Entsyymit

Määritelmä

Entsyymit ovat kasvi- ja eläinsoluissa tuotettuja proteiineja, jotka toimivat katalysaattoreina nopeuttaen biologisia reaktioita ilman muutoksia.

Entsyymit toimivat yhdistämällä tiettyyn aineeseen muuntaakseen sen eri aineeksi; klassisia esimerkkejä ovat syljessä, mahalaukussa, haimassa ja ohutsuolessa olevat ruoansulatusentsyymit, jotka suorittavat olennaisen tehtävän ruoansulatuksessa ja auttavat hajottamaan ruoan perusaineosiksi, joita keho voi sitten imeä ja käyttää, käsitellä muilla entsyymeillä tai erittyy jätteenä.

Jokaisella entsyymillä on erityinen rooli: esimerkiksi se, joka hajottaa rasvoja, ei vaikuta proteiineihin tai hiilihydraatteihin. Entsyymit ovat elimistön hyvinvoinnin kannalta välttämättömiä. Jopa yksittäisen entsyymin puute voi aiheuttaa vakavia häiriöitä. Tunnettu esimerkki on fenyyliketonuria (PKU), sairaus, jolle on ominaista kyvyttömyys metaboloida välttämätön aminohappo, fenyylialaniini, jonka kertyminen voi aiheuttaa fyysisiä epämuodostumia ja mielisairauksia.

Biokemiallinen tutkimus

Entsyymit ovat erityisiä proteiineja, joilla on ominaisuus olla biologisia katalyyttejä, eli ne kykenevät hajottamaan reaktion aktivointienergian (Eatt) muuttamalla sen reittiä siten, että kineettisesti hidas prosessi on nopeampi.

Entsyymit lisäävät termodynaamisesti mahdollisten reaktioiden kinetiikkaa, ja toisin kuin katalyytit, ne ovat enemmän tai vähemmän spesifisiä: niillä on siksi substraattispesifisyyttä.
Entsyymi ei osallistu reaktion stökiometriaan: jotta tämä tapahtuisi, lopullisen katalyyttikohdan on oltava identtinen lähtöalueen kanssa.
Katalyyttisessä toiminnassa on lähes aina hidas vaihe, joka määrää prosessin nopeuden.
Kun puhumme entsyymeistä, ei ole oikein puhua tasapainoreaktioista, vaan puhumme sen sijaan vakaa tila (tila, jossa tietty metaboliitti muodostuu ja kulutetaan jatkuvasti pitäen sen pitoisuus lähes vakiona ajan myötä). Yhden entsyymin katalysoiman reaktion tuote on yleensä itsessään reagoiva aine myöhempää reaktiota varten, jota katalysoi toinen entsyymi jne.
Entsyymien katalysoimat prosessit koostuvat yleensä reaktiosarjoista.
Yleinen entsyymin (E) katalysoima reaktio voidaan tiivistää seuraavasti:

E on entsyymi

S on substraatti;
ES edustaa adduktia entsyymin ja substraatin välillä;

P on tuote;
K on reaktion nopeusvakio.

Geneerinen entsyymi (E) yhdistyy substraatin (S) kanssa muodostaen adduktin (ES) nopeusvakion K1 avulla; se voi dissosioitua takaisin E + S: ksi nopeusvakion K2 avulla tai (jos "elää" tarpeeksi kauan) ) voi edetä muotoon P nopeusvakion K3 avulla.

Tuote (P) voi vuorostaan ​​yhdistyä uudelleen entsyymin kanssa ja uudistaa adduktin nopeusvakion K4 avulla.
Kun entsyymi ja substraatti sekoitetaan, on murto -aika, jolloin kahden lajin kohtaaminen ei ole vielä tapahtunut: eli on erittäin lyhyt aikaväli (joka riippuu reaktiosta), jossa entsyymi ja substraatti ovat ei vielä täyty; tämän ajanjakson jälkeen entsyymi ja substraatti joutuvat kosketuksiin kasvavina määrinä ja ES -addukti muodostuu. Myöhemmin entsyymi vaikuttaa substraattiin ja tuote vapautuu. Sitten voidaan sanoa, että c "on ensimmäinen aikaväli, jossa ES -adduktin pitoisuutta ei voida määrittää; tämän ajanjakson jälkeen oletetaan, että vakaa tila on määritetty, toisin sanoen adduktin saamiseen johtavien prosessien nopeus on yhtä suuri kuin adduktin tuhoamiseen johtavien prosessien nopeus.
Michaelis-Menten-vakio (KM) on tasapainovakio (viitattu edellä kuvattuun ensimmäiseen tasapainoon); voidaan sanoa hyvällä likimääräisyydellä (koska myös K3 on otettava huomioon), että KM: ää edustaa kineettisten vakioiden K2 ja K1 välinen suhde (viitaten addukti ES: n tuhoutumiseen ja muodostumiseen edellä kuvatussa ensimmäisessä tasapainossa) .
Michaelis-Menten-vakion kautta meillä on "osoitus entsyymin ja substraatin välisestä affiniteetista: jos KM on pieni c" on "korkea affiniteetti entsyymin ja substraatin välillä, niin ES-addukti on vakaa.

