Ензими: ускорители на химичните реакции в клетките и в промишлеността

Въведение

Сравнително проста клетка, като бактерията Escherichia coli, може да произведе повече от 4000 различни протеини. След водата протеините са най-разпространените молекули в клетките (

15% от масата на бактерията). Клетката е колекция от хиляди молекули в постоянно движение и организирани в специфични структури. Тази колекция включва протеини, нуклеинови киселини, полизахариди, липиди, метаболити и малки йони, като натрий, калий и магнезий. Анимация, показваща разнообразието от процеси, които се случват по всяко време в клетката, може да се види в следващото видео:

Ензимите имат огромно разнообразие от функции в клетката: те разграждат захарите, синтезират мазнини и аминокиселини, вярно копират генетична информация, участват в разпознаването и предаването на външни сигнали и са отговорни за разграждането на токсичните странични продукти за клетката, сред много други жизненоважни функции. Идентичността и физиологичното състояние на живо същество се определят от събирането на ензими, които работят с хирургична точност и със скоростта на светкавицата във всеки един момент в клетките. По този начин, в продължение на милиони години еволюция, природата е развила голямо разнообразие от ензими, за да поддържа сложния феномен на живота.

Колко ефективни са ензимите? Как работят те?

Има няколко начина за измерване на ефективността на даден ензим. Най-простото е да се определи колко бързо протича реакцията по отношение на това колко субстратни молекули се трансформират в секунда, както в примера с карбоанхидразата. Когато сравним колко бързо преминава катализираната реакция спрямо липсата на ензима, можем да оценим ефективността на ензимите като ускорители на реакцията. Друг начин е да се прецени времето, необходимо за възникване на реакцията. Досега най-ефективният ензим катализира декарбоксилирането на субстрат, наречен оритидин 5'-фосфат (OMP), и се нарича OMP декарбоксилаза. Некатализираната реакция отнема 78 милиона години. За щастие, ензимът OMP декарбоксилаза ускорява реакцията 10-17 пъти, така че се появява за едва 25 хилядни от секундата. Тази реакция е много важна, тъй като е част от производствената верига на нуклеотида уридин монофосфат, един от 4-те компонента на рибонуклеиновата киселина (РНК, за нейното съкращение на английски).

Как ензимите вършат тази работа? Не забравяйте, че ензимите са протеини, полимери на аминокиселини, които имат определена триизмерна структура. Неговата активност, която включва взаимодействие със субстрата, зависи от неговата триизмерна структура. Ако това се промени, каталитичният капацитет може да бъде влошен. За да се разбере по-добре как един протеин се сгъва или огъва в пространството, са разработени изчислителни инструменти за симулиране на това явление. Симулацията на сгъване на малък протеин може да се види в следващото видео:

Сега, какво ръководи или определя сгъването на протеин? Протеините са елегантно сгънати в зависимост от последователността на аминокиселините (наречени аминокиселинни остатъци, тъй като те са част от протеин), които ги съставят и между техните гънки и криви образуват определени кухини или места с афинитет към различни молекули. В случай на ензими, именно на тези места се получава химичната реакция. Ето много добре направено видео, което показва симулация на взаимодействието между протеини и малки молекули:

Всеки път, когато група учени определят триизмерната структура на протеина, той се депозира на уеб страница, наречена „Банка с данни за протеини“ (PDB). От този сайт избрахме галерия от ензими, която е показана на следващата фигура, подчертавайки изтънчеността и красотата на някои от известните до момента гънки (Фигура 1). Всички тези прекрасни възгледи на протеините се дължат на напредъка в структурната биология, която е сравнително млада наука, както ще споменем в следващия раздел.

Фигура 1. Ензимна галерия. Карбонхидразата поддържа рН на нашата кръв (PDB 1CA2). Луциферазата е изолирана от медуза и също е отговорна за биолуминесценцията при светулки (PDB 2D1S). Алкохолната дехидрогеназа разгражда алкохола, който пием, той се произвежда в черния дроб (PDB 1AGN). Триосефосфат изомеразата е важна за метаболизма на захарите (PDB 2YPI). Цитохром P450 модифицира някои лекарства и токсични съединения, които влизат в нашето тяло (PDB 1W0E). Получено от PDB (http://www.rcsb.org/pdb/home/home.do).

