Лекция 15. Ензими: структура, свойства, функции.

Конспект на лекцията:

1. Обща характеристика на ензимите.

2. Структурата на ензимите.

3. Механизъм на ензимната катализа.

4. Свойства на ензимите.

5. Номенклатура на ензимите.

6. Класификация на ензимите.

7. изоензими

8. Кинетика на ензимните реакции.

9. Единици за измерване на ензимната активност

1. Обща характеристика на ензимите.

При нормални физиологични условия биохимичните реакции в организма протичат с висока скорост, което се осигурява от биологични катализатори от протеинова природа - ензими.

Те се изучават от науката ензимология - науката за ензимите (ензими), специфични протеини - катализатори, синтезирани от всяка жива клетка и активиращи различни биохимични реакции, протичащи в тялото. Някои клетки могат да съдържат до 1000 различни ензима.

2. Структурата на ензимите.

Ензимите са протеини с високо молекулно тегло. Както всички протеини, ензимите имат първично, вторично, третично и кватернерно ниво на молекулярна организация. Първична структурае последователна комбинация от аминокиселини и се определя от наследствените характеристики на организма; именно той до голяма степен характеризира индивидуалните свойства на ензимите. Вторична структура ензимите са организирани под формата на алфа спирала. Третична структураима формата на глобула и участва в образуването на активни и други центрове. Много ензими имат кватернерна структура и представляват обединение на няколко субединици, всяка от които се характеризира с три нива на организация на молекули, които се различават една от друга, както в качествено, така и в количествено отношение.

Ако ензимите са представени от прости протеини, тоест те се състоят само от аминокиселини, те се наричат ​​прости ензими. Простите ензими включват пепсин, амилаза, липаза (почти всички стомашно-чревни ензими).

Сложните ензими се състоят от протеинови и непротеинови части. Белтъчната част на ензима се нарича - апоензим,непротеинови – коензим.Коензимната и апоензимната форма холоензим.Коензимът може да се свърже с протеиновата част или само за времетраенето на реакцията, или да се свърже един с друг с постоянна силна връзка (тогава непротеиновата част се нарича - протезна група). Във всеки случай непротеиновите компоненти участват пряко в химични реакции чрез взаимодействие със субстрата. Коензимите могат да бъдат представени от:

Нуклеозидни трифосфати.

Минерали (цинк, мед, магнезий).

Активни форми на витамини (B 1 е част от ензима декарбоксилаза, B 2 е част от дехидрогеназа, B 6 е част от трансфераза).

Основни функции на коензимите:

Участие в акта на катализа.

Установяване на контакт между ензим и субстрат.

Стабилизиране на апоензима.

Апоензимът от своя страна усилва каталитичната активност на небелтъчната част и определя специфичността на действието на ензимите.

Всеки ензим съдържа няколко функционални центъра.

Активен център- зона на ензимна молекула, която специфично взаимодейства със субстрата. Активният център е представен от функционални групи от няколко аминокиселинни остатъка, тук се извършва прикрепването и химическата трансформация на субстрата.

Алостеричен центърили регулаторна - това е зоната на ензима, отговорен за прикрепването на активатори и инхибитори. Този център участва в регулирането на ензимната активност.

Тези центрове са разположени в различни части на ензимната молекула.

Ензими, или ензими(от лат. Ферментум- стартер) - обикновено протеинови молекули или РНК молекули (рибозими) или техни комплекси, които ускоряват (катализират) химичните реакции в живите системи.Реагентите в реакция, катализирана от ензими, се наричат ​​субстрати, а получените вещества се наричат ​​продукти. Ензимите са специфични за субстрата (АТФ-азата катализира разграждането само на АТФ, а фосфорилаза киназата фосфорилира само фосфорилазата).

Ензимната активност може да се регулира от активатори и инхибитори (активаторите се увеличават, инхибиторите намаляват).

Протеиновите ензими се синтезират в рибозомите, а РНК се синтезира в ядрото.

Термините „ензим“ и „ензим“ отдавна се използват като синоними (първият главно в руската и немската научна литература, вторият на английски и френски).

Науката за ензимите се нарича ензимология, а не ензимология (за да не се смесват корените на думите на латински и гръцки).

История на изследването

Срок ензимпредложен през 17 век от химика ван Хелмонт, когато се обсъждат механизмите на храносмилането.

В кон. XVIII – ран XIX век Вече беше известно, че месото се усвоява от стомашния сок, а нишестето се превръща в захар под въздействието на слюнката. Механизмът на тези явления обаче беше неизвестен.

През 19 век Луи Пастьор, изучавайки превръщането на въглехидратите в етилов алкохол под действието на дрождите, стигна до извода, че този процес (ферментация) се катализира от определена жизнена сила, намираща се в клетките на дрождите.

Термини преди повече от сто години ензимИ ензимотразява различни гледни точки в теоретичния спор Л. Пастерас, от една страна, и М. Бертлой. Либих - от друга страна, за природата на алкохолната ферментация. Всъщност ензими(от лат. ферментум- закваска) бяха наречени „организирани ензими“ (тоест самите живи микроорганизми) и терминът ензим(от гръцки ἐν- - в- и ζύμη - мая, квас), предложен през 1876 г. от В. Kuehne за „неорганизирани ензими“, секретирани от клетките, например в стомаха (пепсин) или червата (трипсин, амилаза). Две години след смъртта на Л. Пастьор през 1897 г. Е. Бюхнер публикува работата „Алкохолна ферментация без дрождени клетки“, в която експериментално показва, че безклетъчният сок от дрожди извършва алкохолна ферментация по същия начин, както неунищожените дрождени клетки. През 1907 г. той получава Нобелова награда за тази работа. Първият високо пречистен кристален ензим (уреаза) е изолиран през 1926 г. от Дж. Съмнър. През следващите 10 години са изолирани още няколко ензима и най-накрая е доказана протеиновата природа на ензимите.

Каталитичната активност на РНК е открита за първи път през 80-те години на миналия век в пре-рРНК от Томас Чек, който изучава сплайсинга на РНК на ресничестите клетки. Tetrahymena thermophila. Оказа се, че рибозимът е част от пре-рРНК молекулата на Tetrahymena, кодирана от интрона на екстрахромозомния ген на рДНК; този регион извършва автосплайсинг, т.е. изрязва се по време на узряването на рРНК.

Функции на ензимите

Ензимите присъстват във всички живи клетки и спомагат за превръщането на някои вещества (субстрати) в други (продукти). Ензимите действат като катализатори в почти всички биохимични реакции, протичащи в живите организми. До 2013 г. са описани повече от 5000 различни ензими. Те играят жизненоважна роля във всички жизнени процеси, като насочват и регулират метаболизма на тялото.

Както всички катализатори, ензимите ускоряват както правата, така и обратната реакция, намалявайки енергията на активиране на процеса.Химичното равновесие не се измества нито в права, нито в обратна посока. Отличителна черта на ензимите в сравнение с непротеиновите катализатори е тяхната висока специфичност - константата на свързване на някои субстрати към протеина може да достигне 10–10 mol/l или по-малко. Всяка ензимна молекула е способна да извършва от няколко хиляди до няколко милиона „операции“ в секунда.

Например една молекула от ензима ренин, съдържаща се в стомашната лигавица на теле, подсирва около 10 6 молекули млечен казеиноген за 10 минути при температура 37 °C.

Освен това ефективността на ензимите е много по-висока от ефективността на небелтъчните катализатори - ензимите ускоряват реакциите милиони и милиарди пъти, небелтъчните катализатори - стотици и хиляди пъти. Вижте също Каталитично перфектен ензим

Класификация на ензимите

Въз основа на типа реакции, които катализират, ензимите се разделят на 6 класа според йерархичната класификация на ензимите.Класификацията е предложена от Международния съюз по биохимия и молекулярна биология. Всеки клас съдържа подкласове, така че ензимът се описва с набор от четири числа, разделени с точки. Например, pepsi има името EC 3.4.23.1. Първото число грубо описва механизма на реакцията, катализирана от ензима:

CF 1: Оксидоредуктази, катализиращи окисление или редукция. Пример: каталаза, алкохол дехидрогеназа.

CF 2: Трансферази, катализирайки преноса на химични групи от една субстратна молекула към друга. Сред трансферазите особено се отличават киназите, които пренасят фосфатна група, обикновено от ATP молекула.

