Enzymerne

Definition

Enzymer er proteiner produceret i plante- og dyreceller, som fungerer som katalysatorer, der fremskynder biologiske reaktioner uden at blive ændret.

Enzymer virker ved at kombinere med et specifikt stof for at omdanne det til et andet stof; klassiske eksempler er givet af fordøjelsesenzymer til stede i spyt, mave, bugspytkirtel og tyndtarm, som udfører en væsentlig funktion i fordøjelsen og hjælper med at nedbryde mad til basiske bestanddele, som derefter kan absorberes og bruges af kroppen, behandlet af andre enzymer eller udskilles som affald.

Hvert enzym har en bestemt rolle: Det, der nedbryder fedtstoffer, virker f.eks. Ikke på proteiner eller kulhydrater. Enzymer er afgørende for organismens velbefindende. Mangel, selv på et enkelt enzym, kan forårsage alvorlige problemer.Et velkendt eksempel er phenylketonuri (PKU), en sygdom karakteriseret ved manglende evne til at metabolisere en essentiel aminosyre, phenylalanin, hvis ophobning kan forårsage fysiske deformiteter og psykiske lidelser.

Biokemisk undersøgelse

Enzymer er særlige proteiner, der har karakteristikken for at være biologiske katalysatorer, det vil sige, at de har evnen til at nedbryde aktiveringsenergien (Eatt) for en reaktion, idet den ændrer dens vej, så en kinetisk langsom proces er hurtigere.

Enzymer øger kinetikken for termodynamisk mulige reaktioner, og i modsætning til katalysatorer er de mere eller mindre specifikke: de besidder derfor substratspecificitet.
Enzymet er ikke involveret i reaktionens støkiometri: for at dette kan ske, skal det endelige katalytiske sted være identisk med det startende.
I den katalytiske virkning er der næsten altid en langsom fase, der bestemmer procesens hastighed.
Når vi taler om enzymer, er det ikke korrekt at tale om ligevægtsreaktioner, vi taler i stedet om stabil tilstand (tilstand, hvor en bestemt metabolit dannes og forbruges kontinuerligt, idet koncentrationen holdes næsten konstant over tid). Produktet af en reaktion katalyseret af et enzym er normalt selv en reaktant for en efterfølgende reaktion, katalyseret af et andet enzym osv.
Processer katalyseret af enzymer består normalt af sekvenser af reaktioner.
En generisk reaktion katalyseret af et enzym (E) kan opsummeres som følger:

E er enzymet

S er substratet;
ES repræsenterer adduktet mellem enzym og substrat;

P er produktet;
K er reaktionens hastighedskonstant.

Et generisk enzym (E) kombineres med substratet (S) for at danne adduktet (ES) med en hastighedskonstant K1; det kan dissocieres tilbage til E + S, med en hastighedskonstant K2, eller, (hvis "lever" længe nok ) kan fortsætte med at danne P med en hastighedskonstant K3.

Produktet (P) kan igen rekombinere med enzymet og reformere adduktet med hastighedskonstant K4.
Når enzymet og substratet blandes, er der en brøkdel af tiden, hvor mødet mellem de to arter endnu ikke har fundet sted: det vil sige, at der er et ekstremt kort tidsinterval (som afhænger af reaktionen), hvor enzym og substrat har endnu ikke opfyldt; efter denne periode kommer enzym og substrat i kontakt i stigende mængder, og ES -adduktet dannes. Efterfølgende virker enzymet på substratet, og produktet frigives. Det kan derefter siges, at c "er et indledende tidsinterval, hvor koncentrationen af ​​ES -adduktet ikke kan defineres; efter denne periode antages det, at en stabil tilstand er etableret, det vil sige hastigheden af ​​de processer, der fører til opnåelse af adduktet, er lig med hastigheden af ​​de processer, der fører til ødelæggelse af adduktet.
Michaelis-Menten-konstanten (KM) er en ligevægtskonstant (henvist til den første ligevægt beskrevet ovenfor); det kan med en god tilnærmelse siges (fordi K3 også skal overvejes), at KM er repræsenteret ved forholdet mellem de kinetiske konstanter K2 og K1 (henvist til ødelæggelse og dannelse af adduktet ES i den første ligevægt beskrevet ovenfor) .
Gennem Michaelis-Menten-konstanten har vi en "indikation af affiniteten mellem enzym og substrat: hvis KM er lille c" er en "høj affinitet mellem enzym og substrat, så er ES-adduktet stabilt.