Entsyymejä säännellään (tai moduloidaan).
Aiemmin puhuttiin pääasiassa negatiivisesta modulaatiosta eli entsyymin katalyyttisten kykyjen estämisestä, mutta voi olla myös positiivinen modulaatio, toisin sanoen on olemassa lajeja, jotka kykenevät parantamaan entsyymin katalyyttisiä kykyjä.
Estoja on 4 tyyppiä (saatu mallista tehdyistä arvioista vastaamaan kokeellisia tietoja matemaattisten yhtälöiden kanssa):

• kilpailun esto
• kilpailunvastainen esto
• kilpailuton esto
• kilpailun esto

Puhumme kilpailun estämisestä, kun molekyyli (estäjä) pystyy kilpailemaan substraatin kanssa. Rakenteellisen samankaltaisuuden vuoksi inhibiittori voi reagoida substraatin sijasta, joten terminologia "kilpaileva esto" Todennäköisyys, että entsyymi sitoutuu inhibiittoriin tai substraattiin, riippuu molempien pitoisuudesta ja niiden affiniteetista entsyymiin; reaktionopeus riippuu siis näistä tekijöistä.
Jotta saadaan sama reaktionopeus kuin ilman inhibiittorin läsnäoloa, on oltava korkeampi substraattikonsentraatio.
On kokeellisesti osoitettu, että inhibiittorin läsnä ollessa Michaelis-Menten-vakio kasvaa.

Mitä tulee sen sijaan "ei-kilpailevaan estoon, modulaattorina (positiivinen tai negatiivinen estäjä) toimivan molekyylin ja" entsyymin välinen vuorovaikutus tapahtuu paikassa, joka on erilainen kuin se, jossa vuorovaikutus esiintyy entsyymin ja substraatin välillä; siksi puhumme allosteerisesta modulaatiosta (kreikasta allosteros → toinen sivusto).
Jos inhibiittori sitoutuu entsyymiin, se voi saada aikaan muutoksen entsyymin rakenteessa ja siten vähentää sen tehokkuutta, jolla substraatti sitoutuu entsyymiin.
Tämän tyyppisessä prosessissa Michaelis-Menten-vakio pysyy vakiona, koska tämä arvo riippuu entsyymin ja substraatin välisestä tasapainosta, eivätkä nämä estäjät edes muuttuessa läsnä.

Kilpailukyvyttömän esteen ilmiö on harvinainen; tyypillinen kilpailukyvytön estäjä on aine, joka sitoutuu palautuvasti ES -adduktiin ja aiheuttaa ESI: n:

Substraatin ylimäärän esto voi joskus olla kilpailukyvytöntä, koska tämä tapahtuu, kun toinen substraattimolekyyli sitoutuu ES -kompleksiin aiheuttaen ESS -kompleksin.

Kilpailukykyinen inhibiittori sen sijaan voi sitoutua vain substraattientsyymiadduktiin kuten edellisessä tapauksessa: substraatin sitoutuminen vapaaseen entsyymiin saa aikaan konformaatiomuutoksen, joka tekee paikan esteettömäksi inhibiittorille.
Michaelis Menten -vakio pienenee inhibiittoripitoisuuden kasvaessa: ilmeisesti siksi entsyymin affiniteetti substraattiin kasvaa.