CF 3: Хидролази, катализиращи хидролизни химични връзки. Пример: естерази, пепсин, трипсин, амилаза, липопротеин липаза.

CF 4: Лиази, като катализира разкъсването на химичните връзки без хидролиза с образуването на двойна връзка в един от продуктите.

CF 5: Изомерази, катализиращи структурни или геометрични промени в молекулата на субстрата.

CF 6: Лигази, катализирайки образуването на химични връзки между субстратите, дължащи се на АТФ хидролиза. Пример: ДНК полимераза.

Оксиредуктази- това са ензими, които катализират реакциите на окисление и редукция, т.е. трансфер на електрони от донор към акцептор. Окислението е отстраняването на водородни атоми от субстрата, а редукцията е добавянето на водородни атоми към акцептора.

Оксидоредуктазите включват: дехидрази, оксидази, оксигенази, хидроксилази, пероксидази, каталази. Например, ензимът алкохол дехидрогеназа катализира реакцията, превръщаща алкохола в алдехид.

Оксидоредуктазите, които пренасят водороден атом или електрони директно към кислородни атоми, се наричат ​​аеробни дехидрогенази (оксидази), докато оксидоредуктазите, които пренасят водороден атом или електрони от един компонент на дихателната верига на ензимите към друг, се наричат ​​анаеробни дехидрогенази. Често срещан вариант на редокс процеса в клетките е окислението на водородните атоми на субстрата с участието на оксиредуктази. Оксидоредуктазите са двукомпонентни ензими, при които един и същ коензим може да се свързва с различни апоензими. Например, много оксидоредуктази съдържат NAD и NADP като коензими. В края на многобройния клас оксиредуктази (на позиция 11) има ензими като каталази и пероксидази. От общия брой протеини в клетъчните пероксизоми до 40 процента са каталаза. Каталазата и пероксидазата разграждат водородния пероксид в следните реакции: H2O2 + H2O2 = O2 + 2H2O H2O2 + HO – R – OH = O=R=O + 2H2O От тези уравнения, както аналогията, така и значителната разлика между тези реакции и ензимите веднага става ясно. В този смисъл, каталазното разцепване на водороден пероксид е специален случай на пероксидазна реакция, където водородният пероксид служи както като субстрат, така и като акцептор в първата реакция.

Трансферази- отделен клас ензими, които катализират прехвърлянето на функционални групи и молекулни остатъци от една молекула в друга. Широко разпространени в растителни и животински организми, те участват в трансформацията на въглехидрати, липиди, нуклеинови киселини и аминокиселини.

Реакциите, катализирани от трансферази, обикновено изглеждат така:

A-X + B ↔ A + B-X.

Молекула Атук действа като донор на група атоми ( х), и молекулата бе акцептор на групата. Често един от коензимите действа като донор в такива реакции на прехвърляне. Много от реакциите, катализирани от трансферази, са обратими. Систематичните наименования на класовите ензими се формират по следната схема:

"донор:акцептор + група + трансфераза».

Или се използват малко по-общи имена, когато името на ензима включва името или на донора, или на акцептора на групата:

"донор + група + трансфераза" или "акцептор + група + трансфераза».

Например, аспартат аминотрансферазата катализира прехвърлянето на аминогрупата от молекулата на глутаминовата киселина, катехол-О-метилтрансферазата пренася метиловата група на S-аденозилметионина към бензеновия пръстен на различни катехоламини, а ахистон ацетилтрансферазата пренася ацетилната група от ацетил-коензим A към хистон в процеса на активиране на транскрипцията.

В допълнение, ензими от подгрупа 7 на трансферази, които пренасят остатък от фосфорна киселина, използвайки АТФ като донор на фосфатната група, често се наричат ​​също кинази; аминотрансферазите (подгрупа 6) често се наричат ​​трансаминази

Хидролази(KF3) са клас ензими, които катализират хидролитичните ковалентни връзки. Общата форма на реакция, катализирана от хидролаза, е следната:

A–B + H 2 O → A–OH + B–H

Систематичното наименование на хидролазите включва име на делящо се веществосубстратпоследвано от добавянето -хидролаза. Въпреки това, като правило, в тривиално име думата хидролаза се пропуска и остава само наставката "-aza".

Най-важните представители

Естерази: нуклеаза, фосфодиестераза, липаза, фосфатаза;

Гликозидази: амилаза, лизозим и др.;

Протеази: трипсин, химотрипсин, еластаза, тромбин, ренин и др.;

Хидролаза на киселинен анхидрид (хеликаза, GTPase)

Като катализатори, ензимите ускоряват както правата, така и обратната реакция, следователно, например, лиазите могат да катализират обратната реакция - добавяне при двойни връзки.

Лиази- отделен клас ензими, които катализират реакции на нехидролитично и неокислително разцепване на различни химични връзки ( C-C, C-O, C-N, C-Sи други) на субстрата, обратими реакции на образуване и разцепване на двойни връзки, придружени от елиминиране или добавяне на групи от атоми на негово място, както и образуване на циклични структури.

Най-общо имената на ензимите се образуват по схемата „ субстрат+ лиаза.” Въпреки това, по-често името взема предвид подкласа на ензима. Лиазите се различават от другите ензими по това, че катализираните реакции включват два субстрата в една посока, но само един в обратната реакция. Името на ензима съдържа думите „декарбоксилаза“ и „алдолаза“ или „лиаза“ (пируват декарбоксилаза, оксалат декарбоксилаза, оксалоацетат декарбоксилаза, треонин алдолаза, фенилсерин алдолаза, изоцитрат лиаза, аланин лиаза, АТФ цитрат лиаза и др.) и за ензими, които катализират реакциите на извличане на вода от субстрата - "дехидратаза" (карбонатна дехидратаза, цитратна дехидратаза, серин дехидратаза и др.). В случаите, когато се открива само обратната реакция или тази посока в реакциите е по-значима, думата "синтаза" присъства в наименованието на ензимите (малат синтаза, 2-изопропилмалат синтаза, цитрат синтаза, хидроксиметилглутарил-КоА синтаза, и т.н.).

Примери: хистидин декарбоксилаза, фумарат хидратаза.

Изомерази- ензими, които катализират структурни трансформации на изомери (рацемизация или епимеризация). Изомеразите катализират реакции, подобни на следните: A → B, където B е изомер на A.

Името на ензима съдържа думата " рацемаза" (аланин рацемаза, метионин рацемаза, хидроксипролин рацемаза, лактат рацемаза и др.), " епимераза" (алдозо-1-епимераза, рибулоза фосфат-4-епимераза, UDP-глюкуронат-4-епимераза и др.), " изомераза" (рибоза фосфат изомераза, ксилоза изомераза, глюкозамин фосфат изомераза, еноил-КоА изомераза и др.), " мутаза(фосфоглицерат мутаза, метиласпартат мутаза, фосфогликомутаза и др.).

Лигаза(лат. ligāre- кръстосано свързване, свързване) - ензим, който катализира свързването на две молекули за образуване на нова химична връзка ( лигиране). В този случай обикновено се получава елиминиране (хидролиза) на малка химична група от една от молекулите.

Лигазите принадлежат към ензимния клас ЕС 6.

В молекулярната биология лигазите от подклас 6.5 се класифицират на РНК лигази и ДНК лигази.

ДНК лигази

ДНК лигаза, извършваща възстановяване на ДНК

ДНК лигази- ензими (EC 6.5.1.1), които катализират ковалентното кръстосано свързване на ДНК вериги в дуплекс по време на репликация, възстановяване и рекомбинация. Те образуват фосфодиестерни мостове между 5"-фосфорилните и 3"-хидроксилните групи на съседни дезоксинуклеотиди при прекъсвания на ДНК или между две ДНК молекули. За да образуват тези мостове, лигазите използват енергията от хидролизата на пирофосфорилната връзка на АТФ. Един от най-разпространените търговски налични ензими е бактериофаг Т4 ДНК лигаза.

ДНК лигази на бозайници

При бозайниците се класифицират три основни типа ДНК лигази.

ДНК лигаза I лигира Okazaki фрагменти по време на репликацията на изоставащата ДНК верига и участва в ексцизионното възстановяване.

ДНК лигаза III, в комплекс с протеина XRCC1, участва в ексцизионното възстановяване и рекомбинация.

ДНК лигаза IV, в комплекс с XRCC4, катализира последния етап на свързване на нехомоложни краища (NHEJ) на двуверижни разкъсвания на ДНК. Също така е необходим за V(D)J рекомбинация на имуноглобулинови гени.

