תגובה ללא מעורבות אנזים תתבטא באנרגיה חופשית גבוהה – uncatalyzed , תגובה בנוכחות אנזים תתבטא באנרגיה חופשית נמוכה - catalyzed.
האנרגיה החופשית של התגובה.
האתר הפעיל - Active site
מרבית האנזימים הינם חלבונים אשר מורכבים מרצפים שונים של חומצות אמינו. רצף חומצות האמינו קובע את אופן ההתקפלות החלבון למבנה תלת-ממדי מורכב.
המבנה התלת ממדי של האנזים מכיל אזור – אתר שבו מבוצעת התגובה שהאנזים מוציא לפועל – האתר הפעיל.
המולקולה עליה פועל האנזים נקראת מצע או סובסטרט.
אפיון האתר הפעיל
מורכב מחלק קטן של חומצות האמינובחלבון.
בנוי משני חלקים, אתר קישור הקושר את הסובסטרט ואתר קטליטי האחראי לפעילות הכימית ע"ג הסובסטרט.
קשירת הסובסטרט נעשית במספר אתרים ע"י אינטראקציות חלשות יחסית כגון קשרי מימן.
האתר הקושר הוא בעל אופי הידרופובי נמצא בד"כ בתוך "כיס" פנימי בחלבון ולא בפני השטח.
בעל ספציפיות גבוהה לסובסטרט אבל לא מוחלטת. מודל הקישור נע בין מודל "מפתח ומנעול" למנגנון "התאמה מושרית"
1. סוכרוז קיים בצורתו השלמה לפני קשירתו אל האתר הפעיל באנזים.
2. סוכרוז נקשר אל האתר הפעיל באנזים ומתבצע תהליך פירוקו לחד סוכרים.
3. לאחר פירוק הסוכרוז, משתחררים התוצרים – גלוקוזופרוקטוז אל התא.
התאמת האנזים לסובסטרט
מודל מנעול ומפתח
על פי מודל זה, האתר הפעיל באנזים הינו בעל מבנה מוגדר ורק הסובסטרט עליו פועל האנזים יכול להתאים למבנה האתר הפעיל.
מודל התאמה מושרית
על פי מודל זה, האתר הפעיל הינו בעל מבנה שונה משל הסובסטרט. כאשר האנזים בא במגע עם הסובסטרט האתר הפעיל משנה את צורתו באופן שמתאים למבנה הסובסטרט.
מעכבים - Inhibitors
מעכבים הינם חומרים אשר נקשרים לאנזים ומשפיעים על פעולתו. עיכוב אנזימים הינו הבסיס לפעולתן של תרופות רבות, לדוגמה: תרופות נוגדות דלקת מעכבות את האנזים ציקלואוקסיגנאז - Cyclooxygenase ומונעות מהאנזים לייצר פרוסטגלנדינים מעודדי דלקת. הקישור של המעכב לאנזים יכול להיות קישור הפיך או קישור בלתי הפיך. קישור הפיך מאופיין ביצירת קשר חלש עם האנזים, כך שהאנזים יכול להשתחרר מהמעכב ולהמשיך לפעול. קישור בלתי-הפיך מאופיין בקשר חזק לאנזים, בדרך כלל קשר קוולנטי ומונע פעילות עם הסובסטרט.
במעכבים ההפיכים יש שני סוגים עיקריים:
מעכבים תחרותיים
חומרים הדומים במבנם המרחבי לסובסטרט, נקשרים לאתר הפעיל של האנזים ומתחרים עם הסובסטרט על האתר הפעיל. כל עוד המעכב קשור לאתר הפעיל באנזים, האנזים אינו יכול לפעול על הסובסטרט. כשהמעכב משתחרר מהאתר הפעיל, הסובסטרט יכול להקשר אליו. מידת העיכוב של התגובה תלויה בריכוזים היחסיים של הסובסטרט והמעכב. ככל שגדל ריכוז הסובסטרט ביחס למעכב, הסיכוי שהסובסטרט ייכנס לאתר הפעיל גבוה יותר. כלומר, בריכוז סובסטרט מספיק גבוה, הסובסטרט 'יתגבר' על העיכוב.
מעכבים לא-תחרותיים
אלו חומרים הנקשרים לאנזים באתר שאינו האתר הפעיל, אך הקישור משפיע על פעילות האנזים. קיימים מעכבים לא תחרותיים הנקשרים לקומפלקס אנזים – סובסטרט וקיימים כאלה הנקשרים לאנזים החופשי.
1. ללא נוכחות מעכב, האתר הפעיל מתאים למבנה הסובסטרט. 2. קשירת המעכב אל האנזים גורמת לשינוי במבנה האתר הפעיל ומונעת את קישור הסובסטרט.
