Активнo место

Активното место ― дел на ензимот каде што молекулите на супстратот се врзуваат и се подложуваат на хемиска реакција. Активното место се состои од аминокиселински остатоци кои формираат привремени врски со супстратот наречено ''врзувачко место'' и остатоци кои катализираат реакција на тој супстрат, ''каталитичко место.'' Иако активното место зафаќа само ~10–20% од волуменот на ензимот,тоа е најважниот дел бидејќи директно катализира хемиска реакција. Обично се состои од три до четири аминокиселини, додека другите аминокиселини во протеинот се потребни за одржување на терцијарната структура на ензимите.
Секое активно место е еволуирано за да биде оптимизирано за врзување на одреден супстрат и катализирање на одредена реакција, што резултира со висока специфичност. Оваа специфичност е одредена од распоредот на аминокиселините во рамките на активното место и структурата на супстратите. Понекогаш ензимите треба да се врзат и со некои кофактори за да ја исполнат својата функција. Активното место може постојано да катализира реакција бидејќи остатоците не се менуваат на крајот од реакцијата (тие може да се променат за време на реакцијата, но се регенерираат до крајот). Овој процес се постигнува со намалување на енергијата на активирање на реакцијата, така што повеќе супстрати имаат доволно енергија за да се подложат на реакција.
1 Место за врзување
  
Обично, молекулата на ензимот има само едно активно место кое се вклопува со еден специфичен супстрат. Активното место содржи место на врзување кое се врзува за супстратот и го ориентира за катализа. Ориентацијата на супстратот и блиската близина помеѓу него и активното место е толку важна што во некои случаи ензимот сè уште може правилно да функционира дури и ако сите други делови се мутирани и ја губат функцијата.
Првично, интеракцијата помеѓу активното место и супстратот е нековалентна и минлива. Постојат четири важни видови на интеракција кои го држат супстратот во дефинирана ориентација и формираат комплекс ензим-супстрат (ES комплекс): водородни врски, ван дер Валсови интеракции, хидрофобни интеракции и интеракции на електростатска сила. Распределбата на полнежот на подлогата и активното место мора да биде комплементарна, што значи дека сите позитивни и негативни полнежи мора да бидат поништени. Во спротивно, ќе има одбивна сила што ги одвојува. Активното место обично содржи неполарни аминокиселини, иако понекогаш може да се појават и поларни аминокиселини. Врзувањето на подлогата за местото на врзување бара најмалку три контактни точки за да се постигне стерео-, регио- и енантиоселективност. На пример, алкохол дехидрогеназата, која го катализира трансферот на хидриден јон од етанол во NAD <sup>+,</sup> реагира со подлогата метил група, хидроксилна група и про- ''(R)'' водород кој ќе биде апстрахиран за време на реакцијата.
Постојат три предложени модели за тоа како ензимите се поврзуваат со нивниот специфичен супстрат: моделот на брава и клуч, моделот на индуцирано вклопување и моделот на конформациска селекција. Протеинот може и да не следи некој модел во целина. Аминокиселините на местото на врзување на убиквитинот генерално го следат моделот на индуцирано вклопување, додека остатокот од протеинот генерално се придржува до конформациската селекција. Фактори како што е температурата веројатно влијаат на начинот на врзување, при што се предвидува дека повисоките температури го зголемуваат формирањето на конформациската селекција и ја намалуваат онаа на индуцираното вклопување.
1.1 Хипотеза за брава и клуч
Оваа теорија е предложена во 19 век од хемичарот Емил Фишер. Тој предложил дека активното место и подлогата се две стабилни структури кои совршено се вклопуваат без понатамошни модификации, исто како што клучот се вклопува во брава. Ако еден подлога совршено се врзе за своето активно место, интеракциите меѓу нив ќе бидат најсилни, што резултира со висока каталитичка ефикасност.
Со текот на времето, истражувачите откриле ограничувања на овој модел. На пример, конкурентниот ензимски инхибитор метилглукозид може цврсто да се врзе за активното место на 4-алфа-глуканотрансферазата и совршено се вклопува во неа. Сепак, 4-алфа-глуканотрансферазата не е активна на метилглукозидот и не се случува гликозилен трансфер. Освен компетитивната инхибиција, оваа теорија не може да го објасни ниту механизмот на дејство на неконкурентните инхибитори, бидејќи тие не се врзуваат за активното место, но сепак влијаат на каталитичката активност.
1.2 Хипотеза за индуцирано вклопување
Теоријата на Даниел Кошланд за формирање ензим-супстрат комплекс е дека активното место и делот за врзување на супстратот не се сосема комплементарни. Моделот на индуцирано вклопување е подобрување на моделот на брава и клуч и претпоставува дека активното место е флексибилно и ја менува формата сè додека супстратот не се врзе целосно. Овој модел е сличен на лице кое носи ракавица: ракавицата ја менува формата за да одговара на раката. Ензимот првично има конформација што го привлекува неговиот супстрат. Површината на ензимот е флексибилна и само точниот катализатор може да предизвика интеракција што доведува до катализа. Потоа може да се појават конформациски промени како што се врзува супстратот. По реакцијата, производите ќе се оддалечат од ензимот и активното место ќе се врати во својата почетна форма. Оваа хипотеза е поткрепена со набљудувањето дека целиот протеински домен може да се помести неколку нанометри за време на катализата. Ова движење на површината на протеинот може да создаде микросредини кои ја фаворизираат катализата.