Преди това беше изолиран друг тип лигаза - ДНК лигаза II, която по-късно беше разпозната като артефакт на изолирането на протеин, а именно продуктът на протеолизата на ДНК лигаза III.

Конвенции за именуване на ензими

Ензимите обикновено се наименуват според вида на реакцията, която катализират, като се добавя наставката -азакъм името на субстрата ( Например, лактазата е ензим, участващ в превръщането на лактозата). По този начин различни ензими, изпълняващи една и съща функция, ще имат едно и също име. Такива ензими се отличават с други свойства, например чрез оптимално рН (алкална фосфатаза) или локализация в клетката (мембранна АТФ-аза).

Структура и механизъм на действие на ензимите

Активността на ензимите се определя от тяхната триизмерна структура.

Както всички протеини, ензимите се синтезират като линейна верига от аминокиселини, която се нагъва по специфичен начин. Всяка последователност от аминокиселини се нагъва по специален начин и получената молекула (протеинова глобула) има уникални свойства. Няколко протеинови вериги могат да се комбинират, за да образуват протеинов комплекс Третичната структура на протеините се разрушава при нагряване или излагане на определени химикали.

Активно място на ензими

Изследването на механизма на химическа реакция, катализирана от ензим, заедно с определянето на междинни и крайни продукти на различни етапи от реакцията, предполага прецизно познаване на геометрията на третичната структура на ензима, природата на функционалните групи на неговата молекула, осигуряваща специфичност на действие и висока каталитична активност върху даден субстрат, както и химическата природа на региона (регионите) на молекулата ензим, който осигурява висока скорост на каталитична реакция. Обикновено субстратните молекули, участващи в ензимните реакции, са относително малки по размер в сравнение с ензимните молекули. По този начин, по време на образуването на ензим-субстратни комплекси, само ограничени фрагменти от аминокиселинната последователност на полипептидната верига влизат в пряко химично взаимодействие - „активен център“ - уникална комбинация от аминокиселинни остатъци в ензимната молекула, осигуряваща директно взаимодействие със субстратната молекула и пряко участие в акта на катализа.

Активният център условно се разделя на:

каталитичен център - директно химически взаимодействащ със субстрата;

свързващ център (контактно или "котвящо" място) - осигуряване на специфичен афинитет към субстрата и образуването на ензим-субстратния комплекс.

За да катализира реакция, ензимът трябва да се свърже с един или повече субстрати. Протеиновата верига на ензима се сгъва по такъв начин, че се образува празнина или вдлъбнатина на повърхността на глобулата, където се свързват субстратите. Тази област се нарича място за свързване на субстрата. Обикновено съвпада или е близо до активното място на ензима. Някои ензими също съдържат места за свързване на кофактори или метални йони.

Ензимът се свързва със субстрата:

почиства основата от водно „слойче“

подрежда реагиращите субстратни молекули в пространството по начина, необходим за протичане на реакцията

подготвя субстратните молекули за реакция (например поляризира).

Обикновено ензимът се прикрепя към субстрата чрез йонни или водородни връзки, рядко чрез ковалентни връзки. В края на реакцията нейният продукт (или продукти) се отделят от ензима.

В резултат на това ензимът намалява енергията на активиране на реакцията. Това е така, защото в присъствието на ензима реакцията следва различен път (всъщност възниква различна реакция), например:

При липса на ензим:

В присъствието на ензим:

• AF+B = AVF

  AVF = AB+F

където A, B са субстрати, AB е реакционният продукт, F е ензимът.

Ензимите не могат самостоятелно да осигурят енергия за ендергонични реакции (които изискват енергия, за да се появят). Следователно ензимите, които извършват такива реакции, ги свързват с екзергонични реакции, които освобождават повече енергия. Например, реакциите на синтез на биополимер често се свързват с реакции на хидролиза на АТФ.

Активните центрове на някои ензими се характеризират с явлението кооперативност.

Специфичност

Ензимите обикновено показват висока специфичност за техните субстрати (субстратна специфичност). Това се постига чрез частична комплементарност между формата, разпределението на заряда и хидрофобните участъци върху молекулата на субстрата и мястото на свързване на субстрата върху ензима. Ензимите обикновено показват високи нива на стереоспецифичност (образуват само един от възможните стереоизомери като продукт или използват само един стереоизомер като субстрат), региоселективност (образуват или разрушават химична връзка само в една от възможните позиции на субстрата) и химиоселективност (катализиране само на една химична реакция от няколко възможни за дадени условия). Въпреки общото високо ниво на специфичност, степента на субстратна и реакционна специфичност на ензимите може да варира. Например, ендопептидазата трипсин разрушава пептидната връзка само след аргинин или лизин, ако те не са последвани от пролин, е много по-малко специфична и може да разкъса пептидната връзка след много аминокиселини.

През 1890 г. Емил Фишер предлага специфичността на ензимите да се определя от точното съвпадение между формата на ензима и субстрата. Това предположение се нарича модел ключ-заключване. Ензимът се свързва със субстрата, за да образува краткотраен ензим-субстратен комплекс. Въпреки това, въпреки че този модел обяснява високата специфичност на ензимите, той не обяснява феномена на стабилизиране на преходното състояние, който се наблюдава на практика.

Модел на предизвикано съответствие

През 1958 г. Даниел Кошланд предлага модификация на модела ключ-заключване. Ензимите обикновено не са твърди, а гъвкави молекули. Активното място на ензима може да промени конформацията след свързване със субстрат. Страничните групи на аминокиселините на активния център заемат позиция, която позволява на ензима да изпълнява своята каталитична функция. В някои случаи молекулата на субстрата също променя конформацията след свързване в активния център. За разлика от модела ключ-заключване, моделът на индуцираното прилягане обяснява не само спецификата на ензимите, но и стабилизирането на преходното състояние. Този модел се нарича "ръка ръкавица".

Модификации

Много ензими претърпяват модификации след синтеза на протеиновата верига, без които ензимът не проявява напълно своята активност. Такива модификации се наричат ​​посттранслационни модификации (обработка). Един от най-често срещаните видове модификации е добавянето на химични групи към страничните остатъци на полипептидната верига. Например, добавянето на остатък от фосфорна киселина се нарича фосфорилиране и се катализира от ензима киназа. Много еукариотни ензими са гликозилирани, т.е. модифицирани от олигомери с въглехидратна природа.

Друг често срещан тип посттранслационна модификация е разцепването на полипептидната верига. Например, химотрипсин (протеаза, участваща в храносмилането) се получава чрез разцепване на полипептидна област от химотрипсиноген. Химотрипсиногенът е неактивен прекурсор на химотрипсин и се синтезира в панкреаса. Неактивната форма се транспортира до стомаха, където се превръща в химотрипсин. Този механизъм е необходим, за да се избегне разцепването на панкреаса и други тъкани, преди ензимът да навлезе в стомаха. Неактивният ензимен прекурсор се нарича още "зимоген".

Ензимни кофактори

Някои ензими изпълняват каталитичната функция самостоятелно, без допълнителни компоненти. Въпреки това, има ензими, които изискват непротеинови компоненти, за да извършат катализа. Кофакторите могат да бъдат или неорганични молекули (метални йони, клъстери желязо-сяра и т.н.), или органични (например флавинил хем). Органичните кофактори, които са тясно свързани с ензима, се наричат ​​също простетични групи. Органичните кофактори, които могат да бъдат отделени от ензима, се наричат ​​коензими.

Ензим, който изисква наличието на кофактор за каталитична активност, но не е свързан с него, се нарича апо ензим. Apo ензим в комбинация с кофактор се нарича холо ензим. Повечето кофактори са свързани с ензима чрез нековалентни, но доста силни взаимодействия. Има и простетични групи, които са ковалентно свързани с ензима, например тиамин пирофосфат в пируват дехидрогеназа.

Регулиране на ензимите

Някои ензими имат места за свързване на малки молекули и могат да бъдат субстрати или продукти на метаболитния път, в който ензимът влиза. Те намаляват или повишават активността на ензима, което създава възможност за обратна връзка.

