Съществуването на живота се основава на огромен брой биохимични реакции. Тези реакции протичат в среда с относително ниска концентрация на реагенти, при ниски температури, при нормално налягане и при приблизително неутрално рН, т.е. без наличието на ензими, те изобщо не могат да се осъществят. Следователно ензимите са посочени като биокатализатори.
Ензимите имат следните свойства:
- те намаляват стойността на енергията на активиране, като по този начин ускоряват хода на химичната реакция,
- те участват в химична реакция, но остават непроменени след нейното завършване,
- са специфични за вида на реакцията,
- работят само на мястото на активния център (не на цялата повърхност),
- те не само ускоряват, но и регулират химическата реакция.
Връзка за ензимен състав
Ензимите са протеини и могат да бъдат прости или да съдържат непротеинова част. Ние наричаме протеиновата част апоензим и се нарича непротеиновата част, която е с ниско молекулно тегло кофактор.
Кофакторът може да бъде някои метални катиони, напр. Zn 2+, Mg 2+ или органични молекули, наречени коензими, напр. NAD. Коензимите често са витамини. Някои коензими са временно свързани с молекулата на даден ензим и действат един на друг само със слаби междумолекулни сили, респ. достатъчно е, ако те присъстват заедно с ензима в дадена реакционна среда. Други коензими, които по всяко време са ковалентно свързани с апоензима, са посочени като протезна група (напр. хем в хемоглобин).
| протеинова част | небелтъчна част | |
| кофактор | неорганична молекула (Zn 2+, Mg 2+) | |
| апоензим | коензим | органична молекула (NAD) |
| протезна група | ковалентно свързан с апоензим (хем) |
Механизъм на действие на ензимната връзка
Реакцията без ензим е необходима, за да консумира много енергия. Клетката не може да си позволи такива разходи, така че тя посяга към ензимите, които значително правят това активираща енергия (ΔG) намаляване. В биокатализираната реакция ензимът (Е) реагира с субстратна молекула - субстрат (S) за образуване на ензимно-субстратен комплекс (ES). След активирането му (ES *) този комплекс се превръща в ензимно-продуктов комплекс (ЕР) и едва в края на реакцията се освобождава продуктът (Р) от ензима.
Ензимът не реагира със субстрата по цялата му повърхност, субстратът се свързва само с определена повърхност, посочена като активен център. Там се създават подходящи свързващи и пространствени условия за свързване на субстрата. Субстратната молекула се свързва с активния център на ензима, така че някои от характерните му групи се привличат от междумолекулни аминокиселинни взаимодействия на активния център.
Връзка за скоростта на ензимната реакция
За повечето фактори, влияещи върху скоростта на ензимната реакция, се прилагат определени оптимални стойности (условия), при които реакцията протича най-бързо.
Фактори, които влияят върху скоростта на ензимната реакция, са:
- концентрация на субстрата
- ензимна концентрация
- температура на околната среда
- рН на околната среда
- влияние на активаторите
- ефект на инхибиторите
Връзка за концентрация на субстрата
За скоростта на ензимната реакция се прилагат същите кинетични закони, както и за скоростта на всяка друга реакция. Ако ензимната концентрация е постоянна, скоростта на ензимната реакция ще бъде право пропорционална на концентрацията на субстрата. Тази зависимост е линейна, докато повечето активни места на ензима не бъдат заети, т.е. докато концентрацията на субстрата достигне точка на насищане. По-нататъшното увеличаване на концентрацията на субстрата вече няма да повлияе на скоростта на реакцията, тъй като ензимът вече няма друго активно място.
Връзка за концентрация на ензими
При значителен излишък на субстрат, скоростта на ензимната реакция ще бъде линейна, тъй като концентрацията на ензима се увеличава. Въпреки това, линейно увеличаване на скоростта на реакцията ще се прилага само в началото на реакцията. Ако концентрацията на субстрата в реакционната смес намалее, се формира равновесно състояние.
