Metabolismul (partea a V-a): enzimele

Enzimele sunt substanțe speciale care catalizează reacțiile biochimice, adică ajută reacțiile chimice să se desfășoare. Aproape toate enzimele sunt proteine, alcătuite din lanțuri de aminoacizi, și îndeplinesc sarcina esențială de a reduce energia de activare a reacțiilor chimice din interiorul celulei. Ele realizează acest lucru prin legarea de moleculele reactanților și modificarea conformației lor astfel încât ruperea și formarea legăturilor chimice să aibă loc cu ușurință.

Este important de reținut că enzimele nu modifică energia liberă (ΔG) a unei reacții. Cu alte cuvinte, ele nu transformă a reacție exotermă într-o reacție endotermă sau invers, deoarece ele nu modifică energia liberă a reactanților sau a produșilor de reacție. Ele reduc doar energia de activare necesară atingerii stării de tranziție (Figura 9).

Figura 9 – Enzimele reduc energia de activare a reacțiilor, însă nu modifică energia liberă a acestora.

Situl activ și specificitatea de substrat

Reactantul de care se leagă o enzimă poartă denumirea de substrat. Poate exista un singur substrat sau mai multe substraturi, în funcție de reacția chimică. În unele reacții, o singură moleculă de substrat este degradată în mai mulți produși, iar în alte reacții, două molecule de substrat se unesc pentru a forma un produs de reacție. De asemenea, într-o reacție pot intra doi reactanți, care apoi sunt modificați pentru a rezulta doi produși de reacție.

Locul din molecula enzimei unde se leagă substratul se numește sit activ. Deoarece enzimele sunt proteine, la nivelul sitului activ există o combinație unică de resturi de aminoacizi (sau grupări R). Fiecare rest de aminoacid este caracterizat prin proprietăți specifice. Grupările R pot fi mari sau mici, slab acide sau slab bazice, hidrofile sau hidrofobe, încărcate pozitiv sau negativ ori neutre.

Combinația unică dintre resturile de aminoacizi, pozițiile, secvențele, structurile și proprietățile lor creează un mediu chimic specific la nivelul sitului activ. Acest mediu specific este potrivit să lege, deși pentru scurt timp, un substrat (sau mai multe) chimic specific. Această „potrivire” dintre enzimă și substratul său reprezintă specificitatea de substrat a enzimei. Pentru fiecare substrat, deci și pentru fiecare reacție chimică, există o enzimă specifică; totuși, există și o oarecare flexibilitate în acest proces.

Faptul că siturile active sunt atât de perfect potrivite pentru a oferi condiții specifice de mediu înseamnă, de asemenea, că sunt supuse influențelor mediului local. Este adevărat că creșterea temperaturii mediului crește, în general, vitezele de reacție, indiferent dacă acestea sunt catalizate de enzime sau de alte tipuri de catalizatori. Cu toate acestea, creșterea sau scăderea temperaturii în afara unui interval optim poate afecta legăturile chimice din cadrul sitului activ în așa fel încât acesta să devină mai puțin potrivit pentru a lega substraturile.

Temperaturile ridicate vor determina, în cele din urmă, denaturarea enzimelor, ca și a altor molecule biologice, proces care modifică proprietățile naturale ale unei substanțe. De asemenea, pH-ul mediului local poate afecta și funcția enzimatică. Resturile de aminoacizi din situl activ au propriile lor proprietăți acide sau bazice, care sunt optime pentru cataliză. Aceste resturi sunt sensibile la modificările pH-ului care pot afecta modul în care moleculele de substrat se leagă.

Enzimele funcționează cel mai bine într-un anumit interval de pH și, ca și în cazul temperaturii, valorile extreme ale pH-ului (acide sau bazice) ale mediului înconjurător pot determina denaturarea enzimelor.

Cum funcționează enzimele

Timp de mulți ani, oamenii de știință au crezut că legarea enzimelor de substrat funcționează printr-un mecanism de tipul lacăt-cheie. Acest model presupunea că enzima și substratul se potrivesc perfect la un moment dat din timpul reacției.

Totuși, cercetările recente susțin existența unui mecanism mai rafinat denumit „potrivire indusă” (Figura 10). Acest model descrie o interacțiune mai dinamică între enzimă și substratul său. Pe măsură ce enzima și substratul se apropie, interacțiunea lor produce o modificare minoră în structura enzimei care reprezintă aranjamentul ideal pentru legarea enzimei și starea de tranziție a substratului. Acest aranjament ideal maximizează capacitatea enzimei de a cataliza reacția respectivă.

Atunci când o enzimă se leagă de substratul său, se formează un complex enzimă-substrat. Acest complex scade energia de activare a reacției și promovează trecerea sa rapidă într-una din mai multe stări posibile. La nivel de bază, enzimele promovează reacții chimice care implică mai mult de un substrat, prin aducerea substraturilor împreună într-o orientare optimă. Regiunea adecvată (atomi și legături) a unei molecule este juxtapusă regiunii corespunzătoare a celeilalte molecule cu care ea trebuie să reacționeze.

Un alt mod în care enzimele promovează reacția substraturilor lor este prin crearea unui mediu optim la nivelul sitului activ pentru ca reacția să aibă loc. Anumite reacții chimice pot avea loc cel mai bine într-un mediu ușor acid sau nepolar. Proprietățile chimice care apar din aranjarea specifică a resturilor de aminoacizi dintr-un sit activ creează mediul perfect pentru ca substraturile specifice unei enzime să reacționeze.

