Upload
buggy1717
View
822
Download
2
Embed Size (px)
Citation preview
1. Uvod Enzimi ili biokatalizatori su tvari bez se čije aktivnosti većina kemijskih reakcija u
biološkom sustavu ne bi odvijala, ili bi bila toliko spora da se ne bi mogle dogoditi u
uvjetima u kojima se odvija život. Nekim enzimima su za aktivnost potrebni i
koenzimi te su zbog toga i oni izuzetno važni za sva živa bića. Munjevit napredak
biokemijske znanosti u prošlom stoljeću omogućio je bolje razumijevanje uloge
enzima u svim životnim procesima i proizvodnji najrazličitijih vrsta proizvoda.
Rezultat toga je industrijska proizvodnja i široka primjena enzima za kataliziranje
mnogih industrijskih i medicinskih postupaka. Nova postignuća genetskog
inženjeringa, izolacije i stabilizacije enzima doprinijeli su daljem širenju mogućnosti
njihove primjene. Upravo zbog te važnosti ova tema je jako zanimljiva, a najvažnije
stvari koje ću pokazati u ovom seminarskom radu su: kako enzimi i koenzimi djeluju,
kakva je njihova građa, kemijski sastav, funkcija.
1
2. EnzimiEnzimi su biološki katalizatori, tj. mogu utjecati na brzinu kemijske reakcije, a u njima
ne sudjeluju. Kao i svi katalizatori, funkcioniraju na način da snižavaju energiju
aktivacije (energija koju je potrebno dovesti molekulama da međusobno reagiraju)
pojedine reakcije, te je na taj način ubrzavaju, i do nekoliko milijuna puta. (Sl. 1.)
Sl. 1. Prikaz kako enzimi snižavaju energiju aktivacije
2.1. Kemijski sastav enzima
Enzimi su proteini tercijarne ili kvarterne strukture koji na površini imaju većinu
polarnih aminokiselinskih ostataka, dok su nepolarni ostaci okrenuti prema
unutrašnjosti molekule. Dugo se smatralo da su svi enzimi po kemijskom sastavu
proteini. Međutim, kao što u biokemiji često biva, imamo izuzetke u vidu nekoliko
vrsta ribonukleinskih kiselina (RNK) koje se specifično nazivaju ribozimi. Smatra se
da su RNK vjerojatno bile i prvi katalizatori u evoluciji žive tvari. Enzimi su
biokatalizatori koji djeluju na procese u stanici, a sudjeluju i u izmjeni energije između
stanice i njezine okoline. Brojene enzime izgrađuje sam organizam, a kada obave
svoju funkciju, organizam ih razgradi. Enzimi su bitni za razgradnju hrane koju
unosimo u organizam, npr. razgrađuju škrob do glukoze, proteine do aminokiselina.
2
2.2. Podjela i nazivi enzima
Enzime se dijele prema vrsti reakcije koju kataliziraju, a postoji 6 osnovnih skupina
koje se dijele na podskupine. (Sl. 2.) Naziv enzima određuje se prema supstratu i
reakciji koju katalizira, uz sufiks-aza.(ATPaza : razgrađuje ATP; ATP sintaza :
sintetizira ATP)
Sl. 2. Osnovne skupine enzima
NAZIV VRSTA REAKCIJE
1. oksidoreduktaze • oksidacija-redukcija
2. transferaze • prijenos skupina
3. hidrolaze reakcije hidrolize (prijenos
funkcionalne skupine na vodu)
4. liaze • adicija ili eliminacija skupina
radi stvaranja dvostruke veze
5. izomeraze • izomerizacija (intramolekulski
prijenos skupina)
6. ligaze • vezanje dvaju supstrata na
teret hidrolize ATP
2.3. Građa enzima
Enzimska funkcija je, kao i kod svih proteina, određena strukturom. Enzim može biti:
Monomeran - sadrži samo jedan polipeptidni lanac, obično od sto ili više
aminokiselina
Oligomeran - sadrži veći broj polipeptidnih lanaca, koji mogu biti jednaki ili se
razlikovati, bez obzira funkcionirajući zajedno kao cjelina
Monomer je dugačak linearni lanac aminokiselina, koji se uvija na određeni način i
rezultira stvaranjem trodimenzionalne strukture.
