Enzymy – budowa, działanie i czynniki wpływające na aktywność enzymów

W probówce rozkład skrobi do glukozy wymaga gotowania z kwasem przez długie minuty. W twojej jamie ustnej zaczyna się w chwili, gdy przeżuwasz kromkę chleba – w temperaturze ciała i bez żrących odczynników. Różnicę robią enzymy, czyli białkowe katalizatory, bez których żadna komórka nie mogłaby funkcjonować. Na maturze z biologii to temat obowiązkowy: pojawiają się pytania o budowę enzymu, mechanizm działania, wpływ temperatury i pH oraz o inhibitory. Poniżej znajdziesz wszystko po kolei.

Czym są enzymy?

Enzymy to biokatalizatory – substancje, które przyspieszają reakcje chemiczne w organizmach, a same po reakcji pozostają niezmienione. Zdecydowana większość z nich to białka. Wyjątkiem są rybozymy – cząsteczki RNA o właściwościach katalitycznych, np. rybosomalny RNA, który tworzy wiązania peptydowe podczas syntezy białek.

Enzym nie zmienia kierunku reakcji ani położenia stanu równowagi – nie sprawi, że zajdzie reakcja termodynamicznie niemożliwa. Robi coś innego: obniża energię aktywacji, czyli „próg energetyczny”, który cząsteczki muszą pokonać, żeby zareagować. Dzięki temu reakcje, które bez katalizatora trwałyby lata, zachodzą w ułamkach sekundy.

Budowa enzymu i centrum aktywne

Enzym białkowy to długi łańcuch aminokwasów zwinięty w określony, trójwymiarowy kształt. Tylko niewielka jego część bezpośrednio uczestniczy w reakcji – to centrum aktywne, zagłębienie lub szczelina, do której pasuje cząsteczka substratu. Reszta białka tworzy „rusztowanie”, które utrzymuje centrum aktywne we właściwym kształcie.

Wiele enzymów potrzebuje do działania dodatkowych składników niebiałkowych, czyli kofaktorów. Mogą to być jony metali (np. Mg²⁺, Zn²⁺, Fe²⁺) albo cząsteczki organiczne – koenzymy, takie jak NAD⁺, FAD czy koenzym A. Wiele koenzymów powstaje z witamin, dlatego witaminy są tak ważne dla metabolizmu. Część białkową enzymu wymagającego kofaktora nazywamy apoenzymem, a cały kompleks – holoenzymem.

Jak działa enzym? Klucz, zamek i ręka w rękawiczce

Najpierw enzym (E) wiąże substrat (S), tworząc kompleks enzym–substrat (ES). W nim substrat zostaje przekształcony w produkt (P), który się odłącza, a enzym jest gotowy do kolejnego cyklu: E + S ⇄ ES → E + P.

Dawny model Emila Fischera, nazywany modelem klucza i zamka, zakładał, że kształt centrum aktywnego idealnie pasuje do substratu. W 1958 roku Daniel Koshland zaproponował model indukowanego dopasowania (ręki w rękawiczce): centrum aktywne jest elastyczne i dopiero po związaniu substratu przyjmuje ostateczny kształt, co dodatkowo napręża wiązania substratu i ułatwia reakcję. Ten drugi model lepiej opisuje rzeczywistość i właśnie jego oczekuje się na maturze.

Enzymy są specyficzne. Jedne katalizują tylko jedną reakcję z jednym substratem (np. ureaza rozkłada mocznik), inne – grupę podobnych reakcji (np. lipazy rozkładają różne tłuszcze). Rozpoznają nawet enancjomery: wiele enzymów działa tylko na jedną z dwóch lustrzanych form cząsteczki.

Co wpływa na aktywność enzymów?

Temperatura

Do pewnego momentu wzrost temperatury przyspiesza reakcję, bo cząsteczki poruszają się szybciej i częściej się zderzają. Powyżej temperatury optymalnej aktywność gwałtownie spada – białko ulega denaturacji, czyli traci przestrzenną strukturę, a z nią kształt centrum aktywnego. Dla większości enzymów człowieka optimum wynosi ok. 37°C, ale bakterie z gorących źródeł mają enzymy działające w ponad 70°C. Jedna z nich – polimeraza DNA z bakterii Thermus aquaticus – umożliwiła rozwój techniki PCR.

