Ensiymit kiihdyttävät reaktioita jopa miljoonakertaisesti tai enemmän (taulukko 8.1). Useimmat biologisissa systeemeissä tapahtuvat reaktiot eivät itse asiassa tapahdu havaittavalla nopeudella ilman entsyymejä. Jopa niinkin yksinkertaisen reaktion kuin hiilidioksidin hydrataation katalysoi entsyymi, nimittäin hiilihappoanhydraasi (jakso 9.2). Hiilidioksidin siirtyminen kudoksista vereen ja sieltä alveolaariseen ilmaan ei olisi yhtä täydellistä ilman tätä entsyymiä. Itse asiassa hiilihappoanhydraasi on yksi nopeimmista tunnetuista entsyymeistä. Kukin entsyymimolekyyli voi hydratoida 106 molekyyliä hiilidioksidia sekunnissa. Tämä katalysoitu reaktio on 107 kertaa nopeampi kuin katalysoimaton reaktio. Tarkastelemme hiilihappoanhydraasin katalyysimekanismia luvussa 9. Entsyymit ovat hyvin spesifisiä sekä katalysoimiensa reaktioiden että substraateiksi kutsuttujen reaktanttien valinnan suhteen. Entsyymi katalysoi yleensä yhtä kemiallista reaktiota tai useita toisiinsa läheisesti liittyviä reaktioita. Sivureaktiot, jotka johtavat turhaan sivutuotteiden muodostumiseen, ovat entsyymikatalysoiduissa reaktioissa harvinaisia, toisin kuin katalysoimattomissa reaktioissa.
Taulukko 8.1
Rate enhancement by selected enzymes.
Tarkastellaan esimerkkinä proteolyyttisiä entsyymejä. In vivo nämä entsyymit katalysoivat proteolyysiä eli peptidisidoksen hydrolyysiä.
Useimmat proteolyyttiset entsyymit katalysoivat myös erilaista, mutta samankaltaista reaktiota in vitro – nimittäin esterisidoksen hydrolyysiä. Tällaisia reaktioita on helpompi seurata kuin proteolyysia, ja niistä on hyötyä näiden entsyymien kokeellisissa tutkimuksissa (luku 9.1.2).
Proteolyyttiset entsyymit eroavat toisistaan huomattavasti substraattispesifisyyden suhteen. Subtilisiini, jota esiintyy tietyissä bakteereissa, on varsin erottelematon: se pilkkoo minkä tahansa peptidisidoksen välittämättä juurikaan viereisten sivuketjujen identiteetistä. Trypsiini, ruoansulatusentsyymi, on varsin spesifinen ja katalysoi peptidisidosten pilkkomista vain lysiini- ja arginiinijäämien karboksyylipuolella (kuva 8.1A). Trombiini, veren hyytymiseen osallistuva entsyymi, on vielä spesifisempi kuin trypsiini. Se katalysoi Arg-Gly-sidosten hydrolyysiä vain tietyissä peptidijaksoissa (kuva 8.1B).
Kuva 8.1
Ensiymin spesifisyys. (A) Trypsiini pilkkoo arginiini- ja lysiinijäämien karboksyylipuolelta, kun taas (B) trombiini pilkkoo spesifisesti Arg-Gly-sidoksia tietyissä sekvensseissä.
DNA-polymeraasi I, templaattiohjattu entsyymi (kohta 27.2), on toinen erittäin spesifinen katalyytti. Se lisää syntetisoitavaan DNA-juosteeseen nukleotideja järjestyksessä, joka määräytyy templaattina toimivan toisen DNA-juosteen nukleotidijärjestyksen mukaan. DNA-polymeraasi I on huomattavan tarkka toteuttaessaan mallin antamia ohjeita. Se lisää väärän nukleotidin uuteen DNA-juosteeseen harvemmin kuin yhden kerran miljoonasta.
Ensiymin spesifisyys johtuu substraatin ja entsyymin tarkasta vuorovaikutuksesta. Tämä tarkkuus on seurausta entsyymiproteiinin mutkikkaasta kolmiulotteisesta rakenteesta.
8.1.1. Monet entsyymit tarvitsevat aktiivisuuteensa kofaktoreita
Monien entsyymien katalyyttinen aktiivisuus riippuu pienten molekyylien, niin sanottujen kofaktorien, läsnäolosta, vaikka niiden tarkka rooli vaihtelee kofaktorin ja entsyymin mukaan. Tällaista entsyymiä ilman kofaktoriaan kutsutaan apoentsyymiksi; täydellistä, katalyyttisesti aktiivista entsyymiä kutsutaan holoentsyymiksi.
Kofaktorit voidaan jakaa kahteen ryhmään: metalleihin ja pieniin orgaanisiin molekyyleihin (taulukko 8.2). Esimerkiksi entsyymi hiilihappoanhydraasi tarvitsee aktiivisuuteensa Zn2+ (luku 9.2.1). Glykogeenifosforylaasi (jakso 21.1.5), joka mobilisoi glykogeenia energiaksi, vaatii pientä orgaanista molekyyliä pyridoksaalifosfaattia (PLP).
Taulukko 8.2
Enzymikofaktorit.
