Entsyymi

Entsyymin rakenne

Erilaisia entsyymejä on tuhansia, ja kukin niistä on ominainen sille reaktiolle, jota se katalysoi. Entsyymeillä on nimet, jotka kertovat, mitä ne tekevät. Entsyymien nimet päättyvät yleensä -aseen osoittaakseen, että ne ovat entsyymejä. Esimerkkejä tästä ovat ATP-syntaasi. Se valmistaa kemikaalia nimeltä ATP. Toinen esimerkki on DNA-polymeraasi. Se lukee ehjän DNA-juosteen ja käyttää sitä mallina uuden juosteen valmistamiseen.

Yksi esimerkki entsyymistä on syljessä esiintyvä amylaasi. Se hajottaa tärkkelysmolekyylit pienemmiksi glukoosi- ja maltoosimolekyyleiksi. Toinen entsyymityyppi on lipaasi. Se hajottaa rasvat pienemmiksi molekyyleiksi, rasvahapoiksi ja glyseroliksi.d

Proteaasit ovat kokonainen entsyymiluokka. Ne hajottavat muita entsyymejä ja proteiineja takaisin aminohapoiksi. Nukleaasit ovat entsyymejä, jotka leikkaavat DNA:ta tai RNA:ta, usein tietyssä kohdassa molekyyliä.

Entsyymit eivät ainoastaan hajota suuria kemikaaleja pienemmiksi kemikaaleiksi. Toiset entsyymit ottavat pienempiä kemikaaleja ja rakentavat niistä suurempia kemikaaleja ja tekevät monia muita kemiallisia tehtäviä. Alla olevassa luokittelussa luetellaan päätyypit.

Biokemistit piirtävät usein kuvan entsyymistä, jota käytetään visuaalisena apuvälineenä tai karttana entsyymistä. Tämä on vaikeaa, koska entsyymissä voi olla satoja tai tuhansia atomeja. Biokemistit eivät voi piirtää kaikkia näitä yksityiskohtia. Sen sijaan he käyttävät nauhamalleja entsyymien kuvina. Nauhamalleilla voidaan näyttää entsyymin muoto ilman, että jokaista atomia tarvitsee piirtää.

Useimmat entsyymit eivät toimi, elleivät lämpötila ja pH ole juuri oikeat. Nisäkkäillä oikea lämpötila on yleensä noin 37^o C (ruumiinlämpö). Oikea pH voi vaihdella suuresti. Pepsiini on esimerkki entsyymistä, joka toimii parhaiten, kun pH on noin 1,5.

Entsyymin kuumentaminen tietyn lämpötilan yläpuolelle tuhoaa entsyymin pysyvästi. Proteaasi hajottaa sen ja kemikaaleja käytetään uudelleen.

Jotkin kemikaalit voivat auttaa entsyymiä tekemään työnsä entistä paremmin. Näitä kutsutaan aktivaattoreiksi. Joskus kemikaali voi hidastaa entsyymin toimintaa tai jopa saada entsyymin toimimattomaksi. Näitä kutsutaan inhibiittoreiksi. Useimmat lääkkeet ovat kemikaaleja, jotka joko nopeuttavat tai hidastavat jonkin entsyymin toimintaa ihmiskehossa.

Syljen amylaasi: kloridi-ioni vihreä; kalsium beige

Entsyymin rakenne

Erilaisia entsyymejä on tuhansia, ja kukin niistä on ominainen sille reaktiolle, jota se katalysoi. Entsyymeillä on nimet, jotka kertovat, mitä ne tekevät. Entsyymien nimet päättyvät yleensä -aseen osoittaakseen, että ne ovat entsyymejä. Esimerkkejä tästä ovat ATP-syntaasi. Se tuottaa kemikaalia nimeltä ATP. Toinen esimerkki on DNA-polymeraasi. Se lukee ehjän DNA-juosteen ja käyttää sitä mallina uuden juosteen valmistamiseen.

