Główna zawartość
Kurs: Biologia - program rozszerzony > Rozdział 3
Lekcja 1: Struktura enzymu i kataliza enzymatycznaEnzymy i centra aktywne
Enzymy jako katalizatory biologiczne, energia aktywacji, centra aktywne i wpływ środowiska na aktywność enzymu. Tłumaczenie na język polski: fundacja Edukacja dla Przyszłości, dzięki wsparciu Fundacji HASCO-LEK
Wprowadzenie
Jako dziecko nosiłem okulary i rozpaczliwie pragnąłem pary soczewek kontaktowych. Kiedy w końcu pozwolono mi kupić soczewki kontaktowe, zawarłem umowę, która polegała na tym, że musiałem bardzo, bardzo dobrze się nimi opiekować, co oznaczało codzienne mycie ich środkiem czyszczącym, przechowywanie ich w sterylnym roztworze oraz raz w tygodniu używanie kilku kropel czegoś, co nazywa się „enzymatycznym środkiem czyszczącym”.
Nie wiedziałem dokładnie, co oznaczał „enzymatyczny środek czyszczący”, ale dowiedziałem się, że jeśli zapomniałeś, że go dodałeś i przypadkowo włożyłeś swoje soczewki do oczu bez ich mycia, miałeś piekące oczy przez dobre piętnaście minut.
Jak się później dowiedziałem, słowo „enzymatyczny” oznaczało, że środek czyszczący zawierał jeden lub więcej enzymów, białek, które katalizowały określone reakcje chemiczne - w tym przypadku reakcje, które rozkładały film z błonek oka, który gromadził się na moich soczewkach kontaktowych po tygodniu użytkowania. (Przypuszczalnie powodem, dla którego czułem pieczenie, gdy włożyłem do oczu soczewki przepłukane enzymatycznym środkiem czyszczącym, było to, że enzymy również chętnie rozkładały błonki na moim oku.) W tym artykule przyjrzymy się dokładniej temu, czym jest enzym i jak katalizuje określoną reakcję chemiczną.
Enzymy i energia aktywacji
Substancja, która przyspiesza reakcję chemiczną - nie będąc reagentem - nazywa się katalizatorem. Katalizatory reakcji biochemicznych zachodzących w organizmach żywych nazywane są enzymami. Enzymy są zazwyczaj białkami, chociaż niektóre cząsteczki kwasu rybonukleinowego (RNA) działają również jako enzymy.
Enzymy wykonują istotne zadanie obniżenia energii aktywacji reakcji - czyli ilości energii, która musi zostać dostarczona, aby reakcja mogła się rozpocząć. Enzymy działają poprzez wiązanie się z cząsteczkami substratów i utrzymywanie ich w taki sposób, że procesy rozbijania wiązań chemicznych i tworzenia nowych wiązań zachodzą łatwiej.
Należy wyjaśnić jedną ważną kwestię: enzymy nie zmieniają wartości ∆G reakcji. Oznacza to, że nie zmieniają, czy reakcja uwalnia energię, czy też pochłania energię. Dzieje się tak dlatego, że enzymy nie wpływają na energię swobodną substratów czy produktów.
Zamiast tego enzymy obniżają energię stanu przejściowego, czyli niestabilnego stanu, przez który substraty muszą przejść, aby stać się produktami. Stan przejściowy znajduje się na szczycie „wzgórza” energii na powyższym schemacie.
Centra aktywne i specyficzność substratowa
Aby katalizować reakcję, enzym chwyta (wiąże się) z jedną lub większą liczbą cząsteczek substratów. Cząsteczki te są substratami enzymu.
W niektórych reakcjach jeden substrat jest rozbijany na wiele produktów. W innych, dwa substraty łączą się, aby utworzyć jedną większą cząsteczkę lub zamienić się częściami. W rzeczywistości, niezależnie od rodzaju reakcji biologicznej, o której myślisz, prawdopodobnie istnieje enzym, który ją przyspieszy!
Część enzymu, z którą wiąże się substrat, nazywana jest centrum aktywnym (ponieważ zachodzi tam „akcja” katalityczna).
Białka składają się z jednostek zwanych aminokwasami, dlatego w enzymach, które są białkami, centrum aktywne zawdzięcza swoje właściwości aminokwasom, z których jest zbudowane. Aminokwasy te mogą mieć łańcuchy boczne, które są duże lub małe, kwasowe lub zasadowe, hydrofilowe lub hydrofobowe.
