definice
Enzymy jsou proteiny produkované v rostlinných a živočišných buňkách, které působí jako katalyzátory urychlením biologických reakcí, aniž by byly modifikovány.
Enzymy fungují tak, že se spojí se specifickou látkou a transformují ji na jinou látku; klasickými příklady jsou trávicí enzymy přítomné ve slinách, žaludku, slinivce břišní a tenkém střevě, které plní základní funkci při trávení a pomáhají rozdělit potraviny na základní složky, které pak může tělo absorbovat a používat., zpracované jinými enzymy nebo vyloučené jako odpad.
Každý enzym má specifickou úlohu: ten, který štěpí například tuky, neovlivňuje proteiny ani sacharidy. Enzymy jsou nezbytné pro dobré životní podmínky organismu. Nedostatek, dokonce i jeden enzym, může způsobit vážné poruchy. Poměrně dobře známým příkladem je fenylketonurie (PKU), což je onemocnění charakterizované neschopností metabolizovat esenciální aminokyselinu, fenylalanin, jehož akumulace může způsobit fyzické deformace a duševní onemocnění.
Biochemická analýza
Enzymy jsou specifické proteiny, které mají charakter biologických katalyzátorů, to znamená, že mají schopnost snížit aktivační energii (Eatt) reakce, měnit její cestu tak, aby kineticky pomalý proces vypadal rychleji.
Enzymy zvyšují kinetiku termodynamicky možných reakcí a na rozdíl od katalyzátorů jsou více či méně specifické: mají proto substrátovou specificitu.
Enzym se nepodílí na stechiometrii reakce: proto je nezbytné, aby konečné katalytické místo bylo shodné s výchozím katalytickým místem.
V katalytickém působení je téměř vždy pomalá fáze, která určuje rychlost procesu.
Když hovoříme o enzymech, není správné hovořit o rovnovážných reakcích, mluvíme namísto ustáleného stavu (stav, ve kterém je určitý metabolit tvořen a spotřebováván nepřetržitě, přičemž jeho koncentrace je téměř konstantní v čase). Produkt reakce katalyzované enzymem je obvykle sám o sobě reaktantem pro následnou reakci, katalyzovanou jiným enzymem a tak dále.
Enzymem katalyzované procesy jsou obvykle tvořeny sekvencemi reakcí.
Generická reakce katalyzovaná enzymem (E) může být tedy schematicky znázorněna:
Generický enzym (E) se spojuje se substrátem (S) za vzniku aduktu (ES) s konstantou rychlosti K1; může se opět oddělit v E + S, s konstantou rychlosti K2, nebo (pokud "žije" dostatečně dlouho), může pokračovat do tvaru P s konstantou rychlosti K3.
Produkt (P) může zase rekombinovat s enzymem a reformovat adukt s konstantou rychlosti K4.
Když jsou enzym a substrát smíšeny, existuje zlomek času, ve kterém se dosud nevyskytlo setkání mezi těmito dvěma druhy: tj. Existuje extrémně krátký časový interval (který závisí na reakci), ve kterém enzym a substrát ještě nebyly splněny; po této době se enzym a substrát dostanou do kontaktu ve stále větším množství a vytvoří se adukt ES. Následně enzym působí na substrát a produkt se uvolňuje. Lze tedy říci, že existuje počáteční časový interval, ve kterém není koncentrace aduktu ES definovatelná; po tomto období se předpokládá ustálený stav, tj. rychlost procesů vedoucích k aduktu se rovná rychlosti procesů vedoucích ke zničení aduktu.
Michaelis-Mentenova konstanta (KM) je rovnovážná konstanta (vztahující se k první rovnováze popsané výše); můžeme říci, s dobrou aproximací (protože K3 by mělo být také uvažováno), že KM je reprezentován poměrem mezi kinetickými konstantami K2 a K1 (vztahující se k destrukci a tvorbě aduktu ES v první rovnováze popsané výše).