Figura 10 – Conform modelului potrivire indusă, enzima și substratul său suferă modificări conformaționale dinamice în timpul legării. Enzima deformează substratul în starea sa de tranziție, crescând astfel rata reacției.

Energia de activare necesară pentru multe reacții include energia implicată în manipularea sau contorsionarea ușoară a legăturilor chimice, astfel încât acestea să se poată rupe cu ușurință și să permită altora să se reformeze. Acțiunea enzimatică poate ajuta acest proces. Complexul enzimă-substrat poate scădea energia de activare prin contorsionarea moleculelor substratului în așa fel încât să faciliteze ruperea legăturilor, ajutând la atingerea stării de tranziție. În cele din urmă, enzimele pot, de asemenea, să scadă energiile de activare prin participarea la reacția chimică în sine. Resturile de aminoacizi pot furniza anumiți ioni sau grupări chimice care formează de fapt legături covalente cu moleculele substratului ca o etapă necesară a procesului de reacție. În aceste cazuri, este important să ne amintim că enzima va reveni întotdeauna la starea inițială la finalizarea reacției. Una dintre proprietățile caracteristice ale enzimelor este că acestea rămân în cele din urmă neschimbate de reacțiile pe care le catalizează. După ce o enzimă termină catalizarea unei reacții, își eliberează produsul (sau produșii) de reacție.

Controlul metabolismului prin reglarea enzimelor

Ar părea ideal să existe un scenariu în care toate enzimele codificate în genomul unui organism să existe din abundență și să funcționeze optim în toate condițiile celulare, în toate celulele, în orice moment. În realitate, acest lucru este departe de a fi adevărat, iar o varietate de mecanisme se asigură că acest lucru nu se întâmplă.

Nevoile și condițiile celulare variază de la celulă la celulă și se modifică în interiorul celulelor individuale în timp. Enzimele necesare și cerințele energetice ale celulelor stomacului sunt diferite de cele ale celulelor de depozitare a grăsimilor, ale celulelor pielii, ale celulelor sanguine și ale celulelor nervoase. În plus, o celulă digestivă lucrează mult mai greu pentru a procesa și a descompune nutrienții în timpul care urmează după o masă, comparativ cu multe ore după masă. Pe măsură ce aceste cerințe și condiții celulare variază, la fel variază și cantitățile și funcționalitatea diferitelor enzime.

Deoarece ratele reacțiilor biochimice sunt controlate de energia de activare, iar enzimele scad și determină energiile de activare ale reacțiilor chimice, cantitățile relative și funcționarea varietății de enzime dintr-o celulă determină în cele din urmă ce reacții vor avea loc și cu ce viteze. Această determinare este strâns controlată. În anumite medii celulare, activitatea enzimelor este parțial controlată de factori de mediu, cum ar fi pH-ul și temperatura. Există și alte mecanisme prin care celulele controlează activitatea enzimelor și determină ratele la care vor avea loc diferitele reacții biochimice.

Reglarea enzimelor cu ajutorul moleculelor

Enzimele pot fi reglate în moduri care fie promovează, fie reduc activitatea lor. Există multe tipuri diferite de molecule care inhibă sau promovează funcția enzimelor și există diferite mecanisme pentru a face acest lucru.

În unele cazuri de inhibare a enzimei, de exemplu, o moleculă de inhibitor este suficient de asemănătoare cu un substrat încât să se poată lega de situl activ și pur și simplu să blocheze legarea substratului. Când se întâmplă acest lucru, enzima este inhibată prin inhibiție competitivă, deoarece o moleculă inhibitoare concurează cu substratul pentru legarea la situl activ (Figura 11). Pe de altă parte, în inhibiția necompetitivă, o moleculă inhibitoare se leagă de enzimă într-un alt loc decât situl activ, numit sit alosteric, dar reușește totuși să prevină legarea substratului de situl activ. Unele molecule inhibitoare se leagă de enzime într-un loc în care legarea lor induce o schimbare conformațională ce reduce activitatea enzimatică, deoarece enzima nu mai catalizează eficient conversia substratului în produs.

Figura 11 – Inhibitorii competitivi și inhibitorii necompetitivi influențează rata unei reacții în mod diferit. Inhibitorii competitivi afectează rata inițială, dar nu și rata maximă, în timp ce inhibitorii necompetitivi afectează rata maximă.

Unele molecule inhibitoare se leagă de enzime în locuri în care legarea lor induce o schimbare conformațională ce reduce afinitatea enzimei pentru substratul său. Acest tip de inhibiție se numește inhibiție alosterică (Figura 12). Majoritatea enzimelor reglate alosteric sunt formate din mai mult de o polipeptidă, ceea ce înseamnă că au mai multe subunități proteice. Atunci când un inhibitor alosteric se leagă de o enzimă, toate siturile active de pe subunitățile proteice sunt ușor modificate, astfel încât acestea să își lege substraturile cu mai puțină eficiență.

Există activatori alosterici, precum și inhibitori alosterici. Activatorii alosterici se leagă de situri ale unei enzime situate departe de situl activ, inducând o schimbare conformațională care crește afinitatea sitului activ (sau a siturilor active) al enzimei pentru substratul său (sau substraturile sale).

Figura 12 – Inhibitorii alosterici modifică situl activ al enzimei astfel încât legarea substratului să fie redusă sau împiedicată. Pe de altă parte, activatorii alosterici modifică situl activ astfel încât afinitatea de substrat să crească.