Enzimele accelerează reacțiile cu factori de până la un milion sau mai mult (tabelul 8.1). Într-adevăr, majoritatea reacțiilor din sistemele biologice nu au loc la viteze perceptibile în absența enzimelor. Chiar și o reacție atât de simplă precum hidratarea dioxidului de carbon este catalizată de o enzimă – și anume, anhidraza carbonică (secțiunea 9.2). Transferul de CO2 din țesuturi în sânge și apoi în aerul alveolar ar fi mai puțin complet în absența acestei enzime. De fapt, anhidraza carbonică este una dintre cele mai rapide enzime cunoscute. Fiecare moleculă de enzimă poate hidrata 106 molecule de CO2 pe secundă. Această reacție catalizată este de 107 ori mai rapidă decât cea necatalizată. Vom analiza mecanismul de cataliză a anhidrazei carbonice în capitolul 9. Enzimele sunt foarte specifice atât în ceea ce privește reacțiile pe care le catalizează, cât și în ceea ce privește alegerea reactanților, care se numesc substraturi. De obicei, o enzimă catalizează o singură reacție chimică sau un set de reacții strâns legate între ele. Reacțiile secundare care duc la formarea inutilă de subproduse sunt rare în reacțiile catalizate de enzime, spre deosebire de cele necatalizate.
Tabel 8.1
Creșterea vitezei de către enzimele selectate.
Să luăm ca exemplu enzimele proteolitice. In vivo, aceste enzime catalizează proteoliza, hidroliza unei legături peptidice.
Majoritatea enzimelor proteolitice catalizează, de asemenea, o reacție diferită, dar înrudită in vitro – și anume, hidroliza unei legături esterice. Astfel de reacții sunt mai ușor de monitorizat decât proteoliza și sunt utile în investigațiile experimentale ale acestor enzime (secțiunea 9.1.2).
Enzimele proteolitice diferă în mod semnificativ în ceea ce privește gradul lor de specificitate a substratului. Subtilizina, care se găsește în anumite bacterii, este destul de puțin discriminatorie: va scinda orice legătură peptidică fără să țină seama de identitatea lanțurilor laterale adiacente. Tripsina, o enzimă digestivă, este destul de specifică și catalizează scindarea legăturilor peptidice numai pe partea carboxilică a reziduurilor de lizină și arginină (figura 8.1A). Trombina, o enzimă care participă la coagularea sângelui, este și mai specifică decât tripsina. Ea catalizează hidroliza legăturilor Arg-Gly numai în anumite secvențe peptidice (figura 8.1B).
Figura 8.1
Specificitatea enzimei. (A) tripsina clivează pe partea carboxilică a reziduurilor de arginină și lizină, în timp ce (B) trombina clivează în mod specific legăturile Arg-Gly în anumite secvențe.
ADN polimeraza I, o enzimă dirijată de șablon (secțiunea 27.2), este un alt catalizator foarte specific. Aceasta adaugă nucleotide la o catenă de ADN care este în curs de sinteză, într-o secvență determinată de secvența de nucleotide dintr-o altă catenă de ADN care servește drept șablon. ADN polimeraza I este remarcabil de precisă în executarea instrucțiunilor date de șablon. Ea inserează nucleotidul greșit într-o nouă catenă de ADN de mai puțin de o dată la un milion de ori.
Specificitatea unei enzime se datorează interacțiunii precise a substratului cu enzima. Această precizie este rezultatul structurii tridimensionale complicate a proteinei enzimei.
8.1.1. Multe enzime au nevoie de cofactori pentru activitate
Activitatea catalitică a multor enzime depinde de prezența unor molecule mici denumite cofactori, deși rolul precis variază în funcție de cofactor și de enzimă. O astfel de enzimă fără cofactorul său se numește apoenzimă; enzima completă, activă din punct de vedere catalitic, se numește holoenzimă.
Cofactori pot fi subîmpărțiți în două grupe: metale și molecule organice mici (tabelul 8.2). Enzima anhidraza carbonică, de exemplu, are nevoie de Zn2+ pentru activitatea sa (secțiunea 9.2.1). Glicogen fosforilaza (secțiunea 21.1.5), care mobilizează glicogenul pentru energie, necesită mica moleculă organică fosfat de piridoxal (PLP).
Tabel 8.2
Cofactori enzimatici.
