Hàng triệu phản ứng hóa học diễn ra trong tế bào của bất kỳ sinh vật sống nào. Mỗi người trong số họ đều có tầm quan trọng lớn, vì vậy điều quan trọng là phải duy trì tốc độ của các quá trình sinh học ở mức cao. Hầu hết mọi phản ứng đều được xúc tác bởi enzym của chính nó. Enzyme là gì? Vai trò của chúng trong lồng là gì?
Enzyme. Định nghĩa
Thuật ngữ "enzyme" bắt nguồn từ tiếng Latin fermentum - men. Chúng cũng có thể được gọi là enzym, từ tiếng Hy Lạp en zyme, "trong men".
Enzyme là những chất có hoạt tính sinh học, vì vậy bất kỳ phản ứng nào diễn ra trong tế bào đều không thể thực hiện được nếu không có sự tham gia của chúng. Các chất này đóng vai trò là chất xúc tác. Theo đó, bất kỳ loại enzyme nào cũng có hai đặc tính chính:
1) Enzyme tăng tốc phản ứng sinh hóa, nhưng không bị tiêu thụ.
2) Giá trị của hằng số cân bằng không thay đổi, nhưng chỉ tăng tốc việc đạt được giá trị này.
Enzyme tăng tốc các phản ứng sinh hóa lên một nghìn, và trong một số trường hợp là một triệu lần. Điều này có nghĩa là trong trường hợp không có bộ máy enzym, tất cả các quá trình nội bào sẽ thực sự dừng lại, và bản thân tế bào sẽ chết. Vì vậy, vai trò của các enzym như các chất hoạt động sinh học là rất lớn.
Sự đa dạng của các enzym cho phép bạn đa dạng hóa các quy định của quá trình trao đổi chất của tế bào. Trong bất kỳ chuỗi phản ứng nào, nhiều enzym thuộc các lớp khác nhau tham gia. Chất xúc tác sinh học có tính chọn lọc cao do cấu trúc đặc trưng của phân tử. Vì các enzym trong hầu hết các trường hợp có bản chất là protein nên chúng có cấu trúc bậc ba hoặc bậc bốn. Điều này một lần nữa được giải thích bởi tính đặc trưng của phân tử.
Chức năng của các enzym trong tế bào
Nhiệm vụ chính của enzym là tăng tốc độ phản ứng tương ứng. Bất kỳ chuỗi quy trình nào, từ phân hủy hydro peroxit đến đường phân, đều cần đến sự có mặt của chất xúc tác sinh học.
Hoạt động bình thường của các enzym đạt được nhờ tính đặc hiệu cao đối với một chất nền cụ thể. Điều này có nghĩa là một chất xúc tác chỉ có thể tăng tốc một phản ứng nhất định và không có chất nào khác, thậm chí là một chất rất giống. Theo mức độ đặc hiệu, các nhóm enzym sau được phân biệt:
1) Enzim có tính đặc hiệu tuyệt đối, khi chỉ xúc tác một phản ứng duy nhất. Ví dụ, collagenase phân hủy collagen và m altase phân hủy m altose.
2) Enzyme có tính đặc hiệu tương đối. Điều này bao gồm các chất có thể xúc tác cho một số loại phản ứng nhất định, chẳng hạn như phân tách thủy phân.
Công việc của chất xúc tác sinh học bắt đầu từ thời điểm tâm hoạt động của nó được gắn vào chất nền. Trong trường hợp này, người ta nói về sự tương tác bổ sung giống như ổ khóa và chìa khóa. Điều này đề cập đến sự trùng khớp hoàn toàn về hình dạng của trung tâm hoạt động với chất nền, điều này giúp tăng tốc phản ứng.
Bước tiếp theo là phản ứng của chính nó. Tốc độ của nó tăng lên do hoạt động của phức hợp enzym. Cuối cùng, chúng tôi nhận được một loại enzyme có liên quan đến các sản phẩm của phản ứng.
Giai đoạn cuối cùng là tách các sản phẩm phản ứng ra khỏi enzyme, sau đó trung tâm hoạt động trở lại tự do cho công việc tiếp theo.
Theo sơ đồ, hoạt động của enzym ở mỗi giai đoạn có thể được viết như sau:
1) S + E --> SE
2) SE --> SP
3) SP --> S + P trong đó S là cơ chất, E là enzym và P là sản phẩm.
