เอนไซม์: มันคืออะไร? & มันทำงานอย่างไร?

ตลอดเวลา เซลล์จำนวนหลายล้านล้านเซลล์ในร่างกายของคุณกำลังเผชิญกับปฏิกิริยาเคมีจำนวนมหาศาลที่ทำให้คุณมีชีวิตอยู่และอยู่ในสมดุลตลอดเวลา แม้ว่าปฏิกิริยาเหล่านี้อาจเกิดขึ้นได้เองโดยใช้เวลาที่เพียงพอ แต่อัตรานี้อาจไม่เร็วพอสำหรับความต้องการของร่างกายมนุษย์

เป็นผลให้ปฏิกิริยาทางชีวเคมีเกือบทั้งหมดได้รับความช่วยเหลือจากโปรตีนพิเศษที่เรียกว่า specialized เอนไซม์ซึ่งเป็นสารชีวภาพ ตัวเร่งปฏิกิริยา ที่สามารถทำปฏิกิริยาได้เร็วกว่าล้านเท่า

การตัดเย็บของเอนไซม์นั้นสูงมาก เอ็นไซม์ที่รู้จักส่วนใหญ่หลายร้อยชนิดสามารถกระตุ้นปฏิกิริยาได้เพียงปฏิกิริยาเดียว และปฏิกิริยาส่วนใหญ่สามารถเร่งปฏิกิริยาได้ด้วยเอ็นไซม์เฉพาะตัวเดียวเท่านั้น

แม้ว่า กรดนิวคลีอิค โมเลกุล RNA (กรดไรโบนิวคลีอิก) บางครั้งสามารถทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่ไม่ใช่เอนไซม์ เอนไซม์ที่แท้จริงคือ โปรตีนหมายความว่าประกอบด้วยโซ่ยาวของ กรดอะมิโน ที่พับเป็นรูปทรงเฉพาะ มีกรดอะมิโน 20 ชนิดในธรรมชาติ ซึ่งร่างกายต้องการทั้งหมดในปริมาณหนึ่ง

ร่างกายของคุณสามารถสร้างสิ่งเหล่านี้ได้ประมาณครึ่งหนึ่ง ในขณะที่ส่วนอื่นๆ จะต้องกินเข้าไป สิ่งที่คุณต้องกินเรียกว่า กรดอะมิโนที่จำเป็น.

กรดอะมิโนทั้งหมดมีอะตอมของคาร์บอนตรงกลางรวมเข้ากับกลุ่มกรดคาร์บอกซิลิก (-COOH) ซึ่งเป็นอะมิโน (-NH₂) กลุ่ม และสายโซ่ข้าง ซึ่งปกติจะกำหนด "-R" ในแผนภาพเคมี

ห่วงโซ่ด้านข้างกำหนดพฤติกรรมเฉพาะของกรดอะมิโน ลำดับกรดอะมิโนในโปรตีนเรียกว่า โครงสร้างหลัก. กรดอะมิโนเรียกว่า a โพลีเปปไทด์; โดยปกติเมื่อโมเลกุลถูกอ้างถึงเช่นนี้ มันไม่ใช่โปรตีนที่สมบูรณ์และใช้งานได้จริง แต่เป็นโปรตีนชิ้นเดียว

สตริงกรดอะมิโนสามารถจัดเรียงตัวเองให้อยู่ในรูปเกลียวหรือคล้ายแผ่น นี้เรียกว่าโปรตีนของ โครงสร้างรอง. โมเลกุลจัดเรียงตัวอย่างไรในท้ายที่สุดเป็นสามมิติ ซึ่งส่วนใหญ่เป็นผลมาจากปฏิกิริยาทางไฟฟ้าระหว่างกรดอะมิโนในส่วนต่างๆ ของโมเลกุล เรียกว่า โครงสร้างระดับอุดมศึกษา.

เช่นเดียวกับหลายสิ่งหลายอย่างในธรรมชาติ นั่นคือ รูปร่างของเอ็นไซม์เป็นตัวกำหนดพฤติกรรมที่แม่นยำของมัน รวมทั้งความแรงที่มัน "แสวงหา" เป็นพิเศษ พื้นผิว (นั่นคือโมเลกุลที่เอนไซม์ทำหน้าที่)

เอนไซม์ทำหน้าที่เร่งปฏิกิริยาอย่างไร? คำถามนี้สามารถแยกออกเป็นสองคำถามที่เกี่ยวข้อง

หนึ่ง: เอนไซม์เร่งปฏิกิริยาอย่างไรในแง่ของการเคลื่อนที่ขั้นพื้นฐานของอะตอม และสอง: คุณสมบัติพิเศษอะไรเกี่ยวกับโครงสร้างของเอนไซม์ที่ทำให้สิ่งนี้เกิดขึ้นได้?

