6.5: Enzymes
Ujuzi wa Kuendeleza
- Eleza jukumu la enzymes katika njia za metabolic
- Eleza jinsi enzymes zinavyofanya kazi kama kichocheo
- Jadili kanuni za enzyme kwa sababu mbalimbali
Dutu ambayo husaidia mmenyuko wa kemikali kutokea ni kichocheo, na molekuli maalum zinazochochea athari za biochemical huitwa enzymes. Karibu enzymes zote ni protini, zilizojumuisha minyororo ya amino asidi, na hufanya kazi muhimu ya kupunguza nguvu za uanzishaji wa athari za kemikali ndani ya seli. Enzymes kufanya hivyo kwa kumfunga kwa molekuli reactant, na kushikilia yao kwa njia ya kufanya kemikali kuvunja dhamana na michakato ya kutengeneza dhamana kufanyika kwa urahisi zaidi. Ni muhimu kukumbuka kwamba enzymes hazibadili G ya mmenyuko. Kwa maneno mengine, hawana mabadiliko kama mmenyuko ni exergonic (hiari) au endergonic. Hii ni kwa sababu hawana mabadiliko ya nishati ya bure ya reactants au bidhaa. Wao hupunguza tu nishati ya uanzishaji inahitajika kufikia hali ya mpito (Kielelezo6.5.1).

Enzyme Active Site na Substrate maalum
Vipengele vya kemikali ambavyo enzyme hufunga ni substrates za enzyme. Kunaweza kuwa na substrates moja au zaidi, kulingana na mmenyuko fulani wa kemikali. Katika baadhi ya athari, substrate moja-reactant ni kuvunjwa katika bidhaa nyingi. Kwa wengine, substrates mbili zinaweza kuja pamoja ili kuunda molekuli moja kubwa. reactants mbili pia kuingia majibu, wote kuwa iliyopita, na kuacha majibu kama bidhaa mbili. Eneo ndani ya enzyme ambapo substrate hufunga inaitwa tovuti ya kazi ya enzyme. Tovuti ya kazi ni ambapo “hatua” hutokea, kwa kusema. Kwa kuwa enzymes ni protini, kuna mchanganyiko wa kipekee wa mabaki ya amino asidi (pia huitwa minyororo ya upande, au makundi ya R) ndani ya tovuti ya kazi. Kila mabaki yanajulikana na mali tofauti. Mabaki yanaweza kuwa kubwa au ndogo, dhaifu tindikali au ya msingi, hydrophilic au hydrophobic, vyema au vibaya kushtakiwa, au neutral. Mchanganyiko wa kipekee wa mabaki ya amino asidi, nafasi zao, utaratibu, miundo, na mali, hujenga mazingira maalum ya kemikali ndani ya tovuti ya kazi. Mazingira haya maalum yanafaa kumfunga, ingawa kwa ufupi, kwa substrate maalum ya kemikali (au substrates). Kutokana na mechi hii ya jigsaw puzzle-kama kati ya enzyme na substrates zake (ambayo inachukua ili kupata fit bora kati ya hali ya mpito na tovuti ya kazi), enzymes hujulikana kwa maalum yao. “Bora fit” matokeo kutoka sura na mvuto amino asidi kazi kundi substrate. Kuna enzyme iliyoendana hasa kwa kila substrate na, kwa hiyo, kwa kila mmenyuko wa kemikali; hata hivyo, kuna kubadilika pia.
