Natura proteică, care joacă un rol în organism

Mecanismul de acțiune al enzimelor

Elucidarea mecanismelor care stau la baza cataliticului este una dintre problemele fundamentale și problemele urgente ale nu numai a enzimologiei, ci și a biochimiei și biologiei moleculare moderne.

Cu mult înainte ca enzimele pure să devină disponibile și natura lor să fie clarificată, se credea că combinația enzimei cu substratul era crucială pentru implementarea procesului enzimatic. Încercările de a detecta un compus complex al enzimei cu substratul nu au dus la succes, întrucât un astfel de complex este labil, se descompune foarte repede. Utilizarea metodei spectroscopiei a făcut posibilă identificarea complexelor enzime-substrat pentru catalază, peroxidază, alcool dehidrogenază și enzime dependente de flavin.

Metoda analizei de difracție cu raze X ne-a permis să obținem o mulțime de informații importante despre structura și mecanismele catalitice ale acțiunii enzimelor. Această metodă a fost utilizată pentru a stabili relația analogilor de substrat cu lizozima și enzimele chimotripsinei.

Unele dovezi directe ale existenței complexelor enzime-substrat au fost obținute pentru cazurile în care, la o etapă a ciclului catalitic, enzima este legată de substrat printr-o legătură covalentă. Un exemplu este acetatul de n-nitrofenil catalizat de chimotripsina. Când enzima este amestecată cu acest ester, chimotripsina este acetilată la grupa hidroxil a restului seric reactiv. Această etapă se desfășoară rapid, cu toate acestea, hidroliza acetilcimotripsinei cu formarea de acetat și chimotripsină liberă este mult mai lentă. Prin urmare, în prezența acetatului de n-nitrofenil, se acumulează acetilcimotripsină, care este ușor de detectat.

Prezența unui substrat în enzimă poate fi „capturată” prin transformarea complexului EC instabil într-o formă inactivă, de exemplu, prin tratarea complexului enzimă-substrat cu borohidrură de sodiu, care are un puternic efect de reducere. Un complex similar sub forma unui derivat covalent stabil a fost găsit în enzima aldolază. S-a dovedit că grupa e-amino a lizinei interacționează cu molecula de substrat.

Substratul interacționează cu enzima într-o anumită parte, care se numește centru activ sau zona activă a enzimei.

Centrul activ, sau zona activă, se înțelege că înseamnă acea parte a moleculei proteice enzimatice care se leagă de substrat (și cofactori) și determină proprietățile enzimatice ale moleculei. Centrul activ determină specificitatea și activitatea catalitică a enzimei și ar trebui să fie o structură cu un anumit grad de complexitate, adaptată pentru apropiere și interacțiune strânsă cu molecula substratului sau cu părțile sale direct implicate în reacție.

Dintre grupele funcționale, acestea se disting între cele care fac parte din situsul „activ catalitic” al enzimei și formează situl care oferă o afinitate specifică (legarea substratului la enzimă) - așa-numitul contact, sau „ancoră” (sau locul de adsorbție al centrului activ al enzimei).

Mecanismul de acțiune al enzimelor explică teoria lui Michaelis-Menten. Conform acestei teorii, procesul se desfășoară în patru etape.

Mecanismul de acțiune al enzimelor: stadiul I

Între substratul (C) și enzima (E), apare o legătură - se formează un complex EC enzimă-substrat în care componentele sunt legate de legături covalente, ionice, de apă și alte legături.

Mecanismul de acțiune al enzimelor: stadiul II

Sub influența enzimei atașate, substratul este activat și devine disponibil pentru reacțiile de cataliză CE corespunzătoare.

Mecanismul de acțiune al enzimelor: stadiul IIII

Cataliza UE are loc. Această teorie este confirmată de studii experimentale.

Și în final, stadiul IV se caracterizează prin eliberarea moleculei enzimei E și a produselor de reacție P. Secvența transformărilor poate fi reprezentată după cum urmează: E + C - EC - EC * - E + P.

Specificitatea acțiunii enzimelor

Fiecare enzimă acționează asupra unui substrat specific sau a unui grup de substanțe care sunt similare în structură. Specificitatea acțiunii enzimelor se explică prin asemănarea configurației centrului activ și a substratului. În procesul de interacțiune, se formează un complex enzimă-substrat.

enzimele

Enzimele sau enzimele - substanțe de natură proteică cu activitate catalitică.   Fenomenele de fermentare și digestie sunt cunoscute de mult timp. Termenul "enzimă" (din greacă. En zyme- în drojdie), precum și "enzimă" (din latină. Fermentatio - fermentare). Doctrina enzimelor evidențiată ca o știință independentă enzymology.