Инхибиране от крайния продукт

Метаболитният път е верига от последователни ензимни реакции. Често крайният продукт на метаболитен път е инхибитор на ензим, който ускорява първата реакция в този метаболитен път. Ако има твърде много от крайния продукт, тогава той действа като инхибитор за първия ензим и ако след това има твърде малко от крайния продукт, тогава първият ензим се активира отново. По този начин инхибирането от крайния продукт според принципа на отрицателната обратна връзка е важен начин за поддържане на хомеостазата (относително постоянство на условията на вътрешната среда на тялото).

Влияние на условията на околната среда върху ензимната активност

Активността на ензимите зависи от условията в клетката или тялото – налягане, киселинност на средата, температура, концентрация на разтворени соли (йонна сила на разтвора) и др.

Множество форми на ензими

Множеството форми на ензими могат да бъдат разделени на две категории:

Изоензими

Правилни форми за множествено число (вярно)

Изоензими- това са ензими, чийто синтез се кодира от различни гени, имат различни първични структури и различни свойства, но катализират една и съща реакция. Видове изоензими:

Орган - ензими за гликолиза в черния дроб и мускулите.

Клетъчна - малат дехидрогеназа цитоплазмена и митохондриална (ензимите са различни, но катализират една и съща реакция).

Хибридни - ензими с кватернерна структура, образувани в резултат на нековалентно свързване на отделни субединици (лактатдехидрогеназа - 4 субединици от 2 вида).

Мутантен - образува се в резултат на единична генна мутация.

Алоензимите са кодирани от различни алели на един и същи ген.

Всъщност форми за множествено число(true) са ензими, чийто синтез е кодиран от един и същи алел на един и същи ген, те имат същата първична структура и свойства, но след синтез върху рибозомахоните претърпяват модификации и стават различни, въпреки че катализират една и съща реакция.

Изоензимите са различни на генетично ниво и се различават от първичната последователност, а истинските множествени форми стават различни на пост-транслационно ниво.

Медицинско значение

Връзката между ензимите и наследствените метаболитни заболявания е установена за първи път от A. Garrod през 1910 г. Гаррод нарича болестите, свързани с ензимни дефекти, „вродени грешки на метаболизма“.

Ако настъпи мутация в гена, кодиращ определен ензим, аминокиселинната последователност на ензима може да се промени. Освен това в резултат на повечето мутации неговата каталитична активност намалява или изчезва напълно. Ако един организъм получи два такива мутантни гена (по един от всеки родител), химическата реакция, катализирана от този ензим, спира да протича в тялото. Например, появата на албиноси се свързва с прекратяването на производството на ензима тирозиназа, който е отговорен за един от етапите на синтеза на тъмния пигмент меланин.Фенилкетонурия се свързва с намалена или липсваща активност на ензима фенилаланин- 4-хидроксилаза в черния дроб.

Понастоящем са известни стотици наследствени заболявания, свързани с ензимни дефекти. Разработени са методи за лечение и профилактика на много от тези заболявания.

Практическа употреба

Ензимите се използват широко в националната икономика - хранително-вкусовата, текстилната промишленост, фармакологията и медицината. Повечето лекарства влияят върху хода на ензимните процеси в организма, като стартират или спират определени реакции.

Обхватът на използване на ензимите в научните изследвания и медицината е още по-широк.

В клетката на всеки жив организъм протичат милиони химични реакции. Всеки от тях е от голямо значение, така че е важно да се поддържа скоростта на биологичните процеси на високо ниво. Почти всяка реакция се катализира от собствен ензим. Какво представляват ензимите? Каква е тяхната роля в клетката?

Ензими. Определение

Терминът "ензим" произлиза от латинското fermentum - закваска. Те могат да бъдат наречени и ензими от гръцкия en zyme - „в маята“.

Ензимите са биологично активни вещества, така че всяка реакция, протичаща в клетката, не може да се случи без тяхно участие. Тези вещества действат като катализатори. Съответно всеки ензим има две основни свойства:

1) Ензимът ускорява биохимичната реакция, но не се изразходва.

2) Стойността на равновесната константа не се променя, а само ускорява постигането на тази стойност.

Ензимите ускоряват биохимичните реакции хиляди, а в някои случаи милиони пъти. Това означава, че при липса на ензимен апарат всички вътреклетъчни процеси практически ще спрат и самата клетка ще умре. Следователно ролята на ензимите като биологично активни вещества е голяма.

Разнообразието от ензими позволява многостранно регулиране на клетъчния метаболизъм. Много ензими от различни класове участват във всяка реакционна каскада. Биологичните катализатори са силно селективни поради специфичната конформация на молекулата. Тъй като ензимите в повечето случаи са от протеинова природа, те са разположени в третична или четвъртична структура. Това отново се обяснява със спецификата на молекулата.

Функции на ензимите в клетката

Основната задача на ензима е да ускори съответната реакция. Всяка каскада от процеси, от разлагането на водороден пероксид до гликолизата, изисква наличието на биологичен катализатор.

Правилното функциониране на ензимите се постига чрез висока специфичност към специфичен субстрат. Това означава, че един катализатор може да ускори само определена реакция и никаква друга, дори много подобна. Според степента на специфичност се разграничават следните групи ензими:

1) Ензими с абсолютна специфичност, когато се катализира само една единствена реакция. Например колагеназата разгражда колагена, а малтазата разгражда малтозата.

2) Ензими с относителна специфичност. Това включва вещества, които могат да катализират определен клас реакции, например хидролитично разцепване.

Работата на биокатализатор започва от момента, в който неговият активен център се прикрепи към субстрата. В този случай те говорят за допълващо взаимодействие като ключалка и ключ. Тук имаме предвид пълното съвпадение на формата на активния център със субстрата, което дава възможност за ускоряване на реакцията.

Следващият етап е самата реакция. Скоростта му се увеличава поради действието на ензимен комплекс. В крайна сметка получаваме ензим, който се свързва с продуктите на реакцията.

Крайният етап е отделянето на реакционните продукти от ензима, след което активният център отново се освобождава за следващата работа.

Схематично работата на ензима на всеки етап може да се напише, както следва:

1) S + E ——> SE

2) SE ——> SP

3) SP ——> S + P, където S е субстратът, E е ензимът и P е продуктът.

Класификация на ензимите

Огромен брой ензими могат да бъдат намерени в човешкото тяло. Всички знания за техните функции и работа бяха систематизирани и в резултат на това се появи единна класификация, благодарение на която лесно можете да определите за какво е предназначен конкретен катализатор. Тук са представени 6-те основни класа ензими, както и примери за някои от подгрупите.

1. Оксидоредуктази.

Ензимите от този клас катализират редокс реакции. Разграничават се общо 17 подгрупи. Оксидоредуктазите обикновено имат непротеинова част, представена от витамин или хем.

Сред оксидоредуктазите често се срещат следните подгрупи:

а) Дехидрогенази. Биохимията на дехидрогеназните ензими включва отстраняването на водородните атоми и прехвърлянето им към друг субстрат. Тази подгрупа най-често се среща в реакциите на дишане и фотосинтеза. Дехидрогеназите задължително съдържат коензим под формата на NAD/NADP или флавопротеини FAD/FMN. Често се срещат метални йони. Примерите включват ензими като цитохром редуктаза, пируват дехидрогеназа, изоцитрат дехидрогеназа, както и много чернодробни ензими (лактат дехидрогеназа, глутамат дехидрогеназа и др.).

б) Оксидази. Редица ензими катализират добавянето на кислород към водорода, в резултат на което реакционните продукти могат да бъдат вода или водороден пероксид (H 2 0, H 2 0 2). Примери за ензими: цитохромоксидаза, тирозиназа.

в) Пероксидазите и каталазите са ензими, които катализират разграждането на H 2 O 2 до кислород и вода.

г) Оксигенази. Тези биокатализатори ускоряват добавянето на кислород към субстрата. Допамин хидроксилазата е един пример за такива ензими.

2. Трансферази.

Задачата на ензимите от тази група е да прехвърлят радикали от донорно вещество към реципиентно вещество.

а) Метилтрансферази. ДНК метилтрансферазите са основните ензими, които контролират процеса на репликация на нуклеотиди и играят голяма роля в регулирането на функционирането на нуклеиновите киселини.

б) Ацилтрансферази. Ензимите от тази подгрупа транспортират ацилна група от една молекула в друга. Примери за ацилтрансферази: лецитин холестерол ацилтрансфераза (прехвърля функционална група от мастна киселина към холестерол), лизофосфатидилхолин ацилтрансфераза (прехвърля ацилна група към лизофосфатидилхолин).