Prostřednictvím Michaelis-Mentenovy konstanty máme indikaci afinity mezi enzymem a substrátem: pokud je KM malý, existuje vysoká afinita mezi enzymem a substrátem, takže ES adukt je stabilní.
Enzymy podléhají regulaci (nebo modulaci).
V minulosti se hovořilo především o negativní modulaci, tj. O inhibici katalytických kapacit enzymu, ale lze také mít pozitivní modulaci, tj. Existují druhy schopné zvyšovat katalytické kapacity enzymu.
Existují 4 typy zábran (získané z aproximací provedených na modelu, které odpovídají experimentálním datům s matematickými rovnicemi):
- konkurenční inhibici
- nekompetitivní inhibice
- Inkompetitivní inhibice
- akonkurenční inhibice
Hovoříme o kompetitivní inhibici, když molekula (inhibitor) je schopna soutěžit se substrátem. Strukturní podobností může inhibitor reagovat místo substrátu; toto je místo kde termín "konkurenční inhibice" pochází. Pravděpodobnost, že se enzym váže na inhibitor nebo substrát, závisí na koncentraci obou látek a jejich afinitě k enzymu; rychlost reakce závisí na těchto faktorech.
Pro dosažení stejné reakční rychlosti, která by nastala bez přítomnosti inhibitoru, je nutné mít vyšší koncentraci substrátu.
Experimentálně se ukazuje, že v přítomnosti inhibitoru se Michaelis-Mentenova konstanta zvyšuje.
Pokud jde o nekompetitivní inhibici, interakce mezi molekulou, která by měla fungovat jako modulátor (pozitivní nebo negativní inhibitor) a enzym, se místo toho vyskytují v místě, které je odlišné od místa, ve kterém se nachází interakce mezi enzymem a substrátem; proto mluvíme o alosterické modulaci (z řeckých allosteros → jiné místo).
Pokud se inhibitor naváže na enzym, může indukovat modifikaci struktury enzymu a v důsledku toho může snížit účinnost, s jakou se substrát váže na enzym.
V tomto typu procesu zůstává konstanta Michaelis-Menten konstantní, protože tato hodnota závisí na rovnováze mezi enzymem a substrátem a tyto rovnováhy, a to ani v přítomnosti inhibitoru, se nemění.
Fenomén nekompetentní inhibice je vzácný; typický nekompetentní inhibitor je látka, která se reverzibilně váže na ES adukt, který vede k ESI:
Inhibice nadbytku substrátu může být někdy nekompetentního typu, protože k tomu dochází, když se druhá molekula substrátu váže na komplex ES, což vede ke vzniku komplexu ESS.
Na druhé straně se kompetitivní inhibitor může vázat pouze na substrátový enzymový adukt jako v předchozím případě: vazba substrátu na volný enzym indukuje konformační modifikaci, která činí místo přístupným inhibitoru.
Konstanta Michaelis Menten se snižuje s rostoucí koncentrací inhibitoru: zjevně proto se zvyšuje afinita enzymu ke substrátu.
Serinové proteázy
Jsou to rodina enzymů, ke kterým patří chimotripsin a trypsin.
Chymotrypsin je proteolytický a hydrolytický enzym, který štěpí hydrofobní a aromatické aminokyseliny vpravo.
Produkt genu, který kóduje chymotrypsin, není aktivní (je aktivován příkazem); neaktivní forma chymotrypsinu je reprezentována polypeptidovým řetězcem 245 aminokyselin. Chymotrypsin má kulovitý tvar díky pěti disulfidovým můstkům a dalším drobným interakcím (elektrostatické, Van der Waalsovy síly, vodíkové vazby atd.).