Deși sinteza de laborator a mai multor enzime - ribonuclează, lizozimă - a fost deja efectuată, singura cale de a obține enzimele este de a le izola de obiectele biologice. Pentru izolarea enzimelor din conținutul celular, este necesară măcinarea fină, până la distrugerea structurilor subcelulare. Toate operațiunile sunt efectuate în condiții care exclud denaturarea proteinelor (utilizarea de aditivi protectori, temperatură scăzută). Se folosesc tehnici speciale - extracția cu glicerol, metoda pulberilor de acetonă, metoda cromatografiei cu schimb de ioni, metoda sitelor moleculare, electroforeză, cromatografie de afinitate, unde substanța cu care enzima interacționează selectiv este un adsorbant.

Dovada naturii proteice a enzimelor:

1. Enzimele se descompun în aminoacizi în timpul hidrolizei.

2. Sub influența fierberii și a altor factori, enzimele suferă denaturare și își pierd activitatea catalitică.

3. Selectarea enzimelor sub formă de cristale proteice.

4. Enzimele au un efect foarte specific.

Dovada directă a naturii proteice a enzimelor este sinteza de laborator a primei enzime, ribonuclează, efectuată în 1969 în laboratorul lui B. Merrifield din New York. În n. Anii 80 ai secolului XX. a fost descoperită capacitatea acizilor ribonucleici cu greutate moleculară mică de a îndeplini o funcție catalitică. Acești compuși sunt numiți ribozomi.

Enzimele simple sunt izolate, constând numai din lanțul polipeptidic: pepsină, tripsină, ureeză, ribonuclează, fosfatază, etc. Majoritatea enzimelor naturale sunt proteine \u200b\u200bcomplexe. Componentele lor non-proteice sunt numite cofactoriși sunt necesare pentru ca enzima să-și îndeplinească rolul catalitic. Cofactorii enzimelor sunt vitamine sau compuși construiți cu participarea lor (coenzima A, NAD +, FAD); esteri fosforici ai anumitor monosacharide, ioni metalici (Zn 2+, Mg 2+, Mn 2+, Fe 2+) .

coenzima- factor non-proteic, care este ușor separat de partea proteică - apoenzimei cu disocierea. Grup protetic – o componentă neproteinică legată covalent de lanțul proteic care nu se separă de la izolarea și purificarea enzimei. În apoenzimă există un site care leagă selectiv coenzima. Este domeniul de legare a coenzimelor . Structura sa este similară pentru diferite apoenzime care se conectează cu aceeași coenzimă. Întreaga enzimă împreună cu grupul protetic se numesc holoenzimă . Doar combinația de apoenzimă și coenzimă asigură activitatea holoenzimei .

subturnare   - o substanță supusă transformărilor prin acțiunea unei enzime.

Centru activ - un loc specific la suprafața enzimei care se leagă de molecula substratului și este implicat direct în cataliză (diapozitiv 5).Reziduurile de aminoacizi care formează centrul catalitic al unei enzime cu o singură componentă sunt localizate în diferite părți ale lanțului polipeptidic. Prin urmare, centrii activi ai enzimelor se formează la nivelul structurii terțiare. În enzimele complexe, grupul protetic face parte și din centrul activ. Cofactorii enzimelor acționează ca purtători intermediari ai atomilor sau grupurilor.

Centrul activ al enzimelor este situat în partea inferioară a decalajului cu o structură cu două nuclee, de exemplu, la lizozimă, sau în partea de jos a unei depresiuni profunde, ca în chimotripsinogen și tripsină. În centrul activ, se disting două secțiuni.

Centrul de substrat (obligatoriu)   - site-ul responsabil pentru atașarea substratului. Îl cheamă contact , sau ancoră »Site-ul enzimei. Centrul catalitic   responsabil pentru transformarea chimică a substratului. Compoziția centrului catalitic al majorității enzimelor include astfel de aminoacizi precum serină, cisteină, histidină, tirozină, lizină. Centrul substratului poate coincide (sau se suprapune) cu centrul catalitic.

