Enzýmy

Definícia

Enzýmy sú proteíny produkované v rastlinných a živočíšnych bunkách, ktoré pôsobia ako katalyzátory urýchľujúce biologické reakcie bez toho, aby boli modifikované.

Enzýmy fungujú tak, že sa kombinujú s konkrétnou látkou a transformujú ju na inú látku; klasické príklady uvádzajú tráviace enzýmy prítomné v slinách, žalúdku, pankrease a tenkom čreve, ktoré plnia zásadnú funkciu pri trávení a pomáhajú rozkladať potravu na základné zložky, ktoré potom telo dokáže vstrebať a využiť, spracované inými enzýmami alebo sa vylučuje ako odpad.

Každý enzým má špecifickú úlohu: napríklad ten, ktorý štiepi tuky, nepôsobí na bielkoviny ani uhľohydráty. Enzýmy sú nevyhnutné pre pohodu organizmu. Nedostatok, dokonca aj jedného enzýmu, môže spôsobiť vážne poruchy. Známym príkladom je fenylketonúria (PKU), ochorenie charakterizované neschopnosťou metabolizovať esenciálne aminokyseliny, fenylalanín, ktorého akumulácia môže spôsobiť fyzické deformácie a duševné choroby.

Biochemická štúdia

Enzýmy sú konkrétne proteíny, ktoré sú biologickými katalyzátormi, to znamená, že majú schopnosť rozkladať aktivačnú energiu (Eatt) reakcie a upravovať jej cestu tak, aby kineticky pomalý proces bol rýchlejší.

Enzýmy zvyšujú kinetiku termodynamicky možných reakcií a na rozdiel od katalyzátorov sú viac -menej špecifické: majú preto substrátovú špecifickosť.
Enzým nie je zapojený do stechiometrie reakcie: aby sa to stalo, konečné katalytické miesto musí byť totožné s východiskovým.
Pri katalytickom pôsobení takmer vždy prebieha pomalá fáza, ktorá určuje rýchlosť procesu.
Keď hovoríme o enzýmoch, nie je správne hovoriť o rovnovážnych reakciách, ale o nich ustálený stav (stav, v ktorom sa určitý metabolit tvorí a spotrebúva nepretržite, pričom jeho koncentrácia je v priebehu času takmer konštantná). Produkt reakcie katalyzovanej jedným enzýmom je zvyčajne sám reaktantom pre následnú reakciu, katalyzovanou iným enzýmom atď.
Procesy katalyzované enzýmami obvykle pozostávajú zo sekvencií reakcií.
Generickú reakciu katalyzovanú enzýmom (E) je možné zhrnúť nasledovne:

E je enzým

S je substrát;
ES predstavuje adukt medzi enzýmom a substrátom;

P je výrobok;
K je rýchlostná konštanta reakcie.

Generický enzým (E) sa kombinuje so substrátom (S) za vzniku aduktu (ES) s rýchlostnou konštantou K1; môže sa disociovať späť na E + S s rýchlostnou konštantou K2 alebo (ak „žije“ dostatočne dlho ) môže pokračovať do formy P s rýchlostnou konštantou K3.

Produkt (P) môže zasa rekombinovať s enzýmom a reformovať adukt s rýchlostnou konštantou K4.
Keď sa enzým a substrát zmiešajú, existuje zlomok času, počas ktorého ešte nenastalo stretnutie medzi týmito dvoma druhmi: to znamená, že existuje extrémne krátky časový interval (v závislosti od reakcie), v ktorom majú enzým a substrát ešte nie je splnené; po tomto období sa enzým a substrát dostávajú do kontaktu vo zvyšujúcich sa množstvách a vytvára sa adukt ES. Enzým následne pôsobí na substrát a produkt sa uvoľňuje. Potom možno povedať, že c "je počiatočný časový interval, v ktorom nemožno definovať koncentráciu ES aduktu; po tomto období sa predpokladá, že ustálený stav je stanovená, to znamená, že rýchlosť procesov, ktoré vedú k získaniu aduktu, sa rovná rýchlosti procesov, ktoré vedú k deštrukcii aduktu.
Michaelis-Mentenova konštanta (KM) je rovnovážna konštanta (týka sa prvej rovnovážnej rovnováhy opísanej vyššie); s dobrou aproximáciou (pretože treba brať do úvahy aj K3) je možné povedať, že KM je reprezentovaný pomerom medzi kinetickými konštantami K2 a K1 (vzťahuje sa na deštrukciu a tvorbu aduktu ES v prvej rovnovážnej rovnováhe opísanej vyššie) .
Prostredníctvom Michaelis-Mentenovej konštanty máme „indikáciu afinity medzi enzýmom a substrátom: ak je KM malá, c“ je „vysoká afinita medzi enzýmom a substrátom, potom je adukt ES stabilný.

Enzýmy podliehajú regulácii (alebo modulácii).
V minulosti sa hovorilo hlavne o negatívnej modulácii, to znamená o inhibícii katalytických schopností enzýmu, ale môže existovať aj pozitívna modulácia, to znamená, že existujú druhy schopné zvýšiť katalytické schopnosti enzýmu.
Existujú 4 typy inhibícií (získané z aproximácií vykonaných na modeli, aby sa experimentálne údaje zhodovali s matematickými rovnicami):

• kompetitívna inhibícia
• nekompetitívna inhibícia
• nekompetitívna inhibícia
• konkurenčná inhibícia

O kompetitívnej inhibícii hovoríme vtedy, ak je molekula (inhibítor) schopná konkurovať substrátu.Kvôli štruktúrnej podobnosti môže inhibítor reagovať namiesto substrátu; odtiaľ pochádza terminológia „kompetitívna inhibícia“. Pravdepodobnosť, že sa enzým viaže na inhibítor alebo substrát, závisí od koncentrácie oboch a ich afinity k enzýmu; rýchlosť reakcie preto závisí od týchto faktorov.
Na dosiahnutie rovnakej reakčnej rýchlosti ako bez prítomnosti inhibítora je potrebná vyššia koncentrácia 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, prebieha v mieste, ktoré je odlišné od miesta, v ktorom je interakcia vyskytuje sa. medzi enzýmom a substrátom; hovoríme preto o alosterickej modulácii (z gréčtiny alosteros → iné stránky).
Ak sa inhibítor viaže na enzým, môže vyvolať zmenu v štruktúre enzýmu a v dôsledku toho môže znížiť účinnosť, s akou sa substrát na enzým viaže.
V tomto type procesu zostáva Michaelis-Mentenova konštanta konštantná, pretože táto hodnota závisí od rovnováh medzi enzýmom a substrátom a dokonca ani v prítomnosti inhibítora sa tieto rovnováhy nemenia.

Fenomén nekompetitívnej inhibície je zriedkavý; typickým nekompetitívnym inhibítorom je látka, ktorá sa reverzibilne viaže na adukt ES, čo vedie k vzniku ESI:

Inhibícia prebytku substrátu môže byť niekedy nekompetitívna, pretože k tomu dochádza vtedy, keď sa druhá molekula substrátu viaže na komplex ES, čo vedie k vzniku komplexu ESS.

Acompetitive inhibitor, na druhej strane, sa môže viazať iba na adukt substrátového enzýmu, 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 sa preto zvyšuje afinita enzýmu k substrátu.

Serínová proteáza

Sú rodinou enzýmov, do ktorých patria chymotrypsín a trypsín.
Chymotrypsín je proteolytický a hydrolytický enzým, ktorý delí napravo od hydrofóbnych a aromatických aminokyselín.
Produkt génu, ktorý kóduje chymotrypsín, nie je aktívny (aktivuje sa príkazom); neaktívna forma chymotrypsínu je reprezentovaná polypeptidovým reťazcom 245 aminokyselín. Chymotrypsín má guľovitý tvar v dôsledku piatich disulfidových mostíkov a ďalších menších interakcií (elektrostatické, Van der Waalsove sily, vodíkové väzby atď.).
Chymotrypsín je produkovaný chymózovými bunkami pankreasu, kde je obsiahnutý v špeciálnych membránach a vylučovaný cez pankreatický kanál do čreva v čase trávenia potravy: chymotrypsín je v skutočnosti tráviaci enzým. Bielkoviny a živiny, ktoré prijímame prostredníctvom stravy, sú trávené, aby boli redukované na menšie reťazce a absorbované a transformované na energiu (napr. Amylázy a proteázy rozkladajú živiny na glukózu a aminokyseliny, ktoré sa dostávajú do buniek cez cievy dostanú sa do portálnej žily a odtiaľ sú transportované do pečene, kde sa podrobia ďalšiemu ošetreniu).
Enzýmy sa vyrábajú v neaktívnej forme a aktivujú sa iba vtedy, ak sa dostanú na „miesto, kde musia pôsobiť“; akonáhle sa ich činnosť skončí, deaktivujú sa. Enzym, ktorý bol deaktivovaný, nemožno znova aktivovať: aby mal „ďalší katalytický účinok, musí byť nahradený“ inou molekulou enzýmu. Ak by sa chimitrypsín produkoval v aktívnej forme už v pankrease, napadol by ho: pankreatitída je patológia spôsobená tráviacimi enzýmami, ktoré sú už aktivované v pankrease (a nie na požadovaných miestach); niektoré z nich, ak nie sú včas ošetrené, viesť k smrti.
V chymotrypsíne a vo všetkých serínových proteázach je katalytický účinok spôsobený existenciou alkoholového aniónu (-CH20-) v bočnom reťazci serínu.
Serínové proteázy majú tento názov práve preto, že ich katalytický účinok je spôsobený serínom.
Akonáhle všetky enzýmy vykonajú svoju činnosť, skôr ako budú môcť znova fungovať na substráte, musia byť obnovené vodou; „uvoľňovanie“ serínu vodou je najpomalšou fázou procesu a je to táto fáza. ktorá určuje rýchlosť katalýzy.
Katalytický účinok prebieha v dvoch fázach:

• tvorba aniónu s katalytickými vlastnosťami (aniónalkoholát) a následný nukleofilný útok na karbonylový uhlík (C = O) so štiepením peptidovej väzby a tvorbou esteru;
• vodný útok s obnovou katalyzátora (schopný opäť vyvinúť svoje katalytické pôsobenie).

Rôzne enzýmy patriace do rodiny serínových proteáz môžu byť tvorené rôznymi aminokyselinami, ale pre všetky je katalytické miesto reprezentované alkoholovým aniónom bočného reťazca serínu.
Podrodinou serínových proteáz sú enzýmy zapojené do koagulácie (ktorá spočíva v transformácii proteínu z jeho neaktívnej formy na „inú aktívnu formu“). Tieto enzýmy zaisťujú, že koagulácia je čo najefektívnejšia a je obmedzená priestor a čas (koagulácia musí nastať rýchlo a musí nastať iba v blízkosti poranenej oblasti). Enzýmy zapojené do koagulácie sa aktivujú kaskádou (aktiváciou jedného enzýmu sa získajú miliardy enzýmov: každý aktivovaný enzým , naopak aktivuje mnoho ďalších enzýmov).
Trombóza je patológia spôsobená poruchou koagulačných enzýmov: je spôsobená aktiváciou enzýmov použitých pri koagulácii bez nutnosti (pretože nedochádza k zraneniu).

Existujú modulačné (regulačné) enzýmy a inhibičné enzýmy pre iné enzýmy: v interakcii s týmito enzýmami regulujú alebo inhibujú ich aktivitu; dokonca aj produkt enzýmu môže byť inhibítorom enzýmu.Existujú aj enzýmy, ktoré pôsobia čím viac, tým väčší je prítomný substrát.

Lyzozým

Luigi Pasteur kýchaním na Petriho misku zistil, že v hliene je enzým schopný zabíjať baktérie: lyzozým; z gréčtiny: liso = aká veľkosť; zimo = enzým.
Lysozým je schopný rozložiť bunkovú stenu baktérií. Baktérie a jednobunkové organizmy vo všeobecnosti potrebujú mechanicky odolné štruktúry, ktoré obmedzujú ich tvar; vo vnútri baktérií je veľmi vysoký osmotický tlak, takže priťahujú vodu. Plazmatická membrána by explodovala, keby neexistovala bunková stena, ktorá by bránila vstupu vody a obmedzovala objem baktérie.
Bunková stena pozostáva z polysacharidového reťazca, v ktorom sa striedajú molekuly N-acetyl-glukozamínu (NAG) a molekuly kyseliny N-acetyl-murámovej (NAM); väzba medzi NAG a NAM je prerušená hydrolýzou. Karboxylová skupina NAM v bunkovej stene je zapojená do peptidovej väzby s aminokyselinou.
Medzi rôznymi reťazcami sú vytvorené mostíky pozostávajúce z pseudo-peptidových väzieb: rozvetvenie je spôsobené molekulou lyzínu; štruktúra ako celok je veľmi rozvetvená, a to jej dodáva vysokú stabilitu.
Lysozým je antibiotikum (zabíja baktérie): funguje tak, že praskne v bakteriálnej stene; keď sa táto štruktúra (ktorá je mechanicky odolná) rozpadne, baktéria nasáva vodu, až praskne. Lysozýmu sa darí prerušiť β-1,4 glukozidovú väzbu medzi NAM a NAG.
Katalytické miesto lyzozýmu predstavuje drážka, ktorá prebieha pozdĺž enzýmu, do ktorého je vložený polysacharidový reťazec: do drážky je umiestnených šesť glukozidových kruhov reťazca.
V polohe tri drážky c "je tlmivka: v tejto polohe môže byť umiestnená iba jedna NAG, pretože NAM, ktorá má vyššie rozmery, nemôže vstúpiť. Skutočné katalytické miesto je medzi pozíciami štyri a päť: pretože existuje NAG v pozícii tri, zníženie bude prebiehať medzi NAM a NAG (a nie naopak); zníženie je preto špecifické.
Optimálne pH na to, aby lyzozým fungoval, je päť. V katalytickom mieste enzýmu, tj. Medzi polohami štyri a päť, sú bočné reťazce kyseliny asparágovej a kyseliny glutámovej.

Stupeň homológie: meria príbuznosť (t.j. podobnosť) medzi proteínovými štruktúrami.

Medzi lyzozýmom a laktóza-syntázou existuje silný vzťah.
Laktózo syntetáza syntetizuje laktózu (ktorá je hlavným mliečnym cukrom): laktóza je galaktozylglukozid, v ktorom c “je β-1,4 glukozidová väzba medzi galaktózou a glukózou.
Laktózasyntetáza preto katalyzuje opačnú reakciu ako je reakcia katalyzovaná lyzozýmom (ktorý namiesto toho štiepi β-1,4 glukozidovú väzbu)
Laktózo syntetáza je dimér, to znamená, že sa skladá z dvoch proteínových reťazcov, z ktorých jeden má katalytické vlastnosti a je porovnateľný s lyzozýmom a druhý je regulačnou podjednotkou.
Počas tehotenstva sú glykoproteíny syntetizované bunkami mliečnej žľazy pôsobením galatozyl-tranferázy (má „sekvenčnú homológiu 40% s lyzozýmom): tento enzým je schopný preniesť galaktozylovú skupinu z vysokoenergetickej štruktúry na štruktúra glykoproteínu. Počas tehotenstva je indukovaná expresia génu, ktorý kóduje galaktozyl-transferázu (existuje aj expresia iných génov, ktoré tiež poskytujú iné produkty): dochádza k zvýšeniu veľkosti prsníka, pretože je aktivovaný mliečna žľaza (predtým neaktívna), ktorá musí produkovať mlieko. Počas pôrodu sa produkuje α-laktalbumín, ktorý je regulačným proteínom: je schopný regulovať katalytickú kapacitu galaktozyltransferázy (diskrimináciou substrátu). Galaktozyltransferáza modifikovaná a-laktalalbumínom je schopná preniesť galaktozyl na molekulu glukózy: vytvorí β-1,4 glykozidovú väzbu a poskytne laktózu (laktózo syntetázu).
Galaktóza transferáza teda pripravuje mliečnu žľazu pred pôrodom a po pôrode produkuje mlieko.
Na produkciu glykoproteínov sa galaktozyltransferáza viaže na galaktozyl a NAG; počas pôrodu sa laktálny albumín viaže na galaktozyltransferázu, ktorá spôsobuje, že rozpoznáva glukózu a už NAG neposkytuje laktózu.