Phân loại enzym
Trong cơ thể con người, bạn có thể tìm thấy một lượng lớn các enzym. Tất cả các kiến thức về chức năng và công việc của chúng đã được hệ thống hóa, và kết quả là, một phân loại duy nhất đã xuất hiện, nhờ đó dễ dàng xác định chất xúc tác này hoặc chất xúc tác kia nhằm mục đích gì. Dưới đây là 6 lớp chính của enzym, cũng như ví dụ về một số phân nhóm.
Oxidoreductases
Enzyme thuộc lớp này xúc tác phản ứng oxy hóa khử. Tổng cộng có 17 phân nhóm. Các sản phẩm oxy hóa thường có một phần không phải protein, được đại diện bằng vitamin hoặc heme.
Các phân nhóm sau thường được tìm thấy trong số các sản phẩm oxy hóa:
a) Dehydrogenase. Hóa sinh của enzym dehydrogenase bao gồm việc loại bỏ các nguyên tử hydro và chuyển chúng sang cơ chất khác. Phân nhóm này thường được tìm thấy nhất trong các phản ứng hô hấp,quang hợp. Thành phần của dehydrogenase nhất thiết phải chứa coenzyme ở dạng NAD / NADP hoặc flavoprotein FAD / FMN. Thường có các ion kim loại. Ví dụ bao gồm các enzym như cytochrome reductases, pyruvate dehydrogenase, isocitrate dehydrogenase và nhiều enzym gan (lactate dehydrogenase, glutamate dehydrogenase, v.v.).
b) Oxidase. Một số enzym xúc tác việc bổ sung oxy vào hydro, do đó sản phẩm của phản ứng có thể là nước hoặc hydro peroxit (H20, H2 0 2). Ví dụ về các enzym: cytochrome oxidase, tyrosinase.
c) Peroxidase và catalase là các enzym xúc tác sự phân hủy H2O2thành oxy và nước.
d) Oxygenase. Các chất xúc tác sinh học này đẩy nhanh quá trình bổ sung oxy vào chất nền. Dopamine hydroxylase là một trong những ví dụ về các enzym như vậy.
2. Chuyển nhượng.
Nhiệm vụ của các enzym thuộc nhóm này là chuyển các gốc từ chất cho sang chất nhận.
a) Methyltransferase. DNA methyltransferase là những enzyme chính kiểm soát quá trình sao chép DNA. Sự methyl hóa nucleotide đóng một vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh chức năng của axit nucleic.
b) Acyltransferase. Các enzym của phân nhóm này vận chuyển nhóm acyl từ phân tử này sang phân tử khác. Ví dụ về acyltransferase: lecithincholesterol acyltransferase (chuyển nhóm chức năng từ axit béo thành cholesterol), lysophosphatidylcholine acyltransferase (nhóm acyl được chuyển thành lysophosphatidylcholine).
c) Aminotransferase là các enzym tham gia vào quá trình chuyển đổi các axit amin. Ví dụ về các enzym: alanin aminotransferase, xúc tác quá trình tổng hợp alanin từ pyruvat và glutamat bằng cách chuyển nhóm amin.
d) Phosphotransferase. Các enzym của phân nhóm này xúc tác việc thêm một nhóm photphat. Một tên khác của phosphotransferase, kinase, phổ biến hơn nhiều. Ví dụ như các enzym như hexokinase và kinase aspartate, bổ sung dư lượng phốt pho vào hexose (thường là glucose) và axit aspartic, tương ứng.
3. Hydrolase là một loại enzym xúc tác sự phân cắt các liên kết trong phân tử, sau đó là sự bổ sung nước. Các chất thuộc nhóm này là các enzym chính của quá trình tiêu hóa.
a) Xóa bỏ - phá vỡ các liên kết thanh tao. Một ví dụ là lipase, có tác dụng phân hủy chất béo.
b) Glycosidaza. Hóa sinh của các enzym thuộc loạt này bao gồm sự phá hủy các liên kết glycosidic của các polyme (polysaccharid và oligosaccharid). Ví dụ: amylase, sucrase, m altase.
c) Peptidaza là các enzym xúc tác quá trình phân hủy protein thành các axit amin. Peptidase bao gồm các enzym như pepsin, trypsin, chymotrypsin, carboxypeptidase.
d) Amidases - tách liên kết amide. Ví dụ: arginase, urease, glutaminase, v.v. Nhiều enzyme amidase xuất hiện trong chu trình ornithine.