Seriiniproteaasi

Ne ovat entsyymiperhe, johon kymotrypsiini ja trypsiini kuuluvat.
Kymotrypsiini on proteolyyttinen ja hydrolyyttinen entsyymi, joka leikkaa oikealle hydrofobisista ja aromaattisista aminohapoista.
Kymotrypsiiniä koodaavan geenin tuote ei ole aktiivinen (se aktivoidaan komennolla); kymotrypsiinin passiivista muotoa edustaa 245 aminohapon polypeptidiketju. Kymotrypsiinillä on pallomainen muoto viiden disulfidisillan ja muiden vähäisten vuorovaikutusten (sähköstaattinen, Van der Waalsin voimat, vetysidokset jne.) Vuoksi.
Kymotrypsiiniä tuottavat haiman kymoosisolut, joissa se on erityisissä kalvoissa ja karkotetaan haiman kanavan kautta suolistoon ruoan hajoamisen aikana: kymotrypsiini on itse asiassa ruoansulatusentsyymi. Ruokavalion kautta saamamme proteiinit ja ravintoaineet pilkotaan pienemmiksi ketjuiksi ja imeytyvät ja muuttuvat energiaksi (esim. Amylaasit ja proteaasit hajottavat ravintoaineet glukoosiksi ja aminohapoiksi, jotka saavuttavat solut verisuonten kautta) ne saavuttavat portaalin laskimoon ja sieltä siirretään maksaan, jossa niitä käsitellään edelleen).
Entsyymit tuotetaan ei-aktiivisessa muodossa ja ne aktivoituvat vasta, kun ne saapuvat "paikkaan, jossa niiden on toimittava"; kun toiminta on valmis, ne deaktivoidaan. Kun entsyymi on deaktivoitu, sitä ei voida aktivoida uudelleen: jotta sillä olisi "lisäkatalyyttinen vaikutus, se on korvattava" toisella entsyymimolekyylillä. Jos kimitrypsiiniä tuotettaisiin aktiivisessa muodossa jo haimassa, se hyökkäisi jälkimmäiseen: haimatulehdus on patologia, joka johtuu ruoansulatusentsyymeistä, jotka ovat jo aktivoituneet haimassa (eivätkä vaadituissa paikoissa); jotkut niistä, jos niitä ei hoideta ajoissa, johtaa kuolemaan.
Kymotrypsiinissä ja kaikissa seriiniproteaaseissa katalyyttinen vaikutus johtuu alkoholianionin (-CH2O-) esiintymisestä seriinin sivuketjussa.
Seriiniproteaasit käyttävät tätä nimeä juuri siksi, että niiden katalyyttinen vaikutus johtuu seriinistä.
Kun kaikki entsyymit ovat suorittaneet toimintansa, ennen kuin ne voivat jälleen toimia substraatilla, se on palautettava vedellä; seriinin "vapautuminen" veden avulla on prosessin hitain vaihe, ja tämä on tämä vaihe joka määrittää katalyysin nopeuden.
Katalyyttinen vaikutus tapahtuu kahdessa vaiheessa:

• anionin, jolla on katalyyttisiä ominaisuuksia (anionialkoholaatti), muodostuminen ja sitä seuraava nukleofiilinen hyökkäys karbonyylihiiltä (C = O) vastaan ​​peptidisidoksen katkaisemisen ja esterin muodostumisen kanssa;
• vesihyökkäys ja katalyytin palauttaminen (kykenee jälleen katalyyttiseen toimintaansa).

Erilaiset seriiniproteaasiperheeseen kuuluvat entsyymit voivat koostua erilaisista aminohapoista, mutta niiden kaikkien osalta katalyyttistä kohtaa edustaa seriinin sivuketjun alkoholianioni.
Seriiniproteaasien alaperhe on hyytymiseen osallistuvien entsyymien alaryhmä (joka koostuu proteiinin muuttumisesta inaktiivisesta muodostaan ​​"muuhun aktiiviseen muotoon"). Nämä entsyymit varmistavat, että hyytyminen on mahdollisimman tehokasta ja rajoitettua tilaa ja aikaa (hyytymisen on tapahduttava nopeasti ja sen on tapahduttava vain loukkaantuneen alueen läheisyydessä). hyytymiseen osallistuvat entsyymit aktivoidaan kaskadissa (yksittäisen entsyymin aktivoitumisesta saadaan miljardeja entsyymejä: jokainen aktivoitu entsyymi puolestaan ​​aktivoi monia muita entsyymejä).
Tromboosi on hyytymientsyymien toimintahäiriöstä johtuva patologia: se johtuu hyytymiseen käytettyjen entsyymien aktivoinnista ilman tarvetta (koska ei ole vaurioita).

Muille entsyymeille on olemassa moduloivia (sääteleviä) entsyymejä ja estäviä entsyymejä: vuorovaikutuksessa jälkimmäisten kanssa ne säätelevät tai estävät niiden toimintaa; jopa entsyymin tuote voi olla entsyymin estäjä.On myös entsyymejä, jotka toimivat sitä enemmän, mitä suurempi substraatti on läsnä.

