Ensüümid

määratlus

Ensüümid on taime- ja loomarakkudes toodetud valgud, mis toimivad katalüsaatoritena, kiirendades bioloogilisi reaktsioone ilma modifitseerimata.

Ensüümid töötavad konkreetse ainega, et muuta see teiseks aineks; klassikalisi näiteid annavad süljes, maos, kõhunäärmes ja peensooles esinevad seedetrakti ensüümid, mis täidavad seedimisel olulist funktsiooni ja aitavad lagundada toiduaineid põhikomponentideks, mida keha võib seejärel imenduda ja kasutada. töödeldakse teiste ensüümide poolt või kõrvaldatakse jäätmetena.

Igal ensüümil on spetsiifiline roll: rasvade lagunemine ei mõjuta valke ega süsivesikuid. Ensüümid on organismi heaolu jaoks hädavajalikud. Isegi ühe ensüümi puudulikkus võib põhjustada tõsiseid häireid. Üsna tuntud näide on fenüülketonuuria (PKU), haigus, mida iseloomustab võimetus metaboliseerida essentsiaalne aminohape, fenüülalaniin, mille akumulatsioon võib põhjustada füüsilisi deformatsioone ja vaimseid haigusi.

Biokeemiline analüüs

Ensüümid on spetsiifilised valgud, millel on bioloogiliste katalüsaatorite omadus, st nad on võimelised vähendama reaktsiooni aktiveerimisenergiat (Eatt), muutes oma teed kineetiliselt aeglase protsessi muutmiseks kiiremaks.

Ensüümid suurendavad termodünaamiliselt võimalike reaktsioonide kineetikat ja erinevalt katalüsaatoritest on need enam-vähem spetsiifilised: seetõttu on neil substraadi spetsiifilisus.

Ensüüm ei osale reaktsiooni stöhhiomeetrias: selleks, et see juhtuks, on oluline, et lõplik katalüütiline koht oleks identne lähteainega.

Katalüütilises tegevuses on peaaegu alati aeglane faas, mis määrab protsessi kiiruse.

Kui me räägime ensüümidest, ei ole õige rääkida tasakaalu reaktsioonidest, me räägime püsiva oleku asemel (olek, kus teatud metaboliit moodustub ja tarbitakse pidevalt, säilitades selle kontsentratsiooni aja jooksul peaaegu konstantsena). Ensüümi poolt katalüüsitud reaktsiooni saadus on tavaliselt ise reaktiiviks järgneva reaktsiooni jaoks, mida katalüüsib teine ​​ensüüm jne.

Ensüümkatalüüsitud protsessid koosnevad tavaliselt reaktsioonide järjestustest.

Seega saab skemaatiliselt genereerida ensüümi (E) poolt katalüüsitud geneerilise reaktsiooni:

Üldine ensüüm (E) kombineerub substraadiga (S), et moodustada adukt (ES) kiiruskonstandiga K1; see võib uuesti eralduda E + S-s, kiiruskonstandiga K2, või (kui "elu" on piisavalt pikk), võib see edasi liikuda vormi P kiiruskonstandiga K3.

Produkt (P) võib omakorda rekombineeruda ensüümiga ja reformida addukti kiiruskonstandiga K4.

Kui ensüüm ja substraat on segatud, on olemas murdosa ajast, mil kahe liigi vaheline kohtumine ei ole veel toimunud: see tähendab, et on väga lühike ajavahemik (mis sõltub reaktsioonist), milles ensüüm ja substraat ei ole veel täidetud; pärast seda ajavahemikku satuvad ensüüm ja substraat üha suurematesse kogustesse ja moodustub ES-adukt. Seejärel toimib ensüüm substraadile ja produkt vabaneb. Seejärel võib öelda, et esineb esialgne ajavahemik, mille jooksul ES-aduktsiooni kontsentratsioon ei ole määratletav; selle perioodi järel eeldatakse, et stabiilne olek on kindlaks määratud, st addukti viivate protsesside kiirus on võrdne protsesside kiirusega, mis põhjustavad addukti hävitamist.

Michaelis-Menten konstant (KM) on tasakaalukonstant (viidatakse esimesele eespool kirjeldatud tasakaalule); Me võime öelda, et hea lähendamisega (kuna tuleks kaaluda ka K3), et KM-d esindab kineetiliste konstandide K2 ja K1 suhe (viidates addukti ES hävimisele ja moodustumisele esimeses eespool kirjeldatud tasakaalus).