Molecula de substrat conține, de asemenea, site-uri diferite funcțional: o legătură specifică sau un grup de atomi atacați de enzimă și unul sau mai multe site-uri legate selectiv de enzimă. Forțele interacțiunilor hidrofobe și legăturile de hidrogen care apar între radicalii reziduurilor de aminoacizi din centrul substratului enzimei și grupurile corespunzătoare din molecula de substrat joacă un rol important în legarea enzimei și a substratului.

Centrul alosteric   - o porțiune a moleculei enzimei în afara centrului său activ, care este capabilă să lege tipuri slabe de legături cu o anumită substanță (ligand). Ca urmare, se modifică structura terțiară și adesea cuaternară a moleculei proteice. Drept urmare, se modifică configurația centrului activ și se modifică activitatea catalitică a enzimei. Aceasta este așa-numita. reglare alostericăactivitatea catalitică a enzimelor. Enzimele a căror activitate a centrului catalitic suferă o schimbare sub influența efectorilor alosterici sunt numite alosteric. O caracteristică distinctivă a unui număr de enzime alosterice este prezența mai multor centri activi și a mai multor centri de reglare alosterică în molecula enzimei oligomerice.

Unele dintre enzime sunt multifuncțional,adică au mai multe activități enzimatice, dar numai un lanț polipeptidic. Un singur lanț formează mai multe domeniifiecare dintre acestea fiind caracterizat prin activitatea sa catalitică. De exemplu, alcoolul dehidrogenază nu numai că catalizează reacția de oxidare a alcoolilor, ci și reacția de neutralizare a unui număr de xenobiotice, este implicată în metabolismul unui număr de neurotransmițători, hormoni.

izoenzime- acestea sunt forme multiple ale enzimei care catalizează aceeași reacție, dar diferă unele de altele prin proprietăți fizice și chimice - afinitate pentru substrat, activitate, mobilitate electroforetică.

Există enzime ale căror molecule constau din două sau mai multe subunități, adică. care sunt multimeri . Dacă moleculele multimer sunt compuse din două tipuri de subunități, atunci, în funcție de raportul protomerilor de diferite tipuri, enzima poate exista sub formă de mai mulți izomeri - izoenzime. Un exemplu clasic este o enzimă lactat dehidrogenază , accelerând conversia lactatului în piruvat în mușchi și invers. Molecula sa este formată din patru subunități de două tipuri - H(din engleză inimă- inimă) și M(mușchi- mușchi) :

IUU IUUI IUUI

În funcție de vârstă, starea fiziologică și alte motive, se stabilește un organism sau un alt raport de izozime în organism, care este utilizat pentru a diagnostica boli în medicină.

Un grup special de enzime este compus din complexe de enzime multimoleculare, care includ diverse enzime care catalizează etapele succesive de transformare a unui substrat. exemple: complex de piruvat dehidrogenază constând din trei tipuri de enzime, care catalizează reacția de decarboxilare oxidativă a acidului piruvic, NADPH oxidază. Atunci când enzimele individuale sunt combinate într-un singur complex, distanțele prin care moleculele produselor intermediare trebuie să se deplaseze sub acțiunea enzimelor izolate sunt reduse. Ca urmare, multi-enzimele cu o viteză extraordinară efectuează conversia substraturilor.

În cazurile în care un complex multi-enzimatic servește un singur proces, în mai multe etape, de transformări biochimice, acesta este denumit metabolon. Aceștia sunt metaboliții glicolizei, ciclul Krebs, lanțul respirator al mitocondriilor etc.

MECANISM ENZIM

Enzima E se leagă reversibil de substratul S, formând un complex ES enzimă-substrat intermediar instabil, care la sfârșitul reacției se descompune odată cu eliberarea enzimei și a produselor de reacție P.

Aceste idei au stat la baza teoriile „blocării cheilor” de E. Fisher (1890)uneori sunat teoria „matricei rigide”. Structura centrului activ este complementară structurii moleculare a substratului, asigurând astfel specificitate ridicată a enzimei. Formarea complexelor enzime-substrat implică legături de hidrogen, interacțiuni electrostatice și hidrofobe, iar în unele cazuri, de asemenea, legături de coordonare covalente.

