Enzymy

Definice

Enzymy jsou bílkoviny produkované v rostlinných a živočišných buňkách, které působí jako katalyzátory urychlující biologické reakce, aniž by byly modifikovány.

Enzymy fungují tak, že se spojí s konkrétní látkou a přemění ji na jinou látku; klasické příklady uvádějí trávicí enzymy přítomné ve slinách, žaludku, slinivce a tenkém střevě, které plní zásadní funkci při trávení a pomáhají rozložit potravu na základní složky, které pak tělo může vstřebat a využít, zpracované jinými enzymy popř. vyloučeno jako odpad.

Každý enzym má specifickou roli: například ten, který štěpí tuky, nepůsobí na bílkoviny nebo sacharidy. Enzymy jsou nezbytné pro pohodu organismu. Nedostatek, byť jediného enzymu, může způsobit vážné poruchy. Známým příkladem je fenylketonurie (PKU), onemocnění charakterizované neschopností metabolizovat esenciální aminokyselinu, fenylalanin, jehož akumulace může způsobit fyzické deformace a duševní choroby.

Biochemická studie

Enzymy jsou konkrétní proteiny, které mají povahu biologických katalyzátorů, to znamená, že mají schopnost rozkládat aktivační energii (Eatt) reakce a upravovat její cestu tak, aby kineticky pomalý proces byl rychlejší.

Enzymy zvyšují kinetiku termodynamicky možných reakcí a na rozdíl od katalyzátorů jsou víceméně specifické: proto mají substrátovou specificitu.
Enzym není zapojen do stechiometrie reakce: aby k tomu došlo, musí být konečné katalytické místo totožné s výchozím.
Při katalytickém působení téměř vždy probíhá pomalá fáze, která určuje rychlost procesu.
Když mluvíme o enzymech, není správné hovořit o rovnovážných reakcích, mluvíme místo toho o ustálený stav (stav, ve kterém se určitý metabolit tvoří a spotřebovává kontinuálně, přičemž jeho koncentrace je v průběhu času téměř konstantní). Produktem reakce katalyzované jedním enzymem je obvykle samotný reaktant pro následnou reakci, katalyzovaný jiným enzymem atd.
Procesy katalyzované enzymy obvykle sestávají ze sekvencí reakcí.
Obecnou reakci katalyzovanou enzymem (E) lze shrnout následovně:

E je enzym

S je substrát;
ES představuje adukt mezi enzymem a substrátem;

P je produkt;
K je rychlostní konstanta reakce.

Generický enzym (E) se spojí se substrátem (S) za vzniku aduktu (ES) s rychlostní konstantou K1; může se disociovat zpět na E + S, s rychlostní konstantou K2, nebo (pokud „žije“ dostatečně dlouho ) může pokračovat do formy P s rychlostní konstantou K3.

Produkt (P) může následně rekombinovat s enzymem a reformovat adukt s rychlostní konstantou K4.
Když jsou enzym a substrát smíchány, nastane zlomek času, během kterého ještě nenastalo setkání mezi těmito dvěma druhy: to znamená, že existuje extrémně krátký časový interval (v závislosti na reakci), ve kterém mají enzym a substrát dosud nesplněno; po tomto období se enzym a substrát dostávají do kontaktu ve zvyšujících se množstvích a vzniká adukt ES. Následně enzym působí na substrát a produkt se uvolňuje. Lze pak říci, že c "je počáteční časový interval, ve kterém nelze definovat koncentraci ES aduktu; po tomto období se předpokládá, že ustálený stav je stanovena, to znamená, že rychlost procesů, které vedou k získání aduktu, se rovná rychlosti procesů, které vedou k destrukci aduktu.
Michaelis-Mentenova konstanta (KM) je rovnovážná konstanta (vztaženo k první rovnováze popsané výše); s dobrou aproximací (protože by se mělo uvažovat i s K3) lze říci, že KM je reprezentován poměrem mezi kinetickými konstantami K2 a K1 (vztaženo na destrukci a tvorbu aduktu ES v první rovnováze popsané výše) .
Prostřednictvím Michaelis-Mentenovy konstanty máme „indikaci afinity mezi enzymem a substrátem: pokud je KM malá c“ je „vysoká afinita mezi enzymem a substrátem, pak je adukt ES stabilní.

Enzymy podléhají regulaci (nebo modulaci).
V minulosti se mluvilo hlavně o negativní modulaci, to znamená o inhibici katalytických schopností enzymu, ale může existovat i pozitivní modulace, to znamená, že existují druhy schopné zvýšit katalytické schopnosti enzymu.
Existují 4 typy zábran (získané z aproximací provedených na modelu tak, aby odpovídaly experimentálním údajům s matematickými rovnicemi):

• kompetitivní inhibice
• nekompetitivní inhibice
• nekompetitivní inhibice
• konkurenční inhibice

O kompetitivní inhibici mluvíme tehdy, když je molekula (inhibitor) schopná konkurovat substrátu. Pro strukturální podobnost může inhibitor reagovat místo substrátu; odtud terminologie "kompetitivní inhibice". Pravděpodobnost, že se enzym váže na inhibitor nebo substrát, závisí na koncentraci obou a jejich afinitě k enzymu; rychlost reakce tedy závisí na těchto faktorech.
Aby se dosáhlo stejné reakční rychlosti jako bez přítomnosti inhibitoru, je nutné mít vyšší koncentraci substrátu.
Experimentálně se ukazuje, že v přítomnosti inhibitoru se Michaelis-Mentenova konstanta zvyšuje.

