אנזימים

אנזימים

  E   + S   →ES → E + P

·         מה המבנה של אנזימים?

·         איך אנזימים עובדים?

·         מהם הגורמים המשפיעים על קצב הפעולה של אנזימים?

אנזימים הם זרזים ביולוגים. יש כ- 40,000 אנזימים שונים בתאים של בני אדם. כל אחד מהם מזרז תהליך כימי אחר. האנזימים מגבירים את הקצב של תהליכים כימיים פי מיליון עד  10¹²! הם מקלים על תהליכים כימיים להתרחש ובכך מאפשרים התקיימות חיים בטמפרטורות רגילות. האנזימים התגלו בשנת 1900 על ידי בוקנר בתסיסת שמרים והשם 'אנזים' משמעו 'בשמרים'. הם מתווכים בכל התהליכים המטבוליים (של חילוף חומרים) בתאים, כמו נשימה תאית, פוטוסינתזה ועיכול. בנוסף הם משמשים כמנוע לתנועה, משאבות בקרום התא וקולטנים.

מבנה האנזים

אנזימים הם חלבונים ותפקידם נקבע לפי המבנה המורכב שלהם. התהליך עצמו מתרחש בחלק קטן של האנזים שנקרא האתר הפעיל, בעוד ששאר החלבון משמש כמסגרת להתרחשות התהליך.

בתמונה אפשר לראות דגם של מולקולת האנזים עמילז ובתוכה קשור המצע (סובסטרט) שלה, עמילן. החומצות האמיניות שבאתר הפעיל של האנזים נקשרות למולקולת המצע ומחזיקות אותה בעמדה המתאימה כדי שהתהליך יתרחש. משמעות ההתאמה בין האנזים למצע היא שהאנזים ספציפי – ייחודי לתהליך כימי אחד בלבד, משום שמולקולות אחרות לא יתאימו לאתר הפעיל.

תמונה של האתר הפעיל של עמילאז

לאנזימים רבים יש גורמים מסייעים הנקראים קו-פקטורים (קו-אנזימים) להם הם זקוקים לעבודתם. אלו הן בדרך כלל מולקולות קטנות ואנאורגניות שהגוף לא יכול לבנות אותן ולכן צריך לקבלן במזון. בשל חיוניותן לחיים הן נקראות ויטמינים.

איך אנזימים עובדים?

בכל תהליך כימי מצע (סובסטרט) – S – הופך לתוצר (פרודוקט) P :  S→P. בתהליך שאנזים מזרז (תהליך אנזימטי) המצע קודם נקשר לאתר הפעיל של האנזים ויוצר תצמיד של אנזים-מצע (ES), ואז כשהמצע קשור לאנזים הוא הופך לתוצר. לבסוף התוצר משוחרר באופן הבא:

האנזים, שלא חל בו כל שינוי שאינו הפיך, מוכן להתחיל מחדש. התוצאה הסופית נטו היא S→P  אבל בדרך אחרת: E + S → ES → E + P.

מולקולת המצע מתאימה לאתר הפעיל שבמולקולת האנזים כמו מפתח למנעול. כאשר המצע קשור, האנזים משנה את צורתו מעט, כך שהוא משנה את צורתה של המולקולה שקשורה אל האתר הפעיל שלו, ומאפשר את התהליך הכימי, השבירה למשל. ישנם אנזימים שהאתר הפעיל שלהם יוצר בהרכבו סביבה שונה מהסביבה הרגילה בתא למשל מאפשר כניסת מים, מטען חשמלי מסוים או רמת חומציות מסוימת, וכך מעלה את הסיכויים שהתהליך יתרחש.

העמקה: למעשה האנזים לא מותאם באופן מושלם למצע אלא לצורת הביניים של המצע כשהוא הופך לתוצר. כשמצע נקשר לאנזים, האתר הפעיל משנה את צורתו מעט ומתאים את עצמו מסביב למולקולה, כך שהיא משתנה לצורת הביניים וכך מזרז האנזים את התהליך. מנגנון זה נקרא התאמה מושרית.

אפשר להסתכל על עבודתם של אנזימים דרך השינויים האנרגטיים המתרחשים בתהליך הכימי. למשל בתהליך שבו לתוצר יש אנרגיה נמוכה מאשר למצע, כך שהמצע הופך באופן ספונטאני לתוצר. לפני שהוא יכול להפוך לתוצר, המצע צריך להתגבר על 'מחסום אנרגטי' הנקרא אנרגית השיפעול. כלומר, צריך להפעיל את המצע כדי שהתהליך יתרחש.

העמקה: למעשה אנרגית השפעול היא האנרגיה שיש להשקיע ליצירת צורת הביניים בדרך של המצע להפוך לתוצר. האנזימים מורידים את אנרגית השפעול על ידי ייצוב צורת הביניים והם עושים זאת על ידי שינוי התנאים באתר הפעיל של האנזים.

גורמים המשפיעים על קצב התהליך האנזימטי

טמפרטורה. לאנזימים יש טמפרטורה מיטבית שבה הם עובדים במהירות הגבוהה ביותר. למשל אנזימים של יונקים עובדים טוב בטמפ' של 40°^c, אבל ישנם אנזימים שעובדים טוב בטמפרטורות שונות מאד, למשל אנזימים בפשפש השלג בקוטב הצפוני עובדים בטמפרטורה של  10°^c-, ואנזימים בחיידקים תרמו פילים (אוהבי חום) שחיים בגייזרים של ילוסטון בארה"ב עובדים בטמפרטורות של  °^c90.