4. Lyases là các enzym có chức năng tương tự như hydrolase, tuy nhiên, nước không bị tiêu thụ trong quá trình phân cắt các liên kết trong phân tử. Các enzym thuộc loại này luôn chứa một phần không phải protein, ví dụ, ở dạng vitamin B1 hoặc B6.
a) Khử cacboxyl. Các enzym này hoạt động trên liên kết C-C. Ví dụ làphục vụ như glutamate decarboxylase hoặc pyruvate decarboxylase.
b) Hydratases và mất nước là các enzym xúc tác phản ứng tách liên kết C-O.
c) Amidine-lyases - phá hủy liên kết C-N. Ví dụ: arginine succinate lyase.
d) P-O lyase. Các enzym như vậy, theo quy luật, tách nhóm photphat khỏi chất cơ chất. Ví dụ: adenylate cyclase.
Hóa sinh của các enzym dựa trên cấu trúc của chúng
Khả năng của mỗi enzym được xác định bởi cấu trúc riêng biệt, độc đáo của nó. Enzyme trước hết là một protein, cấu trúc và mức độ gấp của nó đóng vai trò quyết định trong việc xác định chức năng của nó.
Mỗi chất xúc tác sinh học được đặc trưng bởi sự hiện diện của một trung tâm đang hoạt động, đến lượt nó, được chia thành nhiều khu vực chức năng độc lập:
1) Trung tâm xúc tác là một vùng đặc biệt của protein, qua đó enzym được gắn vào cơ chất. Tùy thuộc vào cấu trúc của phân tử protein, trung tâm xúc tác có thể có nhiều dạng khác nhau, các dạng này phải phù hợp với cơ chất giống như một ổ khóa đối với một chiếc chìa khóa. Cấu trúc phức tạp như vậy giải thích tại sao protein enzym ở trạng thái bậc ba hoặc bậc bốn.
2) Trung tâm hấp phụ - hoạt động như một "người giữ". Ở đây, trước hết cần có sự liên kết giữa phân tử enzim và phân tử cơ chất. Tuy nhiên, các liên kết được hình thành bởi trung tâm hấp phụ rất yếu, có nghĩa là phản ứng xúc tác có thể thuận nghịch ở giai đoạn này.
3) Các trung tâm allosteric có thể được đặt tạiở vị trí hoạt động và trên toàn bộ bề mặt của enzym nói chung. Chức năng của chúng là điều chỉnh hoạt động của enzym. Quá trình điều tiết xảy ra với sự trợ giúp của các phân tử chất ức chế và phân tử chất hoạt hóa.
Protein hoạt hóa, liên kết với phân tử enzyme, tăng tốc độ hoạt động của nó. Ngược lại, chất ức chế ức chế hoạt động xúc tác và điều này có thể xảy ra theo hai cách: hoặc phân tử liên kết với vị trí allosteric trong vùng của vị trí hoạt động của enzym (ức chế cạnh tranh), hoặc nó gắn vào vùng khác của protein (ức chế không cạnh tranh). Sự ức chế cạnh tranh được coi là hiệu quả hơn. Rốt cuộc, điều này sẽ đóng lại nơi liên kết cơ chất với enzym và quá trình này chỉ có thể thực hiện được trong trường hợp gần như hoàn toàn trùng khớp về hình dạng của phân tử chất ức chế và trung tâm hoạt động.
Một loại enzyme thường không chỉ bao gồm các axit amin mà còn bao gồm các chất hữu cơ và vô cơ khác. Theo đó, apoenzyme được phân lập - phần protein, coenzyme - phần hữu cơ và cofactor - phần vô cơ. Coenzyme có thể được đại diện bởi carbohydrate, chất béo, axit nucleic, vitamin. Đổi lại, đồng yếu tố thường là các ion kim loại phụ. Hoạt động của các enzym được quyết định bởi cấu trúc của nó: các chất bổ sung tạo nên thành phần làm thay đổi tính chất xúc tác. Các loại enzym đa dạng là kết quả của sự kết hợp của tất cả các yếu tố hình thành phức tạp nêu trên.