Cofactori care sunt molecule organice mici se numesc coenzime. Adesea derivați din vitamine, coenzimele pot fi fie strâns sau slab legate de enzimă. Dacă sunt strâns legați, se numesc grupe protetice. Coenzimele slab asociate se aseamănă mai mult cu cosubstanțele, deoarece se leagă și sunt eliberate de enzimă la fel ca și substraturile și produsele. Cu toate acestea, utilizarea aceleiași coenzime de către o varietate de enzime și sursa lor în vitamine diferențiază coenzimele de substraturile normale. Enzimele care utilizează aceeași coenzimă sunt de obicei similare din punct de vedere mecanic. În capitolul 9, vom examina importanța mecanicistă a cofactorilor pentru activitatea enzimatică. O discuție mai detaliată despre vitaminele coenzimei poate fi găsită în secțiunea 8.6.
8.1.2. Enzimele pot transforma energia dintr-o formă în alta
În multe reacții biochimice, energia reactanților este transformată cu mare eficiență într-o formă diferită. De exemplu, în fotosinteză, energia luminoasă este transformată în energie de legătură chimică prin intermediul unui gradient de ioni. În mitocondrii, energia liberă conținută în moleculele mici provenite din alimente este convertită mai întâi în energia liberă a unui gradient de ioni și apoi într-o monedă diferită, energia liberă a adenozin trifosfatului. Enzimele pot utiliza apoi energia legăturii chimice a ATP în mai multe moduri. Enzima miozină convertește energia ATP în energie mecanică de contracție a mușchilor. Pompele din membranele celulelor și organitelor, care pot fi considerate ca fiind enzime care deplasează substraturile în loc să le modifice chimic, creează gradienți chimici și electrici prin utilizarea energiei ATP pentru a transporta molecule și ioni (figura 8.2). Mecanismele moleculare ale acestor enzime care transportă energie sunt în curs de deslușire. Vom vedea în capitolele următoare cum cicluri unidirecționale de pași discreți – legare, transformare chimică și eliberare – conduc la conversia unei forme de energie în alta.
Figura 8.2
O enzimă de transformare a energiei. Ca2+ ATPază utilizează energia hidrolizei ATP pentru a transporta Ca2+ prin membrană, generând un gradient de Ca2+.
8.1.3. Enzimele sunt clasificate pe baza tipurilor de reacții pe care le catalizează
Multe enzime au denumiri comune care oferă puține informații despre reacțiile pe care le catalizează. De exemplu, o enzimă proteolitică secretată de pancreas se numește tripsină. Cele mai multe alte enzime sunt denumite în funcție de substraturile lor și de reacțiile pe care le catalizează, la care se adaugă sufixul „ase”. Astfel, o ATPază este o enzimă care descompune ATP, în timp ce ATP-sintetaza este o enzimă care sintetizează ATP.
Pentru a aduce o anumită coerență în clasificarea enzimelor, în 1964, Uniunea Internațională de Biochimie a înființat o Comisie pentru enzime pentru a dezvolta o nomenclatură pentru enzime. Reacțiile au fost împărțite în șase grupe majore numerotate de la 1 la 6 (tabelul 8.3). Aceste grupe au fost subdivizate și subdivizate în continuare, astfel încât un număr de patru cifre precedat de literele EC pentru Enzyme Commission să poată identifica cu precizie toate enzimele.
Tabel 8.3
Cele șase clase majore de enzime.
Considerăm ca exemplu nucleozid monofosfat kinaza (NMP), o enzimă pe care o vom examina în detaliu în capitolul următor (secțiunea 9.4). Aceasta catalizează următoarea reacție:
NMP kinaza transferă o grupare fosforil de la ATP la NMP pentru a forma un nucleozid difosfat (NDP) și ADP. În consecință, este o transferază, sau membră a grupei 2. Pe lângă grupele fosforil, pot fi transferate multe alte grupe, cum ar fi zaharuri și unități de carbon. Transferazele care deplasează o grupare fosforil sunt denumite 2.7. Diverse grupe funcționale pot accepta grupa fosforil. În cazul în care acceptorul este un fosfat, transferaza este desemnată 2.7.4. Numărul final desemnează mai precis acceptorul. În ceea ce privește NMP kinaza, acceptorul este un monofosfat de nucleozidă, iar denumirea enzimei este EC 2.7.4.4.4. Deși denumirile comune sunt folosite în mod obișnuit, numărul de clasificare este utilizat atunci când identitatea precisă a enzimei ar putea fi ambiguă.
.