D. Cochland   a fost dezvoltat teoria „corespondenței induse” (1958). Corespondența spațială a structurii substratului și a centrului activ al enzimei este creată în momentul interacțiunii lor între ele ( „Mănușa este mâna”).   Substratul induce modificări conformaționale în molecula enzimei, astfel încât centrul activ să-și asume orientarea spațială necesară legării substratului. Ie enzima numai în momentul atașării substratului va fi în forma T activă (intensă) (tracțiune) în contrast cu forma R inactivă (relaxe). Aranjamentele conformaționale ale enzimei în procesul de schimbare a activității sale au fost comparate de Koschland cu fluctuațiile pânzei atunci când producția (substratul) a intrat în ea. Între enzimă și substrat există complementaritate spațială sau geometrică și corespondență electrostatică. Pentru activitatea catalitică a enzimei, este esențială structura spațială în care secțiunile rigide ale α-elice alternează cu segmente lineare flexibile, elastice, care asigură modificări dinamice ale moleculei proteice a enzimei. Atașarea substratului la centrul activ al enzimei în cazul complementarității acestora duce la formarea unui complex activ. În caz contrar, se formează un complex inactiv.

În prezent, ipoteza Koschland este înlocuită treptat. ipoteza corespondenței topochimice.Păstrarea punctelor cheie teoria „corespondenței induse”, ea explică specificul acțiunii enzimelor, recunoscând acea parte a substratului care nu se schimbă în timpul catalizei. Se presupune că induce modificări în molecula substratului în timpul interacțiunii sale cu enzima.

Ca și alți catalizatori, enzimele, din punct de vedere termodinamic, accelerează reacțiile chimice prin reducerea energiei de activare. Energie de activare numită energia necesară pentru a transpune toate moleculele unei alunițe dintr-o substanță într-o stare activată la o temperatură dată. Atât catalizați de enzimă, cât și reacția care nu este catalizată de aceasta au aceeași valoare a modificării standard a energiei libere (ΔG). Cu toate acestea, reacția enzimatică are o energie de activare mai mică. Acționând asupra vitezei de reacție, enzimele nu schimbă poziția de echilibru între reacțiile directe și cele invers, ci doar accelerează debutul acesteia.

Cinetică enzimatică   investighează influența naturii chimice a substanțelor care reacționează (enzime, substraturi) și condițiile interacțiunii acestora (concentrație, pH, temperatură, prezența activatorilor sau inhibitorilor) asupra vitezei reacției enzimatice. Viteza de reacție enzimatică (V) se măsoară prin scăderea cantității de substrat sau prin creșterea produsului pe unitate de timp.

În cataliza enzimatică enzimă (E)   se conectează reversibil la substrat (S)formând instabil complex de enzime-substrat (ES)care la sfârșitul reacției se desparte odată cu eliberarea enzimă (E)   și produse de reacție (P):

Dependența vitezei reacției enzimatice de concentrația substratului are forma unei hiperbole.

La o concentrație scăzută a substratului, viteza de reacție este direct proporțională cu concentrația sa (complot) și   grafică) și este determinată de ecuația:

La o concentrație ridicată a substratului, când toate moleculele enzimei sunt sub forma unui complex enzimă-substrat, se realizează o saturație completă a situsurilor active ale enzimei cu un substrat, iar viteza de reacție devine maximă (V max) (diagramă în).

La jumătate de saturație, când jumătate din moleculele enzimei sunt sub formă de ES, rata de reacție este egală cu jumătate din maxim (grafic b).

Viteza unei reacții chimice accelerată de o enzimă (precum rata unei reacții chimice normale),

v +1 \u003d k +1 [A] [B]; v −1 \u003d k - 1 [C] [D].

K -1 este constanta de viteza a reactiei inverse,

K +1 este constantă a vitezei de reacție directă.

În echilibru, v +1 \u003d v −1, apoi k +1 [A] [B] \u003d k −1 [C] [D].

Constanta de disociere a complexului enzim-substrat K S este reciproca constantei de echilibru.

K s depinde de natura chimică a substratului și a enzimei și determină gradul de afinitate al acestora. Cu cât valoarea lui K s este mai mică, cu atât afinitatea enzimei este mai mare.

L. Michaelis și M. Menten au derivat o ecuație numită ecuația Michaelis-Menten . Acesta exprimă un raport cantitativ între concentrația substratului și rata de reacție enzimatică:

V max - o constantă pentru fiecare enzimă, care vă permite să evaluați eficacitatea acțiunii sale.

Ecuația Michaelis-Menten nu ține cont de influența produselor de reacție asupra vitezei procesului enzimatic.

Prin urmare, ecuația Briggs-Haldane a fost propusă:

unde K m - constantă determinată experimental de Michaelis:

Curba acestei ecuații este dependența hiperbolică a V de concentrația S.

