Enzymer påskyndar reaktioner med en faktor på upp till en miljon eller mer (tabell 8.1). Faktum är att de flesta reaktioner i biologiska system inte äger rum med märkbar hastighet i avsaknad av enzymer. Till och med en så enkel reaktion som hydrering av koldioxid katalyseras av ett enzym – nämligen kolsyraanhydras (avsnitt 9.2). Överföringen av koldioxid från vävnaderna till blodet och sedan till den alveolära luften skulle vara mindre fullständig i avsaknad av detta enzym. Kolsyreanhydras är faktiskt ett av de snabbaste kända enzymerna. Varje enzymmolekyl kan hydratisera 106 koldioxidmolekyler per sekund. Denna katalyserade reaktion är 107 gånger så snabb som den okatalyserade. Vi kommer att överväga mekanismen för katalysen av kolsyreanhydras i kapitel 9. Enzymer är mycket specifika både när det gäller de reaktioner som de katalyserar och när det gäller valet av reaktanter, som kallas substrat. Ett enzym katalyserar vanligtvis en enda kemisk reaktion eller en uppsättning närbesläktade reaktioner. Sidoreaktioner som leder till slösaktig bildning av biprodukter är sällsynta i enzymkatalyserade reaktioner, till skillnad från okatalyserade reaktioner.
Tabell 8.1
Hastighetsförbättring genom utvalda enzymer.
Låt oss betrakta proteolytiska enzymer som ett exempel. In vivo katalyserar dessa enzymer proteolys, hydrolysen av en peptidbindning.
De flesta proteolytiska enzymer katalyserar också en annan men besläktad reaktion in vitro – nämligen hydrolysen av en esterbindning. Sådana reaktioner är lättare att övervaka än proteolys och är användbara vid experimentella undersökningar av dessa enzymer (avsnitt 9.1.2).
Proteolytiska enzymer skiljer sig markant åt vad gäller graden av substratspecificitet. Subtilisin, som finns i vissa bakterier, är helt urskillningslöst: det klyver vilken peptidbindning som helst utan att ta hänsyn till identiteten hos de intilliggande sidokedjorna. Trypsin, ett matsmältningsenzym, är ganska specifikt och katalyserar klyvningen av peptidbindningar endast på karboxylsidan av lysin- och argininrester (figur 8.1A). Trombin, ett enzym som deltar i blodets koagulering, är ännu mer specifikt än trypsin. Det katalyserar hydrolysen av Arg-Gly-bindningar i särskilda peptidsekvenser endast (figur 8.1B).
Figur 8.1
Enzymspecificitet. (A) Trypsin klyver på karboxylsidan av arginin- och lysinrester, medan (B) trombin klyver Arg-Gly-bindningar i särskilda sekvenser specifikt.
DNA-polymeras I, ett mallstyrt enzym (avsnitt 27.2), är en annan mycket specifik katalysator. Det lägger till nukleotider till en DNA-sträng som håller på att syntetiseras, i en sekvens som bestäms av sekvensen av nukleotider i en annan DNA-sträng som tjänar som mall. DNA-polymeras I är anmärkningsvärt exakt när det gäller att utföra de instruktioner som ges av mallen. Det infogar fel nukleotid i en ny DNA-sträng mindre än en på en miljon gånger.
Ett enzyms specificitet beror på den exakta interaktionen mellan substratet och enzymet. Denna precision är ett resultat av enzymproteinets intrikata tredimensionella struktur.
8.1.1. Många enzymer kräver kofaktorer för aktivitet
Den katalytiska aktiviteten hos många enzymer är beroende av närvaron av små molekyler som kallas kofaktorer, även om den exakta rollen varierar med kofaktorn och enzymet. Ett sådant enzym utan sin kofaktor kallas apoenzym; det kompletta, katalytiskt aktiva enzymet kallas holoenzym.
Kofaktorer kan delas in i två grupper: metaller och små organiska molekyler (tabell 8.2). Enzymet karbonanhydras kräver till exempel Zn2+ för sin aktivitet (avsnitt 9.2.1). Glykogenfosforylas (avsnitt 21.1.5), som mobiliserar glykogen för energi, kräver den lilla organiska molekylen pyridoxalfosfat (PLP).
Tabell 8.2
Enzymkofaktorer.