Yksi esimerkki entsyymistä on syljessä esiintyvä amylaasi. Se hajottaa tärkkelysmolekyylit pienemmiksi glukoosi- ja maltoosimolekyyleiksi. Toinen entsyymityyppi on lipaasi. Se hajottaa rasvat pienemmiksi molekyyleiksi, rasvahapoiksi ja glyseroliksi.d

Proteaasit ovat kokonainen entsyymiluokka. Ne hajottavat muita entsyymejä ja proteiineja takaisin aminohapoiksi. Nukleaasit ovat entsyymejä, jotka leikkaavat DNA:ta tai RNA:ta, usein tietyssä kohdassa molekyyliä.

Entsyymit eivät ainoastaan hajota suuria kemikaaleja pienemmiksi kemikaaleiksi. Toiset entsyymit ottavat pienempiä kemikaaleja ja rakentavat niistä suurempia kemikaaleja ja tekevät monia muita kemiallisia tehtäviä. Alla olevassa luokittelussa luetellaan päätyypit.

Biokemistit piirtävät usein kuvan entsyymistä, jota käytetään visuaalisena apuvälineenä tai karttana entsyymistä. Tämä on vaikeaa, koska entsyymissä voi olla satoja tai tuhansia atomeja. Biokemistit eivät voi piirtää kaikkia näitä yksityiskohtia. Sen sijaan he käyttävät nauhamalleja entsyymien kuvina. Nauhamalleilla voidaan näyttää entsyymin muoto ilman, että jokaista atomia tarvitsee piirtää.

Useimmat entsyymit eivät toimi, elleivät lämpötila ja pH ole juuri oikeat. Nisäkkäillä oikea lämpötila on yleensä noin 37^o C (ruumiinlämpö). Oikea pH voi vaihdella suuresti. Pepsiini on esimerkki entsyymistä, joka toimii parhaiten, kun pH on noin 1,5.

Entsyymin kuumentaminen tietyn lämpötilan yläpuolelle tuhoaa entsyymin pysyvästi. Proteaasi hajottaa sen ja kemikaaleja käytetään uudelleen.

Jotkin kemikaalit voivat auttaa entsyymiä tekemään työnsä entistä paremmin. Näitä kutsutaan aktivaattoreiksi. Joskus kemikaali voi hidastaa entsyymin toimintaa tai jopa saada entsyymin toimimattomaksi. Näitä kutsutaan inhibiittoreiksi. Useimmat lääkkeet ovat kemikaaleja, jotka joko nopeuttavat tai hidastavat jonkin entsyymin toimintaa ihmiskehossa.

Syljen amylaasi: kloridi-ioni vihreä; kalsium beige

Lukko- ja avainmalli

Entsyymit ovat hyvin spesifisiä. Emil Fischer esitti vuonna 1894, että sekä entsyymillä että substraatilla on tietyt toisiaan täydentävät geometriset muodot, jotka sopivat täsmälleen toisiinsa. Tätä kutsutaan usein "lukko-avain-malliksi". Tämä malli ei kuitenkaan selitä, mitä seuraavaksi tapahtuu.

Vuonna 1958 Daniel Koshland ehdotti lukko-avain-mallin muuttamista. Koska entsyymit ovat melko joustavia rakenteita, aktiivinen alue muotoutuu uudelleen vuorovaikutuksessa substraatin kanssa. Tämän seurauksena substraatti ei yksinkertaisesti sitoudu jäykkään aktiiviseen kohtaan. Aktiivisen alueen aminohappojen sivuketjut taipuvat sellaisiin asentoihin, että entsyymi tekee katalyyttisen työnsä. Joissakin tapauksissa, kuten glykosidaaseissa, myös substraattimolekyyli muuttaa hieman muotoaan, kun se siirtyy aktiiviseen kohtaan.

Kaaviot, jotka osoittavat entsyymin toimintaa koskevan indusoidun sopivuuden hypoteesin.

