definition
Enzymer är proteiner som produceras i växt- och djurceller, vilka fungerar som katalysatorer genom att accelerera biologiska reaktioner utan att modifieras.
Enzymerna arbetar genom att kombinera med en specifik substans för att omvandla den till en annan substans; klassiska exempel ges av matsmältningsenzymerna närvarande i saliv, i mage, i bukspottkörteln och i tunntarmen, som utspelar en väsentlig funktion vid matsmältningen och hjälper till att bryta ner mat i de grundläggande beståndsdelarna som sedan kan absorberas och användas av kroppen, bearbetas av andra enzymer eller expanderas som avfall.
Varje enzym har en särskild roll: den som bryter ner fetter, påverkar inte heller proteiner eller kolhydrater. Enzymer är väsentliga för organismens välbefinnande. Brist, även av ett enda enzym, kan orsaka allvarliga störningar. Ett ganska välkänt exempel är fenylketonuri (PKU), en sjukdom som kännetecknas av oförmåga att metabolisera en essentiell aminosyra, fenylalanin, vars ackumulering kan orsaka fysiska deformiteter och psykiska sjukdomar.
Biokemisk analys
Enzymer är speciella proteiner som har karaktäristika för att vara biologiska katalysatorer, det vill säga att de har förmågan att reducera aktiveringsenergin (Eatt) för en reaktion, ändra dess väg för att göra en kinetiskt långsam process framträder snabbare.
Enzymer ökar kinetiken för termodynamiskt möjliga reaktioner och, till skillnad från katalysatorer, är mer eller mindre specifika: de har därför substratspecificitet.
Enzymet är inte inblandat i reaktionens stökiometri: för att detta ska ske är det väsentligt att den slutliga katalytiska platsen är identisk med start-en.
I katalytisk verkan finns det nästan alltid en långsam fas som bestämmer processens hastighet.
När vi talar om enzymer är det inte korrekt att tala om jämviktsreaktioner, vi talar istället för ett stadigt tillstånd (tillstånd där en viss metabolit bildas och förbrukas kontinuerligt, bibehåller koncentrationen nästan konstant över tiden). Produkten av en reaktion katalyserad av ett enzym är vanligtvis en reaktant för en efterföljande reaktion, katalyserad av ett annat enzym, och så vidare.
Enzymkatalyserade processer består vanligtvis av reaktionssekvenser.
En generisk reaktion katalyserad av ett enzym (E) kan således schematiseras:
Ett generiskt enzym (E) kombinerar med substratet (S) för att bilda addukten (ES) med en hastighetskonstant Kl; Den kan disassociera igen i E + S, med en hastighetskonstant K2, eller, om "lever" tillräckligt länge) kan den fortsätta att bilda P med en hastighetskonstant K3.
Produkten (P) kan i sin tur rekombineras med enzymet och reformera addukten med hastighetskonstant K4.
När enzymet och substratet blandas är det en bråkdel av tid där mötet mellan de två arterna ännu inte har inträffat: det finns ett extremt kort tidsintervall (vilket beror på reaktionen) där enzym och substrat har ännu inte träffats; Efter denna period kommer enzymet och substratet i kontakt i ökande kvantiteter och ES-addukten bildas. Därefter verkar enzymet på substratet och produkten frisätts. Det kan då sägas att det finns ett initialt tidsintervall i vilket koncentrationen av ES-addukten inte är definierbar; Efter denna period antas det att ett stadigt tillstånd är etablerat, dvs hastigheten hos processerna som leder till addukten är lika med hastigheten hos processerna som leder till adduktens förstöring.
Michaelis-Menten-konstanten (KM) är en jämviktskonstant (hänvisad till den första jämvikten beskriven ovan); vi kan säga med god approximation (eftersom K3 också bör övervägas) att KM representeras av förhållandet mellan de kinetiska konstanterna K2 och K1 (med hänvisning till förstörelsen och bildandet av addukten ES i den första jämvikten beskriven ovan).
Genom Michaelis-Menten-konstanten har vi en indikation på affiniteten mellan enzym och substrat: om KM är liten finns det en hög affinitet mellan enzym och substrat, så ES-addukten är stabil.
Enzymer är föremål för reglering (eller modulering).
I det förflutna pratades framför allt negativ modulering, det vill säga inhibering av det enzymets katalytiska kapacitet, men man kan också ha en positiv modulering, det vill säga att det finns arter som kan förbättra enzymets katalytiska förmåga.
Det finns 4 typer av hämningar (erhållna från approximationer gjorda på en modell för att matcha experimentdata med matematiska ekvationer):
- kompetitiv inhibering
- icke-konkurrenskraftig inhibering
- Incompetitiv inhibering
- akompetitiv inhibering
Det finns tal om konkurrenshämning när en molekyl (inhibitor) kan konkurrera med substratet. Med strukturell likhet kan inhibitorn reagera i stället för substratet; Det här är var termen "konkurrenshämning" kommer ifrån. Sannolikheten för att enzymet binder till hämmaren eller substratet beror på koncentrationen av båda och deras affinitet med enzymet; reaktionshastigheten beror på dessa faktorer.
