Az enzimek

A biológiai rendszerekben sok olyan reakció van, amelyek, bár energetikailag kedvezőek, mégsem mennek végbe gyorsan, vagy végbe sem mennek maguktól. A glükóz foszforilációja is éppen ilyen példa. Erről bővebben is lesz még szó a kapcsolt reakciókról szóló videóban – azt hiszem, az a címe: „A glükóz-6-foszfát foszforilációja” –, de roppant fontos, mivel egy foszfátcsoport hozzáadásával a glükóz kiindulási anyaggá válik egy egész sor biológiai folyamatban. A glükóz ezzel a „jelöléssel” ellátva nemigen jut ki többé a sejtből. A folyamat elég egyszerű. Itt van egy nemkötő elektronpár ezen a hidroxilcsoporton. Ha ennek a konfigurációja megfelelő, akkor hozzákapcsolódhat a foszfátcsoport foszforatomjához. Miért nem megy végbe mindez magától? Energetikailag ugyan kedvező lenne, hiszen a kötés kialakulása során az elektronok alacsonyabb energiaszintre jutnak, így a szabadenergia-változás (ΔG) előjele negatív. Ha ez a molekulák állapota a reakció előtt, ennyi a szabadenergiájuk a reakció előtt. A reakció után kevesebb a szabadenergiájuk. Az energiájuk egy része felszabadult. Azt hihetnénk, hogy ez egy spontán folyamat. Ám a reakció megindulásához egy kis energiát kell közölnünk a rendszerrel. Ezt nevezik aktiválási energiának. Kérdezhetnéd, hogy ennek mi az oka. Ezek az elektronok szeretnének kapcsolódni ehhez a foszforatomhoz, de ezt a foszforatomot negatív töltések veszik körül. Ez az oxigén negatív töltésű, ennek az oxigénnek is negatív a töltése, és amint sejtheted, az elektronok nem szeretnek más elektronok közelében lenni, mivel az azonos töltések taszítják egymást. Tehát ahhoz, hogy ez a reakció végbemenjen, vagy gyakrabban menjen végbe, a folyamatot katalizálni kell. Katalizátor bármi lehet, ami felgyorsít egy reakciót, vagy egyáltalán lehetővé teszi, hogy az végbemenjen. A biológia rendszerek katalizátorain rendszerint enzimeket értünk. Egy enzim például úgy katalizálhatja ezt a reakciót – erről is beszélünk majd a kapcsolt reakciók kapcsán –, hogy az enzim némi pozitív töltést biztosít ezek körül a negatív töltések körül, hogy kissé széjjelhúzza őket, így teret biztosítva ahhoz, hogy végbemenjen a reakció. Az enzim hatására tehát ennek a púpos görbének az alakja laposabb lesz, így a reakció végbemehet. De mik ezek az enzimek? Ezek a valamik, amik például megváltoztathatják a töltések eloszlását, ami aztán a reakciót egy bizonyos irányba tereli, meghajlíthatják a molekulákat, hogy felfedjenek egyes kötéseket, savasabb vagy lúgosabb környezetet biztosíthatnak, ami kedvezőbb lehet a reakció számára. Mik ezek a varázslatos dolgok? Nos, első ránézésre nagyobbrészt fehérjekomplexumok, vagyis fehérjéknek tekinthetők, esetenként több, összekapcsolt polipeptidláncnak, amelyekhez esetleg ionok kötődhetnek, de lényegében fehérjék. A reagáló molekulákat pedig, amelyek a fehérjékhez kapcsolódnak, szubsztrátoknak nevezik. Ebben a reakcióban tehát a glükóz és az ATP a szubsztrátok. Úgy képzelhetjük el ezt az enzimet – általánosságban az olyan enzimet, amelyik ilyen cukormolekulák foszforilását segíti, hexokináznak nevezzük –, szóval képzeljünk el egy őrületesen nagy fehérjét. Mindjárt alaposaban is szemügyre vesszük. Mondjuk, itt kapcsolódik hozzá az ATP. Az ATP az egyik szubsztrát. A glükóz pedig, mondjuk, ide kapcsolódik. A két szubsztrát tehát ahhoz a területhez