Lukko- ja avainmalli

Entsyymit ovat hyvin spesifisiä. Emil Fischer esitti vuonna 1894, että sekä entsyymillä että substraatilla on tietyt toisiaan täydentävät geometriset muodot, jotka sopivat täsmälleen toisiinsa. Tätä kutsutaan usein "lukko-avain-malliksi". Tämä malli ei kuitenkaan selitä, mitä seuraavaksi tapahtuu.

Vuonna 1958 Daniel Koshland ehdotti lukko-avain-mallin muuttamista. Koska entsyymit ovat melko joustavia rakenteita, aktiivinen alue muotoutuu uudelleen vuorovaikutuksessa substraatin kanssa. Tämän seurauksena substraatti ei yksinkertaisesti sitoudu jäykkään aktiiviseen kohtaan. Aktiivisen alueen aminohappojen sivuketjut taipuvat sellaisiin asentoihin, että entsyymi tekee katalyyttisen työnsä. Joissakin tapauksissa, kuten glykosidaaseissa, myös substraattimolekyyli muuttaa hieman muotoaan, kun se siirtyy aktiiviseen kohtaan.

Kaaviot, jotka osoittavat entsyymin toimintaa koskevan indusoidun sopivuuden hypoteesin.

Toiminto

Entsyymireaktion yleinen yhtälö on:

Substraatti + entsyymi -> Substraatti:entsyymi -> Tuote:entsyymi -> Tuote + entsyymi.

Entsyymit alentavat reaktion aktivaatioenergiaa muodostamalla substraatin kanssa välikompleksin. Tätä kompleksia kutsutaan entsyymi-substraatti-kompleksiksi.

Esimerkiksi sakkaraasi, joka on 400 kertaa suurempi kuin sen substraatti sakkaroosi, pilkkoo sakkaroosin sen sisältämiksi sokereiksi, jotka ovat glukoosi ja fruktoosi. Sakarraasi taivuttaa sakkaroosia ja jännittää glukoosin ja fruktoosin välistä sidosta. Vesimolekyylit liittyvät mukaan ja tekevät halkaisun sekunnin murto-osassa. Entsyymeillä on nämä keskeiset ominaisuudet:

1. Ne ovat katalyyttisiä. Ne lisäävät yleisesti reaktionopeutta 10 miljardia kertaa.^p39 Itse entsyymi ei muutu reaktiossa.
2. Ne ovat tehokkaita pieninä määrinä. Yksi entsyymimolekyyli voi muuntaa 1000 substraattimolekyyliä minuutissa, ja joidenkin tiedetään muuttavan 3 miljoonaa molekyyliä minuutissa.^p39
3. Ne ovat hyvin spesifisiä. Yksi entsyymi suorittaa vain yhden monista reaktioista, joihin substraatti kykenee.

Entsyymiaktiivisuuden valvonta

Entsyymien toimintaa ohjataan solussa viidellä eri tavalla.