Chymotrypsin je produkován chimatickými buňkami pankreatu, kde je obsažen ve speciálních membránách a vylučován pankreatickým kanálem do střeva v době trávení potravy: chymotrypsin je ve skutečnosti trávicí enzym. Proteiny a živiny, které přijímáme prostřednictvím potravy, jsou podrobeny trávení, aby byly redukovány na menší řetězce a aby byly absorbovány a transformovány na energii (např. Amylázy a proteázy rozdělují živiny na glukózu a aminokyseliny, které se dostanou do buněk, přes krevní cévy, které se dostanou do portální žíly, a odtud jsou dopravovány do jater, kde jsou podrobeny další léčbě).
Enzymy se vyrábějí v neaktivní formě a aktivují se pouze tehdy, když se dostanou na „místo, kde musí fungovat“; když je jejich činnost ukončena, jsou deaktivovány. Enzym, jakmile je deaktivován, nemůže být reaktivován: aby měl další katalytický účinek, musí být nahrazen jinou enzymovou molekulou. Pokud by se chimitripsina již vyráběla v aktivní formě ve slinivce břišní, napadlo by to: pankreatitida je patologie způsobená trávicími enzymy, které jsou již aktivovány v slinivce břišní (nikoli v požadovaných místech); některé z nich, pokud nejsou ošetřeny včas, vedou k smrti.
V chymotrypsinu a ve všech serinových proteázách je katalytický účinek způsoben existencí alkoxidového aniontu (-CH20-) v postranním řetězci serinu.
Serinové proteázy berou toto jméno přesně proto, že jejich katalytický účinek je způsoben serinem.
Jakmile veškerý enzym provede svou činnost, než bude schopen znovu pracovat na substrátu, musí být obnoven vodou; "Osvobození" serinu vodou je nejpomalejší fází procesu a právě tato fáze určuje rychlost katalýzy.
Katalytické působení probíhá ve dvou fázích:
- tvorbu aniontů s katalytickými vlastnostmi (anionát alkoxidu) a následný nukleofilní útok na karbonylový uhlík (C = O) s odštěpením tvorby peptidové vazby a esteru;
- napadení vody s využitím katalyzátoru (schopného opět uplatnit katalytický účinek).
Různé enzymy, které patří do rodiny serinových proteáz, mohou být tvořeny různými aminokyselinami, ale pro všechny je katalytické místo reprezentováno alkolátovým aniontem postranního řetězce serinu.
Podrodina serinových proteas je enzymů zapojených do koagulace (která spočívá v přeměně proteinu, z jejich neaktivní formy do jiné formy, která je aktivní). Tyto enzymy zajišťují, že koagulace je co nejúčinnější a je omezena v prostoru a čase (koagulace musí probíhat rychle a musí se vyskytovat pouze v blízkosti poraněné oblasti). Enzymy, které se podílejí na koagulaci, jsou aktivovány v kaskádě (z aktivace jediného enzymu, získávají se miliardy enzymů: každý enzym aktivovaný, naopak aktivuje mnoho dalších enzymů).
Trombóza je onemocnění způsobené selháním koagulačních enzymů: je způsobeno aktivací, bez nutnosti (protože není léze), enzymů používaných při koagulaci.
Existují modulační enzymy (regulátory) a inhibiční enzymy pro další enzymy: interakcí s těmito enzymy regulují nebo inhibují jejich aktivitu; dokonce i produkt enzymu může být inhibitorem enzymu. Tam jsou také enzymy, které pracují více, tím větší substrát přítomen.
lysozym
Luigi Pasteur náhodou objevil kýchání na Petriho misce, že v hlenu je enzym schopný zabíjet bakterie: lysozym ; od řečtiny: liso = které řezy; zimo = enzym.
Lysozym je schopen rozrušit buněčnou stěnu bakterií. Bakterie a obecně jednobuněčné organismy vyžadují mechanicky odolné struktury, které omezují jejich tvar; uvnitř bakterií je velmi vysoký osmotický tlak, proto přitahují vodu. Plazmatická membrána by explodovala, kdyby nebyly žádné buněčné stěny, které by odporovaly vstupu vody a omezovaly objem bakterie.
