definisjon
Enzymer er proteiner produsert i plante- og dyreceller, som virker som katalysatorer ved å akselerere biologiske reaksjoner uten å bli modifisert.
Enzymer jobber ved å kombinere med et bestemt stoff for å forvandle det til et annet stoff; Klassiske eksempler er gitt av fordøyelsesenzymer som er tilstede i spytt, i mage, i bukspyttkjertelen og i tynntarmen, som utfører en viktig funksjon i fordøyelsen, og bidrar til å bryte ned matvarer til de grunnleggende bestanddelene, som deretter kan absorberes og brukes av kroppen, behandlet av andre enzymer eller utvist som avfall.
Hvert enzym har en bestemt rolle: den som bryter ned fett, for eksempel, påvirker ikke proteiner eller karbohydrater. Enzymer er essensielle for organismenes velvære. Mangel, selv av et enkelt enzym, kan forårsake alvorlige lidelser. Et ganske godt kjent eksempel er fenylketonuri (PKU), en sykdom som er karakterisert ved manglende evne til å metabolisere en essensiell aminosyre, fenylalanin, akkumuleringen av disse kan forårsake fysiske deformiteter og psykiske lidelser.
Biokjemisk analyse
Enzymer er spesielle proteiner som har karakteristikken for å være biologiske katalysatorer, det vil si at de har muligheten til å redusere aktiveringsenergien (Eatt) til en reaksjon, og endringen av banen for å gjøre en kinetisk sakte prosess fremtrer raskere.
Enzymer øker kinetikken til termodynamisk mulige reaksjoner og, i motsetning til katalysatorer, er mer eller mindre spesifikke: de har derfor substrat-spesifisitet.
Enzymet er ikke involvert i støkiometrien av reaksjonen: for dette skal skje, er det avgjørende at det endelige katalytiske området er identisk med start-en.
I katalytiske tiltak er det nesten alltid en langsom fase som bestemmer hastigheten på prosessen.
Når vi snakker om enzymer, er det ikke riktig å snakke om likevektsreaksjoner, vi snakker i stedet for en steady state (tilstand der en bestemt metabolitt dannes og konsumeres kontinuerlig, og opprettholder konsentrasjonen nesten konstant over tid). Produktet av en reaksjon katalysert av et enzym er vanligvis selv en reaktant for en etterfølgende reaksjon, katalysert av et annet enzym, og så videre.
Enzymkatalyserte prosesser består vanligvis av sekvenser av reaksjoner.
En generisk reaksjon katalysert av et enzym (E) kan således skjematiseres:
Et generisk enzym (E) kombinerer med substratet (S) for å danne adduktet (ES) med en hastighetskonstant K1; det kan disassociere igjen i E + S, med en hastighetskonstant K2, eller, hvis "lever" lenge nok) kan den fortsette å danne P med en hastighetskonstant K3.
Produktet (P) kan i sin tur rekombine med enzymet og reformere adduktet med hastighetskonstant K4.
Når enzym og substrat blandes, er det en brøkdel av tid der møtet mellom de to artene ennå ikke har skjedd: det er et ekstremt kort tidsintervall (som avhenger av reaksjonen) der enzym og substrat har ennå ikke møtt; etter denne perioden kommer enzymet og substratet i kontakt i økende mengder og ES-adduktet dannes. Deretter virker enzymet på substratet og produktet frigjøres. Det kan da sies at det er et innledende tidsintervall hvor konsentrasjonen av ES-adduktet ikke er definerbar; etter denne perioden antas det at en stabil tilstand er etablert, dvs. hastigheten til prosessene som fører til adduktet, er lik hastigheten til prosessene som fører til ødeleggelsen av adduktet.
Michaelis-Menten-konstanten (KM) er en likevektskonstant (referert til den første likevekt beskrevet ovenfor); Vi kan si med god tilnærming (fordi K3 også bør vurderes) at KM er representert ved forholdet mellom de kinetiske konstantene K2 og K1 (refererer til ødeleggelsen og dannelsen av adduktet ES i den første likevekt beskrevet ovenfor).
