Enzim

Izvor: Wikipedia

Enzim (grč. en-u zyme = kvasac) je svaki protein sposoban da katalizira neku biohemijsku reakciju u živim organizmima. Reakcije koje se dešavaju u organizmu ne mogu uvek same de se finaliziraju. Tada im pomažu enzimi. Svaka biohemijska reakcija ima svoj specifični enzim, mada postoje i enzimi koji mogu katalizirati (pomoći, ubrzati) par reakcija više. Enzimi su prema reakcijama koje kataliziraju podeljeni u šest grupa i oni imaju svoju oznaku u međunarodno prihvaćenom indeksu. Za enzime se često upotrebljava i naziv fermenti.

Prisutnost enzima omogućuje komplicirane hemijske cikluse u organizmima uključujući i one koje organizmi koriste za metabolizam. Na primjer, pepsin i tripsin se koriste u procesu probave proteina.

Opis[uredi - уреди]

Kao i svi katalizatori enzimi funkcionišu tako što snižavaju aktivacionu energiju reakcije, i na taj način je ubrzavaju. Enzimi mogu da ubrzaju reakcije na nivou od po nekoliko miliona puta. Enzim, kao svaki katalizator, ostaje nepromenjen reakcijom na koju utiče i to mu omogućava da, kad se jedna reakcija završi, uključi u drugu, potpuno nepromenjen. Takođe enzimi ne utiču na relativnu energiju između reagenata i produkata, tako da ne utiču na ekvilibrijum reakcije. Međutim, ono što enzim odvaja od svih ostalih katalizatora je njihova specifičnost u pogledu stereohemije, hemijske selektivnosti i specifičnosti.

Osnovna ideja enzima je ta da se na enzim povežu molekuli reakcije na koju enzim deluje, stvori se kompleks sastavljen od enzima i molekula koji nije dugoročan, i iz tog kompleksa, odnosno te interakcije, imamo proizvod te rekacije, dok enzim ostaje potpuno nepromenjen reakcijom. Ovo je prikazano grafički:

Enzimi se takođe svakodnevno koriste u produktima kao što su deterdženti za sudove, veš, i razne druge kućne hemikalije.

Danas je poznato malo više od 5,000 enzima. Nomenklatura enzima nam pomaže pri imenovanju ovog velikog broja enzima, i po njoj enzimima se daje ime koje se završava sa -za, a prefiks je hemijska stupstanca koja transformiše, odnosno na koju enzim utiče. Na primer, enzima koji ima ulogu u DNK replikaciji i koji vrši reakciju polimerizacije molekula DNK se naziva DNK polimeraza.

Termin enzim je poreklom iz grčkog jezika ένζυμο i znači zakiseliti. Krajem 1700 i početkom 1800, naučnici su primetili reakcije koje nastaju varenjem mesa pomoću žučnih kiselina i reakcije koje prate konverzaciju dekstrina u šećer.

Proučavanjem fermentacije šećera u alkohol pomoću kvasca, Luj Paster je došao do zaključka da je fermentacija moguća usled postojanja fermenata u kvascu, za koje je mislio da su prisutne samo u živim organizmima.

1897 Hans i Eduard Buhner su koristili ekstrakte kvasca kako bi fermentisali šećer bez prisustva živih ćelija kvasca. Oni su bili zainteresovani u pravljenje ekstrakata kvasca u medicinske svrhe, i jedan od načina čuvanja, je bio dodavanje velike količine šećera u ekstrakte. Na njihovo iznenađenje, otkrili su da je šećer fermentisan, iako u celoj smesi nije bilo prisutnih živih ćelija kvasca. Termin enzim je korišćen tad prvi put i opisuje supstancu u ekstraktu kvasca koji je doveo do fermentacije šećera.

Dugo se smatralo da su svi enzimi po hemijskom sastavu proteini. Međutim, kao što u biohemiji često biva, imamo izuzetak u vidu nekoliko vrsta ribonukleinskih kiselina (RNK) koje se specifično nazivaju ribozimi. Smatra se da su RNK verovatno bile i prvi katalizatori u evoluciji žive materije.

Što se proteinskih enzima tiče, a oni čine veliku većinu enzima u ljudskom telu, njihova fukncija je kao i kod drugih proteina, određena strukturom. Enzim može biti:

Monomeričan, što znači da sadrži samo jedan polipeptidni lanac, obično od sto ili više amino kiselina Oligomeričan, odnosno sadrži veći broj polipeptidnih lanaca, koji mogu biti ili identični ili da se razlikuju, ali koji funkcioniču zajedno kao jedna jedinica. Kao i svaki protein, monomer je jedan dugačak linearan lanac amino kiselina, koji se savija i povija na određeni način i za produkat ima trodimenzionalnu strukturu.

