definicja
Enzymy są białkami wytwarzanymi w komórkach roślinnych i zwierzęcych, które działają jak katalizatory, przyspieszając reakcje biologiczne bez modyfikacji.
Enzymy działają poprzez połączenie z określoną substancją, aby przekształcić ją w inną substancję; klasyczne przykłady są podawane przez enzymy trawienne obecne w ślinie, w żołądku, trzustce i jelicie cienkim, które pełnią zasadniczą funkcję w trawieniu i pomagają rozkładać pokarmy na podstawowe składniki, które następnie mogą być wchłaniane i wykorzystywane przez organizm, przetwarzane przez inne enzymy lub usuwane jako odpady.
Każdy enzym ma szczególną rolę: na przykład ten, który rozkłada tłuszcze, nie wpływa na białka ani węglowodany. Enzymy są niezbędne dla dobrego samopoczucia organizmu. Niedobór, nawet jednego enzymu, może powodować poważne zaburzenia. Dość dobrze znanym przykładem jest fenyloketonuria (PKU), choroba charakteryzująca się niezdolnością do metabolizowania niezbędnego aminokwasu, fenyloalaniny, której nagromadzenie może powodować deformacje fizyczne i choroby psychiczne.
Analiza biochemiczna
Enzymy są szczególnymi białkami, które charakteryzują się tym, że są biologicznymi katalizatorami, to znaczy mają zdolność do obniżania energii aktywacji (Eatt) reakcji, zmieniając jej ścieżkę, aby proces kinetycznie powolny pojawiał się szybciej.
Enzymy zwiększają kinetykę reakcji termodynamicznie możliwych i, w przeciwieństwie do katalizatorów, są mniej lub bardziej specyficzne: dlatego posiadają specyficzność substratową.
Enzym nie bierze udziału w stechiometrii reakcji: aby tak się stało, istotne jest, aby końcowe miejsce katalityczne było identyczne z miejscem początkowym.
W działaniu katalitycznym prawie zawsze występuje powolna faza, która określa szybkość procesu.
Kiedy mówimy o enzymach, nie jest poprawne mówienie o reakcjach równowagi, mówimy zamiast stanu ustalonego (stan, w którym określony metabolit jest tworzony i konsumowany w sposób ciągły, utrzymując jego stężenie prawie stałe w czasie). Produkt reakcji katalizowanej przez enzym jest zazwyczaj sam reagentem dla następnej reakcji, katalizowanej przez inny enzym i tak dalej.
Procesy katalizowane enzymami zazwyczaj składają się z sekwencji reakcji.
Ogólna reakcja katalizowana przez enzym (E) może być zatem schematycznie:
Generyczny enzym (E) łączy się z substratem (S), tworząc addukt (ES) ze stałą prędkości K1; może ponownie rozłączyć się w E + S, ze stałą prędkości K2, lub (jeśli „żyje” wystarczająco długo) może przejść do postaci P ze stałą prędkości K3.
Produkt (P) może z kolei rekombinować z enzymem i zreformować addukt ze stałą szybkości K4.
Gdy enzym i substrat są zmieszane, istnieje ułamek czasu, w którym spotkanie między dwoma gatunkami jeszcze się nie wydarzyło: to znaczy istnieje bardzo krótki przedział czasu (który zależy od reakcji), w którym enzym i substrat jeszcze się nie spełniły; po tym okresie enzym i substrat wchodzą w kontakt w rosnących ilościach i powstaje addukt ES. Następnie enzym działa na substrat i produkt jest uwalniany. Można zatem powiedzieć, że istnieje początkowy przedział czasu, w którym stężenie adduktu ES nie jest możliwe do określenia; po tym okresie przyjmuje się, że ustalony jest stan ustalony, tj. szybkość procesów prowadzących do adduktu jest równa szybkości procesów prowadzących do zniszczenia adduktu.
Stała Michaelisa-Mentena (KM) jest stałą równowagi (odniesioną do pierwszej równowagi opisanej powyżej); możemy powiedzieć, z dobrym przybliżeniem (ponieważ K3 należy również wziąć pod uwagę), że KM jest reprezentowane przez stosunek między stałymi kinetycznymi K2 i K1 (w odniesieniu do zniszczenia i powstawania adduktu ES w pierwszej równowadze opisanej powyżej).
