definícia
Enzýmy sú proteíny produkované v rastlinných a živočíšnych bunkách, ktoré pôsobia ako katalyzátory urýchľovaním biologických reakcií bez toho, aby boli modifikované.
Enzýmy pracujú kombináciou so špecifickou látkou, aby ju premenili na inú látku; klasickými príkladmi sú tráviace enzýmy prítomné v slinách, v žalúdku, v pankrease av tenkom čreve, ktoré plnia základnú funkciu pri trávení a pomáhajú rozkladať potraviny na základné zložky, ktoré potom môže telo absorbovať a používať., spracované inými enzýmami alebo vylúčené ako odpad.
Každý enzým má špecifickú úlohu: napríklad ten, ktorý rozkladá tuky, napríklad neovplyvňuje proteíny alebo sacharidy. Enzýmy sú nevyhnutné pre blaho organizmu. Nedostatok, dokonca aj jeden enzým, môže spôsobiť vážne poruchy. Známym príkladom je fenylketonúria (PKU), ochorenie charakterizované neschopnosťou metabolizovať esenciálnu aminokyselinu, fenylalanín, ktorého akumulácia môže spôsobiť fyzické deformácie a duševné ochorenia.
Biochemická analýza
Enzýmy sú konkrétne proteíny, ktoré sú charakteristické tým, že sú biologickými katalyzátormi, to znamená, že majú schopnosť znížiť aktivačnú energiu (Eatt) reakcie, pričom menia svoju cestu tak, aby sa kineticky pomalý proces javil rýchlejší.
Enzýmy zvyšujú kinetiku termodynamicky možných reakcií a na rozdiel od katalyzátorov sú viac-menej špecifické: majú teda substrátovú špecifickosť.
Enzým sa nepodieľa na stechiometrii reakcie: na to je nevyhnutné, aby konečné katalytické miesto bolo identické s východiskovým.
V katalytickom pôsobení je takmer vždy pomalá fáza, ktorá určuje rýchlosť procesu.
Keď hovoríme o enzýmoch, nie je správne hovoriť o rovnovážnych reakciách, hovoríme namiesto ustáleného stavu (stav, v ktorom sa určitý metabolit vytvára a spotrebováva nepretržite, pričom jeho koncentrácia sa udržiava takmer konštantná v čase). Produkt reakcie katalyzovanej enzýmom je zvyčajne samotný reaktant pre následnú reakciu, katalyzovaný iným enzýmom a tak ďalej.
Enzýmom katalyzované procesy sú zvyčajne tvorené sekvenciami reakcií.
Generická reakcia katalyzovaná enzýmom (E) môže byť teda schematicky znázornená:
Generický enzým (E) sa kombinuje so substrátom (S) za vzniku aduktu (ES) s konštantou rýchlosti Kl; môže sa opäť oddeliť v E + S, s konštantou rýchlosti K2, alebo (ak "žije" dostatočne dlho), môže pokračovať do tvaru P s konštantou rýchlosti K3.
Produkt (P) môže následne rekombinovať s enzýmom a reformovať adukt s konštantou rýchlosti K4.
Keď sa enzým a substrát zmiešajú, je tu zlomok času, v ktorom sa stretnutie medzi týmito dvoma druhmi ešte nevyskytlo: to znamená, že existuje extrémne krátky časový interval (ktorý závisí od reakcie), v ktorom enzým a substrát ešte nie sú splnené; po tejto dobe sa enzým a substrát dostanú do kontaktu v rastúcom množstve a vytvorí sa ES adukt. Následne enzým pôsobí na substrát a produkt sa uvoľňuje. Potom sa dá povedať, že existuje počiatočný časový interval, v ktorom koncentrácia aduktu ES nie je definovateľná; po tomto období sa predpokladá, že sa ustáli rovnovážny stav, tj rýchlosť procesov vedúcich k aduktu sa rovná rýchlosti procesov vedúcich k zničeniu aduktu.
Michaelis-Mentenova konštanta (KM) je rovnovážna konštanta (vzťahujúca sa na prvú rovnováhu opísanú vyššie); môžeme povedať, s dobrou aproximáciou (pretože K3 by sa tiež malo brať do úvahy), že KM je reprezentovaný pomerom medzi kinetickými konštantami K2 a K1 (odkazujúc na deštrukciu a tvorbu aduktu ES v prvej rovnováhe opísanej vyššie).