1. Entsyymituotantoa (entsyymigeenien transkriptio ja translaatio) voidaan lisätä tai vähentää solun ympäristön muutosten seurauksena. Tätä geenien säätelyn muotoa kutsutaan entsyymien induktioksi ja inhibitioksi. Esimerkiksi antibiooteille, kuten penisilliinille, vastustuskykyisissä bakteereissa indusoituu entsyymejä, jotka hydrolysoivat penisilliinimolekyylin.
2. Entsyymejä voi esiintyä eri solukompartimenteissa. Esimerkiksi rasvahappoja syntetisoi yksi joukko entsyymejä sytosolissa, endoplasmisessa retikulumissa ja Golgin laitteessa. Sen jälkeen eri entsyymijoukko käyttää niitä energianlähteenä mitokondrioissa.
3. Entsyymejä voidaan säädellä niiden omilla tuotteilla. Esimerkiksi lopputuote(t) estää usein yhtä reitin ensimmäisistä entsyymeistä. Tällaista säätelymekanismia kutsutaan negatiiviseksi takaisinkytkennäksi, koska tuotetun lopputuotteen määrää säätelee sen oma pitoisuus. Tämä estää soluja tuottamasta liikaa entsyymiä. Entsyymitoiminnan säätely auttaa pitämään elävien organismien sisäisen ympäristön vakaana.
4. Entsyymejä voidaan säädellä muuttamalla niitä tuotannon jälkeen. Esimerkkinä voidaan mainita polypeptidiketjun pilkkominen. Kymotrypsiini, ruoansulatusproteaasi, tuotetaan haimassa inaktiivisessa muodossa ja kuljetetaan tässä muodossa mahalaukkuun, jossa se aktivoituu. Tämä estää entsyymiä pilkkomasta haimaa tai muita kudoksia ennen kuin se pääsee suolistoon. Tällaista inaktiivista entsyymin esiastetta kutsutaan zymogeeniksi.
5. Jotkin entsyymit voivat aktivoitua, kun ne siirtyvät eri ympäristöön (esim. korkeasta pH:sta matalaan pH:han). Esimerkiksi influenssaviruksen hemagglutiniini aktivoituu muodon muuttuessa. Tämä johtuu happamista olosuhteista, jotka vallitsevat isäntäsolun lysosomissa.

Kaavio, joka osoittaa lämpötilan muutoksen vaikutuksen entsyymiaktiivisuuteen.


Kaavio, joka osoittaa pH:n muutoksen vaikutuksen entsyymiaktiivisuuteen.

Toiminto

Entsyymireaktion yleinen yhtälö on:

Substraatti + entsyymi -> Substraatti:entsyymi -> Tuote:entsyymi -> Tuote + entsyymi.

Entsyymit alentavat reaktion aktivaatioenergiaa muodostamalla substraatin kanssa välikompleksin. Tätä kompleksia kutsutaan entsyymi-substraatti-kompleksiksi.

Esimerkiksi sakkaraasi, joka on 400 kertaa suurempi kuin sen substraatti sakkaroosi, pilkkoo sakkaroosin sen sisältämiksi sokereiksi, jotka ovat glukoosi ja fruktoosi. Sakarraasi taivuttaa sakkaroosia ja jännittää glukoosin ja fruktoosin välistä sidosta. Vesimolekyylit liittyvät mukaan ja tekevät halkaisun sekunnin murto-osassa. Entsyymeillä on nämä keskeiset ominaisuudet:

1. Ne ovat katalyyttisiä. Ne lisäävät yleisesti reaktionopeutta 10 miljardia kertaa.^p39 Itse entsyymi ei muutu reaktiossa.
2. Ne ovat tehokkaita pieninä määrinä. Yksi entsyymimolekyyli voi muuntaa 1000 substraattimolekyyliä minuutissa, ja joidenkin tiedetään muuttavan 3 miljoonaa molekyyliä minuutissa.^p39
3. Ne ovat hyvin spesifisiä. Yksi entsyymi suorittaa vain yhden monista reaktioista, joihin substraatti kykenee.

Entsyymiaktiivisuuden valvonta

Entsyymien toimintaa ohjataan solussa viidellä eri tavalla.