Poprzez stałą Michaelisa-Mentena mamy wskazanie powinowactwa między enzymem a substratem: jeśli KM jest małe, istnieje wysokie powinowactwo między enzymem a substratem, więc addukt ES jest stabilny.
Enzymy podlegają regulacji (lub modulacji).
W przeszłości mówiono przede wszystkim o modulacji negatywnej, czyli o hamowaniu zdolności katalitycznych enzymu, ale można również uzyskać modulację pozytywną, to znaczy istnieją gatunki zdolne do zwiększenia zdolności katalitycznych enzymu.
Istnieją 4 rodzaje zahamowań (uzyskane z przybliżeń wykonanych na modelu w celu dopasowania danych eksperymentalnych do równań matematycznych):
- konkurencyjne hamowanie
- niekonkurencyjne hamowanie
- Niekompetycyjne zahamowanie
- konkurencyjne hamowanie
Mówi się o konkurencyjnym hamowaniu, gdy cząsteczka (inhibitor) jest w stanie konkurować z substratem. Przez podobieństwo strukturalne inhibitor może reagować w miejsce substratu; stąd pochodzi termin „konkurencyjne hamowanie”. Prawdopodobieństwo, że enzym wiąże się z inhibitorem lub substratem zależy od stężenia obu i ich powinowactwa do enzymu; szybkość reakcji zależy od tych czynników.
Aby uzyskać taką samą szybkość reakcji, która wystąpiłaby bez obecności inhibitora, konieczne jest uzyskanie wyższego stężenia substratu.
Eksperymentalnie pokazano, że w obecności inhibitora stała Michaelisa-Mentena wzrasta.
Jeśli chodzi natomiast o niekonkurencyjne hamowanie, interakcja między cząsteczką, która powinna działać jako modulator (dodatni lub ujemny inhibitor) a enzymem, zachodzi w miejscu innym niż miejsce, w którym znajduje się interakcja między enzymem a substratem; dlatego mówimy o modulacji allosterycznej (z greckiego allosteros → inne miejsce).
Jeśli inhibitor wiąże się z enzymem, może indukować modyfikację struktury enzymu, aw konsekwencji może zmniejszyć skuteczność, z jaką substrat wiąże się z enzymem.
W tym typie procesu stała Michaelisa-Mentena pozostaje stała, ponieważ ta wartość zależy od równowagi między enzymem a substratem i te równowagi, nawet w obecności inhibitora, nie zmieniają się.
Zjawisko niekompetentnego hamowania jest rzadkie; typowym niekompetentnym inhibitorem jest substancja, która odwracalnie wiąże się z adduktem ES, dając początek ESI:
Hamowanie nadmiaru substratu może być czasem typu niekompetentnego, ponieważ występuje, gdy druga cząsteczka substratu wiąże się z kompleksem ES, dając początek kompleksowi ESS.
Z drugiej strony, konkurencyjny inhibitor może wiązać się tylko z adduktem enzymu substratu, jak w poprzednim przypadku: wiązanie substratu z wolnym enzymem indukuje modyfikację konformacyjną, która sprawia, że miejsce jest dostępne dla inhibitora.
Stała Michaelisa Mentena zmniejsza się wraz ze wzrostem stężenia inhibitora: najwyraźniej zatem wzrasta powinowactwo enzymu do substratu.
Proteazy serynowe
Są rodziną enzymów, do których należą chimotrypsyna i trypsyna.
Chymotrypsyna jest enzymem proteolitycznym i hydrolitycznym, który tnie hydrofobowe i aromatyczne aminokwasy w prawo.
Produkt genu, który koduje chymotrypsynę, nie jest aktywny (jest aktywowany poleceniem); nieaktywna postać chymotrypsyny jest reprezentowana przez łańcuch polipeptydowy złożony z 245 aminokwasów. Chymotrypsyna ma kształt kulisty dzięki pięciu mostkom dwusiarczkowym i innym mniejszym oddziaływaniom (elektrostatyczne, siły Van der Waalsa, wiązania wodorowe itp.).