Gjennom Michaelis-Menten-konstanten har vi en indikasjon på affiniteten mellom enzym og substrat: hvis KM er liten er det høy avfinitet mellom enzym og substrat, så ES-adduktet er stabilt.
Enzymer er underlagt regulering (eller modulering).
Tidligere ble det snakket over all negativ modulering, det vil si å hemme katalytiske kapasiteter av et enzym, men man kan også ha en positiv modulasjon, det vil si at det finnes arter som kan forbedre katalytiske kapasiteter av et enzym.
Det finnes 4 typer hemninger (hentet fra tilnærminger laget på en modell for å matche eksperimentelle data med matematiske ligninger):
- konkurransedyktig inhibering
- ikke-konkurransedyktig inhibering
- Inkompetitiv inhibering
- akkompetiv inhibering
Det er tale om konkurrerende hemming når et molekyl (inhibitor) er i stand til å konkurrere med substratet. Ved strukturell likhet kan inhibitoren reagere i stedet for substratet; Det er her begrepet "konkurransedyktig hemming" kommer fra. Sannsynligheten for at enzymet binder til inhibitoren eller substratet, avhenger av konsentrasjonen av begge og deres affinitet med enzymet; reaksjonshastigheten avhenger av disse faktorene.
For å oppnå den samme reaksjonshastigheten som ville oppstå uten nærvær av inhibitoren, er det nødvendig å ha en høyere substratkonsentrasjon.
Det vises eksperimentelt at Michaelis-Menten-konstanten i nærvær av en inhibitor øker.
Når det gjelder stedet for ikke-konkurransedyktig inhibering, skjer samspillet mellom molekylet som skal fungere som en modulator (positiv eller negativ-inhibitor) og enzymet på et sted som er forskjellig fra det der samspill mellom enzym og substrat; Vi snakker derfor om allosterisk modulasjon (fra det greske allosteros → annet nettsted).
Hvis inhibitoren går for å binde seg til enzymet, kan den indusere en modifisering av enzymets struktur og kan derfor redusere effektiviteten som substratet binder til enzymet.
I denne typen prosess forblir Michaelis-Menten-konstanten konstant siden denne verdien er avhengig av likevektene mellom enzym og substrat, og disse likevektene, selv i nærvær av en inhibitor, endres ikke.
Fenomenet inkompetent inhibering er sjelden; en typisk inkompetent inhibitor er et stoff som reversibelt binder til ES-adduktet som gir opphav til ESI:
Inhibering av overflødig substrat kan noen ganger være av inkompetent type, da dette skjer når et annet substratmolekyl binder til ES-komplekset, hvilket gir opphav til ESS-komplekset.
En akompetiv inhibitor kan derimot bare binde seg til substratenzymadduktet som i det foregående tilfelle: bindingen av substratet til det frie enzymet induserer en konformasjonsmodifisering som gjør stedet tilgjengelig for inhibitoren.
Michaelis Menten-konstanten minker med økende inhibitorkonsentrasjon: tilsynelatende øker derfor enzymets affinitet til substratet.
Serine proteaser
De er en familie av enzymer som chimotripsin og trypsin tilhører.
Chymotrypsin er et proteolytisk og hydrolytisk enzym som kutter hydrofobe og aromatiske aminosyrer til høyre.
Produktet av genet som koder for chymotrypsin er ikke aktivt (det aktiveres med en kommando); Den ikke-aktive form av chymotrypsin er representert av en polypeptidkjede med 245 aminosyrer. Chymotrypsin har en kuleform på grunn av fem disulfidbroer og andre mindre interaksjoner (elektrostatiske, Van der Waals-krefter, hydrogenbindinger, etc.).
Chymotrypsin er produsert av bukspyttkreftens chimatiske celler, hvor den er inneholdt i spesielle membraner og utstøtes gjennom bukspyttkjertelen i tarmene, på tidspunktet for fordøyelsen av maten: chymotrypsin er faktisk et fordøyelsesenzym. Proteinene og næringsstoffene som vi inntar gjennom kostholdet blir utsatt for fordøyelsen, reduseres til mindre kjeder og absorberes og transformeres til energi (f.eks. Amylaser og proteaser deler næringsstoffene inn i glukose og aminosyrer som kommer til cellene, gjennom blodkarene når de til portalvenen og derfra blir de overført til leveren hvor de gjennomgår videre behandlinger).
Enzymer produseres i en inaktiv form og aktiveres bare når de når "stedet der de må operere"; Når handlingen er over, deaktiveres de. Et enzym som en gang er deaktivert, kan ikke reaktiveres. For å få en ekstra katalytisk virkning, må den erstattes av et annet enzymmolekyl. Hvis chimitripsina allerede ble produsert i en aktiv form i bukspyttkjertelen, ville den angripe sistnevnte: pankreatitt er patologier på grunn av fordøyelsesenzymer som allerede er aktivert i bukspyttkjertelen (og ikke på de nødvendige stedene); Noen av dem hvis de ikke behandles i tide, fører til døden.
I chymotrypsinet og i alle serinproteasene skyldes den katalytiske virkningen eksistensen av alkolatanionen (-CH20-) i sidekjeden til en serin.
Serinproteasene tar dette navnet nettopp fordi deres katalytiske virkning skyldes serin.
Når alt enzymet har utført sin handling, må det gjenopprettes med vann før det blir mulig å gjenopprette på substratet igjen. "frigjøring" av serin ved vann er det sakte stadiet i prosessen, og det er denne fasen som bestemmer katalysens hastighet.
Den katalytiske virkningen skjer i to faser:
- anionformasjon med katalytiske egenskaper (alkolatanion) og påfølgende nukleofilt angrep mot karbonylkullet (C = O) med spaltning av peptidbindingen og esterdannelsen;
- angrep av vannet med gjenvinning av katalysatoren (i stand til å utøve sin katalytiske virkning igjen).
De forskjellige enzymene som tilhører familien av serinproteaser, kan bestå av forskjellige aminosyrer, men for det hele er det katalytiske området representert ved alkolatanjonen av sidekjeden til en serin.
En subfamilie av serinproteaser er den for enzymer involvert i koagulasjon (som består i transformasjon av protein, fra deres inaktive form til en annen form som er aktiv). Disse enzymer sikrer at koaguleringen er så effektiv som mulig og er begrenset i rom og tid (koagulering må skje raskt og må bare forekomme i nærheten av skadet område). De enzymene som er involvert i koagulasjonen, aktiveres i kaskade (fra aktiveringen av et enkelt enzym, oppnås milliarder enzymer: hvert enzym aktivert aktiverer igjen mange andre enzymer).
Trombose er en sykdom som skyldes funksjonsfeil i koagulasjonsenzymer: det er forårsaket av aktivering, uten behov (fordi det ikke er noen lesjon), av enzymer som brukes i koagulasjon.
Det er modulerende enzymer (regulatorer) og hemmende enzymer for andre enzymer: ved å interagere med sistnevnte regulerer eller hemmer de sin aktivitet; Selv produktet av et enzym kan være en hemmer for enzymet. Det finnes også enzymer som fungerer jo større, desto større er substratet tilstede.
lysozym
Luigi Pasteur oppdaget ved en tilfeldighet nysing på en petriskål, at i slimet er det et enzym som er i stand til å drepe bakterier: lysozym ; fra gresk: liso = hvilke kutt zimo = enzym.
Lysozym er i stand til å bryte cellevegget av bakterier. Bakterier og generelt enkeltcellede organismer trenger mekanisk resistente strukturer som begrenser deres form; inne i bakteriene er det et meget høyt osmotisk trykk, derfor tiltrekker de vann. Plasmamembranen ville eksplodere hvis det ikke var noen cellevegg som motvirker innføringen av vann og begrenser volumet av bakterien.
Cellevegget består av en polysakkaridkjede hvori N-acetyl-glukosamin (NAG) molekyler og N-acetyl-muraminsyre (NAM) molekyler er alternerende; Koblingen mellom NAG og NAM brytes ned ved hydrolyse. NAM-karboksylgruppen i celleveggen er engasjert i en peptidbinding med en aminosyre.
Mellom de forskjellige kjedene dannes broer som består av pseudo-peptidbindinger: forgreningen skyldes lysinmolekylet; strukturen som helhet er veldig forgrenet og dette gir den høy stabilitet.
Lysozym er et antibiotikum (det dreper bakterier): Det virker ved å sprekke i bakterievegget; Når denne strukturen er ødelagt (som er mekanisk motstandsdyktig) tiltrekker bakterien vann til det brister. Lysozym kan bryte b-1, 4 glukosidbindingen mellom NAM og NAG.
Det katalytiske stedet for lysozymet er representert ved en spor som går langs enzymet som polysakkaridkjeden er satt inn i: seks glukosidiske ringer av kjeden, finner deres plass i sporet.
I posisjon tre av sporet er det en flaskehals: i denne posisjonen kan bare en NAG plasseres, fordi NAM, som er større, ikke kan komme inn. Den faktiske katalytiske siden er mellom posisjonene fire og fem: det er en NAG i posisjon tre, kuttet vil skje mellom en NAM og en NAG (og ikke omvendt); derfor er kuttet spesifikt.
Den optimale pH for funksjonen av lysozym er fem. I det katalytiske stedet for enzymet, som er mellom posisjonene fire og fem, er sidekjedene av en asparaginsyre og en glutaminsyre.
Grad av homologi : måler forholdet (dvs. likheten) mellom proteinstrukturer.
Det er et strengt forhold mellom lysozym og laktose-syntetase.
Laktosesyntase syntetiserer laktose (som er hovedsukkeret i melk): Laktose er et galaktosylglukosid der det er en p-1, 4 glukosidbinding mellom galaktose og glukose.
Således katalyserer laktosyntetase reaksjonen motsatt den som katalyseres av lysozym (som i stedet bryter ned p-1, 4 glukosidbindingen)
Laktosesyntase er en dimer, det består av to proteinkjeder, hvorav den ene har katalytiske egenskaper og er sammenlignbar med lysozym og den andre er en regulatorisk underenhet.
Under graviditeten syntetiseres glykoproteiner fra brystkjertelceller ved hjelp av galatosyl-tranferase (den har en 40% sekvenshomologi med lysozym): Dette enzymet er i stand til å overføre en galaktosylgruppe fra en høy energi struktur til en glykoproteinstruktur. Under graviditeten indukseres uttrykket av genet som koder for galaktose-transferase (det er også uttrykk for andre gener som også gir andre produkter): Det er en økning i bryststørrelsen fordi brystkjertelen er aktivert (tidligere ikke aktiv) som må produsere melk. Under fødsel blir a-laktalalbumin produsert som er et regulatorisk protein: det er i stand til å regulere den katalytiske kapasiteten til galaktosyltransferase (på grunn av substratdiskriminering). Galaktosyltransferasen modifisert av a-laktalalbumin, er i stand til å overføre en galaktosyl på et glukosemolekyl: danner et p-1, 4 glykosidbinding og gir laktose (laktose syntetase).
Således forbereder galaktose transferase brystkjertelen før levering og produserer melk etter fødselen.
For å produsere glykoproteiner binder galaktosyltransferase til en galaktosyl og en NAG; I løpet av fødselen binder laktalalbumin til galaktosyltransferase, noe som forårsaker at sistnevnte anerkjenner glukose i stedet for NAG for å gi laktose.
