1. Uvod Enzimi ili biokatalizatori su tvari bez se čije aktivnosti većina kemijskih reakcija u

biološkom sustavu ne bi odvijala, ili bi bila toliko spora da se ne bi mogle dogoditi u

uvjetima u kojima se odvija život. Nekim enzimima su za aktivnost potrebni i

koenzimi te su zbog toga i oni izuzetno važni za sva živa bića. Munjevit napredak

biokemijske znanosti u prošlom stoljeću omogućio je bolje razumijevanje uloge

enzima u svim životnim procesima i proizvodnji najrazličitijih vrsta proizvoda.

Rezultat toga je industrijska proizvodnja i široka primjena enzima za kataliziranje

mnogih industrijskih i medicinskih postupaka. Nova postignuća genetskog

inženjeringa, izolacije i stabilizacije enzima doprinijeli su daljem širenju mogućnosti

njihove primjene. Upravo zbog te važnosti ova tema je jako zanimljiva, a najvažnije

stvari koje ću pokazati u ovom seminarskom radu su: kako enzimi i koenzimi djeluju,

kakva je njihova građa, kemijski sastav, funkcija.

1

2. EnzimiEnzimi su biološki katalizatori, tj. mogu utjecati na brzinu kemijske reakcije, a u njima

ne sudjeluju. Kao i svi katalizatori, funkcioniraju na način da snižavaju energiju

aktivacije (energija koju je potrebno dovesti molekulama da međusobno reagiraju)

pojedine reakcije, te je na taj način ubrzavaju, i do nekoliko milijuna puta. (Sl. 1.)

Sl. 1. Prikaz kako enzimi snižavaju energiju aktivacije

2.1. Kemijski sastav enzima

Enzimi su proteini tercijarne ili kvarterne strukture koji na površini imaju većinu

polarnih aminokiselinskih ostataka, dok su nepolarni ostaci okrenuti prema

unutrašnjosti molekule. Dugo se smatralo da su svi enzimi po kemijskom sastavu

proteini. Međutim, kao što u biokemiji često biva, imamo izuzetke u vidu nekoliko

vrsta ribonukleinskih kiselina (RNK) koje se specifično nazivaju ribozimi. Smatra se

da su RNK vjerojatno bile i prvi katalizatori u evoluciji žive tvari. Enzimi su

biokatalizatori koji djeluju na procese u stanici, a sudjeluju i u izmjeni energije između

stanice i njezine okoline. Brojene enzime izgrađuje sam organizam, a kada obave

svoju funkciju, organizam ih razgradi. Enzimi su bitni za razgradnju hrane koju

unosimo u organizam, npr. razgrađuju škrob do glukoze, proteine do aminokiselina.

2

2.2. Podjela i nazivi enzima

Enzime se dijele prema vrsti reakcije koju kataliziraju, a postoji 6 osnovnih skupina

koje se dijele na podskupine. (Sl. 2.) Naziv enzima određuje se prema supstratu i

reakciji koju katalizira, uz sufiks-aza.(ATPaza : razgrađuje ATP; ATP sintaza :

sintetizira ATP)

Sl. 2. Osnovne skupine enzima

NAZIV VRSTA REAKCIJE

1. oksidoreduktaze • oksidacija-redukcija

2. transferaze • prijenos skupina

3. hidrolaze reakcije hidrolize (prijenos

funkcionalne skupine na vodu)

4. liaze • adicija ili eliminacija skupina

radi stvaranja dvostruke veze

5. izomeraze • izomerizacija (intramolekulski

prijenos skupina)

6. ligaze • vezanje dvaju supstrata na

teret hidrolize ATP

2.3. Građa enzima

Enzimska funkcija je, kao i kod svih proteina, određena strukturom. Enzim može biti:

Monomeran - sadrži samo jedan polipeptidni lanac, obično od sto ili više

aminokiselina

Oligomeran - sadrži veći broj polipeptidnih lanaca, koji mogu biti jednaki ili se

razlikovati, bez obzira funkcionirajući zajedno kao cjelina

Monomer je dugačak linearni lanac aminokiselina, koji se uvija na određeni način i

rezultira stvaranjem trodimenzionalne strukture.

