Struktura mechanizmu działania i biologiczne funkcje katalizatorów.

W każdym żywym organizmie zachodzi szereg reakcji chemicznych i większość z nich prowadzi do stanu równowagi substancji reagujących. To, czy dana reakcja w ogóle będzie zachodzić, a jeśli tak, to, w którym kierunku, zależy przede wszystkim od stosunków energetycznych między związkami chemicznymi biorącymi w niej udział, ich stężenia i rozpuszczalności.
Dla prawie każdej reakcji chemicznej istnieje pewna ilość energii konieczna do zapoczątkowania reakcji, zwana energią aktywacji. Jednak bardzo często energia wewnętrzna (kinetyczna) reagujących ze sobą substancji jest niewystarczająca, aby przekroczyć próg energetyczny reakcji, czyli nie posiadają dostatecznie dużej energii aktywacji. Dlatego większość z nich wymaga dostarczenia energii z zewnątrz, gdyż w przeciwnym razie dany proces będzie przebiegał bardzo wolno lub nie zostanie zainicjowany w ogóle.

Taki problem pojawia się w reakcjach przeprowadzanych przez żywe organizmy. W temperaturach, w jakich może on funkcjonować, tempo reakcji jest bardzo małe, wręcz niezauważalne. Energia wewnętrzna układu, który ma reagować jest zbyt niska i dlatego atomy lub cząsteczki zderzają się ze sobą zbyt rzadko i niezbyt mocno, a to nie wystarcza do pokonania bariery progu energetycznego reakcji.
Istnieje kilka sposobów, dzięki którym możemy znacznie skrócić czas trwania reakcji, a tym samym zwiększyć jej prędkość.
· Pierwszym z nich jest dostarczenie energii do układu poprzez podniesienie temperatury. Z pewnością taki zabieg pozwoli nam przyspieszyć daną reakcję jednak w konsekwencji doprowadzi to do śmierci organizmu. Wynika to z faktu, iż białka ustrojowe ulegają denaturacji już w 45C.
· Następnym, równie mało skutecznym sposobem jest dostarczenie innej formy energii, np. świetlnej. Jednak pomimo wysokiej użyteczności biologicznej tej energii, korzystanie z niej przez żywe organizmy byłoby niemożliwe nie tylko z powodu konkurencji o światło wśród organizmów żywych, ale także z faktu, iż organizm nie mógłby przeprowadzać żadnych procesów w nocy.
· Kolejnym sposobem jest zastosowanie katalizatorów, które znacznie przyspieszają prędkość rekcji chemicznych i obniżają energię aktywacji. W organizmach żywych katalizatorami są enzymy, i z racji tego, że funkcjonują w żywych komórkach nazywamy je biokatalizatorami.
Aby móc się szerzej przyjrzeć działaniu enzymów, należy najpierw poznać ich budowę. Wypadałoby również wspomnieć, iż odkrycia i wyodrębnienia w postaci krystalicznej pierwszego enzymu – ureazy, dokonał Sumner w 1926r. Od tego czasu wyizolowano, oczyszczono i zanalizowano setki różnych biokatalizatorów. Zdecydowana większość z nich należy do białek złożonych: glikoproteiny, lipoproteiny, nukleoproteidy. Jedynie część hydrolaz i nieliczne izomerazy są białkami prostymi np.: pepsyna (składnik soku żołądkowego rozkładający białka), rybonukleaza (trawiąca RNA), amylaza (rozkładająca skrobię), czy uraza (powodująca rozkład mocznika).
Całą cząstkę biokatalizatora nazywamy holoenzymem. Natomiast, holoenzym składa się z części białkowej i niebiałkowej.
Część białkową holoenzymu nazywamy apoenzymem. Jest ona odpowiedzialna za specyficzność enzymu, ponieważ w niej znajduje się centrum aktywne - przestrzenne wgłębienie w kształcie rowka lub dołka, zawierające odpowiednie aminokwasy. Tutaj mogą przyłączać się tylko określone substraty oraz grupa niebiałkowa (o ile występuje). Za rozpoznawanie, wpasowywanie i reagowanie określonego substratu odpowiadają łańcuchy boczne aminokwasów. Dlatego też często nazywa się je grupami katalitycznymi enzymu. Liczba tych grup jest różna i zależy od enzymu, jednak zawsze jest ich od kilku do kilkunastu. Ich przestrzenne rozmieszczenie w centrum aktywnym decyduje o właściwościach konkretnego enzymu. Zwykle miejsca te zawierają zarówno kilka niepolarnych, jak i polarnych reszt aminokwasowych, co zapewnia odpowiednie mikrośrodowisko.
Część niebiałkową enzymu stanowi grupa prostetyczna, jeżeli mówimy o trwałym połączeniu z białkiem, bądź też koenzym, jeżeli połączenie jest nietrwałe. Wpływa ona m.in. na rodzaj katalizowanej reakcji poprzez wpływ na konformację cząsteczki białkowej i kształt centrum aktywnego.
Zarówno apoenzym jak i koenzym nie mogą działać oddzielnie i dopiero przez ich połączenie powstaje aktywny enzym.