Koentsyymeiksi kutsutaan kofaktoreita, jotka ovat pieniä orgaanisia molekyylejä. Koentsyymit ovat usein peräisin vitamiineista, ja ne voivat olla joko tiukasti tai löyhästi sidoksissa entsyymiin. Jos ne ovat tiukasti sidottuja, niitä kutsutaan proteettisiksi ryhmiksi. Löyhästi sidoksissa olevat koentsyymit muistuttavat enemmänkin kosubstraatteja, koska ne sitoutuvat entsyymiin ja irtoavat siitä samoin kuin substraatit ja tuotteet. Saman koentsyymin käyttö useissa eri entsyymeissä ja niiden lähde vitamiineissa erottaa kuitenkin koentsyymit tavallisista substraateista. Samaa koentsyymiä käyttävät entsyymit ovat yleensä mekanistisesti samanlaisia. Luvussa 9 tarkastelemme kofaktorien mekanistista merkitystä entsyymiaktiivisuudelle. Yksityiskohtaisempi keskustelu koentsyymivitamiineista löytyy luvusta 8.6.
8.1.2. Entsyymit voivat muuttaa energiaa yhdestä muodosta toiseen
Monissa biokemiallisissa reaktioissa reaktanttien energia muunnetaan suurella tehokkuudella toiseen muotoon. Esimerkiksi fotosynteesissä valoenergia muunnetaan ionigradientin kautta kemiallisen sidoksen energiaksi. Mitokondrioissa ravinnosta peräisin olevien pienten molekyylien sisältämä vapaa energia muunnetaan ensin ionigradientin vapaaksi energiaksi ja sitten eri valuutaksi, adenosiinitrifosfaatin vapaaksi energiaksi. Entsyymit voivat sitten käyttää ATP:n kemiallisen sidosenergiaa monin tavoin. Myosiini-entsyymi muuntaa ATP:n energian mekaaniseksi energiaksi supistuvissa lihaksissa. Solujen ja organellien kalvoissa olevat pumput, joita voidaan pitää entsyymeinä, jotka mieluummin siirtävät substraatteja kuin muuttavat niitä kemiallisesti, luovat kemiallisia ja sähköisiä gradientteja käyttämällä ATP:n energiaa molekyylien ja ionien kuljettamiseen (kuva 8.2). Näiden energiaa siirtävien entsyymien molekyylimekanismeja selvitetään parhaillaan. Näemme myöhemmissä luvuissa, miten yksisuuntaiset erillisten vaiheiden syklit – sitoutuminen, kemiallinen muuntuminen ja vapautuminen – johtavat yhden energiamuodon muuntamiseen toiseksi.
Kuva 8.2
Energiaa muuttava entsyymi. Ca2+-ATPaasi käyttää ATP:n hydrolyysin energiaa Ca2+:n kuljettamiseen kalvon läpi, jolloin syntyy Ca2+-gradientti.
8.1.3. Entsyymit luokitellaan niiden katalysoimien reaktiotyyppien perusteella
Monilla entsyymeillä on yleisnimet, jotka antavat vain vähän tietoa niiden katalysoimista reaktioista. Esimerkiksi haiman erittämää proteolyyttistä entsyymiä kutsutaan nimellä trypsiini. Useimmat muut entsyymit on nimetty niiden substraattien ja niiden katalysoimien reaktioiden mukaan, ja niihin on lisätty jälkiliite ”ase”. ATP-aasi on siis entsyymi, joka hajottaa ATP:tä, kun taas ATP-syntaasi on entsyymi, joka syntetisoi ATP:tä.
Jotta entsyymien luokitteluun saataisiin jonkinlaista johdonmukaisuutta, Kansainvälinen biokemian liitto perusti vuonna 1964 entsyymikomission, jonka tehtävänä oli kehittää entsyymien nimikkeistö. Reaktiot jaettiin kuuteen pääryhmään, jotka numeroitiin 1-6 (taulukko 8.3). Nämä ryhmät jaettiin ja jaettiin edelleen, niin että nelinumeroisella numerolla, jota edeltävät kirjaimet EC, joka tarkoittaa entsyymikomissiota, voitiin tarkasti tunnistaa kaikki entsyymit.
Taulukko 8.3
Kuusi suurta entsyymiluokkaa.
Tarkastellaan esimerkkinä nukleosidimonofosfaattikinaasia (NMP-kinaasia), entsyymiä, jota tarkastellaan yksityiskohtaisesti seuraavassa luvussa (luku 9.4). Se katalysoi seuraavaa reaktiota:
NMP-kinaasi siirtää fosforyyliryhmän ATP:stä NMP:hen muodostaen nukleosidifosfaatin (NDP) ja ADP:n. Näin ollen se on transferaasi eli ryhmän 2 jäsen. Fosforyyliryhmien lisäksi voidaan siirtää monia muita ryhmiä, kuten sokereita ja hiiliyksiköitä. Fosforyyliryhmää siirtävät transferaasit nimetään 2.7. Erilaiset funktionaaliset ryhmät voivat hyväksyä fosforyyliryhmän. Jos akseptorina on fosfaatti, transferaasi nimetään 2.7.4 kohdaksi. Loppunumero määrittää akseptorin tarkemmin. NMP-kinaasin osalta nukleosidimonofosfaatti on akseptori, ja entsyymin nimitys on EC 2.7.4.4. Vaikka yleisnimiä käytetään rutiininomaisesti, luokitusnumeroa käytetään silloin, kun entsyymin tarkka identiteetti saattaa olla epäselvä.