3
Svaka molekula enzima ima jedan mali dio koji je sposoban vezati molekule
supstrata. Taj dio enzima zove se aktivno mjesto. Aktivno mjesto u strukturi proteina
je mjesto u koje ulazi odgovarajući dio molekule supstrata. Većina enzima je veći od
molekula na koje djeluju, i svega desetak aminokiselina enzima dođe u direktan
kontakt s molekulom koja biva transformirana. Enzim nastoji usmjeriti molekulu
supstrata tako da skupina koja će reagirati smjesti u najpovoljniji položaj i na taj način
ubrza reakciju. Enzim i supstrat se privlače zbog svojih polarnih ili ionskih skupina.
Ovisno o prirodi enzima i supstrata, supstrat se na aktivno mjesto može vezati
vodikovim vezama, ionskim i van der Waalsovim silama.
2.4. Specifičnost i mehanizam djelovanja enzima
Enzimi su uglavnom vrlo specifični kad su u pitanju reakcije koje koriste u dodiru s
molekulama na koje djeluju, na što prvenstveno utječe njihov oblik, struktura,
nabijenost, hidrofilna i hidrofobna svojstva. Najčešće enzimi kataliziraju samo jednu
reakciju ili vrlo mali broj reakcija. Iz reakcije izlaze nepromijenjeni, a nastali produktu
se razlikuju od supstrata. Zbog toga isti enzimi ne mogu katalizirati reakciju u
suprotnom smjeru.
2.4.1. Hipoteza ključ-brava
Najuočljivija karakteristika enzima je njihova specifičnost. Emil Fischer je 1890.
godine konstatirao da je ova hipoteza korektna uslijed specifičnosti oblika enzima i
molekula na koje oni djeluju. Svaka molekula na koju određeni enzim utječe, ima
točno određeni oblik, pomoću kojeg se molekula poveže na baš taj enzim. Oblik
aktivnog mjesta je upravo takav da u njega dobro pristaje molekula supstrata i
nastaje kompleks enzim-supstrat. (Sl. 3.) Na primjer, ako je molekula na koju enzim
utječe u obliku kocke, a sam enzim ima dio u obliku trokuta na koji bi se molekula
trebala nadovezati, do povezivanja neće doći, jer u tom slučaju enzim nije namijenjen
za tu molekulu. Ova hipoteza se zato i naziva hipoteza „Ključ i brava“, jer je svaki
ključ specifičan za svaku bravu koju otključava.
4
Sl. 3. Djelovanje enzima stvaranjem kompleksa enzim-supstrat
2.4.2. Hipoteza pobuđene prilagodbe
Godine 1958. Daniel Koshland je predložio modifikaciju hipoteze „Ključ brava“ koja je
nazvana hipoteza „Induciranog prilagođavanja“ (eng. Induced-Fit-Model). Enzimi su
vrlo fleksibilne strukture. Aktivni dio enzima može biti modificiran kako bi došlo do
interakcije molekula i enzima. Lanci aminokiselina se mogu preklapati na taj način
koji bi odgovarao enzimu, kako bi došlo do interakcije, i na taj način enzim mogao
izvršiti svoju katalitičku funkciju. U jako rijetkim slučajevima, molekula se pri ulasku u
aktivni dio može prilagoditi enzimu, kako bi došlo do interakcije enzima i molekule.
2.5. Vanjski čimbenici koji utječu na djelovanje enzima
Enzimi su, kao proteini, vrlo osjetljivi na vanjske čimbenike. Na njihovu aktivnost
utječu: temperatura, pH-vrijednost sredine (Sl. 4.) , koncentracija enzima i supstrata i
dr. Pri nižim temperaturama aktivnost im se smanjuje, a pri višim denaturiraju..
Povišenjem temperature raste brzina enzimskih reakcija dok se ne postigne
temperatura denaturiranja. Enzimi su katalitički aktivni unutar određenog pH-
područja. Tako npr. enzim pepsin, koji katalizira hidrolizu proteina u želucu, najbolje
djeluje pri pH = 2, a enzim kimotripsin u tankom crijevu najbolje djeluje pri pH = 8.
Povećanjem koncentracije supstrata također se povećava brzina enzimske reakcije.
(Sl. 5.)
5
Sl. 4. Idelalna pH vrijednost za neke enzime
Sl. 5. Uticaj koncentracije supstrata na brzinu enzimske reakcije.
(V — maksimalna i v = početna brzina; A = početak reakcije, B = poluzasićenje,
C = zasićenje enzima supstratom)
Enzimi pH optimum
Lipaze (gušterača) 8,0
Pepsin 1,5 – 1,6
Tripsin 7,8 – 8,7
Ureaze 7,0
Amilaze (gušterača) 6,7 – 7,0
Maltoza 6,1 – 6,8
Kataloza 7,0
6
3. Inhibitori i aktivatoriPostoje tvari koje pozitivno, kao aktivatori, ili negativno, kao inhibitori, utječu na
aktivnost pojedinih enzima.
