Enzimă ce sunt și cum funcționează
Introducere
O celulă relativ simplă, cum ar fi bacteria Escherichia coli, poate produce mai mult de 4.000 de proteine diferite. După apă, proteinele sunt cele mai abundente molecule din celule (
15% din masa unei bacterii). O celulă este o colecție de mii de molecule în mișcare constantă și organizate în structuri specifice. Această colecție include proteine, acizi nucleici, polizaharide, lipide, metaboliți și ioni mici, cum ar fi sodiu, potasiu și magneziu. O animație care arată varietatea de procese care apar în orice moment în interiorul unei celule poate fi văzută în următorul videoclip:
Enzimele au o varietate enormă de funcții în interiorul celulei: degradează zaharurile, sintetizează grăsimile și aminoacizii, copiază fidel informațiile genetice, participă la recunoașterea și transmiterea semnalelor din exterior și sunt responsabile de degradarea subproduselor toxice pentru celulă, printre multe alte funcții vitale. Identitatea și starea fiziologică a unei ființe vii este determinată de colecția de enzime care funcționează cu precizie de chirurg și cu viteza fulgerului în orice moment dat din celule. Astfel, de-a lungul a milioane de ani de evoluție, natura a dezvoltat o mare diversitate de enzime pentru a menține fenomenul complex al vieții.
Cât de eficiente sunt enzimele? Cum funcționează?
Există mai multe moduri de a măsura cât de eficientă este o enzimă. Cel mai simplu este de a determina cât de repede are loc reacția în termeni de câte molecule de substrat sunt transformate pe secundă, ca în exemplul anhidrazei carbonice. Atunci când comparăm cât de repede merge o reacție catalizată față de absența enzimei, putem aprecia eficiența enzimelor ca acceleratori de reacție. O altă modalitate este de a lua în considerare timpul necesar reacției. Cea mai eficientă enzimă cunoscută până în prezent catalizează decarboxilarea unui substrat numit oritidină 5'-fosfat (OMP) și se numește OMP decarboxilază. Reacția necatalizată durează 78 de milioane de ani. Din fericire, enzima OMP decarboxilază accelerează reacția de 10-17 ori, deci apare în doar 25 de miimi de secundă. Această reacție este foarte importantă, deoarece face parte din lanțul de producție al nucleotidului uridin monofosfat, unul dintre cele 4 componente ale acidului ribonucleic (ARN, pentru acronimul său în engleză).
Cum fac enzimele această treabă? Amintiți-vă că enzimele sunt proteine, polimeri ai aminoacizilor care au o structură tridimensională definită. Activitatea sa, care include interacțiunea cu substratul, depinde de structura sa tridimensională. Dacă acest lucru este modificat, capacitatea catalitică poate fi afectată. Pentru a înțelege mai bine modul în care o proteină se pliază sau se îndoaie în spațiu, au fost dezvoltate instrumente de calcul pentru a simula acest fenomen. Simularea plierii unei proteine mici poate fi văzută în următorul videoclip:
Acum, ce ghidează sau determină plierea unei proteine? Proteinele sunt pliate elegant în funcție de secvența de aminoacizi (numiți reziduuri de aminoacizi deoarece fac parte dintr-o proteină) care le compune și între pliurile și curbele lor formează anumite cavități sau situri cu afinitate pentru diferite molecule. În cazul enzimelor, în aceste locuri se produce reacția chimică. Iată un videoclip foarte bine realizat care arată o simulare a interacțiunii dintre proteine și molecule mici:
De fiecare dată când un grup de oameni de știință determină structura tridimensională a unei proteine, aceasta este depusă pe un site web numit „Protein Data Bank” (PDB). De pe acest site am selectat o galerie de enzime care este prezentată în figura următoare, subliniind rafinamentul și frumusețea unora dintre pliurile cunoscute până în prezent (Figura 1). Toate aceste vederi minunate ale proteinelor se datorează progreselor în biologia structurală, care este o știință relativ tânără, așa cum vom menționa în secțiunea următoare.
figura 1. Galeria Enzyme. Anhidrază carbonică menține pH-ul sângelui nostru (PDB 1CA2). Luciferaza a fost izolată dintr-o meduză și este, de asemenea, responsabilă pentru bioluminiscența la licurici (PDB 2D1S). Alcoolul dehidrogenază descompune alcoolul pe care îl bem, este produs în ficat (PDB 1AGN). Triosefosfatul izomeraza este importantă în metabolismul zaharurilor (PDB 2YPI). Citocromul P450 modifică unele medicamente și compuși toxici care intră în corpul nostru (PDB 1W0E). Obținut din PDB (http://www.rcsb.org/pdb/home/home.do).
Mecanismele enzimatice care accelerează o reacție sunt foarte diverse. Două dintre cele mai simple și mai intuitive sunt „abordarea” și „orientarea”. Ca în orice reacție chimică, reactanții trebuie să se ciocnească între ei cu suficientă energie și în orientarea potrivită pentru ca legăturile dintre molecule să se rupă sau să se formeze. Deoarece aceste coliziuni apar complet aleatoriu, nu toate sunt productive, adică nu toate declanșează o reacție chimică. Așa cum am menționat anterior, enzimele au cavități care pot găzdui substraturi pentru a reacționa între ele. Acestea alcătuiesc „situl activ” al enzimei. La acest loc se găsesc reziduuri specifice de aminoacizi care permit interacțiunea cu substraturi și facilitează ruperea și formarea de noi legături.
| Unele enzime includ metale în structura lor (de exemplu, ioni de fier, cupru și zinc, printre altele) care pot participa la procesul catalitic. | ||
Unele enzime includ metale în structura lor (de exemplu, ioni de fier, cupru și zinc, printre altele) care pot participa la procesul catalitic. Din acest motiv, este esențial ca structura tridimensională a enzimei să fie menținută, deoarece pozițiile și orientările reziduurilor de aminoacizi și ale altor cofactori (adică metale) sunt cele care determină dacă reacția are loc sau nu. Substraturile, prin interacțiunea cu situl activ al enzimei, sunt mai apropiate unele de altele (mecanism de abordare) și sunt, de asemenea, orientate într-un mod particular (mecanism de orientare). Este ca și cum substraturile ar avea un șablon sau șablon (adică situl activ al enzimei) în care se pot „cuibări” pentru a se întâlni și a reacționa, mai degrabă decât să se bazeze pe coliziuni aleatorii. În acest fel, prezența enzimei oferă un alt mod prin care se desfășoară o anumită reacție chimică. În general, acest mecanism necesită mai puțină energie și, prin urmare, reacția chimică se desfășoară mai repede în prezența enzimei. Un videoclip foarte ilustrativ care exemplifică acest proces poate fi văzut aici: