatidylcholine).

ג) Aminotransferases הם אנזימים המשתתפים ההמרה של חומצות אמינו. דוגמאות של אנזימים: alinine aminotransferase, אשר מזרז את הסינתזה של אלאנין מ pyruvate ו גלוטמט ידי העברת אמין.

D) Phosphotransferase. האנזימים של תת-קבוצה זו מזרזים תוספת של קבוצת פוספט. שם נוסף עבור phosphotransferases, קינאזות, הוא הרבה יותר נפוץ. דוגמאות הן אנזימים כגון hexokinases ו aspartate קינאזות כי לצרף זרחן שאריות hexoses (לרוב גלוקוז) ו aspartic חומצה, בהתאמה.

3. Hydrolases - סוג של אנזימים כי לזרז את המחשוף של אג"ח במולקולה עם תוספת של מים הבאים. חומרים המשתייכים לקבוצה זו הם אנזימים בסיסיים של עיכול.

א) אסתר - קרע של איגרות חוב שמימיות. דוגמה היא lipases, אשר לשבור fats.

ב) glycosidases. הביוכימיה של אנזימים של סדרה זו היא הרס של גליקוזידים קשרים של פולימרים (סוכרים ו oligosaccharides). דוגמאות: עמילאז, סוכרוז, מלטאז.

ג) פפטידים - אנזימים המזרזים את הרס החלבונים לחומצות אמינו. Peptidases כוללים אנזימים כגון pepsins, טריפסין, chymotrypsin, ו carboxypeptase.

D) אמידסס - לחדד amide אג"ח. דוגמאות: arginase, urease, glutaminase, וכו 'אנזימים רבים amidase להתרחש מחזור אורניתין.

4. Lyases - אנזימים, בדומה hydrolases, אבל המים לא לחשוף כאשר פרודות נשברות. אנזימים של המעמד הזה תמיד יש חלק שאינו חלבון, למשל, בצורה של ויטמינים B1 או B6.

א) Decarboxylase. אנזימים אלה פועלים על הקשר C-C. דוגמאות הן decarboxylase גלוטמט או decarboxylase pyruvate.

ב) Hydratases ו dehydratases הם אנזימים כי לזרז את התגובה של מחשוף של C-O אג"ח.

C) Amide-lyase - להרוס את הקשר C-N. דוגמה: arginine succinate lyase.

D) P-O lyase. אנזימים כאלה, ככלל, לקעץ את קבוצת פוספט מחומר המצע. דוגמה: adenylate cyclase.

ביוכימיה של אנזימים מבוססת על המבנה שלהם

היכולות של כל אנזים נקבעות על ידי יחיד, רק המבנה הטבוע בו. כל אנזים הוא, קודם כל, חלבון, ומבנהו ומידת הקיפול שלו ממלאים תפקיד מכריע בקביעת תפקודו.

כל biocatalyst מאופיין על ידי נוכחות של מרכז פעיל, אשר, בתורו, מחולק למספר תחומי תפקודית עצמאית:

1) המרכז הקטליטי הוא אזור מיוחד של החלבון שבאמצעותו האנזים מחובר למצע. בהתאם לקונפורמציה של מולקולת החלבון, המרכז הקטליטי יכול לקחת צורה מגוונת, אשר חייבת להתאים את המצע באותו אופן כמו המנעול אל המפתח. מבנה מורכב כזה מסביר כי החלבון האנזימטי נמצא במצב שלישוני או רביעוני.

2) מרכז ספיחה - משמש "מחזיק". כאן, קודם כל, יש קשר בין המולקולה של האנזים לבין המצע המולקולרי. עם זאת, הקשרים היוצרים את מרכז ספיחה חלשים מאוד, ולכן התגובה הקטליטית בשלב זה הפיך.

3) מרכזים Allosteric ניתן למצוא הן במרכז פעיל את כל השטח של האנזים כולו. תפקידם הוא להסדיר את עבודתו של האנזים. הרגולציה נעשית בעזרת מולקולות מעכבות ומולקולות activator.

חלבונים Activator, מחייב את מולקולת האנזים, להאיץ את עבודתה. מעכבים, לעומת זאת, מעכבים פעילות קטליטית, וזה יכול להתרחש בשתי דרכים: או שהמולקולה נקשרת למרכז האלוסטרי באתר הפעיל של האנזים (עיכוב תחרותי), או שהוא מצטרף לאזור חלבונים אחר (עיכוב לא תחרותי). עיכוב תחרותי נחשב יעיל יותר. אחרי הכל, זה סוגר את המקום עבור הכריכה של המצע לאנזים, ואת התהליך הזה אפשרי רק במקרה של צירוף כמעט מלא של הצורה של המולקולה של המעכב ואת האתר הפעיל.

