opredelitev
Encimi so beljakovine, proizvedene v rastlinskih in živalskih celicah, ki delujejo kot katalizatorji s pospeševanjem bioloških reakcij brez spreminjanja.
Encimi delujejo tako, da se združijo s posebno snovjo in jo spremenijo v drugo snov; klasični primeri so podani s prebavnimi encimi, prisotnimi v slini, v želodcu, v trebušni slinavki in v tankem črevesu, ki opravljajo bistveno funkcijo v prebavi in pomagajo razgraditi živila v osnovne sestavine, ki jih telo nato absorbira in uporablja., obdelani z drugimi encimi ali izločeni kot odpadki.
Vsak encim ima posebno vlogo: tisti, ki razgrajuje maščobe, na primer ne vpliva na beljakovine ali ogljikove hidrate. Encimi so bistveni za dobro počutje organizma. Pomanjkanje, tudi en sam encim, lahko povzroči resne motnje. Precej znan primer je fenilketonurija (PKU), bolezen, za katero je značilna nezmožnost presnavljanja esencialne aminokisline, fenilalanina, katerega kopičenje lahko povzroči telesne deformacije in duševne bolezni.
Biokemijska analiza
Encimi so posebni proteini, ki imajo značilnost, da so biološki katalizatorji, kar pomeni, da imajo sposobnost zmanjšanja aktivacijske energije (Eatt) reakcije, spreminjanje poti, da bi se kinetično počasen proces pojavil hitreje.
Encimi povečujejo kinetiko termodinamično možnih reakcij in so, za razliko od katalizatorjev, bolj ali manj specifični: zato imajo substratno specifičnost.
Enzim ni vključen v stehiometrijo reakcije: da bi se to zgodilo, je bistveno, da je končno katalitično mesto enako začetnemu.
Pri katalitičnem delovanju je skoraj vedno počasna faza, ki določa hitrost procesa.
Ko govorimo o encimih, ni pravilno govoriti o ravnotežnih reakcijah, govorimo namesto o stalnem stanju (stanje, v katerem se določen metabolit formira in porabi neprekinjeno, pri čemer ohranja njegovo koncentracijo skoraj konstantno v času). Produkt reakcije, ki jo katalizira encim, je običajno reaktant za kasnejšo reakcijo, ki jo katalizira drugi encim, in tako naprej.
Encimsko katalizirani procesi so običajno sestavljeni iz sekvenc reakcij.
Generična reakcija, ki jo katalizira encim (E), se tako lahko shematizira:
Generični encim (E) se združi s substratom (S), da tvori adukt (ES) s konstanto hitrosti K1; lahko se ponovno razdeli v E + S, s konstanto hitrosti K2 ali (če je »življenje« dovolj dolgo), da lahko nadaljuje z obliko P s konstanto hitrosti K3.
Produkt (P) lahko nato rekombinira z encimom in reformira adukt s konstanto hitrosti K4.
Ko sta encima in substrat mešana, obstaja del časa, v katerem se srečanje med obema vrstama še ni zgodilo: to je zelo kratek časovni interval (ki je odvisen od reakcije), v katerem encim in substrat še nista izpolnjena; po tem obdobju pride encim in substrat v stik s povečanimi količinami in nastane adukt ES. Nato encim deluje na substrat in izdelek se sprosti. Nato lahko rečemo, da je začetni časovni interval, v katerem koncentracija adukta ES ni določljiva; po tem obdobju se predpostavlja, da je vzpostavljeno ustaljeno stanje, tj. hitrost procesov, ki vodijo do adukta, je enaka hitrosti procesov, ki vodijo do uničenja adukta.
Michaelis-Mentenova konstanta (KM) je ravnotežna konstanta (iz prvega zgoraj opisanega ravnotežja); lahko rečemo, z dobrim približevanjem (ker je treba upoštevati tudi K3), da je KM predstavljeno z razmerjem med kinetičnimi konstantami K2 in K1 (ki se nanašata na uničenje in oblikovanje adukta ES v prvem zgoraj opisanem ravnotežju).
