6.5 Ensím

Hæfniviðmið

Í lok þessa hluta muntu geta gert eftirfarandi:

• Lýst hlutverki ensíma í efnaskiptaferlum
• Útskýrt hvernig ensím virka sem sameindahvatar
• Rætt stjórnun ensíma af völdum ýmissa þátta

Efni sem hjálpar efnahvarfi að eiga sér stað er hvati, og sérstöku sameindirnar sem hvata lífefnafræðileg hvörf eru ensím. Næstum öll ensím eru prótein, samsett úr amínósýrukeðjum, og þau gegna því mikilvæga verkefni að lækka virkjunarorku efnahvarfa inni í frumunni. Ensím gera þetta með því að bindast hvarfefnissameindunum og halda þeim á þann hátt að ferli tengjarofs og tengjamyndunar eigi sér stað auðveldar. Mikilvægt er að muna að ensím breyta ekki ΔG hvarfsins. Með öðrum orðum, þau breyta því ekki hvort hvarf er orkulosandi (sjálfgengt) eða orkukrefjandi. Þetta er vegna þess að þau breyta ekki frjálsri orku hvarfefnanna eða myndefnanna. Þau lækka aðeins virkjunarorkuna sem þarf til að ná hvarfmiðinu (Mynd 6.15).

Hvarfstöð ensíms og sérhæfni gagnvart hvarfefni

Efnafræðilegu hvarfefnin sem ensím binst eru hvarfefni ensímsins. Það geta verið eitt eða fleiri hvarfefni, allt eftir tilteknu efnahvarfi. Í sumum hvörfum brotnar eitt hvarfefni niður í mörg myndefni. Í öðrum geta tvö hvarfefni komið saman og myndað eina stærri sameind. Tvö hvarfefni gætu einnig farið inn í hvarf, bæði breyst, og yfirgefið hvarfið sem tvö myndefni. Staðurinn innan ensímsins þar sem hvarfefnið binst er hvarfstöð ensímsins. Þetta er þar sem „virknin“ á sér stað. Þar sem ensím eru prótein er einstök samsetning af amínósýruleifum (einnig hliðarkeðjum, eða R-hópum) innan hvarfstöðvarinnar. Mismunandi eiginleikar einkenna hverja leif. Þær geta verið stórar eða smáar, veikt súrar eða basískar, vatnssæknar eða vatnsfældar, jákvætt eða neikvætt hlaðnar, eða hlutlausar. Sú einstaka samsetning amínósýruleifa, staðsetning þeirra, raðir, bygging og eiginleikar, skapar mjög sértækt efnafræðilegt umhverfi innan hvarfstöðvarinnar. Þetta sértæka umhverfi hentar til að bindast, þótt stutt sé, við tiltekið efnafræðilegt hvarfefni (eða hvarfefni). Vegna þessarar púsluspilslíku samsvörunar milli ensíms og hvarfefna þess (sem aðlagast til að finna bestu samsvörun milli millistigsins og hvarfstöðvarinnar), eru ensím þekkt fyrir sérhæfni sína. „Besta samsvörunin“ stafar af löguninni og aðdráttarafli virknihópa amínósýranna að hvarfefninu. Það er til sérstaklega samsvarandi ensím fyrir hvert hvarfefni og þar með fyrir hvert efnahvarf; þó er einnig til staðar sveigjanleiki.