עד לטמפרטורה המיטבית, קצב התהליך עולה ביחס ישר לטמפרטורה. הקצב גובר משום שלמולקולות האנזים והמצע יש יותר אנרגיה קינטית והן מתנגשות פעמים רבות יותר, ומשום שלמולקולות יש מספיק אנרגיה להתגבר על אנרגית השפעול. התהליך עדיין מתרחש ב-  0°^c אבל הרבה יותר לאט. לכן מזון עדיין יכול להתקלקל במקרר אבל לאט יותר. מעל לטמפרטורה המיטבית קצב התהליך יורד ככל שיותר מולקולות של אנזים עוברות דנטורציה ונהרסות. אנרגית החום שוברת את קשרי המימן שמחזיקים את המבנים השניוני והשלישוני של האנזים, כך שהאנזים ובעיקר האתר הפעיל שלו מאבד את צורתו והופך לשרשרת פשוטה. בשל כך המצע כבר לא יכול להקשר, והתהליך אינו מתרחש. בטמפרטורות גבוהות מאד התהליך אינו הפיך יותר. (כדי לשבור קשרים קוולנטים צריך להרתיח בחומצה מרוכזת שעות ארוכות, אבל כדי לשבור קשרי מימן אפשר לחמם לטמפ' של  40°^c.

ריכוז האנזים. כאשר מעלים את ריכוז האנזים, עולה קצב התהליך באופן לינארי משום שיש יותר מולקולות אנזים הזמינות לזרז את התהליך. בריכוזי אנזים גבוהים, ריכוז המצע יכול להפוך לגורם המגביל, כך שהקצב יפסיק לעלות כשנגמר המצע. בדרך כלל האנזימים נמצאים בתא בריכוזים נמוכים, שכן הם פנויים לעשות שוב את התהליך ברגע שהתוצר משתחרר.

ריכוז המצע. קצב התהליך האנזימטי עולה עם העלייה בריכוז המצע. עם העלייה בריכוז המצע, הקצב מתגבר משום שיותר מולקולות מצע יכולות להתנגש עם מולקולות האנזים, ויותר תהליכים יכולים להתרחש. בריכוזים גבוהים מולקולות האנזים רוויות במצע, ואין מולקולות אנזים פנויות, כך שאם מוסיפים עוד מצע לא משנים את קצב התהליך.

מידת החומציות, pH.  לאנזימים יש pH מיטבי שבו הם עובדים בקצב המהיר ביותר. לרוב האנזימים זהו בערך pH 7-8 (זו מידת החומציות הפיזיולוגית ברוב התאים) . אנזימים מעטים יכולים לעבוד בחומציות או בסיסיות קיצונית, למשל האנזימים שבקיבה של בעלי חיים עובדים במהירות בסביבה מאד חומצית. ה- pH משפיע על המטען של החומצות האמיניות שבאתר הפעיל, כך שתכונות האתר הפעיל משתנות והמצע לא נקשר יותר. לדוגמה, שייר קרבוקסיל בחומצה אמינית לא יהיה טעון בחומציות גבוהה כי אז יש הרבה יונים חיוביים של מימן והם נקשרים לקרבוקסיל השלילי (COOH) בסביבה בסיסית, כשאין הרבה יונים של מימן הקרבוקסיל יהיה טעון שלילית (COO^-)..

מעכבים מעכבים את פעילות אנזימים ומקטינים את קצב התהליך. אפשר להשתמש במעכבים כתרופות או במחקר. המעכבים נקשרים לאתר הפעיל של האנזים במקום המצע אבל אינם עוברים את התהליך בעצמם. כלומר הם מתאימים לקישור אבל לא עוברים את התהליך ולא מאפשרים למצע להקשר.

אם מערבבים מצע עם אנזים ומודדים את כמות המצע וכמות התוצר לאורך זמן מתקבל הגרף הבא:

 -

לקרוא לאנזים בשמו

בדרך כלל קוראים לאנזים בשם על ידי הוספת הסיומת 'אז' לשם המצע שעליו האנזים עובד. למשל ליפאז מפרק ליפידים (שומנים), סוכראז מפרק סוכרוז, לקטאז מפרק לקטוז, ופרוטאז מפרק חלבונים (פרוטאינים). ישנם סוגים שונים של פרוטאזות, אנזימים שמפרקים חלבונים, וקוראים להם בשמות עם הסיומת 'אין' – טריפסין ופפסין.

יש לי שאלה לגבי עמילאז – מדוע קוראים לו עמילן גם באנגלית בעוד שעמילן באנגלית נקרא starch. עמילן בשפה כימית הוא עמילוז. יש מחלה שנקראת עמילואידוזיס. האם היא קשורה?

מקורות

http://acsbiology.info/Enzymes.aspx

סרטון

http://www.youtube.com/watch?v=AFbPHlhI13g

תמונה של עמילן בתוך האנזים

http://aardvarkbrewing.com/wp-content/uploads/alymase.gif

אלו הם מולקולות חלבוניות.

http://clickit3.ort.org.il/Apps/WW/Page.aspx?ws=d602ef5c-aae5-4e21-b1a4-2920ef0db33d&page=fe990ae2-3f00-4df7-a512-aff83aa85290&fol=8bf0fd9f-2be1-499e-b2fa-49c3611b062c