Skozi konstanto Michaelis-Menten imamo indikacijo afinitete med encimom in substratom: če je KM majhna, obstaja velika afiniteta med encimom in substratom, zato je ES adukt stabilen.
Encimi so predmet regulacije (ali modulacije).
V preteklosti se je govorilo predvsem o negativni modulaciji, ki pomeni zaviranje katalitičnih zmogljivosti encima, lahko pa ima tudi pozitivno modulacijo, kar pomeni, da obstajajo vrste, ki lahko povečajo katalitične zmogljivosti encima.
Obstajajo 4 vrste inhibicij (dobljenih iz približkov na modelu, ki ustrezajo eksperimentalnim podatkom z matematičnimi enačbami):
- konkurenčno zaviranje
- nekonkurenčno zaviranje
- Incompetitive inhibition
- konkurenčno zaviranje
Govori se o kompetitivni inhibiciji, ko je molekula (inhibitor) sposobna tekmovati s substratom. S strukturno podobnostjo lahko inhibitor reagira namesto substrata; iz tega izhaja izraz "konkurenčna inhibicija". Verjetnost, da se encim veže na inhibitor ali substrat, je odvisna od koncentracije obeh in njihove afinitete z encimom; hitrost reakcije je odvisna od teh dejavnikov.
Za doseganje enake hitrosti reakcije, ki bi nastopila brez prisotnosti inhibitorja, je potrebno imeti višjo koncentracijo substrata.
Eksperimentalno je prikazano, da se v prisotnosti inhibitorja Michaelis-Mentenova konstanta povečuje.
Glede na to, da se nekonkurenčna inhibicija, interakcija med molekulo, ki naj bi delovala kot modulator (pozitivni ali negativni inhibitor) in encim, pojavi na mestu, ki je drugačno od tistega, v katerem je interakcija med encimom in substratom; zato govorimo o alosterični modulaciji (od grškega allosterosa → drugega mesta).
Če se inhibitor veže na encim, lahko inducira spremembo strukture encima in posledično zmanjša učinkovitost, s katero se substrat veže na encim.
V tej vrsti procesa je Michaelis-Mentenova konstanta konstantna, saj je ta vrednost odvisna od ravnotežja med encimom in substratom, ti ravnovesji, tudi v prisotnosti inhibitorja, se ne spreminjajo.
Pojav nesposobnega zaviranja je redka; tipičen nesposoben inhibitor je snov, ki se reverzibilno veže na ES adukt, kar povzroči ESI:
Inhibicija odvečnega substrata je včasih lahko nekompetentna, saj se to zgodi, ko se druga molekula substrata veže na kompleks ES, kar povzroči nastanek kompleksa ESS.
Kompetitivni inhibitor se po drugi strani lahko veže le na adukt encimov substrata kot v prejšnjem primeru: vezava substrata na prosti encim inducira konformacijsko modifikacijo, ki naredi mesto dostopno inhibitorju.
Michaelis Mentenova konstanta se zmanjšuje z naraščajočo koncentracijo inhibitorja: očitno se zato afiniteta encima do substrata povečuje.
Serinske proteaze
So družina encimov, v katere spadajo kimotripsin in tripsin.
Kimotripsin je proteolitični in hidrolitični encim, ki na desni odstrani hidrofobne in aromatske aminokisline.
Produkt gena, ki kodira za himotripsin, ni aktiven (aktivira se z ukazom); neaktivna oblika himotripsina je predstavljena s polipeptidno verigo 245 aminokislin. Kimotripsin ima globularno obliko zaradi petih disulfidnih mostov in drugih manjših interakcij (elektrostatični, Van der Waalsove sile, vodikove vezi itd.).