Prostredníctvom Michaelis-Mentenovej konštanty máme indikáciu afinity medzi enzýmom a substrátom: ak je KM malý, existuje vysoká afinita medzi enzýmom a substrátom, takže ES adukt je stabilný.
Enzýmy podliehajú regulácii (alebo modulácii).
V minulosti sa hovorilo predovšetkým o negatívnej modulácii, ktorou je inhibícia katalytických kapacít enzýmu, ale jedna môže mať aj pozitívnu moduláciu, to znamená, že existujú druhy schopné zvýšiť katalytickú kapacitu enzýmu.
Existujú 4 typy inhibícií (získané z aproximácií vykonaných na modeli, ktoré zodpovedajú experimentálnym údajom s matematickými rovnicami):
- konkurenčnú inhibíciu
- nekompetitívna inhibícia
- Nekompetitívna inhibícia
- akonkurenčná inhibícia
Hovorí sa o kompetitívnej inhibícii, keď molekula (inhibítor) je schopná konkurovať substrátu. Štrukturálnou podobnosťou môže inhibítor reagovať namiesto substrátu; toto je miesto, kde pochádza pojem "konkurenčná inhibícia". Pravdepodobnosť, že sa enzým viaže na inhibítor alebo substrát, závisí od koncentrácie oboch a ich afinity k enzýmu; rýchlosť reakcie závisí od týchto faktorov.
Na dosiahnutie rovnakej reakčnej rýchlosti, ktorá by nastala bez prítomnosti inhibítora, je potrebné mať vyššiu koncentráciu substrátu.
Experimentálne sa ukazuje, že v prítomnosti inhibítora sa Michaelis-Mentenova konštanta zvyšuje.
Pokiaľ ide namiesto toho o nekompetitívnu inhibíciu, interakcia medzi molekulou, ktorá by mala fungovať ako modulátor (pozitívny alebo negatívny inhibítor) a enzýmom, sa vyskytuje v mieste, ktoré je odlišné od miesta, v ktorom sa \ t interakcia medzi enzýmom a substrátom; preto hovoríme o alosterickej modulácii (z gréckeho alosterosu → iné miesto).
Ak sa inhibítor viaže na enzým, môže indukovať modifikáciu štruktúry enzýmu a následne môže znížiť účinnosť, s ktorou sa substrát viaže na enzým.
Pri tomto type procesu zostáva konštanta Michaelis-Mentenova konštantná, pretože táto hodnota závisí od rovnováhy medzi enzýmom a substrátom a tieto rovnováhy, dokonca ani v prítomnosti inhibítora, sa nemenia.
Fenomén nekompetentnej inhibície je zriedkavý; typický nekompetentný inhibítor je látka, ktorá sa reverzibilne viaže na ES adukt, ktorý vedie k ESI:
Inhibícia nadbytku substrátu môže byť niekedy nekompetentného typu, pretože k tomu dochádza, keď sa druhá molekula substrátu viaže na komplex ES, čím vzniká komplex ESS.
Na druhej strane sa kompetitívny inhibítor môže viazať len na substrátový enzýmový adukt, ako v predchádzajúcom prípade: väzba substrátu na voľný enzým indukuje konformačnú modifikáciu, ktorá robí miesto prístupným pre inhibítor.
Konštanta Michaelis Menten klesá so zvyšujúcou sa koncentráciou inhibítora: zrejme preto sa zvyšuje afinita enzýmu k substrátu.
Serínové proteázy
Sú to rodina enzýmov, ku ktorým patrí chimotripsín a trypsín.
Chymotrypsín je proteolytický a hydrolytický enzým, ktorý štiepi hydrofóbne a aromatické aminokyseliny vpravo.
Produkt génu, ktorý kóduje chymotrypsín, nie je aktívny (aktivuje sa príkazom); neaktívna forma chymotrypsínu je reprezentovaná polypeptidovým reťazcom 245 aminokyselín. Chymotrypsín má globulárny tvar v dôsledku piatich disulfidových mostíkov a ďalších drobných interakcií (elektrostatické, Van der Waalsove sily, vodíkové väzby atď.).
Chymotrypsín je produkovaný chimatickými bunkami pankreasu, kde je obsiahnutý v špeciálnych membránach a vylučovaný pankreatickým kanálom do čreva v čase trávenia potravy: chymotrypsín je vlastne tráviaci enzým. Proteíny a živiny, ktoré prijímame cez diétu, sa podrobia tráveniu, aby sa zmenšili na menšie reťazce a aby sa absorbovali a transformovali na energiu (napr. Amylázy a proteázy rozdeľujú živiny na glukózu a aminokyseliny, ktoré sa dostávajú do buniek, cez cievy sa dostanú do portálnej žily a odtiaľ sa dopravia do pečene, kde podstúpia ďalšie ošetrenie).
Enzýmy sa vyrábajú v neaktívnej forme a aktivujú sa len vtedy, keď sa dostanú na „miesto, kde musia pracovať“; keď ich činnosť skončí, sú deaktivované. Enzým, ktorý je raz deaktivovaný, nemôže byť reaktivovaný: aby mal ďalší katalytický účinok, musí byť nahradený inou molekulou enzýmu. Ak sa chimitripsina už vyrába v aktívnej forme v pankrease, napadne ju: pankreatitída je patológia spôsobená tráviacimi enzýmami, ktoré sú už aktivované v pankrease (a nie v požadovaných miestach); niektoré z nich, ak nie sú liečené včas, vedú k smrti.
V chymotrypsíne a vo všetkých serínových proteázach je katalytický účinok spôsobený existenciou alkoxidového aniónu (-CH20-) v bočnom reťazci serínu.
Serínové proteázy berú tento názov presne preto, že ich katalytický účinok je spôsobený serínom.
Akonáhle všetok enzým vykonal svoju činnosť, predtým, ako bol schopný znovu pracovať na substráte, musí byť obnovený vodou; "Oslobodenie" serínu vodou je najpomalšie štádium procesu a práve táto fáza určuje rýchlosť katalýzy.
Katalytický účinok prebieha v dvoch fázach:
- tvorbu aniónov s katalytickými vlastnosťami (alkoxidový anión) a následný nukleofilný atak na karbonylový uhlík (C = O) s odštiepením tvorby peptidovej väzby a esteru;
- útoku vody s regeneráciou katalyzátora (schopného tak znovu uplatniť katalytický účinok).
Rôzne enzýmy, ktoré patria do rodiny serínových proteáz, môžu byť tvorené rôznymi aminokyselinami, ale pre všetky sú katalytické miesto predstavované alkolátovým aniónom bočného reťazca serínu.
Podrodina serínových proteáz je taká, ako enzýmy podieľajúce sa na koagulácii (ktorá spočíva v transformácii proteínu, z ich inaktívnej formy na inú, ktorá je aktívna). Tieto enzýmy zabezpečujú, že koagulácia je čo najúčinnejšia a je obmedzená v priestore a čase (koagulácia sa musí vyskytovať rýchlo a musí sa vyskytovať len v blízkosti poškodenej oblasti). Enzýmy, ktoré sa podieľajú na koagulácii, sú aktivované v kaskáde (z aktivácie jediného enzýmu sa získajú miliardy enzýmov: každý enzým sa aktivuje, následne aktivuje mnoho ďalších enzýmov).
Trombóza je ochorenie spôsobené poruchou koagulačných enzýmov: je spôsobená aktiváciou enzýmov používaných pri koagulácii bez nutnosti (pretože neexistuje lézia).
Existujú modulujúce enzýmy (regulátory) a inhibičné enzýmy pre iné enzýmy: interakciou s týmito enzýmami regulujú alebo inhibujú ich aktivitu; dokonca aj produkt enzýmu môže byť inhibítorom enzýmu. Tam sú tiež enzýmy, ktoré fungujú, tým viac je substrát prítomný.
lyzozým
Luigi Pasteur náhodou objavil kýchanie na Petriho miske, že v hliene je enzým schopný zabíjať baktérie: lyzozým ; z gréckeho jazyka : liso = ktorý škrty; zimo = enzým.
Lyzozým je schopný rozrušiť bunkovú stenu baktérií. Baktérie a všeobecne jednobunkové organizmy potrebujú mechanicky odolné štruktúry, ktoré obmedzujú ich tvar; vnútri baktérií je veľmi vysoký osmotický tlak, preto priťahujú vodu. Plazmatická membrána by explodovala, ak by nebola žiadna bunková stena, ktorá by bola proti vstupu vody a obmedzila by sa objem baktérie.
Bunková stena sa skladá z polysacharidového reťazca, v ktorom sa striedajú molekuly N-acetylglukozamínu (NAG) a molekuly N-acetyl-murámovej kyseliny (NAM); spojenie medzi NAG a NAM sa rozkladá hydrolýzou. NAM karboxylová skupina v bunkovej stene je zapojená do peptidovej väzby s aminokyselinou.
Medzi rôznymi reťazcami sú vytvorené mostíky tvorené pseudo-peptidovými väzbami: vetvenie je spôsobené molekulou lyzínu; štruktúra ako celok je veľmi rozvetvená, čo jej dáva vysokú stabilitu.
Lyzozým je antibiotikum (zabíja baktérie): účinkuje prasknutím v bakteriálnej stene; keď je táto štruktúra rozbitá (ktorá je mechanicky odolná), baktéria priťahuje vodu až do prasknutia. Lyzozým je schopný rozbiť b-1, 4 glukozidovú väzbu medzi NAM a NAG.
Katalytické miesto lyzozýmu je reprezentované drážkou, ktorá prebieha pozdĺž enzýmu, do ktorého je vložený polysacharidový reťazec: šesť glukozidických kruhov reťazca, nachádzajú sa v drážke.
V polohe tri drážky je úzke hrdlo: v tejto polohe môže byť umiestnená iba jedna NAG, pretože NAM, ktorá je väčšia, nemôže vstúpiť. Skutočné katalytické miesto je medzi polohami štyri a päť: v polohe tri je NAG, rez sa uskutoční medzi NAM a NAG (a nie naopak); rez je preto špecifický.
Optimálne pH pre fungovanie lyzozýmu je päť. V katalytickom mieste enzýmu, ktorý je medzi polohami štyri a päť, sú postranné reťazce kyseliny asparágovej a kyseliny glutámovej.
Stupeň homológie : meria vzťah (tj podobnosť) medzi proteínovými štruktúrami.
Existuje prísny vzťah medzi lyzozýmom a laktózovo-syntetázou.
Laktózasyntáza syntetizuje laktózu (čo je hlavný cukor v mlieku): laktóza je galaktozylglukozid, v ktorom je beta-1, 4 glukozidová väzba medzi galaktózou a glukózou.
Laktózasyntetáza teda katalyzuje opačnú reakciu ako reakcia katalyzovaná lyzozýmom (ktorý namiesto toho rozkladá β-1, 4-glukozidovú väzbu)
Laktózasyntáza je dimér, to znamená, že pozostáva z dvoch proteínových reťazcov, z ktorých jeden má katalytické vlastnosti a je porovnateľný s lyzozýmom a druhý je regulačná podjednotka.
Počas tehotenstva sa glykoproteíny syntetizujú z buniek prsnej žľazy pôsobením galatosyl-tranferázy (má 40% sekvenčnú homológiu s lyzozýmom): tento enzým je schopný preniesť galaktozylovú skupinu z vysokoenergetickej štruktúry na glykoproteínovú štruktúru. Počas tehotenstva je indukovaná expresia génu kódujúceho galaktózu-transferázu (existuje aj expresia iných génov, ktoré tiež poskytujú iné produkty): dochádza k zvýšeniu veľkosti prsníka, pretože je aktivovaná prsná žľaza (predtým neaktívne), ktoré musia produkovať mlieko. Počas pôrodu sa produkuje a-laktalalbumín, ktorý je regulačným proteínom: je schopný regulovať katalytickú kapacitu galaktozyl-transferázy (kvôli substrátovej diskriminácii). Galaktozyl-transferáza modifikovaná a-laktalalbumínom je schopná prenášať galaktozylovú skupinu na molekulu glukózy: tvoriť p-1, 4 glykozidovú väzbu a dávať laktózu (laktózová syntetáza).
Galaktózová transferáza teda pripravuje prsnú žľazu pred pôrodom a produkuje mlieko po pôrode.
Na produkciu glykoproteínov sa galaktozyltransferáza viaže na galaktozyl a NAG; počas pôrodu sa laktálny albumín viaže na galaktozyltransferázu, čo spôsobuje, že tento laktát rozpoznáva skôr glukózu ako NAG za vzniku laktózy.