Niska temperatura spowalnia enzymy, ale zwykle ich nie niszczy. Po ogrzaniu wracają do pracy – dlatego żywność przechowuje się w lodówce.

pH

Każdy enzym ma swoje optimum pH, bo stężenie jonów H⁺ wpływa na ładunki aminokwasów w centrum aktywnym i na kształt białka. Pepsyna działa w kwaśnym soku żołądkowym (optimum ok. pH 2), amylaza ślinowa w środowisku bliskim obojętnego (ok. 6,8), a trypsyna w lekko zasadowym środowisku jelita cienkiego (ok. 8). O tym, jak enzymy współpracują podczas trawienia, przeczytasz w artykule Przebieg trawienia różnych związków w przewodzie pokarmowym.

Stężenie substratu i enzymu

Przy stałej ilości enzymu szybkość reakcji rośnie wraz ze stężeniem substratu – ale tylko do momentu, w którym wszystkie cząsteczki enzymu są zajęte. Wtedy osiąga wartość maksymalną (V_max), a dalsze dodawanie substratu nic nie zmienia. Tę zależność opisali w 1913 roku Leonor Michaelis i Maud Menten.

Inhibitory i aktywatory – jak komórka steruje enzymami

• Inhibitory kompetycyjne są podobne do substratu i konkurują z nim o centrum aktywne. Ich działanie można osłabić, zwiększając stężenie substratu.
• Inhibitory niekompetycyjne wiążą się w innym miejscu enzymu i zmieniają jego kształt, przez co enzym działa słabiej niezależnie od ilości substratu.
• Inhibitory nieodwracalne trwale wiążą się z enzymem – tak działają m.in. niektóre trucizny i jony metali ciężkich.
• Regulacja allosteryczna i sprzężenie zwrotne ujemne – produkt końcowy szlaku metabolicznego hamuje enzym na jego początku, dzięki czemu komórka nie produkuje go w nadmiarze.

Regulacja enzymów to fundament całego metabolizmu, który opisujemy w tekście Metabolizm komórkowy.

Klasy enzymów

Według międzynarodowej klasyfikacji wyróżnia się siedem klas enzymów: oksydoreduktazy, transferazy, hydrolazy, liazy, izomerazy, ligazy i translokazy (dodane w 2018 roku). Nazwy wielu enzymów kończą się na „-aza” i mówią, co enzym robi – np. DNA-polimeraza, laktaza czy dehydrogenaza mleczanowa.

Najczęstsze pytania

Czy enzym zużywa się w reakcji?

Nie. Enzym jest katalizatorem, więc po reakcji pozostaje niezmieniony i może działać wielokrotnie. W komórce enzymy są jednak stopniowo rozkładane i zastępowane nowymi.

Czym enzym różni się od katalizatora nieorganicznego?

Oba obniżają energię aktywacji, ale enzymy są znacznie bardziej specyficzne, działają w łagodnych warunkach (temperatura ciała, pH bliskie obojętnego), są zwykle dużo wydajniejsze i podlegają regulacji – komórka może je włączać i wyłączać. Za to łatwo tracą aktywność po denaturacji, czego nie dotyczy np. platyna czy tlenek manganu(IV).

Zadania do treningu: Metabolizm – enzymy, katalizatory, zadania maturalne.

Źródła

• D. E. Koshland, „Application of a Theory of Enzyme Specificity to Protein Synthesis”, PNAS 44: 98–104 (1958), doi:10.1073/pnas.44.2.98.
• L. Michaelis, M. L. Menten, „Die Kinetik der Invertinwirkung”, Biochemische Zeitschrift 49: 333–369 (1913).
• IUBMB Enzyme Nomenclature – klasyfikacja enzymów (EC 1–7).

Zdjęcie wyróżniające: Budowa enzymu: białkowe rusztowanie i centrum aktywne z miejscami wiążącymi substrat (niebieskie) oraz miejscem katalitycznym (czerwone); opisy po angielsku. Fot. Thomas Shafee, CC BY 4.0, Wikimedia Commons; kadrowanie Biomist.