האנזים מורכב לא רק מחומצות אמינו, אלא גם מחומרים אורגניים ואי-אורגניים אחרים. לפיכך, אפואנזים הוא מבודד - החלק חלבון, הקואנזים הוא החלק האורגני, ואת cofactor הוא החלק האורגני. קואנזים יכול להיות מיוצג על ידי כיבים, שומנים, חומצות גרעין, ויטמינים. בתורו, cofactor הוא בדרך כלל יונים מתכת עזר. פעילות האנזימים נקבעת על פי המבנה שלה: החומרים הנוספים המרכיבים את ההרכב משנים את התכונות הקטליטיות. מגוון סוגים של אנזימים הוא תוצאה של שילוב של כל הגורמים לעיל של היווצרות מורכבת.

תקנה של אנזימים

אנזימים כחומרים פעילים ביולוגית אינם תמיד נחוצים לגוף. הביוכימיה של אנזימים היא כזו שהם יכולים להזיק לתא חי במקרה של קטליזה מוגזמת. כדי למנוע את ההשפעות המזיקות של אנזימים על הגוף, יש צורך איכשהו לווסת את עבודתם.

בגלל אנזימים הם כמו חלבון, הם בקלות לשבור בטמפרטורות גבוהות. תהליך denaturation הוא הפיך, אבל זה יכול להשפיע באופן משמעותי על העבודה של חומרים.

PH גם משחק תפקיד גדול הרגולציה. הפעילות הגבוהה ביותר של אנזימים, ככלל, נצפתה בערכים pH נייטרלי (7.0-7.2). כמו כן ישנם אנזימים הפועלים רק במדיום חומצי או רק אלקליין. לכן, pH נמוך נשמר ליזיזומים התא, שבו הפעילות של אנזימים hydrolytic הוא מקסימלי. במקרה של כניסתם המקרית לציטופלסמה, שבה המדיום קרוב יותר לנייטרלי, הפעילות שלהם תפחת. הגנה זו מפני "התעללות עצמית" מבוססת על תכונות של hydrolases.

ראוי להזכיר את החשיבות של coenzyme ו cofactor בהרכב של אנזימים. נוכחות של ויטמינים או יונים מתכת משפיע באופן משמעותי על תפקודם של אנזימים ספציפיים מסוימים.

המינוח של אנזימים

כל האנזימים של הגוף נקראים, בהתאם לשייכותם לכל אחד מהשיעורים, וגם על המצע שבו הם מגיבים. לפעמים המינוח השיטתי אינו משתמש רק בשלב אחד אלא בשני מצעים.

דוגמאות לשמות של אנזימים מסוימים:

1. אנזימים של הכבד: חומצה לקטית, גלוטמט-דיהידרוגנאז.
2. השם המלא של האנזים הוא Lactate-NAD + -hydroxydoreductase.

שמות שמורים ושלישיים שאינם דבקים בכללי המינוח. דוגמאות הן אנזימי עיכול: טריפסין, כימוטריפסין, פפסין.

תהליך סינתזת האנזים

פונקציות האנזימים נקבעים ברמה הגנטית. בגלל המולקולה היא על פי רוב חלבון, ואז הסינתזה שלה בדיוק חוזר על תהליכי תעתיק ותרגום.

סינתזה של אנזימים מתרחשת על פי התוכנית הבאה. ראשית, מידע על האנזים הרצוי נקרא מן ה- DNA, וכתוצאה מכך היווצרות של mRNA. RNA מטריקס מקודד את כל חומצות האמינו המרכיבות את האנזים. רגולציה של אנזימים יכולה להתרחש ברמת הדנ"א: אם תוצר התגובה המזורזת מספיק, תעתיק הגן מפסיק ולהיפך, אם נוצר צורך במוצר, תהליך ההעתקה הופך לפעיל.

לאחר mRNA הוא שוחרר לתוך הציטופלסמה של התא, השלב הבא מתחיל - תרגום. על הריבוזומים של הרשת האנדופלסמית , שרשרת ראשונית מסונתזת, המורכבת מחומצות אמינו המקושרות על ידי קשרי פפטידים. עם זאת, מולקולת חלבון במבנה הראשוני עדיין לא יכול למלא את הפונקציות האנזימטיות שלו.

פעילות האנזימים תלויה במבנה החלבון. על EPS זהה, החלבון מעוות, וכתוצאה מכך היווצרות של מבנה משני ולאחר מכן מבנה שלישוני. סינתזה של כמה אנזימים מפסיק כבר בשלב זה, עם זאת, כדי להפעיל פעילות קטליטית, לעתים קרובות יש צורך לצרף coenzyme ו cofactor.

