enzimi

definicija

Enzimi su proteini proizvedeni u biljnim i životinjskim stanicama, koji djeluju kao katalizatori ubrzavanjem bioloških reakcija bez promjene.

Enzimi djeluju kombinirajući se s određenom tvari kako bi je pretvorili u drugu tvar; klasični primjeri daju probavni enzimi prisutni u slini, u želucu, gušterači i tankom crijevu, koji obavljaju bitnu funkciju u probavi i pomažu razgraditi hranu u osnovne sastojke, koje tijelo tada može apsorbirati i koristiti u tijelu obrađivati ​​drugim enzimima ili protjerivati ​​kao otpad.

Svaki enzim ima specifičnu ulogu: onaj koji razgrađuje masti, na primjer, ne utječe na proteine ​​ili ugljikohidrate. Enzimi su neophodni za dobrobit organizma. Nedostatak, čak i jedan enzim, može uzrokovati ozbiljne poremećaje. Dobro poznat primjer je fenilketonurija (PKU), bolest koju karakterizira nemogućnost metaboliziranja esencijalne aminokiseline, fenilalanina, čije nakupljanje može uzrokovati fizičke deformacije i mentalne bolesti.

Biokemijska analiza

Enzimi su posebni proteini koji imaju svojstvo bioloških katalizatora, tj. Imaju sposobnost smanjiti aktivacijsku energiju (Eatt) reakcije, mijenjajući svoj put kako bi se kinetički spor proces pojavio brže.

Enzimi povećavaju kinetiku termodinamički mogućih reakcija i, za razliku od katalizatora, su manje ili više specifični: stoga posjeduju supstratnu specifičnost.

Enzim nije uključen u stehiometriju reakcije: da bi se to dogodilo, bitno je da je krajnje katalitičko mjesto identično početnom.

U katalitičkom djelovanju gotovo uvijek postoji spora faza koja određuje brzinu procesa.

Kada govorimo o enzimima nije ispravno govoriti o ravnotežnim reakcijama, govorimo umjesto o ustaljenom stanju (stanje u kojem se određeni metabolit stvara i konzumira kontinuirano, održavajući njegovu konstantnu koncentraciju tijekom vremena). Produkt reakcije katalizirane enzimom je obično sam reaktant za kasniju reakciju, kataliziranu drugim enzimom, i tako dalje.

Enzimski katalizirani procesi obično se sastoje od sekvenci reakcija.

Generička reakcija koja je katalizirana enzimom (E) može se stoga shematizirati:

Generički enzim (E) se kombinira sa supstratom (S) da formira adukt (ES) sa konstantom brzine K1; može se ponovno razdvojiti u E + S, s konstantom brzine K2, ili, (ako je "dovoljno dugo živ") može nastaviti s oblikom P s konstantom brzine K3.

Produkt (P) može se zatim rekombinirati s enzimom i reformirati adukt sa konstantom brzine K4.

Kada se enzim i supstrat miješaju, postoji dio vremena u kojem se susret između dvije vrste još nije dogodio: to jest, postoji ekstremno kratak vremenski interval (koji ovisi o reakciji) u kojem enzim i supstrat još nisu ispunjeni; nakon tog perioda, enzim i supstrat dolaze u kontakt u povećanim količinama i nastaje ES adukt. Nakon toga enzim djeluje na supstrat i proizvod se oslobađa. Tada se može reći da postoji početni vremenski interval u kojem nije moguće odrediti koncentraciju ES adukta; nakon tog perioda, pretpostavlja se da je uspostavljeno ravnotežno stanje, tj. brzina procesa koji vode do adukta jednaka je brzini procesa koji dovode do uništenja adukta.

Michaelis-Mentenova konstanta (KM) je konstanta ravnoteže (koja se odnosi na gore opisanu prvu ravnotežu); možemo reći, uz dobru aproksimaciju (jer bi također trebalo uzeti u obzir K3) da je KM predstavljen omjerom između kinetičkih konstanti K2 i K1 (koje se odnose na uništavanje i formiranje adukta ES u gore opisanoj prvoj ravnoteži).

Kroz Michaelis-Mentenovu konstantu imamo pokazatelj afiniteta između enzima i supstrata: ako je KM mali, postoji visok afinitet između enzima i supstrata, tako da je ES adukt stabilan.

Enzimi su podložni regulaciji (ili modulaciji).

U prošlosti se govorilo prije svega o negativnoj modulaciji, koja je inhibicija katalitičkih kapaciteta enzima, ali se također može imati pozitivnu modulaciju, tj. Postoje vrste koje mogu povećati katalitičke kapacitete enzima.

Postoje 4 tipa inhibicija (dobivenih iz aproksimacija napravljenih na modelu kako bi se usporedili eksperimentalni podaci s matematičkim jednadžbama):

• kompetitivna inhibicija
• nekonkurentna inhibicija
• Nekompetitivna inhibicija
• kompetitivna inhibicija

Razgovara se o kompetitivnoj inhibiciji kada se molekula (inhibitor) može natjecati s supstratom. Zbog strukturne sličnosti, inhibitor može reagirati umjesto supstrata; odatle dolazi izraz "kompetitivna inhibicija". Vjerojatnost da se enzim veže na inhibitor ili supstrat ovisi o koncentraciji oba i njihovom afinitetu s enzimom; brzina reakcije ovisi o tim faktorima.

Da bi se dobila ista brzina reakcije koja bi se odvijala bez prisutnosti inhibitora, potrebno je imati veću koncentraciju supstrata.

Pokazano je eksperimentalno da se, u prisutnosti inhibitora, Michaelis-Menten konstanta povećava.

Što se tiče, umjesto toga, nekonkurentna inhibicija, interakcija između molekule koja bi trebala raditi kao modulator (pozitivni ili negativni inhibitor) i enzima, pojavljuje se na mjestu koje je različito od onog u kojem je interakcija između enzima i supstrata; stoga govorimo o alosteričnoj modulaciji (od grčkog allosterosa → drugog mjesta).

Ako se inhibitor veže za enzim, on može inducirati modifikaciju strukture enzima i, prema tome, može smanjiti učinkovitost s kojom se supstrat veže na enzim.

U ovom tipu procesa, Michaelis-Menten konstanta ostaje konstantna jer ova vrijednost ovisi o ravnoteži između enzima i supstrata, a te ravnoteže, čak iu prisutnosti inhibitora, ne mijenjaju se.

Fenomen nesposobne inhibicije je rijedak; tipični nesposobni inhibitor je tvar koja se reverzibilno veže na ES adukt, što dovodi do ESI:

Inhibicija viška supstrata ponekad može biti nekompetentnog tipa, jer se to događa kada se druga molekula supstrata veže na ES kompleks, što dovodi do ESS kompleksa.

Suprotan inhibitor, s druge strane, može se vezati samo na adukt enzima supstrata kao u prethodnom slučaju: vezanje supstrata na slobodni enzim inducira konformacijsku modifikaciju koja čini mjesto pristupačnim inhibitoru.

Michaelis Menten konstanta se smanjuje s povećanjem koncentracije inhibitora: očigledno se stoga povećava afinitet enzima prema supstratu.

Serinske proteaze

Oni su obitelj enzima kojima pripadaju kimotripsin i tripsin.

Kimotripsin je proteolitički i hidrolitički enzim koji siječe hidrofobne i aromatske aminokiseline udesno.

Produkt gena koji kodira za kimotripsin nije aktivan (aktivira se naredbom); neaktivni oblik kimotripsina je predstavljen polipeptidnim lancem od 245 aminokiselina. Kimotripsin ima globularni oblik zbog pet disulfidnih mostova i drugih manjih interakcija (elektrostatički, Van der Waalsove sile, vodikove veze, itd.).

Kimotripsin proizvode kimatske stanice gušterače gdje se nalazi u posebnim membranama i protječe kroz kanal gušterače u crijevo, u vrijeme probave hrane: kimotripsin je zapravo probavni enzim. Proteini i hranjive tvari koje unosimo kroz prehranu podvrgavamo probavi kako bismo ih sveli na manje lance i apsorbirali i pretvorili u energiju (npr. Amilaze i proteaze razdvajaju hranjive tvari u glukozu i aminokiseline koje dosežu stanice, kroz krvne žile dopiru do portalne vene i odatle se prenose u jetru gdje se podvrgavaju daljnjem liječenju).

Enzimi se proizvode u neaktivnom obliku i aktiviraju se samo kada dođu do "mjesta na kojem moraju raditi"; kada je njihova akcija gotova, one se deaktiviraju. Enzim, kada se deaktivira, ne može se reaktivirati: da bi se postiglo dodatno katalitičko djelovanje, on se mora zamijeniti drugom molekulom enzima. Ako su chimitripsina već proizvedeni u aktivnom obliku u gušterači, ona bi napala potonje: pankreatitis su patologije zbog probavnih enzima koji su već aktivirani u gušterači (a ne na traženim mjestima); neki od njih, ako ih se ne liječi na vrijeme, dovode do smrti.

U kimotripsinu i svim serinskim proteazama, katalitičko djelovanje je zbog postojanja alkolatnog aniona (-CH20-) u bočnom lancu serina.

Serinske proteaze uzimaju to ime upravo zato što je njihovo katalitičko djelovanje rezultat serina.

Nakon što je cijeli enzim izvršio svoje djelovanje, prije nego što može ponovno raditi na supstratu, mora se obnoviti s vodom; "oslobađanje" serina od vode je najsporija faza u procesu, i upravo ta faza određuje brzinu katalize.

Katalitičko djelovanje se odvija u dvije faze:

• formiranje aniona s katalitičkim svojstvima (alkolatni anion) i kasniji nukleofilni napad na karbonilni ugljik (C = O) s cijepanjem peptidne veze i nastajanja estera;
• napad vode s oporavkom katalizatora (sposoban, tako da ponovno izvrši katalitičko djelovanje).

Različiti enzimi koji pripadaju obitelji serinskih proteaza mogu biti sastavljeni od različitih aminokiselina, ali za sve, katalitičko mjesto je predstavljeno alkolatnim anionom bočnog lanca serina.

Podfamilija serinskih proteaza je ona enzima uključenih u koagulaciju (koja se sastoji od transformacije proteina, od njihovog neaktivnog oblika do drugog aktivnog oblika). Ovi enzimi osiguravaju da je koagulacija što učinkovitija i ograničena u prostoru i vremenu (koagulacija se mora dogoditi brzo i mora se pojaviti samo u blizini oštećenog područja). Enzimi uključeni u koagulaciju aktiviraju se u kaskadi (od aktivacije jednog enzima dobivaju se milijarde enzima: svaki aktivirani enzim, zauzvrat aktivira mnoge druge enzime).

Tromboza je bolest zbog neispravnosti enzima koagulacije: uzrokovana je aktivacijom, bez potrebe (jer nema lezije), enzima koji se koriste u koagulaciji.

Postoje drugi modulatorni enzimi (regulatori) i inhibitorni enzimi za druge enzime: interakcijom s potonjim oni reguliraju ili inhibiraju njihovu aktivnost; čak i produkt enzima može biti inhibitor enzima. Postoje i enzimi koji djeluju što više, veći je supstrat prisutan.

lizozim

Luigi Pasteur je slučajno otkrio kihanje na petrijevoj zdjelici, da u sluzi postoji enzim koji može ubijati bakterije: lizozim ; od grčkog: liso = što smanjuje; zimo = enzim.

Lizozim može razbiti staničnu stijenku bakterija. Za bakterije i općenito za jednostanične organizme potrebne su mehanički otporne strukture koje ograničavaju njihov oblik; unutar bakterija postoji vrlo visok osmotski tlak pa privlače vodu. Plazma membrana bi eksplodirala ako ne bi bilo stanične stijenke koja bi se suprotstavila ulasku vode i ograničila volumen bakterije.