Constanta Michaelis este numeric egală cu concentrația substratului la care rata de reacție enzimatică este jumătate din V max. K m arată afinitatea enzimei pentru substrat; cu cât valoarea sa este mai mică, cu atât afinitatea este mai mare. Valorile experimentale ale Km pentru cele mai multe reacții enzimatice care implică un substrat sunt de obicei 10 -2-10-10 M.

capIV.3.

enzime

Metabolismul din organism poate fi definit ca totalitatea tuturor transformărilor chimice la care sunt expuși compușii veniți din exterior. Aceste transformări includ toate tipurile de reacții chimice cunoscute: transferul intermolecular al grupelor funcționale, clivarea hidrolitică și nonhidrolitică a legăturilor chimice, rearanjarea intramoleculară, formarea legăturilor chimice și reacțiile redox. Astfel de reacții apar în organism la o viteză extrem de mare doar în prezența catalizatorilor. Toți catalizatorii biologici sunt substanțe de natură proteică și sunt numite enzime (denumite în continuare F) sau enzime (E).

Enzimele nu sunt componente ale reacțiilor, ci doar accelerează atingerea echilibrului prin creșterea ratei atât a transformărilor directe, cât și a celor inversate. Accelerarea reacției are loc datorită scăderii energiei de activare - bariera energetică care separă o stare a sistemului (compus chimic inițial) de alta (produs de reacție).

Enzimele accelerează cele mai diverse reacții din organism. Deci, din punctul de vedere al chimiei tradiționale, o reacție destul de simplă a eliminării apei din acidul carbonic cu formarea de CO 2 necesită participarea unei enzime, deoarece fără ea, este prea lent pentru a regla pH-ul sângelui. Datorită acțiunii catalitice a enzimelor din organism, devine posibil să apară astfel de reacții care ar merge de sute sau mii de ori mai lent, fără un catalizator.

Proprietățile enzimelor

1. Efectul asupra vitezei unei reacții chimice: enzimele cresc rata unei reacții chimice, dar ele însele nu sunt consumate.

Viteza de reacție este modificarea concentrației componentelor de reacție pe unitatea de timp. Dacă merge în direcția înainte, atunci este proporțional cu concentrația substanțelor care reacționează, dacă în sens invers, este proporțională cu concentrația produselor de reacție. Raportul ratelor reacțiilor înainte și invers se numește constantă de echilibru. Enzimele nu pot schimba constanta de echilibru, dar starea de echilibru în prezența enzimelor apare mai repede.

2. Specificitatea acțiunii enzimelor. În celulele corpului au loc 2-3 mii de reacții, fiecare dintre ele fiind catalizată de o enzimă specifică. Specificitatea acțiunii enzimei este capacitatea de a accelera cursul unei reacții specifice fără a afecta viteza celorlalte, chiar și a celor foarte similare.

distinge:

absolut   - când f catalizează o singură reacție specifică ( arginază   - despicare arginină)

Rudă   (grup special) - Ф catalizează o anumită clasă de reacții (de ex. clivaj hidrolitic) sau reacții care implică o anumită clasă de substanțe.

Specificitatea enzimelor se datorează secvenței lor unice de aminoacizi, care determină conformația centrului activ care interacționează cu componentele reacției.

Se numește o substanță a cărei transformare chimică este catalizată de o enzimă substrat ( S ) .

3. Activitatea enzimelor - capacitatea de a varia grade accelerează rata de reacție. Activitatea este exprimată în:

1) Unități internaționale de activitate - (ME) cantitatea de enzimă care catalizează conversia de 1 μM substrat în 1 min.

2) Katalakh (kat) - cantitatea de catalizator (enzimă) capabilă să transforme 1 mol de substrat în 1 sec.

3) Activitate specifică - numărul de unități de activitate (oricare dintre cele de mai sus) din proba de testare până la masa totală de proteine \u200b\u200bdin acest eșantion.

4) Activitatea molară mai puțin utilizată este numărul de molecule de substrat transformate de o moleculă enzimatică pe minut.