Връзка на околната температура
Повишаването на температурата първоначално води до ускоряване на ензимната реакция, тъй като субстратните молекули имат повече енергия и по този начин по-голяма подвижност, което увеличава вероятността субстратът да се сблъска с ензима. Ензимите обаче са протеини, които са денатурирани от твърде висока температура. Това означава, че чрез нагряване на реакционната смес скоростта на ензимната реакция се увеличава първоначално, но след достигане на определена критична точка (повечето протеини са денатурирани при 40 ° C до 60 ° C) скоростта на реакцията намалява значително и в крайна сметка спира поради пълната денатурация на ензима.
Влиянието на температурата е един от типичните фактори, които разграничават неорганичните катализатори и биокатализаторите - ензимите. За неорганичните катализатори, като цяло, с повишаване на температурата, скоростта на химичната реакция се увеличава право пропорционално, докато за ензимите това не е така.
pH връзка на околната среда
За повечето ензими оптималното рН на средата е от 6,0 до 8,0. Екстремните стойности на рН (много кисела и много основна среда) също водят до денатурация на ензимите, като излагане на високи температури. Механизмът на въздействие върху скоростта на ензимната реакция в зависимост от рН на околната среда е нещо подобно:
Активното място на ензима, както и частта от субстрата, допълваща активния център, съдържат определени характерни групи, чиято степен на дисоциация (напр. COOH до COO - и т.н.) зависи точно от pH на средата. По този начин, чрез промяна на рН, тази степен се променя, което значително влияе върху способността на субстрата да се свързва с ензима, респ. конформацията на самия ензим също може да се промени.
Влияние на активаторите на връзките
Активирането, т.е. увеличаване на активността на ензима, се осъществява по няколко начина. Чрез превръщане на неактивната форма на ензима, т.нар. проензим, чрез разцепване на част от проензимната молекула. Това обикновено включва разцепване на част от полипептидната верига с ниско молекулно тегло, като по този начин позволява достъп на субстрата до активното място на ензима.
Ензимът може да се активира и чрез химическата му модификация (напр. Фосфорилиране) или чрез действието на метални катиони (напр. Zn 2+, Mg 2+). Ензимът може да образува комплекс с метала, или може да участва само в реакцията на ензима, или може да се свърже със субстрата.
Алостерична връзка за активиране
Алостерично активиране на ензима показва, че активаторът се свързва с ензима извън активното място (алостерично място), като косвено създава подходящи условия субстратът да се свърже с активния център на ензима.
Влияние на инхибиторите на връзките
Ензимните инхибитори са вещества, които намаляват или спират скоростта на ензимната реакция. Инхибирането може да бъде обратимо, когато ензимът възстанови активността си след отстраняване на инхибитора, или необратимо, когато инхибиторът причинява трайна промяна в ензима и неговата активност вече не може да бъде възстановена.
Познаваме няколко вида инхибиране:
Конкурентно възпрепятстване на връзката
Конкурентно възпрепятстване означава, че инхибиторът и субстратът се конкурират помежду си за свързване с активното място на ензима. Ензимът е напълно специфичен и за двете вещества, т.е. инхибиторът и субстратът трябва да имат сходна структура. Този тип инхибиране е обратим, тъй като излишният субстрат премахва инхибирането.
Неконкурентно инхибиране на връзката
Неконкурентно инхибиране не може да бъде отстранен от излишния субстрат. Инхибиторът се свързва с активното място на ензима и образува неактивен ензимно-инхибиторен комплекс.
Ефект от увеличаване на концентрацията на субстрата при конкурентно и неконкурентно ензимно инхибиране
Алостерична връзка за инхибиране
Алостерично инхибиране по принцип е идентичен с алостерично активиране. Инхибиторът се свързва с алостеричния център (извън активния център) на ензима, причинявайки промяна в конформацията на повърхностната структура на ензима и по този начин промяна в активния център. Така модифицираният ензим не може допълнително да свързва субстрата.
Класификация на ензимната връзка
Основният критерий за класифициране на ензимите е видът реакция, която ензимът катализира. Използваме тривиална или системна номенклатура, за да се позоваваме на ензимите. Тривиалното име обикновено произлиза от име на субстрата, който влиза в реакцията и суфиксите -и отвъд (напр. ензимът малтаза катализира хидролизата на малтозен дизахарид до две молекули глюкоза).
Системното име на ензима е съставено от името вид реакция, която тя катализира и суфикси -и отвъд. Според този критерий ние класифицираме биокатализаторите в шест основни класа: