дефиниция
Ензимите са протеини, произведени в растителни и животински клетки, които действат като катализатори, ускорявайки биологичните реакции, без да бъдат модифицирани.
Ензимите работят, като се комбинират с конкретна субстанция, за да я трансформират в различно вещество; класически примери са дадени от храносмилателните ензими, присъстващи в слюнката, в стомаха, в панкреаса и в тънките черва, които имат основна функция в храносмилането и спомагат за отделянето на храни в основните съставки, които след това могат да се абсорбират и използват от организма., преработени от други ензими или изхвърлени като отпадъци.
Всеки ензим има специфична роля: тази, която разгражда мазнините, например, не действа върху протеини или въглехидрати. Ензимите са от съществено значение за благосъстоянието на тялото. Недостигът, дори и на един ензим, може да причини сериозни нарушения. Доста добре известен пример е фенилкетонурия (PKU), заболяване, характеризиращо се с невъзможност за метаболизиране на незаменима аминокиселина, фенилаланин, чието натрупване може да причини физически деформации и психични заболявания.
Биохимичен анализ
Ензимите са специфични протеини, които имат характеристика да бъдат биологични катализатори, т.е. те имат способността да разрушават енергията на активиране (Eatt) на реакцията, като променят пътя й, за да направят кинетично бавен процес, да се окажат по-бързи.
Ензимите увеличават кинетиката на термодинамично възможните реакции и, за разлика от катализаторите, те са повече или по-малко специфични: следователно притежават субстратна специфичност.
Ензимът не участва в стехиометрията на реакцията: за да се случи това, от съществено значение е крайният каталитичен сайт да е идентичен с оригиналния.
При каталитично действие почти винаги има бавна фаза, която определя скоростта на процеса.
Когато става дума за ензими, не е правилно да се говори за равновесни реакции, вместо това говорим за стабилно състояние (състояние, при което се образува и консумира определен метаболит, който поддържа концентрацията си почти постоянна във времето). Продуктът от реакцията, катализирана от ензим, от своя страна обикновено е реактивен за последваща реакция, катализирана от друг ензим и така нататък.
Процеси, катализирани от ензими, обикновено се състоят от последователности от реакции.
Обща реакция, катализирана от ензим (Е), може да се обобщи както следва:
Общ ензим (Е) се комбинира със субстрата (S) за образуване на адукта (ES) със скоростна константа К1; той може отново да се раздели на E + S, с константа на скоростта K2, или (ако „живее“ достатъчно дълго), тя може да продължи да формира P със скорост на константа K3.
Продуктът (Р) може, на свой ред, да се рекомбинира с ензима и да реформира адукта с К4 константа на скоростта.
Когато ензимът и субстратът са смесени, има част от времето, в която срещата между двата вида все още не е настъпила: с други думи, има изключително кратък интервал от време (който зависи от реакцията), при който ензим и субстрат все още не са изпълнени; след този период ензимът и субстратът влизат в контакт в постепенно по-голямо количество и се образува адукта ES. Впоследствие ензимът действа върху субстрата и продуктът се освобождава. След това можем да кажем, че има начален интервал от време, в който концентрацията на адукта ES не може да бъде определена; след този период се приема, че е установено стабилно състояние, т.е. скоростта на процесите, водещи до получаване на адукта, е равна на скоростта на процесите, водещи до разрушаване на адукта.
Константата на Michaelis-Menten (KM) е константа на равновесие (отнасяща се до първото равновесие, описано по-горе); може да се каже, с добра апроксимация (защото трябва да се има предвид и K3), че KM е представено от съотношението между кинетичните константи K2 и K1 (отнасящи се до разрушаването и образуването на адукта ES в първото равновесие, описано по-горе).
Чрез константата на Michaelis-Menten имаме индикация за афинитета между ензима и субстрата: ако KM е малък, има голям афинитет между ензима и субстрата, така че адуктът ES е стабилен.
Ензимите подлежат на регулиране (или модулация).
В миналото това се отнася главно за отрицателна модулация, т.е. за инхибиране на каталитичния капацитет на ензима, но може да има и положителна модулация, т.е. съществуват видове, способни да подобрят каталитичните възможности на ензима.
Съществуват 4 вида задържания (получени от приближенията, направени на модел, за да се сравнят експерименталните данни с математически уравнения):
- конкурентно инхибиране
- неконкурентно инхибиране
- некомпетентно инхибиране
- конкурентно потискане
Говори се за конкурентно инхибиране, когато една молекула (инхибитор) може да се конкурира с субстрата. Чрез структурно сходство инхибиторът може да реагира на мястото на субстрата; оттам идва терминологията на "конкурентното потискане". Вероятността ензимът да се свързва с инхибитора или субстрата зависи от концентрацията на двата и техния афинитет с ензима; следователно скоростта на реакцията зависи от тези фактори.