Jak już wspomniałem głównym zadaniem biokatalizatora jest obniżenie energii aktywacji i zwiększenie prędkości reakcji chemicznej. Sam enzym natomiast potrzebuje zaledwie niewielkiej porcji energii, aby ją przeprowadzić. Dzieje się tak, ponieważ enzym(E) tworzy przejściowe połączenie z substratem lub substratami. Takie połączenie nazywa się kompleksem enzym – substrat. Możemy zapisać je ogólnym równaniem.

SUBSTRAT + ENZYM = KOMPLEKS E-S <─> ENZYM + PRODUKT

W momencie wytworzenia kompleksu E-S w samym substracie dochodzi do przesuwania określonych elektronów. Skutkiem jest powstawanie nowych wiązań lub rozrywanie już istniejących. Zatem obecność enzymu spełnia następujące funkcje:
1. Zwiększa prawdopodobieństwo zderzeń pomiędzy reagującymi cząstkami.
2. Substraty zostają prawidłowo zorientowane w przestrzeni trójwymiarowej – cząsteczki w roztworze bez enzymu zderzają się bezładnie, najczęściej nieodpowiednimi stronami.
Rys 1.Schemat działania enzymu.
3. Dochodzi do naprężenia wiązań w substracie –w momencie wpasowania substratu do enzymu następuje nadwerężanie wiązań w samym substracie. Takie naruszone wiązanie dość łatwo można teraz zmienić.
Należy jednak pamiętać, że obecność enzymu nie przesuwa stanu równowagi katalizowanej przemiany, a jedynie przyspiesza osiągnięcie tego stanu.

Budowanie białkowego katalizatora kosztuje dużo energii i materii a jego trwałość jest ograniczona. Dlatego organizm wykorzystuje go do maksimum poprzez tzw. specjalizację enzymów. Prowadzi to do tego, że katalizowane są tylko reakcje pożądane. Dzieje się tak gdyż enzym nabiera zdolności do bardzo dokładnego rozpoznawania substratów, czyli specyficzności substratowej.
Zasadniczo jeden rodzaj enzymu przeprowadza tylko jeden rodzaj reakcji. Jednak po jej wykonaniu (katalizie) nie ulega zniszczeniu. Cząsteczka biokatalizatora może przeprowadzić milion takich reakcji. Dlatego zgodnie z powyższym równaniem, cząsteczka enzymu widoczna po prawej stronie równania ogólnego może ponownie przeprowadzić tę reakcję z kolejną cząsteczką substratu. Oczywiście po jakimś czasie cząsteczki enzymu ulegają zużyciu i ich liczba będzie musiała być na nowo uzupełniona.
Jak już wspomniałem enzymy różnią się od siebie specyficznością, co jest zjawiskiem zarówno pożądanym jak i niebezpiecznym. Specyficzność enzymu dobrze oddaje model zamka i klucza sformułowany, przez Fishera w 1890r. Mówi on, że substrat pasuje do centrum aktywnego enzymu jak klucz do zamka.
Polega to na tym, że odpowiednie ukształtowanie przestrzenne substratu znajduje odbicie w konformacji miejsca aktywnego enzymu. Pozwala to na wejście grup katalitycznych enzymu w nietrwałe połączenie z substratem i przeprowadzenie reakcji. Jednak modelowanie matematyczne udowodniło, że samo dopasowanie substratu do enzymu daje tylko niektóre korzyści, natomiast nie pozwoliłoby na tak znaczne obniżenie energii aktywacji. Wyjaśnienie tego procesu przedstawił Koshland w swojej teorii indukcyjnego dopasowania (wymuszonego). W tym ujęciu substrat niezbyt dokładnie pasuje przestrzennie do centrum aktywnego. Otóż wchodząc w słabe oddziaływania z enzymem, substrat jest przez niego wciągany do zagłębienia centrum. W czasie dopasowywania następuje pewne odkształcenie centrum i substratu. Można, więc oczekiwać niewielkiego naprężenia wiązań w obu komponentach. W tej sytuacji już niewielka porcja energii aktywacji wystarcza do pokonania progu energetycznego reakcji. To, że dochodzi do zmiany wiązań tylko w substracie, tłumaczy się czasem wielkością cząsteczki enzymu - przewaga masy daje mu większą stabilność i mniejszą podatność na odkształcenia.