3

Svaka molekula enzima ima jedan mali dio koji je sposoban vezati molekule

supstrata. Taj dio enzima zove se aktivno mjesto. Aktivno mjesto u strukturi proteina

je mjesto u koje ulazi odgovarajući dio molekule supstrata. Većina enzima je veći od

molekula na koje djeluju, i svega desetak aminokiselina enzima dođe u direktan

kontakt s molekulom koja biva transformirana. Enzim nastoji usmjeriti molekulu

supstrata tako da skupina koja će reagirati smjesti u najpovoljniji položaj i na taj način

ubrza reakciju. Enzim i supstrat se privlače zbog svojih polarnih ili ionskih skupina.

Ovisno o prirodi enzima i supstrata, supstrat se na aktivno mjesto može vezati

vodikovim vezama, ionskim i van der Waalsovim silama.

2.4. Specifičnost i mehanizam djelovanja enzima

Enzimi su uglavnom vrlo specifični kad su u pitanju reakcije koje koriste u dodiru s

molekulama na koje djeluju, na što prvenstveno utječe njihov oblik, struktura,

nabijenost, hidrofilna i hidrofobna svojstva. Najčešće enzimi kataliziraju samo jednu

reakciju ili vrlo mali broj reakcija. Iz reakcije izlaze nepromijenjeni, a nastali produktu

se razlikuju od supstrata. Zbog toga isti enzimi ne mogu katalizirati reakciju u

suprotnom smjeru.

2.4.1. Hipoteza ključ-brava

Najuočljivija karakteristika enzima je njihova specifičnost. Emil Fischer je 1890.

godine konstatirao da je ova hipoteza korektna uslijed specifičnosti oblika enzima i

molekula na koje oni djeluju. Svaka molekula na koju određeni enzim utječe, ima

točno određeni oblik, pomoću kojeg se molekula poveže na baš taj enzim. Oblik

aktivnog mjesta je upravo takav da u njega dobro pristaje molekula supstrata i

nastaje kompleks enzim-supstrat. (Sl. 3.) Na primjer, ako je molekula na koju enzim

utječe u obliku kocke, a sam enzim ima dio u obliku trokuta na koji bi se molekula

trebala nadovezati, do povezivanja neće doći, jer u tom slučaju enzim nije namijenjen

za tu molekulu. Ova hipoteza se zato i naziva hipoteza „Ključ i brava“, jer je svaki

ključ specifičan za svaku bravu koju otključava.

4

Sl. 3. Djelovanje enzima stvaranjem kompleksa enzim-supstrat

2.4.2. Hipoteza pobuđene prilagodbe

Godine 1958. Daniel Koshland je predložio modifikaciju hipoteze „Ključ brava“ koja je

nazvana hipoteza „Induciranog prilagođavanja“ (eng. Induced-Fit-Model). Enzimi su

vrlo fleksibilne strukture. Aktivni dio enzima može biti modificiran kako bi došlo do

interakcije molekula i enzima. Lanci aminokiselina se mogu preklapati na taj način

koji bi odgovarao enzimu, kako bi došlo do interakcije, i na taj način enzim mogao

izvršiti svoju katalitičku funkciju. U jako rijetkim slučajevima, molekula se pri ulasku u

aktivni dio može prilagoditi enzimu, kako bi došlo do interakcije enzima i molekule.

2.5. Vanjski čimbenici koji utječu na djelovanje enzima

Enzimi su, kao proteini, vrlo osjetljivi na vanjske čimbenike. Na njihovu aktivnost

utječu: temperatura, pH-vrijednost sredine (Sl. 4.) , koncentracija enzima i supstrata i

dr. Pri nižim temperaturama aktivnost im se smanjuje, a pri višim denaturiraju..

Povišenjem temperature raste brzina enzimskih reakcija dok se ne postigne

temperatura denaturiranja. Enzimi su katalitički aktivni unutar određenog pH-

područja. Tako npr. enzim pepsin, koji katalizira hidrolizu proteina u želucu, najbolje

djeluje pri pH = 2, a enzim kimotripsin u tankom crijevu najbolje djeluje pri pH = 8.

Povećanjem koncentracije supstrata također se povećava brzina enzimske reakcije.

(Sl. 5.)

5

Sl. 4. Idelalna pH vrijednost za neke enzime

Sl. 5. Uticaj koncentracije supstrata na brzinu enzimske reakcije.

(V — maksimalna i v = početna brzina; A = početak reakcije, B = poluzasićenje,

C = zasićenje enzima supstratom)

Enzimi pH optimum

Lipaze (gušterača) 8,0

Pepsin 1,5 – 1,6

Tripsin 7,8 – 8,7

Ureaze 7,0

Amilaze (gušterača) 6,7 – 7,0

Maltoza 6,1 – 6,8

Kataloza 7,0

6

3. Inhibitori i aktivatoriPostoje tvari koje pozitivno, kao aktivatori, ili negativno, kao inhibitori, utječu na

aktivnost pojedinih enzima.

