Budowa i rola enzymów.

Reakcje chemiczne w organizmie są zawsze przyspieszane przez swoiste katalizatory komórkowe, zwane enzymami lub biokatalizatorami. Enzymy nie zmieniają końcowego składnika mieszaniny reagującej ani stałej równowagi danej reakcji, przyspiesza jedynie osiągnięcie stanu równowagi w reakcjach termodynamicznie możliwych. Są to reakcje egzoergiczne, którym towarzyszy utrata energii swobodnej. Wytwarzane są jedynie przez żywe komórki.

Większa część enzymów stanowi białka złożone, w których obok proteiny występuje ściśle z nim związana grupa prostetczna czyli nieaminokwasowa grupa chemiczna trwale związana z cząsteczką białka. Inne – w stanie aktywności – wiążą się w sposób odwracalny z grupą niebiałkową i wówczas część białkowa nazywa się apoenzymem, grupa niebiałkowa – koenzymem, a całość holoenzymem.

Apoenzym wykazuje powinowactwo do substratu a więc decyduje o specyficzności, a grupa nie białkowa określa kierunek zmiany substratu. Jeden składnik holoenzymu bez drugiego nie przejawia katalitycznego działania, czyli enzym jest aktywny tylko wówczas, gdy oba komponenty są połączone ze sobą. Istotną funkcję w katalizie enzymatycznej spełnia tak zwane centrum aktywne, będące specyficznie pofałdowanym fragmentem łańcucha polipeptydowego. Jest to zgrupowanie właściwych reszt aminokwasowych o odpowiednim ułożeniu przestrzennym i potencjalnej ruchomości. Z tymi właśnie grupami połączy się substrat. Istnienie centrum aktywnego pozwala na powstanie nietrwałego kompleksu enzym – substrat, którego utworzenie powoduje obniżenie energii aktywacji warunkujące zajście procesu enzymatycznego.

Kataliza enzymatyczna przebieg etapami:

- przestrzenne dopasowanie centrum aktywnego do substratu

- utrzymanie nietrwałego kompleksu enzym – substrat, co obniża energię aktywacji, umożliwia i przyspiesza zajście procesu

- oddzielanie się enzymu od produktu

Enzymy biorące udział w reakcji nie zużywają się, co należy rozumieć w ten sposób, że mogą być wielokrotnie wykorzystywane do katalizowania takich samych reakcji.

Na aktywność enzymów wpływają różne czynniki:

- temperatura – wzrost temperatury o każde 100C zwiększa szybkość reakcji enzymatycznej mniej więcej dwukrotnie. Jednak odbywa się to wyłącznie do poziomu temperatury powodującego denaturację białka, czyli zazwyczaj do temp. 40 – 450C.

- odczyn środowiska (pH) – większość enzymów najlepiej działa w pH – 4,4. Wpływ pH na aktywność enzymów tłumaczy się tym, że są one białkami, a liczba dodatnich i ujemnych ładunków cząsteczki białka i ukształtowanie powierzchni cząsteczki są zależne od kwasowości środowiska

- stężenie substratu i enzymu - w stałej temp., w stałym pH i przy nadmiarze substratu szybkość reakcji chemicznej jest wprost proporcjonalna do stężenia enzymu

- inhibitory – substancje zmniejszające szybkość reakcji. Wyróżniamy: 1) inhibitory kompetycyjne (współzawodniczące)-występują gdy związek chemiczny, mając podobną budowę do substratu, konkuruje z nim o związanie się z centrum aktywnym enzymu. Przyłączenie tego związku, zwanego analogiem substratu, uniemożliwia dostęp właściwemu substratowi do centrum aktywnego;2) inhibitory niekompetycyjne-substancje niskocząsteczkowe, które przyłączając się do enzymu, raczej w innym miejscu niż centrum aktywne (centrum allosteryczne) powodują zmianę struktury przestrzennej enzymu, uniemożliwiając tworzenie kompleksu E-S

- aktywatory – pod wpływem różnych substancji, może nastąpić taka zmiana kształtu cząsteczki enzymu, która jest korzystna dla przebiegu katalizy enzymatcznej. Odbywa się to na skutek przyłączenia aktywatora do centrum aktywnego i polepszenia w ten sposób wiązania substratu.

Klasy enzymów:

I oksydoreduktazy – enzymy katalizujące procesy utleniania i redukcji; enzymy biorace udział w fotosyntezie i oddychaniu.

II transferazy – enzymy katalizujące przenoszenie grup np. aminotransferazy przenoszą grupę aminową.

III hydrolazy - enzymy katalizujące rozkład związków organicznych bardziej złożonych do prostrzych z wykorzystaniem wody jako substratu np. enzymy trawienne

IV liazy – enzymy katalizujące reakcję eliminacji z utworzeniem podwójnego wiązania,

a także przyłączenia do podwójnego wiązania

V izomerazy – enzymy katalizujące przekształcenia wewnątrz cząsteczki

VI syntetazy – enzymy katalizujące reakcje syntezy

Km – stężenie substratu przy którym szybkość reakcji stanowi połowę szybkości maksymalnej. Charakteryzuje ona powinowactwo enzymu do substratu. Małe wartosci Km wskazują na duże powinowactwo enzymu do substratu oraz dużą szybkość procesu i odwrotnie.

Przebieg wykresu. Gdy stężenie substratu jest małe, niektóre cząsteczki enzymu w danej chwili nie są połączone z substratem i niecałkowite wysycenie enzymu jest przyczyną tego, że nie wykazuje on maksymalnej aktywiści katalitycznej. W miarę zwiększania stężenia substratu dochodzi się do momentu, kiedy wszystkie cząsteczki enzymu będą z nim połączone i wtedy dopiero enzym pracuje z maksymalną szybkością. Wobec tego, że enzym jest już całkowicie wysycany substratem, dalsze zwiększanie stężenia substratu nie może wpłynąć na zwiększenie szybkości reakcji i reakcja przebiega ze stałą szybkością.