Chymotrypsyna jest wytwarzana przez komórki chimeryczne trzustki, gdzie jest zawarta w specjalnych błonach i wydalana przez przewód trzustkowy do jelita, w czasie trawienia pokarmu: chymotrypsyna jest w rzeczywistości enzymem trawiennym. Białka i składniki odżywcze, które spożywamy przez dietę, są poddawane trawieniu, aby zredukować je do mniejszych łańcuchów i zostać wchłonięte i przekształcone w energię (np. Amylazy i proteazy rozdzielają składniki odżywcze na glukozę i aminokwasy, które docierają do komórek, przez naczynia krwionośne docierają do żyły wrotnej i stamtąd są przenoszone do wątroby, gdzie poddawane są dalszym zabiegom).
Enzymy są produkowane w postaci nieaktywnej i są aktywowane tylko wtedy, gdy dotrą do „miejsca, w którym muszą działać”; gdy ich działanie się skończy, zostaną dezaktywowane. Enzym, po dezaktywacji, nie może być reaktywowany: aby mieć dodatkowe działanie katalityczne, musi zostać zastąpiony inną cząsteczką enzymu. Gdyby chimitripsina była już wytworzona w aktywnej postaci w trzustce, zaatakowałaby tę drugą: zapalenie trzustki jest patologią spowodowaną enzymami trawiennymi, które są już aktywowane w trzustce (a nie w wymaganych miejscach); niektóre z nich, jeśli nie są traktowane na czas, prowadzą do śmierci.
W chymotrypsynie i we wszystkich proteazach serynowych działanie katalityczne wynika z istnienia anionu alkolowego (-CH2O-) w łańcuchu bocznym seryny.
Proteazy serynowe przyjmują tę nazwę właśnie dlatego, że ich działanie katalityczne jest spowodowane seryną.
Gdy cały enzym wykona swoje działanie, zanim będzie mógł ponownie działać na podłożu, musi zostać przywrócony wodą; „wyzwolenie” seryny przez wodę jest najwolniejszym etapem w tym procesie i to właśnie ta faza określa szybkość katalizy.
Działanie katalityczne zachodzi w dwóch fazach:
- tworzenie anionów o właściwościach katalitycznych (anion alkolanowy) i późniejszy atak nukleofilowy na węgiel karbonylowy (C = O) z rozszczepieniem wiązania peptydowego i tworzeniem estru;
- atak wody z odzyskiwaniem katalizatora (zdolny, więc ponownie wykonywać swoje działanie katalityczne).
Różne enzymy należące do rodziny proteaz serynowych mogą składać się z różnych aminokwasów, ale dla wszystkich miejsce katalityczne jest reprezentowane przez anion alkolowy łańcucha bocznego seryny.
Podrodzina proteaz serynowych to enzymy zaangażowane w koagulację (która polega na transformacji białka z jego nieaktywnej postaci do innej aktywnej postaci). Enzymy te zapewniają, że koagulacja jest jak najbardziej skuteczna i jest ograniczona w czasie i przestrzeni (koagulacja musi nastąpić szybko i musi wystąpić tylko w pobliżu uszkodzonego obszaru). Enzymy biorące udział w koagulacji są aktywowane kaskadowo (z aktywacji pojedynczego enzymu otrzymuje się miliardy enzymów: każdy aktywowany enzym z kolei aktywuje wiele innych enzymów).
Zakrzepica jest chorobą spowodowaną nieprawidłowym działaniem enzymów krzepnięcia: jest spowodowana aktywacją, bez konieczności (ponieważ nie ma uszkodzeń), enzymów stosowanych w krzepnięciu.
Istnieją enzymy modulujące (regulatory) i enzymy hamujące dla innych enzymów: oddziałując z nimi, regulują one lub hamują ich aktywność; nawet produkt enzymu może być inhibitorem enzymu. Są też enzymy, które działają tym bardziej, im większy jest obecny substrat.
lizozym
Luigi Pasteur odkrył przypadkowo kichanie na szalce Petriego, że w śluzu znajduje się enzym zdolny do zabijania bakterii: lizozym ; od greckiego: liso = który cięć; zimo = enzym.
Lizozym jest zdolny do rozbijania ściany komórkowej bakterii. Bakterie i, ogólnie, organizmy jednokomórkowe, potrzebują struktur odpornych mechanicznie, które ograniczają ich kształt; wewnątrz bakterii występuje bardzo wysokie ciśnienie osmotyczne, dlatego przyciągają one wodę. Błona plazmatyczna eksploduje, jeśli nie ma ściany komórkowej, która przeciwstawia się wejściu wody i ogranicza objętość bakterii.