Activitatea depinde mai întâi de la temperatura . Enzima este cea mai activă la temperatura optimă. Pentru Ф a unui organism viu, această valoare se situează în intervalul +37,0 - +39,0° C, în funcție de tipul de animal. Pe măsură ce temperatura scade, mișcarea browniană încetinește, rata de difuzie scade și, prin urmare, formarea complexului dintre enzimă și componentele de reacție (substraturi) este încetinită. În cazul creșterii temperaturii peste +40 - +50° C O moleculă de enzimă, care este o proteină, suferă un proces de denaturare. În acest caz, rata reacției chimice scade semnificativ (Fig. 4.3.1.).

Depinde și activitatea enzimelor pH-ul mediului . Pentru majoritatea acestora, există o anumită valoare optimă a pH-ului la care activitatea lor este maximă. Deoarece sute de enzime sunt conținute într-o celulă și fiecare dintre ele are propriile limite ale pH-ului optim, o modificare a pH-ului este unul dintre factorii importanți în reglarea activității enzimatice. Deci, ca urmare a unei reacții chimice cu participarea unei anumite enzime, pH-ul a cărui opțiune se află în limitele 7.0 - 7.2, se formează un produs, care este un acid. În acest caz, valoarea pH-ului trece la regiunea de 5,5 - 6,0. Activitatea enzimelor scade brusc, rata de formare a produsului încetinește, dar este activată o altă enzimă, pentru care aceste valori de pH sunt optime și produsul primei reacții suferă o conversie chimică suplimentară. (Un alt exemplu despre pepsină și trypsină).

Natura chimică a enzimelor. Structura enzimei. Centre active și alosterice

Toate enzimele sunt proteine \u200b\u200bcu o greutate moleculară de 15.000 până la câteva milioane Da. Distingeți prin structura chimică simplu   enzime (constau doar din AK) și complex   enzime (au o parte neproteinică sau un grup protetic). Partea proteică se numește - apoenzimei,   și non-proteine, dacă este legată covalent la o apoenzimă, se numește coenzima   și dacă legătura este ne-covalentă (ionică, hidrogen) - cofactor . Funcțiile grupului protetic sunt următoarele: participarea la actul de cataliză, contactul dintre enzimă și substrat, stabilizarea moleculei enzimei în spațiu.

Substanțele anorganice - ioni de zinc, cupru, potasiu, magneziu, calciu, fier și molibden - acționează de obicei ca un cofactor.

Coenzimele pot fi considerate o parte integrantă a moleculei enzimei. Acestea sunt substanțe organice, printre care se numără: nucleotide ( ATP, IFMetc.), vitamine sau derivați ai acestora ( THP   - din tiamina ( În 1), FMN   - din riboflavină ( În 2), coenzima A   - din acid pantotenic ( În 3), NAD etc.) și coenzimele tetrapyrrole - pietre.

În procesul de cataliză a reacției, nu întreaga moleculă a enzimei intră în contact cu substratul, ci o anumită parte a acesteia, care se numește centru activ. Această zonă a moleculei nu constă dintr-o secvență de aminoacizi, ci se formează atunci când molecula proteică este răsucită într-o structură terțiară. Se reunesc secțiuni separate de aminoacizi, formând o configurație specifică a centrului activ. O caracteristică importantă a structurii centrului activ este aceea că suprafața sa este complementară suprafeței substratului, adică. reziduurile de AK din această zonă a enzimei pot intra în interacțiune chimică cu anumite grupări ale substratului. Vă puteți imagina asta centrul activ al enzimei coincide cu structura substratului ca cheie și blocare.

centru activ   distinge două zone: centru de legareresponsabil de atașarea substratului și centru cataliticresponsabil pentru transformarea chimică a substratului. Compoziția centrului catalitic al majorității enzimelor include AK-uri precum Ser, Cis, Gis, Tyr, Liz. Enzimele complexe din centrul catalitic au un cofactor sau o coenzimă.

Pe lângă centrul activ, mai multe enzime sunt echipate cu un centru de reglare (alosteric). Substanțele care afectează activitatea catalitică interacționează cu această zonă a enzimei.

Mecanismul de acțiune al enzimelor

Actul catalizei constă din trei etape succesive.

1. Formarea complexului enzimă-substrat în timpul interacțiunii prin centrul activ.

2. Legarea substratului are loc în mai multe puncte ale centrului activ, ceea ce duce la o modificare a structurii substratului și a deformării acestuia datorită schimbării energiei de legătură în moleculă. Aceasta este a doua etapă și se numește activarea substratului. În acest caz, are loc o anumită modificare chimică a substratului și transformarea acestuia într-un produs sau produse noi.