Lysotsyymi

Luigi Pasteur havaitsi aivastellen Petri -maljalla, että limassa on entsyymi, joka kykenee tappamaan bakteereja: lysotsyymi; kreikasta: liso = minkä kokoinen; zimo = entsyymi.
Lysotsyymi kykenee hajottamaan bakteerien soluseinän. Bakteerit ja yleensä yksisoluiset organismit tarvitsevat mekaanisesti kestäviä rakenteita, jotka rajoittavat niiden muotoa; bakteerien sisällä on erittäin korkea osmoottinen paine, joten ne houkuttelevat vettä. Plasmakalvo räjähtää, jos ei ole soluseinää, joka vastustaa veden pääsyä ja rajoittaa bakteerin määrää.
Soluseinä koostuu polysakkaridiketjusta, jossa N-asetyyliglukosamiinin (NAG) molekyylit ja N-asetyylimuramiinihapon (NAM) molekyylit vuorottelevat; sidos NAG: n ja NAM: n välillä katkeaa hydrolyysillä.NAM: n karboksyyliryhmä soluseinässä on sitoutunut peptidisidokseen aminohapon kanssa.
Eri ketjujen välille muodostuu siltoja, jotka koostuvat pseudopeptidisidoksista: haarautuminen johtuu lysiinimolekyylistä; rakenne on kokonaisuudessaan hyvin haarautunut ja tämä antaa sille suuren vakauden.
Lysotsyymi on antibiootti (tappaa bakteereja): se toimii murtumalla bakteerien seinämään; kun tämä rakenne (joka on mekaanisesti kestävä) rikkoutuu, bakteeri vetää vettä, kunnes se räjähtää. Lysotsyymi onnistuu katkaisemaan β-1,4-glukosidisidoksen NAM: n ja NAG: n välillä.
Lysotsyymin katalyyttistä kohtaa edustaa ura, joka kulkee pitkin entsyymiä, johon polysakkaridiketju on työnnetty: uraan on sijoitettu kuusi ketjun glukosidirengasta.
Uran c "kolme asemaa on kuristin: tähän asentoon voidaan sijoittaa vain yksi NAG, koska NAM, joka on korkeammat mitat, ei pääse sisään. Todellinen katalyyttikohta on asentojen 4 ja 5 välillä: NAG asemassa kolme, leikkaus tapahtuu NAM: n ja NAG: n välillä (eikä päinvastoin); leikkaus on siksi erityinen.
Optimaalinen pH lysotsyymin toimimiseksi on viisi. Entsyymin katalyyttikohdassa, eli aseman neljän ja viiden välillä, on asparagiinihapon ja glutamiinihapon sivuketjut.

Homologian aste: mittaa sukulaisuuden (eli samankaltaisuuden) proteiinirakenteiden välillä.

Lysotsyymin ja laktoosisyntaasin välillä on vahva suhde.
Laktoosisyntetaasi syntetisoi laktoosia (joka on tärkein maitosokeri): laktoosi on galaktosyyliglukosidi, jossa c "on β-1,4-glukosidisidos galaktoosin ja glukoosin välillä.
Siksi laktoosisyntetaasi katalysoi päinvastaisen reaktion kuin lysotsyymin katalysoima reaktio (joka jakaa sen sijaan β-1,4-glukosidisidoksen)
Laktoosisyntetaasi on dimeeri, eli se koostuu kahdesta proteiiniketjusta, joista toisella on katalyyttisiä ominaisuuksia ja joka on verrattavissa lysotsyymiin ja toinen on säätelyalayksikkö.
Raskauden aikana rintasyövän solut syntetisoivat glykoproteiineja galatosyylitransferaasin vaikutuksesta (sen "sekvenssihomologia on 40% lysotsyymin kanssa"): tämä entsyymi pystyy siirtämään galaktosyyliryhmän korkean energian rakenteesta raskauden aikana indusoidaan galaktoksyylitransferaasia koodaavan geenin ilmentyminen (esiintyy myös muita geenejä, jotka tuottavat myös muita tuotteita): rintojen koko kasvaa, koska se aktivoituu synnytyksen aikana syntyy a-laktalbumiinia, joka on säätelyproteiini: se pystyy säätelemään galaktosyylitransferaasin katalyyttistä kapasiteettia (erottamalla substraatti). Α-laktalalbumiinilla modifioitu galaktosyylitransferaasi kykenee siirtämään galaktosyylin glukoosimolekyyliin muodostaen β-1,4-glykosidisidoksen ja tuottamaan laktoosia (laktoosisyntetaasia).
Näin ollen galaktoositransferaasi valmistaa rintarauhasen ennen synnytystä ja tuottaa maitoa synnytyksen jälkeen.
Glykoproteiinien tuottamiseksi galaktosyylitransferaasi sitoutuu galaktosyyliin ja NAG: hen; synnytyksen aikana laktaalialbumiini sitoutuu galaktosyylitransferaasiin, jolloin jälkimmäinen tunnistaa glukoosin eikä enää NAG: tä antamaan laktoosia.