Kalevi_Kull
Katalüüs ja tellingud semioosis
Ensüümidel on võib-olla jooni, mille tõttu nad põhimõtteliselt erinevad lihtsalt keerukatest molekulidest. Meditsiiniline keemia on alates Paracelsusest püüdnud näiteks taimedel leida signatuure – raviomadustega seotud märke. Louis Pasteur väitis, et käärimine on elu märk või signatuur. Bioloogilisi fermente nimetatakse tänapäeval ensüümideks. Sõna "ensüüm" võttis kasutusele Wilhelm Kühne, kelle järgi ensüüm on käärimist esilekutsuv protsess. Tänapäeval määratletakse ensüüme kui bioloogilisi katalüsaatoreid, mis spetsiifiliselt katalüüsivad keemilisi reaktsioone elusrakkudes. Mis mõttes ensüümid ei ole tavalised molekulid? Anorgaaniliste ja lihtsate orgaaniliste molekulide puhul määrab molekuli struktuur, millistes reaktsioonides ta saab osaleda. Ent ensüümi primaar- ega sekundaarstruktuur ei määra, milliseid reaktsioone ta saab katalüüsida. Tertsiaarne (ruumiline) struktuur võib-olla ütleb midagi selle kohta, millist substraati ta saab katalüüsida, aga molekuli tertsiaarstruktuur tuleneb suuresti tema kohalikust keskkonnast. Ensüüm võib koosneda mitmest suurest molekulist, mis moodustab tema kvaternaarstruktuuri. See, mida ensüüm teeb, võib suuresti sõltuda tema asukohast rakus. Ensüümi (eriti primaar-) struktuur ei ole tema funktsiooniga otseselt seotud. Ka ensüümide nomenklatuur erineb keemianomenklatuurist. Ensüüme nimetatakse funktsiooni järgi. Sama funktsiooniga ensüüm võib olla igal liigil või isegi igal genetil erineva struktuuriga, kusjuures ei saa öelda, mitu erinevat struktuuri ühel ensüümil on. Uue struktuuri korral saab kindlaks teha, et tegu on sama ensüümiga, ainult selle järgi, et ta katalüüsib sama reaktsiooni. Kui ta parajasti seda ei tee, siis võib-olla ta teeb seda mõne teise liigi puhul, võib-olla minevikus või tulevikus. Ühe ensüümi kõikide võimalike struktuuride kirjeldamine tundub lahendamatu ülesanne. Walter Elsasser ("Reflections on a Theory of Organisms") nimetas elussüsteemide selliseid omadusi tohutuseks (immensity). See ülesanne on mittealgoritmiline (Stuart Kauffman, "From physics to semiotics"). Rakus täidetavate funktsioonide arv on väga väike võrreldes neid täita võivate struktuuride arvuga. Ensüümid on peaaegu kõikide keemiliste reaktsioonide jaoks organismis hädavajalikud. Ilma ensüümideta ka surnud organismid ei laguneks. Ensüümide funktsionaalne spetsiifilisus ei ole absoluutne, kõik ensüümid on potentsiaalselt multifunktsionaalsed. Teisi funktsioone täidavad nad palju vähem tõhusalt, ka ei ole ensüümi asukohas teisi sobivaid substraate. Evolutsiooni seisukohast võib lihtsustatult öelda, et ensüümid on tekkinud aminohapete stohhastiliste järgnevustena, millest mõned juhtumisi katalüüsisid mõnesid reaktsioone. Kinnises rakus on enamik reaktsiooniahelaid kinnised, tsüklilised. Seetõttu tekib tagasiside. Näiteks kui mõnd saadust on liiga palju, võib see inhibeerida omaenda sünteesis osalevate ensüümimolekulide tootmist, ja kui saadust on liiga vähe, toodetakse vastavaid ensüümimolekule rohkem. Nõnda võib olla, et rakk on ise valinud, millised molekulid kasutusele võtta ja millised evolutsioonis unustuse hõlma jätta. Ennist ensüümide kohta öeldu kehtib enamiku valkude kohta rakus. Peale kitsas mõttes ensüümide, mis katalüüsivad ainevahetusreaktsioone, on hulk mitmesuguseid regulaatorvalke, transkriptsioonifaktoreid, transportvalke, valguretseptoreid jne. On ka ensüümide sarnaselt toimivad ribonukleiinhapped (tRNA-d ja ribosüümid), mida samuti liigitatakse funktsiooni järgi. Ensüümid loovad regulaarseid sidemeid nukleiinhapete teatud saitide ja nende poolt katalüüsitavate reaktsioonide vahele. Pole keemilist ega füüsikalist põhjust, miks konkreetne DNA sait (primaarjärjestus) peaks olema seotud konkreetse biokeemilise reaktsiooniga rakus. See ensüümi kaudu loodud seos on arbitraarne, nagu mis tahes muu koodiseos. Raku elu näebki suuresti välja nagu katalüsaatorite tegevus.