Buněčná stěna se skládá z polysacharidového řetězce, ve kterém se střídají molekuly N-acetylglukosaminu (NAG) a N-acetyl-muramové kyseliny (NAM); vazba mezi NAG a NAM se štěpí hydrolýzou. Karboxylová skupina NAM v buněčné stěně je zapojena do peptidové vazby s aminokyselinou.
Mezi různými řetězci jsou vytvořeny můstky sestávající z pseudo-peptidových vazeb: větvení je způsobeno molekulou lysinu; struktura jako celek je velmi rozvětvená, což jí dává vysokou stabilitu.
Lysozym je antibiotikum (zabíjí bakterie): působí tak, že vytváří praskliny v bakteriální stěně; když je tato struktura rozbitá (která je mechanicky odolná), bakterie přitahuje vodu, dokud praskne. Lysozym je schopen rozbít b-1, 4 glukosidovou vazbu mezi NAM a NAG.
Katalytické místo lysozymu je reprezentováno drážkou, která probíhá podél enzymu, do kterého je vložen polysacharidový řetězec: šest glukosidických kruhů řetězce, nacházejí své místo v drážce.
V poloze tři drážky je úzké hrdlo: v této poloze může být umístěn pouze jeden NAG, protože NAM, který je větší, nemůže vstoupit. Skutečné katalytické místo je mezi polohami čtyři a pět: v pozici tři je NAG, řez se uskuteční mezi NAM a NAG (a ne naopak); řez je tedy specifický.
Optimální pH pro fungování lysozymu je pět. V katalytickém místě enzymu, tj. Mezi polohami čtyři a pět, jsou postranní řetězce kyseliny asparagové a kyseliny glutamové.
Stupeň homologie : měří vztah (tj. Podobnost) mezi strukturami proteinů.
Mezi lysozymem a laktózově-syntetázou existuje přísný vztah.
Laktózasyntáza syntetizuje laktózu (což je hlavní cukr v mléce): laktóza je galaktosylglukosid, ve kterém je beta-1, 4 glukosidová vazba mezi galaktosou a glukózou.
Syntáza laktózy tedy katalyzuje opačnou reakci, než je reakce katalyzovaná lysozymem (který místo toho štěpí beta-1, 4 glukosidovou vazbu)
Laktóza syntáza je dimer, to znamená, že se skládá ze dvou proteinových řetězců, z nichž jeden má katalytické vlastnosti a je srovnatelný s lysozymem a druhý je regulační podjednotkou.
Během těhotenství jsou glykoproteiny syntetizovány z buněk mléčné žlázy působením galatosyl-tranferázy (má 40% sekvenční homologii s lysozymem): tento enzym je schopen přenášet galaktosylskupinu z vysokoenergetické struktury na strukturu glykoproteinu. Během těhotenství je indukována exprese genu kódujícího galaktosy-transferázu (existuje také exprese jiných genů, které také dávají jiné produkty): dochází ke zvýšení velikosti prsu, protože je aktivována mléčná žláza (dříve aktivní), které musí produkovat mléko. Během porodu je produkován a-laktalalbumin, který je regulačním proteinem: je schopen regulovat katalytickou kapacitu galaktosyl-transferázy (v důsledku diskriminace substrátu). Galaktosyl-transferáza modifikovaná a-laktalalbuminem je schopna přenášet galaktosyl na molekulu glukózy: tvořit beta-1, 4 glykosidovou vazbu a dávat laktózu (laktóza syntetáza).
Galaktózová transferáza tedy připravuje mléčnou žlázu před porodem a produkuje mléko po porodu.
Pro produkci glykoproteinů se galaktosyltransferáza váže na galaktosyl a NAG; během porodu se laktální albumin váže na galaktosyltransferázu, což způsobuje, že tyto látky rozpoznávají spíše glukózu než NAG za vzniku laktózy.