Điều tiết các enzym
Enzyme là hoạt chất sinh học không phải lúc nào cũng cần thiết cho cơ thể. Hóa sinh của các enzym là do đó chúng có thể gây hại cho tế bào sống trong trường hợp xúc tác quá mức. Để ngăn ngừa tác hại của các enzym đối với cơ thể, cần phải bằng cách nào đó điều chỉnh công việc của chúng.
T. Vì enzym có bản chất là protein nên chúng dễ bị phá hủy ở nhiệt độ cao. Quá trình biến tính có thể đảo ngược được, nhưng nó có thể ảnh hưởng đáng kể đến hoạt động của các chất.
pH cũng đóng một vai trò lớn trong việc điều chỉnh. Theo quy luật, hoạt động cao nhất của các enzym được quan sát ở các giá trị pH trung tính (7,0-7,2). Cũng có những enzym chỉ hoạt động trong môi trường axit hoặc chỉ trong môi trường kiềm. Vì vậy, trong lysosome của tế bào, độ pH thấp được duy trì, tại đó hoạt động của các enzym thủy phân là tối đa. Nếu chúng vô tình xâm nhập vào tế bào chất, nơi môi trường vốn đã gần trung tính hơn, hoạt động của chúng sẽ giảm. Sự bảo vệ chống lại "tự ăn" như vậy dựa trên tính chất đặc thù của hoạt động của hydrolase.
Cần nhắc đến tầm quan trọng của coenzyme và cofactor trong thành phần của enzyme. Sự hiện diện của vitamin hoặc ion kim loại ảnh hưởng đáng kể đến hoạt động của một số enzym cụ thể.
Danh pháp enzyme
Tất cả các enzym của cơ thể thường được đặt tên tùy thuộc vào sự thuộc về bất kỳ lớp nào của chúng, cũng như chất nền mà chúng phản ứng. Đôi khi, theo danh pháp hệ thống, không phải một mà là hai chất nền được sử dụng trong tên gọi.
Ví dụ về tên của một số enzym:
- Men gan: lactate-dehydrogenase, glutamate dehydrogenase.
- Tên đầy đủ có hệ thống của enzyme: lactate-NAD + -oxidoreduct-ase.
Cũng có những cái tên tầm thường không tuân theo quy tắc của danh pháp. Ví dụ như các enzym tiêu hóa: trypsin, chymotrypsin, pepsin.
Quy trình tổng hợp enzyme
Chức năng của các enzym được xác định ở cấp độ di truyền. Vì một phân tử nói chung là một protein, nên quá trình tổng hợp của nó lặp lại chính xác các quá trình phiên mã và dịch mã.
Quá trình tổng hợp các enzym diễn ra theo sơ đồ sau. Đầu tiên, thông tin về enzyme mong muốn được đọc từ DNA, do đó mRNA được hình thành. Messenger RNA mã hóa cho tất cả các axit amin tạo nên enzyme. Sự điều hòa của enzim cũng có thể xảy ra ở cấp độ ADN: nếu sản phẩm của phản ứng được xúc tác đủ thì quá trình phiên mã dừng lại và ngược lại, nếu cần sản phẩm thì quá trình phiên mã được kích hoạt.
Sau khi mRNA đã đi vào tế bào chất của tế bào, giai đoạn tiếp theo bắt đầu - dịch mã. Trên các ribôxôm của lưới nội chất tổng hợp một chuỗi sơ cấp gồm các axit amin nối với nhau bằng liên kết peptit. Tuy nhiên, phân tử protein trong cấu trúc cơ bản chưa thể thực hiện các chức năng enzym của nó.
Hoạt động của các enzym phụ thuộc vào cấu trúc của protein. Trên cùng một ER, xảy ra hiện tượng xoắn protein, do đó cấu trúc bậc hai đầu tiên và sau đó là cấu trúc bậc ba được hình thành. Quá trình tổng hợp một số enzym đã dừng lại ở giai đoạn này, tuy nhiên, để kích hoạt hoạt tính xúc tác, thường cầnbổ sung coenzyme và cofactor.
Ở một số vùng nhất định của lưới nội chất, các thành phần hữu cơ của enzim được gắn vào: monosaccarit, axit nucleic, chất béo, vitamin. Một số enzym không thể hoạt động nếu không có sự hiện diện của coenzyme.
