enzime

Enzime sunt catalizatori biologici (acceleratori ai proceselor chimice) pentru care sunt valabile toate proprietățile generale ale catalizatorilor. Ele diferă de ele prin eficiența, specificitatea (substratul și reacția) extrem de ridicate și capacitatea de a regla activitatea și sinteza lor. Enzimele sunt molecule proteice extrem de specializate, care sunt monocomponente (conținând doar o parte proteică) și bicomponente (conținând o parte proteică și neproteică). Dacă legătura dintre cele două componente este slabă, se numește partea neproteică coenzima, dacă legătura dintre cele două părți este puternică, covalentă - partea neproteică este definită ca grupare prostetică.

Numărul de enzime implicate în metabolismul celulei umane depășește 3 000. Sunt împărțite în 6 grupe principale.

  • oxidoreductaze
  • transferaze
  • hidrolaze
  • lyases
  • izomeraze
  • sintetaze

Numele fiecărei enzime are (conține) două părți: de exemplu succinat dehidrogenază. Prima parte dă numele substratului, iar a doua indică tipul de reacție catalizată. Fiecare enzimă are un număr de cod format din patru cifre. Primul oferă tipul de reacție (grupul principal); a doua și a treia cifră furnizează informații suplimentare despre natura și mecanismul reacției (identificați subgrupul și subgrupul). A patra cifră este numărul individual al enzimei.

Centrul activ este o mică parte a suprafeței molecula enzimatică, unde substratul este combinat pentru a deveni produsul final. În enzimele cu o componentă, situsul activ este format din mai multe reziduuri de aminoacizi îndepărtați, care sunt aproape în spațiu datorită structurii terțiare a moleculei de proteine ​​formată.

Din punct de vedere funcțional, diferitele grupuri chimice din centrul activ sunt definite ca catalitice și de contact. În enzimele cu două componente pentru formarea centrului activ
grupurile furnizează, de asemenea, ingredientul non-proteic.

Proprietățile enzimelor

Specificitatea, reacția și substratul este una dintre cele mai esențiale proprietăți ale enzimelor. Specificitatea reacției este determinată de abilitatea grupurilor din situl activ de a forma sau de a degrada un anumit tip de legătură chimică. Specificitatea substratului se explică prin cerințele sterice ridicate ale situsului activ pentru substrat rezultat dintr-o anumită conformație enzimatică. Există diferite modele pentru a explica specificitatea substratului:

  • Fischer (corespondență structurală și geometrică absolută între situl activ și substrat), valabilă pentru un număr mic de enzime absolut specifice
  • de Koshland (supresie structurală indusă plus stresul substratului), valabil pentru majoritatea enzimelor. Stereospecificitatea se explică prin legarea multiplă a substratului la locul activ

Importanța enzimelor

Doctrina despre enzime este baza cunoștințelor noastre despre fiecare proces de viață în normă și patologie. Fiecare proces fiziologic are loc datorită acțiunii catalitice a anumitor enzime. Multe boli apar direct din tulburările catalizei enzimatice. Determinarea activităților enzimatice din sânge și alte fluide biologice oferă informații valoroase pentru diagnosticul medical. Enzimele sunt, de asemenea, utilizate pentru tratarea unor boli, cum ar fi infarctul miocardic. Prin urmare, studiul particularităților enzimelor și a reacțiilor catalizate de acestea este o abordare rațională și modernă în medicină.

Proprietățile generale ale enzimelor ca catalizatori

Enzime sunt biocatalizatori care accelerează anumite reacții chimice în celulă. Majoritatea enzimelor sunt proteine, mai ales globulare. Recent s-a știut că o mică porțiune de ARN este numită ribozime, acționează și ca biocatalizatori.

Pentru enzime, toate proprietățile generale ale catalizatorilor sunt valabile:

1) crește rata reacțiilor spontane fără a deplasa echilibrul chimic

2) modificați viteza drepturilor și reacția de feedback în mod egal până la atingerea echilibrului chimic

3) acționează în cantități nesemnificative

4) reduceți energia de activare a reacției

Enzime, precum și alți catalizatori, reduc energia de activare, deoarece acestea efectuează reacția într-un alt mod cu cerințe de energie mai mici. Caracteristică este formarea unui intermediar între materialul de plecare (așa-numitul substrat) și enzima, care se numește complex enzimă-substrat. Este posibil să se formeze mai mulți intermediari. Indiferent de câte faze intermediare există, energia lor de activare este întotdeauna mai mică decât cea a reacției necatalizate.