Sú staðreynd að hvarfstöðvar eru svo fullkomlega lagaðar að því að veita sértæk umhverfisskilyrði þýðir einnig að þær verða fyrir áhrifum af staðbundnu umhverfi. Það er satt að hækkun umhverfishita eykur almennt hvarfhraða, hvort sem hann er ensímhvataður eða ekki. Hins vegar getur hækkun eða lækkun hitastigs utan kjörsviðs haft áhrif á efnatengi innan hvarfstöðvarinnar á þann hátt að þau henti síður til að binda hvarfefni. Hár hiti mun að lokum valda því að ensím, líkt og aðrar líffræðilegar sameindir, eðlissviptast, ferli sem breytir náttúrulegum eiginleikum efnisins. Sömuleiðis getur pH-gildi staðbundins umhverfis einnig haft áhrif á virkni ensíma. Amínósýruleifar hvarfstöðvar hafa sína eigin súru eða basísku eiginleika sem eru bestir fyrir hvatningu. Þessar leifar eru viðkvæmar fyrir breytingum á pH sem geta skert þann hátt sem hvarfefnissameindir bindast. Ensím eru löguð til að virka best innan ákveðins pH-bils, og líkt og með hitastig, geta öfgakennd pH-gildi í umhverfinu (súr eða basísk) valdið því að ensím eðlissviptast.

Framkölluð aðlögun og virkni ensíma

Í mörg ár töldu vísindamenn að binding ensíms og hvarfefnis ætti sér stað á einfaldan „lás og lykill“ hátt. Þetta líkan hélt því fram að ensímið og hvarfefnið pössuðu fullkomlega saman í einu augnabliksskrefi. Hins vegar styðja núverandi rannsóknir nákvæmari sýn sem vísindamenn kalla framkallaða aðlögun (Mynd 6.16). Þetta líkan byggir á lás og lykill líkaninu með því að lýsa dýnamískara samspili milli ensíms og hvarfefnis. Þegar ensímið og hvarfefnið koma saman veldur samspil þeirra vægri breytingu á byggingu ensímsins sem staðfestir fullkomna bindingarskipan milli ensímsins og hvarfmiðs hvarfefnisins. Þessi fullkomna binding hámarkar getu ensímsins til að hvata hvarfið.

Tengill í námsefni

Skoðaðu hreyfimynd um framkallaða aðlögun á þessari vefsíðu.

Þegar ensím bindur hvarfefni sitt myndar það ensím-hvarfefnisflóka. Þessi flóki lækkar virkjunarorku hvarfsins og stuðlar að hraðri framvindu þess á einn af mörgum vegum. Á grunnstigi stuðla ensím að efnahvörfum sem fela í sér fleiri en eitt hvarfefni með því að leiða hvarfefnin saman í bestu mögulegu afstöðu. Viðeigandi svæði (atóm og tengi) einnar sameindar er stillt upp við viðeigandi svæði hinnar sameindarinnar sem hún þarf að hvarfast við. Önnur leið sem ensím nota til að stuðla að hvarfi hvarfefna er með því að skapa kjöraðstæður innan hvarfstöðvarinnar fyrir hvarfið. Ákveðin efnahvörf gætu gengið best fyrir sig í örlítið súru eða óskautuðu umhverfi. Efnafræðilegir eiginleikar sem koma fram vegna tiltekinnar niðurröðunar amínósýruleifa innan hvarfstöðvar skapa hið fullkomna umhverfi fyrir sértæk hvarfefni ensíms til að hvarfast.

Þú hefur lært að virkjunarorkan sem krafist er fyrir mörg hvörf felur í sér orkuna sem felst í því að meðhöndla eða bjaga efnatengi örlítið svo þau geti auðveldlega rofnað og leyft öðrum að endurmyndast. Ensímvirkni getur aðstoðað við þetta ferli. Ensím-hvarfefnisflókinn getur lækkað virkjunarorkuna með því að bjaga hvarfefnissameindir á þann hátt að það auðveldi tengjarof, og hjálpi til við að ná hvarfmiðinu. Að lokum geta ensím einnig lækkað virkjunarorku með því að taka þátt í efnahvarfinu sjálfu. Amínósýruleifarnar geta lagt til ákveðnar jónir eða efnahópa sem mynda í raun samgild tengi við hvarfefnissameindir sem nauðsynlegt skref í hvarfferlinu. Í þessum tilfellum er mikilvægt að muna að ensímið mun alltaf hverfa aftur til síns upprunalega ástands við lok hvarfsins. Einn af aðalsmerkjum ensíma er að þau haldast að lokum óbreytt af hvörfunum sem þau hvata. Eftir að ensím hvatar hvarf, losar það myndefni sín(t).