Većina enzima su obično veći molekuli od onih molekula na koje deluju, i svega desetak amino kiselina enzima dođe u direktan kontakt sa molekulom koji biva transformisan. Region u kojem dolazi do tog direktnog kontakta enzima i molekula se naziva Aktivni region. Veći broj enzima takođe ima dodatne regione za kofaktore koji su potrebni pri katalizaciji reakcije. Kontakti između molekula na koji se deluje i postojećih kofaktora ubrzava ili usporava aktivnost enzima po potrebi.

Enzimi su uglavnom veoma specifični kad su u pitanju reakcije koje upotrebljavaju sa molekulima na koje deluju. Oblik, forma, struktura, naelektrisanje, hidrofilni i hidrofobni karakter enzima kao i molekula utiču na ovu specifičnost.

Najuočljivija karakteristika enzima je njihova specifičnost. Emil Fišer je 1890 godine konstatovao da je ova hipoteza korektna usled specifičnosti oblika enzima i molekula na koje oni deluju. Svaki molekul na koji određeni enzim utiče, ima tačno određeni oblik, pomoću kojeg se molekule poveže na tačno određeni enzim. Na primer, ako je molekul na koji enzim utiče u obliku kocke, a sam enzim ima region u obliku trougla na koji molekul treba da se nadoveže, do povezivanja neće doći, jer u tom slučaju enzim nije korektan za taj molekul. Ova hipoteza se zato i naziva hipoteza ključa i brave, jer je svaki ključ specifičan za svaku bravu koju otključava. Ovaj model je danas u velikoj meri napušten zbog rigidnosti s kojom posmatra enzim i supstrat, kao i usled nemogućnosti da se njime objasne alosterizacija i enzimska kooperativnost.

1958 Daniel Košland je predložio modifikaciju hipoteze Ključ i brava koja je nazvana hipoteza Indukovanog prilagođavanja (eng. Induced-Fit-Model). Enzimi su veoma fleksibilne strukture. Atkivni region enzima može biti modifikovan kako bi došlo do interakcije molekula i enzima. Lanci amino kiselina se mogu preklapati na taj način koji bi odgovarao enzimu, kako bi došlo do interakcije, i na taj način enzim mogao da izvrši svoju katalitičku funkciju. U veoma retkim slučajevima, molekuli pri ulasku u Aktivni region mogu da se prilagode enzimu, kako bi došlo do interakcije enzima i molekula. Analogija slična ovoj je na primer kada oblačimo rukavicu, i kako se rukavica prilagođava našoj ruci, kako bi se savršeno prilagodila ruci.

Neki enzimi su kao samostalne jedinice same sebi dovoljne da bi bile potpuno aktivne, tj. ne trebaju dodatni faktori da bi se ta aktivnost postigla. Međutim, nekim enzimima su potrebni molekuli koji bi pomogli pri aktiviranju enzima, i ti molekuli se zove kofaktori. Kofaktori mogu biti neorganskog porekla, kao na primer joni metala, ili mogu da imaju organsko poreklo, i kao takvi se nazivaju koenzimi. Enzimi kojima su potrebni kofaktori, a trenutno ih nemaju se nazivaju apoenzimi. Enzim koji je povezan sa svojim kofaktorom, naziva se holoenzim, i taj oblik predstavlja aktivni oblik enzima. Većina kofaktora nije kovalentno povezana sa enzimima, ali ima i onih koji su kovalentnim vezama povezani za enzim, i kao takvi, kofaktori se nazivaju prostetska grupa npr. kofaktor heme je povezanim kovalentnom vezom za hemoglobin.

Većina kofaktora su ili regenerisani ili hemijski nepromenjeni tokom i posle reakcije u kojoj učestvuju. Veliki broj kofaktora su derivati vitamina i služe kao transportna tela za transport elektrona, atoma ili funkcionalnih grupa, od enzima ka molekulu. Najčešći primeri su NAD i NADP, koji su transportna tela za elektrone, i Koenzim A, koji je transportno telo za acetilnu grupu.

Godine 1913. Leonor Mikelis i Maud Menten su predstavili kvantitativnu teoriju kinetike enzima, koja je danas poznata pod imenom Mikelis-Mentenina teorija kinetike. Njihov rad je dalje usavršio G.E.Brigs i Dž.B.S.Halden, koji su razradili veliki broj kinetičkih jednačina koje se i danas koriste.

Enzimi mogu da izvedu i do nekoliko miliona rekacije u jednoj sekundi. Da bi se utvrdila maksimalna brzina reakcije, koncentracija molekula na koji enzim deluje se uvećava sve dok se ne dostigne konstantna rata proizvodnje, odnosno formacije hemijskih produkata. Ovo je maksimalna brzina enzima Vmax. U ovom koraku, svi regioni enzima su u interakciji sa molekulom, odnosno velikim brojem istih molekula na koje enzim deluje. Vmax je jedna od kinetičkih parametara za koji su biohemičari zainteresovani. Takođe od interesa je rata, odnosno stopa reakcije, a to je određeno količinom molekula na koji enzima deluje. Ovaj parametar, koncentracija molekula se označava Mikelis-Menten konstantom Km), i ta konstanta predstavlja koncentraciju molekula kako bi enzim dostigao polovinu svoje maksimalne brzine. Svaki enzim ima karakterističnu konstantu Km za dati, odnosno određeni molekul.

