meghatározás
Az enzimek növényi és állati sejtekben termelt fehérjék, amelyek katalizátorként hatnak a biológiai reakciók gyorsítása nélkül.
Az enzimek egy specifikus anyaggal kombinálva egy másik anyaggá alakítják át; a klasszikus példákat a nyálban, a gyomorban, a hasnyálmirigyben és a vékonybélben jelenlévő emésztőenzimek adják, amelyek alapvető szerepet játszanak az emésztésben, és segítenek az élelmiszerek bontásában az alapvető alkotórészekbe, amelyek ezt követően felszívódhatnak és felhasználhatók a szervezetben más enzimek által feldolgozott vagy hulladékként kiutasított.
Minden enzimnek specifikus szerepe van: a zsírokat lebontja például a fehérjéket vagy a szénhidrátokat. Az enzimek elengedhetetlenek a szervezet jólétéhez. Az egyetlen enzim hiánya súlyos rendellenességeket is okozhat. Meglehetősen jól ismert példa a fenilketonuria (PKU), egy olyan betegség, amelyre jellemző, hogy egy esszenciális aminosavat, fenilalanint nem képes metabolizálni, amelynek felhalmozódása fizikai deformációkat és mentális betegségeket okozhat.
Biokémiai elemzés
Az enzimek olyan specifikus fehérjék, amelyek biológiai katalizátorok jellegzetességei, azaz képesek egy reakció aktiválási energiáját (Eatt) csökkenteni, megváltoztatva útját egy kinetikusan lassú folyamat gyorsabb megjelenéséhez.
Az enzimek növelik a termodinamikailag lehetséges reakciók kinetikáját, és a katalizátorokkal ellentétben többé-kevésbé specifikusak: ezért szubsztrátspecifitással rendelkeznek.
Az enzim nem vesz részt a reakció sztöchiometriájában: hogy ez megtörténjen, elengedhetetlen, hogy a végső katalitikus hely azonos legyen a kiindulási anyaggal.
A katalitikus műveletben szinte mindig egy lassú fázis határozza meg a folyamat sebességét.
Amikor az enzimekről beszélünk, nem helyes az egyensúlyi reakciókról beszélni, hanem egy stabil állapot helyett beszélünk (állapot, amelyben egy bizonyos metabolitot folyamatosan alakítanak ki és fogyasztanak, fenntartva koncentrációját majdnem állandó értéken). Az enzim által katalizált reakció terméke általában egy reaktáns egy későbbi reakcióhoz, amelyet egy másik enzim katalizál, és így tovább.
Az enzimkatalizált folyamatok általában reakciósorozatokból állnak.
Ily módon az (E) enzim által katalizált általános reakció vázlatos:
Az (E) általános enzim az S szubsztrátummal kombinálva hozza létre az adduktot (ES) K1 sebesség konstanssal; újra elkülöníthető az E + S-ben, a K2 sebesség konstanssal, vagy (ha "él" elég hosszú), akkor folytathatja a P formát a K3 sebesség konstanssal.
A (P) termék viszont rekombinálódhat az enzimmel, és a K4 sebesség konstanssal reformálhatja az adduktot.
Ha az enzim és a szubsztrát összekeveredik, akkor egy olyan időrész van, amikor a két faj közötti találkozás még nem történt meg, azaz rendkívül rövid időintervallum van (ami a reakciótól függ), amelyben az enzim és a szubsztrát még nem teljesült; ezen időszak után az enzim és a szubsztrát növekvő mennyiségben érintkezik és az ES adduktum képződik. Ezt követően az enzim a szubsztrátra hat, és a terméket felszabadítjuk. Ezután elmondható, hogy van egy kezdeti időintervallum, amelyben az ES adduktum koncentrációja nem meghatározható; ezen időszak után feltételezzük, hogy stabil állapot áll fenn, azaz az adduktumhoz vezető folyamatok sebessége megegyezik az adduktum megsemmisítéséhez vezető folyamatok sebességével.
A Michaelis-Menten konstans (KM) egy egyensúlyi állandó (a fent leírt első egyensúlyra utal); azt mondhatjuk, hogy jó közelítéssel (mivel figyelembe kell venni a K3-t is), hogy a KM a K2 és K1 kinetikus konstansok aránya (az addukt ES-nek a fent leírt első egyensúlyban való pusztulására és képződésére utal).