Ukweli kwamba maeneo ya kazi yanafaa kabisa kutoa mazingira maalum ya mazingira pia inamaanisha kuwa yanaathiriwa na mazingira ya ndani. Ni kweli kwamba kuongezeka kwa joto la mazingira kwa ujumla huongeza viwango vya mmenyuko, enzyme-kichocheo au vinginevyo. Hata hivyo, kuongezeka au kupungua kwa joto nje ya aina mojawapo inaweza kuathiri vifungo vya kemikali ndani ya tovuti ya kazi kwa namna ambayo haifai sana kumfunga substrates. Joto la juu hatimaye litasababisha enzymes, kama molekuli nyingine za kibiolojia, kwa denature, mchakato unaobadilisha mali ya asili ya dutu. Vivyo hivyo, pH ya mazingira ya ndani inaweza pia kuathiri kazi ya enzyme. Tovuti ya kazi ya amino asidi mabaki yana mali yao ya tindikali au ya msingi ambayo ni sawa kwa catalysis. Mabaki haya ni nyeti kwa mabadiliko katika pH ambayo yanaweza kuharibu njia ya molekuli substrate kumfunga. Enzymes zinafaa kufanya kazi bora ndani ya aina fulani ya pH, na, kama ilivyo kwa joto, maadili ya pH uliokithiri (tindikali au ya msingi) ya mazingira yanaweza kusababisha enzymes kwa denature.
Kazi ya Fit na Enzyme
Kwa miaka mingi, wanasayansi walidhani kuwa kisheria ya enzyme-substrate ilifanyika kwa mtindo rahisi wa “lock-na-key”. Mfano huu ulisema kuwa enzyme na substrate vinafaa pamoja kikamilifu katika hatua moja ya papo hapo. Hata hivyo, utafiti wa sasa inasaidia mtazamo zaidi iliyosafishwa iitwayo ikiwa fit (Kielelezo6.5.2). Mfano wa induced-fit unazidi juu ya mfano wa lock-na-muhimu kwa kuelezea mwingiliano wa nguvu zaidi kati ya enzyme na substrate. Kama enzyme na substrate kuja pamoja, mwingiliano wao husababisha mabadiliko kali katika muundo wa enzyme ambayo inathibitisha mpangilio bora wa kisheria kati ya enzyme na hali ya mpito ya substrate. Kisheria hii bora huongeza uwezo wa enzyme wa kuchochea majibu yake.
Wakati enzyme inafunga substrate yake, tata ya enzyme-substrate inaundwa. Ugumu huu hupunguza nishati ya uanzishaji wa mmenyuko na inakuza maendeleo yake ya haraka kwa njia moja. Katika ngazi ya msingi, enzymes huendeleza athari za kemikali zinazohusisha substrate zaidi ya moja kwa kuleta substrates pamoja katika mwelekeo bora. Eneo linalofaa (atomi na vifungo) vya molekuli moja linajumuishwa na kanda inayofaa ya molekuli nyingine ambayo inapaswa kuguswa. Njia nyingine ambayo enzymes huendeleza mmenyuko wa substrates zao ni kwa kujenga mazingira bora ndani ya tovuti ya kazi kwa majibu ya kutokea. Baadhi ya kemikali athari inaweza kuendelea bora katika mazingira kidogo tindikali au yasiyo ya polar. Mali za kemikali zinazojitokeza kutoka kwa utaratibu fulani wa mabaki ya amino asidi ndani ya tovuti ya kazi huunda mazingira kamili kwa substrates maalum ya enzyme ili kuitikia.
Umejifunza kwamba nishati ya uanzishaji inahitajika kwa athari nyingi inajumuisha nishati inayohusika katika kuendesha au kuunganisha vifungo vya kemikali ili waweze kuvunja kwa urahisi na kuruhusu wengine kurekebisha. Hatua ya enzymatic inaweza kusaidia mchakato huu. Tata ya substrate ya enzyme inaweza kupunguza nishati ya uanzishaji kwa kupindua molekuli ya substrate kwa njia ya kuwezesha kuvunja dhamana, kusaidia kufikia hali ya mpito. Hatimaye, enzymes pia zinaweza kupunguza nguvu za uanzishaji kwa kushiriki katika mmenyuko wa kemikali yenyewe. Mabaki ya amino asidi yanaweza kutoa ions fulani au makundi ya kemikali ambayo kwa kweli huunda vifungo vya covalent na molekuli za substrate kama hatua muhimu ya mchakato wa mmenyuko. Katika kesi hizi, ni muhimu kukumbuka kuwa enzyme itarudi hali yake ya awali wakati wa kukamilika kwa majibu. Moja ya mali ya mahususi ya enzymes ni kwamba hubakia hatimaye bila kubadilika na athari ambazo huchochea. Baada ya enzyme kufanywa kuchochea majibu, hutoa bidhaa (s) zake.