För att erhålla samma reaktionshastighet som skulle ske utan närvaron av inhibitorn är det nödvändigt att ha en högre substratkoncentration.
Det visas experimentellt att Michaelis-Menten-konstanten i närvaro av en hämmare ökar.
När det gäller istället den icke-konkurrerande inhiberingen, sker interaktionen mellan molekylen som ska fungera som en modulator (positiv eller negativ hämmare) och enzymet på en plats som skiljer sig från den där interaktion mellan enzym och substrat; Vi talar därför om allosterisk modulering (från den grekiska allosteros → annan sida).
Om hämmaren går för att binda till enzymet kan den inducera en modifiering av enzymets struktur och följaktligen kan den minska effektiviteten med vilken substratet är bunden till enzymet.
I denna typ av process förblir Michaelis-Menten-konstanten konstant, eftersom detta värde beror på jämvikten mellan enzym och substrat och förändras inte dessa jämvikt, även i närvaro av en inhibitor.
Fenomenet inkompetent hämning är sällsynt; en typisk inkompetent inhibitor är ett ämne som reversibelt binder till ES-addukten som ger upphov till ESI:
Inhibering av överskott av substrat kan ibland vara av inkompetent typ, eftersom detta inträffar när en andra substratmolekyl binder till ES-komplexet, vilket ger upphov till ESS-komplexet.
En kompabilitetshämmare kan å andra sidan endast binde till substratenzymaddukten som i föregående fall: bindningen av substratet till det fria enzymet inducerar en konformationsändring som gör platsen tillgänglig för inhibitorn.
Michaelis Menten-konstanten minskar med ökande hämmarkoncentration: uppenbarligen ökar därför affiniteten hos enzymet till substratet.
Serinproteaser
De är en familj av enzymer som chimotripsin och trypsin hör hemma till.
Chymotrypsin är ett proteolytiskt och hydrolytiskt enzym som skär hydrofoba och aromatiska aminosyror till höger.
Produkten från genen som kodar för chymotrypsin är inte aktiv (den aktiveras med ett kommando); den icke-aktiva formen av chymotrypsin representeras av en polypeptidkedja med 245 aminosyror. Chymotrypsin har en globulär form på grund av fem disulfidbroar och andra mindre interaktioner (elektrostatiska, Van der Waals-krafter, vätebindningar etc.).
Chymotrypsin produceras av bukspottkörtelns chimatiska celler, där den finns i speciella membran och expanderas genom bukspottskörteln i tarmen, vid tidpunkten för matsmältningen: chymotrypsin är verkligen ett matsmältningsenzym. De proteiner och näringsämnen som vi intager genom kosten utsätts för att matsmältningen reduceras till mindre kedjor och absorberas och omvandlas till energi (t.ex. amylaser och proteaser delar upp näringsämnena i glukos och aminosyror som når cellerna, genom blodkärlen når de till portalvenen och därifrån transporteras de till levern där de genomgår ytterligare behandlingar).
Enzymer produceras i inaktiv form och aktiveras endast när de når "platsen där de måste fungera"; när deras åtgärd är över, deaktiveras de. Ett enzym, som en gång har avaktiverats, kan inte reaktiveras. För att ha ytterligare katalytisk verkan måste den ersättas av en annan enzymmolekyl. Om chimitripsina redan producerades i en aktiv form i bukspottkörteln, skulle den attackera sistnämnda: pankreatit är patologier på grund av matsmältningsenzymer som redan är aktiverade i bukspottkörteln (och inte på de nödvändiga platserna); några av dem om de inte behandlas i tid leder till döden.
I chymotrypsin och i alla serinproteaser beror den katalytiska verkan på förekomsten av alkolatanjonen (-CH20-) i sidokedjan hos en serin.
Serinproteaserna tar detta namn exakt eftersom deras katalytiska verkan beror på serin.
När allt enzymet har utfört sin funktion, måste det återställas med vatten innan det kan återupptas på substratet igen. "frigörelsen" av serin med vatten är det långsammaste steget i processen, och det är denna fas som bestämmer katalysens hastighet.
Den katalytiska verkan sker i två faser:
- anjonbildning med katalytiska egenskaper (alkolatanjon) och efterföljande nukleofil attack mot karbonylkolet (C = O) med klyvning av peptidbindningen och esterbildning;
- vattnets attack med återvinning av katalysatorn (kunna, så att den igen utövar sin katalytiska verkan).
De olika enzymer som hör till familjen av serinproteaser kan bestå av olika aminosyror, men för allt är den katalytiska platsen representerad av alkolatanjonen av sidokedjan hos en serin.
