Az enzimek

Meghatározás

Az enzimek növényi és állati sejtekben előállított fehérjék, amelyek katalizátorként gyorsítják a biológiai reakciókat anélkül, hogy módosítanák.

Az enzimek úgy működnek, hogy egy adott anyaggal kombinálva más anyaggá alakulnak át; klasszikus példákat a nyálban, a gyomorban, a hasnyálmirigyben és a vékonybélben található emésztőenzimek adnak, amelyek alapvető funkciót látnak el az emésztésben, és segítenek az élelmiszerek alapvető összetevőkre bontásában, amelyeket aztán a szervezet képes felszívni és felhasználni, más enzimek vagy hulladékként ürül ki.

Minden enzimnek meghatározott szerepe van: az, amely például lebontja a zsírokat, nem hat a fehérjékre vagy a szénhidrátokra. Az enzimek elengedhetetlenek a szervezet jólétéhez. Hiánya, akár egyetlen enzim hiánya is, súlyos zavarokat okozhat. Jól ismert példa a fenilketonuria (PKU), egy olyan betegség, amelyet az esszenciális aminosavak metabolizmusának képtelensége jellemez. fenilalanin, amelynek felhalmozódása fizikai deformitásokat és mentális betegségeket okozhat.

Biokémiai vizsgálat

Az enzimek olyan speciális fehérjék, amelyek biológiai katalizátorként működnek, vagyis képesek lebontani egy reakció aktivációs energiáját (Eatt), módosítva annak útját, hogy a kinetikailag lassú folyamat gyorsabb legyen.

Az enzimek növelik a termodinamikailag lehetséges reakciók kinetikáját, és a katalizátorokkal ellentétben többé -kevésbé specifikusak: ezért szubsztrátspecifikusak.
Az enzim nem vesz részt a reakció sztöchiometriájában: ehhez a végső katalitikus helynek azonosnak kell lennie a kiindulási helyével.
A katalitikus cselekvésben szinte mindig van egy lassú fázis, amely meghatározza a folyamat sebességét.
Amikor enzimekről beszélünk, nem helyes egyensúlyi reakciókról beszélni, hanem a helyett egyensúlyi állapot (olyan állapot, amelyben egy bizonyos metabolit képződik és folyamatosan fogyasztódik, koncentrációja szinte állandó marad az idő múlásával). Az egyik enzim által katalizált reakció terméke általában maga egy reagens a következő reakcióhoz, amelyet egy másik enzim katalizál, és így tovább.
Az enzimek által katalizált folyamatok általában reakciósorokból állnak.
Az (E) enzim által katalizált általános reakció a következőképpen foglalható össze:

E az enzim

S a szubsztrát;
ES az addukt az enzim és a szubsztrát között;

P a termék;
K a reakció sebességállandója.

Egy általános enzim (E) egyesül az (S) szubsztráttal, és additumot (ES) képez a K1 sebességállandóval; vissza tud szétválni E + S -be, K2 sebességállandóval, vagy, (ha "elég sokáig" él) ) K3 sebességállandóval folytathatja a P formát.

A (P) termék viszont rekombinálódhat az enzimmel, és átalakíthatja az adduktot K4 sebességállandóval.
Amikor az enzimet és a szubsztrátot összekeverik, akkor az idő töredéke, amikor a két faj találkozása még nem történt meg: vagyis rendkívül rövid időtartam (amely a reakciótól függ) van, amelyben az enzim és a szubsztrát még nem teljesült; ezen időszak után az enzim és a szubsztrát egyre nagyobb mennyiségben érintkezik, és kialakul az ES addukt. Ezt követően az enzim a szubsztrátra hat, és a termék felszabadul. Ekkor elmondható, hogy c "egy kezdeti időintervallum, amelyben az ES addukt koncentrációja nem határozható meg; ezen időszak után feltételezzük, hogy egyensúlyi állapot megállapításra kerül, azaz az adduktum megszerzéséhez vezető folyamatok sebessége megegyezik az adduktum megsemmisítéséhez vezető folyamatok sebességével.
A Michaelis-Menten állandó (KM) egyensúlyi állandó (a fent leírt első egyensúlyra utal); jó közelítéssel elmondható (mert a K3 -t is figyelembe kell venni), hogy a KM -et a K2 és K1 kinetikai állandók aránya képviseli (az ES adduktum megsemmisítésére és kialakulására utal a fent leírt első egyensúlyban) .
A Michaelis-Menten állandón keresztül "jelezzük az enzim és a szubsztrát közötti affinitást: ha a KM kicsi", akkor "nagy az affinitás az enzim és a szubsztrát között, akkor az ES addukt stabil.

