تمثل المهمة الأساسية للبروتينات في العمل كأنزيمات– المحفزات التي تزيد من معدل جميع التفاعلات الكيميائية تقريبًا داخل الخلايا، على الرغم من أن (RNAs) قادرة على تحفيز بعض التفاعلات، يتم تحفيز معظم التفاعلات البيولوجية بواسطة البروتينات.
الإنزيمات والبروتينات
بالإضافة إلى ربط ركائزها، فإن المواقع النشطة للعديد من الإنزيمات تربط الجزيئات الصغيرة الأخرى التي تشارك في التحفيز، وتكون المجموعات التعويضية هي جزيئات صغيرة مرتبطة بالبروتينات تلعب فيها أدوارًا وظيفية حاسمة، وعلى سبيل المثال، يرتبط الأكسجين الذي يحمله الميوغلوبين والهيموغلوبين بالهيم، وهي مجموعة صناعية من هذه البروتينات، وفي كثير من الحالات، ترتبط أيونات المعادن (مثل الزنك أو الحديد) بالإنزيمات وتلعب دورًا مركزيًا في العملية التحفيزية.
بالإضافة إلى ذلك، تشارك العديد من الجزيئات العضوية منخفضة الوزن الجزيئي في أنواع محددة من التفاعلات الأنزيمية، وتسمى هذه الجزيئات بالإنزيمات المساعدة؛ لأنها تعمل مع الإنزيمات لتحسين معدلات التفاعل، وعلى عكس الركائز، لا يتم تغيير الإنزيمات المساعدة بشكل نهائي، ولكن من خلال ردود الفعل التي تشارك فيها، بل يتم إعادة تدويرها ويمكن أن تشارك في تفاعلات إنزيمية متعددة.
وظيفة الإنزيمات
في غياب التحفيز الإنزيمي، تكون معظم التفاعلات الكيميائية الحيوية بطيئة جدًا لدرجة أنها لن تحدث في ظل ظروف درجة الحرارة والضغط المعتدلة المتوافقة مع الحياة، وتعمل الإنزيمات على تسريع معدلات مثل هذه التفاعلات بأكثر من مليون ضعف، لذا يمكن أن تحدث التفاعلات، والتي قد تستغرق سنوات في غياب الحفز في أجزاء من الثواني إذا تم تحفيزها بواسطة الإنزيم المناسب، وتحتوي الخلايا على آلاف الإنزيمات المختلفة، وتحدد أنشطتها أي تفاعلات كيميائية من بين العديد من التفاعلات الكيميائية المحتملة تحدث بالفعل داخل الخلية.
آليات التحفيز الإنزيمي
يعتبر ارتباط الركيزة بالموقع النشط للإنزيم تفاعلًا محددًا للغاية المواقع النشطة عبارة عن شقوق أو أخاديد على سطح الإنزيم، وتتكون عادةً من أحماض أمينية من أجزاء مختلفة من سلسلة البولي ببتيد التي يتم تجميعها معًا في البنية الثلاثية للبروتين المطوي.
وترتبط الركائز في البداية بالموقع النشط عن طريق التفاعلات غير التساهمية، وبما في ذلك الروابط الهيدروجينية والروابط الأيونية، والتفاعلات الكارهة للماء وبمجرد ارتباط الركيزة بالموقع النشط للإنزيم، يمكن لآليات متعددة تسريع تحويلها إلى ناتج التفاعل.
فإن معظم التفاعلات الكيميائية الحيوية تتضمن تفاعلات بين ركيزتين مختلفتين أو أكثر، على سبيل المثال، يتضمن تكوين رابطة الببتيد ضم اثنين من الأحماض الأمينية، ولمثل هذه التفاعلات، يؤدي ربط ركائزتين أو أكثر بالموقع النشط في الموضع والاتجاه المناسبين إلى تسريع التفاعل، ويوفر الإنزيم نموذجًا يتم من خلاله تجميع المواد المتفاعلة معًا وتوجيهها بشكل صحيح لصالح تشكيل حالة الانتقال التي تتفاعل فيها، وتعمل الإنزيمات على تسريع التفاعلات أيضًا عن طريق تغيير شكل ركائزها لتقترب من حالة الانتقال.
إن أبسط نموذج لتفاعل الإنزيم مع الركيزة هو نموذج القفل والمفتاح، حيث تتناسب الركيزة بدقة مع الموقع النشط، ومع ذلك في كثير من الحالات، يتم تعديل تكوينات كل من الإنزيم والركيزة عن طريق ربط الركيزة؛ وهي عملية تسمى الملائمة المستحثة، وفي مثل هذه الحالات، يتم تغيير شكل الركيزة بحيث تشبه إلى حد كبير حالة الانتقال.
ويمكن أن يؤدي الإجهاد الناتج عن مثل هذا التشويه للركيزة إلى تسهيل تحويلها إلى حالة انتقالية عن طريق إضعاف الروابط الحرجة، وعلاوة على ذلك، يتم تثبيت حالة الانتقال من خلال ارتباطها المحكم بالإنزيم، وبالتالي تقليل الطاقة المطلوبة للتنشيط.
تنظيم نشاط الإنزيم
من السمات المهمة لمعظم الإنزيمات أن أنشطتها ليست ثابتة، ولكن يمكن تعديلها بدلاً من ذلك، وبمعنى أنه يمكن تنظيم أنشطة الإنزيمات بحيث تعمل بشكل مناسب لتلبية الاحتياجات الفسيولوجية المتنوعة التي قد تنشأ أثناء حياة الخلية، وأحد الأنواع الشائعة لتنظيم الإنزيم هو تثبيط التغذية المرتدة، حيث يثبط ناتج المسار الأيضي نشاط الإنزيم المتضمن في تركيبه.
وعلى سبيل المثال، يتم تصنيع الأحماض الأمينية آيسولوسين بسلسلة من التفاعلات تبدأ من الحمض الأميني ثريونين، ويتم تحفيز الخطوة الأولى في المسار بواسطة إنزيم (threonine deaminase)، الذي يثبطه (isoleucine)، المنتج النهائي للمسار.
وهكذا، فإن كمية كافية من الإيزولوسين في الخلية تمنع ثريونين ديميناز، مما يمنع المزيد من تخليق الأيزولوسين، وإذا انخفض تركيز الأيزولوسين، يتم تثبيط التغذية الراجعة لم يعد يتم تثبيط ثريونين ديميناز، ويتم تصنيع إيسولوسين إضافي، ومن خلال تنظيم نشاط ثريونين ديميناز، تقوم الخلية بتجميع الكمية الضرورية من إيزولوسين، ولكنها تتجنب إهدار الطاقة على تخليق المزيد من الأيزولوسين أكثر مما هو مطلوب.
ويمكننا القول بأنه يعد الإنزيم نوعًا معينًا من البروتين يؤدي وظيفة محددة جدًا، وتعمل الإنزيمات على تنظيم التفاعلات الكيميائية الحيوية في الكائنات الحية، وبهذا المعنى، فهي تعمل فقط كبروتين وظيفي، بينما يمكن أن يكون البروتين وظيفيًا أو هيكليًا، ويمكن أن يكون للبروتين وظائف متعددة، بما في ذلك على سبيل المثال لا الحصر تحفيز الإنزيم، والدفاع، والنقل، والتخزين، والدعم.
