Adenozynotrifosforan

Ogólne informacje

Inne nazwy ATP

Masa molowa 507,181 g/mol

Adenozyno-5'-trójfosforan (ATP) - organiczny związek chemiczny, nukleotyd adeninowy zbudowany z grupy trifosforanowej przyłączonej w pozycji 5' cząsteczki adenozyny, tworząc bezwodnik kwasu fosforowego. Odgrywa ważną rolę w biologii komórki, jako wielofunkcyjny koenzym i molekularna jednostka w wewnątrzkomórkowym transporcie energii. Stanowi nośnik energii chemicznej używane w metabolizmie komórki. Powstaje jako magazyn energii w procesach fotosyntezy i oddychania komórkowego. Zużywają go liczne enzymy, a zgromadzona w nim energia służy do przeprowadzani różnorodnych procesów, jak biosyntezy, ruchu i podziału komórki. Tworzy się z adenozyno-5'-difosforanu, a przekazując swą energię dalej powraca do formy ADP lub adenozyno-5'-monofosforanu (AMP). Cykl ten zachodzi bezustannie w organizmach żywych. Człowiek każdego dnia przekształca ilość ATP porównywalną z masą swego ciała.

W przekaźnictwie sygnałów ATP bierze udział jako substrat dla kinaz fosforylujących białka i lipidy, jak choćby cyklaza adenylanowa, przekształcająca ATP w drugi przekaźnk, cykliczny AMP. Stosunek pomiędzy ATP i AMP jest używany przez komórkę jako wskaźnik ilości posiadanej energii, co pozwala kontrolować produkcję i konsumpcję ATP. Oprócz tego ATP jest włączany przez polimerazy w kwasy nukleinowe podczas transkrypcji.

Struktura cząsteczki opiera się na zasadzie purynowej - adeninie - przyłączonej wiązaniem N-glukozydowym z 1. atomem węgla cukru pentozy - D-rybozy, której ostatni, piąty atom węgla jest z kolei ufosforylowany przez 3 grupy fosforanowe. Tworzenie i rozpad łączących je wiązań bezwodnikowych odpowiada za przejścia pomiędzy ATP, ADP i AMP. Pokrewny związek używany do syntezy DNA - dATP - posiada zamiast rybozy deoksyrybozę (cukier pozbawiony atomu tlenu przez reduktazę rybonukleotydową.

ATP odkrył w 1929 Karl Lohmann. Natomiast Fritz Albert Lipmann w 1941 zaproponował, że jest to związek kluczony w transporcie energii w komórce

Właściwości fizyczne i chemiczne

ATP składa się z adenozyny - złożonej z kolei z pierścienia adeninowego i rybozy - oraz z trzech grup fosforanowych. Począwszy od połączonej wiązaniem estrowym z rybozą na najdlaszej od niego skończywszy oznacza się je kolejno literami alfabtu greckiego alfa α, beta β i gamma γ. Adenozynotrójfosforan dobrze rozpuszcza się w wodzie (dzięki licznym hrupom hydrofilowym), zachowuje stabilnośćw pH pomiędzy 6,8 i 7,4, jednak w kwasie lub zasadzie szybko hydrolizuje. Przechowuje się go najlepiej w bezwodnej soli.

Ulega rozpadowi w niezbuforowanej wodzie, hydrolizując do adenozynodifosforanu i fosforanu. W mieszaninie równowagowej ATP i ADP w wodzie występuje głównie ten drugi, adenozynotrójfosforan zaś w małych ilościach. Układ daleki od równowagi zawiera wysoce ujemną entalpię swobodną Gibbsa, posiada tym samym dużą zdolność wykonania pracy termodynamicznej. Żywe komórki utrzymują stężenia ATP i ADP na poziomie dzisięciu rzędów wielkości od równowagi, ze stężeniem trójsosforanu wielokrotnie przewyższającym stężenie difosforanu. Dzięki temu odchyleniu od równowagi hydroliza ATP dostarcza komórce dużą ilość energii.

O ATP mówi się często jako o "związku wysokoenergetycznym". Może to być mylące. Jak w przypadku każdej reakcji chemicznej osiągającej stan równowagi, w równowagowej mieszaninnie ATP i ADP w wodzie nie będzie przeważać hydroliza ATP (co oznacza, że pomimo jego obecności układ nie dostarczy już energii dzięki tej reakcji). Lepsza analogia każe pzryrównać raczej ATP i wodę do paliwa i tlenu jako potencjanlne reagenty, ob a są niezbędne do wydzielenia się energii.