3. Ca urmare a acestei transformări, o nouă substanță (produs) își pierde capacitatea de a rămâne în centrul activ al enzimei și a substratului enzimatic, sau mai degrabă complexul enzimă-produs se disociază (se descompune).

Tipuri de reacții catalitice:

A + E \u003d AE \u003d BE \u003d E + B

A + B + E \u003d AE + B \u003d ABE \u003d AB + E

AB + E \u003d ABE \u003d A + B + E, unde E este o enzimă, A și B sunt substraturi sau produse de reacție.

Efectori enzimatici   - substanțe care modifică rata catalizei enzimatice și reglează astfel metabolismul. Printre ele se disting inhibitori   - încetinirea vitezei de reacție și activatori   - accelerarea reacției enzimatice.

În funcție de mecanismul de inhibare a reacției, se disting inhibitori competitivi și necompetitivi. Structura moleculei de inhibitor competitiv este similară cu structura substratului și coincide cu suprafața centrului activ ca o cheie cu blocare (sau aproape coincide). Gradul acestei asemănări poate fi chiar mai mare decât în \u200b\u200bcazul substratului.

Dacă A + E \u003d AE \u003d BE \u003d E + B, atunci II + E \u003d IE¹

Concentrația enzimei capabile de cataliză scade și rata de formare a produselor de reacție scade brusc (Fig. 4.3.2.).

Inhibitorii competitivi sunt un număr mare de substanțe chimice de origine endogenă și exogenă (adică xenobiotice care sunt formate în organism și, respectiv, provin din exterior). Substanțele endogene sunt regulatoare ale metabolismului și se numesc antimetaboliți. Multe dintre ele sunt utilizate în tratamentul cancerului și a bolilor microbiene, în centrul comercial. inhibă reacțiile metabolice cheie ale microorganismelor (sulfonamide) și ale celulelor tumorale. Dar, cu un exces de substrat și o concentrație scăzută a unui inhibitor competitiv, acțiunea sa este anulată.

Al doilea tip de inhibitor este necompetitiv. Acestea interacționează cu enzima în afara centrului activ și excesul de substrat nu afectează capacitatea lor inhibitoare, așa cum se întâmplă în cazul inhibitorilor competitivi. Acești inhibitori interacționează fie cu anumite grupări enzimatice (metalele grele se leagă la grupele tiol Cis) sau cel mai adesea cu un centru de reglare, ceea ce reduce capacitatea de legare a centrului activ. Procesul de inhibare în sine este suprimarea completă sau parțială a activității enzimei, menținând în același timp structura sa spațială.

Se disting și inhibarea reversibilă și ireversibilă. Inhibitori ireversibili inactivează enzima, formând o legătură chimică cu AK sau alte componente ale structurii. De obicei aceasta este o legătură covalentă cu unul dintre site-urile centrului activ. Un astfel de complex practic nu se disociează în condiții fiziologice. În alt caz, inhibitorul încalcă structura conformațională a moleculei enzimei - provoacă denaturarea acesteia.

Acțiunea inhibitorilor reversibili poate fi îndepărtată cu un exces de substrat sau sub acțiunea substanțelor care schimbă structura chimică a inhibitorului. Inhibitorii competitivi și non-competitivi sunt, în majoritatea cazurilor, reversibili.

Pe lângă inhibitori, sunt cunoscuți și activatori ai catalizei enzimatice. Sunt:

1) protejați molecula de enzimă împotriva efectelor inactive,

2) formează un complex cu substratul, care se leagă mai activ de centrul activ Ф,

3) interacționând cu enzima care are o structură cuaternară, subunitățile acesteia sunt deconectate și astfel se deschide substratul spre centrul activ.

Distribuția enzimelor în organism

Enzimele implicate în sinteza proteinelor, acizilor nucleici și enzimelor metabolismului energetic sunt prezente în toate celulele corpului. Dar celulele care îndeplinesc funcții speciale conțin și enzime speciale. Deci, celulele insulelor Langerhans din pancreas conțin enzime care catalizează sinteza hormonilor insulină și glucagon. Enzimele care sunt caracteristice numai pentru celulele anumitor organe sunt numite specifice organului: arginaza și urokinază   - ficat fosfataza acidă   - prostata. Prin schimbarea concentrației unor astfel de enzime în sânge, se evaluează prezența patologiilor în aceste organe.

