Az enzimek akár egymilliószorosára vagy még nagyobb mértékben is felgyorsítják a reakciókat (8.1. táblázat). Valójában a biológiai rendszerekben a legtöbb reakció enzimek hiányában nem megy végbe érzékelhető sebességgel. Még egy olyan egyszerű reakciót is, mint a szén-dioxid hidratálása, egy enzim – nevezetesen a szénsavhidráz – katalizál (9.2. szakasz). A CO2 átadása a szövetekből a vérbe, majd az alveoláris levegőbe ennek az enzimnek a hiányában kevésbé lenne teljes. Valójában a szénsav anhidráz az egyik leggyorsabb ismert enzim. Minden egyes enzimmolekula másodpercenként 106 molekula CO2 hidratálására képes. Ez a katalizált reakció 107-szer gyorsabb, mint a nem katalizált. A szénsavhidráz katalízisének mechanizmusát a 9. fejezetben fogjuk megvizsgálni. Az enzimek nagyon specifikusak mind az általuk katalizált reakciókat, mind a reakcióalanyok, az úgynevezett szubsztrátok kiválasztását illetően. Egy enzim általában egyetlen kémiai reakciót vagy egymással szorosan összefüggő reakciókat katalizál. A pazarló melléktermékképződéshez vezető mellékreakciók ritkák az enzimkatalizált reakciókban, ellentétben a nem katalizáltakkal.
8.1. táblázat
Sebességnövelés kiválasztott enzimek által.
Lássuk példaként a proteolitikus enzimeket. In vivo ezek az enzimek a proteolízist, azaz a peptidkötés hidrolízisét katalizálják.
A legtöbb proteolitikus enzim in vitro is katalizál egy másik, de rokon reakciót – nevezetesen az észterkötés hidrolízisét. Az ilyen reakciók könnyebben nyomon követhetők, mint a proteolízis, és hasznosak ezen enzimek kísérleti vizsgálatában (9.1.2. szakasz).
A proteolitikus enzimek jelentősen különböznek a szubsztrátspecificitásuk mértékében. A bizonyos baktériumokban megtalálható szubtilizin meglehetősen diszkriminálatlan: bármilyen peptidkötést hasít, kevéssé törődve a szomszédos oldalláncok azonosságával. A tripszin, egy emésztőenzim, meglehetősen specifikus, és csak a lizin- és arginin-maradékok karboxiloldalán lévő peptidkötések felhasítását katalizálja (8.1A. ábra). A trombin, a véralvadásban részt vevő enzim még a tripszinnél is specifikusabb. Csak bizonyos peptidszekvenciák Arg-Gly kötéseinek hidrolízisét katalizálja (8.1B ábra).
8.1. ábra
Enzimspecifikusság. (A) A tripszin az arginin- és lizinmaradványok karboxiloldalán hasít, míg (B) a trombin specifikusan hasítja az Arg-Gly kötéseket bizonyos szekvenciákban.
A DNS-polimeráz I, egy sablonvezérelt enzim (27.2. szakasz), egy másik rendkívül specifikus katalizátor. Nukleotidokat ad hozzá egy szintetizálódó DNS-szálhoz, olyan sorrendben, amelyet a templátként szolgáló másik DNS-szál nukleotidjainak sorrendje határoz meg. A DNS-polimeráz I figyelemre méltóan pontosan hajtja végre a sablon által adott utasításokat. Egy millióból kevesebb mint egy alkalommal illeszti be a rossz nukleotidot egy új DNS-szálba.
Az enzim specifitása a szubsztrát és az enzim pontos kölcsönhatásának köszönhető. Ez a precizitás az enzimfehérje bonyolult háromdimenziós szerkezetének eredménye.
8.1.1. Az enzim fehérjéi és az enzim fehérjéi. Sok enzimnek szüksége van kofaktorokra az aktivitáshoz
Sok enzim katalitikus aktivitása kis molekulák, úgynevezett kofaktorok jelenlététől függ, bár a pontos szerep a kofaktortól és az enzimtől függően változik. Az ilyen, kofaktor nélküli enzimet apoenzimnek, a teljes, katalitikusan aktív enzimet pedig holoenzimnek nevezzük.
A kofaktorokat két csoportra oszthatjuk: fémekre és kis szerves molekulákra (8.2. táblázat). A szénsav anhidráz enzimnek például Zn2+ szükséges az aktivitásához (9.2.1. szakasz). A glikogén-foszforiláz (21.1.5. szakasz), amely a glikogént mozgósítja energiaként, a piridoxál-foszfát (PLP) kis szerves molekulát igényli.
8.2. táblázat
Enzim kofaktorok.