Podobnie często słyszy się o wiązaniach wysokoenergetycznych wiążących grupy fosforanowe. Nie ma w nich jednak niczego specjalnego: to zwykłe wiązania bezwodnikowe, jak w nieorganicznym pirofosforanie. Jak w przypadku wszystkich wiązań chemicznych, rozerwanie ich wymaga dostarczenia energii, a nie jej dostarcza (tzw. energia wiązania). W tym przypadku po prostu energia wiązania jest bardzo mała, o wiele mniejsza od energii wydzielającej się w wyniku tworzenia się nowych wiązań, w tym także wiązań wodorowych pomiędzy produktaqmi reakcji i wodą. Innymi słowy, to hydratacja produktów przyczynia się do uwolnienia energii znacznie większej, niż wymagana do rozerwania wiązania bezwodnikowego w ATP. W związku z tym sumatycznie oba procesy powodują wydzielenie się energii.

Taki niestabilny system złożony z potencjalnie reaktywnych w stosunku do siebie cząsteczek powinien być zdolny do przechowywania swobodnej energii, komórka musi więc utrzymywać steżęnia skłądników z dala od punktu równowagi. Jakkolwiek, jak w przypadku katabolizmu biopolimerów, rozpad RNA, DNA i ATP do prostszych związków zachodzi dzięki uwalnianiu się energii i wzrostowi entropii.

Biosynteza

Stężenie ATP w komórce wynosi zazwyczaj od 1 do 10 mmol/l. Związek ten może powstawać dzięki reakcjom redox z użyciem prostych i złożonych cukrów lub lipidów jako źródła energii. Jednakże złożone substraty, by dostarczyć jej do syntezy ATP, muszą najpierw ulec rozkładowi na prostsze składowe. Węglowodany hydrolizują do monosacharydów, jak glukoza czy fruktoza. Triacyloglicerole dają zaś w efekcie glicerol i kwasy tłuszczowe.Całkowity proces utleniania 1 cząsteczki glukozy do dwutlenku węgla (oddychanie komórkowe) może dostarczy ć energii dla odnowienia około 30 cząsteczek ATP. Jednak adenozynotrójfosforan powstać może w wyniku wielu innych procesów. U eukariotów generują go głónwie trzy główne szlaki metaboliczne: glikoliza, cykl kwasu cytrynowego/fosforylacja oksydacyjna (oba zaliczane do oddychania komórkowego) i beta-oksydacja. Większość tej produkcji ATP w przypadku organizmów niezdolnych do fotosyntezy ma miejsce w mitochondriach. Mogą oe stanowić aż 25% objętości przeciętnej komórki.

Glikoliza

W glikolizie glukoza i glicerol są metabolizowane do pirogronianu. W przypadku większości organizmów proces ten przebiega w cytozolu, aczkolwiek u niektórych pierwotniaków, jak kinetoplastydy, przeprowadzają go wyspecjalizowane organelle zwane glikosomem. Glikoliza generuje netto 2 cząsteczki ATP na cząsteczkę glukozy. 4 cząteczki trójfosforanu adeniozyny powstają w wyniku reakcji fosforylacji substratowej katalizowanych przez enzymy o nazwach kinaza glicerynianowa i kinaza pirogronianowa, jednak na włączenie glukozy do procesu glukokinaza bądź heksokinaza oraz fosfofruktokinaza zużywają 2 ATP, które w rachunku trzeba odjąć. Poza tym 2 NAD+ redukują się do 2 NADH, które mogą zostać następnie utlenione w mitochondrialnym łańcuchu oddechowym, który poprzez transport elktronów i protonów bezpośrednio wiąże się z syntezą ATP przez syntazę ATP. Końcowy produkt szlaku, pirogronian, może ulec reakcji pomostowej i przekształcić się w substrat cyklu kwasów trójkrboksylowych.

Funkcje ATP

Jeden z wielu w organizmie związków, z którego czerpie on energię do życia i jego przejawów. Wszystkie procesy energetyczne służą, w końcowym rozrachunku, do tworzenia ATP lub jego redukcji. Związek ten nie jest magazynowany, tylko tworzony na bieżąco.