Kimotripsin proizvajajo kimatične celice trebušne slinavke, kjer se hranijo v posebnih membranah in izločajo skozi kanal trebušne slinavke v črevo, v času prebave hrane: kimotripsin je v bistvu prebavni encim. Beljakovine in hranila, ki jih zaužijemo skozi prehrano, so podvržena prebavi, da se zmanjšajo na manjše verige in absorbirajo in pretvorijo v energijo (npr. Amilaze in proteaze razdelijo hranila v glukozo in aminokisline, ki dosežejo celice, skozi krvne žile dosežejo portalno veno in se od tam prenašajo v jetra, kjer se dodatno zdravijo).
Encimi se proizvajajo v neaktivni obliki in se aktivirajo le, ko dosežejo "mesto, kjer morajo delovati"; ko se njihovo dejanje konča, se deaktivirajo. Enkratnega deaktiviranja encima ni mogoče reaktivirati: za dodatno katalitično delovanje ga je treba nadomestiti z drugo encimsko molekulo. Če bi se chimitripsina že proizvajala v aktivni obliki v trebušni slinavki, bi napadla slednjo: pankreatitis so patologije zaradi prebavnih encimov, ki so že aktivirani v trebušni slinavki (in ne na zahtevanih mestih); nekateri od njih, če se ne zdravijo pravočasno, vodijo v smrt.
V kimotripsinu in vseh serinskih proteazah je katalitično delovanje posledica obstoja alkolatnega aniona (-CH20-) v stranski verigi serina.
Serinske proteaze so dobile to ime prav zato, ker je njihovo katalitično delovanje posledica serina.
Ko je celoten encim opravil svoje delovanje, mora biti ponovno vzpostavljen z vodo, preden lahko ponovno deluje na substratu; "osvoboditev" serina z vodo je najhitrejša faza v procesu in prav ta faza določa hitrost katalize.
Katalitično delovanje poteka v dveh fazah: \ t
- tvorba anionov s katalitskimi lastnostmi (alkolatni anion) in nadaljnji nukleofilni napad na karbonilni ogljik (C = O) s cepitvijo peptidne vezi in tvorbe estra;
- napad vode z obnavljanjem katalizatorja (sposoben, tako da ponovno izvaja katalitično delovanje).
Različni encimi, ki spadajo v družino serinskih proteaz, so lahko sestavljeni iz različnih aminokislin, toda katalitično mesto je predstavljeno z alkolatnim anionom stranske verige serina.
Poddružina serinskih proteaz je enzimska skupina, ki sodeluje pri koagulaciji (ki je sestavljena iz transformacije proteina, iz njihove neaktivne oblike v drugo aktivno obliko). Ti encimi zagotavljajo, da je koagulacija čim bolj učinkovita in omejena v prostoru in času (koagulacija se mora zgoditi hitro in se mora pojaviti le v bližini poškodovanega območja). Encimi, ki sodelujejo pri koagulaciji, se aktivirajo v kaskadi (od aktivacije posameznega encima dobimo milijarde encimov: vsak aktiviran encim pa aktivira številne druge encime).
Tromboza je bolezen, ki nastane zaradi nepravilnega delovanja koagulacijskih encimov: povzroča jo aktivacija, brez potrebe (ker ni lezije), encimov, ki se uporabljajo pri koagulaciji.
Obstajajo modulatorni encimi (regulatorji) in zaviralni encimi za druge encime: z medsebojnim delovanjem slednjih regulirajo ali zavirajo njihovo aktivnost; celo produkt encima je lahko inhibitor encima. Obstajajo tudi encimi, ki delujejo bolj, večji je substrat.
lizocim
Luigi Pasteur je po naključju odkril kihanje na petrijevki, da je v sluzi encim, ki lahko ubije bakterije: lizocim ; iz grščine: liso = ki seče; zimo = encim.
Lizocim lahko razgradi celično steno bakterij. Bakterije in na splošno enocelični organizmi potrebujejo mehansko odporne strukture, ki omejujejo njihovo obliko; znotraj bakterij je zelo visok osmotski tlak, zato privabljajo vodo. Plazemska membrana bi eksplodirala, če ne bi bilo celične stene, ki bi nasprotovala vstopu vode in omejila prostornino bakterije.