Az enzimeket szabályozásnak (vagy modulációnak) kell alávetni.
A múltban főleg negatív modulációról beszéltek, vagyis egy enzim katalitikus képességeinek gátlásáról, de lehet pozitív moduláció is, vagyis vannak olyan fajok, amelyek képesek fokozni egy enzim katalitikus képességeit.
A gátlásoknak 4 típusa létezik (a modelleken elvégzett közelítésekből a kísérleti adatok matematikai egyenletekkel való megfeleléséhez):

• versenygátlás
• nem versenyképes gátlás
• versenyképtelen gátlás
• verseny gátlás

Versenyképes gátlásról akkor beszélünk, ha egy molekula (inhibitor) képes versenyezni a szubsztráttal. A szerkezeti hasonlóság kedvéért az inhibitor reagálhat a szubsztrát helyett, ezért a "kompetitív gátlás" terminológia. Annak valószínűsége, hogy az enzim kötődik az inhibitorhoz vagy szubsztráthoz, mindkettő koncentrációjától és az enzimhez való affinitásától függ; ezért a reakciósebesség ezen tényezőktől függ.
Ahhoz, hogy ugyanazt a reakciósebességet érjük el, mint az inhibitor jelenléte nélkül, magasabb szubsztrátkoncentrációra van szükség.
Kísérletileg kimutatták, hogy inhibitor jelenlétében a Michaelis-Menten állandó növekszik.

Ehelyett a "nem versenyképes gátlás, a modulátor (pozitív vagy negatív gátló) funkcióként működő molekula és az" enzim közötti kölcsönhatás olyan helyen megy végbe, amely eltér az interakció helyétől enzim és szubsztrát között fordul elő; ezért alloszterikus modulációról beszélünk (görögül alloszterosz → más webhely).
Ha az inhibitor kötődik az enzimhez, megváltoztathatja az enzim szerkezetét, és következésképpen csökkentheti a szubsztrát enzimhez való kötődésének hatékonyságát.
Az ilyen típusú folyamatokban a Michaelis-Menten állandó állandó marad, mivel ez az érték az enzim és a szubsztrát közötti egyensúlytól függ, és még egy inhibitor jelenlétében sem változnak ezek az egyensúlyok.

A versenyképtelen gátlás jelensége ritka; tipikus inkompetitív inhibitor olyan anyag, amely reverzibilisen kötődik az ES addukthoz, és így ESI keletkezik:

A szubsztrát -felesleg okozta gátlás néha versenyképtelen lehet, mivel ez akkor fordul elő, amikor egy második szubsztrátmolekula kötődik az ES -komplexhez, és ezáltal ESS -komplex keletkezik.

Egy versenyképes inhibitor viszont csak az előző esethez hasonlóan kötődhet a szubsztrát enzim addukthoz: a szubsztrát szabad enzimhez való kötődése konformációs módosítást indukál, amely hozzáférhetővé teszi a helyet az inhibitor számára.
A Michaelis Menten -állandó az inhibitor koncentrációjának növekedésével csökken: nyilvánvalóan ezért nő az enzim affinitása a szubsztráthoz.