Enzymer er underlagt regulering (eller modulering).
Tidligere var der hovedsagelig tale om negativ modulering, det vil sige inhibering af et enzyms katalytiske evner, men der kan også være en positiv modulering, det vil sige, at der er arter, der er i stand til at forstærke et enzyms katalytiske evner.
Der er 4 typer hæmninger (hentet fra tilnærmelser foretaget på en model for at matche eksperimentelle data med matematiske ligninger):

• konkurrencedygtig hæmning
• ikke-konkurrencedygtig hæmning
• inkompetitiv hæmning
• en konkurrencedygtig hæmning

Vi taler om konkurrencedygtig hæmning, når et molekyle (inhibitor) er i stand til at konkurrere med substratet. Af strukturel lighed kan inhibitoren reagere i stedet for substratet, deraf terminologien "konkurrencedygtig inhibering". Sandsynligheden for at enzymet binder til inhibitoren eller substratet afhænger af koncentrationen af ​​begge og deres affinitet med enzymet; reaktionshastigheden afhænger derfor af disse faktorer.
For at opnå den samme reaktionshastighed som uden tilstedeværelse af inhibitoren er det nødvendigt at have en højere substratkoncentration.
Det er eksperimentelt vist, at Michaelis-Menten-konstanten stiger i nærvær af en hæmmer.

Hvad angår "den ikke-konkurrencedygtige inhibering, interaktionen mellem molekylet, der skal fungere som en modulator (positiv eller negativ hæmmer) og" enzymet, finder sted på et sted, der er forskelligt fra det sted, hvor interaktionen er forekommer mellem enzym og substrat; vi taler derfor om allosterisk modulering (fra græsk allosteros → andet websted).
Hvis inhibitoren binder sig til enzymet, kan det forårsage en ændring i enzymets struktur og kan følgelig reducere effektiviteten, hvormed substratet binder til enzymet.
I denne type proces forbliver Michaelis-Menten-konstanten konstant, da denne værdi afhænger af ligevægten mellem enzymet og substratet, og selv i nærvær af en hæmmer ændres disse ligevægte ikke.

Fænomenet inkompetitiv hæmning er sjældent; en typisk inkompetitiv hæmmer er et stof, der reversibelt binder sig til ES -adduktet, der giver anledning til ESI:

Hæmning fra substratoverskud kan undertiden være inkompetitiv, da dette sker, når et andet substratmolekyle binder sig til ES -komplekset, hvilket giver anledning til ESS -komplekset.

En konkurrencedygtig inhibitor kan på den anden side kun binde til substratenzymadduktet som i det foregående tilfælde: bindingen af ​​substratet til det frie enzym inducerer en konformationsmodifikation, der gør stedet tilgængeligt for inhibitoren.
Michaelis Menten -konstanten falder, når inhibitorens koncentration stiger: tilsyneladende stiger enzymets affinitet til substratet.