Udhibiti wa kimetaboliki Kupitia Kanuni
Inaonekana kuwa bora kuwa na hali ambayo enzymes zote zilizosajiliwa katika genome ya kiumbe zilikuwepo katika ugavi mwingi na zimefanyika vizuri chini ya hali zote za mkononi, katika seli zote, wakati wote. Kwa kweli, hii ni mbali na kesi hiyo. Njia mbalimbali zinahakikisha kwamba hii haitoke. Mahitaji ya seli na hali hutofautiana kutoka kiini hadi kiini, na mabadiliko ndani ya seli za mtu binafsi kwa muda. Enzymes zinazohitajika na mahitaji ya juhudi za seli za tumbo ni tofauti na zile za seli za kuhifadhi mafuta, seli za ngozi, seli za damu, na seli za neva. Zaidi ya hayo, kiini digestive kazi ngumu sana kwa mchakato na kuvunja virutubisho wakati huo karibu ifuatavyo chakula ikilinganishwa na masaa mengi baada ya mlo. Kama mahitaji haya ya mkononi na hali zinatofautiana, hivyo kiasi na utendaji wa enzymes tofauti.
Kwa kuwa viwango vya athari biochemical ni kudhibitiwa na nishati uanzishaji, na Enzymes chini na kuamua nguvu uanzishaji kwa athari za kemikali, kiasi jamaa na utendaji wa aina ya Enzymes ndani ya seli hatimaye kuamua ambayo athari itaendelea na ambayo viwango. Uamuzi huu ni tightly kudhibitiwa. Katika mazingira fulani ya seli, shughuli za enzyme hudhibitiwa kwa sehemu na mambo ya mazingira, kama pH na joto. Kuna njia nyingine ambazo seli hudhibiti shughuli za enzymes na kuamua viwango ambavyo athari mbalimbali za biochemical zitatokea.
Udhibiti wa Enzymes na M
Enzymes zinaweza kudhibitiwa kwa njia ambazo zinaweza kukuza au kupunguza shughuli zao. Kuna aina nyingi za molekuli zinazozuia au kukuza kazi ya enzyme, na taratibu mbalimbali zipo kwa kufanya hivyo. Katika baadhi ya matukio ya kuzuia enzyme, kwa mfano, molekuli ya kizuizi ni sawa na substrate ambayo inaweza kumfunga kwenye tovuti ya kazi na kuzuia tu substrate kutoka kumfunga. Wakati hii itatokea, enzyme imezuiliwa kwa njia ya kuzuia ushindani, kwa sababu molekuli ya kizuizi inashindana na substrate kwa ajili ya kumfunga tovuti ya kazi (Kielelezo6.5.3). Kwa upande mwingine, katika kukandamiza yasiyo ya ushindani, molekuli ya kiviza hufunga kwa enzyme katika eneo lisilo na tovuti ya allosteric na bado itaweza kuzuia kumfunga substrate kwenye tovuti ya kazi.

Baadhi ya molekuli za kizuizi hufunga kwa enzymes mahali ambapo kumfunga kwao husababisha mabadiliko ya kufanana ambayo hupunguza mshikamano wa enzyme kwa substrate yake. Aina hii ya kuzuia inaitwa kuzuia allosteric (Kielelezo6.5.4). Wengi allosterically umewekwa Enzymes ni linajumuisha zaidi ya moja polipeptidi, maana kwamba wana zaidi ya moja protini subunit. Wakati kizuizi cha allosteric kinafunga kwa enzyme, maeneo yote ya kazi kwenye subunits ya protini yanabadilishwa kidogo kama vile hufunga substrates zao kwa ufanisi mdogo. Kuna watendaji wa allosteric pamoja na inhibitors. Waendeshaji wa allosteric hufunga kwenye maeneo kwenye enzyme mbali na tovuti ya kazi, na kusababisha mabadiliko ya kimapenzi ambayo huongeza mshikamano wa tovuti ya kazi ya enzyme kwa substrate yake (s).