קו פקטורים – Cofactors
לפעולת חלק מהאנזימים דרושה קשירה של קו פקטור. רק לאחר קשירת הקופקטור האנזים יוציא לפועל את התגובה הרלוונטית. קופקטורים הינם מולקולות לא חלבוניות, לרוב יוני מתכות כגון יון האבץ Zn+2 או יון הברזל Fe+2 או תרכובות אורגניות כגון ויטמינים.
דוגמאות:
אנזים
קופקטור
הקסוקינאז - hexokinase
יון מגנזיום
פירובאט דהידרוגנאז - pyruvate dehydrogenase
חומצה ליפואית, תיאמין פירופוספט – נגזרת של ויטמין B1.
ליזיל הידרוקסילאז - Lysyl hydroxylases
ויטמין C, יון ברזל.
גלוטטיון פרוקסידאז - Glutathione peroxidase
סלניום
קרבוניק אנהידראז - carbonic anhydrase
אבץ
הולואנזים – אנזים פעיל אשר מכיל את כל הקבוצות הפונקציונליות לפעילותו. אפואנזים – החלק החלבוני של האנזים, ללא הקופקטור.
גורמים אשר משפיעים על פעולת האנזים
הזמן בו האנזים מוציא לפועל תגובה כימית נקרא קצב התגובה. קצב התגובה מוגדר כמספר מולקולות התוצר הנוצרות ביחידת זמן. קצב התגובה אינו קבוע ונתון לשינוי. לאנזימים יש תנאים אופטימאלים בהם התגובה מתרחשת בקצב גבוה. שינוי בתנאים אלו יגרום לשינוי – ירידה בקצב התגובה.
הגורמים אשר משפיעים על קצב התגובה של אנזימים הינם: טמפרטורה, pH , ריכוז האנזים, ריכוז הסובסטראט, ונוכחות גורמים שונים אשר מגבירים או מעכבים את פעילות האנזים.
השפעת הטמפרטורה על פעילות האנזים
לכל אנזים יש טמפרטורה מיטבית אופטימלית לפעילותו, בה קצב
התגובה הינו הגבוה ביותר.
A – ככל שהטמפרטורה עולה, עולה רמת האנרגיה בסובסטרט ובאנזים, מתחילה תנועה מהירה יותר ויצירת מגע בין האנזים לסובסטרט בתדירות גבוהה יותר.
B – הטמפרטורה האופטימלית לפעילות האנזים.
C – עליה בטמפרטורה גורמת לשינוי מרחבי במבנה האנזים – דנטורציה. היות וגם מבנה האתר הפעיל משתנה, האנזים אינו מסוגל לקשור את הסובסטרט.
D – עם עליה נוספת בטמפרטורה פעילות האנזים מינימלית ביותר.
השפעת ה - pH על פעילות האנזים
אנזימים מושפעים מתנאי החומציות / בסיסיות -pH של התמיסה בה הם פועלים.
לכל אנזים יש את ה – Ph האופטימלי לפעילותו. השפעת ה- pH על הפעילות
האנזימטית נובעת מיינונן של קבוצות שונות במולקולות האנזים ו/או במולקולות הסובסטרט.
השפעת ריכוז הסובסטרט על פעילות האנזים
בריכוז נמוך של הסובסטרט קצב פעילות האנזים יהיה נמוך, ככל שריכוז הסובסטרט יעלה, כך יעלה קצב פעילות של האנזים, כך שמריכוז הנמוך לריכוז גבוה כמות הסובסטרט הינה הגורם המגביל. בריכוזים גבוהים של הסובסטרט, כמות האנזים הינה הגורם המגביל.
A – ריכוז הסובסטרט נמוך, מספר התנגשויות עם האנזים נמוך, קצב תגובה איטי.
B – עליה בריכוז הסובסטרט מגבירה את מספר ההתנגשויות ומספר רב יותר של תגובות יוצא לפועל.
C – ריכוז הסובסטרט גבוה ואינו מהווה גורם מגביל. מספר התגובות היוצא לפועל הינו המקסימלי.
משפחות אנזימים
ניתן לסווג את האנזימים לשש משפחות עיקריות, כאשר לכל משפחה קיימים תת סוגים.
תת משפחה:
אוקסידאזות – Oxidases – אנזימים אלו משתמשים בחמצן כמאסף אלקטרונים, ללא חיבור של אטוםהחמצן לסובסטרט.
דהידרוגנאזות – dehydrogenases – אנזימים אלו משתמשים במולקולות אחרות פרט לחמצן כמאספות אלקטרונים.
פרוקסידאזות – Peroxidases – אנזימים אלו משתמשים במי חמצן - H2O2 כמאסף אלקטרונים.
2. טרנספראזות - Transferases אנזימים אלו מעורבים בתגובות בהן מתבצעת העברה של קבוצות פונקציונליות בין מולקולות.
תת משפחה:
מתיל טרנפראזות – Methyltransferases – אנזימים אלו מעורבים בהעברת קבוצת מתיל – CH3 בין מולקולות.