Kofaktorer som är små organiska molekyler kallas koenzymer. Koenzymerna, som ofta härrör från vitaminer, kan vara antingen tätt eller löst bundna till enzymet. Om de är tätt bundna kallas de prostetiska grupper. Löst bundna koenzymer liknar mer kosubstrat eftersom de binds till och frigörs från enzymet precis som substrat och produkter. Användningen av samma koenzym av en mängd olika enzymer och deras ursprung i vitaminer skiljer dock koenzymer från normala substrat. Enzymer som använder samma koenzym är vanligtvis mekaniskt sett likartade. I kapitel 9 kommer vi att undersöka den mekanistiska betydelsen av kofaktorer för enzymaktiviteten. En mer detaljerad diskussion om koenzymvitaminer finns i avsnitt 8.6.
8.1.2. Enzymer kan omvandla energi från en form till en annan
I många biokemiska reaktioner omvandlas reaktanternas energi med hög effektivitet till en annan form. I fotosyntesen omvandlas till exempel ljusenergi till energi från kemiska bindningar genom en jongradient. I mitokondrier omvandlas den fria energi som finns i små molekyler som härrör från maten först till den fria energin i en jongradient och sedan till en annan valuta, den fria energin i adenosintrifosfat. Enzymerna kan sedan använda ATP:s kemiska bindningsenergi på många olika sätt. Enzymet myosin omvandlar ATP-energin till den mekaniska energin i sammandragande muskler. Pumpar i cellers och organellers membran, som kan ses som enzymer som flyttar substrat i stället för att kemiskt förändra dem, skapar kemiska och elektriska gradienter genom att använda ATP:s energi för att transportera molekyler och joner (figur 8.2). De molekylära mekanismerna för dessa energitransporterande enzymer håller på att avslöjas. Vi kommer i kommande kapitel att se hur enkelriktade cykler av diskreta steg – bindning, kemisk omvandling och frisättning – leder till omvandling av en energiform till en annan.
Figur 8.2
Ett energiomvandlande enzym. Ca2+ ATPas använder energin från ATP-hydrolys för att transportera Ca2+ över membranet, vilket genererar en Ca2+-gradient.
8.1.3. Enzymer klassificeras utifrån de typer av reaktioner som de katalyserar
Många enzymer har vanliga namn som ger lite information om de reaktioner som de katalyserar. Ett proteolytiskt enzym som utsöndras av bukspottkörteln kallas till exempel trypsin. De flesta andra enzymer har namn för sina substrat och för de reaktioner som de katalyserar, med tillägget ”ase”. Ett ATPas är således ett enzym som bryter ner ATP, medan ATP-syntas är ett enzym som syntetiserar ATP.
För att skapa en viss enhetlighet i klassificeringen av enzymer inrättade Internationella biokemiunionen 1964 en enzymkommission för att utveckla en nomenklatur för enzymer. Reaktionerna delades in i sex huvudgrupper som numrerades från 1 till 6 (tabell 8.3). Dessa grupper underindelades och ytterligare underindelades, så att ett fyrsiffrigt nummer föregånget av bokstäverna EC för Enzyme Commission exakt kunde identifiera alla enzymer.
Tabell 8.3
Sex huvudklasser av enzymer.
Konsultera som exempel nukleosidmonofosfat (NMP)-kinas, ett enzym som vi kommer att undersöka i detalj i nästa kapitel (avsnitt 9.4). Det katalyserar följande reaktion:
NMP kinas överför en fosforylgrupp från ATP till NMP för att bilda ett nukleosiddifosfat (NDP) och ADP. Följaktligen är det ett transferas eller medlem av grupp 2. Många grupper utöver fosforylgrupper, t.ex. sockerarter och kolenheter, kan överföras. Transferaser som flyttar en fosforylgrupp betecknas som 2.7. Olika funktionella grupper kan ta emot fosforylgruppen. Om en fosfat är acceptorn betecknas transferaset som 2.7.4. Det slutliga numret anger acceptorn mer exakt. När det gäller NMP-kinas är en nukleosidmonofosfat acceptorn, och enzymets beteckning är EC 2.7.4.4. Även om de vanliga namnen används rutinmässigt, används klassificeringsnumret när enzymets exakta identitet kan vara tvetydig.