Ензимните механизми, които ускоряват реакцията, са много разнообразни. Две от най-простите и интуитивни са „подход“ и „ориентация“. Както при всяка химична реакция, реагентите трябва да се сблъскат помежду си с достатъчно енергия и в правилната ориентация, за да се разрушат или образуват връзките между молекулите. Тъй като тези сблъсъци се случват напълно случайно, не всички от тях са продуктивни, тоест не всички предизвикват химическа реакция. Както бе споменато по-рано, ензимите имат кухини, които могат да побират субстрати, за да реагират помежду си. Те съставляват "активното място" на ензима. На това място има специфични аминокиселинни остатъци, които позволяват взаимодействие със субстратите и улесняват разрушаването и образуването на нови връзки.

Някои ензими включват в структурата си метали (например железни, медни и цинкови йони, наред с други), които могат да участват в каталитичния процес. Поради тази причина е от съществено значение триизмерната структура на ензима да се запази, тъй като позициите и ориентацията на аминокиселинните остатъци и други кофактори (т.е. метали) са тези, които определят дали реакцията се провежда или не. Субстратите, като взаимодействат с активното място на ензима, са по-близо един до друг (механизъм за подход) и също са ориентирани по определен начин (механизъм за ориентация). Сякаш субстратите имат шаблон или шаблон (т.е. ензимният активен сайт), където могат да се „сгънат“, за да се срещнат и реагират, вместо да разчитат на случайни сблъсъци. По този начин присъствието на ензима осигурява друг начин, по който протича определена химическа реакция. Като цяло този механизъм изисква по-малко енергия и следователно химическата реакция протича по-бързо в присъствието на ензима. Много илюстративно видео, което илюстрира този процес, можете да видите тук:

Друга много важна характеристика на ензимите е тяхната специфичност, т.е. колко добре те могат да разпознават субстрат - и само този субстрат - в присъствието на други молекули. Тази способност да се прави разлика между стотици различни молекули е друга причина, поради която триизмерната структура на ензимите е ключова за тяхната функционалност. Ако структурата на активното място беше твърде гъвкава и динамична, афинитетът към субстрата би бил много нисък и реакцията нямаше да протече толкова бързо. В този смисъл едно от предизвикателствата на протеиновото инженерство е да се разбере сгъването на протеини, с оглед да се знае как да се манипулира стабилността на структурата и да се подобри. Тъй като ензимите са протеини, проектирани чрез еволюция да функционират при много ограничени условия в клетките (т.е. 30-37 ° C, атмосферно налягане или водна среда), когато те трябва да се използват в други реакционни условия (високи температури, среда с органични разтворители или с механично разклащане) са склонни да губят структурата си и следователно дейността си.

Как бяха открити ензимите?

Историята на изучаването на ензимите на молекулярно ниво е сравнително нова. По времето на Хансен учените вече усещаха, че вътре в клетките има „нещо“, което играе важна роля в химичните трансформации, които се случват там. Учените наричат ​​тези вещества „ферменти“. Дори Берцелиус, шведски химик, предлага през 1835 г. ферментите да имат каталитична роля. Смяташе се обаче, че те работят само поради наличието на живи клетки, което им дава „жизнена сила“, която ги прави активни. Едва през 1897 г. бе категорично показано, че клетъчните ферменти или екстракти при липса на живи клетки катализират реакции. Дължим това откритие на Едуард Бухнер, немски учен, който през 1907 г. е удостоен с Нобелова награда за химия, за да демонстрира, че безклетъчните екстракти от дрожди могат да катализират алкохолната ферментация, т.е. трансформацията на захарите в алкохол. Buchner предложи ферментите да бъдат протеинови в природата 1 .

През 1926 г. Джеймс Б. Самнър, американски учен, за първи път пречиства и кристализира ензим, уреаза, показвайки, че това е протеин, и тества идеята на Бюхнер. За своите открития Самнър получава Нобелова награда за химия през 1946 г. заедно с Джон Х. Нортроп и У.М. Стенли, също американски учени, който през 1930 г. пречиства 2 други ензима. По-късно, добавяйки към излитането на структурната биология, ученият Дейвид Чилтън Филипс определя за първи път през 1965 г. триизмерната структура на ензима лизозим, използвайки рентгеновата дифракционна картина на кристал на ензима. Това представлява огромен напредък, тъй като чрез тази техника е възможно да се познават подробно молекулярната структура на ензимите и въз основа на нея да се генерират хипотези за това как работят, да се проектират промени в специфични остатъци, за да се манипулират техните свойства (каталитична ефективност, специфичност стабилност, наред с други), или симулират техните движения и взаимодействието им с други молекули.