1.3 Хипотеза за конформациска селекција
Овој модел сугерира дека ензимите постојат во различни конформации, од кои само некои се способни да се врзат за супстрат. Кога супстратот е врзан за протеинот, рамнотежата во конформациската формација се поместува кон оние кои се способни да врзат лиганди.
2 Каталитичко место
Откако супстратот ќе се врзе и ќе се ориентира кон активното место, може да започне катализата. Функционалните групи од каталитичкото место обично се многу блиску до местото на врзување, а некои групи можат да имаат двојна улога и во врзувањето и во катализата.
Функционалните групи од каталитичкото место кои реагираат со супстратот ја намалуваат енергијата на активација на реакцијата и со тоа ја забрзуваат. Тие го прават ова преку голем број различни механизми, вклучувајќи ја апроксимацијата на реактантите, нуклеофилна/електрофилна катализа и киселинско-базна катализа.
3 Механизми вклучени во каталитичкиот процес
3.1 Приближна вредност на реактантот
За време на ензимската каталитичка реакција, супстратот и активното место се спојуваат во непосредна близина. Овој начин на врзување има различни цели. Кога супстратите се врзуваат во активното место, нивната ефективна концентрација значително се зголемува отколку кога се во растворена состојба. Ова укажува дека бројот на молекули на супстратот вклучени во реакцијата е исто така зголемен. Овој процес ја намалува енергијата на десолвација потребна за да се случи реакцијата. Во раствор молекулите на супстратот се опкружени со молекули на растворувачот и енергијата е потребна за молекулите на ензимот да ги заменат и да стапат во контакт со супстратот. Бидејќи молекулите во големи количини можат да се исклучат од активното место, овој излез на енергија може да се минимизира. Потоа, активното место е дизајнирано да ја преориентира супстратот за да се намали енергијата на активација за да се случи реакцијата. Порамнувањето на супстратот, по врзувањето, е заклучено во состојба со висока енергија и може да се продолжи кон следниот чекор. Покрај тоа, ова врзување е фаворизирано од ентропијата бидејќи трошоците за енергија поврзани со реакцијата во растворот се во голема мера елиминирани бидејќи растворувачот не може да влезе во активното место. На крајот, активното место може да ја манипулира молекуларната орбитала на супстратот во соодветна ориентација за да ја намали енергијата на активација.
3.2 Ковалентна катализа
Многу ензими, вклучувајќи ги серин протеазата, цистеин протеазата, протеин киназата и фосфатазата, еволуирале за да формираат минливи ковалентни врски меѓу нив и нивните супстрати за да ја намалат енергијата на активација и да овозможат реакцијата да се случи. Овој процес може да се подели на 2 чекори: формирање и разградување. Првиот чекор е чекор на ограничување на брзината, додека вториот чекор е потребен за регенерирање на интактен ензим.
Нуклеофилна катализа: Овој процес вклучува донирање на електрони од нуклеофилот на ензимот на супстрат за да се формира ковалентна врска меѓу нив за време на преодната состојба. Јачината на оваа интеракција зависи од два аспекта: способноста на нуклеофилната група да донира електрони и способноста на електрофилот да ги прифати. Првата е главно под влијание на базичноста (способноста да донира електронски парови) на видот, додека втората е во однос на неговиот ''pKa''<sub>.</sub> Двете групи се исто така под влијание на нивните хемиски својства како што се поларизација, електронегативност и јонизирачки потенцијал. Аминокиселините што можат да формираат нуклеофил вклучуваат серин, цистеин, аспартат и глутамин
Електрофилна катализа: Механизмот зад овој процес е потполно ист како и нуклеофилната катализа, освен што сега аминокиселините во активното место дејствуваат како електрофили, додека супстратите се нуклеофили. Оваа реакција обично бара кофактори бидејќи страничните групи на аминокиселините не се доволно силни за привлекување електрони.
3.3 Метални јони
Металните јони имаат повеќекратни улоги за време на реакцијата. Прво, тие можат да се врзат за негативно наелектризирани групи на супстратот, така што тие нема да ги одбиваат електронските парови од нуклеофилните групи на активното место. Може да привлечат негативно наелектризирани електрони за да ја зголеми електрофилноста. Исто така, можат да создаде мост помеѓу активното место и супстратот или да ја променат конформациската структура на супстратот за да ја поттикнат реакцијата.