kapcsolódik, ahol mindez végbemegy, ezt pedig aktív centrumnak nevezzük. A neve tehát aktív centrum, mivel itt megy végbe az egész folyamat. Aktív centrum. A megkötődött szubsztrátok gyakran kölcsönhatásba lépnek a fehérjével, így még szorosabbá válik az illeszkedés, és a fehérje még jobban elősegíti a reakciót. Az egész fehérje összébb zárulhat kissé, még szorosabb harapófogóba zárva a két szubsztrátot. Ezt indukált illeszkedésnek nevezik. Indukált illeszkedés. Na és mi biztosítja ezeket a pozitív töltéseket? Hát a különféle aminosavak oldalláncai a polipeptidláncban, azaz a fehérjében. Ebben más ionoknak is szerepe lehet. Például a glükóz foszforilációját egy magnéziumion is segítheti azzal, hogy eltaszít valamennyi pozitív töltést. Emellett más pozitív töltésű csoportok is segítenek eltaszítani a töltést, hogy a reakció könnyebben végbemehessen. Ezek tehát az enzimek. Az optimális működésükhöz általában adott pH-jú környezet vagy adott hőmérséklet szükséges. A magasabb hőmérséklet több kölcsönhatással jár, több az ütközés, de ha a hőmérséklet túl magasra emelkedik, akkor az enzimfehérje működése leállhat, azaz denaturálódhat, vagyis felbomolhat a szerkezete. Most pedig szeretném rányitni a szemedet arra, hogy milyen gyönyörűek ezek az összetett szerkezetek. Szeretném, ha rádöbbennél, hogy ott vannak a sejtjeidben, ott vannak benned. Csak nézz a kezedre, vagy akárhová, ez mind benned zajlik. Remélem, belátod, milyen összetett biológiai rendszer vagy te magad, és valójában minden biológiai rendszer. Ez itt egy hexokináz képe (több változata is van), és csak hogy a méretét érzékeltessük, ez itt egy glükózmolekula, ez pedig egy ATP. Ez a két szubsztrát tehát odakötődik az aktív centrumhoz, amely indukált illeszkedéssel körülfogja őket, kicsit széthúzza a töltéseket, esetleg kissé meghajlítja a molekulákat, hogy könnyebben reagáljanak, közelebb vonja őket egymáshoz, és végbemegy a reakció. Amint a reakció végbement, megszűnik a kapcsolat a szubsztrátokkal, vagyis ekkorra már a termékekkel, amelyek leválnak. Ekkor az enzim szerkezete megváltozik. Ez egy fontos tulajdonsága. Ez nem egy egyszer használatos eszköz. Újra és újra képes erre a műveletre. Egyetlen enzim sok-sok alkalommal képes működni az élettartama során. Most szeretnék megmutatni egy háromdimenzós képet, amit egy weblapról szereztem. Megállítottam a felvételt, hogy előkerítsem ezt a kis szimulációt. Ez is egy hexokináz szerkezete. A hexokinázoknak többféle változata létezik. Csodálatos látvány. Ez a kép más módszerrel készült. Ha rákeresel a fehérjék képére a weben vagy bárhol, néha golyós pálcikamodelleket láthatsz, máskor térkitöltéses modelleket, néha pedig ilyeneket, ahol láthatók a különféle szerkezetek. Itt láthatók az alfa-hélixek, amikről a fehérjeszerkezetek kapcsán tanultunk. Láthatók béta-redők is. Ez alapján el tudjuk képzelni a kötőhelyeket és a kialakuló kölcsönhatásokat. Ez itt az ATP molekula, mellette pedig, ha jól látom, az ott egy glükózmolekula. Figyeld meg, hogy össze vannak kötve. Ők tehát a szubsztrátok, amelyek az aktív centrumhoz kötődnek, így most kölcsönhatásba léphetnek egymással. Az enzim, jelen esetben a hexokináz elősegíti ezt a reakciót, a glükóz foszforilációját. Remélhetőleg az ilyen ábrákkal érzékeltethető, ezeknek a dolgoknak a valódi összetettsége és szépsége.