За да се получи същата скорост на реакцията, която би била без присъствието на инхибитора, е необходимо да има по-висока концентрация на субстрата.
Експериментално е показано, че в присъствието на инхибитор, константата на Michaelis-Menten нараства.
Що се отнася до неконкурентното инхибиране, взаимодействието между молекулата, която трябва да работи като модулатор (положителен или отрицателен инхибитор) и ензима, се осъществява в място, което е различно от това, при което взаимодействие между ензим и субстрат; следователно се говори за алостерична модулация (от гръцкото allosteros → друго място).
Ако инхибиторът е длъжен да се свърже с ензима, той може да индуцира модификация на ензимната структура и следователно може да намали ефективността, с която субстратът се свързва с ензима.
В този вид, константата на Michaelis-Menten остава постоянна, тъй като тази стойност зависи от равновесието между ензима и субстрата и тези баланси, дори и в присъствието на инхибитор, не се променят.
Феноменът на некомпетентното потискане е рядкост; типичен некомпетентен инхибитор е вещество, което обратимо се свързва с адукта на ES, което води до ESI:
Инхибирането от субстратния излишък понякога може да бъде некомпетентен тип, тъй като това се проявява, когато втора молекула субстрат се свързва с ES комплекса, което води до образуването на ESS комплекс.
Конкурентният инхибитор, от друга страна, може да се свързва само с ензимния адукт на субстрата, както в предишния случай: свързването на субстрата със свободния ензим индуцира конформационна модификация, която прави мястото достъпно за инхибитора.
Постоянната на Michaelis Menten намалява с увеличаване на концентрацията на инхибитора: следователно, афинитетът на ензима за субстрата нараства.
Серинови протеази
Те са семейство ензими, към които принадлежат химотрипсин и трипсин.
Химотрипсинът е протеолитичен и хидролитичен ензим, който отрязва отдясно хидрофобните и ароматните аминокиселини.
Генният продукт, който кодира химотрипсина, не е активен (активиран от команда); неактивната форма на химотрипсин е представена от полипептидна верига от 245 аминокиселини. Химотрипсинът има кълбовидна форма поради пет дисулфидни моста и други незначителни взаимодействия (електростатични, ван дер ваалсови сили, водородни връзки и др.).
Химотрипсинът се произвежда от клетките на панкреаса, където се съдържа в специални мембрани и се изхвърля през панкреатичния канал в червата по време на храносмилането: химотрипсинът всъщност е храносмилателен ензим. Протеините и хранителните вещества, които поглъщаме чрез храната, се усвояват, за да се намалят до по-малки вериги и да се абсорбират и трансформират в енергия (например амилазата и протеазата разделят хранителните вещества на глюкозата и аминокиселините, които достигат клетките, Чрез кръвоносните съдове те достигат до порталната вена и оттам се пренасят в черния дроб, където се подлагат на по-нататъшно лечение).
Ензимите се произвеждат в неактивна форма и се активират само когато достигнат "мястото, където трябва да работят"; След като приключи действието им, те се деактивират. Ензим, веднъж деактивиран, не може да бъде реактивиран: за да има допълнително каталитично действие, той трябва да бъде заменен с друга ензимна молекула. Ако химитрипсинът се произвежда в активна форма вече в панкреаса, той би атакувал последния: панкреатит са патологии, дължащи се на храносмилателни ензими, които се активират вече в панкреаса (а не в необходимите места); някои от тях, ако не се лекуват навреме, водят до смърт.
В химотрипсина и във всички серинови протеази, каталитичното действие се дължи на наличието на алкохолатен анион (-СН20-) в страничната верига на серин.
Сериновите протеази приемат това наименование точно защото тяхното каталитично действие се дължи на серин.
След като целият ензим извърши своето действие, преди да може да се използва отново върху субстрата, той трябва да бъде възстановен с вода; "освобождаването" на серин от вода е най-бавната фаза на процеса и именно тази фаза определя скоростта на катализа.
Каталитичното действие се извършва в две фази: \ t
- образуване на аниони с каталитични свойства (алкохолатен анион) и последваща атака на нуклеофилен карбонилов въглерод (С = О) с разцепване на пептидната връзка и образуване на естер;
- водна атака с възстановяване на катализатора (способен да възстанови каталитичното си действие).
Различните ензими, принадлежащи към семейството на серин протеаза, могат да бъдат съставени от различни аминокиселини, но за всички каталитичният сайт е представен от алкохолния анион на страничната верига на серин.
Подсемейството на серинпротеазите е това на ензимите, участващи в коагулацията (което се състои в трансформацията на протеин, от тяхната неактивна форма към друга активна форма). Тези ензими правят коагулацията възможно най-ефективна и е ограничена в пространството и времето (коагулацията трябва да се осъществява бързо и трябва да се осъществява само в близост до увредената област). Ензимите, участващи в коагулацията, се активират чрез каскада (от активирането на един ензим се получават милиарди ензими: всеки ензим се активира, от своя страна активира много други ензими).