3.1. Inhibitori
Inhibitori su male molekule ili ioni koji ometaju aktivnost pojedinih enzima i tako
utječu na njihovu ulogu u organizmu. Dijelimo ih na ireverzibilne i reverzibilne.
Ireverzibilni inhibitori se kovalentno vežu za aktivno mjesto enzima.
Reverzibilni inhibitori se vežu slabim vezama na aktivno mjesto.
Razlikujemo još konkurentne (kompeticijske) i nekonkurentne (nekompeticijske)
inhibitore. (Sl. 6.)
Konkurentni inhibitori se zovu tako zbog toga što se „natječu“ sa supstratom za
vezivanje na aktivno mjesto, dok se nekonkurentni vežu bilo gdje na molekulu
enzima i time narušavaju njegovu nativnu konformaciju. To ometa vezivanje
supstrata na aktivno mjesto.
Sl. 6. Razlika između konkurentnog i nekonkurentnog inhibitora
3.2. Aktivatori
Neki enzimi su kao samostalne jedinice same sebi dovoljne da bi bile potpuno
aktivne, tj. nisu potrebni dodatni faktori da bi se ta aktivnost postigla. Međutim, nekim
enzimima su potrebne molekule koje bi pomogle pri aktiviranju enzima. Aktivatori su
7
tvari koje aktiviraju jedan ili više enzima. (npr. kationi su aktivatori za pojedine
enzime)
4. KoenzimiIako su aktivatori i koenzimi, svrstala sam ih u posebnu kategoriju zbog lakše
sistematizacije i razumljivosti. Koenzimi su male organske neproteinske čestice
vezane za enzim jačim ili slabijim vezama. Oni se hranom unose u organnizam,
primjerice neki vitamini. (Sl. 7.) Mnoge katalitičke sposobnosti enzima ovise o
koenzimima, iako njihova precizna uloga varira u ovisnosti o kofaktoru i enzimu.
Enzim bez kofaktora se naziva apoenzim, a kompletan, katalitički aktivan enzim je
holoenzim. Njihov međusobni odnos možemo prikazati ovako:
Koenzim + apoenzim <------> holoenzim
Apoenzim je proteinski dio enzima, ali nema katalitičku aktivnost jer nije u povoljnoj
konformaciji.
Koenzimi su važni jer svojim vezanjem za apoenzim mijenjaju njegovu konformaciju
te tako nastaje katalitički aktivan enzim, odnosno holoenzim. Koenzim se može
nalaziti u aktivnom mjestu enzima te je zbog toga esencijalan za katalitičku aktivnost,
ili se može nalaziti negdje pokraj aktivnog mjesta ili nešto udaljenije. Samo je bitno
da sa svojim vezanjem uzrokuje promjenu konformacije proteinskog dijela enzima, a
samim time pretvara 'neaktivno' aktivno mjesto enzima u aktivno, odnosno sposobno
za primanje supstrata i pretvaranje u produkt. S obzirom na način povezivanja s
enzimom koenzime dijelimo na prostetske skupine (još se zovu i aktivne grupe) i
kosupstrate (koenzimi u užem smislu).
8
Sl. 7. Struktura vitamina B12 koji ima enzimsko djelovanje
4.1. Prostetske skupine
Prostetske skupine su jakim nekovalentnim ili čak kovalentnim vezama vezane za
enzim. Tijekom katalitičkog procesa na enzimu one se mijenjaju, a vraćaju se u
prvobitno stanje sekundarnim reakcijama. Za njih je važno da tijekom cijelog
razdoblja dok je enzim katalitički aktivan, one ostaju vezane uz njega. Odnosno,
koliko imamo aktivnih enzima u nekom procesu, toliko imamo i prostetskih skupina
koje su vezane za njih.