Stanična stijenka sastoji se od polisaharidnog lanca u kojem se izmjenjuju N-acetil-glukozamin (NAG) molekule i N-acetil-muraminske kiseline (NAM); veza između NAG i NAM raspada se hidrolizom. NAM karboksilna skupina u staničnoj stijenci je uključena u peptidnu vezu s aminokiselinom.

Između različitih lanaca formiraju se mostovi koji se sastoje od pseudo-peptidnih veza: grananje nastaje zbog molekule lizina; struktura u cjelini vrlo je razgranata i to joj daje visoku stabilnost.

Lizozim je antibiotik (ubija bakterije): djeluje stvaranjem pukotine u bakterijskom zidu; kada je ova struktura slomljena (koja je mehanički otporna), bakterija privlači vodu dok ne rasprsne. Lizozim može razbiti b-1, 4 glukozidnu vezu između NAM i NAG.

Katalitičko mjesto lizozima predstavljeno je utorom koji se proteže duž enzima u koji je umetnut polisaharidni lanac: šest glukozidnih prstenova lanca, nalaze svoje mjesto u žlijebu.

U položaju tri utora nalazi se usko grlo: u tom položaju može se postaviti samo jedan NAG, jer NAM, koji je veći, ne može ući. Stvarno katalitičko mjesto nalazi se između četiri i pet pozicija: postojanje NAG-a u položaju tri, rez će se odvijati između NAM-a i NAG-a (a ne obrnuto); stoga je rez specifičan.

Optimalni pH za funkcioniranje lizozima je pet. U katalitičkom mjestu enzima, koji je između položaja četiri i pet, postoje bočni lanci asparaginske kiseline i glutaminske kiseline.

Stupanj homologije : mjeri odnos (tj. Sličnost) između proteinskih struktura.

Postoji stroga veza između lizozima i laktoza-sintetaze.

Sintaza laktoze sintetizira laktozu (koja je glavni šećer u mlijeku): laktoza je galaktozil glukozid u kojem postoji β-1, 4 glukozidna veza između galaktoze i glukoze.

Stoga, sintetaza laktoze katalizira reakciju suprotnu od one katalizirane lizozimom (koji umjesto toga razgrađuje β-1, 4 glukozidnu vezu)

Sintaza laktoze je dimer, tj. Sastoji se od dva proteinska lanca, od kojih jedan ima katalitička svojstva i usporediv je s lizozimom, a drugi je regulatorna podjedinica.

Tijekom trudnoće, glikoproteini se sintetiziraju iz stanica mliječnih žlijezda djelovanjem galatozil-tranferaze (ima 40% homolognost sekvence s lizozimom): ovaj enzim može prenijeti galaktozilnu skupinu iz visokoenergetske strukture. na strukturu glikoproteina. Tijekom trudnoće inducirana je ekspresija gena koji kodira za galaktozu-transferazu (postoji i ekspresija drugih gena koji također daju i druge proizvode): povećava se veličina dojke zbog aktiviranja mliječne žlijezde (prethodno koje nisu aktivne) koje moraju proizvoditi mlijeko. Tijekom poroda proizvodi se α-laktalalbumin koji je regulatorni protein: sposoban je regulirati katalitički kapacitet galaktozil-transferaze (zbog diskriminacije supstrata). Galaktozil-transferaza modificirana s a-laktalalbuminom može prenijeti galaktozil na molekulu glukoze: tvori glikozidnu vezu β-1, 4 i daje laktozu (laktoza sintetazu).

Stoga, galaktoza transferaza priprema mliječnu žlijezdu prije isporuke i proizvodi mlijeko nakon isporuke.

Da bi se proizveli glikoproteini, galaktoziltransferaza se veže na galaktozil i NAG; tijekom poroda, laktalni albumin se veže na galaktoziltransferazu, uzrokujući da drugi prepoznaju glukozu umjesto NAG dajući laktozu.