วิธีที่เอนไซม์เร่งอัตราการเกิดปฏิกิริยาคือการปรับเส้นทางระหว่างจุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดของปฏิกิริยาให้ราบเรียบ ในปฏิกิริยาเหล่านี้ สินค้า (โมเลกุลที่เหลือหลังจากปฏิกิริยาสิ้นสุดลง) มีพลังงานรวมต่ำกว่า lower สารตั้งต้น (โมเลกุลที่เปลี่ยนเป็นผลิตภัณฑ์ระหว่างปฏิกิริยา)

อย่างไรก็ตาม เพื่อให้เกิดปฏิกิริยากลิ้ง ผลิตภัณฑ์ต้องเอาชนะ "โคก" พลังงานที่เรียกว่า พลังงานกระตุ้น (อี).

ลองนึกภาพการขี่จักรยานห่างจากบ้านของคุณครึ่งไมล์ ซึ่งเป็นจุดที่สูง 100 ฟุตเหนือถนนรถแล่นของคุณ หากถนนต้องปีนขึ้นไป 50 ฟุตก่อนจะค่อยๆ ลดลง 150 ฟุตเพื่อไปยังถนนรถแล่น แน่นอนว่าคุณต้องเหยียบคันเร่งสักระยะก่อนจึงจะเริ่มขี่ได้ แต่ถ้าถนนที่ทอดยาวประกอบด้วยการปรับลดรุ่นอย่างนุ่มนวลในระยะทางครึ่งไมล์ที่สม่ำเสมอ คุณสามารถแล่นไปได้ตลอดทาง

เอนไซม์จะเปลี่ยนสถานการณ์แรกเป็นสถานการณ์ที่สอง ความแตกต่างของระดับความสูงยังคงเป็น 100 ฟุต แต่รูปแบบโดยรวมไม่เหมือนกัน

ในระดับของความร่วมมือระดับโมเลกุล มักจะอธิบายเชิงซ้อนของเอนไซม์-สารตั้งต้นในรูปของa ความสัมพันธ์ "ล็อคและกุญแจ": ส่วนของโมเลกุลของเอนไซม์ที่จับกับสารตั้งต้นเรียกว่า ไซต์ที่ใช้งาน, มีรูปร่างที่เกือบจะพอดีกับโมเลกุลของสารตั้งต้น

เช่นเดียวกับการเลื่อนกุญแจเข้าไปในตัวล็อคแล้วหมุน มันทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่ตัวล็อค (เช่น การเคลื่อนตัวของ สลักเกลียว) ตัวเร่งปฏิกิริยาบรรลุกิจกรรมของเอนไซม์โดยทำให้โมเลกุลของสารตั้งต้นเปลี่ยนแปลง รูปร่าง.

การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้อาจส่งผลให้พันธะเคมีในซับสเตรตลดลงผ่านการบิดเบือนทางกล ให้โมเลกุลเพียงแค่ "ผลัก" หรือ "บิด" เพื่อเคลื่อนไปสู่รูปร่างของผลิตภัณฑ์ในที่สุด

บ่อยครั้ง ผลิตภัณฑ์ที่จะต้องมีอยู่ใน a สถานะการเปลี่ยนแปลง ในระหว่างนี้ซึ่งดูเหมือนสารตั้งต้นและค่อนข้างคล้ายกับผลิตภัณฑ์

โมเดลที่เกี่ยวข้องคือ เกิดความพอดี แนวคิด. ในสถานการณ์นี้ เอ็นไซม์และซับสเตรตในตอนแรกไม่ได้ทำให้การล็อคและคีย์พอดี แต่ความจริงแล้ว การสัมผัสกันทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของซับสเตรตที่ทำให้เอ็นไซม์-ซับสเตรตทางกายภาพเหมาะสมที่สุด ปฏิสัมพันธ์

การเปลี่ยนแปลงของซับสเตรตทำให้มีลักษณะคล้ายกับโมเลกุลของสถานะทรานซิชันอย่างใกล้ชิดมากขึ้น ซึ่งจะเปลี่ยนเป็นผลิตภัณฑ์สุดท้ายเมื่อปฏิกิริยาเคลื่อนที่ไปข้างหน้า

แม้ว่าพวกมันจะทรงพลัง แต่เอ็นไซม์ก็เหมือนกับโมเลกุลทางชีววิทยาทั้งหมดที่ไม่สามารถอยู่ยงคงกระพันได้ สภาวะเดียวกันหลายอย่างที่สร้างความเสียหายหรือทำลายโมเลกุลอื่นๆ รวมทั้งเซลล์และเนื้อเยื่อทั้งหมด สามารถชะลอการทำงานของเอนไซม์หรือหยุดการทำงานของเอนไซม์โดยสิ้นเชิง