Jeżeli chodzi o kinetykę reakcji enzymatycznej to obrazuje ją model Michaelis-Menten, stworzony już w 1913r. Założeniem było oczywiście, że zawsze tworzy się kompleks enzym-substrat. W swojej podstawowej wersji tzw. równanie Michaelis-Menten przyjmuje postać:
V=Vmax
Gdzie V-prędkość katalizowanej reakcji; Vmax- prędkość max. Jaką można by teoretycznie osiągnąć w optymalnych warunkach. [S]- stężenie substratu; KM- stała Michaelis.

Jeżeli stężenie substratu jest bardzo duże, to wówczas możemy w ułamku pominąć Km. Wtedy równanie uprości się i przyjmie postać.

V=Vmax

Tak więc przy dużym stężeniu substratu wszystkie cząstki biokatalizatora będą pracować, a więc prędkość reakcji będzie maksymalna dla danego enzymu.
Natomiast jeżeli niewielkie stężenie substratu będzie takie jak wartość stałej Km to wówczas równanie przyjmie postać.

Na aktywność enzymów ma wpływ szereg czynników ustrojowych m.in.:
· Temperatura – dla większości ok.37-40C następuje wzrost szybkości reakcji. Jest to zgodna z regułą van Hoffa. Powyżej tej temp. Prędkość gwałtownie spada. Spowodowane jest to wspomnianą już wcześniej denaturacją białka. Większość naszych enzymów ma optimum w okolicach 38C, co jest zgodne z hipotezą maksitermii.
· Wpływ pH – w tym wypadku enzymy wykazują duże zróżnicowanie. Większość ma optimum w pH obojętnym lub lekko zasadowym.
· Utrwalacze – alkohole, aldehydy, sole metali ciężkich powodują denaturację białka.
Jak już wiemy biokatalizatory spełniają szereg funkcji biologicznych. Do najważniejszych z nich możemy zaliczyć regulowanie własnego metabolizmu. Może to się odbywać na kilku poziomach organizacji i przejawem tego są:
1. Sterowanie transkrypcją – przepisywanie informacji genetycznej DNA na mRNA
2. Obróbka posttranskrypcyjna i kontrolowanie translacji.
3. Regulowanie aktywności już zsyntetyzowanego enzymu. W zależności od rodzaju enzymu i miejsca użycia istnieje kilka możliwości:
A) Ponieważ posiadanie enzymów trawiących białka może być niebezpieczne, dlatego syntetyzowane są one w formie nieaktywnej – proenzymów. Uaktywniane są dopiero w miejscu gwarantującym zabezpieczenie, przed samostrawieniem (przewód pokarmowy).
B) W wypadku aktywnego enzymu:
a) Jeżeli dany związek chemiczny jest na tyle podobny chemicznie i fizycznie do substratu, że centrum aktywne nie odróżnia ich dochodzi do hamowania kompetycyjnego (inhibicja kompetycyjna). Jeżeli inhibitor występuje w dostatecznie dużym stężeniu, to może całkowicie zablokować reakcję (przyłączenie substratu). Z kolei zwiększenie stężenia substratu może spowodować wyparcie inhibitora. Odwracalna inhibicja enzymów odgrywa ważną rolę w regulacji metabolizmu.
b) Jeśli substancja niepodobna do substratu blokuje częściowo centrum aktywne, to mamy do czynienia z hamowaniem niekompetycyjnym. Substrat jest, więc wiązany, ale reakcja nie ulega zahamowaniu-skutkiem jest spadek liczby obrotów i prędkości maksymalnej reakcji.