1. Entsyymituotantoa (entsyymigeenien transkriptio ja translaatio) voidaan lisätä tai vähentää solun ympäristön muutosten seurauksena. Tätä geenien säätelyn muotoa kutsutaan entsyymien induktioksi ja inhibitioksi. Esimerkiksi antibiooteille, kuten penisilliinille, vastustuskykyisissä bakteereissa indusoituu entsyymejä, jotka hydrolysoivat penisilliinimolekyylin.
2. Entsyymejä voi esiintyä eri solukompartimenteissa. Esimerkiksi rasvahappoja syntetisoi yksi joukko entsyymejä sytosolissa, endoplasmisessa retikulumissa ja Golgin laitteessa. Sen jälkeen eri entsyymijoukko käyttää niitä energianlähteenä mitokondrioissa.
3. Entsyymejä voidaan säädellä niiden omilla tuotteilla. Esimerkiksi lopputuote(t) estää usein yhtä reitin ensimmäisistä entsyymeistä. Tällaista säätelymekanismia kutsutaan negatiiviseksi takaisinkytkennäksi, koska tuotetun lopputuotteen määrää säätelee sen oma pitoisuus. Tämä estää soluja tuottamasta liikaa entsyymiä. Entsyymitoiminnan säätely auttaa pitämään elävien organismien sisäisen ympäristön vakaana.
4. Entsyymejä voidaan säädellä muuttamalla niitä tuotannon jälkeen. Esimerkkinä voidaan mainita polypeptidiketjun pilkkominen. Kymotrypsiini, ruoansulatusproteaasi, tuotetaan haimassa inaktiivisessa muodossa ja kuljetetaan tässä muodossa mahalaukkuun, jossa se aktivoituu. Tämä estää entsyymiä pilkkomasta haimaa tai muita kudoksia ennen kuin se pääsee suolistoon. Tällaista inaktiivista entsyymin esiastetta kutsutaan zymogeeniksi.
5. Jotkin entsyymit voivat aktivoitua, kun ne siirtyvät eri ympäristöön (esim. korkeasta pH:sta matalaan pH:han). Esimerkiksi influenssaviruksen hemagglutiniini aktivoituu muodon muuttuessa. Tämä johtuu happamista olosuhteista, jotka vallitsevat isäntäsolun lysosomissa.

Kaavio, joka osoittaa lämpötilan muutoksen vaikutuksen entsyymiaktiivisuuteen.


Kaavio, joka osoittaa pH:n muutoksen vaikutuksen entsyymiaktiivisuuteen.

Entsyymi-inhibiittorit

Inhibiittoreita voidaan käyttää estämään entsyymin sitoutuminen substraattiin. Näin voidaan hidastaa entsyymin ohjaamaa reaktiota. Inhibiittorit sopivat löyhästi tai osittain entsyymin aktiiviseen kohtaan. Tämä estää tai hidastaa entsyymi-substraatti-kompleksin muodostumista.

Entsyymi-inhibiittorit

Inhibiittoreita voidaan käyttää estämään entsyymin sitoutuminen substraattiin. Näin voidaan hidastaa entsyymin ohjaamaa reaktiota. Inhibiittorit sopivat löyhästi tai osittain entsyymin aktiiviseen kohtaan. Tämä estää tai hidastaa entsyymi-substraatti-kompleksin muodostumista.

Denaturaatio

Denaturoituminen on entsyymin aktiivisen alueen peruuttamaton muutos, joka aiheutuu äärimmäisestä lämpötilan tai pH:n muutoksesta. Se vähentää reaktionopeutta, koska substraattimolekyyli ei mahdu aktiiviseen kohtaan, joten tuotteita ei voi muodostua.

Denaturaatio

Denaturoituminen on entsyymin aktiivisen alueen peruuttamaton muutos, joka aiheutuu äärimmäisestä lämpötilan tai pH:n muutoksesta. Se vähentää reaktionopeutta, koska substraattimolekyyli ei mahdu aktiiviseen kohtaan, joten tuotteita ei voi muodostua.

Kofaktorit

Kofaktorit eli koentsyymit ovat apumolekyylejä, joita tarvitaan entsyymin toimintaan. Ne eivät ole proteiineja, ja ne voivat olla orgaanisia tai epäorgaanisia molekyylejä. Molemmat molekyylityypit sisältävät joskus metalli-ionin keskellä, kuten Mg-²⁺, Cu-²⁺, Mn-²⁺ tai rauta-rikkiklusterit. Tämä johtuu siitä, että tällaiset ionit voivat toimia elektronin luovuttajina, mikä on tärkeää monissa reaktioissa. Entsyymien erilaisten pienten apulaisten tarve on perussyy siihen, miksi eläimet, meidät mukaan lukien, tarvitsevat hivenaineita ja vitamiineja.