อย่างที่คุณรู้. ของคุณ อุณหภูมิในร่างกาย ต้องอยู่ในช่วงแคบ (ปกติประมาณ 97.5 ถึง 98.8 องศาฟาเรนไฮต์) เพื่อให้คุณมีสุขภาพที่ดี สาเหตุหนึ่งคือ เอนไซม์หยุดทำงานอย่างถูกต้องหากอุณหภูมิร่างกายสูงกว่าระดับนี้ ซึ่งเป็นสิ่งที่คุณรู้สึกว่าเป็นไข้

นอกจากนี้ สภาพที่เป็นกรดสูงสามารถทำลายพันธะเคมีของเอนไซม์ได้ ความเสียหายที่เกี่ยวข้องกับอุณหภูมิและ pH ดังกล่าวเรียกว่า denaturing ของเอ็นไซม์

นอกจากนี้ อย่างที่คุณคาดไว้ ปริมาณเอนไซม์ที่เพิ่มขึ้นมีแนวโน้มที่จะเร่งปฏิกิริยาให้เร็วขึ้น ในขณะที่ความเข้มข้นของเอนไซม์ที่ลดลงจะทำให้ปฏิกิริยาช้าลง

ในทำนองเดียวกัน การเพิ่มซับสเตรตมากขึ้นในขณะที่รักษาปริมาณของเอ็นไซม์เท่าเดิมจะเร่งปฏิกิริยาจนกว่าเอ็นไซม์จะ "เต็มที่" และไม่สามารถดูแลซับสเตรตทั้งหมดที่มีอยู่ได้

สมมติว่าคุณไปปั่นจักรยานเพื่อระดมทุนข้ามประเทศและได้รับการสนับสนุนจากเพื่อนๆ ที่มอบเครื่องดื่มและเสื้อผ้าสดใหม่จากรถตู้ให้คุณ

เพื่อนของคุณจะต้องได้รับการสนับสนุนในระหว่างการเดินทาง เช่น น้ำมันสำหรับยานพาหนะและอาหารสำหรับลูกเรือ

หากการเดินทางของคุณถือได้ว่าเป็น "ปฏิกิริยา" และลูกเรือของรถตู้คือ "เอนไซม์" ที่ "กระตุ้น" การเดินทางของคุณ ร้านขายอาหารในเส้นทางสามารถคิดได้ว่า โคเอ็นไซม์ – ใน ชีวเคมีสารที่ไม่ใช่เอ็นไซม์แต่จำเป็นเพื่อให้เอ็นไซม์ทำงานได้ดีที่สุด

เช่นเดียวกับสารตั้งต้น โคเอ็นไซม์จับกับบริเวณที่ทำงานของเอนไซม์ โดยที่สารตั้งต้นจับตัวกัน แต่ไม่ถือว่าเป็นสารตั้งต้นในตัวเอง

โคเอ็นไซม์มักจะทำหน้าที่เป็นตัวพาอิเล็กตรอน หรือตำแหน่งเชื่อมต่อชั่วคราวสำหรับอะตอมหรือกลุ่มการทำงานที่ถ่ายโอนระหว่างโมเลกุลในปฏิกิริยาโดยรวม ปัจจัยร่วม เป็นโมเลกุลอนินทรีย์ เช่น สังกะสี ที่ช่วยเอ็นไซม์ในสิ่งมีชีวิต แต่ต่างจากโคเอ็นไซม์ตรงที่พวกมันไม่จับกับตำแหน่งแอคทีฟของเอ็นไซม์

ตัวอย่างทั่วไป โคเอ็นไซม์ รวมถึง:

• โคเอ็นไซม์ Aหรือ CoA ซึ่งจับกับ acetate เพื่อสร้าง acetyl CoA ซึ่งมีความสำคัญในการหายใจระดับเซลล์ ซึ่งสร้างพลังงานให้กับเซลล์จากน้ำตาลกลูโคส
• นิโคตินาไมด์ อะดีนีน ไดนูเซโลไทด์ (NAD) และ ฟลาวิน อะดีนีน ไดนูเซโลไทด์ (FAD) ซึ่งเป็นพาหะของอิเล็กตรอนพลังงานสูงที่มีส่วนช่วยในการหายใจของเซลล์
• ไพริดอกซัลฟอสเฟตหรือ วิตามิน B6ซึ่งย้ายกลุ่มอะมิโนระหว่างโมเลกุล