Püsiva Michaelis-Menteni kaudu on meil märge ensüümi ja substraadi vahelise afiinsuse kohta: kui KM on väike, siis on ensüümi ja substraadi vahel suur afiinsus, mistõttu ES-adukt on stabiilne.

Ensüümid on reguleeritud (või modulatsioon).

Minevikus räägiti ennekõike negatiivsest modulatsioonist, st ensüümi katalüütiliste võimete inhibeerimisest, kuid samuti võib olla positiivne moduleerimine, st on olemas liigid, mis on võimelised ensüümi katalüütilist võimsust suurendama.

On 4 tüüpi takistusi (saadud mudelil tehtud ligikaudsetest andmetest, mis vastavad katseandmetele matemaatiliste võrranditega):

• konkureeriv inhibeerimine
• mitte-konkureeriv inhibeerimine
• Konkurentsivõimeline pärssimine
• konkureeriv inhibeerimine

Rääkitakse konkureerivast inhibeerimisest, kui molekul (inhibiitor) on võimeline substraadiga konkureerima. Struktuurilise sarnasusega võib inhibiitor reageerida substraadi asemel; sealt pärineb mõiste "konkurentsivõimeline pärssimine". Tõenäosus, et ensüüm seondub inhibiitoriga või substraadiga, sõltub mõlema kontsentratsioonist ja nende afiinsusest ensüümiga; reaktsioonikiirus sõltub nendest teguritest.

Sama reaktsioonikiiruse saavutamiseks, mis toimuks ilma inhibiitori manuluseta, on vajalik suurem substraadi kontsentratsioon.

Eksperimentaalselt on näidatud, et inhibiitori manulusel suureneb Michaelis-Menten pidev.

Seevastu mittekonkureeriva inhibeerimise korral toimub molekuli, mis peaks toimima modulaatorina (positiivne või negatiivne inhibiitor) ja ensüümi, vastastikmõju kohas, mis erineb sellest, kus interaktsioon ensüümi ja substraadi vahel; seepärast räägime allosteerilisest modulatsioonist (Kreeka allosterosest → mujal).

Kui inhibiitor läheb ensüümiga seonduma, võib see indutseerida ensüümi struktuuri modifikatsiooni ja seega võib ta vähendada substraadi ensüümiga seondumise efektiivsust.

Sellises protsessis jääb Michaelis-Menteni konstant konstantseks, kuna see väärtus sõltub tasakaalust ensüümi ja substraadi vahel ning need tasakaalud isegi inhibiitori juuresolekul ei muutu.

Ebakompetentse inhibeerimise nähtus on haruldane; tüüpiline ebakompetentne inhibiitor on aine, mis seondub pöörduvalt ESI-ga, mis põhjustab ESI-d:

Liigse substraadi inhibeerimine võib mõnikord olla ebakompetentne, kuna see esineb siis, kui teine ​​substraadi molekul seondub ES-kompleksiga, mis tekitab ESS-kompleksi.

Teisest küljest võib konkureeriv inhibiitor siduda ainult substraadi ensüümi aduktiga, nagu eelmisel juhul: substraadi sidumine vaba ensüümiga indutseerib konformatsioonilise modifikatsiooni, mis muudab saidi inhibiitorile ligipääsetavaks.

Mikael Menteni konstant väheneb inhibiitori kontsentratsiooni suurenemisel: seetõttu on ensüümi afiinsus substraadiga ilmselt suurenenud.

Seriini proteaasid

Need on ensüümide perekond, kuhu kuuluvad chimotripsin ja trüpsiin.

Kümotrüpsiin on proteolüütiline ja hüdrolüütiline ensüüm, mis lõikab hüdrofoobseid ja aromaatseid aminohappeid paremale.

Kümotrüpsiini kodeeriva geeni produkt ei ole aktiivne (see aktiveeritakse käsuga); kimotrüpsiini mitteaktiivset vormi esindab 245 aminohappe polüpeptiidahel. Kümotrüpsiinil on viie disulfiidsilda ja teiste väikeste interaktsioonide (elektrostaatilised, Van der Waalsi jõud, vesiniksidemed jne) tõttu globulaarne kuju.

