Enzymerna

Definition

Enzymer är proteiner som produceras i växt- och djurceller, som fungerar som katalysatorer som påskyndar biologiska reaktioner utan att modifieras.

Enzymer fungerar genom att kombinera med ett specifikt ämne för att omvandla det till ett annat ämne; klassiska exempel ges av matsmältningsenzymer som finns i saliv, mage, bukspottkörtel och tunntarm, som utför en väsentlig funktion i matsmältningen och hjälper till att bryta ner mat till grundbeståndsdelar, som sedan kan absorberas och användas av kroppen, bearbetas av andra enzymer eller utsöndras som avfall.

Varje enzym har en specifik roll: det som bryter ner fett, till exempel, verkar inte på proteiner eller kolhydrater. Enzymer är avgörande för organismens välbefinnande. Bristen, även i ett enda enzym, kan orsaka allvarliga störningar. Ett välkänt exempel är fenylketonuri (PKU), en sjukdom som kännetecknas av oförmågan att metabolisera en essentiell aminosyra, fenylalanin, vars ackumulering kan orsaka fysiska missbildningar och psykiska sjukdomar.

Biokemisk studie

Enzymer är speciella proteiner som har karaktäristiken för att vara biologiska katalysatorer, det vill säga att de har förmågan att bryta ner reaktionens aktiveringsenergi (Eatt) och ändra dess väg så att en kinetiskt långsam process går snabbare.

Enzymer ökar kinetiken för termodynamiskt möjliga reaktioner och till skillnad från katalysatorer är de mer eller mindre specifika: de har därför substratspecificitet.
Enzymet är inte involverat i reaktionens stökiometri: för att detta ska ske måste det slutliga katalytiska stället vara identiskt med det första.
I den katalytiska verkan finns det nästan alltid en långsam fas som bestämmer processens hastighet.
När vi pratar om enzymer är det inte korrekt att tala om jämviktsreaktioner, vi talar istället om stabilt läge (tillstånd där en viss metabolit bildas och konsumeras kontinuerligt, vilket håller koncentrationen nästan konstant över tiden). Produkten av en reaktion katalyserad av ett enzym är vanligtvis själv en reaktant för en efterföljande reaktion, katalyserad av ett annat enzym, och så vidare.
Processer katalyserade av enzymer består vanligtvis av sekvenser av reaktioner.
En generisk reaktion katalyserad av ett enzym (E) kan sammanfattas enligt följande:

E är enzymet

S är substratet;
ES representerar addukt mellan enzym och substrat;

P är produkten;
K är reaktionens hastighetskonstant.

Ett generiskt enzym (E) kombineras med substratet (S) för att bilda adduktet (ES) med en hastighetskonstant K1; det kan dissocieras tillbaka till E + S, med en hastighetskonstant K2, eller, (om "lever" tillräckligt länge ) kan fortsätta att bilda P med en hastighetskonstant K3.

Produkten (P) kan i sin tur rekombinera med enzymet och reformera addukten med hastighetskonstant K4.
När enzymet och substratet blandas finns det en bråkdel av tiden då mötet mellan de två arterna ännu inte har inträffat: det vill säga att det finns ett extremt kort tidsintervall (som beror på reaktionen) där enzym och substrat har ännu inte uppfyllt; efter denna period kommer enzym och substrat i kontakt i ökande mängder och ES -addukten bildas. Därefter verkar enzymet på substratet och produkten frigörs. Det kan då sägas att c "är ett initialt tidsintervall där koncentrationen av ES -adduktet inte kan definieras; efter denna period antas det att ett steady state fastställs, det vill säga hastigheten på de processer som leder till att adduktet erhålls är lika med hastigheten på de processer som leder till förstörelsen av adduktet.
Michaelis-Menten-konstanten (KM) är en jämviktskonstant (hänvisad till den första jämvikten som beskrivs ovan); det kan sägas, med en bra approximation (eftersom K3 också bör beaktas), att KM representeras av förhållandet mellan de kinetiska konstanterna K2 och Kl (hänvisade till förstörelse och bildning av addukt ES i den första jämvikten som beskrivs ovan) .
Genom Michaelis-Menten-konstanten har vi en "indikation på affiniteten mellan enzym och substrat: om KM är liten c" är en "hög affinitet mellan enzym och substrat, då är ES-addukten stabil.

Enzymer är föremål för reglering (eller modulering).
Tidigare talades det huvudsakligen om negativ modulering, det vill säga inhibering av ett enzyms katalytiska förmåga, men det kan också finnas en positiv modulering, det vill säga det finns arter som kan förstärka katalytiska förmågor hos ett enzym.
Det finns 4 typer av hämningar (erhållna från approximationer gjorda på en modell för att matcha experimentella data med matematiska ekvationer):

• konkurrenshämning
• icke-konkurrenskraftig hämning
• inkompetitiv hämning
• konkurrenshämning

Vi talar om konkurrenshämning när en molekyl (hämmare) kan konkurrera med substratet. För strukturell likhet kan hämmaren reagera i stället för substratet, därav terminologin "konkurrenskraftig hämning". Sannolikheten att enzymet binder till hämmaren eller substratet beror på koncentrationen av båda och deras affinitet med enzymet; reaktionshastigheten beror därför på dessa faktorer.
För att uppnå samma reaktionshastighet som utan närvaron av inhibitorn är det nödvändigt att ha en högre substratkoncentration.
Det har experimentellt visats att Michaelis-Menten-konstanten i närvaro av en hämmare ökar.

