Enzymes accelerate reactions by factors of as much as a million or more (Table 8.1). Rzeczywiście, większość reakcji w systemach biologicznych nie zachodzi w zauważalnym tempie przy braku enzymów. Nawet tak prosta reakcja, jak hydratacja dwutlenku węgla, jest katalizowana przez enzym – anhydrazę węglową (rozdział 9.2). Przeniesienie CO2 z tkanek do krwi, a następnie do powietrza w pęcherzykach płucnych byłoby mniej kompletne w przypadku braku tego enzymu. W rzeczywistości, anhydraza węglowa jest jednym z najszybszych znanych enzymów. Każda molekuła enzymu może uwodnić 106 molekuł CO2 na sekundę. Ta katalizowana reakcja jest 107 razy szybsza niż niekatalizowana. Mechanizm katalizy anhydrazy węglowej omówimy w rozdziale 9. Enzymy są bardzo specyficzne zarówno w reakcjach, które katalizują, jak i w doborze reagentów, które nazywamy substratami. Enzym zazwyczaj katalizuje pojedynczą reakcję chemiczną lub zestaw ściśle powiązanych reakcji. Reakcje uboczne prowadzące do nieekonomicznego tworzenia produktów ubocznych są rzadkie w reakcjach katalizowanych enzymatycznie, w przeciwieństwie do reakcji niekatalizowanych.
Tabela 8.1
Rate enhancement by selected enzymes.
Za przykład niech posłużą enzymy proteolityczne. In vivo, enzymy te katalizują proteolizę, czyli hydrolizę wiązania peptydowego.
Większość enzymów proteolitycznych katalizuje również inną, ale pokrewną reakcję in vitro – mianowicie hydrolizę wiązania estrowego. Takie reakcje są łatwiej monitorowane niż proteoliza i są przydatne w badaniach eksperymentalnych tych enzymów (Sekcja 9.1.2).
Egzymy proteolityczne różnią się znacznie stopniem specyficzności substratowej. Subtylizyna, występująca w niektórych bakteriach, jest całkiem niedyskretna: rozszczepi każde wiązanie peptydowe, nie zwracając uwagi na tożsamość przylegających łańcuchów bocznych. Trypsyna, enzym trawienny, jest dość specyficzna i katalizuje rozszczepianie wiązań peptydowych tylko po stronie karboksylowej reszt lizyny i argininy (rysunek 8.1A). Trombina, enzym biorący udział w krzepnięciu krwi, jest jeszcze bardziej specyficzna niż trypsyna. Katalizuje ona hydrolizę wiązań Arg-Gly tylko w określonych sekwencjach peptydowych (Rysunek 8.1B).
Rysunek 8.1
Specyficzność enzymu. (A) Trypsyna rozszczepia po stronie karboksylowej reszty argininowe i lizynowe, podczas gdy (B) trombina specyficznie rozszczepia wiązania Arg-Gly w określonych sekwencjach.
Polimeraza DNA I, enzym ukierunkowany na szablon (rozdział 27.2), jest kolejnym wysoce specyficznym katalizatorem. Dodaje ona nukleotydy do syntetyzowanej nici DNA w sekwencji określonej przez sekwencję nukleotydów w innej nici DNA, która służy jako szablon. Polimeraza DNA I jest niezwykle precyzyjna w wykonywaniu instrukcji podanych przez szablon. Wstawia niewłaściwy nukleotyd do nowej nici DNA mniej niż jeden na milion razy.
Swoistość enzymu wynika z precyzyjnej interakcji substratu z enzymem. Ta precyzja jest wynikiem zawiłej trójwymiarowej struktury białka enzymu.
8.1.1. Wiele enzymów wymaga kofaktorów do aktywności
Aktywność katalityczna wielu enzymów zależy od obecności małych cząsteczek zwanych kofaktorami, chociaż dokładna rola różni się w zależności od kofaktora i enzymu. Taki enzym bez kofaktora jest określany jako apoenzym; kompletny, aktywny katalitycznie enzym jest nazywany holoenzymem.
Kofaktory można podzielić na dwie grupy: metale i małe cząsteczki organiczne (Tabela 8.2). Na przykład enzym anhydraza węglowa wymaga do swojej aktywności Zn2+ (rozdział 9.2.1). Fosforylaza glikogenu (sekcja 21.1.5), która mobilizuje glikogen do produkcji energii, wymaga małej cząsteczki organicznej – fosforanu pirydoksalu (PLP).
Tabela 8.2
Kofaktory enzymów.