Cofactor đóng một vai trò quan trọng trong việc hình thành cấu trúc bậc 4 của protein. Một số chức năng của enzim chỉ thực hiện được khi prôtêin đến được tổ chức miền. Do đó, sự hiện diện của cấu trúc bậc bốn là rất quan trọng đối với chúng, trong đó liên kết kết nối giữa một số hạt protein là một ion kim loại.
Nhiều dạng enzym
Có những trường hợp cần thiết phải có một số enzym xúc tác cho cùng một phản ứng, nhưng khác nhau về một số thông số. Ví dụ, một enzym có thể hoạt động ở 20 độ, nhưng ở 0 độ thì nó sẽ không thể thực hiện được các chức năng của mình nữa. Một sinh vật sống phải làm gì trong tình huống như vậy ở nhiệt độ môi trường thấp?
Vấn đề này có thể dễ dàng giải quyết nhờ sự có mặt của một số enzym cùng một lúc, xúc tác cho cùng một phản ứng, nhưng hoạt động trong các điều kiện khác nhau. Có hai dạng đa dạng của enzym:
- Isoenzyme. Những protein như vậy được mã hóa bởi các gen khác nhau, bao gồm các axit amin khác nhau, nhưng xúc tác cùng một phản ứng.
- True dạng số nhiều. Các protein này được phiên mã từ cùng một gen, nhưng các peptit được sửa đổi trên ribosome. Đầu ra là một số dạng của cùng một loại enzyme.
BKết quả là loại đa dạng đầu tiên được hình thành ở cấp độ di truyền, trong khi loại thứ hai được hình thành ở cấp độ sau dịch mã.
Tầm quan trọng của enzym
Việc sử dụng các enzym trong y học được giảm xuống để tạo ra các loại thuốc mới, trong đó các chất đã có đúng số lượng. Các nhà khoa học vẫn chưa tìm ra cách để kích thích sự tổng hợp các enzym bị thiếu trong cơ thể, nhưng ngày nay các loại thuốc được bán rộng rãi có thể tạm thời bù đắp sự thiếu hụt của chúng.
Các enzym khác nhau trong tế bào xúc tác nhiều loại phản ứng duy trì sự sống. Một trong những nguyên tố này là đại diện của nhóm nucleaza: endonucleases và exonucleases. Công việc của họ là duy trì mức axit nucleic không đổi trong tế bào, loại bỏ DNA và RNA bị hư hỏng.
Đừng quên về một hiện tượng như đông máu. Là một biện pháp bảo vệ hiệu quả, quá trình này nằm dưới sự kiểm soát của một số enzym. Chất chính là thrombin, chuyển đổi fibrinogen protein không hoạt động thành fibrin hoạt động. Các sợi của nó tạo ra một loại mạng lưới làm tắc nghẽn vị trí tổn thương của mạch, do đó ngăn ngừa mất máu quá nhiều.
Enzyme được sử dụng trong sản xuất rượu, ủ rượu, thu được nhiều sản phẩm sữa lên men. Men có thể được sử dụng để sản xuất rượu từ glucose, nhưng chiết xuất từ nó là đủ để quy trình này diễn ra thành công.
Sự thật thú vị bạn chưa biết
- Tất cả các enzym trong cơ thể đều có khối lượng rất lớn - từ 5000 đến1000000 Có. Điều này là do sự hiện diện của protein trong phân tử. Để so sánh: trọng lượng phân tử của glucose là 180 Da, và carbon dioxide chỉ là 44 Da.
- Cho đến nay, hơn 2000 enzym đã được phát hiện được tìm thấy trong tế bào của nhiều sinh vật khác nhau. Tuy nhiên, hầu hết các chất này vẫn chưa được hiểu rõ.
- Hoạt động của enzyme được sử dụng để sản xuất chất tẩy giặt hiệu quả. Tại đây, các enzym thực hiện vai trò tương tự như trong cơ thể: chúng phân hủy các chất hữu cơ và đặc tính này giúp chống lại các vết bẩn. Nên sử dụng bột giặt tương tự ở nhiệt độ không cao hơn 50 độ, nếu không quá trình biến tính có thể xảy ra.
- Theo thống kê, 20% người trên thế giới bị thiếu bất kỳ loại enzym nào.
- Các đặc tính của enzym đã được biết đến từ rất lâu, nhưng chỉ đến năm 1897, người ta mới nhận ra rằng không phải bản thân nấm men, mà chiết xuất từ tế bào của chúng có thể được sử dụng để lên men đường thành rượu.
