יש תגובות כימיות רבות בכל תא חי. אנזימים (אנזימים) הם חלבונים בעלי תפקידים מיוחדים וחשובים ביותר. הם נקראים ביו-קטליסטים. תפקידם העיקרי של אנזימי חלבון בגוף הוא להאיץ תגובות ביוכימיות. הריאגנטים הראשוניים, שהאינטראקציה ביניהם מזורזת על ידי מולקולות אלו, נקראים סובסטרטים, והתרכובות הסופיות נקראות מוצרים.
בטבע, חלבוני האנזים פועלים רק במערכות חיות. אבל בביוטכנולוגיה מודרנית, אבחון קליני, תרופות ורפואה, נעשה שימוש באנזימים מטוהרים או בקומפלקסים שלהם, כמו גם ברכיבים נוספים הנחוצים לתפעול המערכת ולהדמיה של נתונים עבור החוקר.
משמעות ביולוגית ותכונות של אנזימים
ללא המולקולות הללו, אורגניזם חי לא יוכל לתפקד. כל תהליכי החיים פועלים בצורה הרמונית הודות לאנזימים. תפקידם העיקרי של חלבוני האנזים בגוף הוא לווסת את חילוף החומרים. בלעדיהם, חילוף חומרים תקין אינו אפשרי. הפעילות המולקולרית מווסתת על ידימפעילים (משננים) או מעכבים. הבקרה פועלת ברמות שונות של סינתזת חלבון. זה גם "עובד" ביחס למולקולה המוגמרת.
התכונה העיקרית של אנזימים חלבונים היא ספציפיות למצע מסוים. ובהתאם לכך, היכולת לזרז רק אחת או פחות לעתים קרובות מספר תגובות. בדרך כלל תהליכים כאלה הם הפיכים. אנזים אחד אחראי לשני התפקודים. אבל זה לא הכל.
תפקידם של חלבוני האנזים חיוני. בלעדיהם, תגובות ביוכימיות אינן מתרחשות. בשל פעולתם של אנזימים, מתאפשר לריאגנטים להתגבר על מחסום ההפעלה ללא הוצאה משמעותית של אנרגיה. בגוף אין דרך לחמם את הטמפרטורה מעל 100 מעלות צלזיוס או להשתמש ברכיבים אגרסיביים כמו מעבדה כימית. חלבון האנזים נקשר למצע. במצב כבול, שינוי מתרחש עם השחרור הבא של האחרון. כך פועלים כל הזרזים המשמשים בסינתזה כימית.
מהן רמות הארגון של מולקולת חלבון אנזים?
בדרך כלל למולקולות אלו יש מבנה חלבוני שלישוני (כדורי) או רבעוני (מספר כדוריות מחוברות). ראשית, הם מסונתזים בצורה לינארית. ואז הם מקופלים למבנה הנדרש. כדי להבטיח פעילות, הביו-קטליזטור צריך מבנה מסוים.
אנזימים, כמו חלבונים אחרים, נהרסים על ידי חום, ערכי pH קיצוניים, תרכובות כימיות אגרסיביות.
נכסים נוספיםאנזימים
ביניהם, המאפיינים הבאים של הרכיבים מובחנים:
- סטריאו ספציפי - היווצרות של מוצר אחד בלבד.
- Regioselectivity - שבירת קשר כימי או שינוי קבוצה במיקום אחד בלבד.
- Chemoselectivity - קטליזה של תגובה אחת בלבד.
תכונות העבודה
סגוליות האנזים משתנה. אבל כל אנזים פעיל תמיד ביחס למצע ספציפי או לקבוצת תרכובות דומות במבנה. לזרזים שאינם חלבונים אין תכונה זו. הספציפיות נמדדת על ידי קבוע הקישור (מול/ליטר), שיכול להגיע עד 10−10 מול/ליטר. העבודה של האנזים הפעיל מהירה. מולקולה אחת מזרזת אלפי עד מיליוני פעולות בשנייה. מידת האצה של תגובות ביוכימיות גבוהה משמעותית (פי 1000-100000) מזו של זרזים רגילים.
פעולת האנזימים מבוססת על מספר מנגנונים. האינטראקציה הפשוטה ביותר מתרחשת עם מולקולת מצע אחת, ולאחריה היווצרות של תוצר. רוב האנזימים מסוגלים לקשור 2-3 מולקולות שונות המגיבות. למשל, העברה של קבוצה או אטום מתרכובת אחת לאחרת, או החלפה כפולה לפי עקרון ה"פינג-פונג". בתגובות אלו, מצע אחד מחובר בדרך כלל, והשני קשור דרך קבוצה תפקודית עם האנזים.
לימוד מנגנון פעולת האנזים מתבצע באמצעות שיטות:
- הגדרות של מוצרי ביניים וסופיים.
- מחקרי הגיאומטריה של המבנה וקבוצות פונקציונליות הקשורות אליומצע ומספקים קצב תגובה גבוה.
- מוטציה של גנים של אנזים וקביעת שינויים בסינתזה ובפעילות שלו.
מרכז פעיל ומחבר
מולקולת סובסטרט קטנה בהרבה מחלבון אנזים. לכן, קישור מתרחש עקב מספר קטן של קבוצות פונקציונליות של הביו-קטליזטור. הם יוצרים מרכז פעיל, המורכב מקבוצה מסוימת של חומצות אמינו. בחלבונים מורכבים קיימת במבנה קבוצה תותבת בעלת אופי שאינו חלבוני, שיכולה להיות גם חלק מהמרכז הפעיל.
יש צורך לייחד קבוצה נפרדת של אנזימים. המולקולה שלהם מכילה קו-אנזים הנקשר כל הזמן למולקולה ומשתחרר ממנה. חלבון אנזים שנוצר במלואו נקרא הולואנזים, וכאשר מסירים את הקופקטור, הוא נקרא אפואנזים. ויטמינים, מתכות, נגזרות של בסיסים חנקניים פועלים לעתים קרובות כקו-אנזימים (NAD - nicotinamide adenine dinucleotide, FAD - flavin adenine dinucleotide, FMN - flavin mononucleotide).
אתר הקישור מספק ספציפיות מצע. בשל כך, נוצר קומפלקס מצע-אנזים יציב. מבנה הכדורית בנוי בצורה כזו שתהיה לו גומחה (שסע או שקע) על פני השטח בגודל מסוים, המבטיחה את קשירת המצע. אזור זה ממוקם בדרך כלל לא רחוק מהמרכז הפעיל. לחלק מהאנזימים יש אתרים לקישור לקופקטורים או ליוני מתכת.
מסקנה
חלבון-לאנזים תפקיד חשוב בגוף. חומרים כאלה מזרזים תגובות כימיות, אחראים על תהליך חילוף החומרים - חילוף החומרים. בכל תא חי מתרחשים כל הזמן מאות תהליכים ביוכימיים, כולל תגובות הפחתה, פיצול וסינתזה של תרכובות. חמצון של חומרים מתרחש כל הזמן עם שחרור גדול של אנרגיה. זה, בתורו, מושקע על היווצרות של פחמימות, חלבונים, שומנים והקומפלקסים שלהם. מוצרי מחשוף הם אבני הבניין לסינתזה של התרכובות האורגניות הדרושות.