Serin protease

De er en familie af enzymer, som chymotrypsin og trypsin tilhører.
Chymotrypsin er et proteolytisk og hydrolytisk enzym, der skærer til højre for hydrofobe og aromatiske aminosyrer.
Produktet af genet, der koder for chymotrypsin, er ikke aktivt (det aktiveres med en kommando); den inaktive form af chymotrypsin er repræsenteret af en polypeptidkæde på 245 aminosyrer. Chymotrypsin har en kugleform på grund af fem disulfidbroer og andre mindre interaktioner (elektrostatisk, Van der Waals kræfter, hydrogenbindinger osv.).
Chymotrypsin produceres af chymosecellerne i bugspytkirtlen, hvor det er indeholdt i særlige membraner og udvises gennem bugspytkirtelkanalen ind i tarmen på tidspunktet for fordøjelse af mad: chymotrypsin er faktisk et fordøjelsesenzym. De proteiner og næringsstoffer, som vi indtager gennem kosten, udsættes for fordøjelse, der reduceres til mindre kæder og absorberes og omdannes til energi (f.eks. Amylaser og proteaser nedbryder næringsstoffer til glukose og aminosyrer, der når cellerne gennem blodkarrene de når portalvenen og transporteres derfra til leveren, hvor de undergår yderligere behandling).
Enzymer produceres i en ikke-aktiv form og aktiveres først, når de når "stedet, hvor de skal operere"; når deres handling er færdig, deaktiveres de. Et enzym, når det først er deaktiveret, kan ikke reaktiveres: for at have en "yderligere katalytisk virkning, skal det erstattes af" et andet enzymmolekyle. Hvis chimitrypsin blev produceret i aktiv form allerede i bugspytkirtlen, ville det angribe sidstnævnte: pancreatitis er patologier på grund af fordøjelsesenzymer, der allerede er aktiveret i bugspytkirtlen (og ikke på de krævede steder); nogle af dem, hvis de ikke behandles i tide, føre til døden.
I chymotrypsin og i alle serinproteaser skyldes den katalytiske virkning eksistensen af ​​alkoholanionen (-CH2O-) i sidekæden af ​​en serin.
Serinproteaser tager dette navn netop fordi deres katalytiske virkning skyldes en serin.
Når alt enzymet har udført sin handling, før det igen kan operere på substratet, skal det genoprettes med vand; "frigivelsen" af serin ved vandet er procesens langsomste fase, og det er denne fase som bestemmer hastigheden af ​​katalyse.
Den katalytiske virkning sker i to faser:

• dannelse af anionen med katalytiske egenskaber (anionalkoholat) og efterfølgende nukleofilt angreb på carbonylcarbon (C = O) med spaltning af peptidbindingen og dannelse af esteren;
• vandangreb med restaurering af katalysatoren (i stand til at udøve sin katalytiske virkning igen).

De forskellige enzymer, der tilhører serinproteasefamilien, kan bestå af forskellige aminosyrer, men for dem alle er det katalytiske sted repræsenteret af den alkoholiske anion i sidekæden af ​​en serin.
En underfamilie af serinproteaser er enzymerne, der er involveret i koagulation (som består i transformation af protein, fra deres inaktive form til en "anden form, der er aktiv). Disse enzymer sikrer, at koagulation er så effektiv som muligt og er begrænset i rummet og tiden (koagulation skal ske hurtigt og må kun forekomme i nærheden af ​​det skadede område). Enzymerne, der er involveret i koagulation, aktiveres i en kaskade (ved aktivering af et enkelt enzym opnås milliarder af enzymer: hvert aktiveret enzym , aktiverer igen mange andre enzymer).
Trombose er en patologi på grund af funktionssvigt i koagulationsenzymer: det er forårsaget af aktivering uden behov (fordi der ikke er nogen skade) af de enzymer, der bruges til koagulation.

Der er modulerende (regulatoriske) enzymer og hæmmende enzymer for andre enzymer: interagerer med sidstnævnte, de regulerer eller hæmmer deres aktivitet; selv produktet af et enzym kan være en hæmmer for enzymet. Der er også enzymer, der virker, jo mere, jo større er substratet til stede.