Zestaw aminokwasów znajdujących się w centrum aktywnym, wraz z ich pozycjami w przestrzeni 3D, nadaje centrum aktywnemu bardzo specyficzny rozmiar, kształt i reaktywność chemiczną. Dzięki tym aminokwasom, centrum aktywne enzymu jest wyjątkowo dopasowane do wiązania się z określonym celem - substratem lub substratami enzymu - i pomaga im przejść reakcję chemiczną.
Wpływ środowiska na działanie enzymów
Ponieważ centra aktywne są dokładnie dostosowane, aby pomóc w reakcji chemicznej, mogą być bardzo wrażliwe na zmiany w środowisku enzymu. Czynniki, które mogą wpływać na centrum aktywne i funkcję enzymu, obejmują:
- Temperatura. Wyższa temperatura powoduje zazwyczaj zwiększenie szybkości reakcji, katalizowanej enzymami lub w inny sposób. Jednak zwiększenie lub zmniejszenie temperatury poza dopuszczalnym zakresem może wpływać na wiązania chemiczne w centrum aktywnym, czyniąc je mniej dopasowanym do wiązania substratów. Bardzo wysokie temperatury (dla enzymów zwierzęcych, powyżej
- pH. pH może również wpływać na funkcję enzymu. Reszty aminokwasowe w centrum aktywnym często mają właściwości kwasowe lub zasadowe, które są ważne dla katalizy. Zmiany pH mogą wpływać na reszty aminokwasowe i utrudniać wiązanie substratów. Enzymy działają najlepiej w określonym zakresie pH i, podobnie jak w przypadku temperatury, skrajne wartości pH (kwaśne lub zasadowe) mogą powodować denaturację enzymów.
Indukowane dopasowanie
Dopasowanie centrum aktywnego enzymu i substratu nie przypomina dwóch pasujących do siebie puzzli (choć naukowcy kiedyś sądzili, że tak było, w starym modelu zwanym modelem „zamka i klucza”).
Zamiast tego, enzym zmienia nieznacznie kształt, gdy wiąże swój substrat, co skutkuje jeszcze ściślejszym dopasowaniem. To dostosowanie enzymu do ścisłego przylegania do substratu nazywa się dopasowaniem indukowanym.
Kiedy enzym wiąże się ze swoim substratem, wiemy, że obniża on energię aktywacji reakcji, umożliwiając jej szybsze zajście. Ale może zastanawiasz się, co tak naprawdę robi enzym z substratem, aby obniżyć energię aktywacji?
Odpowiedź zależy od enzymu. Niektóre enzymy przyspieszają reakcje chemiczne, łącząc ze sobą dwa substraty we właściwej orientacji. Inne tworzą środowisko wewnątrz centrum aktywnego, które sprzyja reakcji (na przykład takie, które jest lekko kwaśne lub niepolarne). Kompleks enzym-substrat może również obniżyć energię aktywacji poprzez zginanie cząsteczek substratu w sposób, który ułatwia zrywanie wiązań, pomagając osiągnąć stan przejściowy.
Wreszcie, niektóre enzymy obniżają energie aktywacji, biorąc udział w samej reakcji chemicznej. Oznacza to, że reszty aminokwasowe centrum aktywnego mogą tworzyć tymczasowe wiązania kowalencyjne z cząsteczkami substratu, jako część procesu reakcji.
Ważnym słowem tutaj jest „tymczasowe”. We wszystkich przypadkach enzym powróci do pierwotnego stanu pod koniec reakcji - nie pozostanie związany z reagującymi cząsteczkami. W rzeczywistości cechą charakterystyczną enzymów jest to, że nie są one zmieniane przez reakcje, które katalizują. Gdy enzym katalizuje reakcję, uwalnia produkt (lub produkty) i jest gotowy do następnego cyklu katalizy.
Szukaj wiadomości poza Khan Academy
Do you want to learn more about the effect of temperature on enzyme function? Check out this interactive image from LabXchange.
Do you want to learn more about the effect of pH on enzyme function? Check out this interactive image from LabXchange.
LabXchange to bezpłatna platforma edukacyjna online stworzona przez Wydziale Arts and Sciences uniwersytetu Harvarda i wspierana przez Fundację Amgen.
Chcesz dołączyć do dyskusji?
Na razie brak głosów w dyskusji