Stjórnun efnaskipta með ensímstjórnun

Það virðist vera tilvalið að hafa sviðsmynd þar sem öll kóðuð ensím í erfðamengi lífveru væru til í ríkulegu magni og virkuðu best við allar frumuaðstæður, í öllum frumum, á öllum tímum. Í raunveruleikanum er þetta fjarri lagi. Fjölbreyttir ferlar tryggja að þetta gerist ekki. Þarfir og aðstæður frumna eru breytilegar frá einni frumu til annarrar, og breytast innan einstakra frumna með tímanum. Nauðsynleg ensím og orkuþörf magafrumna eru frábrugðin því sem gerist í fitugeymslufrumum, húðfrumum, blóðfrumum og taugafrumum. Ennfremur vinnur meltingarfruma mun harðar við að vinna úr og brjóta niður næringarefni á tímanum sem fylgir fast á eftir máltíð samanborið við mörgum klukkustundum eftir máltíð. Eftir því sem þessar kröfur og aðstæður frumna eru breytilegar, breytist einnig magn og virkni mismunandi ensíma.

Þar sem hraði lífefnafræðilegra hvarfa er stjórnað af virkjunarorku, og ensím lækka og ákvarða virkjunarorku fyrir efnahvörf, ákvarðar hlutfallslegt magn og virkni fjölbreyttra ensíma innan frumu að lokum hvaða hvörf munu ganga og á hvaða hraða. Þessari ákvörðun er stíft stjórnað. Í ákveðnu frumuumhverfi stjórna umhverfisþættir eins og pH og hitastig ensímvirkni að hluta. Það eru aðrir ferlar sem frumur nota til að stjórna ensímvirkni og ákvarða hraðann sem ýmis lífefnafræðileg hvörf munu eiga sér stað.

Sameindastjórnun ensíma

Hægt er að stjórna ensímum á vegu sem annaðhvort eykur eða dregur úr virkni þeirra. Það eru til margar mismunandi tegundir sameinda sem hamla eða efla virkni ensíma, og ýmsir ferlar eru til staðar til að gera það. Til dæmis, í sumum tilfellum ensímhömlunar, er hemjandi sameind nógu lík hvarfefni til að hún geti bundist hvarfstöðinni og einfaldlega komið í veg fyrir að hvarfefnið bindist. Þegar þetta gerist er ensímið hamlað með samkeppnishömlun, vegna þess að hemjandi sameind keppir við hvarfefnið um bindingu við hvarfstöðina (Mynd 6.17). Á hinn bóginn, í ósamkeppnishömlun, binst hemjandi sameind ensíminu á öðrum stað en hvarfstöðinni, sem kallast stýrillsetur, en tekst samt að koma í veg fyrir bindingu hvarfefnis við hvarfstöðina. Sumar hemjandi sameindir bindast ensímum á stað þar sem binding þeirra framkallar lögunarbreytingu sem dregur úr virkni ensímsins þar sem það hvatar ekki lengur umbreytingu hvarfefnis í myndefni á skilvirkan hátt.

Sumar hemilsameindir bindast ensímum á stað þar sem binding þeirra kallar fram lögunarbreytingu sem minnkar sækni ensímsins í hvarfefni sitt. Þessi tegund hömlunar er fjarvirk hömlun (Mynd 6.18). Fleiri en eitt fjölpeptíð mynda flest fjarvirkt stjórnuð ensím, sem þýðir að þau hafa fleiri en eina próteineiningu. Þegar fjarvirkur hemill binst ensími breytast allar hvarfstöðvar á próteineiningunum lítillega þannig að þær bindast hvarfefnum sínum með minni skilvirkni. Til eru fjarvirkir virkjar jafnt sem hemlar. Fjarvirkir virkjar bindast stöðum á ensími fjarri hvarfstöðinni og kalla fram lögunarbreytingu sem eykur sækni hvarfstöðvar(stöðva) ensímsins í hvarfefni sitt(sín).