Pokud jde místo toho o "nekompetitivní inhibici, interakci mezi molekulou, která by měla fungovat jako modulátor (pozitivní nebo negativní inhibitor), a" enzymem, probíhá v místě, které je odlišné od místa, ve kterém interakce vyskytuje se. mezi enzymem a substrátem; hovoříme proto o alosterické modulaci (z řečtiny allosteros → jiné stránky).
Pokud se inhibitor váže na enzym, může vyvolat změnu ve struktuře enzymu a následně může snížit účinnost, s jakou se substrát váže na enzym.
V tomto typu procesu zůstává Michaelis-Mentenova konstanta konstantní, protože tato hodnota závisí na rovnováze mezi enzymem a substrátem a ani v přítomnosti inhibitoru se tyto rovnováhy nemění.

Fenomén nekompetitivní inhibice je vzácný; typický nekompetitivní inhibitor je látka, která se reverzibilně váže na adukt ES, což vede k ESI:

Inhibice nadbytku substrátu může být někdy nekompetitivní, protože k tomu dochází, když se druhá molekula substrátu váže na komplex ES, což vede ke vzniku komplexu ESS.

Acompetitive inhibitor, na druhé straně, se může vázat pouze na adukt substrátového enzymu jako v předchozím případě: vazba substrátu na volný enzym indukuje konformační modifikaci, která dělá místo přístupné pro inhibitor.
Konstanta Michaelis Menten klesá se zvyšující se koncentrací inhibitoru: očividně se tedy zvyšuje afinita enzymu k substrátu.

Serinová proteáza

Jsou rodinou enzymů, do nichž patří chymotrypsin a trypsin.
Chymotrypsin je proteolytický a hydrolytický enzym, který stříhá napravo od hydrofobních a aromatických aminokyselin.
Produkt genu, který kóduje chymotrypsin, není aktivní (aktivuje se příkazem); neaktivní forma chymotrypsinu je reprezentována polypeptidovým řetězcem 245 aminokyselin. Chymotrypsin má kulovitý tvar díky pěti disulfidovým můstkům a dalším menším interakcím (elektrostatické, Van der Waalsovy síly, vodíkové vazby atd.).
Chymotrypsin je produkován chymózovými buňkami slinivky břišní, kde je obsažen ve speciálních membránách a vyloučen pankreatickým vývodem do střeva v době trávení potravy: chymotrypsin je ve skutečnosti trávicí enzym. Bílkoviny a živiny, které přijímáme stravou, jsou podrobeny trávení, aby byly redukovány na menší řetězce a absorbovány a přeměněny na energii (např. Amylázy a proteázy štěpí živiny na glukózu a aminokyseliny, které se dostávají do buněk, cévami dostanou se do portální žíly a odtud jsou transportovány do jater, kde se podrobí další léčbě).
Enzymy se vyrábějí v neaktivní formě a aktivují se pouze tehdy, když dosáhnou „místa, kde musí působit“; jakmile je jejich činnost dokončena, jsou deaktivovány. Enzym, jakmile je deaktivován, nelze znovu aktivovat: aby měl „další katalytický účinek, musí být nahrazen“ jinou molekulou enzymu. Pokud by byl chimitrypsin produkován v aktivní formě již ve slinivce břišní, zaútočil by na to druhé: pankreatitida jsou patologie způsobené trávicími enzymy, které jsou již aktivovány ve slinivce břišní (a ne na požadovaných místech); některé z nich, pokud nejsou včas ošetřeny, vést k smrti.
V chymotrypsinu a ve všech serinových proteázách je katalytický účinek způsoben existencí alkoholového aniontu (-CH20-) v postranním řetězci serinu.
Serinové proteázy mají tento název právě proto, že jejich katalytický účinek je způsoben serinem.
Jakmile všechny enzymy provedou svou činnost, než budou moci znovu fungovat na substrátu, musí být obnoveny vodou; „uvolňování“ serinu vodou je nejpomalejší fází procesu a je to tato fáze který určuje rychlost katalýzy.
Katalytický účinek probíhá ve dvou fázích:

• tvorba aniontu s katalytickými vlastnostmi (anion -alkoholát) a následný nukleofilní útok na karbonylový uhlík (C = O) se štěpením peptidové vazby a tvorbou esteru;
• vodní útok s obnovou katalyzátoru (schopen znovu uplatnit své katalytické působení).