4.2. Kosupstrati
Kosupstrati, samo im ime kaže, reagiraju slično kao supstrati. Njihov način djelovanja
je da se skupa sa supstratom vežu za aktivno mjesto enzima i tamo predaju
supstratu ili od njega uzimaju elektrone, vodikove ione, fosfatne skupine ili nešto
drugo. Na reakcije kosupstrata možemo gledati ovako:
Kosupstrat + supstrat <----> izmijenjeni kosupstrat + produkt
To bi značilo da kosupstrat djeluje kao drugi supstrat i u nekatalitičkoj reakciji sa
supstratom izmjenjuje fosfatnu, metilnu ili neku drugu skupinu (ovisno o specifičnoj
reakciji koja se događa). Uloga enzima je snižavanje energije aktivacije kako bi se ta
reakcija mogla provesti u organizmu, a način na koji to enzim izvodi je vezanje
supstrata i kosupstrata na aktivno mjesto gdje se, zbog određene konformacije
aktivnog mjesta, olakšava i energetski preferira stvaranje/pucanje točno određene
9
veze. Ono što je važno za kosupstrate je to da reagiraju sa supstratima u
stehiometrijskim odnosima, tj. koliko supstrata izreagira, toliko mora izreagirati i
kosupstrata.
4.2.1. Što se događa s izmjenjenim kosupstratom?
Na primjer, naš kosupstrat je reagirao sa supstratom tako da je od njega primio
fosfatnu skupinu. Tako izmijenjen više ne može reagirati s istim enzimom u ovoj
reakciji dok god se ne riješi te fosfatne skupine. Zato će naš kosupstrat otići do
nekog drugog enzima i odgovarajućeg drugog supstara kojemu njegov enzim treba
dodati jednu fosfatnu skupinu. I onda naš kosupstrat sudjeluje u toj drugoj reakciji
predajući fosfatnu skupinu i vraćajući se u svoje prvobitno stanje. Sad se ponovo
može vratiti na onaj prvi enzim i reagirati s njegovim supstratom primajući od njega
fosfatnu skupinu.
Kosupstrati ne kruže isključivo između dva enzima primajući i dajući određenu
skupinu koju prenose, nego mogu ići između bilo kojih drugih enzima kojima je
potrebna ta skupina koju određeni kosupstrat prenosi. Kako su veze kojima se
kosupstrati povezuju sa skupinama koje prenose bogate energijom, zovemo ih još i
'prijenosni metaboliti', a njihova se ukupna količina u stanici stalno kontrolira.
4.3. Podjela koenzima
S obzirom na skupinu koju koenzimi prenose dijelimo ih na:
koenzimi prijenosnici vodika (=oksidoreduktaze)
koenzimi prijenosnici grupa
koenzimi za prijenos C1 jedinica
koenzimi izomeraza i liaza
10
5. SažetakEnzimi su globularni proteini koji kataliziraju reakcije u organizmu i sudjeluju u izmjeni
energije između stanice i njezine okoline. Mogu biti monomerni ili oligomerni, ovisno
o broju polipeptidnih lanaca od kojih su građeni. Visokospecifični su,i to po tipu
reakcije koju kataliziraju kao i prema supstratu. Prema vrsti reakcija koje kataliziraju
dijele se na 6 osnovnih skupina: oksidoreduktaze, transferaze, hidrolaze, liaze,
izomeraze i ligaze. Specifičnost za supstrat je uglavnom vrlo visoka a u nekim
slučajevima potpuna (apsolutna), što se osigurava komplementarnošću konformacije
aktivnog mjesta i oblika molekule supstrata (model „ključ-brava“ i modificirani model
„Inducirana prilagodba““). Enzimi iz reakcija izlaze nepromijenjeni. Razne stvari
utječu na djelovanje enzima, a neke od njih su: temperatura, pH-vrijednost sredine,
koncentracija enzima i supstrata. Također postoje tvari koje pozitivno, kao aktivatori,
ili negativno, kao inhibitori, utječu na aktivnost pojedinih enzima. Nekim enzimima su
za aktivnost potrebni i koenzimi. Koenzimi su male organske neproteinske čestice
vezane za enzim jačim ili slabijim vezama. Mnogi se koenzimi kemijski mijenjaju
tijekom reakcije, no nakon reakcije ih neki drugi enzimski sustav vraća u prvobitni
oblik. S obzirom na način povezivanja s enzimom koenzime dijelimo na prostetske
skupine i kosupstrate.
11
6. Popis literature1.Stričević, D.; Sever, B. (2006). Temelji organske kemije, Profil, Zagreb, str. 140.-150..
2. URL:http://en.wikipedia.org/wiki/Enzyme
3. URL:http://en.wikipedia.org/wiki/Coenzyme
4. URL: http://www.hzjz.hr/zdr_ekologija/priopcenja/enzimi/index.htm
5. Bogut I.; Đumlija, S.; Lukačević, K.; Marceljak, M. (2008). Biologija 1, Alfa, Zagreb, str.
72.-77.
12