8. fejezet - Az enzimműködés alapjai

Tartalom

8.1. Az enzimek specifitása
8.2. Kofaktorok
8.3. Az enzimek osztályozása
8.4. Az enzimkatalízis termodinamikai alapjai
8.5. Az enzimkatalízis molekuláris mechanizmusa
8.5.1. Fémion katalízis
8.5.2. Általános sav-bázis katalízis
8.5.3. Kovalens katalízis

(szerző: Pál Gábor)

A hemoglobin példáján láttuk, hogy milyen összetett lehet egy fehérje működése. A hemoglobint kifinomult szabályozása és nagy hatékonysága miatt szokták „tiszteletbeli enzimnek” is emlegetni. Ami miatt a hemoglobin természetesen nem enzim, az az, hogy az enzimek definíció szerint kémiai reakciókat katalizálnak, az oxigénszállítás során pedig nem történik kémiai átalakítás. Ebben a fejezetben áttérünk az enzimekre. Először az enzimműködés legalapvetőbb vonásait mutatjuk be, majd megismerkedünk az enzimkatalízis termodinamikai értelmezésével. Egy külön fejezetben megvizsgáljuk, hogy milyen biokémiai mechanizmusok állhatnak néhány konkrét enzimatikus katalízis hátterében (lásd 8.5. fejezet), majd egy újabb fejezetben áttekintjük az enzimkatalizált reakciók sebességének matematikai leírását, tehát az enzimkinetika alapjait (lásd 9. fejezet).

Minden sejtben kémiai reakciók százai zajlanak egyidejűleg. A reakciók zöme olyan, ami katalizátor nélkül nem menne végbe mérhető sebességgel. Például a sejtekben a glükóz másodpercek alatt vízzé és széndioxiddá alakul, míg egy steril oldatban katalizátor nélkül száz év alatt sem, pedig termodinamikailag kedvező, exergonikus a folyamat.

Az élő szervezetben a (bio)kémiai reakciókat enzimek katalizálják. Az enzimek túlnyomó többsége fehérje, de ismertek RNS-alapú enzimek is, ribozimek, amelyek szintén központi szerepet töltenek be az élő rendszerek működésében (lásd a riboszómákon zajló peptidkötés kialakulását a 16. fejezetben).

Az, hogy egy reakció milyen irányban zajlik le, mint korábban már láttuk, kizárólag az abban szereplő komponensek szabadentalpia-különbségén múlik, ami a komponensek anyagi minőségétől és aktuális koncentrációjától függ. Az enzimek tehát nem változtatják meg a kémiai reakciók irányát, pusztán az egyensúlyra vezető reakciók sebességét növelik meg mindkét irányban (azaz gyorsabban beáll a kémiai egyensúly).

Az enzimek hatalmas, tipikusan 106-1017-szeres sebességfokozást képesek biztosítani, miközben az egyensúly helyzetét nem változtatják meg, tehát az egyensúlyi állandó értéke nem változik.

Az 8.1. táblázat néhány kémiai reakció esetében azt illusztrálja, hogyan viszonyul egymáshoz a nem-katalizált, és a katalizált reakció sebessége.

8.1. táblázat: Néhány jellegzetes reakció nem katalizált és katalizált sebességének összehasonlítása

8.1. táblázat: Néhány jellegzetes reakció nem katalizált és katalizált sebességének összehasonlítása

8.1. Az enzimek specifitása

Az enzimek mind a kémiai reakció típusa, mind pedig az átalakított molekula szempontjából specifikusak. Tehát minden enzim csak egy jól körülhatárolható kémiai reakciót katalizál, és a reaktánsok (szubsztrátok) köre is szigorúan meghatározott. A szubsztrát-specifitás mértéke ugyanakkor enzimenként eltérő lehet. Erre jó példa a különböző fehérjebontó enzimek, a proteázok esete. A proteázok peptidkötések és egyéb amidkötések valamint észterkötések hidrolízisét katalizálják. Ez minden proteáz esetében így van. A kémiai reakció mechanizmusa miatt minden olyan enzim, amely peptidkötések hidrolízisét katalizálja, óhatatlanul katalizálja az észter kötések hidrolízisét is.

A szubsztrát-specifitás tekintetében azonban az egyes proteázok között óriási különbségek vannak, amelyek jól igazodnak az adott proteáz biológiai funkciójához. A szubtilizin nevű proteázt a Bacillus nemzetségbe tartozó (pl. Bacillus subtilis) baktériumok termelik, az enzimet a környezetükbe ürítik. A baktériumok nem tudnak táplálék gyanánt fehérjéket felvenni a környezetükből, nem képesek endocitózisra. A környezetbe juttatott szubtilizin szinte válogatás nélkül képes az ott lévő fehérjéket bontani. Mivel ez az enzim „pán-specifikus”, azaz a legtöbb oldallánc melletti peptidkötés hasadását képes katalizálni, ezért a reakció eredményeként kispeptidek keletkeznek, amelyek már átjutnak a baktérium külső membránján.

A magasabbrendűek táplálékfehérje emésztését egymással komplementer specifitású enzimek együttese végzi. A végeredmény itt is az kell, hogy legyen, hogy kis peptidek keletkezzenek, mert csak ezek szívódnak fel a bélrendszerben. A hasnyálmirigyben termelődő tripszin, kimotripszin és elasztáz együttese hatékony rendszert képez. A tripszin csak bázikus, Lys és Arg oldalláncok melletti kötés hasadását katalizálja, a kimotripszin a nagyméretű aromás, Trp, Tyr és Phe oldalláncok, míg az elasztáz a kisméretű alifás pl. Ala, Val, Leu mellett hasít. Ezek az enzimek tehát már meglehetősen specifikusak.

A szubsztrát specifitást a szubsztrátkötő hely jellege határozza meg (lásd 8.1. ábra).

8.1. ábra: A három hasnyálmirigy proteáz eltérő kötőzsebe jól magyarázza az enzimek eltérő specifitását

8.1. ábra: A három hasnyálmirigy proteáz eltérő kötőzsebe jól magyarázza az enzimek eltérő specifitását

A röntgendiffrakciós szerkezetmeghatározások eredményeként ismerjük a bemutatott peptidázok szubsztrátkötőhelyeit. A kimotripszin kötőzsebe nagy, és apoláros, a tripszin kötőzsebe alján egy negatív töltésű aszpartilcsoport van, az elasztáz kötőhelye pedig a kimotripszinére hasonlít, de a zseb szűkebb, mert annak oldaláról valin oldalláncok nyúlnak befelé. Mindez tökéletes összhangban áll ezeknek az enzimeknek az imént említett specifitásával.

A rendkívül precízen szabályozott véralvadás folyamatában résztvevő proteázok a fent említett enzimeknél jóval szelektívebbek. A trombin például csak az Arg-Gly közötti kötés hasadását katalizálja, tehát monospecifikus. Általános érvényű megfigyelés, hogy az enzimek sztereospecifikusak, tehát mindig csak az egyik sztereoizomer forma átalakulását katalizálják.