в) Аминотрансферазите са ензими, които участват в превръщането на аминокиселините. Примери за ензими: аланин аминотрансфераза, която катализира синтеза на аланин от пируват и глутамат чрез трансфер на аминогрупа.

г) Фосфотрансферази. Ензимите от тази подгрупа катализират добавянето на фосфатна група. Друго име за фосфотрансферази, кинази, е много по-често срещано. Примерите включват ензими като хексокинази и аспартат кинази, които добавят фосфорни остатъци съответно към хексози (най-често глюкоза) и аспарагинова киселина.

3. Хидролази - клас ензими, които катализират разцепването на връзките в молекулата с последващо добавяне на вода. Веществата, които принадлежат към тази група, са основните храносмилателни ензими.

а) Естерази - разкъсват етерните връзки. Пример са липазите, които разграждат мазнините.

б) Гликозидази. Биохимията на ензимите от тази серия се състои в разрушаването на гликозидни връзки на полимери (полизахариди и олигозахариди). Примери: амилаза, сукраза, малтаза.

в) Пептидазите са ензими, които катализират разграждането на протеините до аминокиселини. Пептидазите включват ензими като пепсини, трипсин, химотрипсин и карбоксипептидаза.

г) Амидази – разцепват амидните връзки. Примери: аргиназа, уреаза, глутаминаза и др. Много амидазни ензими се намират в

4. Лиазите са ензими, които са подобни по функция на хидролазите, но разцепването на връзките в молекулите не изисква вода. Ензимите от този клас винаги съдържат непротеинова част, например под формата на витамини В1 или В6.

а) Декарбоксилаза. Тези ензими действат върху С-С връзката. Примерите включват глутамат декарбоксилаза или пируват декарбоксилаза.

б) Хидратазите и дехидратазите са ензими, които катализират реакцията на разцепване на С-О връзки.

в) Амидин лиази – разрушават C-N връзките. Пример: аргинин сукцинат лиаза.

d) P-O лиаза. Такива ензими, като правило, разцепват фосфатна група от субстратно вещество. Пример: аденилат циклаза.

Биохимията на ензимите се основава на тяхната структура

Способностите на всеки ензим се определят от неговата индивидуална, уникална структура. Всеки ензим е преди всичко протеин и неговата структура и степен на нагъване играят решаваща роля при определяне на неговата функция.

Всеки биокатализатор се характеризира с наличието на активен център, който от своя страна е разделен на няколко независими функционални области:

1) Каталитичният център е специална област на протеина, чрез която ензимът се прикрепя към субстрата. В зависимост от конформацията на протеиновата молекула, каталитичният център може да приеме различни форми, които трябва да пасват на субстрата точно както ключалката пасва на ключ. Тази сложна структура обяснява какво е в третичното или кватернерното състояние.

2) Адсорбционен център - действа като „държател“. Тук на първо място възниква връзката между молекулата на ензима и молекулата на субстрата. Въпреки това, връзките, образувани от адсорбционния център, са много слаби, което означава, че каталитичната реакция на този етап е обратима.

3) Алостеричните центрове могат да бъдат разположени както в активния център, така и по цялата повърхност на ензима като цяло. Тяхната функция е да регулират функционирането на ензима. Регулирането се осъществява с помощта на инхибиторни молекули и активаторни молекули.

Протеините-активатори, като се свързват с молекулата на ензима, ускоряват неговата работа. Инхибиторите, от друга страна, инхибират каталитичната активност и това може да се случи по два начина: или молекулата се свързва с алостерично място в областта на активното място на ензима (конкурентно инхибиране), или се свързва с друга област на протеин (неконкурентно инхибиране). считани за по-ефективни. В крайна сметка това затваря мястото за свързване на субстрата с ензима и този процес е възможен само в случай на почти пълно съвпадение на формата на молекулата на инхибитора и активния център.

Ензимът често се състои не само от аминокиселини, но и от други органични и неорганични вещества. Съответно апоензимът е протеиновата част, коензимът е органичната част, а кофакторът е неорганичната част. Коензимът може да бъде представен от въглехидрати, мазнини, нуклеинови киселини и витамини. От своя страна кофактор най-често са спомагателни метални йони. Активността на ензимите се определя от неговата структура: допълнителни вещества, включени в състава, променят каталитичните свойства. Различните видове ензими са резултат от комбинацията на всички изброени фактори при образуването на комплекса.

Регулиране на ензимите

Ензимите като биологично активни вещества не винаги са необходими на организма. Биохимията на ензимите е такава, че те могат, ако се катализират прекомерно, да навредят на жива клетка. За да се предотврати вредното въздействие на ензимите върху тялото, е необходимо по някакъв начин да се регулира тяхната работа.

Тъй като ензимите са протеини по природа, те лесно се разрушават при високи температури. Процесът на денатурация е обратим, но може значително да повлияе на ефективността на веществата.

pH също играе голяма роля в регулирането. Най-високата ензимна активност обикновено се наблюдава при неутрални стойности на pH (7,0-7,2). Има и ензими, които работят само в кисела среда или само в алкална среда. По този начин в клетъчните лизозоми се поддържа ниско рН, при което активността на хидролитичните ензими е максимална. Ако случайно попаднат в цитоплазмата, където средата вече е по-близо до неутрална, тяхната активност ще намалее. Тази защита срещу „самоизяждане“ се основава на особеностите на работата на хидролазите.

Заслужава да се спомене значението на коензима и кофактора в състава на ензимите. Наличието на витамини или метални йони значително влияе върху функционирането на някои специфични ензими.

Ензимна номенклатура

Всички ензими в тялото обикновено се наименуват в зависимост от тяхната принадлежност към някой от класовете, както и от субстрата, с който реагират. Понякога в името се използва не един, а два субстрата.

Примери за имена на някои ензими:

1. Чернодробни ензими: лактат дехидрогеназа, глутамат дехидрогеназа.
2. Пълно систематично наименование на ензима: лактат-NAD+-оксидоредуктаза.

Запазени са и тривиални имена, които не се придържат към правилата на номенклатурата. Примери са храносмилателни ензими: трипсин, химотрипсин, пепсин.

Процес на синтез на ензими

Функциите на ензимите се определят на генетично ниво. Тъй като молекулата като цяло е протеин, нейният синтез точно повтаря процесите на транскрипция и транслация.

Синтезът на ензима се извършва по следната схема. Първо, информацията за желания ензим се чете от ДНК, което води до образуването на иРНК. Messenger RNA кодира всички аминокиселини, които изграждат ензима. Регулирането на ензимите може да се случи и на ниво ДНК: ако продуктът от катализираната реакция е достатъчен, генната транскрипция спира и обратно, ако има нужда от продукта, процесът на транскрипция се активира.

След навлизането на иРНК в цитоплазмата на клетката започва следващият етап – транслацията. На рибозомите на ендоплазмения ретикулум се синтезира първичната верига, състояща се от аминокиселини, свързани с пептидни връзки. Въпреки това, протеиновата молекула в първичната структура все още не може да изпълнява своите ензимни функции.

Активността на ензимите зависи от структурата на протеина. На същия EPS се получава усукване на протеини, в резултат на което се образуват първо вторични и след това третични структури. Синтезът на някои ензими спира вече на този етап, но за активиране на каталитичната активност често е необходимо добавянето на коензим и кофактор.

В определени области на ендоплазмения ретикулум се добавят органичните компоненти на ензима: монозахариди, нуклеинови киселини, мазнини, витамини. Някои ензими не могат да работят без наличието на коензим.

Кофакторът играе решаваща роля при формирането на някои ензимни функции са налични само когато протеинът достигне доменна организация. Следователно за тях е много важно наличието на кватернерна структура, в която свързващото звено между няколко протеинови глобули е метален йон.

Множество форми на ензими

Има ситуации, когато е необходимо да има няколко ензима, които катализират една и съща реакция, но се различават един от друг по някои параметри. Например, един ензим може да работи при 20 градуса, но при 0 градуса вече няма да може да изпълнява функциите си. Какво трябва да прави живият организъм в такава ситуация при ниски температури на околната среда?

Този проблем се решава лесно чрез наличието на няколко ензима, които катализират една и съща реакция, но работят при различни условия. Има два вида множество форми на ензими:

1. Изоензими. Такива протеини са кодирани от различни гени, състоят се от различни аминокиселини, но катализират една и съща реакция.
2. Истински форми за множествено число. Тези протеини се транскрибират от същия ген, но модификацията на пептидите се извършва върху рибозомите. Резултатът е няколко форми на един и същ ензим.

В резултат на това първият тип множество форми се формира на генетично ниво, докато вторият тип се формира на посттранслационно ниво.

Значението на ензимите

В медицината всичко се свежда до пускането на нови лекарства, които вече съдържат вещества в необходимите количества. Учените все още не са открили начин да стимулират синтеза на липсващите ензими в организма, но днес има широко разпространени лекарства, които могат временно да компенсират техния дефицит.

Различни ензими в клетката катализират голям брой реакции, свързани с поддържането на живота. Едни от тези енизми са представители на групата нуклеази: ендонуклеази и екзонуклеази. Тяхната задача е да поддържат постоянно ниво на нуклеинови киселини в клетката и да отстраняват увредената ДНК и РНК.

Не забравяйте за феномена съсирване на кръвта. Като ефективна защитна мярка, този процес се контролира от редица ензими. Основният е тромбинът, който превръща неактивния протеин фибриноген в активен фибрин. Неговите нишки създават вид мрежа, която запушва мястото на увреждане на съда, като по този начин предотвратява прекомерната загуба на кръв.

Ензимите се използват във винопроизводството, пивоварството и производството на много ферментирали млечни продукти. Дрождите могат да се използват за производство на алкохол от глюкоза, но екстракт от нея е достатъчен, за да протече успешно този процес.

Интересни факти, за които не сте знаели

Всички ензими в тялото имат огромна маса - от 5000 до 1 000 000 Da. Това се дължи на наличието на протеин в молекулата. За сравнение: молекулното тегло на глюкозата е 180 Da, а въглеродният диоксид е само 44 Da.

Към днешна дата са открити повече от 2000 ензима, които са открити в клетките на различни организми. Повечето от тези вещества обаче все още не са напълно проучени.

Ензимната активност се използва за производството на ефективни прахове за пране. Тук ензимите изпълняват същата роля като в тялото: те разграждат органичните вещества и това свойство помага в борбата с петната. Препоръчително е да използвате такъв прах за пране при температура не по-висока от 50 градуса, в противен случай може да настъпи денатурация.

Според статистиката 20% от хората по света страдат от дефицит на някой от ензимите.

Свойствата на ензимите са били известни от много дълго време, но едва през 1897 г. хората осъзнават, че не самата мая, а екстракт от нейните клетки може да се използва за ферментиране на захар в алкохол.

Ензими (от лат. Fermentum - ферментация) , или ензими (от гръцки еп - вътре, суме - квас) - протеинови съединения, които са биологични катализатори.Науката за ензимите се нарича ензимология.Ензимните молекули са протеини или рибонуклеинова киселина (РНК). РНК ензимите се наричат рибозимии се считат за оригиналната форма на ензими, които са били заменени от протеинови ензими по време на еволюцията.

Структурна и функционална организация. Ензимните молекули са по-големи по размер от молекулите на субстрата и имат сложна пространствена конфигурация, главно глобуларна структура.

Поради големия размер на ензимните молекули възниква силно електрическо поле, при което: а) ензимите придобиват асиметрична форма, отслабват връзките и предизвикват промяна в тяхната структура; б) ориентацията на субстратните молекули става възможна. Функционалната организация на ензимите е свързана с центъра - това е специална малка част от протеиновата молекула, която може да свърже субстрата и по този начин да осигури каталитичната активност на ензима. Активният център на простите ензими е комбинация от определени аминокиселини във веригата, за да образуват вид „джоб“, в който се извършват каталитични трансформации на субстрата. При комплексните ензими броят на активните центрове е равен на броя на субединиците, а това са кофактори със съседни протеинови функционални групи. В допълнение към активния център, някои ензими имат алостеричен център, който регулира функционирането на активния център.

Имоти . Има някои общи и отличителни черти между ензимите и неорганичните катализатори. Общото между тях е, че те: а) могат да катализират само термодинамично възможни реакции и да ускоряват само онези реакции, които могат да протичат без тях, но с по-ниска скорост; б) не се използват по време на реакцията и не са част от крайните продукти; б) не изместват химичното равновесие, а само ускоряват неговото настъпване. Ензимите също имат някои специфични свойства, които неорганичните катализатори нямат.

Ензимите не се разрушават при реакции, така че много малко количество от тях причинява трансформацията на голямо количество субстрат (например 1 молекула каталаза може да разгради повече от 5 милиона молекули H2O2 за 1 минута). Зоните ускоряват скоростта на химичните реакции при нормални условия, но самите те не се изразходват. Всичко това заедно определя свойствата на ензими като напр висока биологична активност. Оптималното действие на повечето ензими се проявява при температура 37-40 ° C. С повишаване на температурата активността на ензимите намалява и впоследствие спира напълно, а след + 80 ° C те се унищожават. При ниски температури (под 0 ° C) ензимите спират действието си, но не се разрушават. И така, ензимите се характеризират термична чувствителност.

Ензимите проявяват своята активност при определена концентрация на Н йони, поради което говорят за рН зависимост.Оптималното действие на повечето ензими се наблюдава в среда, близка до неутралната.

Имот като специфичност или селективностсе проявява във факта, че всеки ензим действа върху специфичен субстрат, като катализира само една „своя“ реакция. Селективността на ензимното действие се определя от протеиновия компонент.

Ензимите са катализатори с контролирана активност, които могат да бъдат значително променени от определени химични съединения, които увеличават или намаляват скоростта на катализираната реакция. Металните катиони и аниони действат като активатори

киселини, органични вещества и инхибитори - катиони на тежки метали и др. Това свойство се нар контролируемост на действието (алостеричност). Ензимите се образуват само когато се появи субстрат, който индуцира неговия синтез ( индуцируемост), а „изключването“ на действието на ензимите обикновено се извършва от излишък от продукти на асимилация ( репресивност). Ензимните реакции са обратими, което се дължи на способността на ензимите да катализират права и обратна реакция. Например, липазата може, при определени условия, да разгражда мазнините до глицерол и мастни киселини, както и да катализира синтеза им от разпадни продукти ( повторяемост на действието).

Механизъм на действие. Важно е да се разбере механизмът на действие на ензимите върху протичането на химични реакции теория на активния център, хипотеза за ключалката и ключаИ хипотеза за индуцирано съответствие.Според теория на активния център,в молекулата на всеки ензим има една или повече области, в които протича биокатализа поради тесен контакт между ензима и субстрата. Хипотеза ключ-заключване(1890, E. Fischer) обяснява спецификата на ензимите чрез съвпадение на формата на ензима (заключване) и субстрата (ключ). Ензимът се комбинира със субстрата, за да образува временен ензим-субстратен комплекс. Хипотеза за предизвикано съответствие(1958, Д. Кошланд). се основава на твърдението, че ензимите са гъвкави молекули, поради което конфигурацията на активния център в тях претърпява промени в присъствието на субстрат, т.е. ензимът ориентира своите функционални групи така, че да осигури най-голяма каталитична активност. Субстратната молекула, когато е прикрепена към ензима, също променя конфигурацията си, за да увеличи реактивността.

Разнообразие . В съвременната ензимология са известни над 3000 ензима. Ензимите обикновено се класифицират според техния химичен състав и вида на реакциите, върху които влияят. Класификацията на ензимите по химичен състав включва прости и сложни ензими. Прости ензими (еднокомпонентен) - съдържат само протеиновата част. Повечето ензими от тази група могат да кристализират. Пример за прости ензими е рибонуклеаза, хидролази (амилаза, липаза, протеаза), уреаза и др. Комплексни ензими (двукомпонентен) - се състои от апоензимИ кофактор.Протеиновият компонент, който определя специфичността на комплексните ензими и се синтезира, като правило, от тялото и е чувствителен към температура, е апоензим. Небелтъчен компонент, който определя активността на сложни ензими и като правило влиза в тялото под формата на прекурсори или в готов вид и остава стабилен при неблагоприятни условия, е кофактор. Кофакторите могат да бъдат или неорганични молекули (например метални йони), или органични молекули (например флавин). Органичните кофактори, които са постоянно свързани с ензима, се наричат ​​простетични групи. Органичните кофактори, които могат да бъдат отделени от ензима, се наричат ​​коензими. комплексни ензими са оксидоредуктази (например каталаза), лигази (например ДНК полимераза, тРНК синтетази), лиази и др.