אמינו טרנפראזות – Aminotransferases – אנזימים אלו מעורבים בהעברת קבוצת אמינו NH2מחומצות אמינו לחומצות אלפא קטו.
קינאזות – Kinases – אנזימים אלו מעורבים בהעברת קבוצת פוספט מ – ATP לסובסטרט.
פוספורילאזות – Phosphorylases – אנזימים אלו מעורבים בהעברת קבוצת פוספט מפוספט אנאורגני לסובסטרט.
3. הידרולאזות - Hydrolases – אנזימים אלו מעורבים בפירוק קשרים קוולנטים באמצעות הידרוליזה – פירוק מולקולת מים והטמעתה בסובסטרטים.
תת משפחה:
פוספטאזות – Phosphatases – אנזימים אלו מעורבים בהסרת קבוצת פוספט מהסובסטרט.
פוספודיאסטראזות – Phosphdiesterases - אנזימים אלו מעורבים בפירוק קשרים פוספודיאסטרים.
פרוטאזות – Proteases - אנזימים אלו מעורבים בפירוק קשרים פפטידים בין חומצות אמינובחלבונים.
4. ליאזות – Lyases - אנזימים אלו מעורבים בפירוק קשרים קוולנטים ללא תגובת חמצון חיזור או הידרוליזה.
תת משפחה:
דקרבוקסילאזות – Decarboxylases - אנזימים אלו מעורבים בפירוק קשרים קוולנטים ויצירת פחמן דו חמצני – CO2.
אלדולאזות – Aldolases - אנזימים אלו מעורבים בפירוק קשרים קוולנטים ויצירת קבוצת אלדהיד בסובסטרט.
סינתאזות – Synthases - אנזימים אלו מעורבים בחיבור בין שתי מולקולות ללא מעורבות ATP.
5. איזומראזות – Isomerases – אנזימים אלו מעורבים ביצירת איזומרים עם ידי שינוי מרחבי של הסובסטרט.
תת משפחה:
רצמזות – Recemases - אנזימים אלו מעורבים בהמרת סטריאואיזומרים מצורת D לצורת L.
מוטאזות – Mutases – אנזימים אלו מעורבים ביצירת איזומרים על ידי העברת אטומים למיקום שונה במולקולה.
6. ליגאזות – Ligases – אנזימים אלו מעורבים בתגובות בהן נוצר קשר בין שתי מולקולות, תוך כדי פירוק מולקולות נוספות, כגון ATP.
תת משפחה
קרבוקסילאזות – Carboxylases - אנזימים אלו יוצרים קשרים מולקולריים תוך כדי שימוש בפחמן דו חמצני - CO2 כסובסטרט.
סינתטאזות – Synthetases - אנזימים אלו מעורבים בתגובות תלויות ב – ATP, בהן נוצרים קשרים מולקולריים.
רוב האנזימים הינם חלבונים אשר מזרזים ריאקציות ביוכימיות בתא. מאיצים את קצב הריאקציה פי 1017 - 105 . כמעט כל התהליכים בתאים ביולוגיים דורשים התערבות של אנזימים לשם זירוז מהירותם. ישנן כ – 4000 ריאקציות ביוכימיות ידועות.
הגורמים אשר משפיעים על אופן פעולתם של אנזימים הינם: PH , טמפרטורה, ריכוז הסובסטראט והתוצר. עיכוב פעולתם של אנזימים הינו הבסיס הפרמקולוגי של תרופות רבות, לדוגמה אלופורינול, תרופה לטיפול בגאוט ( שגדון ) אשר מעכבת את פעולתו של אנזים בשם קסנטין אוקסידאז. אנזים אשר מבצע המרה של פורינים לחומצה אורית אשר גורמת להתקף הגאוט.
דוגמאות נוספות לאנזימים שונים בגוף האדם: אלפא עמילאז – אנזים אשר מפרק עמילןלגלוקוז במערכת העיכול, מופרש עם הרוק בחלל הפה ומהלבלב אל המעי הדק. הקסוקינאז – האנזים הראשון במסלול הגליקוליזה, אשר ממיר גלוקוזלגלוקוז 6 פוספט. HMG-CoA reductase – אנזים המפתח במסלול המטבולי לייצור כולסטרול.
השפעתו של אנזים על תגובה ביוכימית – הורדת אנרגיית השפעול
ברוב התגובות הביוכימיות יש להשקיע כמות מסוימת של אנרגיה ראשונית כדי שהתגובה תוכל להתרחש. אנרגיה זו נקראת אנרגיית שפעול. לאחר השקעת אנרגיית השפעול התגובה ממשיכה עם רמה אנרגטית נמוכה יותר.
האנזימים הינם קטליזטורים – מזרזים, אשר פעולתם מתבטאת בהנמכתה של אנרגיית השפעול של תגובה.