Ostatnie badania wskazują na funkcje puryn adeninowych pojawiających się w przestrzeni ektocelularnej jako zewnątrzkomórkowych cząsteczek sygnalizacyjnych aktywujących receptory purynowe. I tak np. ADP pojawiający się na skutek uszkodzenia jest sygnałem przerwania ciągłości naczyń krwionośnych.

ATP natomiast bierze udział w regulacji ciśnienia krwi oddziałując na receptory P2OOO oraz P2Ysa. Efekt działania adenozynotrójfosforanu zależny jest od umiejscowienia tych receptorów. Głównymi mechanizmami uwalniania e-puryn jest egzocytoza oraz transport przez transbłonowe transportery i białka transportujące.

Historia

ATP odkrył w 1939 roku niemiecki chemik Karl Lohmann. Jego funkcję cząsteczki przenoszącej energię w komórce wykazał Fritz Lipmann za co został w 1953 r. uhonorowany nagrodą Nobla. Pierwszą syntezę ATP in vitro przeprowadził w 1948 r. Alexander Todd, co przyniosło temu uczonemu nagrodę Nobla z chemii w 1957 r. Kolejne nagrody Nobla związane bezpośrednio z ATP otrzymali: Peter D. Mitchell (1978) za powiązanie gradientu stężeń jonów wodorowych z syntezą ATP, Paul D. Boyer i John E. Walker (1997) za zbadanie mechanizmu działania syntazy ATP oraz w tym samym roku Jens C. Skou za badania nad pompą sodowo-potasową zależną od ATP.

Właściwości chemiczne

Cząsteczka ATP jest nukleotydem składającym się z zasady azotowej - adeniny połączonej wiązaniem N-glikozydowym z cząsteczką cukru - rybozy i trzech reszt fosforanowych połączonych ze sobą dwoma wiązaniami bezwodnikowymi. Reszty fosforanowe są oznaczane w ogólnie przyjętej notacji greckimi literami α, β i γ.

Źródłem energii w większości procesów biochemicznych przebiegających z udziałem ATP jest hydroliza wiązania bezwodnikowego pomiędzy resztami β i γ zgodnie z równaniem reakcji:

ATP + H2O → ADP + Pi

W wyniku tego procesu powstaje cząsteczka ADP oraz anion fosforanowy (Pi). Rzadziej dochodzi do rozpadu ATP na AMP i pirofosforanu w wyniku hydrolizy wiązania bezwodnikowego pomiędzy resztami α i β:

ATP + H2O → AMP +PPi

Wydziela się przy tym więcej energii niż przy dwóch rozpadach ATP do ADP.

Występowanie rybozy (brak deoksyrybozy) w tak ważnej dla procesów życiowych cząsteczce jest uważane za relikt świata RNA.

Enzymy - wielkocząsteczkowe, w większości białkowe[1] katalizatory przyspieszające specyficzne reakcje chemiczne wskutek obniżenia ich energii aktywacji[2]. Badaniem enzymów i ich działania zajmuje się enzymologia.

Niemal wszystkie przemiany chemiczne związane z funkcjonowaniem organizmów żywych (a także wirusów) wymagają współudziału enzymów, by zapewnić wystarczającą wydajność reakcji. Enzymy są wysoce specyficzne wobec substratów i wobec tego dany enzym katalizuje zaledwie kilka reakcji spośród wielu możliwych dla danych substratów. W ten sposób enzymy determinują procesy metaboliczne i biochemiczne związane z funkcjonowaniem organizmów żywych.

Jak wszystkie katalizatory, enzymy obniżają energię aktywacji (Ea lub ΔG‡) reakcji chemicznej, przyspieszając w ten sposób przebieg reakcji (patrz: Struktury i mechanizmy działania). Większość reakcji enzymatycznych (tj. z udziałem enzymów) przebiega miliony razy szybciej niż ich niekatalizowane enzymatycznie odpowiedniki. Jednym z najszybciej działających znanych enzymów jest anhydraza węglanowa. Jedna cząsteczka tego enzymu potrafi w sprzyjających warunkach w jedną sekundę uwodnić od 104 do 106 cząsteczek dwutlenku węgla[3], z kolei jedna cząsteczka jednego z najwolniejszych - lizozymu, katalizuje 1 akt elementarny co 2 sekundy[4]. Jak wszystkie katalizatory, również enzymy nie zużywają się w trakcie przebiegu reakcji, a także nie wpływają na ich równowagę. Enzymy różnią się od zwykłych katalizatorów, przejawiając znacznie większą specyficzność substratową. Aktywność enzymatyczna może być zatrzymana lub obniżona przez inne cząsteczki - inhibitory. Wiele leków i trucizn jest inhibitorami enzymów. Z kolei aktywatory enzymatyczne to cząsteczki zwiększające aktywność enzymów. Ponadto aktywność enzymów zależy od parametrów fizykochemicznych środowiska reakcji, takich jak: temperatura, pH, siła jonowa, obecność niektórych jonów i innych.