Lysozym

Luigi Pasteur opdagede ved nysen på en petriskål, at der i slimet er et enzym, der er i stand til at dræbe bakterier: lysozym; fra græsk: liso = hvilken størrelse; zimo = enzym.
Lysozym er i stand til at nedbryde cellevæggen af ​​bakterier. Bakterier og encellede organismer generelt har brug for mekanisk resistente strukturer, der begrænser deres form; inde i bakterierne er der et meget højt osmotisk tryk, så de tiltrækker vand. Plasmamembranen ville eksplodere, hvis der ikke var en cellevæg, der modsætter sig indtrængen af ​​vand og begrænser bakteriens volumen.
Cellevæggen består af en polysaccharidkæde, hvor molekyler af N-acetyl-glucosamin (NAG) og molekyler af N-acetyl-muraminsyre (NAM) veksler; bindingen mellem NAG og NAM brydes ved hydrolyse. Carboxylgruppen af ​​NAM, i cellevæggen, er engageret i en peptidbinding med en aminosyre.
Mellem de forskellige kæder dannes broer bestående af pseudo-peptidbindinger: forgreningen skyldes lysinmolekylet; strukturen som helhed er meget forgrenet, og det giver den en høj stabilitet.
Lysozym er et antibiotikum (dræber bakterier): det virker ved at lave en revne i bakterievæggen; når denne struktur (som er mekanisk resistent) bryder, trækker bakterien vand, indtil den brister. Lysozym formår at bryde β-1,4 glukosidbindingen mellem NAM og NAG.
Lysozymets katalytiske sted repræsenteres af en rille, der løber langs enzymet, hvori polysaccharidkæden indsættes: seks glukosidiske ringe i kæden placeres i rillen.
I position tre i rillen c "er en choker: i denne position kan kun en NAG placeres, fordi NAM, som er af højere dimensioner, ikke kan komme ind. Det faktiske katalytiske sted er mellem position fire og fem: da der er en NAG i position tre, skæringen vil finde sted mellem en NAM og en NAG (og ikke omvendt); snittet er derfor specifikt.
Den optimale pH for lysozym til at virke er fem. På enzymets katalytiske sted, dvs. mellem positionerne fire og fem, er der sidekæder af en asparaginsyre og en glutaminsyre.

Grad af homologi: måler slægtskab (dvs. lighed) mellem proteinstrukturer.

Der er en stærk sammenhæng mellem lysozym og lactosesyntase.
Lactosesyntetase syntetiserer lactose (som er det vigtigste mælkesukker): lactose er et galactosylglucosid, hvor c "er en β-1,4 glucosidbinding mellem galactose og glucose.
Derfor katalyserer lactosesyntetase den modsatte reaktion til den, der katalyseres af lysozym (som i stedet opdeler β-1,4 glukosidbindingen)
Lactosesyntetase er en dimer, det vil sige, den består af to proteinkæder, hvoraf den ene har katalytiske egenskaber og kan sammenlignes med lysozym, og den anden er en regulatorisk underenhed.
Under graviditeten syntetiseres glycoproteiner af cellerne i mælkekirtlen ved virkningen af ​​galatosyl-tranferase (den har en "sekvenshomologi på 40% med lysozym): dette enzym er i stand til at overføre en galactosylgruppe fra en højenergistruktur til en glykoproteinstruktur. Under graviditeten induceres ekspressionen af ​​det gen, der koder for galactosisyl-transferase (der er også ekspression af andre gener, der også giver andre produkter): der er en stigning i brystets størrelse, fordi det aktiveres mælkekirtlen (tidligere inaktiv), der skal producere mælk. Under fødslen produceres α-lactalbumin, som er et regulerende protein: det er i stand til at regulere katalytisk kapacitet af galactosyl-transferase (ved diskriminering af substratet). Galactosyl-transferase modificeret af α-lactalalbumin er i stand til at overføre en galactosyl til et glucosemolekyle: danner en β-1,4 glycosidbinding og giver lactose (lactosesyntetase).
Derfor forbereder galactose transferase brystkirtlen før levering og producerer mælk efter levering.
For at producere glycoproteiner binder galactosyltransferase til en galactosyl og en NAG; under fødslen binder lactalalbumin sig til galactosyltransferase, hvilket får sidstnævnte til at genkende glucose og ikke længere NAG til at give lactose.