A Michaelis-Menten konstanson keresztül jelezzük az enzim és a szubsztrát közötti affinitást: ha a KM kicsi, nagy az affinitás az enzim és a szubsztrát között, így az ES addukt stabil.
Az enzimek szabályozása (vagy modulációja).
A múltban mindenekelőtt a negatív modulációról beszéltünk, azaz egy enzim katalitikus kapacitásának gátlásáról, de pozitív moduláció is lehet, azaz vannak olyan fajok, amelyek képesek egy enzim katalitikus kapacitásának növelésére.
Négyféle gátlás létezik (a modellen elvégzett közelítésekből a kísérleti adatoknak a matematikai egyenletekhez igazodva):
- versenyképes gátlás
- nem versenyképes gátlás
- Inkompetitív gátlás
- a kompetitív gátlás
Beszélünk a versenyképes gátlásról, amikor egy molekula (inhibitor) képes versenyezni a szubsztrátummal. Strukturális hasonlósággal az inhibitor reagálhat a szubsztrát helyett; ez az, ahol a "versenyképes gátlás" kifejezés származik. Az a valószínűség, hogy az enzim az inhibitorhoz vagy szubsztráthoz kötődik, függ mind a koncentrációjától, mind az enzimhez való affinitásától; a reakciósebesség ezen tényezőktől függ.
Ahhoz, hogy ugyanazt a reakciósebességet érjük el, amely az inhibitor jelenléte nélkül történne, nagyobb szubsztrátkoncentráció szükséges.
Kísérletileg kimutatták, hogy egy inhibitor jelenlétében a Michaelis-Menten állandó növekedést mutat.
Ehelyett a nem versenyképes gátlást illetően a modulátor (pozitív vagy negatív inhibitor) és az enzim között működő molekula közötti kölcsönhatás olyan helyen történik, amely különbözik attól, ahol a az enzim és a szubsztrát közötti kölcsönhatás; ezért az alloszterikus modulációról beszélünk (a görög alloszteroszból → más oldalon).
Ha az inhibitor az enzimhez kötődik, módosíthatja az enzim szerkezetét, és ezáltal csökkentheti az enzimhez kötődő hatékonyságot.
Ebben a folyamatban a Michaelis-Menten konstans állandó marad, mivel ez az érték az enzim és a szubsztrát közötti egyensúlytól függ, és ezek az egyensúlyok még egy inhibitor jelenlétében sem változnak.
Az inkompetens gátlás jelensége ritka; egy tipikus inkompetens inhibitor olyan anyag, amely reverzibilisen kötődik az ESI-hez vezető ES-adduktumhoz:
A felesleges szubsztrát gátlása néha inkompetens típusú lehet, mivel ez akkor fordul elő, amikor egy második szubsztrátmolekula kötődik az ES-komplexhez, ami az ESS-komplex kialakulásához vezet.
Egy kompetitív inhibitor viszont csak a szubsztrát enzim adduktumhoz kötődhet, mint az előző esetben: a szubsztrátnak a szabad enzimmel való kötődése konformációs módosulást indukál, ami a helyet az inhibitorhoz hozzáférhetővé teszi.
A Michaelis Menten konstans csökken a növekvő inhibitor koncentrációval: ezért nyilvánvalóan nő az enzim affinitása a szubsztrátummal.
Serin proteázok
Ezek olyan enzimcsaládok, amelyekhez chimotripsin és tripszin tartozik.
A kimotripszin egy proteolitikus és hidrolitikus enzim, amely jobbra csökkenti a hidrofób és aromás aminosavakat.
A kimotripszint kódoló gén terméke nem aktív (egy paranccsal aktiválódik); a kimotripszin nem aktív formáját 245 aminosavból álló polipeptidlánc képviseli. A kimotripszin gömb alakú, öt diszulfidhidak és egyéb kisebb kölcsönhatások (elektrosztatikus, Van der Waals erők, hidrogénkötések stb.) Miatt.
