אנזימים - זרזים ביולוגיים
החלבונים שמאפשרים לחיים להתנהל
למה צריך אנזימים?
מהו אנזים?
אנזים הוא חלבון שמשמש כזרז ביולוגי - מאיץ תגובות כימיות בגוף מבלי להשתנות בעצמו.
ללא אנזימים, התגובות הכימיות בגוף היו איטיות מדי לקיום חיים.
אנזים מוריד את אנרגיית השפעול הנדרשת לתגובה.
כל אנזים ספציפי - הוא מזרז רק תגובה אחת או סוג אחד של תגובות.
האנזים לא נצרך בתגובה - הוא חוזר ומשמש שוב ושוב.
החומר שהאנזים פועל עליו נקרא סובסטרט.
סובסטרט + אנזים ← תוצרים + אנזים
אנזימים מאפשרים לתגובות כימיות להתרחש מהר מספיק לקיום חיים, בטמפרטורת הגוף.
מודל מפתח-מנעול
כל אנזים מכיל אתר פעיל - שקע בצורה מיוחדת שרק הסובסטרט הספציפי מתאים אליו, כמו מפתח שמתאים למנעול אחד בלבד.
אתר פעיל - לפני ואחרי
לפני התגובה
הסובסטרט ניגש לאתר הפעיל של האנזים.
הצורה תואמת בדיוק.
נוצר 'קומפלקס אנזים-סובסטרט'.
דוגמה: כמו מפתח שנכנס למנעול
אחרי התגובה
הסובסטרט הופך לתוצרים.
התוצרים משתחררים.
האנזים חוזר למצבו המקורי ומוכן לתגובה הבאה.
דוגמה: הדלת נפתחה, המפתח חופשי שוב
←←
←
גורמים המשפיעים על פעילות אנזימים
טמפרטורה
בטמפרטורה נמוכה: פעילות איטית.
באופטימום (37 מעלות באדם): פעילות מקסימלית.
בטמפרטורה גבוהה: דנטורציה - האנזים מאבד את צורתו ומפסיק לפעול. לא הפיך!
pH
לכל אנזים pH אופטימלי.
פפסין (קיבה): pH 2 (חומצי).
עמילאז (פה): pH 7 (ניטרלי).
טריפסין (מעי): pH 8 (בסיסי).
pH קיצוני ← דנטורציה.
דנטורציה = שינוי בצורת החלבון (האנזים) עקב חום קיצוני או pH קיצוני. האתר הפעיל מאבד את צורתו והסובסטרט לא יכול להתחבר. התהליך בדרך כלל בלתי הפיך - כמו ביצה מבושלת שלא חוזרת להיות גולמית.
אנזימים בגוף שלנו
אנזימים שפועלים בגוף
עמילאז (ברוק)
מפרק עמילן לסוכרים פשוטים. נסו ללעוס לחם לאט - תרגישו טעם מתוק! זה העמילאז בפעולה.
פפסין (בקיבה)
מפרק חלבונים. פעיל ב-pH 2 (חומצי מאוד). לכן הקיבה מפרישה חומצת מלח.
ליפאז (במעי)
מפרק שומנים לחומצות שומן וגליצרול. עובד יחד עם מרה שמפרקת שומנים לטיפות קטנות.
קטלאז (בכל תא)
מפרק מי חמצן (H2O2) רעילים למים וחמצן. אחד האנזימים המהירים ביותר - מפרק מיליוני מולקולות בשנייה!
סימולציה: פעילות אנזימים
השתמשו בסימולציה הבאה כדי לראות בזמן אמת איך טמפרטורה ו-pH משפיעים על פעילות אנזימים שונים. גררו את המחוונים וצפו מה קורה לפעילות כשאתם יוצאים מהאופטימום - ובעיקר מה קורה בדנטורציה!
הידעתם?
האנזים קטלאז שנמצא בכל תא בגופכם הוא אחד האנזימים המהירים ביותר בטבע. הוא מסוגל לפרק 40 מיליון מולקולות של מי חמצן (H2O2) רעילים בשנייה אחת! כדי לראות אותו בפעולה, שפכו מי חמצן על פרוסת תפוח אדמה וצפו בבועות החמצן שמשתחררות.