Tenging við daglegt líf

Lyfjaþróun með leit að hemlum lykilensíma í sértækum ferlum

Ensím eru lykilþættir í efnaskiptaferlum. Skilningur á því hvernig ensím virka og hvernig hægt er að stjórna þeim er lykilatriði í þróun margra lyfja (Mynd 6.19) sem eru á markaði í dag. Líffræðingar sem starfa á þessu sviði vinna með öðrum vísindamönnum, yfirleitt efnafræðingum, við að hanna lyf.

Lítum til dæmis á statín – sem er flokkur lyfja sem lækkar kólesterólmagn. Þessi efnasambönd eru í raun hemlar ensímsins HMG-CoA-redúktasa. HMG-CoA redúktasi er ensímið sem myndar kólesteról úr lípíðum í líkamanum. Með því að hindra þetta ensím lækkar lyfið magn kólesteróls sem myndað er í líkamanum. Á svipaðan hátt er asetamínófen, sem er vinsælt undir vörumerkinu Tylenol, hemill ensímsins sýklóoxýgenasa. Þótt það sé áhrifaríkt við að lina hita og bólgu (verki), skilja vísindamenn enn ekki fullkomlega verkunarhátt þess.

Hvernig eru lyf þróuð? Ein af fyrstu áskorunum í lyfjaþróun er að bera kennsl á þá tilteknu sameind sem lyfinu er ætlað að verka á. Í tilviki statína er HMG-CoA redúktasi lyfjamarkið. Rannsakendur finna lyfjamörk með nákvæmum rannsóknum á rannsóknarstofu. Að finna lyfjamarkið eitt og sér er ekki nóg. Vísindamenn þurfa einnig að vita hvernig lyfjamarkið virkar inni í frumunni og hvaða efnahvörf fara úrskeiðis í tilviki sjúkdóms. Þegar rannsakendur hafa fundið lyfjamarkið og ferlið, þá hefst hið eiginlega lyfjahönnunarferli. Á þessu stigi vinna efnafræðingar og líffræðingar saman að því að hanna og mynda sameindir sem geta annaðhvort blokkað eða virkjað tiltekið efnahvarf. Þetta er þó aðeins byrjunin: bæði ef og þegar frumgerð lyfs reynist árangursrík í að gegna hlutverki sínu, þá verður hún að gangast undir margar prófanir, allt frá tilraunum í glasi til klínískra rannsókna, áður en hún getur fengið samþykki FDA til að fara á markað.

Mörg ensím virka ekki sem skyldi, eða jafnvel alls ekki, nema þau séu tengd öðrum sértækum hjálparsameindum sem ekki eru prótein, annaðhvort tímabundið með jóna- eða vetnistengjum eða varanlega með sterkari samgildum tengjum. Tvær tegundir hjálparsameinda eru hjálparþættir og hjálparensím. Binding við þessar sameindir stuðlar að bestu mögulegu lögun og virkni viðkomandi ensíma. Hjálparþættir eru ólífrænar jónir eins og járn (Fe²⁺) og magnesíum (Mg²⁺). Eitt dæmi um ensím sem krefst málmjónar sem hjálparþáttar er ensímið sem byggir DNA sameindir, DNA-pólýmerasi, sem krefst bundinnar sinkjónar (Zn²⁺) til að virka. Hjálparensím eru lífrænar hjálparsameindir, með grunnatómbyggingu úr kolefni og vetni, sem eru nauðsynlegar fyrir virkni ensíma. Algengustu uppsprettur hjálparensíma eru vítamín úr fæðu (Mynd 6.20). Sum vítamín eru forverar hjálparensíma og önnur virka beint sem hjálparensím. C-vítamín er hjálparensím fyrir mörg ensím sem taka þátt í að byggja upp hinn mikilvæga stoðvefsþátt, kollagen. Mikilvægt skref í niðurbroti glúkósa til að losa orku er hvötun af völdum fjölensímflóka sem vísindamenn kalla pýrúvat dehýdrógenasa. Pýrúvatdehýdrógenasi er flóki af nokkrum ensímum sem krefst í raun eins hjálparþáttar (magnesíumjónar) og fimm mismunandi lífrænna hjálparensíma til að hvata sitt sértæka efnahvarf. Þess vegna stjórnast virkni ensíma að hluta til af gnægð ýmissa hjálparþátta og hjálparensíma, sem fæði flestra lífvera sér fyrir.