En subfamilj av serinproteaser är den för enzymerna som är involverade i koagulering (som består i omvandling av protein, från deras inaktiva form till en annan form som är aktiv). Dessa enzymer säkerställer att koaguleringen är så effektiv som möjligt och är begränsad i rymden och tiden (koagulering måste ske snabbt och måste endast ske nära det skadade området). De enzymer som är involverade i koaguleringen aktiveras i kaskad (från aktiveringen av ett enda enzym erhålles miljarder enzymer: varje enzym aktiverat aktiverar i sin tur många andra enzymer).
Trombos är en sjukdom på grund av störningar i koagulationsenzymer: det är orsakat av aktivering, utan nödvändighet (eftersom det inte finns någon skada), av enzymerna som används vid koagulering.
Det finns modulerande enzymer (regulatorer) och hämmande enzymer för andra enzymer: genom att interagera med de senare reglerar eller hämmar de deras aktivitet; även produkten av ett enzym kan vara en hämmare för enzymet. Det finns också enzymer som fungerar desto större är substratet som är närvarande.
lysozym
Luigi Pasteur upptäckte, av en slump, nysning på en petriskål, att i slem finns ett enzym som kan döda bakterier: lysozym ; från grekiska: liso = vilka skär zimo = enzym.
Lysozym har förmåga att bryta cellväggen hos bakterier. Bakterier och i allmänhet enskilda cellorganismer behöver mekaniskt resistenta strukturer som begränsar deras form; Inuti bakterierna finns ett mycket högt osmotiskt tryck därför att de lockar vatten. Plasmamembranet skulle explodera om det inte fanns någon cellvägg som motverkar inmatningen av vatten och begränsar bakterievolymen.
Cellväggen består av en polysackaridkedja i vilken N-acetyl-glukosamin (NAG) -molekyler och N-acetyl-muraminsyra (NAM) -molekyler är alternativa; länken mellan NAG och NAM bryts ner genom hydrolys. NAM-karboxylgruppen i cellväggen är involverad i en peptidbindning med en aminosyra.
Mellan de olika kedjorna bildas broar bestående av pseudo-peptidbindningar: förgreningen beror på lysinmolekylen; strukturen som helhet är mycket grenad och det ger den hög stabilitet.
Lysozym är ett antibiotikum (det dödar bakterier): det verkar genom att göra en spricka i bakterieväggen; När denna struktur är trasig (som är mekaniskt resistent) lockar bakterien vatten tills det brister. Lysozym kan bryta b-1, 4 glukosidbindningen mellan NAM och NAG.
Den katalytiska platsen för lysozymet representeras av ett spår som löper längs enzymet i vilket polysackaridkedjan införs: sex glukosidringar av kedjan finner deras plats i spåret.
I spårets treposition finns en flaskhals: i denna position kan endast en NAG placeras, eftersom NAM, som är större, inte kan komma in. Den faktiska katalytiska platsen är mellan positionerna fyra och fem: det finns en NAG i position tre, skärningen kommer att äga rum mellan en NAM och en NAG (och inte vice versa); därför är skälet specifikt.
Det optimala pH-värdet för lysozymets funktion är fem. I enzymets katalytiska ställe, som ligger mellan positionerna fyra och fem, finns sidokedjorna av en asparaginsyra och en glutaminsyra.
Grad av homologi : mäter förhållandet (dvs likheten) mellan proteinkonstruktioner.
Det finns en stringent relation mellan lysozym och laktos-syntetas.
Laktosesyntas syntetiserar laktos (vilket är huvudsockret i mjölk): Laktos är en galaktosylglukosid, där det finns en p-1, 4 glukosidbindning mellan galaktos och glukos.
Således katalyserar laktosyntetas reaktionen motsatt den som katalyseras av lysozym (som i stället bryter ner p-1, 4-glukosidbindningen)
Laktosesyntas är en dimer, dvs består av två proteinkedjor, varav den ena har katalytiska egenskaper och kan jämföras med lysozym och den andra är en regulatorisk subenhet.
Under graviditeten syntetiseras glykoproteiner från bröstkörtelceller genom verkan av galatosyl-tranferas (den har en 40% sekvenshomologi med lysozym): detta enzym kan överföra en galaktosylgrupp från en högenergistruktur till en glykoproteinstruktur. Under graviditeten induceras uttrycket av genen som kodar för galaktostransferas (det finns också uttryck för andra gener som också ger andra produkter): det finns en ökning i bröstets storlek eftersom bröstkörteln aktiveras (tidigare inte aktiv) som måste producera mjölk. Under födseln produceras a-laktalalbumin som är ett reglerande protein: det kan reglera den katalytiska förmågan hos galaktosyltransferas (på grund av substratdiskriminering). Galaktosyltransferaset modifierat med a-laktalalbumin kan överföra en galaktosyl på en glukosmolekyl: bilda ett p-1, 4 glykosidbindning och ge laktos (laktosyntetas).
Således förbereder galaktostransferas bröstkörteln före leverans och producerar mjölk efter leverans.
För att producera glykoproteiner binder galaktosyltransferas till en galaktosyl och en NAG; under födseln binder laktalbumin till galaktosyltransferas, vilket gör att den senare känner igen glukos snarare än NAG för att ge laktos.