Ściana komórkowa składa się z łańcucha polisacharydowego, w którym naprzemiennie występują cząsteczki N-acetyloglukozaminy (NAG) i cząsteczki kwasu N-acetylomurowego (NAM); związek między NAG a NAM rozkłada się na skutek hydrolizy. Grupa karboksylowa NAM w ścianie komórkowej jest zaangażowana w wiązanie peptydowe z aminokwasem.
Pomiędzy różnymi łańcuchami tworzą się mostki składające się z wiązań pseudopeptydowych: rozgałęzienie jest spowodowane cząsteczką lizyny; struktura jako całość jest bardzo rozgałęziona, co daje jej wysoką stabilność.
Lizozym jest antybiotykiem (zabija bakterie): działa poprzez pękanie w ścianie bakteryjnej; kiedy ta struktura jest zerwana (co jest odporne mechanicznie), bakteria przyciąga wodę, dopóki nie pęknie. Lizozym jest w stanie przełamać wiązanie glukozydowe b-1, 4 między NAM a NAG.
Miejsce katalityczne lizozymu jest reprezentowane przez rowek, który biegnie wzdłuż enzymu, do którego wprowadza się łańcuch polisacharydowy: sześć pierścieni glukozydowych łańcucha, znajduje swoje miejsce w rowku.
W pozycji trzeciej rowka jest wąskie gardło: w tej pozycji można umieścić tylko jeden NAG, ponieważ NAM, który jest większy, nie może wejść. Rzeczywiste miejsce katalityczne znajduje się między pozycjami czwartą a piątą: w pozycji trzeciej występuje NAG, cięcie nastąpi między NAM a NAG (a nie odwrotnie); dlatego cięcie jest specyficzne.
Optymalne pH dla funkcjonowania lizozymu wynosi pięć. W miejscu katalitycznym enzymu, to jest między pozycjami czwartą i piątą, znajdują się łańcuchy boczne kwasu asparaginowego i kwasu glutaminowego.
Stopień homologii : mierzy zależność (tj. Podobieństwo) między strukturami białkowymi.
Istnieje ścisły związek między lizozymem a syntetazą laktozy.
Syntaza laktozy syntetyzuje laktozę (która jest głównym cukrem w mleku): laktoza jest glukozydem galaktozylu, w którym występuje wiązanie glukozydowe β-1, 4 między galaktozą i glukozą.
Zatem syntetaza laktozy katalizuje reakcję odwrotną do tej katalizowanej przez lizozym (który zamiast tego rozkłada wiązanie glukozydowe β-1, 4)
Syntaza laktozy jest dimerem, to znaczy składa się z dwóch łańcuchów białkowych, z których jeden ma właściwości katalityczne i jest porównywalny z lizozymem, a drugi jest podjednostką regulacyjną.
Podczas ciąży glikoproteiny są syntetyzowane z komórek gruczołu sutkowego przez działanie galatozylotransferazy (ma 40% homologii sekwencji z lizozymem): ten enzym jest w stanie przenieść grupę galaktozylową z struktury o wysokiej energii do struktury glikoproteinowej. Podczas ciąży indukowana jest ekspresja genu kodującego transferazę galaktozy (występuje również ekspresja innych genów, które również dają inne produkty): zwiększa się rozmiar piersi, ponieważ gruczoł sutkowy jest aktywowany (wcześniej nieaktywny), który musi produkować mleko. Podczas porodu wytwarzana jest alfa-laktalalbumina, która jest białkiem regulatorowym: jest w stanie regulować katalityczną zdolność galaktozylotransferazy (z powodu dyskryminacji substratu). Galaktozylotransferaza modyfikowana α-laktalalbuminą jest w stanie przenieść galaktozyl na cząsteczkę glukozy: tworząc wiązanie glikozydowe β-1, 4 i dając laktozę (syntetaza laktozy).
Tak więc transferaza galaktozy przygotowuje gruczoł sutkowy przed porodem i wytwarza mleko po porodzie.
Aby wytworzyć glikoproteiny, galaktozylotransferaza wiąże się z galaktozylem i NAG; podczas porodu albuminę mleczną wiąże się z galaktozylotransferazą, powodując, że ta ostatnia rozpoznaje glukozę, a nie NAG, aby uzyskać laktozę.