3.1. Inhibitori

Inhibitori su male molekule ili ioni koji ometaju aktivnost pojedinih enzima i tako

utječu na njihovu ulogu u organizmu. Dijelimo ih na ireverzibilne i reverzibilne.

Ireverzibilni inhibitori se kovalentno vežu za aktivno mjesto enzima.

Reverzibilni inhibitori se vežu slabim vezama na aktivno mjesto.

Razlikujemo još konkurentne (kompeticijske) i nekonkurentne (nekompeticijske)

inhibitore. (Sl. 6.)

Konkurentni inhibitori se zovu tako zbog toga što se „natječu“ sa supstratom za

vezivanje na aktivno mjesto, dok se nekonkurentni vežu bilo gdje na molekulu

enzima i time narušavaju njegovu nativnu konformaciju. To ometa vezivanje

supstrata na aktivno mjesto.

Sl. 6. Razlika između konkurentnog i nekonkurentnog inhibitora

3.2. Aktivatori

Neki enzimi su kao samostalne jedinice same sebi dovoljne da bi bile potpuno

aktivne, tj. nisu potrebni dodatni faktori da bi se ta aktivnost postigla. Međutim, nekim

enzimima su potrebne molekule koje bi pomogle pri aktiviranju enzima. Aktivatori su

7

tvari koje aktiviraju jedan ili više enzima. (npr. kationi su aktivatori za pojedine

enzime)

4. KoenzimiIako su aktivatori i koenzimi, svrstala sam ih u posebnu kategoriju zbog lakše

sistematizacije i razumljivosti. Koenzimi su male organske neproteinske čestice

vezane za enzim jačim ili slabijim vezama. Oni se hranom unose u organnizam,

primjerice neki vitamini. (Sl. 7.) Mnoge katalitičke sposobnosti enzima ovise o

koenzimima, iako njihova precizna uloga varira u ovisnosti o kofaktoru i enzimu.

Enzim bez kofaktora se naziva apoenzim, a kompletan, katalitički aktivan enzim je

holoenzim. Njihov međusobni odnos možemo prikazati ovako:

Koenzim + apoenzim <------> holoenzim

Apoenzim je proteinski dio enzima, ali nema katalitičku aktivnost jer nije u povoljnoj

konformaciji.

Koenzimi su važni jer svojim vezanjem za apoenzim mijenjaju njegovu konformaciju

te tako nastaje katalitički aktivan enzim, odnosno holoenzim. Koenzim se može

nalaziti u aktivnom mjestu enzima te je zbog toga esencijalan za katalitičku aktivnost,

ili se može nalaziti negdje pokraj aktivnog mjesta ili nešto udaljenije. Samo je bitno

da sa svojim vezanjem uzrokuje promjenu konformacije proteinskog dijela enzima, a

samim time pretvara 'neaktivno' aktivno mjesto enzima u aktivno, odnosno sposobno

za primanje supstrata i pretvaranje u produkt. S obzirom na način povezivanja s

enzimom koenzime dijelimo na prostetske skupine (još se zovu i aktivne grupe) i

kosupstrate (koenzimi u užem smislu).

8

Sl. 7. Struktura vitamina B12 koji ima enzimsko djelovanje

4.1. Prostetske skupine

Prostetske skupine su jakim nekovalentnim ili čak kovalentnim vezama vezane za

enzim. Tijekom katalitičkog procesa na enzimu one se mijenjaju, a vraćaju se u

prvobitno stanje sekundarnim reakcijama. Za njih je važno da tijekom cijelog

razdoblja dok je enzim katalitički aktivan, one ostaju vezane uz njega. Odnosno,

koliko imamo aktivnih enzima u nekom procesu, toliko imamo i prostetskih skupina

koje su vezane za njih.

