definition
Enzymer er proteiner produceret i plante- og dyreceller, som virker som katalysatorer ved at accelerere biologiske reaktioner uden at blive modificeret.
Enzymerne virker ved at kombinere med et bestemt stof for at omdanne det til et andet stof; klassiske eksempler gives af fordøjelsesenzymerne i spyt, i maven, i bugspytkirtlen og i tyndtarmen, som udfører en væsentlig funktion i fordøjelsen og hjælper med at nedbryde fødevarer i de grundlæggende bestanddele, som derefter kan absorberes og bruges af kroppen, behandlet af andre enzymer eller udvist som affald.
Hvert enzym har en specifik rolle: Den der bryder ned fedtstoffer, for eksempel, påvirker ikke proteiner eller kulhydrater. Enzymer er afgørende for organismens trivsel. Mangel, selv af et enkelt enzym, kan forårsage alvorlige lidelser. Et forholdsvis velkendt eksempel er phenylketonuri (PKU), en sygdom præget af manglende evne til at metabolisere en essentiel aminosyre, phenylalanin, hvis ophobning kan forårsage fysiske deformiteter og psykiske sygdomme.
Biokemisk analyse
Enzymer er særlige proteiner, der har karakteristika for at være biologiske katalysatorer, det vil sige, de har evnen til at reducere aktiveringsenergien (Eatt) af en reaktion, idet den ændrer sin vej for at gøre en kinetisk langsom proces fremtræder hurtigere.
Enzymer øger kinetikken af termodynamisk mulige reaktioner og er i modsætning til katalysatorer mere eller mindre specifikke: de har derfor substratspecificitet.
Enzymet er ikke involveret i reaktionens støkiometri: for at dette skal ske, er det vigtigt, at det endelige katalytiske sted er identisk med start-en.
I den katalytiske handling er der næsten altid en langsom fase, der bestemmer procesens hastighed.
Når vi taler om enzymer, er det ikke korrekt at tale om ligevægtsreaktioner, vi taler i stedet for en stabil tilstand (tilstand, hvor en bestemt metabolitt dannes og forbruges kontinuerligt, idet koncentrationen er næsten konstant over tid). Produktet af en reaktion katalyseret af et enzym er sædvanligvis selv en reaktant til en efterfølgende reaktion, katalyseret af et andet enzym og så videre.
Enzymkatalyserede processer består sædvanligvis af reaktionssekvenser.
En generisk reaktion katalyseret af et enzym (E) kan således skematiseres:
Et generisk enzym (E) kombinerer med substratet (S) for at danne adduktet (ES) med en hastighedskonstant K1; det kan disassociere igen i E + S, med en hastighedskonstant K2 eller, (hvis "lever" længe nok) kan den fortsætte med at danne P med en hastighedskonstant K3.
Produktet (P) kan igen kombinere med enzymet og reformere adduktet med hastighedskonstant K4.
Når enzym og substrat blandes, er der en brøkdel af tid, hvor mødet mellem de to arter endnu ikke er sket: det vil sige, at der er et ekstremt kort tidsinterval (hvilket afhænger af reaktionen), hvor enzym og substrat er endnu ikke opfyldt; efter denne periode kommer enzymet og substratet i kontakt i stigende mængder, og ES-adduktet dannes. Derefter virker enzymet på substratet, og produktet frigives. Det kan da siges, at der er et indledende tidsinterval, hvor koncentrationen af ES-adduktet ikke er definerbar; Efter denne periode antages det, at en stabil tilstand er etableret, dvs. hastigheden af processerne, der fører til adduktet, er lig med hastigheden af processerne, der fører til ødelæggelsen af adduktet.
Michaelis-Menten-konstanten (KM) er en ligevægtskonstant (henvist til den første ligevægt beskrevet ovenfor); vi kan sige med god tilnærmelse (fordi K3 også bør overvejes), at KM er repræsenteret ved forholdet mellem de kinetiske konstanter K2 og K1 (med henvisning til ødelæggelsen og dannelsen af adduktet ES i den første ligevægt beskrevet ovenfor).
Gennem Michaelis-Menten-konstanten har vi en indikation af affiniteten mellem enzym og substrat: hvis KM er lille er der en høj affinitet mellem enzym og substrat, så ES-adduktet er stabilt.
Enzymer er underlagt regulering (eller modulering).
Tidligere var der tale om først og fremmest negativ modulering, det vil sige hæmning af enzymets katalytiske kapacitet, men man kan også have en positiv modulering, det vil sige, at der er arter, der kan forbedre enzymets katalytiske kapacitet.
Der er 4 typer hæmninger (opnået fra tilnærmelser lavet på en model for at matche eksperimentelle data med de matematiske ligninger):
- konkurrencedygtig inhibering
- ikke-konkurrencedygtig inhibering
- Incompetitive inhibering
- akkompetitiv inhibering
Der er tale om konkurrencehæmning, når et molekyle (inhibitor) er i stand til at konkurrere med substratet. Ved strukturel lighed kan inhibitoren reagere i stedet for substratet; Det er her, hvor udtrykket "konkurrencehæmning" kommer fra. Sandsynligheden for, at enzymet binder til inhibitoren eller substratet, afhænger af koncentrationen af begge og deres affinitet med enzymet; reaktionshastigheden afhænger af disse faktorer.
For at opnå den samme reaktionshastighed, som ville forekomme uden tilstedeværelsen af inhibitoren, er det nødvendigt at have en højere substratkoncentration.
Det vises eksperimentelt, at Michaelis-Menten-konstanten i nærvær af en hæmmer stiger.
Hvad angår i stedet den ikke-konkurrencedygtige inhibering, forekommer interaktionen mellem molekylet, som skal fungere som en modulator (positiv eller negativ-inhibitor) og enzymet, på et sted, der adskiller sig fra det, hvori interaktion mellem enzym og substrat Vi taler derfor om allosterisk modulering (fra den græske allosteros → anden side).
Hvis inhibitoren går for at binde til enzymet, kan den inducere en modifikation af enzymets struktur og følgelig kan den reducere effektiviteten med hvilken substratet binder til enzymet.
I denne type proces forbliver Michaelis-Menten-konstanten konstant, da denne værdi afhænger af ligevægten mellem enzym og substrat, og disse ækvilibrer ændrer sig ikke selv i tilstedeværelsen af en inhibitor.
Fænomenet inkompetent hæmning er sjælden; en typisk inkompetent hæmmer er et stof, der reversibelt binder til ES-adduktet, der giver anledning til ESI:
Inhibering af overskydende substrat kan undertiden være af inkompetent type, da dette sker, når et andet substratmolekyle binder til ES-komplekset, hvilket giver anledning til ESS-komplekset.
En akkompetitiv inhibitor kan derimod kun binde til substratenzymadduktet som i det foregående tilfælde: bindingen af substratet til det frie enzym inducerer en konformationsændring, der gør stedet tilgængeligt for inhibitoren.
Michaelis Menten-konstanten falder med stigende inhibitorkoncentration: tilsyneladende øges tilsyneladende derfor enzymets affinitet til substratet.
Serine proteaser
De er en familie af enzymer, som chimotripsin og trypsin tilhører.
Chymotrypsin er et proteolytisk og hydrolytisk enzym, som skærer hydrofobe og aromatiske aminosyrer til højre.
Produktet fra genet, som koder for chymotrypsin, er ikke aktivt (det aktiveres med en kommando); den ikke-aktive form af chymotrypsin er repræsenteret af en polypeptidkæde på 245 aminosyrer. Chymotrypsin har en kugleform som følge af fem disulfidbroer og andre mindre interaktioner (elektrostatiske, Van der Waals-kræfter, hydrogenbindinger osv.).
Chymotrypsin er produceret af pancreas chimatiske celler, hvor den er indeholdt i specielle membraner og udstødes gennem bukspyttkjertelen i tarmen, på tidspunktet for fordøjelsen af fødevaren: chymotrypsin er faktisk et fordøjelsesenzym. Proteinerne og næringsstoffer, som vi indtager gennem kosten, bliver underkastet fordøjelsen reduceret til mindre kæder og absorberes og transformeres til energi (fx amylaser og proteaser deler næringsstoffer i glukose og aminosyrer, der når cellerne, gennem blodkarrene når de til portalens vene og derfra transporteres de til leveren, hvor de gennemgår yderligere behandlinger).
Enzymer fremstilles i inaktiv form og aktiveres kun, når de når "stedet, hvor de skal fungere"; Når deres handling er overstået, deaktiveres de. Et enzym, der en gang er deaktiveret, kan ikke reaktiveres: For at have en yderligere katalytisk virkning, skal den erstattes af et andet enzymmolekyle. Hvis chimitripsina allerede var produceret i en aktiv form i bugspytkirtlen, ville den angribe sidstnævnte: pancreatitis er patologier på grund af fordøjelsesenzymer, som allerede er aktiveret i bugspytkirtlen (og ikke på de krævede steder); nogle af dem, hvis de ikke behandles i tide, fører til døden.
I chymotrypsin og i alle serinproteaser skyldes den katalytiske virkning eksistensen af alkolatanionen (-CH20-) i sidekæden af en serin.
Serinproteaserne tager dette navn netop fordi deres katalytiske virkning skyldes en serin.
Når hele enzymet har udført sin handling, skal det genoprettes med vand, inden det igen kan genoptages på substratet. "frigørelsen" af serin ved vand er det langsomste stadium i processen, og det er denne fase, der bestemmer katalysationshastigheden.
Den katalytiske virkning forekommer i to faser:
- aniondannelse med katalytiske egenskaber (alkolatanion) og efterfølgende nukleofilt angreb på carbonylcarbonet (C = O) med spaltning af peptidbindingen og esterdannelsen;
- vandfaldet med genopretning af katalysatoren (i stand til igen at udøve sin katalytiske virkning).
De forskellige enzymer, der tilhører familien af serinproteaser, kan bestå af forskellige aminosyrer, men for det hele er det katalytiske sted repræsenteret af alkolatanionen af sidekæden af en serin.
En subfamilie af serinproteaser er den for de enzymer involveret i koagulation (som består i omdannelse af protein, fra deres inaktive form til en anden form, der er aktiv). Disse enzymer sikrer, at koaguleringen er så effektiv som muligt og er begrænset i rum og tid (koagulering skal ske hurtigt og må kun forekomme i nærheden af det skadede område). De enzymer, der er involveret i koagulationen, aktiveres i kaskade (fra aktiveringen af et enkelt enzym opnås der milliarder enzymer: hvert enzym aktiveret aktiverer igen mange andre enzymer).
Trombose er en sygdom som følge af funktionsfejl i koagulationsenzymer: Det skyldes aktivering uden behov (fordi der ikke er nogen læsion) af de enzymer, der anvendes ved koagulation.
Der er modulerende enzymer (regulatorer) og hæmmende enzymer til andre enzymer: ved at interagere med sidstnævnte regulerer eller hæmmer de deres aktivitet; selv produktet af et enzym kan være en hæmmer for enzymet. Der er også enzymer, der virker jo mere desto større er substratet til stede.
lysozym
Luigi Pasteur opdagede ved en tilfældighed nysen på en petriskål, at der i slimmet er et enzym, der er i stand til at dræbe bakterier: lysozym ; fra græsk: liso = hvilke nedskæringer; zimo = enzym.
Lysozym er i stand til at bryde cellevæggen af bakterier. Bakterier og generelt enkeltcellede organismer har brug for mekanisk resistente strukturer, der begrænser deres form; Inden for bakterierne er der et meget højt osmotisk tryk, derfor tiltrækker de vand. Plasmamembranen ville eksplodere, hvis der ikke var nogen cellevæg, der modsætter indgangen af vand og begrænser bakteriens volumen.
Cellevæggen består af en polysaccharidkæde, hvori N-acetyl-glucosamin (NAG) molekyler og N-acetyl-muraminsyre (NAM) molekyler er alternative; forbindelsen mellem NAG og NAM nedbrydes ved hydrolyse. NAM-carboxylgruppen i cellevæggen er involveret i en peptidbinding med en aminosyre.
Mellem de forskellige kæder dannes broer bestående af pseudo-peptidbindinger: forgreningen skyldes lysinmolekylet; strukturen som helhed er meget forgrenet og det giver den høj stabilitet.
Lysozym er et antibiotikum (det dræber bakterier): det virker ved at gøre en revne i bakterievæggen; Når denne struktur er brudt (som er mekanisk resistent) tiltrækker bakterien vand, indtil det bryder. Lysozym er i stand til at bryde b-1, 4 glucosidbindingen mellem NAM og NAG.
Lysozymets katalytiske sted er repræsenteret af en rille, der løber langs enzymet, hvori polysaccharidkæden indsættes: seks glukosidiske ringe i kæden finder deres plads i rillen.
I position 3 af sporet er der en flaskehals: i denne position kan kun en NAG placeres, fordi NAM, som er større, ikke kan komme ind. Det egentlige katalytiske sted er mellem positionerne fire og fem: der er en NAG i position tre, vil udskæringen finde sted mellem en NAM og en NAG (og ikke omvendt); derfor er klippet specifikt.
Den optimale pH for lysozymets funktion er fem. I enzymets katalytiske sted, der er mellem positionerne fire og fem, er sidekæderne af en asparaginsyre og en glutaminsyre.
Grad af homologi : måler forholdet (dvs. ligheden) mellem proteinstrukturer.
Der er et stringent forhold mellem lysozym og lactosyntetase.
Lactosyntase syntetiserer laktose (som er den vigtigste sukker i mælk): Lactose er et galactosylglucosid, hvori der er en β-1, 4 glucosidbinding mellem galactose og glucose.
Således katalyserer laktosyntetase reaktionen modsat den katalysator, der katalyseres af lysozym (som i stedet bryder ned p-1, 4-glucosidbindingen)
Lactosyntase er en dimer, dvs. den består af to proteinkæder, hvoraf den ene har katalytiske egenskaber og kan sammenlignes med lysozym og den anden er en regulatorisk underenhed.
Under graviditeten syntetiseres glycoproteiner fra brystkirtleceller ved hjælp af galatosyl-tranferase (den har en 40% sekvenshomologi med lysozym): Dette enzym er i stand til at overføre en galactosylgruppe fra en høj energi struktur til en glycoproteinstruktur. Under graviditeten induceres udtrykket af genet, der koder for galactose-transferase (der er også udtryk for andre gener, som også giver andre produkter): der er en forøgelse i brystets størrelse, fordi brystkirtlen er aktiveret (tidligere ikke aktiv), som skal producere mælk. Under fødslen produceres a-lactalalbumin, som er et regulatorisk protein: det er i stand til at regulere den katalytiske kapacitet af galactosyltransferase (på grund af substratdiscriminering). Galactosyl-transferasen modificeret af a-lactalalbumin er i stand til at overføre en galactosyl på et glucosemolekyle: dannelse af en β-1, 4 glycosidbinding og dannelse af lactose (laktosyntetase).
Således fremstiller galactose transferase brystkirtlen før afgivelse og producerer mælk efter fødslen.
Til fremstilling af glycoproteiner binder galactosyltransferase til en galactosyl og en NAG; i løbet af fødslen binder laktalbumin til galactosyltransferase, hvilket får den sidstnævnte til at genkende glucose i stedet for NAG til at give lactose.