Znane są także biokatalizatory niebiałkowe[1]. Należą do nich rybozymy, cząsteczki RNA o własnościach katalitycznych[5] oraz deoksyrybozymy (DNAzymy) - fragmenty DNA zdolne do katalizowania pewnych reakcji[6][7]. Enzymy niebiałkowe charakteryzują się nieco innymi mechanizmami reakcji i mniejszą różnorodnością katalizowanych reakcji, jednak ich kinetyka i mechanika działania może być analizowana i klasyfikowana za pomocą tych samych metod, jakie są używane dla enzymów białkowych. Istnieją ponadto sztucznie stworzone cząsteczki, zwane sztucznymi enzymami, które przejawiają podobną do enzymatycznej aktywność katalityczną[8].

Liczne enzymy znalazły zastosowanie przemysłowe (patrz: Zastosowanie przemysłowe), m.in. w przemyśle spożywczym czy chemii leków. Wiele produktów używanych w gospodarstwach domowych zawiera enzymy w celu podniesienia wydajności ich działania, jak proszki do prania czy enzymatyczne wywabiacze do plam. Enzymy są także powszechnie używane we współczesnych naukach biologicznych i medycznych oraz w diagnostyce medycznej.

Na przełomie XVIII i XIX wieku obserwowano już trawienie in vitro mięsa przez wydzieliny żołądka[9] oraz rozkład skrobi do cukrów prostych przez ekstrakty roślinne lub ślinę, jakkolwiek mechanizmy stojące za tymi procesami nie były znane[10].

W XIX wieku, podczas studiów nad fermentacją cukrów do alkoholu przeprowadzaną przez drożdże, Louis Pasteur doszedł do wniosku, że reakcja ta jest ściśle powiązana z procesami życiowymi w drożdżach, którą nazwał "fermentem". Podejrzewano, że może być ona aktywna tylko w żywych organizmach ("nie ma fermentacji bez życia"). Pasteur odnotował, że "fermentacja alkoholowa jest procesem powiązanym z życiem i organizacją komórek drożdżowych, a nie ze śmiercią czy rozkładem komórek"[11].

W 1878 roku niemiecki fizjolog Wilhelm Kühne, by opisać te procesy, ukuł termin enzym[12], który pochodzi z greckiego ενζυμον i oznacza "w zaczynie". Później słowo enzym było używane w odniesieniu do substancji nieożywionych, jak chociażby pepsyna, a słowo ferment w odniesieniu do aktywności chemicznej wykazywanej przez organizmy żywe. W języku polskim oba terminy były stosowane wymiennie, przy czym ten ostatni jest obecnie archaizmem[13].

W roku 1897 Eduard Buchner rozpoczął badania nad zdolnością ekstraktów drożdżowych do fermentacji cukrów przy nieobecności żywych komórek. Po szeregu eksperymentów przeprowadzonych na Uniwersytecie Humboldtów w Berlinie stwierdził on, że taka fermentacja jest możliwa[14]. Odkryty enzym przeprowadzający fermentację sacharozy nazwał zymazą[15]. W 1907 roku Eduard Buchner otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii "za swoje badania biochemiczne i odkrycie fermentacji bez udziału komórek". Zgodnie z nazwą pierwszego enzymu, obecna nomenklatura ich nazewnictwa, przewiduje tworzenie nazwy od reakcji, którą przeprowadzają (patrz: Konwencja nazewnictwa). Zazwyczaj dodaje się przyrostek -aza do nazwy substratu przetwarzanego w reakcji (np. laktaza to enzym przetwarzający laktozę) lub do ogólnej nazwy reakcji (np. polimeraza DNA to enzym syntezujący polimery DNA).