A kimotripszint a hasnyálmirigy kiméra sejtjei termelik, ahol speciális membránokban vannak jelen, és a hasnyálmirigy csatornájából kiürülnek a bélbe, az élelmiszer emésztésének idején: a kimotripszin valójában emésztőenzim. Az étrenden keresztül felszívódó fehérjék és tápanyagok emésztésnek vannak alávetve, hogy kisebb láncokra redukálódjanak, és abszorbeálódjanak és energiává alakuljanak (pl. Amilázok és proteázok a tápanyagokat glükóz- és aminosavakba osztják, amelyek elérik a sejteket, a véredényeken keresztül érik el a portálvénát, és onnan továbbítják őket a májba, ahol további kezelés alatt állnak).
Az enzimeket inaktív formában állítják elő, és csak akkor aktiválódnak, amikor elérik a "helyet, ahol működtetniük kell"; amikor cselekedeteik véget érnek, deaktiválódnak. Egy dezaktivált enzimet nem lehet újraaktiválni: további katalitikus hatás eléréséhez egy másik enzimmolekulával kell helyettesíteni. Ha a chimitripsina aktívan alakult ki a hasnyálmirigyben, ez utóbbit támadná: a hasnyálmirigy-gyulladás olyan emésztési enzimek által okozott kórképek, amelyek már a hasnyálmirigyben aktiválódnak (és nem a szükséges helyeken); némelyikük, ha nem kezelik időben, halálhoz vezet.
A kimotripszinben és az összes szerin proteázban a katalitikus hatás a szerin oldalláncában lévő alkolát anion (-CH2O) létezésének köszönhető.
A szerin proteázok ezt a nevet pontosan azért szedik, mert katalitikus hatásuk egy szerin miatt van.
Miután az összes enzim megkezdte működését, mielőtt újra tudna működni a szubsztrátumon, azt vízzel kell helyreállítani; a szerin víz felszabadítása a folyamat leglassabb szakasza, és ez a fázis határozza meg a katalízis sebességét.
A katalitikus hatás két fázisban történik:
- az anionképződés katalitikus tulajdonságokkal (alkolát anion) és az azt követő nukleofil támadás a karbonil szénnel (C = O) a peptidkötés és az észterképzés hasításával;
- a víz támadása a katalizátor visszanyerésével (így képes újra katalitikus hatást gyakorolni).
A szerinproteázok családjába tartozó különböző enzimek különböző aminosavakból állhatnak, de mindegyik számára a katalitikus helyet egy szerin oldallánc alkolát-anionja képviseli.
A szerin proteázok alcsaládja a koagulációban részt vevő enzimek családja (amely a fehérje transzformációjából áll, inaktív formájukból egy másik aktív formába). Ezek az enzimek biztosítják, hogy a véralvadás a lehető leghatékonyabb legyen, és térben és időben korlátozott legyen (a véralvadásnak gyorsnak kell lennie, és csak a sérült terület közelében kell lennie). A koagulációban részt vevő enzimek kaszkádban aktiválódnak (egyetlen enzim aktiválódása után több milliárd enzimet kapnak: minden enzim aktiválódik, sok más enzimet aktivál).
A trombózis a véralvadási enzimek hibás működéséből adódó betegség: az aktiváció okozta, anélkül, hogy szükség lenne (mivel nincs károsodás), a koagulációban használt enzimek.
Más enzimekre moduláló enzimek (szabályozók) és gátló enzimek lépnek fel: az utóbbival kölcsönhatásba lépve szabályozzák vagy gátolják aktivitásukat; még az enzim terméke is lehet az enzim inhibitora. Vannak olyan enzimek is, amelyek annál jobban működnek, annál nagyobb a szubsztrát.
A lizozim
Luigi Pasteur véletlenül felfedezte a petri-csészében, hogy a nyálkahártyában olyan enzim van, amely képes a baktériumok megölésére: lizozim ; a görögül: liso = mely vágások; zimo = enzim.
A lizozim képes a baktériumok sejtfalának megszakítására. A baktériumoknak és általában egysejtű szervezeteknek mechanikusan ellenálló szerkezetekre van szükségük, amelyek korlátozzák a formájukat; A baktériumok belsejében igen nagy ozmotikus nyomás van, ezért vizet vonzanak. A plazmamembrán felrobbanna, ha nincs olyan sejtfal, amely ellenzi a víz bejutását és korlátozza a baktérium térfogatát.