Různé enzymy patřící do rodiny serinových proteáz mohou být tvořeny různými aminokyselinami, ale u všech je katalytické místo reprezentováno alkoholovým aniontem bočního řetězce serinu.
Podrodinou serinových proteáz jsou enzymy zapojené do koagulace (která spočívá v transformaci proteinu z jeho neaktivní formy na „jinou aktivní formu“). Tyto enzymy zajišťují, aby koagulace byla co nejúčinnější a byla omezena prostor a čas (koagulace musí probíhat rychle a musí probíhat pouze v blízkosti poraněné oblasti). Enzymy zapojené do koagulace se aktivují kaskádou (aktivací jediného enzymu se získají miliardy enzymů: každý aktivovaný enzym zase aktivuje mnoho dalších enzymů).
Trombóza je patologie způsobená špatnou funkcí koagulačních enzymů: je způsobena aktivací enzymů použitých při koagulaci bez nutnosti (protože nedochází k poranění).

Existují modulační (regulační) enzymy a inhibiční enzymy pro jiné enzymy: interagují s posledně jmenovanými, regulují nebo inhibují jejich aktivitu; dokonce i produkt enzymu může být inhibitorem enzymu.Existují také enzymy, které fungují čím více, tím větší je přítomný substrát.

Lysozym

Luigi Pasteur objevil kýcháním na Petriho misku, že v hlenu je enzym schopný zabíjet bakterie: lysozym; z řečtiny: liso = jaká velikost; zimo = enzym.
Lysozym je schopen rozbít buněčnou stěnu bakterií. Bakterie a jednobuněčné organismy obecně potřebují mechanicky odolné struktury, které omezují jejich tvar; uvnitř bakterií je velmi vysoký osmotický tlak, takže přitahují vodu. Plazmatická membrána by explodovala, kdyby neexistovala buněčná stěna, která by bránila vstupu vody a omezovala objem bakterie.
Buněčná stěna se skládá z polysacharidového řetězce, ve kterém se střídají molekuly N-acetyl-glukosaminu (NAG) a molekuly kyseliny N-acetyl-muramové (NAM); vazba mezi NAG a NAM je narušena 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 a to jí dává vysokou stabilitu.
Lysozym je antibiotikum (zabíjí bakterie): funguje tak, že vytvoří prasklinu v bakteriální stěně; když se tato struktura (která je mechanicky odolná) rozbije, bakterie čerpá vodu, dokud nepraskne. Lysozymu se podařilo prolomit β-1,4 glukosidovou vazbu mezi NAM a NAG.
Katalytické místo lysozymu je reprezentováno drážkou, která probíhá podél enzymu, do kterého je vložen polysacharidový řetězec: do drážky je umístěno šest glukosidických kruhů řetězce.
V poloze tři drážky c "je tlumivka: v této poloze může být umístěn pouze jeden NAG, protože NAM, který je vyšších dimenzí, nemůže vstoupit. Skutečné katalytické místo je mezi pozicemi čtyři a pět: protože existuje NAG v pozici tři, řez proběhne mezi NAM a NAG (a ne naopak); řez je tedy specifický.
Optimální pH, aby lysozym fungoval, je pět. V katalytickém místě enzymu, tj. Mezi pozicemi čtyři a pět, jsou postranní řetězce kyseliny asparagové a glutamové.

Stupeň homologie: měří příbuznost (tj. Podobnost) mezi proteinovými strukturami.

Mezi lysozymem a laktosy-syntázou existuje silný vztah.
Laktóza syntetáza syntetizuje laktózu (což je hlavní mléčný cukr): laktóza je galaktosylglukosid, ve kterém c "je β-1,4 glukosidická vazba mezi galaktózou a glukózou.
Syntetáza laktózy proto katalyzuje opačnou reakci než reakce katalyzovaná lysozymem (který místo toho štěpí β-1,4 glukosidovou vazbu)
Laktózo syntetáza 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 buňkami mléčné žlázy působením galatosyl-tranferázy (má „sekvenční homologii 40% s lysozymem): tento enzym je schopen přenést galaktosylovou skupinu z vysoce energetické struktury na glykoproteinová struktura. Během těhotenství je indukována exprese genu, který kóduje galaktozyl-transferázu (existuje také exprese jiných genů, které také dávají jiné produkty): dochází ke zvětšení prsou, protože je aktivováno mléčná žláza (dříve neaktivní), která musí produkovat mléko Během porodu se produkuje α-laktalbumin, což je regulační protein: je schopen regulovat katalytickou kapacitu galaktosyl-transferázy (diskriminací substrátu). Galaktosyl-transferáza modifikovaná a-laktalalbuminem je schopna přenést galaktosyl na molekulu glukózy: vytvoří β-1,4 glykosidovou vazbu a poskytne laktózu (laktosyntetázu).
Galaktózotransferáza tedy připravuje mléčnou žlázu před porodem a po porodu produkuje mléko.
K produkci glykoproteinů se galaktosyltransferáza váže na galaktosyl a NAG; během porodu se laktální albumin váže na galaktosyltransferázu, díky čemuž rozpoznává glukózu a již NAG neposkytuje laktózu.