När det gäller istället "den icke-konkurrerande hämningen, interaktionen mellan molekylen som ska fungera som en modulator (positiv eller negativ hämmare) och" enzymet, sker på en plats som skiljer sig från den där interaktionen inträffar mellan enzym och substrat; vi talar därför om allosterisk modulering (från grekiska allosteros → annan webbplats).
Om inhibitorn binder till enzymet kan det inducera en förändring i enzymets struktur och kan följaktligen minska effektiviteten med vilken substratet binder till enzymet.
I denna typ av process förblir Michaelis-Menten-konstanten konstant eftersom detta värde beror på jämvikten mellan enzymet och substratet och även i närvaro av en hämmare ändras inte dessa jämvikt.

Fenomenet inkompetitiv hämning är sällsynt; en typisk inkompetitiv hämmare är ett ämne som reversibelt binder till ES -adduktet som ger upphov till ESI:

Hämning från substratöverskott kan ibland vara inkompetitiv, eftersom detta inträffar när en andra substratmolekyl binder till ES -komplexet, vilket ger upphov till ESS -komplexet.

En konkurrerande hämmare kan å andra sidan bara binda till substratenzymaddukten som i föregående fall: bindningen av substratet till det fria enzymet inducerar en konformationsmodifiering som gör platsen tillgänglig för hämmaren.
Michaelis Menten -konstanten minskar när hämmarkoncentrationen ökar: uppenbarligen ökar därför enzymets affinitet för substratet.

Serinproteas

De är en familj av enzymer som kymotrypsin och trypsin tillhör.
Chymotrypsin är ett proteolytiskt och hydrolytiskt enzym som skär till höger om hydrofoba och aromatiska aminosyror.
Produkten av genen som koder för kymotrypsin är inte aktiv (den aktiveras med ett kommando); den inaktiva formen av kymotrypsin representeras av en polypeptidkedja med 245 aminosyror. Chymotrypsin har en klotform på grund av fem disulfidbroar och andra mindre interaktioner (elektrostatisk, Van der Waals krafter, vätebindningar, etc.).
Chymotrypsin produceras av chymoscellerna i bukspottkörteln där det finns i speciella membran och utvisas genom bukspottkörteln i tarmen vid matsmältningen: chymotrypsin är i själva verket ett matsmältningsenzym. De proteiner och näringsämnen som vi intar genom kosten utsätts för matsmältning för att reduceras till mindre kedjor och absorberas och omvandlas till energi (t.ex. amylaser och proteaser bryter ner näringsämnen till glukos och aminosyror som når cellerna, genom blodkärlen de når portvenen och transporteras därifrån till levern där de genomgår ytterligare behandling).
Enzymer produceras i en icke-aktiv form och aktiveras först när de når "platsen där de måste fungera"; när deras handling är klar avaktiveras de. Ett enzym, när det väl är inaktiverat, kan inte återaktiveras: för att ha en "ytterligare katalytisk verkan måste det ersättas av" en annan enzymmolekyl. Om chimitrypsin producerades i aktiv form redan i bukspottkörteln, skulle det attackera det senare: 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, leda till döden.
I kymotrypsin och i alla serinproteaser beror den katalytiska verkan på förekomsten av alkoholanjonen (-CH2O-) i en serins sidokedja.
Serinproteaser tar detta namn just för att deras katalytiska verkan beror på en serin.
När allt enzym har utfört sin verkan, innan det kan återoperera på substratet igen, måste det återställas med vatten; "frisättningen" av serin genom vattnet är det långsammaste stadiet av processen, och det är denna fas som bestämmer hastigheten på katalys.
Den katalytiska verkan sker i två faser:

• bildning av anjonen med katalytiska egenskaper (anjonalkoholat) och efterföljande nukleofil attack på karbonylkolet (C = O) med klyvning av peptidbindningen och bildning av estern;
• vattenattack med restaurering av katalysatorn (kan utöva sin katalytiska verkan igen).

De olika enzymer som tillhör serinproteasfamiljen kan bestå av olika aminosyror men för dem alla representeras det katalytiska stället av alkoholanjonen i sidokedjan hos en serin.
En underfamilj av serinproteaser är enzymerna som är involverade i koagulation (som består i omvandling av protein, från deras inaktiva form till en "annan form som är aktiv). Dessa enzymer säkerställer att koagulationen är så effektiv som möjligt och är begränsad i utrymmet och tiden (koagulation måste ske snabbt och måste endast inträffa i närheten av det skadade området). Enzymerna som är involverade i koagulering aktiveras i en kaskad (från aktivering av ett enda enzym erhålls miljarder enzymer: varje aktiverat enzym , i sin tur aktiverar många andra enzymer).
Trombos är en patologi på grund av att koagulationsenzymer inte fungerar korrekt: den orsakas av aktivering, utan nödvändighet (eftersom det inte finns någon skada), av de enzymer som används vid koagulation.