Celična stena je sestavljena iz polisaharidne verige, v kateri se izmenjajo molekule N-acetil-glukozamina (NAG) in molekule N-acetil-muramske kisline (NAM); povezava med NAG in NAM razpade s hidrolizo. NAM karboksilna skupina v celični steni je vključena v peptidno vez z aminokislino.
Med različnimi verigami nastajajo mostovi, ki so sestavljeni iz psevdo-peptidnih vezi: razvejitev je posledica lizinske molekule; struktura kot celota je zelo razvejana in ji daje visoko stabilnost.
Lizocim je antibiotik (ubija bakterije): deluje tako, da v bakterijski steni ustvarja razpoko; ko je ta struktura lomljena (ki je mehansko odporna), bakterija privlači vodo, dokler ne razpoči. Lizocim lahko razcepi b-1, 4 glukozidno vez med NAM in NAG.
Katalitsko mesto lizocima je predstavljeno z utorom, ki poteka vzdolž encima, v katerega je vstavljena polisaharidna veriga: šest glukozidnih obročev verige, ki najdejo svoje mesto v žlebu.
V položaju 3 utora je ozko grlo: v tem položaju se lahko namesti le en NAG, ker NAM, ki je večji, ne more vstopiti. Dejansko katalitično mesto je med štirimi in petimi položaji: če je NAG na tretjem mestu, se zmanjšanje izvede med NAM in NAG (in ne obratno); zato je zmanjšanje specifično.
Optimalni pH za delovanje lizocima je pet. V katalitskem mestu encima, ki je med štirimi in petimi položaji, obstajajo stranske verige asparaginske kisline in glutaminske kisline.
Stopnja homologije : meri razmerje (tj. Podobnost) med strukturami beljakovin.
Med lizozimom in sintetazo laktozo obstaja stroga povezava.
Sintaza laktoze sintetizira laktozo (ki je glavni sladkor v mleku): laktoza je galaktozil glukozid, v katerem je β-1, 4 glukozidna vez med galaktozo in glukozo.
Tako sintetaza laktoze katalizira reakcijo, ki je nasprotna tisti, ki jo katalizira lizocim (ki namesto tega razgradi glukozidno vez β-1, 4).
Sintaza laktoze je dimer, kar pomeni, da je sestavljena iz dveh beljakovinskih verig, od katerih ima ena katalitske lastnosti in je primerljiva z lizocimom, druga pa je regulatorna podenota.
Med nosečnostjo se glikoproteini sintetizirajo iz celic mlečnih žlez z delovanjem galatozil-tranferaze (ima 40% homologijo sekvence z lizocimom): ta encim lahko prenese galaktozilno skupino iz visokoenergetske strukture. na strukturo glikoproteina. Med nosečnostjo se inducira ekspresija gena, ki kodira za galaktozo-transferazo (obstaja tudi izraz drugih genov, ki dajejo tudi druge proizvode): povečanje velikosti prsi zaradi aktiviranja mlečne žleze (prej neaktivni), ki mora proizvajati mleko. Med porodom se proizvaja α-laktalalbumin, ki je regulatorna beljakovina: sposoben je uravnavati katalitično zmogljivost galaktozil-transferaze (zaradi diskriminacije substratov). Galaktozil-transferaza, modificirana z α-laktalalbuminom, lahko prenaša galaktozil na molekuli glukoze: tvori glikozidno vez β-1, 4 in daje laktozo (sintetaza laktoze).
Tako transferna galaktoza pripravi mlečno žlezo pred porodom in proizvaja mleko po dostavi.
Za proizvodnjo glikoproteinov se galaktoziltransferaza veže na galaktozil in NAG; laktalni albumin se med rojstvom veže na galaktoziltransferazo, zaradi česar slednji prepoznajo glukozo in ne NAG, da bi dobili laktozo.