Uunganisho wa Kila siku: Ugunduzi wa Dawa kwa Kutafuta Inhibitors ya Enzymes muhimu katika Njia maalum

Enzymes ni sehemu muhimu za njia za kimetaboliki. Kuelewa jinsi enzymes zinavyofanya kazi na jinsi gani zinaweza kudhibitiwa ni kanuni muhimu nyuma ya maendeleo ya madawa mengi ya dawa (Kielelezo6.5.5) kwenye soko leo. Wanabiolojia wanaofanya kazi katika uwanja huu hushirikiana na wanasayansi wengine, kwa kawaida wanakemia, kutengeneza madawa ya kulevya.
Fikiria statins kwa mfano-ambayo ni jina lililopewa darasa la madawa ya kulevya ambayo inapunguza viwango vya cholesterol. Misombo hii kimsingi ni inhibitors ya enzyme HMG-CoA reductase. HMG-coa reductase ni enzyme ambayo huunganisha cholesterol kutoka lipids katika mwili. Kwa kuzuia enzyme hii, viwango vya cholesterol vinavyotengenezwa katika mwili vinaweza kupunguzwa. Vile vile, acetaminophen, maarufu kuuzwa chini ya jina la brand Tylenol, ni kizuizi cha cyclooxygenase ya enzyme. Wakati ni bora katika kutoa misaada kutokana na homa na kuvimba (maumivu), utaratibu wake wa utekelezaji bado haueleweki kabisa.
Je! Madawa ya kulevya yanatengenezwa? Moja ya changamoto za kwanza katika maendeleo ya madawa ya kulevya ni kutambua molekuli maalumu ambayo dawa hiyo inalenga kulenga. Katika kesi ya statins, HMG-coa reductase ni lengo la madawa ya kulevya. Malengo ya madawa ya kulevya yanatambuliwa kupitia utafiti wa maumivu katika maabara. Kutambua lengo peke yake haitoshi; wanasayansi pia wanahitaji kujua jinsi shabaha inavyofanya ndani ya seli na ni athari gani zinazotoka katika kesi ya ugonjwa. Mara baada ya lengo na njia ni kutambuliwa, basi mchakato halisi wa kubuni madawa ya kulevya huanza. Wakati wa hatua hii, wanakemia na wanabiolojia hufanya kazi pamoja ili kubuni na kuunganisha molekuli zinazoweza kuzuia au kuamsha mmenyuko fulani. Hata hivyo, hii ni mwanzo tu: wote ikiwa na wakati mfano wa madawa ya kulevya unafanikiwa katika kutekeleza kazi yake, basi ni lazima ipate vipimo vingi kutoka majaribio ya vitro hadi majaribio ya kliniki kabla ya kupata idhini ya FDA kuwa sokoni.
Enzymes wengi hawafanyi kazi optimalt, au hata wakati wote, isipokuwa amefungwa kwa molekuli nyingine maalum zisizo protini msaidizi, ama kwa muda kwa njia ya dhamana ionic au hidrojeni au kudumu kwa njia ya vifungo nguvu covalent. Aina mbili za molekuli za msaidizi ni cofactors na coenzymes. Kufungia kwa molekuli hizi kukuza conformation mojawapo na kazi kwa enzymes zao. Cofactors ni ioni isokaboni kama vile chuma (Fe++) na magnesiamu (Mg++). Mfano mmoja wa enzyme ambayo inahitaji ion ya chuma kama cofactor ni enzyme inayojenga molekuli za DNA, DNA polymerase, ambayo inahitaji ioni ya zinki iliyofungwa (Zn ++) ili kufanya kazi. Coenzymes ni molekuli ya msaidizi wa kikaboni, na muundo wa msingi wa atomiki unaoundwa na kaboni na hidrojeni, ambazo zinahitajika kwa hatua ya enz Vyanzo vya kawaida vya coenzymes ni vitamini vya chakula (Kielelezo6.5.6). Vitamini vingine ni watangulizi wa coenzymes na wengine hufanya moja kwa moja kama coenzymes Vitamini C ni coenzyme kwa enzymes nyingi zinazohusika katika kujenga sehemu muhimu ya tishu inayojumuisha, collagen. Hatua muhimu katika kuvunjika kwa glucose ili kuzalisha nishati ni kichocheo na tata nyingi za enzyme inayoitwa piruvati dehydrogenase. Piruvati dehydrogenase ni tata ya enzymes kadhaa ambayo kwa kweli inahitaji cofactor moja (ioni magnesiamu) na tano tofauti coenzymes hai kuchochea kemikali majibu yake maalum. Kwa hiyo, kazi ya enzyme ni, kwa sehemu, inasimamiwa na wingi wa cofactors mbalimbali na coenzymes, ambazo hutolewa hasa na mlo wa viumbe wengi.