A sejtfal egy poliszacharid láncból áll, amelyben N-acetil-glükózamin (NAG) molekulák és N-acetil-muraminsav (NAM) molekulák váltakoznak; a NAG és a NAM közötti kapcsolat hidrolízissel lebomlik. A sejtfal NAM-karboxilcsoportja egy aminosavval kötődő peptidkötéshez kapcsolódik.
A különböző láncok között hidak képződnek, amelyek pszeudo-peptidkötésekből állnak: az elágazás a lizin molekulából származik; a szerkezet egésze nagyon elágazó, és ez nagy stabilitást biztosít.
A lizozim antibiotikum (elpusztítja a baktériumokat): a baktérium falában repedést okoz; ha ez a szerkezet megszakad (ami mechanikusan ellenáll), a baktérium vízzel vonzódik addig, amíg fel nem tör. A lizozim képes megszakítani a NAM és a NAG közötti b-1, 4-glükozidkötést.
A lizozim katalitikus helyét egy olyan horony ábrázolja, amely az enzim mentén fut, amelybe a poliszacharid lánc be van helyezve: a lánc hat glükozid gyűrűje megtalálható a horonyban.
A horony három helyzetében szűk keresztmetszet van: ebben a helyzetben csak egy NAG helyezhető el, mert a nagyobb NAM nem léphet be. A tényleges katalitikus hely a 4. és 5. pozíció között van: a harmadik helyzetben NAG van, a vágás egy NAM és egy NAG között történik (és nem fordítva); ezért a vágás specifikus.
A lizozim működésének optimális pH-ja öt. Az enzim katalitikus helyén, azaz a négy és öt pozíció között aszparaginsav és glutaminsav oldalláncai vannak.
A homológia mértéke : a fehérjeszerkezetek közötti kapcsolatot (azaz a hasonlóságot) méri.
Szigorú kapcsolat van a lizozim és a laktóz-szintetáz között.
A laktóz-szintáz szintetizálja a laktózt (amely a tej fő cukorja): a laktóz olyan galaktozil-glükozid, amelyben a galaktóz és a glükóz között β-1, 4-glükozid-kötés van.
Tehát a laktóz szintetáz katalizálja a lizozim által katalizált reakcióval ellentétes reakciót (amely a béta-1, 4-glükozid kötést lebontja)
A laktóz-szintáz egy dimer, azaz két proteinláncból áll, amelyek közül az egyik katalitikus tulajdonságokkal rendelkezik, és hasonló a lizozimhoz, a másik pedig szabályozó alegység.
A terhesség alatt a glikoproteineket emlőmirigy sejtekből szintetizálják a galatosil-tranferáz hatásával (40% -os szekvencia homológiával rendelkezik a lizozimmal): ez az enzim képes egy nagy energiájú struktúrából egy galaktozilcsoportot átvinni egy glikoprotein szerkezethez. A terhesség alatt a galaktóz-transzferázt kódoló gén expressziója indukálódik (más olyan gének expressziója is létezik, amelyek más termékeket is adnak): a mellméret nő, mivel az emlőmirigy aktiválódik (korábban nem aktív), amely tej előállítására szolgál. A szülés során az α-laktalalbumin termelődik, amely szabályozó fehérje: képes szabályozni a galaktozil-transzferáz katalitikus kapacitását (szubsztrát-diszkrimináció miatt). Az α-laktalalbumin által módosított galaktozil-transzferáz képes egy galaktozil-glükóz molekulára átvitelére: β-1, 4-glikozidkötést képezve és laktóz (laktóz-szintetáz) előállítása.
Így a galaktóz transzferáz a szülés előtt elkészíti az emlőmirigyet, és a szülés után a tejet termeli.
Glikoproteinek előállításához a galaktozil-transzferáz egy galaktozilhez és egy NAG-hoz kötődik; a szülés során a laktális albumin kötődik a galaktozil-transzferázhoz, ami utóbbit a glükóz felismerése helyett a NAG-t felismeri, hogy laktózt kapjon.