Kofaktory będące małymi cząsteczkami organicznymi nazywane są koenzymami. Często pochodzą z witamin, koenzymy mogą być ściśle lub luźno związane z enzymem. Jeśli są one ściśle związane, nazywane są grupami prostetycznymi. Luźno związane koenzymy są bardziej podobne do kosubstratów, ponieważ wiążą się z enzymem i są z niego uwalniane tak samo jak substraty i produkty. Wykorzystanie tego samego koenzymu przez różne enzymy i ich źródło w witaminach odróżnia jednak koenzymy od zwykłych substratów. Enzymy, które używają tego samego koenzymu, są zazwyczaj mechanicznie podobne. W rozdziale 9 zbadamy mechanistyczne znaczenie kofaktorów dla aktywności enzymów. Bardziej szczegółowe omówienie witamin koenzymów można znaleźć w rozdziale 8.6.
8.1.2. Enzymes May Transform Energy from One Form into Another
W wielu reakcjach biochemicznych energia reagentów jest przekształcana z dużą wydajnością w inną formę. Na przykład, w fotosyntezie, energia świetlna jest przekształcana w energię wiązań chemicznych poprzez gradient jonów. W mitochondriach energia swobodna zawarta w małych cząsteczkach pochodzących z pożywienia jest przekształcana najpierw w energię swobodną gradientu jonowego, a następnie w inną walutę, energię swobodną adenozynotrójfosforanu. Enzymy mogą następnie wykorzystać energię wiązań chemicznych ATP na wiele sposobów. Enzym miozyna przekształca energię ATP w energię mechaniczną kurczących się mięśni. Pompy w błonach komórkowych i organellach, które można traktować jak enzymy przemieszczające substraty, a nie zmieniające je chemicznie, tworzą gradienty chemiczne i elektryczne, wykorzystując energię ATP do transportu cząsteczek i jonów (rysunek 8.2). Mechanizmy molekularne tych enzymów przenoszących energię są obecnie odkrywane. W kolejnych rozdziałach zobaczymy, jak jednokierunkowe cykle dyskretnych kroków – wiązania, przemiany chemicznej i uwalniania – prowadzą do przekształcenia jednej formy energii w inną.
Ryc. 8.2
Enzym przekształcający energię. ATPaza Ca2+ wykorzystuje energię hydrolizy ATP do transportu Ca2+ przez błonę, generując gradient Ca2+.
8.1.3. Enzymes Are Classified on the Basis of the Types of Reactions That They Catalyze
Many enzymów mają nazwy zwyczajowe, które dostarczają niewiele informacji o reakcjach, które katalizują. Na przykład, enzym proteolityczny wydzielany przez trzustkę jest nazywany trypsyną. Większość innych enzymów nazywa się tak, jak ich substraty i reakcje, które katalizują, z dodanym przyrostkiem „ase”. Tak więc, ATPaza jest enzymem, który rozkłada ATP, podczas gdy syntaza ATP jest enzymem, który syntetyzuje ATP.
Aby wprowadzić pewną spójność do klasyfikacji enzymów, w 1964 roku Międzynarodowa Unia Biochemii ustanowiła Komisję Enzymów w celu opracowania nomenklatury dla enzymów. Reakcje zostały podzielone na sześć głównych grup oznaczonych numerami od 1 do 6 (Tabela 8.3). Grupy te podzielono i dalej dzielono, tak że czterocyfrowy numer poprzedzony literami EC oznaczającymi Enzyme Commission mógł precyzyjnie identyfikować wszystkie enzymy.
Tabela 8.3
Sześć głównych klas enzymów.
Przypomnijmy jako przykład kinazę monofosforanu nukleozydów (NMP), enzym, który szczegółowo zbadamy w następnym rozdziale (część 9.4). Katalizuje on następującą reakcję:
Kinaza NMP przenosi grupę fosforanową z ATP na NMP, tworząc difosforan nukleozydowy (NDP) i ADP. W związku z tym jest to transferaza, czyli członek grupy 2. Poza grupami fosforylowymi może być przenoszonych wiele grup, takich jak cukry i jednostki węglowe. Transferazy, które przenoszą grupę fosforylową są oznaczone jako 2.7. Różne grupy funkcyjne mogą przyjmować grupę fosforylową. Jeśli akceptorem jest fosforan, transferaza oznaczona jest jako 2.7.4. Końcowy numer dokładniej określa akceptor. W odniesieniu do kinazy NMP akceptorem jest monofosforan nukleozydu, a enzym oznaczany jest jako EC 2.7.4.4. Chociaż nazwy zwyczajowe są używane rutynowo, numer klasyfikacji jest używany, gdy dokładna tożsamość enzymu może być niejednoznaczna.