באזורים מסוימים של reticulum endoplasmic, מרכיבים אורגניים של האנזים מתווספים: מונוסכרידים, חומצות גרעין, שומנים, ויטמינים. אנזימים מסוימים לא יכולים לעבוד ללא נוכחות של קואנזים.

Cofactor משחק תפקיד מכריע היווצרות של המבנה הרבעוני של החלבון. פונקציות מסוימות של אנזימים זמינים רק כאשר החלבון מגיע לארגון מושלם. לכן, עבורם, מבנה רביעוני הוא מאוד חשוב, שבו יון המתכת היא החוליה המקשרת בין כמה כדורים של החלבון.

צורות רבות של אנזימים

ישנם מצבים שבהם יש צורך במספר אנזימים המזרזים את אותה תגובה, אך נבדלים זה מזה בכמה פרמטרים. לדוגמה, האנזים יכול לעבוד ב 20 מעלות, אבל ב 0 מעלות זה כבר לא יכול לבצע את תפקידיו. מה צריך אורגניזם חי לעשות במצב דומה בטמפרטורות נמוכות הסביבה?

בעיה זו נפתרת בקלות על ידי נוכחות של כמה אנזימים מזרז את אותה תגובה, אבל ההפעלה בתנאים שונים. ישנם שני סוגים של צורות רבות של אנזימים:

1. Isozymes. חלבונים אלה מקודדים על ידי גנים שונים, המורכבים מחומצות אמינו שונות, אך מזרזים את אותה תגובה.
2. צורות מרובות אמיתי. חלבונים אלה הם transcribed מאותו הגן, עם זאת, על הריבוזומים, הפפטידים הם שונה. בפלט, מספר צורות של האנזים אותו מתקבלים.

כתוצאה מכך, סוג ראשון של צורות מרובות נוצרת ברמה הגנטית, כאשר הסוג השני הוא שלאחר התרגום.

החשיבות של אנזימים

השימוש באנזימים ברפואה מצטמצם לייצור תרופות חדשות, שבהן החומרים כבר נמצאים בכמויות הנכונות. מדענים עדיין לא מצאו דרך לעורר את הסינתזה של אנזימים חסרים בגוף, אבל כיום סמים נמצאים בשימוש נרחב שיכול למלא זמנית את מחסור.

אנזימים שונים בתא לזרז מספר רב של תגובות הנוגעות לתחזוקת החיים. אחד הנציגים הללו enizmov nucleases קבוצה: endonuclease ו exonuclease. העבודה שלהם היא לשמור על רמה קבועה של חומצות גרעין בתא, הסרת DNA שניזוק ו- RNA.

אל תשכחו את תופעת קרישת דם. כצעד של הגנה אפקטיבי, התהליך נשלט על ידי מספר האנזימים. הראשי ביניהם הוא תרומבין, אשר ממירה פיברינוגן חלבון פעיל לתוך הפיברין פעיל. החוט שלה יוצר מעין הרשת חוסמת את אתר לכלי פציעה, ובכך למנוע אובדן דם מוגזם.

אנזימים משמשים יין, מתבשל, ייצור מוצרי חלב רבים. עבור אלכוהול החל בשמרים גלוקוז יכול לשמש, אולם, עבור מופע מוצלח של התהליך הזה ולחלץ מספיק מהם.

עובדות מעניינות על אשר אתה לא יודע

כל האנזימים של הגוף מסה עצומה - - 5000 עד 1,000,000 דא. זאת בשל נוכחותם של חלבון המולקולה. לשם השוואה, את המשקל המולקולרי של גלוקוז - 180 כן, ודו תחמוצת הפחמן - סך של 44 כן.

- נכון להיום, נפתחו יותר מ 2000 אנזימים הנמצאים בתאים של אורגניזמים שונים. עם זאת, רוב החומרים הללו הם עדיין לא מבינים עד הסוף.

- פעילות האנזים משמשת להשגת אבקות כביסה יעילות. הנה, אנזימים למלא את התפקיד כמו בגוף: הם נשברים חומר אורגני, ורכוש זה עוזר כתמי לחימה. מומלץ להשתמש בחומר ניקוי כזה בטמפרטורה של לא יותר מאשר 50 מעלות, אחרת זה עלול ללכת לתהליך denaturation.

- לפי הסטטיסטיקה, 20% מהאנשים סובלים ברחבי העולם מחוסר כלשהו של אנזימים.

- ניתן להשתמש על המאפיינים של אנזימים ידועים במשך זמן רב, אבל רק ב 1897, אנשים הבינו לא כי השמרים, ואת תמצית מהתאי שלהם עבור התסיסה של סוכר לתוך אלכוהול.