Szerin proteáz

Ezek egy enzimcsalád, amelyhez a kimotripszin és a tripszin tartozik.
A kimotripszin egy proteolitikus és hidrolitikus enzim, amely jobbra vágja a hidrofób és aromás aminosavakat.
A kimotripszint kódoló gén terméke nem aktív (egy paranccsal aktiválódik); a kimotripszin inaktív formáját egy 245 aminosavból álló polipeptidlánc képviseli. A kimotripszin gömb alakú, öt diszulfid -híd és más kisebb kölcsönhatások (elektrosztatikus, Van der Waals -erők, hidrogénkötések stb.) Miatt.
A kimotripszint a hasnyálmirigy kimózsejtjei állítják elő, ahol speciális membránok tartalmazzák, és a hasnyálmirigy -csatornán keresztül a bélbe juttatják, az élelmiszer emésztése idején: a kimotripszin valójában egy emésztő enzim. Az étrend által bevitt fehérjék és tápanyagok emésztésnek vannak alávetve, hogy kisebb láncokra redukálódjanak, és felszívódjanak, és energiává alakuljanak át (például az amilázok és proteázok a tápanyagokat glükózzá és aminosavakká bontják, amelyek a véredényeken keresztül jutnak el a sejtekhez) elérik a portális vénát, és onnan a májba szállítják, ahol további kezelésen esnek át).
Az enzimeket nem aktív formában állítják elő, és csak akkor aktiválódnak, amikor elérik azt a "helyet, ahol működniük kell"; miután a műveletük befejeződött, deaktiválódnak. Egy dezaktivált enzimet nem lehet újraaktiválni: ahhoz, hogy "további katalitikus hatása legyen", azt egy másik enzimmolekulával kell helyettesíteni. Ha a kimitripszint aktív formában termelnék már a hasnyálmirigyben, az az utóbbit támadná meg: a hasnyálmirigy -gyulladás olyan patológiák, amelyek a hasnyálmirigyben (és nem a szükséges helyeken) már aktivált emésztőenzimek miatt következnek be; némelyikük, ha nem kezelik időben, halálhoz vezet.
A kimotripszinben és az összes szerin proteázban a katalitikus hatás annak köszönhető, hogy az alkohol anion (-CH2O-) létezik a szerin oldalláncában.
A szerin proteázok pontosan ezt a nevet veszik fel, mert katalitikus hatásuk egy szerinnek köszönhető.
Miután az összes enzim elvégezte a hatását, mielőtt újra képes lenne a szubsztráton újra működni, vízzel kell helyreállítani; a szerin vízből történő "felszabadulása" a folyamat leglassabb szakasza, és ez a fázis amely meghatározza a katalízis sebességét.
A katalitikus hatás két fázisban történik:

• az anion képződése katalitikus tulajdonságokkal (anion -alkoholát) és ezt követő nukleofil támadás a karbonil -szén ellen (C = O) a peptidkötés lehasadásával és az észter képződésével;
• vízroham a katalizátor helyreállításával (képes ismét kifejteni a katalitikus hatását).

A szerin proteáz családba tartozó különféle enzimek különböző aminosavakból állhatnak, de mindegyik esetében a katalitikus helyet a szerin oldalláncának alkoholos anionja képviseli.
A szerin proteázok alcsaládja a véralvadásban részt vevő enzimek (amely a fehérje átalakításából áll, inaktív formájukból "más aktív formává"). Ezek az enzimek biztosítják, hogy a koaguláció a lehető leghatékonyabb legyen és korlátozott a tér és az idő (a véralvadásnak gyorsan kell megtörténnie, és csak a sérült terület közelében kell történnie). , viszont sok más enzimet aktivál).
A trombózis a véralvadási enzimek hibás működése miatti patológia: a véralvadásban használt enzimek szükségtelen aktiválása (mert nincs sérülés) okozza.

Vannak moduláló (szabályozó) enzimek és gátló enzimek más enzimekre: az utóbbiakkal kölcsönhatásba lépve szabályozzák vagy gátolják tevékenységüket; akár egy enzim terméke is gátlója lehet az enzimnek.