Schemat działania inhibicji niekompetycyjnej

c) Jeżeli jakaś cząsteczka oddziaływuje odwracalne na aktywność enzymu, ale w innym miejscu niż centrum aktywne to jest to regulacja allosteryczna. Pojęcie to odnosi się wyłącznie do biokatalizatorów gdyż polega na zmianie struktury przestrzennej i aktywności danej makrocząsteczki pod wpływem jakiejś substancji.(Regulacji tej podlega np. hemoglobina)
Kolejną ważną funkcją enzymów jest fakt, iż dzięki temu, że występują każdej strukturze komórki decydują o poszczególnych funkcjach organelli.
- Jak wiemy enzymy hydrolityczne zawarte są w lizosomach, zaś enzymy rozkładające nadtlenki w peroksyzomach.
- Mitochondria w błonie wewnętrznej i macierzy posiadają enzymy oddychania tlenowego. - - - Glikoliza i oddychanie beztlenowe zachodzą dzięki fermentom zawartym w hialoplazmie (cytoplazmie podstawowej).
- W błonie wewnętrznej chloroplastów oraz w ich przedziale zewnętrznym wystpępuja biokatalizatory umożliwiające fotosyntezę.
- Szereg enzymów występuje w błonach komórkowych (plazmolemmie, tonoplaście, błonach siateczki śródplazmatycznej, błonie jądrowej). Wiele z nich umożliwia kontaktowane się komórki lub jej poszczególnych organelli ze środowiskiem.
- Niektóre hormony, np. adrenalina pobudzają enzym cyklazę adenylową, przekształcając ATP w cykliczny AMP, co zapoczątkowuje szerg procesów biochemicznych, stanowiących odpowiedz komórki na zadziałanie hormonu. Cyklaza adenylowa, występująca w błonach komórkowych, jest zatem receptorem komórkowym dla adrenaliny.
Kolejne funkcje biokatalizatorów sklasyfikowane są również wg ich podziału i nomenklatury:
· Hydrolazy - enzymy te katalizują rozkład związków organicznych bardziej złożonych do prostszych z wykorzystaniem wody jako substratu; do nich zaliczane są enzymy trawienne; Hydrolizować można jednak tylko wiązania peptydowe, glikozydowe i estrowe.
· Oksydoreduktazy - katalizują procesy utleniania i redukcji (redox). Występują w postaci utlenionej i zredukowanej, np. dehydrogenaza mleczanowa i oksydaza L-aminokwasowa.
· Transferazy - enzymy katalizujące przenoszenie grup funkcyjnych z jednego związku na drugi, np. aminotransferazy przenoszą grupę aminową;
· Liazy – katalizują reakcję rozpadu bez udziału wody. Zwykle powstają wtedy wiązania podwójne; np. dehydrogenaza pirogronianowa.
· Ligazy (syntetazy) - enzymy katalizujące tworzenie nowych wiązań (łączenie cząstek);
· Izomerazy - enzymy katalizujące przekształcenia wewnątrz cząsteczki, np. przekształcające aldozy w ketozy;
W ten sposób możemy, zauważyc, iż istnienie większości przemian metabolicznych i innych reakcji chemicznych bez udziału katalizatorów w wielu przypadkach byłoby niemożliwe. Organizm nie był by w stanie przeprowadzić tak skomplikowanych aczkolwiek niezbędnych procesów bez katalizy. Funkcja tych białek jest niezwykle znacząca z biologicznego punktu widzenia, a nawet powiedziałbym niezbędna. Jednak ich zastosowanie nie kończy się jedynie w reakcjach wewnątrzustrojowych, ponieważ w równie aktywny sposób mogą one działać poza komórką, co jest szeroko wykorzystywane w działalności chemicznej.