Ензимните реакции се делят на анаболни (реакции на синтез) и катаболни (реакции на разлагане), а съвкупността от всички тези процеси в живата система се нарича метаболизъм. В рамките на тези групи процеси се разграничават видове ензимни реакции, според които ензимите се разделят на 6 класа: оксидоредуктази, трансферази, хидролази, лиази, изомеразиИ лигази

1. Оксидоредуктазикатализират окислително-редукционни реакции (прехвърляне на електрони и Н атоми от един субстрат към друг).

2. Трансферазиускоряват реакциите на трансфер (прехвърляне на химични групи от един субстрат към друг).

3. Хидролазиса ензими на реакции на хидролиза (разделяне на субстрати с участието на вода).

4. Лиазикатализират реакции на нехидролитично разлагане (разцепване на субстрати без участието на вода с образуване на двойна връзка и без използване на АТФ енергия).

5. Изомеразивлияят на скоростта на реакциите на изомеризация (вътремолекулно движение на различни групи).

6. Лигазикатализират реакциите на синтез (комбинацията от молекули, използващи енергията на АТФ и образуването на нови връзки).

Един ензим обикновено се наименува според вида на реакцията, която катализира, като се добави наставката -азакъм името на субстрата (например лактазата е ензим, участващ в превръщането на лактозата).

Значения. Ензимите осигуряват химични трансформации на веществата поради редукция активираща енергия,тоест, при намаляване на нивото на енергия, необходимо за осигуряване на реактивност на молекула (например, за разрушаване на връзката между азот и въглерод в лабораторни условия са необходими около 210 kJ, докато в една биосистема се изразходват само 42-50 kJ за това). Ензимите, присъстващи във всички живи клетки, допринасят за превръщането на някои вещества (субстрати) в други (продукти). Ензимите действат като катализатори в почти всички биохимични реакции, протичащи в живите организми - те катализират около 4000 химически отделни биореакции.Ензимите играят жизненоважна роля във всички жизнени процеси, насочвайки или регулирайки метаболизма на тялото. Ензимите се използват широко в селското стопанство.

Някои примери за употребата на ензими в човешките дейности

индустрия	ензими	Използване
хранително-вкусовата промишленост	Пектиназа	За запалване на плодови сокове
	глюкозооксидаза	За консервиране на месо, сокове, бира като антисжиснювач
		За разграждане на нишестето до глюкоза, която се ферментира от мая по време на печене на хляб
	Пепсин, трипсин	За производство на „готови” зърнени закуски и детски храни
		За производство на сирене
Лека промишленост	Пептихидролиза	За омекотяване на кожи и отстраняване на косми от тях
фармацевтична индустрия		За премахване на плаката в пастите за зъби
	колагеназа	За почистване на рани от изгаряния, измръзване, варикозни язви като част от мехлеми и нови видове превръзки
Химическа индустрия	бактериални протеази	За пране на дрехи с биопрахове с ензимни добавки
селско стопанство	целулаза	Фуражни ензими за повишаване на хранителната стойност на фуража
	бактериални протеази	За получаване на фуражни протеини
Генното инженерство	Лигази и рестрикционни ензими	За рязане и зашиване на ДНК молекули с цел модифициране на тяхната наследствена информация
козметична индустрия	Калагенази	За подмладяване на кожата в кремове и маски

Нуклеиновите киселини са съединения, които свързват миналото с бъдещето.

ЕНЗИМИ
органични вещества с протеинова природа, които се синтезират в клетките и многократно ускоряват протичащите в тях реакции, без да се подлагат на химични трансформации. Вещества с подобно действие съществуват и в неживата природа и се наричат ​​катализатори. Ензимите (от лат. fermentum - ферментация, квас) понякога се наричат ​​ензими (от гръцки en - вътре, zyme - квас). Всички живи клетки съдържат много голям набор от ензими, чиято каталитична активност определя функционирането на клетките. Почти всяка от многото различни реакции, протичащи в клетката, изисква участието на специфичен ензим. Изследването на химичните свойства на ензимите и реакциите, които те катализират, е специална, много важна област на биохимията - ензимологията. Много ензими са в свободно състояние в клетката, просто разтворени в цитоплазмата; други са свързани със сложни, високо организирани структури. Има и ензими, които обикновено се намират извън клетката; По този начин ензимите, които катализират разграждането на нишестето и протеините, се секретират от панкреаса в червата. Секретира се от ензими и много микроорганизми. Първите данни за ензимите са получени от изследването на процесите на ферментация и смилане. Л. Пастьор има голям принос в изучаването на ферментацията, но смята, че само живи клетки могат да извършват съответните реакции. В началото на 20в. E. Buchner показа, че ферментацията на захароза за образуване на въглероден диоксид и етилов алкохол може да се катализира от безклетъчен екстракт от дрожди. Това важно откритие стимулира изолирането и изследването на клетъчните ензими. През 1926 г. J. Sumner от университета Корнел (САЩ) изолира уреаза; това беше първият ензим, получен в почти чиста форма. Оттогава са открити и изолирани повече от 700 ензима, но много повече съществуват в живите организми. Идентифицирането, изолирането и изследването на свойствата на отделните ензими заемат централно място в съвременната ензимология. Ензимите, участващи в основните процеси на преобразуване на енергията, като разграждането на захарите и образуването и хидролизата на високоенергийното съединение аденозин трифосфат (АТФ), присъстват във всички видове клетки – животински, растителни, бактериални. Има обаче ензими, които се произвеждат само в тъканите на определени организми. По този начин ензимите, участващи в синтеза на целулоза, се намират в растителните клетки, но не и в животинските клетки. Поради това е важно да се прави разлика между „универсалните“ ензими и ензимите, специфични за определени видове клетки. Най-общо казано, колкото по-специализирана е клетката, толкова по-вероятно е тя да синтезира набор от ензими, необходими за изпълнение на определена клетъчна функция.
Ензимите са като протеините.Всички ензими са протеини, прости или сложни (т.е. съдържащи, заедно с протеиновия компонент, непротеинова част).
Вижте също ПРОТЕИНИ. Ензимите са големи молекули с молекулни тегла, вариращи от 10 000 до над 1 000 000 далтона (Da). За сравнение посочваме това маси на известни вещества: глюкоза - 180, въглероден диоксид - 44, аминокиселини - от 75 до 204 Da. Ензимите, които катализират едни и същи химични реакции, но изолирани от различни видове клетки, се различават по свойства и състав, но обикновено имат известно сходство в структурата. Лесно се губят структурните характеристики на ензимите, необходими за тяхното функциониране. Така при нагряване настъпва преструктуриране на протеиновата верига, придружено от загуба на каталитична активност. Алкалните или киселинните свойства на разтвора също са важни. Повечето ензими работят най-добре в разтвори, чието pH е близо до 7, когато концентрацията на H+ и OH- йони е приблизително еднаква. Това се дължи на факта, че структурата на протеиновите молекули и следователно активността на ензимите силно зависи от концентрацията на водородни йони в средата. Не всички протеини, присъстващи в живите организми, са ензими. По този начин различна функция се изпълнява от структурни протеини, много специфични кръвни протеини, протеинови хормони и др.
Коензими и субстрати.Много ензими с голямо молекулно тегло проявяват каталитична активност само в присъствието на специфични вещества с ниско молекулно тегло, наречени коензими (или кофактори). Повечето витамини и много минерали играят ролята на коензими; затова те трябва да постъпват в организма с храната. Витамините РР (никотинова киселина или ниацин) и рибофлавин, например, са част от коензимите, необходими за функционирането на дехидрогеназите. Цинкът е коензим на карбоанхидразата, ензим, който катализира освобождаването на въглероден диоксид от кръвта, който се отстранява от тялото заедно с издишания въздух. Желязото и медта служат като компоненти на респираторния ензим цитохромоксидаза. Веществото, което претърпява трансформация в присъствието на ензим, се нарича субстрат. Субстратът се свързва с ензим, който ускорява разкъсването на някои химични връзки в неговата молекула и създаването на други; полученият продукт се отделя от ензима. Този процес е представен по следния начин:

Продуктът може да се счита и за субстрат, тъй като всички ензимни реакции са обратими в една или друга степен. Вярно е, че равновесието обикновено се измества към образуването на продукта и обратната реакция може да бъде трудна за откриване.
Механизъм на действие на ензимите.Скоростта на ензимната реакция зависи от концентрацията на субстрата [[S]] и количеството на наличния ензим. Тези количества определят колко ензимни молекули ще се комбинират със субстрата и скоростта на реакцията, катализирана от този ензим, зависи от съдържанието на ензимно-субстратния комплекс. В повечето ситуации, представляващи интерес за биохимиците, концентрацията на ензима е много ниска и субстратът присъства в излишък. Освен това биохимиците изучават процеси, които са достигнали стабилно състояние, при което образуването на ензимно-субстратен комплекс се балансира чрез превръщането му в продукт. При тези условия зависимостта на скоростта (v) на ензимната трансформация на субстрата от неговата концентрация [[S]] се описва с уравнението на Михаелис-Ментен:

където KM е константата на Михаелис, характеризираща активността на ензима, V е максималната скорост на реакцията при дадена обща концентрация на ензима. От това уравнение следва, че при малък [[S]] скоростта на реакцията нараства пропорционално на концентрацията на субстрата. Въпреки това, с достатъчно голямо увеличение на последното, тази пропорционалност изчезва: скоростта на реакцията престава да зависи от [[S]] - насищане настъпва, когато всички ензимни молекули са заети от субстрата. Изясняването на механизмите на действие на ензимите във всички подробности е въпрос на бъдещето, но някои от техните важни характеристики вече са установени. Всеки ензим има едно или повече активни места, към които се свързва субстрата. Тези центрове са силно специфични, т.е. „разпознават“ само „своя“ субстрат или тясно свързани съединения. Активният център се образува от специални химични групи в ензимната молекула, ориентирани една спрямо друга по определен начин. Загубата на ензимна активност, която се случва толкова лесно, е свързана именно с промяна във взаимната ориентация на тези групи. Молекулата на субстрата, свързана с ензима, претърпява промени, в резултат на което някои химични връзки се разкъсват и се образуват други химични връзки. За да се случи този процес, е необходима енергия; ролята на ензима е да понижи енергийната бариера, която субстратът трябва да преодолее, за да се превърне в продукт. Как точно се осигурява такова намаление не е напълно установено.
Ензимни реакции и енергия.Освобождаването на енергия от метаболизма на хранителните вещества, като окисляването на шествъглеродната захар глюкоза до образуване на въглероден диоксид и вода, се осъществява чрез поредица от съгласувани ензимни реакции. В животинските клетки 10 различни ензима участват в превръщането на глюкозата в пирогроздена киселина (пируват) или млечна киселина (лактат). Този процес се нарича гликолиза. Първата реакция, фосфорилирането на глюкозата, изисква участието на АТФ. Превръщането на всяка молекула глюкоза в две молекули пирогроздена киселина изисква две молекули АТФ, но на междинните етапи 4 молекули АТФ се образуват от аденозин дифосфат (ADP), така че целият процес произвежда 2 молекули АТФ. След това пирогроздената киселина се окислява до въглероден диоксид и вода с участието на ензими, свързани с митохондриите. Тези трансформации образуват цикъл, наречен цикъл на трикарбоксилната киселина или цикъл на лимонената киселина.
Вижте също МЕТАБОЛИЗЪМ. Окисляването на едно вещество винаги е свързано с редукция на друго: първото отдава водороден атом, а второто го добавя. Тези процеси се катализират от дехидрогенази, които осигуряват преноса на водородни атоми от субстрати към коензими. В цикъла на трикарбоксилната киселина някои специфични дехидрогенази окисляват субстратите, за да образуват редуцирана форма на коензима (никотинамид динуклеотид, обозначен като NAD), докато други окисляват редуцирания коензим (NADCH), намалявайки други респираторни ензими, включително цитохроми (желязосъдържащи хемопротеини) , в който железният атом се редува между окислен и след това редуциран. В крайна сметка редуцираната форма на цитохромоксидазата, един от ключовите ензими, съдържащи желязо, се окислява от кислорода, влизащ в тялото ни с вдишвания въздух. Когато захарта гори (окисление от атмосферния кислород), нейните въглеродни атоми директно взаимодействат с кислорода, образувайки въглероден диоксид. За разлика от горенето, когато захарта се окислява в тялото, кислородът окислява самото желязо цитохромоксидаза, но неговият окислителен потенциал в крайна сметка се използва за пълно окисляване на захарите в многоетапен процес, медииран от ензими. В определени етапи на окисление енергията, съдържаща се в хранителните вещества, се освобождава главно на малки порции и може да се съхранява във фосфатните връзки на АТФ. В това участват забележителни ензими, които свързват окислителните реакции (осигуряване на енергия) с реакциите на образуване на АТФ (съхраняване на енергия). Този процес на конюгиране е известен като окислително фосфорилиране. Без свързани ензимни реакции животът във формите, които познаваме, не би бил възможен. Ензимите изпълняват и много други функции. Те катализират различни реакции на синтез, включително образуването на тъканни протеини, мазнини и въглехидрати. Цели ензимни системи се използват за синтезиране на огромния набор от химични съединения, открити в сложни организми. Това изисква енергия и във всички случаи нейният източник са фосфорилирани съединения като АТФ.

Ензими и храносмилане.Ензимите са необходими участници в процеса на храносмилане. Само съединения с ниско молекулно тегло могат да преминат през чревната стена и да навлязат в кръвния поток, така че компонентите на храната трябва първо да бъдат разградени на малки молекули. Това се случва по време на ензимната хидролиза (разграждане) на протеини в аминокиселини, нишесте в захари, мазнини в мастни киселини и глицерол. Протеинова хидролиза се катализира от ензима пепсин, открит в стомаха. Редица високоефективни храносмилателни ензими се секретират в червата от панкреаса. Това са трипсин и химотрипсин, които хидролизират протеините; липаза, която разгражда мазнините; амилаза, която катализира разграждането на нишестето. Пепсинът, трипсинът и химотрипсинът се секретират в неактивна форма, под формата на т.нар. зимогени (проензими) и стават активни само в стомаха и червата. Това обяснява защо тези ензими не унищожават клетките на панкреаса и стомаха. Стените на стомаха и червата са защитени от храносмилателни ензими и слой слуз. Няколко важни храносмилателни ензима се секретират от клетките на тънките черва. Повечето от енергията, съхранявана в растителни храни, като трева или сено, е концентрирана в целулоза, която се разгражда от ензима целулаза. Този ензим не се синтезира в тялото на тревопасните животни, а преживните, като говеда и овце, могат да ядат храна, съдържаща целулоза, само защото целулазата се произвежда от микроорганизми, които населяват първата част на стомаха - търбуха. Термитите също използват микроорганизми за смилане на храната. Ензимите се използват в хранително-вкусовата, фармацевтичната, химическата и текстилната промишленост. Пример за това е растителен ензим, получен от папая и използван за омекотяване на месо. В праховете за пране също се добавят ензими.
Ензими в медицината и селското стопанство.Осъзнаването на ключовата роля на ензимите във всички клетъчни процеси доведе до широкото им използване в медицината и селското стопанство. Нормалното функциониране на всеки растителен и животински организъм зависи от ефективното функциониране на ензимите. Действието на много токсични вещества (отрови) се основава на способността им да инхибират ензимите; Редица лекарства имат същия ефект. Често действието на дадено лекарство или токсично вещество може да се проследи чрез избирателния му ефект върху функционирането на определен ензим в организма като цяло или в отделна тъкан. Например мощните органофосфорни инсектициди и нервнопаралитичните газове, разработени за военни цели, имат своя разрушителен ефект, като блокират работата на ензимите - предимно холинестеразата, която играе важна роля в предаването на нервните импулси. За да разберем по-добре механизма на действие на лекарствата върху ензимните системи, е полезно да разгледаме как действат някои ензимни инхибитори. Много инхибитори се свързват с активното място на ензима – същото място, с което взаимодейства субстратът. В такива инхибитори най-важните структурни характеристики са близки до структурните характеристики на субстрата и ако и субстратът, и инхибиторът присъстват в реакционната среда, има конкуренция между тях за свързване с ензима; Освен това, колкото по-висока е концентрацията на субстрата, толкова по-успешно той се конкурира с инхибитора. Инхибиторите от друг тип предизвикват конформационни промени в ензимната молекула, които включват функционално важни химични групи. Изучаването на механизма на действие на инхибиторите помага на химиците да създават нови лекарства.