Azokat a kofaktorokat, amelyek kis szerves molekulák, koenzimeknek nevezzük. Gyakran vitaminokból származnak, a koenzimek szorosan vagy lazán kapcsolódhatnak az enzimhez. Ha szorosan kötődnek, prosztetikus csoportoknak nevezzük őket. A lazán kapcsolódó koenzimek inkább hasonlítanak a kozubsztrátokra, mivel ugyanúgy kötődnek az enzimhez, és ugyanúgy szabadulnak fel belőle, mint a szubsztrátok és a termékek. A koenzimeket azonban az különbözteti meg a normál szubsztrátoktól, hogy különböző enzimek ugyanazt a koenzimet használják, és a vitaminokban található forrásuk. Az azonos koenzimet használó enzimek mechanisztikailag általában hasonlóak. A 9. fejezetben megvizsgáljuk a kofaktorok mechanikai jelentőségét az enzimaktivitás szempontjából. A koenzimvitaminok részletesebb tárgyalása a 8.6. fejezetben található.
8.1.2. Az enzimek energiát alakíthatnak át egyik formából egy másikba
Sok biokémiai reakcióban a reaktánsok energiáját nagy hatékonysággal alakítják át egy másik formába. Például a fotoszintézisben a fényenergiát iongradiens révén kémiai kötésen alapuló energiává alakítják át. A mitokondriumokban a táplálékból származó kismolekulákban lévő szabad energiát először egy iongradiens szabad energiájává, majd egy másik valutává, az adenozin-trifoszfát szabad energiájává alakítják át. Az enzimek ezután sokféleképpen felhasználhatják az ATP kémiai kötésen alapuló energiáját. A miozin enzim az ATP energiáját az összehúzódó izmok mechanikai energiájává alakítja át. A sejtek és organellumok membránjaiban lévő szivattyúk, amelyeket olyan enzimeknek tekinthetünk, amelyek szubsztrátokat mozgatnak ahelyett, hogy kémiailag módosítanák azokat, kémiai és elektromos gradienseket hoznak létre azáltal, hogy az ATP energiáját használják fel a molekulák és ionok szállítására (8.2. ábra). Ezeknek az energiaátvivő enzimeknek a molekuláris mechanizmusait most tárják fel. A következő fejezetekben látni fogjuk, hogy a diszkrét lépések egyirányú ciklusai – megkötés, kémiai átalakulás és felszabadulás – hogyan vezetnek az energia egyik formájának egy másikba való átalakításához.
8.2. ábra
Egy energiaátalakító enzim. A Ca2+ ATPáz az ATP-hidrolízis energiáját használja fel a Ca2+ membránon keresztüli transzportjára, Ca2+ gradienst létrehozva.
8.1.3. Az enzimeket az általuk katalizált reakciótípusok alapján osztályozzák
Sok enzimnek olyan közismert neve van, amely kevés információt ad az általuk katalizált reakciókról. Például a hasnyálmirigy által szekretált proteolitikus enzimet tripszinnek hívják. A legtöbb más enzimet a szubsztrátjaikról és az általuk katalizált reakciókról nevezik el, az “ase” utótaggal kiegészítve. Így az ATP-áz az ATP-t lebontó enzim, míg az ATP-szintáz az ATP-t szintetizáló enzim.
Az enzimek osztályozásának egységesítése érdekében a Nemzetközi Biokémiai Unió 1964-ben enzimbizottságot hozott létre az enzimek nómenklatúrájának kidolgozására. A reakciókat hat fő csoportra osztották, amelyeket 1-től 6-ig számoztak (8.3. táblázat). Ezeket a csoportokat felosztották és tovább tagolták, hogy egy négyjegyű szám, amelyet az EC betűk előztek meg az Enzim Bizottság számára, pontosan azonosítani tudjon minden enzimet.
8.3. táblázat
Az enzimek hat fő osztálya.
Nézzük példaként a nukleozid-monofoszfát (NMP) kinázt, egy olyan enzimet, amelyet a következő fejezetben (9.4. fejezet) részletesen megvizsgálunk. A következő reakciót katalizálja:
Az NMP-kináz egy foszforilcsoportot visz át az ATP-ről az NMP-re, hogy nukleozid-difoszfát (NDP) és ADP alakuljon ki. Következésképpen transzferáz, vagyis a 2. csoport tagja. A foszforilcsoportokon kívül számos csoport, például cukrok és szénegységek is átvihetők. Azokat a transzferázokat, amelyek foszforilcsoportot helyeznek át, 2.7. jelölik. A foszforilcsoportot különböző funkciós csoportok fogadhatják el. Ha egy foszfát az akceptor, a transzferáz a 2.7.4. jelölést kapja. A végső szám az akceptort pontosabban jelöli. Az NMP-kináz esetében egy nukleozid-monofoszfát az akceptor, és az enzim jelölése EC 2.7.4.4.4. Bár a köznapi neveket rutinszerűen használják, az osztályozási számot akkor használják, ha az enzim pontos azonossága nem egyértelmű.