Kümotrüpsiini toodavad kõhunäärme kimäärsed rakud, kus see sisaldub spetsiaalsetes membraanides ja söödetakse läbi kõhunäärme kanali soolestikku söömise ajal: kimotrüpsiin on tegelikult seedetrakti ensüüm. Valgud ja toitained, mida me sööme kaudu sööme, allutatakse seedimisele, et vähendada neid väiksemateks ahelateks ja imenduda ning muundada energiaks (nt amülaasid ja proteaasid jaotavad toitained glükoosi ja aminohapetesse, mis jõuavad rakkudesse, veresoonte kaudu jõuavad nad portaalveeni ja sealt viiakse need maksa, kus nad läbivad täiendava ravi).

Ensüüme toodetakse mitteaktiivses vormis ja need aktiveeritakse ainult siis, kui nad jõuavad "kohas, kus nad peavad tegutsema"; kui nende tegevus on lõppenud, deaktiveeritakse. Ensüümi, mis on deaktiveeritud, ei saa uuesti aktiveerida: täiendava katalüütilise toime saamiseks tuleb see asendada teise ensüümimolekuliga. Kui chimitripsina toodeti kõhunäärmes juba aktiivses vormis, ründaks see viimast: pankreatiit on haigused, mis tulenevad seedetrakti ensüümidest, mis on aktiveeritud kõhunäärmes (mitte nõutavas kohas); mõned neist, kui neid ei ravita õigeaegselt, põhjustavad surma.

Kümotrüpsiinis ja kõigis seriinproteaasides on katalüütiline toime tingitud seriini kõrvalahelas oleva alkolaadi aniooni (-CH20-) olemasolust.

Seriini proteaasid võtavad seda nime just seetõttu, et nende katalüütiline toime on tingitud seriinist.

Kui kogu ensüüm on oma toimingu sooritanud, peab see enne substraadile uuesti töötamist taastama veega; seriini "vabastamine" veest on protsessi kõige aeglasem etapp ja just see faas määrab katalüüsi kiiruse.

Katalüütiline toime toimub kahes faasis:

• anioonide moodustumine katalüütiliste omadustega (alkolaadi anioon) ja sellele järgnev nukleofiilne rünnak karbonüülsüsinikule (C = O) peptiidsideme ja estri moodustumise lõhustamisega;
• vee rünnak katalüsaatori taaskasutamisega (võimeline seega uuesti kasutama katalüütilist toimet).

Seriini proteaaside perekonda kuuluvad erinevad ensüümid võivad koosneda erinevatest aminohapetest, kuid kõigi jaoks on katalüütiline koht esindatud seriini külgahela alkolaadi aniooniga.

Seriinproteaaside alamperekond on koagulatsiooniga seotud ensüümide alamperekond (mis seisneb valgu transformatsioonis nende inaktiivsest vormist teise aktiivseks vormiks). Need ensüümid tagavad, et koagulatsioon on võimalikult efektiivne ja piiratud ruumi ja ajaga (koagulatsioon peab toimuma kiiresti ja see peab toimuma ainult vigastatud piirkonna lähedal). Koagulatsiooniga seotud ensüümid aktiveeritakse kaskaadis (ühe ensüümi aktiveerimisest saadakse miljardeid ensüüme: iga aktiveeritud ensüüm aktiveerib omakorda paljusid teisi ensüüme).

Tromboos on haigus, mis on tingitud koagulatsiooni ensüümide talitlushäirest: see on põhjustatud koagulatsioonis kasutatavate ensüümide aktiveerimisest, ilma vajaduseta (sest puudub kahjustus).

Teiste ensüümide jaoks on moduleerivad ensüümid (regulaatorid) ja inhibeerivad ensüümid: nende viimastega interakteerudes reguleeritakse või inhibeeritakse nende aktiivsust; isegi ensüümi saadus võib olla ensüümi inhibiitor. Samuti on rohkem ensüüme, seda suurem on substraat.

lüsosüümi

Luigi Pasteur avastas juhuslikult aevastuse petri tassi juures, et limas on ensüüm, mis on võimeline tapma baktereid: lüsosüüm ; kreeka keelest: liso = mis lõikab; zimo = ensüüm.