Kugawanyika kwa enzyme
Katika seli za eukaryotiki, molekuli kama vile enzymes kawaida hugawanywa katika organelles tofauti. Hii inaruhusu kiwango kingine cha udhibiti wa shughuli za enzyme. Enzymes zinazohitajika tu kwa michakato fulani ya seli zinaweza kuwekwa tofauti pamoja na substrates zao, kuruhusu athari za kemikali za ufanisi zaidi. Mifano ya aina hii ya kanuni za enzyme kulingana na eneo na ukaribu ni pamoja na Enzymes zinazohusika katika hatua za mwisho za kupumua kwa seli, ambayo hufanyika peke katika mitochondria, na Enzymes zinazohusika katika digestion ya uchafu wa seli na vifaa vya kigeni, ziko ndani ya lysosomes.
Uzuiaji wa maoni katika Njia za Metabolic
Molekuli zinaweza kudhibiti kazi ya enzyme kwa njia nyingi. Swali kubwa linabakia, hata hivyo: Molekuli hizi ni nini na zinatoka wapi? Baadhi ni cofactors na coenzymes, ions, na molekuli hai, kama umejifunza. Nini molekuli nyingine katika seli kutoa kanuni enzymatic, kama vile allosteric modulering, na ushindani na noncompetitive kukandamiza? Jibu ni kwamba aina mbalimbali za molekuli zinaweza kufanya majukumu haya. Baadhi ya molekuli hizi ni pamoja na dawa na zisizo za dawa, sumu, na sumu kutoka mazingira. Labda vyanzo muhimu zaidi vya molekuli za udhibiti wa enzyme, kuhusiana na kimetaboliki ya seli, ni bidhaa za athari za metabolic za mkononi wenyewe. Kwa njia ya ufanisi zaidi na ya kifahari, seli zimebadilika kutumia bidhaa za athari zao wenyewe kwa kuzuia maoni ya shughuli za enzyme. Uzuiaji wa maoni unahusisha matumizi ya bidhaa ya mmenyuko ili kudhibiti uzalishaji wake zaidi (Kielelezo6.5.7). Kiini hujibu kwa wingi wa bidhaa maalum kwa kupunguza kasi ya uzalishaji wakati wa athari za anabolic au catabolic. Bidhaa hizo za majibu zinaweza kuzuia enzymes ambazo zilichochea uzalishaji wao kupitia taratibu zilizoelezwa hapo juu.

Uzalishaji wa amino asidi na nucleotides hudhibitiwa kwa njia ya kuzuia maoni. Zaidi ya hayo, ATP ni mdhibiti wa allosteric wa baadhi ya enzymes zinazohusika katika kuvunjika kwa catabolic ya sukari, mchakato unaozalisha ATP. Kwa njia hii, wakati ATP ni nyingi, kiini kinaweza kuzuia uzalishaji wake zaidi. Kumbuka kwamba ATP ni molekuli imara ambayo inaweza kuwaka dissociate katika ADP. Kama ATP sana walikuwa sasa katika kiini, sehemu kubwa ya ingekuwa kwenda kupoteza. Kwa upande mwingine, ADP hutumika kama mdhibiti mzuri wa allosteric (activator ya allosteric) kwa baadhi ya enzymes sawa ambazo zinazuia na ATP. Hivyo, wakati ngazi za jamaa za ADP ni za juu ikilinganishwa na ATP, kiini husababishwa kuzalisha ATP zaidi kupitia catabolism ya sukari.