Det finns modulerande (reglerande) enzymer och hämmande enzymer för andra enzymer: interagerar med de senare, de reglerar eller inhiberar deras aktivitet; även produkten av ett enzym kan vara en hämmare för enzymet. Det finns också enzymer som fungerar ju mer, desto större är substratet.

Lysozym

Luigi Pasteur upptäckte genom att nysa på en petriskål att i slem finns ett enzym som kan döda bakterier: lysozym; från grekiska: liso = vilken storlek; zimo = enzym.
Lysozym kan bryta ner cellväggen hos bakterier. Bakterier och encelliga organismer i allmänhet behöver mekaniskt resistenta strukturer som begränsar deras form; inuti bakterierna finns det ett mycket högt osmotiskt tryck så att de drar till sig vatten. Plasmamembranet skulle explodera om det inte fanns någon cellvägg som motsätter sig inträde av vatten och begränsar bakteriens volym.
Cellväggen består av en polysackaridkedja där molekyler av N-acetyl-glukosamin (NAG) och molekyler av N-acetyl-muraminsyra (NAM) växlar; bindningen mellan NAG och NAM bryts genom hydrolys. Karboxylgruppen av NAM, i cellväggen, är engagerad i en peptidbindning med en aminosyra.
Mellan de olika kedjorna bildas broar som består av pseudopeptidbindningar: förgreningen beror på lysinmolekylen; strukturen som helhet är mycket grenad och detta ger den en hög stabilitet.
Lysozym är ett antibiotikum (dödar bakterier): det fungerar genom att det gör en spricka i bakterieväggen; när denna struktur (som är mekaniskt resistent) bryts, drar bakterien vatten tills den spricker. Lysozym lyckas bryta β-1,4 glukosidbindningen mellan NAM och NAG.
Lysozymets katalytiska ställe representeras av ett spår som löper längs enzymet i vilket polysackaridkedjan sätts in: sex glukosidiska ringar i kedjan placeras i spåret.
I position tre i spåret c "är en choke: i detta läge kan endast en NAG placeras, eftersom NAM, som har högre dimensioner, inte kan komma in. Den faktiska katalytiska platsen är mellan positionerna fyra och fem: eftersom det finns en NAG i position tre, skärningen kommer att ske mellan en NAM och en NAG (och inte tvärtom); nedskärningen är därför specifik.
Det optimala pH -värdet för lysozym att fungera är fem. På enzymets katalytiska plats, dvs mellan positionerna fyra och fem, finns sidokedjorna av en asparaginsyra och en glutaminsyra.

Grad av homologi: mäter släktskap (dvs. likhet) mellan proteinstrukturer.

Det finns ett starkt samband mellan lysozym och laktos-syntas.
Laktosyntetas syntetiserar laktos (vilket är huvudmjölksockret): laktos är en galaktosylglukosid där c "är en β-1,4 glukosidbindning mellan galaktos och glukos.
Därför katalyserar laktosyntetas den motsatta reaktionen till den som katalyseras av lysozym (som i stället delar β-1,4 glukosidbindningen)
Laktosyntetas är en dimer, det vill säga det består av två proteinkedjor, varav en har katalytiska egenskaper och är jämförbar med lysozym och den andra är en reglerande underenhet.
Under graviditeten syntetiseras glykoproteiner av cellerna i bröstkörteln genom verkan av galatosyltranferas (det har en "sekvenshomologi på 40% med lysozym): detta enzym kan överföra en galaktosylgrupp från en högenergistruktur till en glykoproteinstruktur. Under graviditeten induceras uttrycket av den gen som kodar för galaktosyltransferas (det finns också uttryck för andra gener som också ger andra produkter): det ökar storleken på bröstet eftersom det aktiveras bröstkörteln (tidigare inaktiv) som måste producera mjölk. Under förlossningen produceras α-laktalbumin som är ett reglerande protein: det kan reglera den katalytiska kapaciteten hos galaktosyltransferas (genom diskriminering av substratet). Galaktosyltransferas modifierat av α-laktalalbumin kan överföra en galaktosyl till en glukosmolekyl: bildar en β-1,4 glykosidbindning och ger laktos (laktosyntetas).
Därför förbereder galaktosöverföring bröstkörteln före leverans och producerar mjölk efter leverans.
För att producera glykoproteiner binder galaktosyltransferas till en galaktosyl och en NAG; under förlossningen binder laktalalbumin till galaktosyltransferas vilket gör att det senare känner igen glukos och inte längre NAG ger laktos.