3.4 Киселинско-базна катализа
Во некои реакции, протоните и хидроксидните јони можат директно да дејствуваат како киселина и база во однос на специфична киселинска и специфична базна катализа. Но, почесто групите во подлогата и активното место дејствуваат како Бренстед-Лориева киселина и база. Најлесниот начин да се направи разлика меѓу нив е да се провери дали брзината на реакцијата е одредена од концентрациите на општата киселина и база. Ако одговорот е да, тогаш реакцијата е од општ тип. Бидејќи повеќето ензими имаат оптимална pH вредност од 6 до 7, аминокиселините во страничниот ланец обично имаат ''pKa'' од 4~10. Кандидати вклучуваат аспартат, глутамат, хистидин, цистеин. Овие киселини и бази можат да го стабилизираат нуклеофилот или електрофилот формиран за време на катализата со обезбедување позитивни и негативни полнежи.
3.5 Конформациска дисторзија
Квантитативните студии на ензимските реакции честопати откриваат дека забрзувањето на брзината на хемиските реакции не може целосно да се објасни со постојните теории како што се апроксимацијата, киселинско-базната катализа и електрофилната/нуклеофилната катализа. И постои очигледен парадокс: кај реверзибилната ензимска реакција, ако активното место совршено се вклопува во подлогите, тогаш обратната реакција ќе биде забавена бидејќи производите не можат совршено да се вклопат во активното место. Така била основана теоријата на конформациска дисторзија и се тврди дека и активното место и подлогата можат да претрпат конформациски промени за да се вклопуваат едни со други цело време.
4 Примери за механизми на ензимска катализа
Повеќето ензимски механизми вклучуваат комбинација од неколку различни видови на катализа.
4.1 Глутатион редуктаза
Улогата на глутатионот (GSH) е да ги отстрани акумулираните реактивни кислородни радикали кои можат да ги оштетат клетките. За време на овој процес, неговиот тиолски страничен ланец се оксидира и две молекули на глутатион се поврзуваат со дисулфидна врска формирајќи димер (GSSG). За да се регенерира глутатионот, дисулфидната врска мора да се раскине. Во човечките клетки, овој процес е регулиран од глутатион редуктазата (GR).
Глутатион редуктазата е димер кој содржи две идентични под-единици. Потребни се еден NADP и еден FAD како кофактори. Активното место се наоѓа во врската помеѓу двете под-единици. NADPH е вклучен во генерирањето на FADH-. На активното место, покрај FAD кофакторот, постојат два цистеински остатоци и се користат за раскинување на дисулфидната врска за време на каталитичката реакција. NADPH е врзан за три позитивно наелектризирани остатоци: Arg-218, His-219 и Arg-224.
Каталитичкиот процес започнува кога FAD се редуцира со NADPH за да прифати еден електрон и формира FADH<sup>−.</sup> Потоа ја напаѓа дисулфидната врска формирана помеѓу 2 цистеински остатоци, формирајќи една SH врска и една S- група. Оваа S- група ќе дејствува како нуклеофил за да ја нападне дисулфидната врска во оксидираниот глутатион (GSSG), раскинувајќи го и формирајќи комплекс цистеин-SG. Првиот SG- анјон се ослободува, а потоа прима еден протон од соседната SH група и од првиот глутатион мономер. Потоа, соседната S- група ја напаѓа дисулфидната врска во комплексот цистеин-SG и го ослободува вториот S- анјон. Прима еден протон во раствор и го формира вториот глутатион мономер.
5 Кофактори
Ензимите можат да користат кофактори како „помошни молекули“. Коензимите се нарекуваат оние непротеински молекули кои се врзуваат со ензимите за да им помогнат да ја исполнат својата функција. Најчесто тие се поврзани со активното место преку нековалентни врски како што се водородна врска или хидрофобна интеракција. Но, понекогаш може да се формира и ковалентна врска меѓу нив. На пример, хемот во цитохром Ц е врзан за протеинот преку тиоестерска врска. Во некои случаи, коензимите можат да ги напуштат ензимите откако ќе заврши реакцијата. Инаку, тие трајно се врзуваат за ензимот. Коензим е широк концепт кој вклучува метални јони, разни витамини и АТП. Ако на еден ензим му е потребен коензим за да работи, тој се нарекува апоензим. Всушност, самиот тој не може правилно да катализира реакции. Само кога неговиот кофактор ќе влезе и ќе се врзе за активното место за да формира холоензим, тој работи правилно.
Еден пример за коензим е флавинот. Тој содржи посебен конјугиран изоалоксазински прстенест систем. Флавинот има повеќе редокс состојби и може да се користи во процеси што вклучуваат пренос на еден или два електрона. Може да дејствува како акцептор на електрони во реакција, како што е оксидацијата на NAD во NADH, за да прифати два електрони и да формира 1,5-дихидрофлавин. Од друга страна, може да формира семихинон (слободен радикал) со прифаќање на еден електрон, а потоа да се претвори во целосно редуцирана форма со додавање на дополнителен електрон. Ова својство му овозможува да се користи во процес на оксидација со еден електрон.