Kryształ elastazy

Po udowodnieniu, że enzymy mogą funkcjonować poza komórką żywą, następnym krokiem było opisanie ich natury biochemicznej. Wielu badaczy zaobserwowało, że aktywność enzymatyczna była w jakiś sposób związana z białkami, ale kilku naukowców (w tym laureat Nagrody Nobla Richard Willstätter) dowodziło, że białka nie mogą być jedynymi "nośnikami" aktywności enzymatycznej i same z siebie nie są zdolne do przeprowadzania katalizy. Jednak w 1926 roku, James B. Sumner udowodnił, że enzym ureaza to czyste białko i wyizolował je w formie krystalicznej. Powtórzył to także w 1937 roku dla katalazy. Ostateczny wniosek, że enzymy mogą być czystymi białkami, został potwierdzony przez Johna Howarda Northropa i Wendella Mereditha Stanleya, którzy pracowali nad enzymami trawiennymi - trypsyną i chymotrypsyną. Ta trójka naukowców została za swoje badania uhonorowana w 1946 roku Nagrodą Nobla w dziedzinie chemii[16].

Odkrycie, że enzymy mogą być wykrystalizowane pozwoliło na późniejsze badanie ich struktur metodami rentgenografii strukturalnej. Pierwszym enzymem, którego strukturę rozwiązano w ten sposób, był lizozym, enzym obecny m.in. w łzach, ślinie i białku jaja. Dokonała tego w 1965 roku grupa Davida Phillipsa[17]. Uzyskanie trójwymiarowego modelu struktury lizozymu było początkiem biologii strukturalnej enzymów i zrozumienia mechanizmów ich działania na poziomie molekularnym.

W roku 1967 Carl Woese, Francis Crick i Leslie Orgel po raz pierwszy zasugerowali, że prócz białek[1], także RNA może przejawiać właściwości katalityczne[18]. Aktywność katalityczną RNA odkrył Thomas Cech w roku 1980 przy badaniu splicingu RNA oraz, niezależnie, Sidney Altman podczas badań nad bakteryjną RNazą P. Katalityczne RNA zostały zaobserwowane w samowycinających się sekwencjach intronowych genów. W 1989 roku Thomas Cech i Sidney Altman zostali uhonorowani Nagrodą Nobla w dziedzinie chemii za swoje odkrycie "katalizujących właściwości RNA"[19]. Termin rybozym, połączenie słów ryboza i enzym; po raz pierwszy został użyty w odniesieniu do tych cząsteczek przez Kelly Kruger i Thomasa Cecha w ich publikacji z 1982 roku

Struktury i mechanizmy działania [edytuj]

Model miejsca aktywnego anhydrazy węglanowej. Widoczne trzy (na różowo) histydyny i jedna grupa hydroksylowa koordynujące jon cynku, będący kofaktorem tego enzymu

Większość znanych enzymów to białka[1] o zróżnicowanej wielkości, od kilkudziesięciu aminokwasów w łańcuchu i monomerycznej budowie (na przykład tautomeraza 4-oksokrotonianu (4-OT) zbudowana jest z 62 aminokwasów)[21], do ponad 2500 w zwierzęcej syntazie kwasów tłuszczowych[22]. Aktywność enzymów jest determinowana ich strukturą czwartorzędową (ułożeniem przestrzennym)[23]. Enzymy są zazwyczaj dużo większe od substratów, które przerabiają, ale z kolei zwykle tylko kilka kluczowych aminokwasów jest bezpośrednio zaangażowanych w katalizę[24]. Region, który bezpośrednio wiąże się i oddziałuje z substratem oraz zawiera kluczowe do przebiegu reakcji reszty aminokwasowe, nazywany jest miejscem aktywnym (centrum aktywnym). Prócz niego enzymy mogą zawierać miejsca wiązania kofaktorów - niezbędnych do aktywności enzymatycznej lub jej regulacji (patrz: Kofaktory, grupy prostetyczne i koenzymy). Enzymy mogą także zawierać dodatkowe miejsca wiązania małych cząsteczek, na przykład pośrednich lub bezpośrednich produktów czy substratów szlaków metabolicznych obsługiwanych przez enzym, które związane mogą dodatkowo regulować aktywność enzymu na zasadzie sprzężenia zwrotnego[25][26].