Това несъмнено беше вълнуващо време, както от научна, така и от технологична гледна точка. През 1913 г. е публикувана класическата статия на Michaelis и Menten, в която се предлага модел, обясняващ кинетичното поведение на ензимите. Този математически много прост модел описва как скоростта на ензимно катализирана реакция се увеличава с увеличаване на концентрацията на субстрата. Скоростта се приближава до максимум, при който се приема, че активните места са наситени и следователно реакцията не може да протече с по-висока скорост. Коментирана версия на статията, която току-що е навършила сто, може да се консултира на следния адрес: http://academics.wellesley.edu/Biology/Concepts/Html/initialvelocity.html. Струва си да се спомене, че по-голямата част от ензимите имат кинетично поведение, близко до този модел, или имат негови варианти. Всъщност това е основният модел, който се преподава днес в курсове по ензимология по целия свят. И така, както се вижда, в началото на миналия век масата вече беше подредена, за да разбере напълно функционирането на ензимите.

1 За да научите повече за този учен, можете да се консултирате с страницата на Нобеловите лауреати (http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1907/)

Как могат да се използват ензимите?

Всички тези технологични приложения не биха били възможни без производството на ензими в голям мащаб и с ниска цена. Генетичното инженерство е от съществено значение в това отношение. Благодарение на този инструмент е възможно да се извлече от организма генът (образуван от дезоксирибонуклеинова киселина, ДНК за нейния акроним на английски език), който кодира специфичен ензим и да го въведе в генетичния материал на друг организъм.

Това впечатляващо откритие, поставило научната основа за съвременните биотехнологии, е направено през 1973 г. от група изследователи от Калифорнийския университет в Сан Франциско (COHEN et al., 1973). Като цяло ДНК се въвежда в микроорганизъм, който расте бързо и произвежда големи количества от протеина, който представлява интерес. Този, произведен по тази техника, се нарича рекомбинантен протеин. Бактериите са идеалните кандидати за тази задача. Те се размножават експоненциално, лесно се манипулират генетично и изискват евтини хранителни вещества, за да растат. Например, цитохромите P450s са ензими, които съдържат желязо в активното си място и са способни да катализират окисляването на голямо разнообразие от органични съединения, използвайки кислород като окислител. Хората имат много цитохроми, които ни помагат да разградим токсичните съединения, които влизат в тялото ни. Ако искахме да изследваме тези молекули в дълбочина, ще бъде много трудно и скъпо да ги получим директно от тялото си. Ето защо техниките за генно инженерство позволяват да се произвеждат големи количества човешки цитохроми в Escherichia coli.

В допълнение към тази популярна бактерия е възможно да се експресират или произвеждат протеини от много живи същества в гъби, като дрождите Saccharomyces cerevisiae или дори в клетките на насекомите. Докато в средата на 20-ти век (около 1960 г.) около 70% от търговските ензими са получени от растения и животински органи, днес 90% идват от микроорганизми и повечето от ензимите за промишлена употреба (над 50%) се произвеждат рекомбинантно (ILLANES, 2010).

Завършеност

Библиография

COHEN SN, Chang ACY, Boyer HW & Helling RB. „Изграждане на биологично функционални бактериални плазмиди in vitro“ Сборник на Националната академия на науките САЩ, 1973, 70, 3240–3244.

----- Андрес Иланес (редактор). Ензимна биокатализа: Принципи и приложения. Springer, 2010.

GOEDDEL и сътр. „Експресия в Escherichia coli на химически синтезирани гени за човешки инсулин“. Известия на Националната академия на науките САЩ, 1979, 76, 106–110.

JOHNSON KA & Goody RS. „Оригиналната константа на Michaelis: превод на хартията на Michaelis-Menten от 1913 г.“. Биохимия, 2011, 50, 8264-8269.

• Как работят фритюрниците без масло? По-здрави ли са от традиционните фритюрници? Cocina La
• Изтегляне на мениджъри, как работят и безплатна оферта
• Хомеопатия за отслабване Как действа
• Каша за приятелство в бавна печка как да готвите с вода или мляко
• Футболни стадиони как да се хранят и да не умират опитвайки се