Muhtasari
Enzymes ni vichocheo vya kemikali vinavyoharakisha athari za kemikali katika joto la kisaikolojia kwa kupunguza nishati zao za uanzishaji. Enzymes ni kawaida protini yenye minyororo moja au zaidi ya polipeptidi. Enzymes zina tovuti ya kazi ambayo hutoa mazingira ya kipekee ya kemikali, yenye makundi fulani ya amino asidi R (mabaki). Mazingira haya ya kipekee yanafaa kabisa kubadili reactants fulani za kemikali kwa enzyme hiyo, inayoitwa substrates, katika intermediates thabiti inayoitwa majimbo ya mpito. Enzymes na substrates ni mawazo ya kumfunga na fit ikiwa, ambayo ina maana kwamba enzymes kupitia marekebisho kidogo conformational juu ya kuwasiliana substrate, na kusababisha kamili, mojawapo ya kisheria. Enzymes hufunga kwa substrates na kuchochea athari kwa njia nne tofauti: kuleta substrates pamoja katika mwelekeo mojawapo, kuacha miundo ya dhamana ya substrates ili vifungo vinaweza kuvunjika kwa urahisi zaidi, kutoa hali bora ya mazingira kwa mmenyuko kutokea, au kushiriki moja kwa moja katika mmenyuko wao wa kemikali kwa kutengeneza vifungo vya muda mfupi vya covalent na substrates.
Hatua ya enzyme inapaswa kudhibitiwa ili katika kiini kilichopewa kwa wakati fulani, athari zinazohitajika zinachochewa na athari zisizohitajika sio. Enzymes hudhibitiwa na hali za mkononi, kama vile joto na pH. Wao pia umewekwa kwa njia ya eneo lao ndani ya seli, wakati mwingine kuwa compartmentalized ili waweze tu kuchochea athari chini ya hali fulani. Uzuiaji na uanzishaji wa enzymes kupitia molekuli nyingine ni njia nyingine muhimu ambazo enzymes zinawekwa. Inhibitors inaweza kutenda ushindani, noncompetitively, au allosterically; inhibitors noncompetitive ni kawaida allosteric. Waendeshaji wanaweza pia kuongeza kazi ya enzymes allosterically. Njia ya kawaida ambayo seli zinazodhibiti enzymes katika njia za kimetaboliki ni kupitia kuzuia maoni. Wakati wa kuzuia maoni, bidhaa za njia ya kimetaboliki hutumika kama inhibitors (kawaida allosteric) ya moja au zaidi ya enzymes (kwa kawaida enzyme ya kwanza ya njia) inayohusika katika njia inayozalisha.
faharasa
- tovuti ya kazi
- kanda maalum ya enzyme ambayo substrate hufunga
- kizuizi cha allosteric
- kuzuia na tukio la kumfunga kwenye tovuti tofauti na tovuti ya kazi, ambayo inasababisha mabadiliko ya kimapenzi na hupunguza mshikamano wa enzyme kwa substrate yake
- kimeng'enya
- molekuli ndogo ya kikaboni, kama vitamini au derivative yake, ambayo inahitajika ili kuongeza shughuli za enzyme
- cofactor
- ion isokaboni, kama vile chuma na magnesiamu ions, inahitajika kwa udhibiti bora wa shughuli za enzyme
- kuzuia ushindani
- aina ya kuzuia ambayo kizuizi kinashindana na molekuli ya substrate kwa kumfunga kwenye tovuti ya kazi ya enzyme
- denature
- mchakato unaobadilisha mali ya asili ya dutu
- kizuizi cha maoni
- athari za bidhaa ya mlolongo wa mmenyuko ili kupunguza uzalishaji wake zaidi kwa kuzuia shughuli za enzyme ya kwanza katika njia inayozalisha
- ikiwa inafaa
- fit nguvu kati ya enzyme na substrate yake, ambayo vipengele vyote viwili hubadilisha miundo yao ili kuruhusu kumfunga bora
- sabstreti
- molekuli ambayo enzyme hufanya