Jak każde białko, enzymy są syntezowane jako długie łańcuchy aminokwasowe, które następnie zwijają się i przybierają odpowiednią strukturę przestrzenną. Indywidualne, zwinięte łańcuchy białkowe, mogą także asocjować w większe kompleksy. Takie enzymy nazywa się wtedy multimerycznymi (wielopodjednostkowymi). W przypadku asocjacji kilku takich samych peptydów (podjednostek) mówi się o homomerach (np. homodimer - kompleks złożony z dwóch jednakowych peptydów), a gdy asocjują różne jakościowo podjednostki, o heteromerach (np. heteropentamer - kompleks pięciu różnych łańcuchów peptydowych). Asocjacja podjednostek enzymów może być wymagana by dopełnić nawzajem swoje funkcje, by w ogóle móc katalizować reakcję biochemiczną, lub by obsługiwać wielokrotność tej samej reakcji czy cały ich szereg (odcinek szlaku metabolicznego)

Model "klucza i zamka" (ang. "Lock and key" model) [edytuj]

W większości przypadków enzymy są niezwykle specyficzne wobec swoich substratów. Jak sugerował w roku 1894 Hermann Emil Fischer, zarówno enzym jak i jego substraty są do siebie geometrycznie dopasowane w taki sposób, że idealnie pasują jeden do drugiego (jak "klucz i zamek")[35]. Model ten wyjaśnia specyficzność enzymów, ale nie wyjaśnia w jaki sposób stabilizowany jest stan przejściowy podczas reakcji enzymatycznej.

Model "trzypunktowego dołączenia" (ang. Three-point interaction model) [edytuj]

Idea modelu "trzypunktowego dołączenia". Atomy lub grupy atomów w cząsteczce substratu (S) łącząc się z komplementarnymi miejscami na cząsteczce enzymu (E) (przedstawione jako miejsca na płaszczyźnie), mają tylko jeden możliwy sposób połączenia. Reakcja może ograniczyć się do atomów związanych w miejscach a i b, nawet jeśli atomy (bądź grupy atomów) 1 i 4 są takie same

W 1948 roku Alexander George Ogston interpretując wyniki badań prowadzonych nad procesami metabolicznymi, w których wykorzystano izotopowe znakowanie substratów w reakcji enzymatycznej, zauważył, że do specyficznego związania substratu przez enzym wystarczą tylko trzy miejsca wiązania[36]. Jeśli substrat może się przyłączyć do miejsca katalitycznego tylko z jednej strony i mogą ze sobą reagować tylko atomy i miejsca komplementarne, cząsteczka substratu może się przyłączyć tylko w jeden sposób. Oznacza to, że symetryczna cząsteczka substratu staje się poniekąd asymetryczna dla wypadku katalizy enzymatycznej. Przykładem jest kwas aminomalonowy wiążący się do modelowego, planarnego miejsca katalitycznego na enzymie. Kwas aminomalonowy zawiera dwie identyczne grupy karboksylowe, które stają się przestrzennie różne po trzypunktowym związaniu cząsteczki. Zatem jeśli reakcja obejmuje zawsze jedną grupę karboksylową w konkretnym miejscu, wówczas reagować będzie zawsze ta sama grupa karboksylowa[36][26]. Jednakże model ten jest wyraźnie jakościowy, dostarczając tylko ograniczonego wyjaśnienia ilościowych i energicznych parametrów przebiegu stereospecyficznych procesów. Rozszerzenie modelu dla większej ilości punktów wiązania, co zapewnia większą precyzję w doborze substratu, opisali Ran Kafri i Doron Lancet w 2004 roku[37].

Model indukowanego dopasowania (ang. Induced fit model) [edytuj]

Idea indukowanego dopasowania enzymu i substratu

W 1958 roku Daniel Koshland zaproponował modyfikację modelu "klucza i zamka". Ponieważ enzymy są zwykle dość elastyczne strukturalnie, ich centrum aktywne podlega ciągłym rearanżacjom przestrzennym podczas oddziaływania z substratami[38]. W rezultacie, substrat nie tyle wiąże się do niezmiennego strukturalnie miejsca aktywnego, ale grupy boczne aminokwasów je tworzące podlegają rearanżacjom przestrzennym, ściśle dopasowując swe pozycje do wiązanego substratu, co dopiero umożliwia przeprowadzenie katalizy. W niektórych wypadkach, jak np. glikozydazy, także cząsteczki substratu podlegają lekkim zmianom strukturalnym po wejściu do centrum aktywnego, wzmacniając w ten sposób dopasowanie[39]. Centrum aktywne kontynuuje rearanżację, aż osiągnięte zostanie końcowe stadium dopasowania z substratem[40].

Funkcje biologiczne [edytuj]

Enzymy są podstawą istnienia życia, jako że są niezbędne do zajścia niemalże każdej reakcji chemicznej z szybkością i wydajnością znacząco wysoką dla procesów biologicznych. Bez enzymów większość reakcji zachodziła by zbyt wolno lub zbyt mało wydajnie, by miało to zauważalne w czasie znaczenie.

Większość enzymów, poprzez swój udział w reakcjach katabolicznych i anabolicznych, definiuje metabolizm komórki czy organizmu (elementami metabolizmu komórkowego są także enzymy zewnątrzkomórkowe, np. enzymy trawienne). Enzymy metaboliczne działają zwykle w grupach (kompleksach), w szeregu sekwencyjnie następujących po sobie reakcji, określanych mianem szlaków metabolicznych. Szlaki te często wykorzystują wspólne produkty pośrednie reakcji, przebiegają równolegle, prowadzą do tego samego produktu lub od tego samego substratu w skomplikowanej sieci zależności reakcji enzymatycznych. Dodatkowo regulacja tych szlaków, a także sygnalizacja wewnątrz- i zewnątrzkomórkowa także są zależne od enzymów.

Enzymy biorą udział także w reakcjach niemetabolicznych. Na przykład hydrolizująca ATP miozyna bierze udział w skurczach mięśni[84], a inne motory molekularne o aktywności enzymatycznej są odpowiedzialne za ruch na poziomie wewnątrzkomórkowym.

Enzymy są także ważnymi składnikami interakcji między organizmami czy komórkami. Leukocyty używają enzymów do zwalczania patogenów, z kolei bakterie patogenne używają ich podczas infekcji i do obrony przed elementami systemu immunologicznego. Także wirusy używają enzymów (kodowanych przez swój materiał genetyczny lub enzymów gospodarza) do swojej replikacji (np. odwrotna transkryptaza wirusa HIV), a także podczas infekcji i opuszczania komórek gospodarza (np. neuraminidaza wirusa grypy). Enzymy są także składnikami jadów i toksyn, używanych i wytwarzanych przez wiele organizmów.

Enzymy pełnią także bardziej wyszukane funkcje, wszędzie tam, gdzie potrzebna jest wydajna, specyficzna kataliza chemiczna. Na przykład bioluminescencja u świetlików wywołana jest przez enzym lucyferazę, a strzel bombardier, chrząszcz z rodzaju Brachynus w celach obronnych wykorzystuje peroksydazę do rozkładu nadtlenku wodoru, dzięki czemu może bronić się przed zagrożeniem, wyrzucając w jego stronę strumień wrzącej cieczy pod ciśnieniem[73]

Zastosowanie przemysłowe [edytuj]

Enzymy są stosowane w przemyśle chemicznym, spożywczym i innych, głównie jako niezwykle specyficzne, bezpieczne w użyciu katalizatory. Jakkolwiek ich wadą jest wrażliwość na skrajne warunki (np. temperatura, pH), niestabilność w środowiskach innych niż wodne (np. rozpuszczalników organicznych) oraz stopniowa degradacja podczas użytkowania. Także wysoka specyficzność, istotna z punktu biologicznego, w przemyśle jest ograniczeniem ich uniwersalności. Stąd inżynieria białka jest dynamicznie rozwijającą się dziedziną nauki, zajmującą się badaniem i projektowaniem enzymów o nowych właściwościach lub poprawionej wydajności czy stabilności. Aktualne podejście do tego zagadnienia to ukierunkowane projektowanie lub ewolucja in vitro[96][97]. Obecnie enzymy produkowane są na skalę przemysłową, głównie z zastosowaniem mikroorganizmów modyfikowanych genetycznie[98].

Przykłady zastosowania enzymówZastosowanie Używane enzymy Cel

Przemysł piekarniczy

Łańcuchy skrobi są rozkładane na krótsze cukry przez alfa-amylazę Grzybowe alfa-amylazy Katalityczne przyspieszenie rozkładu skrobi z mąki na krótsze cukry. Te z kolei są wykorzystywane przez drożdże piekarnicze zawarte w cieście, wskutek czego produkowany jest dwutlenek węgla, spulchniający ciasto. Używane w produkcji pieczywa białego, bułek itp.