Coenzime și grupuri protetice

În plus față de o componentă, există și enzime bicomponente care conțin o componentă proteică (apoenzimă) și o componentă non-proteică. Apoenzima este termolabil, cu greutate moleculară mare și nu se dializează prin membrane semipermeabile. Componenta non-proteică este o substanță termostabilă, cu greutate moleculară mică, care se dializează prin membrane semipermeabile. Enzima bicomponentă este denumită holoenzima.

Alte exemple: fosfat piridoxal și fosfat piridoxaminic, derivați înrudiți ai vitaminei B6 (piridoxol), sunt o coenzimă a transaminazelor. Ionii metalici și reziduurile de fosfat acționează adesea și ca grupe protetice și altele asemenea.

Din punct de vedere chimic, unele coenzime sunt nucleotide - de exemplu, ATP (adenozin trifosfat) este un purtător al grupării fosfat și al energiei. Alte coenzime nucleotidice sunt, de asemenea, derivați de vitamine - de exemplu, o nicotinamidadenină dinucleotidă purtătoare de hidrogen (NAD) este o dinucleotidă care conține o nucleotidă adenilică și o altă nucleotidă cu o bază nicotinamidică. Aceasta din urmă este de fapt vitamina PP. Similar este cazul cu alte coenzime purtătoare de H, cum ar fi flavin mononucleotid (FMN) și flavin adenin dinucleotid (FAD). FMN și FAD conțin baza riboflavinei (vitamina B2).

O idee a mecanismului catalizei enzimatice

Deși la sfârșitul reacției enzimele ca catalizatori sunt reduse neschimbate, ele participă în mod activ în cursul reacției - se formează cu substratul. (S) complex enzimatic-substrat intermediar (ES). ES complexele sunt foarte instabile, au o viață scurtă, sunt greu de izolat și studiat. Nu toate proteinele enzimatice cunosc organizarea spațială detaliată, ceea ce îngreunează studierea complexelor ES. Dar există dovezi că acestea apar:

  • schimbarea spectrului enzimei prin interacțiunea cu substratul - de exemplu în peroxidază cu un hem de grup protetic
  • dovada directă a formării complexului ES a fost obținută prin analiza difracției cu raze X
  • izolarea complexelor dintre o enzimă și un inhibitor, care este un analog structural al substratului. Aceste complexe sunt mai stabile și mai ușor de izolat

În forma cea mai generală, reacția catalizată de enzime se desfășoară după cum urmează:

E + S ——-> ES ——-> EP ——–> E + P

Fiecare dintre cele trei procese constitutive are propria sa energie activatoare, mai mică decât energia procesului necatalizat. Energia de activare poate fi redusă prin patru mecanisme diferite:

  • cataliză acid-bazică (de exemplu, ribonuclează)
  • inducerea stresului în molecula substratului (de exemplu lizozimă)
  • cataliză covalentă (de exemplu, pentru serin proteaze)
  • efecte entropice

Adesea reacțiile enzimatice sunt de tip mixt. De exemplu, o combinație a primelor două mecanisme este observată în lizozimă. În reacțiile în care sunt implicate mai mult de un substrat sau o coenzimă acționează ca un al doilea substrat, reacția se desfășoară prin două mecanisme principale:

  • așa-zisul Mecanism de ping-pong (de exemplu, în transaminare)
  • mecanism secvențial, ordinea de legare a substraturilor poate fi aleatorie sau determinată

Ce este un centru activ?

Enzima interacționează cu substratul prin centrul său activ. Situl activ este o zonă mică de pe suprafața moleculei enzimatice unde substratul se leagă și devine un produs. În enzimele cu o singură componentă, situsul activ constă din mai multe resturi de aminoacizi care sunt îndepărtate de-a lungul lanțului polipeptidic, dar sunt strâns distanțate datorită formării unei structuri terțiare a proteinei. De exemplu, His57, Asp102 și Ser195 sunt implicate în situsul activ al chimotripsinei.