אנזימים ותעשייה
אנזימים לא עובדים רק בגוף - הם נמצאים גם בחיי היומיום שלנו. אבקת כביסה מכילה אנזימים (פרוטאזות וליפאזות) שמפרקים כתמי חלבון ושומן. גבינה מיוצרת בעזרת רנין - אנזים שגורם לחלבוני החלב להיקרש. ולחם תופח בזכות אנזימים בשמרים שמפרקים סוכרים ומשחררים CO2.
אנזימים וה-pH האופטימלי שלהם
| אנזים | מקום פעולה | pH אופטימלי | סובסטרט |
|---|---|---|---|
| עמילאז | פה (רוק) | 7 (ניטרלי) | עמילן ← מלטוז |
| פפסין | קיבה | 2 (חומצי מאוד) | חלבונים |
| טריפסין | מעי דק | 8 (בסיסי) | חלבונים |
| ליפאז | מעי דק | 8 (בסיסי) | שומנים |
| קטלאז | כל תא | 7 (ניטרלי) | H2O2 ← H2O + O2 |
* שימו לב: כל אנזים מותאם ל-pH של הסביבה שבה הוא פועל!
ניסוי ביתי - עמילאז בפעולה
קחו פרוסת לחם לבן ולעסו אותה לאט במשך דקה-שתיים. שימו לב שהטעם הופך ממלוח/סתמי למתוק. העמילאז ברוק מפרק את העמילן (פולימר) למלטוז (סוכר) - ואתם מרגישים את זה!
שאלה לחשיבה
עמילאז הוא אנזים שמפרק עמילן. הוא פעיל בפה (pH 7) אבל מפסיק לפעול בקיבה (pH 2). מדוע?
ה-pH הנמוך בקיבה גורם לדנטורציה של העמילאז - שינוי בצורת החלבון שמשנה את האתר הפעיל. הסובסטרט (עמילן) לא יכול להתחבר לאתר שאיבד את צורתו. בקיבה פועלים אנזימים אחרים (פפסין) שמותאמים ל-pH חומצי.
שאלה לחשיבה
אם אנזימים הם חלבונים, ודנטורציה הורסת חלבונים, מה קורה כשיש לנו חום גבוה (חום גוף 40 מעלות)?
בחום 40 מעלות, חלק מהאנזימים מתחילים לאבד את צורתם ולפעול פחות טוב. לכן חום גבוה מסוכן - הוא פוגע בתפקוד האנזימים ובתגובות הכימיות בגוף. זו הסיבה שחום גבוה ממושך (מעל 41 מעלות) עלול לסכן חיים.
שאלה לחשיבה
מדוע ירקות ופירות נשמרים יותר זמן במקרר?
בטמפרטורה נמוכה, האנזימים פועלים לאט יותר. הנשימה התאית של הפירות איטית, ואנזימי הריקבון של חיידקים גם מואטים. לכן תהליכי הפירוק איטיים והמזון נשמר זמן רב יותר. זו הסיבה שגם מפעלי מזון משתמשים בקירור.
תרופות רבות פועלות על ידי עיכוב אנזימים. מעכב הוא מולקולה שנכנסת לאתר הפעיל (או משנה את צורתו) ומונעת מהסובסטרט להתחבר.
דוגמה: אספירין מעכב את האנזים COX שמייצר פרוסטגלנדינים (מולקולות שגורמות לכאב ודלקת). כשהאנזים מעוכב, פחות פרוסטגלנדינים מיוצרים ← פחות כאב.
דוגמה נוספת: אנטיביוטיקה כמו פניצילין מעכבת אנזימים שבונים את דופן התא של חיידקים. ללא דופן תא, החיידק מת.
רעלים כעיכוב אנזימים: רעל עצבים (כמו גז Sarin) מעכב את האנזים AChE שמפרק אצטילכולין בסינפסה. התוצאה: שרירים מתכווצים ללא הפסקה ← שיתוק נשימה.
במעיינות חמים (80-100 מעלות) חיים ארכיאובקטריה - חיידקים קדומים עם אנזימים מיוחדים שעמידים בחום קיצוני. האנזים Taq פולימראז שבודד מהחיידק Thermus aquaticus (שחי במעיין חם) הוא הבסיס לטכנולוגיית PCR - שכפול DNA במעבדה. בלעדיו, לא הייתה אפשרות לבדיקות COVID, לזיהוי פלילי גנטי, או להנדסה גנטית מודרנית.