Proteazy Producenci ciastek używają ich do obniżenia poziomu białka w mące.

Jedzenie dla niemowląt Trypsyna Do wstępnego nadtrawiania jedzenia.

Browarnictwo, gorzelnictwo i przemysł winiarski

Kiełkujący jęczmień używany do produkcji słodu Enzymy jęczmienne uwalniane są podczas przyrządzania zacieru przy produkcji piwa. Rokładają one skrobię i białka, uwalniając cukry proste i aminokwasy, służące następnie drożdżom w fermentacji.

Przemysłowo produkowane enzymy jęczmienne i drożdżowe Używane jako substytuty naturalnych

Amylazy, glukanazy, proteazy Rozkładają polisacharydy i białka zawarte w słodzie czy zacierze.

Betaglukozydaza Poprawia proces filtrowania.

Amyloglukozydaza Produkacja trunków niskokalorycznych.

Proteazy Usuwają zmętnienia produktu.

Dekarboksylaza kwasu α-acetomlekowego (ALDC) Poprawia wydajność fermentacji usuwając nadmiar biacetylu

Soki owocowe Celulazy, pektynazy Klarują soki (rozkład celulozy i pektyn).

Mleczarstwo

Ser typu Roquefort Podpuszczka, izolowana z żołądków młodych przeżuwaczy (cielęta, owce). Produkcja serów, używane do hydrolizy białek.

Enzymy pochodzenia mikrobiologicznego Zastępują te pochodzenia zwierzęcego.

Lipazy Stosowane w produkcji sera Roquefort by usprawnić ich dojrzewanie.

Laktazy Rozkład laktozy do glukozy i galaktozy.

Zmiękczacze mięsa Papaina Rozmiękczanie mięsa przy gotowaniu.

Przemysł skrobiowy

Glukoza

Fruktoza

Amylazy, amyloglukozydazy i glukoamylazy Rozkład skrobi do glukozy i produkcja cukrów konwertowanych.

Izomeraza glukozowa Konwersja glukozy we fruktozę przy produkcji wysokofruktozowych syropów ze skrobi. Syropy te są używane do słodzenia i są słodsze niż sacharoza, a mniej kaloryczne.

Przemysł papierniczy

Wytwórnia papieru w Południowej Karolinie Amylaza, ksylanaza, celulaza i ligninaza Amylazy rozkładają skrobię w celu zmniejszenia lepkości, wspomagają regulację gramatury papieru i jego pokrycia. Ksylanazy redukują potrzebę wybielania. Celulazy wygładzają włókna, wspomagają schnięcie oraz usuwanie pigmentów (przy przeróbce makulatury). Ligninazy degradują ligniny i wspomagają zmiękczanie papieru.

Przemysł biopaliwowy

Model fragmentu łańcucha celulozy Celulaza Używana do rozkładu celulozy do cukrów, które mogą być wykorzystane w procesie fermentacji przy produkcji etanolu celulozowego.

Ligninaza Używana do rozkładu ligniny

Biodetergenty Proteazy, pierwotnie pozyskiwane z wydzielających je na zewnątrz komórek bakterii. Używane w praniu wstępnym i namaczaniu, a także podczas prania zasadniczego, gdzie wspomagają usuwanie plam pochodzenia białkowego z ubrań.

Amylaza Do usuwania plam ze skrobi.

Lipaza Wspomagają usuwanie plam z tłuszczu.

Celulaza Używana w biologicznych zmiękczaczach do tkanin.

Płyny do mycia soczewek kontaktowych Proteazy Do odbiałczania szkieł i zapobiegania zakażeniom.

Przemysł gumowy Katalaza Do wytwarzania tlenu z nadtlenków, by przetwarzać lateks w gumy spienione.

Przemysł fotograficzny Proteazy Rozkład żelatyny pokrywających filmy fotograficzne przy odzyskiwaniu z nich srebra.

Biologia molekularna, biochemia i pokrewne, a także analityka laboratoryjna i kliniczna

Odcinek DNA w formie podwójnej helisy. M.in. enzymy restrykcyjne, ligazy DNA, polimerazy DNA i RNA, proteazy, DNazy, RNazy, enzymy szlaków metabolicznych i inne. Używane m.in. w manipulacjach materiałem genetycznym, badaniach metabolizmu, proteomice, w diagnozowaniu klinicznym i kryminalnym, jako markery i indykatory, oraz wiele innych.

---