Efikasnost enzima može biti predstavljena kcat/Km. Parametar kcat se takođe naziva proizvodni broj, koji uzima u obzir sve korake reakcije, i količnik je Vmax kao i krajnje sveukupne koncentracije enzima. kcat/Km je koristan parametar pri komparaciji, odnosno upoređivanju jednog enzima naspram drugog, ili jednog enzima naspram svog molekula, jer se uzimaju ou obzir i afinitet kao katalitička sposobnost. Teorijski maksimum za kcat/Km ze naziva difuzijski limit, tj. ograničenje reasprostranjenosti, i ono je između 108 to 109 (M-1 s-1). U ovom koraku, tj. u ovom momentu, svaki sudar, tj. svaki kontakt enzima sa svojim molekulom će imati za rezultat katalizu i brzina formiranja produkata nije ograničena brzinom reakcije, već ograničenjem rasprostranjenosti, tj. difuzijskim limitom. Enzimi koji dostignu kcat/Km vrednost se nazivaju katalitički savršenim ili kinetički savršenim. Primeri takvih enzima su trio-fosfatna izomeraza, ugljenikova anhidraza, fumaraza, acetilholinesteraza (videti kompjutersku grafikz ovog enzima na početku ovog članka).

Kao sa svim katalizatorima, sve reakcije na koje utiče enzim, tj. koje su katalizatorskog tipa, moraju biti spontante, odnosno vrednost Gibsove slobodne energije mora biti negativna. Bez enzima reakcije se kreću u ustom pravcu kao i sa enzimom, ali mnogo manjom brzinom, gde dolazi uloga enzima, a to je ubrzanje brzine reakcije. Međutim, nekatalizirane spontane reakcije mogu dovesti do drugačijih produkata od kataliziranih reakcija, tj. od reakcija u kojima su prisutni enzimi. Takođe enzimi mogu da utiču na više reakcija istrovremeno, tako da ona reakcija koja je sa termodinamičke tačke gledišta bolja, tj. ima veće šanse da bude realizovana, može da povuče sa sobom onu reakciju koja nije, i na taj način obe reakcije su realizovane. Na primer, cepanje jedinjenja koje poseduje veoma veliku energiju ATP (Adenozin-tri-fosfat) je sa termodinamičke tačke gledišta uspešna reakcija, i ona zauzvrat pomaže reakcijiama koje nisu, a na koje istovremeno deluje isti enzim kao i na cepanje ATP reakcije.

Enzimi katalizuju reakcije u oba smera jednako. Enzimi nikad ne menjaju ekvilibrijum reakcije, već samo brzinu koja dovodi do stvaranja tog ekvilibrijuma, tj. ravnoteže.

Različiti molekuli mogu da utiču na aktivnost enzima - reakcija u kojoj učestvuje enzim može biti onemogućena, ili brzina reakcije može biti smanjena inhibicijom. Postoji nekoliko vrsta inhibicija enzimatskih reakcija:

konkurentna inhibicija, nekonkurentna inhibicija, parcijalna inhibicija, izmešana inhibicija.

Prema konvenciji, ime enzima se sastoji od naziva radnje koju obavlja, i sufiksa -aza. Na primer, imamo enzim koji se zove DNK polimeraza. Iz ovoga možemo da zaključimo da enzim vrši polimerizaciju DNK molekula, i enzim se završava sa sufiksom -aza. Drugi primer, imamo enzim Alkohol dehidrogenaza, za kojeg možemo da zaključimo da vrši dehidrogenizaciju alkohola i enzim se opet završava sa -aza.

Kinaze su enzimi koji učestvuju u transferu fosfatnih grupa. U ovom slučaju takvih enzima ima jako puno, što bi dovelo do konfuzije jer bi se pojavilo puno enzima za istom funkcijom. U ovom slučaju, pored gore navedenih primera davanja imena, dodaju su karakteristike specifične za dati enzim, kao na primer optimalna pH vrednost (primer ovakvog enzima je enzim Alkalna fosfataza).

Međunarodna Unija Biohemije i Molekularne Biologije je razvila nomenklaturu po kojoj se enzimi nazivaju. Svaki enzim sadrži u imenu (latinica ES broj) EC broj (komisacioni broj enzima, ili na engleskom Enzyme Commission number)i red od četiri broja. Radi objašnjavanja svi pojmovi u davanju imena enzima će u daljem tekstu biti pisana latinicom po pravilu nomenklature.