4.2. Kosupstrati

Kosupstrati, samo im ime kaže, reagiraju slično kao supstrati. Njihov način djelovanja

je da se skupa sa supstratom vežu za aktivno mjesto enzima i tamo predaju

supstratu ili od njega uzimaju elektrone, vodikove ione, fosfatne skupine ili nešto

drugo. Na reakcije kosupstrata možemo gledati ovako:

Kosupstrat + supstrat <----> izmijenjeni kosupstrat + produkt

To bi značilo da kosupstrat djeluje kao drugi supstrat i u nekatalitičkoj reakciji sa

supstratom izmjenjuje fosfatnu, metilnu ili neku drugu skupinu (ovisno o specifičnoj

reakciji koja se događa). Uloga enzima je snižavanje energije aktivacije kako bi se ta

reakcija mogla provesti u organizmu, a način na koji to enzim izvodi je vezanje

supstrata i kosupstrata na aktivno mjesto gdje se, zbog određene konformacije

aktivnog mjesta, olakšava i energetski preferira stvaranje/pucanje točno određene

9

veze. Ono što je važno za kosupstrate je to da reagiraju sa supstratima u

stehiometrijskim odnosima, tj. koliko supstrata izreagira, toliko mora izreagirati i

kosupstrata.

4.2.1. Što se događa s izmjenjenim kosupstratom?

Na primjer, naš kosupstrat je reagirao sa supstratom tako da je od njega primio

fosfatnu skupinu. Tako izmijenjen više ne može reagirati s istim enzimom u ovoj

reakciji dok god se ne riješi te fosfatne skupine. Zato će naš kosupstrat otići do

nekog drugog enzima i odgovarajućeg drugog supstara kojemu njegov enzim treba

dodati jednu fosfatnu skupinu. I onda naš kosupstrat sudjeluje u toj drugoj reakciji

predajući fosfatnu skupinu i vraćajući se u svoje prvobitno stanje. Sad se ponovo

može vratiti na onaj prvi enzim i reagirati s njegovim supstratom primajući od njega

fosfatnu skupinu.

Kosupstrati ne kruže isključivo između dva enzima primajući i dajući određenu

skupinu koju prenose, nego mogu ići između bilo kojih drugih enzima kojima je

potrebna ta skupina koju određeni kosupstrat prenosi. Kako su veze kojima se

kosupstrati povezuju sa skupinama koje prenose bogate energijom, zovemo ih još i

'prijenosni metaboliti', a njihova se ukupna količina u stanici stalno kontrolira.

4.3. Podjela koenzima

S obzirom na skupinu koju koenzimi prenose dijelimo ih na:

koenzimi prijenosnici vodika (=oksidoreduktaze)

koenzimi prijenosnici grupa

koenzimi za prijenos C1 jedinica

koenzimi izomeraza i liaza

10

5. SažetakEnzimi su globularni proteini koji kataliziraju reakcije u organizmu i sudjeluju u izmjeni

energije između stanice i njezine okoline. Mogu biti monomerni ili oligomerni, ovisno

o broju polipeptidnih lanaca od kojih su građeni. Visokospecifični su,i to po tipu

reakcije koju kataliziraju kao i prema supstratu. Prema vrsti reakcija koje kataliziraju

dijele se na 6 osnovnih skupina: oksidoreduktaze, transferaze, hidrolaze, liaze,

izomeraze i ligaze. Specifičnost za supstrat je uglavnom vrlo visoka a u nekim

slučajevima potpuna (apsolutna), što se osigurava komplementarnošću konformacije

aktivnog mjesta i oblika molekule supstrata (model „ključ-brava“ i modificirani model

„Inducirana prilagodba““). Enzimi iz reakcija izlaze nepromijenjeni. Razne stvari

utječu na djelovanje enzima, a neke od njih su: temperatura, pH-vrijednost sredine,

koncentracija enzima i supstrata. Također postoje tvari koje pozitivno, kao aktivatori,

ili negativno, kao inhibitori, utječu na aktivnost pojedinih enzima. Nekim enzimima su

za aktivnost potrebni i koenzimi. Koenzimi su male organske neproteinske čestice

vezane za enzim jačim ili slabijim vezama. Mnogi se koenzimi kemijski mijenjaju

tijekom reakcije, no nakon reakcije ih neki drugi enzimski sustav vraća u prvobitni

oblik. S obzirom na način povezivanja s enzimom koenzime dijelimo na prostetske

skupine i kosupstrate.

11

6. Popis literature1.Stričević, D.; Sever, B. (2006). Temelji organske kemije, Profil, Zagreb, str. 140.-150..

2. URL:http://en.wikipedia.org/wiki/Enzyme

3. URL:http://en.wikipedia.org/wiki/Coenzyme

4. URL: http://www.hzjz.hr/zdr_ekologija/priopcenja/enzimi/index.htm

5. Bogut I.; Đumlija, S.; Lukačević, K.; Marceljak, M. (2008). Biologija 1, Alfa, Zagreb, str.

72.-77.

12