Hólfaskipting ensíma

Í heilkjörnungafrumum eru sameindir eins og ensím venjulega hólfaðar niður í mismunandi frumulíffæri. Þetta gerir kleift að hafa enn eitt stjórnunarstigið á virkni ensíma. Ensím sem aðeins er þörf á fyrir tiltekin frumuferli eru stundum hýst sérstaklega ásamt hvarfefnum sínum, sem gerir efnahvörfin skilvirkari. Dæmi um þessa tegund ensímstjórnunar sem byggist á staðsetningu og nálægð eru ensímin sem taka þátt í síðari stigum frumuöndunar, sem fara eingöngu fram í hvatberum, og ensímin sem taka þátt í að melta frumuleifar og aðskotaefni, sem eru staðsett inni í leysingarkornum.

Afturvirk hömlun í efnaskiptaferlum

Sameindir geta stjórnað virkni ensíma á marga vegu. Hins vegar stendur eftir stór spurning: Hvaða sameindir eru þetta og hvaðan koma þær? Sumar eru hjálparþættir og hjálparensím, jónir og lífrænar sameindir, eins og þú hefur lært. Hvaða aðrar sameindir í frumunni veita ensímstjórnun, svo sem fjarvirka stjórnun, og samkeppnis- og ósamkeppnishömlun? Svarið er að fjölbreytt úrval sameinda getur gegnt þessum hlutverkum. Sumar fela í sér lyf og önnur efni, eiturefni og eitur úr umhverfinu. Kannski eru mikilvægustu uppsprettur stjórnsameinda ensíma, með tilliti til efnaskipta frumunnar, myndefni efnaskiptahvarfa frumunnar sjálfrar. Á afar skilvirkan og glæsilegan hátt hafa frumur þróast til að nota myndefni eigin efnahvarfa til afturvirkrar hömlunar á virkni ensíma. Afturvirk hömlun felur í sér að nota myndefni efnahvarfs til að stjórna eigin frekari framleiðslu (Mynd 6.21). Fruman bregst við gnægð sértækra myndefna með því að hægja á framleiðslu í uppbyggingar- eða niðurbrotsviðbrögðum. Slík myndefni geta hindrað ensímin sem hvötuðu framleiðslu þeirra með þeim aðferðum sem við lýstum hér að ofan.

Framleiðslu bæði amínósýra og kirna er stjórnað með afturvirkri hömlun. Að auki er ATP fjarvirkur stjórnþáttur sumra ensíma sem taka þátt í niðurbroti sykurs, ferlinu sem framleiðir ATP. Á þennan hátt, þegar ATP er í gnægð, getur fruman komið í veg fyrir frekari framleiðslu þess. Mundu að ATP er óstöðug sameind sem getur sundrast sjálfkrafa í ADP og ólífrænt fosfat. Ef of mikið ATP væri til staðar í frumu, færi mikið af því til spillis. Aftur á móti þjónar ADP sem jákvæður fjarvirkur stjórnþáttur (fjarvirkur virkji) fyrir sum sömu ensímin og ATP hemlar. Þannig, þegar hlutfallslegt magn ADP er hátt miðað við ATP, er fruman ræst til að framleiða meira ATP með niðurbroti sykurs.