Lizozim

Luigi Pasteur Petri -csészén tüsszentve felfedezte, hogy a nyálkában van egy enzim, amely képes elpusztítani a baktériumokat: lizozim; görögből: liso = milyen méretű; zimo = enzim.
A lizozim képes lebontani a baktériumok sejtfalát. A baktériumoknak és általában az egysejtű organizmusoknak mechanikusan ellenálló szerkezetekre van szükségük, amelyek korlátozzák alakjukat; a baktériumok belsejében nagyon magas az ozmotikus nyomás, így vonzzák a vizet. A plazmamembrán felrobbanhat, ha nincs olyan sejtfal, amely ellenzi a víz bejutását és korlátozza a baktérium térfogatát.
A sejtfal egy poliszacharid láncból áll, amelyben az N-acetil-glükózamin (NAG) és az N-acetil-muraminsav (NAM) molekulái váltakoznak; a NAG és a NAM közötti kötés hidrolízissel megszakad.A NAM karboxilcsoportja a sejtfalban peptidkötésben van egy aminosavval.
A különböző láncok között pszeudo-peptidkötésekből álló hidak képződnek: az elágazás a lizin molekulának köszönhető; a szerkezet egésze nagyon elágazó, és ez nagy stabilitást biztosít.
A lizozim egy antibiotikum (elpusztítja a baktériumokat): úgy működik, hogy repedést okoz a baktériumok falában; amikor ez a szerkezet (amely mechanikailag ellenálló) eltörik, a baktérium addig húzza a vizet, amíg fel nem robban. A lizozimnak sikerül megtörnie a NAM és a NAG közötti β-1,4 glükozid kötést.
A lizozim katalitikus helyét egy barázda jelzi, amely az enzim mentén fut, amelyben a poliszacharid lánc be van helyezve: a lánc hat glükozid gyűrűjét a horonyba helyezik.
A c "horony harmadik helyzetében fojtó: ebben a helyzetben csak egy NAG helyezhető el, mert a magasabb méretű NAM nem tud belépni. A tényleges katalitikus hely a negyedik és az ötödik pozíció között van: mivel van egy NAG a harmadik pozícióban, a vágás a NAM és a NAG között történik (és nem fordítva); a vágás tehát specifikus.
Az optimális pH a lizozim működéséhez öt. Az enzim katalitikus helyén, azaz a negyedik és az ötödik pozíció között egy aszparaginsav és egy glutaminsav oldallánca található.

A homológia foka: a fehérjeszerkezetek rokonságát (azaz hasonlóságát) méri.

Szoros kapcsolat van a lizozim és a laktóz-szintáz között.
A laktóz-szintetáz szintetizálja a laktózt (ez a fő tejcukor): a laktóz egy galaktosil-glükozid, amelyben c "β-1,4 glükozid kötés a galaktóz és a glükóz között.
Ezért a laktóz-szintetáz a lizozim által katalizált reakcióval ellentétes reakciót katalizálja (amely ehelyett felbontja a β-1,4 glükozid kötést)
A laktóz -szintetáz dimer, azaz két fehérje láncból áll, amelyek közül az egyik katalitikus tulajdonságokkal rendelkezik, és összehasonlítható a lizozimmal, a másik pedig egy szabályozó alegység.
A terhesség alatt a glikoproteineket az emlőmirigy sejtjei szintetizálják galatozil-transzferáz hatására ("szekvencia-homológiája 40% a lizozimmal"): ez az enzim képes egy nagy energiájú szerkezetből egy galaktozilcsoportot átvinni a glikoprotein szerkezete. A terhesség alatt a galaktosisil-transzferázt kódoló gén expressziója indukálódik (más géneket is expresszálnak, amelyek más termékeket is adnak): nő a mell mérete, mert aktiválódik az emlőmirigy (korábban inaktív), amelynek tejet kell termelnie. A szülés során α-laktalbumin termelődik, amely szabályozófehérje: képes szabályozni a galaktozil-transzferáz katalitikus kapacitását (a szubsztrát megkülönböztetésével). Az α-laktallalbuminnal módosított galaktozil-transzferáz képes átvinni egy galaktozilt egy glükózmolekulára: β-1,4 glikozid kötést képezve és laktózt (laktóz-szintetázt) adva.
Ezért a galaktóz -transzferáz előkészíti az emlőmirigyet a szülés előtt, és tejet termel a szülés után.
A glikoproteinek előállításához a galaktozil -transzferáz galaktozilhoz és NAG -hoz kötődik; a szülés során a laktális albumin kötődik a galaktoziltranszferázhoz, ezáltal az utóbbi felismeri a glükózt, és már nem NAG, hogy laktózt adjon.