Kofaktorit

Kofaktorit eli koentsyymit ovat apumolekyylejä, joita tarvitaan entsyymin toimintaan. Ne eivät ole proteiineja, ja ne voivat olla orgaanisia tai epäorgaanisia molekyylejä. Molemmat molekyylityypit sisältävät joskus metalli-ionin keskellä, kuten Mg-²⁺, Cu-²⁺, Mn-²⁺ tai rauta-rikkiklusterit. Tämä johtuu siitä, että tällaiset ionit voivat toimia elektronin luovuttajina, mikä on tärkeää monissa reaktioissa. Entsyymien erilaisten pienten apulaisten tarve on perussyy siihen, miksi eläimet, meidät mukaan lukien, tarvitsevat hivenaineita ja vitamiineja.

Luokitus

Kansainvälinen biokemian liitto on luokitellut entsyymit. Sen entsyymikomitea on ryhmitellyt kaikki tunnetut entsyymit kuuteen luokkaan:

1. Oksido-reduktaasit: katalysoivat elektronien siirtoa.
2. Transferaasit: siirtävät funktionaalisen ryhmän yhdestä molekyylistä toiseen.
3. Hydrolaasit: lisäävät -OH (hydroksyyli)-ryhmän.
4. Lyaasit: pilkkovat kemiallisia sidoksia ja lisäävät usein kaksoissidoksia tai rengasrakennetta.
5. Isomeraasit: A -> B, jossa B on A:n isomeeri.
6. Ligaasit: yhdistävät kaksi suurta molekyyliä: Ab + C -> A-C + b

Yksittäisille entsyymeille annetaan nelinumeroinen numero, joka luokittelee ne tietokannassa. ^p145

Luokitus

Kansainvälinen biokemian liitto on luokitellut entsyymit. Sen entsyymikomitea on ryhmitellyt kaikki tunnetut entsyymit kuuteen luokkaan:

1. Oksido-reduktaasit: katalysoivat elektronien siirtoa.
2. Transferaasit: siirtävät funktionaalisen ryhmän yhdestä molekyylistä toiseen.
3. Hydrolaasit: lisäävät -OH (hydroksyyli)-ryhmän.
4. Lyaasit: pilkkovat kemiallisia sidoksia ja lisäävät usein kaksoissidoksia tai rengasrakennetta.
5. Isomeraasit: A -> B, jossa B on A:n isomeeri.
6. Ligaasit: yhdistävät kaksi suurta molekyyliä: Ab + C -> A-C + b

Yksittäisille entsyymeille annetaan nelinumeroinen numero, joka luokittelee ne tietokannassa. ^p145

Entsyymien käyttö

Entsyymejä käytetään kaupallisesti:

• vauvanruoan valmistaminen - vauvojen ruoan esiruoan valmistelu
• suklaiden keskikappaleiden pehmentäminen
• biologinen pesujauhe - joka sisältää proteaasientsyymejä, jotka hajottavat lian ja lian. Se hajottaa suuret, liukenemattomat molekyylit pieniksi, liukeneviksi molekyyleiksi. Se toimii alhaisemmassa lämpötilassa, joten energiaa tarvitaan vähemmän (termostabiili).

Entsyymien käyttö

Entsyymejä käytetään kaupallisesti:

• vauvanruoan valmistaminen - vauvojen ruoan esiruoan valmistelu
• suklaiden keskikappaleiden pehmentäminen
• biologinen pesujauhe - joka sisältää proteaasientsyymejä, jotka hajottavat lian ja lian. Se hajottaa suuret, liukenemattomat molekyylit pieniksi, liukeneviksi molekyyleiksi. Se toimii alhaisemmassa lämpötilassa, joten energiaa tarvitaan vähemmän (termostabiili).

Aiheeseen liittyvät sivut

• Burst-kinetiikka

Aiheeseen liittyvät sivut

• Burst-kinetiikka