Тромбозата е състояние, дължащо се на лошото функциониране на коагулационните ензими: то се причинява от активирането, без необходимост (тъй като няма лезия), на ензимите, използвани в коагулацията.
Съществуват модулаторни (регулаторни) ензими и инхибиторни ензими за други ензими: взаимодействащи с този ензим, те регулират или инхибират неговата активност; също така продуктът на ензима може да бъде инхибитор на ензима. Има и ензими, които работят повече, толкова по-голям е сегашният субстрат.
лизозим
Луиджи Пастьор откри случайно, кихайки на петриево блюдо, че в слузта има ензим, който може да убива бактерии: лизозим ; от гръцки: liso = това разфасовки; zimo = ензим.
Лизозимът може да разруши клетъчната стена на бактериите. Бактериите и като цяло едноклетъчните организми се нуждаят от механично устойчиви структури, които ограничават тяхната форма; В рамките на бактериите има много високо осмотично налягане, затова те наричат вода. Плазмената мембрана би избухнала, ако няма клетъчна стена, която да се противопоставя на влизането на вода и ограничава обема на бактерията.
Клетъчната стена се състои от полизахаридна верига, в която се редуват N-ацетил-глюкозамин (NAG) и N-ацетил-мрамонова киселина (NAM) молекули; връзката между NAG и NAM се разпада с хидролиза. Карбоксилната група на NAM, в клетъчната стена, е свързана с пептидна връзка с аминокиселина.
Сред различните вериги се образуват мостове, състоящи се от псевдопептидни връзки: разклонението се дължи на лизиновата молекула; конструкцията като цяло е много разклонена и това му дава висока степен на стабилност.
Лизозимът е антибиотик (убива бактериите): той действа като прави пукнатина в бактериалната стена; когато тази структура се счупи (която е механично устойчива), бактерията изтегля вода, докато не експлодира. Лизозимът успява да прекъсне глюкозидната b-1, 4 връзка между NAM и NAG.
Каталитичният сайт на лизозима е представен от жлеб, който се движи по ензима, в който се вмъква полизахаридната верига: шест глюкозидни пръстена на веригата намират своето място в браздата.
В позиция 3 на браздата има пречка: в това положение може да се постави само един NAG, защото NAM, който е по-голям, не може да влезе. Действителният каталитичен сайт е между позиции четири и пет: има NAG на позиция 3, разрезът ще се осъществи между NAM и NAG (а не обратното); следователно, разфасовката е специфична.
Оптималното рН за функционирането на лизозима е пет. В каталитичния сайт на ензима, т.е. между позиции четири и пет, има странични вериги на аспарагинова киселина и глутаминова киселина.
Степен на хомология : измерва родството (т.е. сходството) между протеиновите структури.
Съществува строга връзка между лизозима и лактозо-синтазата.
Лактоза синтетазата синтезира лактозата (която е основната млечна захар): лактозата е галактозил глюкозид, в който има β-1, 4 глюкозидна връзка между галактоза и глюкоза.
Следователно, лактоза синтазата катализира противоположната реакция на тази, катализирана от лизозим (който вместо това разгражда β-1, 4 глюкозидната връзка)
Лактоза синтазата е димер, т.е. тя се състои от две протеинови вериги, една от които има каталитични свойства и е сравнима с лизозима, а другата е регулаторна субединица.
По време на бременността, гликопротеините се синтезират от клетките на млечната жлеза чрез действието на галатозилтрансферазата (има 40% хомология на последователността с лизозим): този ензим е в състояние да прехвърли галактозилова група от високо енергийна структура. към гликопротеинова структура. По време на бременността се индуцира експресията на гена, който кодира галактозилтрансферазата (има и експресия на други гени, които също дават други продукти): увеличаване на размера на гърдата се дължи на активирането на млечната жлеза (преди това \ t неактивни), които трябва да произвеждат мляко. По време на доставянето се произвежда α-лакталалбумин, който е регулаторен протеин: той е в състояние да регулира каталитичния капацитет на галактозилтрансферазата (за субстратна дискриминация). Галактозил-трансферазата, модифицирана с а-лакталалбумин, е в състояние да прехвърли галактозил върху глюкозна молекула: образувайки р-1, 4 гликозидна връзка и давайки лактоза (лактоза синтаза).
Така, галактозната трансфераза подготвя млечната жлеза преди раждането и произвежда мляко след раждането.
За получаване на гликопротеини, галактозилтрансферазата се свързва с галактозил и NAG; По време на раждането лакталният албумин се свързва с галактозилтрансферазата, като причинява последния да разпознава глюкозата и вече не NAG да дава лактоза.