Din punct de vedere chimic, grupurile din situsul activ pot fi diverse -SH, -NH2, -OH, nucleu imidazol și altele asemenea. Din punct de vedere funcțional, potrivit Koshland, există 2 tipuri de grupuri care participă la centrul activ:

1) catalitic (implicat direct în conversia substratului în produs).

2) contacte (atașați substratul la locul activ, astfel încât legătura atacată de enzimă să se încadreze în domeniul de acțiune al grupurilor catalitice).

În cazurile în care reacția catalizată necesită includerea a două sau mai multe molecule de substrat diferite, grupurile de contact le aduc în poziția cea mai favorabilă reacției. Astfel, grupurile de contact contribuie cel mai mult la rata mare de reacții catalizate enzimatic.

Specificitatea reacției

Specificitatea reacției este determinată de capacitatea reziduurilor de aminoacizi incluse în situsul activ de a forma sau degrada un anumit tip de legături chimice. Exemplu: trei enzime diferite aminoacid oxidaze (E1), transaminaze (E2) și decarboxilaze (E3) convertesc același substrat (aminoacizi) în trei procese diferite în produse diferite.

Specificitatea substratului

Specificitatea substratului se explică prin cerințele ridicate ale sitului activ pentru substrat, rezultate dintr-o anumită conformație enzimatică. Organizarea spațială a enzimei creează o foarte bună corespondență chimică și structurală a grupurilor de contact și catalitice din centrul activ cu grupurile respective ale substratului. Mărimea moleculară și dispunerea grupărilor ionice și a regiunilor hidrofobe din enzimă oferă capacitatea de a lega un substrat specific, uneori un singur. Alte enzime prezintă o anumită toleranță și pot acționa asupra mai multor substraturi similare din punct de vedere structural. De exemplu, hexokinaza catalizează fosforilarea glucozei, fructozei, manozei, glucozaminei și 2-dezoxiglucozei, dar la viteze diferite.

Există diferite modele pentru a explica specificitatea substratului enzimelor. Conform modelului lui Fisher, există a priori o corespondență structurală și geometrică absolută între centrul activ și molecula substratului, la fel cum există o corespondență între un blocaj secret și o cheie. Hidrogenul, legăturile ionice și interacțiunile hidrofobe contribuie la legarea dintre enzimă și substrat. Acest model explică bine specificul absolut al substratului unui număr mic de enzime - de exemplu urează, arginază, succinat dehidrogenază, amino-acil-ARNt sintetaze.

Sute de compuși au fost studiați și rezultatul este același - ureaza are un singur substrat. Specificitatea absolută a amino-acil-ARNt sintetazelor asigură evitarea erorilor în biosinteza proteinelor.

  • conformitate absolută structurală și chimică de tipul „cheie-blocare” (Fisher)
  • interferență structurală indusă (Koshland)
  • interferență structurală indusă plus tensiunea substratului (Koshland)

Modelul lui Fisher nu poate explica toate cazurile de interacțiune dintre enzimă și substrat. Conform Koshland, centrul activ și substratul nu coincid complet. Interacțiunea enzimei și substratului determină modificări conformaționale în locul de legare, care se schimbă - afinitatea pentru substrat crește, unele grupuri sunt reorientate și se formează centrul activ catalitic. Acesta este așa-numitul model pentru interacțiunea structurală indusă între enzimă și substrat.

Un exemplu de astfel de modificări este enzima hexokinază, care mută unul dintre domeniile sale pentru a înveli glucoza și pentru a aduce grupurile de la locul activ mai aproape de substrat. Cel mai mare număr de observații experimentale susțin modelul, care este o combinație de suprimare structurală indusă și stresul substratului. Pentru ca reacția să aibă loc, este necesar să apară modificări conformaționale, deși nesemnificativ, atât în ​​situsul activ, cât și în molecula substratului. Este necesară ajustarea sterică a structurilor care reacționează și rezultatul este tensiunea și slăbirea conexiunilor atacate. De exemplu, atunci când substratul este legat de enzima lizozimă, s-au dovedit modificări conformaționale într-o parte a moleculei substratului (un inel de hexoză se schimbă de la o „scaună” stabilă la o „semi-scaună” instabilă).

A se vedea și mai specific pe tema enzimelor digestive.