Lüsosüüm on võimeline katkestama bakterite rakuseina. Bakterid ja üldiselt ühe rakuga organismid vajavad mehhaaniliselt vastupidavaid struktuure, mis piiravad nende kuju; bakterite sees on väga suur osmootne rõhk, mistõttu nad meelitavad vett. Plasma membraan plahvataks, kui ei oleks raku seina, mis oleks vastu vee sisenemisele ja piiraks bakteri mahtu.

Rakusein koosneb polüsahhariidahelast, milles N-atsetüül-glükoosamiini (NAG) molekulid ja N-atsetüül-muramiinhappe (NAM) molekulid vahelduvad; NAG ja NAM vaheline ühendus laguneb hüdrolüüsi teel. Rakuseinas olev NAM-karboksüülrühm on seotud peptiidsidemega aminohappega.

Erinevate ahelate vahel moodustuvad sillad, mis koosnevad pseudopeptiidsidemetest: hargnemine on tingitud lüsiinimolekulist; struktuur tervikuna on väga hargnenud ja see annab sellele kõrge stabiilsuse.

Lüsosüüm on antibiootikum (see tapab baktereid): see toimib bakteri seinale murdumise teel; kui see struktuur on katki (mis on mehaaniliselt vastupidav), meelitab bakter vett, kuni see puruneb. Lüsosüüm suudab murda b-1, 4 glükosiidsideme NAM ja NAG vahel.

Lüsosüümi katalüütilist kohta esindab soon, mis kulgeb piki ensüümi, kuhu polüsahhariidahel on sisestatud: kuus ahela glükoositsüklit leiavad oma koha soones.

Süvendi kolmes asendis on kitsaskoht: selles asendis saab paigutada ainult ühe NAG, sest suurem NAM ei saa siseneda. Tegelik katalüütiline koht on positsioonide 4 ja 5 vahel: NAG on asendis 3, lõikamine toimub NAMi ja NAG vahel (ja mitte vastupidi); seetõttu on lõikamine spetsiifiline.

Optimaalne pH lüsosüümi toimimiseks on viis. Ensüümi katalüütilises kohas, st positsioonide 4 ja 5 vahel, on asparagiinhappe ja glutamiinhappe külgahelad.

Homoloogia aste : mõõdab valgu struktuuride vahelist seost (st sarnasust).

Lüsosüümi ja laktoos-süntetaasi vahel on range seos.

Laktoosi süntaas sünteesib laktoosi (mis on piima peamine suhkur): laktoos on galaktosüülglükosiid, milles galaktoosi ja glükoosi vahel on β-1, 4 glükoosiidne side.

Seega katalüüsib laktoosi süntetaas reaktsiooni, mis on vastupidine lüsosüümi poolt katalüüsitud reaktsioonile (mis lagundab β-1, 4 glükoosi sideme)

Laktoosi süntaas on dimeer, see tähendab, et see koosneb kahest valguahelast, millest ühel on katalüütilised omadused ja mis on võrreldav lüsosüümiga ja teine ​​on reguleeriv alaühik.

Raseduse ajal sünteesitakse glükoproteiinid piimanäärmete rakkudest galatosüül-tranferaasi toimel (see on 40% järjestuse homoloogia lüsosüümiga): see ensüüm on võimeline kandma galaktosüüli rühma suure energiaga struktuurist glükoproteiini struktuurile. Raseduse ajal indutseeritakse galaktoosi-transferaasi kodeeriva geeni ekspressioon (esineb ka teiste geenide ekspressioon, mis annavad ka teisi tooteid): rinna suurus on suurenenud, sest piimanäärmed on aktiveeritud (varem mitte aktiivne), mis peab tootma piima. Sünnituse ajal toodetakse α-laktalalbumiini, mis on regulatiivne valk: see on võimeline reguleerima galaktosüül-transferaasi katalüütilist võimet (substraadi diskrimineerimise tõttu). A-laktalalbumiiniga modifitseeritud galaktosüül-transferaas on võimeline kandma galaktosüüli glükoosimolekulile: moodustades β-1, 4-glükosiidsideme ja andes laktoosi (laktoosi süntetaasi).

Seega valmistab galaktoosi transferaas piima naha enne manustamist ja annab pärast manustamist piima.

Glükoproteiinide tootmiseks seondub galaktosüültransferaas galaktosüüli ja NAG-ga; sünnituse ajal seondub laktaalsel albumiinil galaktosüültransferaasiga, põhjustades viimasel glükoosi, mitte NAG-i, et saada laktoosi.