În celulă, enzimele individuale sunt distribuite în întreaga citoplasmă, altele sunt încorporate în membranele mitocondriei și în reticulul endoplasmic, astfel de enzime se formează compartimente,   în care anumite etape ale metabolismului sunt strâns legate între ele.

Multe enzime sunt formate în celule și secretate în cavitatea anatomică în stare inactivă - acestea sunt proenzime. Adesea sub formă de proenzime, se formează enzime proteolitice (proteine \u200b\u200bde descompunere). Apoi, sub influența pH-ului sau a altor enzime și substraturi, modificarea lor chimică are loc, iar centrul activ devine accesibil la substraturi.

Există și izoenzime   - enzime care diferă în structura moleculară, dar îndeplinesc aceeași funcție.

Nomenclatura și clasificarea enzimelor

Numele enzimei este format din următoarele părți:

1. numele substratului cu care interacționează

2. natura reacției catalizate

3. numele clasei de enzime (dar este opțional)

4. sufixul -az-

piruvat - decarboxil - aza, succinat - dehidrogen - aza

Deoarece se știe deja aproximativ 3 mii de enzime, acestea trebuie clasificate. În prezent, a fost adoptată o clasificare internațională a enzimelor, bazată pe tipul de reacție catalizată. Există 6 clase, care la rândul lor sunt împărțite într-un număr de subclase (în această carte sunt prezentate doar selectiv):

1. Oxidoreductaza.   Catalizeze reacții redox. Împărțit în 17 subclase. Toate enzimele conțin o parte neproteinică sub formă de heme sau derivați ai vitaminelor B 2, B 5. Substratul oxidat acționează ca un donator de hidrogen.

1.1. Dehidrogenazele elimină hidrogenul dintr-un substrat și se transferă în alte substraturi. Coenzime NAD, NADF, FAD, FMN. Ei acceptă de la sine hidrogenul clivat de enzimă în timp ce se transformă în forma redusă (NADH, NADPH, FADN) și se transferă într-un alt complex enzimă-substrat, unde este administrat.

1.2. Oxidaza - catalizează transferul hidrogenului în oxigen pentru a forma apă sau H2O2. F. Citocrom oxidaza   lanț respirator.

RH + NAD H + O2 \u003d ROH + NAD + H2O

1.3. Monoxidază - citocrom P450. În structura sa, atât hemo- cât și flavoproteină. Hidroxilează xenobiotice lipofile (conform mecanismului de mai sus).

1.4. peroxidază   și catalazei   - cataliza descompunerea peroxidului de hidrogen, care se formează în timpul reacțiilor metabolice.

1.5. Oxigenaze - catalizează reacția adăugării de oxigen la substrat.

2. transferaza   - cataliza transferul diverșilor radicali de la o moleculă donatoare la o moleculă acceptantă.

A și   + E + B \u003d E și   + A + B \u003d E + B și   + A

2.1. Metil-transferază (CH3 -).

2.2 Carboxil și carbamoil transferaze

2.2. Aciltransferaza - Coenzima A (transfer de grupă acil -R-C \u003d O).

Exemplu: sinteza neurotransmițătorului acetilcolină (vezi capitolul „Metabolizarea proteinelor”).

2.3. Hexosil transferaze - catalizează transferul de reziduuri glicozil.

Exemplu: Clivarea unei molecule de glucoză de la glicogen prin fosforilaza.

2.4. Aminotransferaze - transfer de grupări amino

R1 - CO - R2 + R1 - CH - NH 3   - R2 \u003d R1 - CH - NH 3   - R2 + R1 - CO - R2

Acestea joacă un rol important în transformarea AK. Coenzima comună este piridoxalfosfatul.

Un exemplu: alanină aminotransferază   (AlAT): piruvat + glutamat \u003d alanină + alfa-cetoglutarat (vezi capitolul „Metabolizarea proteinelor”).

2.5. Fosfotransferaza (kinază) - catalizează transferul reziduurilor de acid fosforic. În cele mai multe cazuri, donatorul de fosfați este ATP. În procesul de descompunere a glucozei, sunt implicate în principal enzimele din această clasă.

Un exemplu: Hexo (gluco) kinază.

3. hidrolază   - catalizeze reacțiile de hidroliză, adică divizarea substanțelor cu adăugarea la locul spargerii conexiunii apei. Această clasă include în principal enzime digestive, sunt monocomponente (nu conțin o parte neproteinică)

R1-R2 + H2O \u003d R1H + R2OH

3.1. Esterasele - descompun legăturile eterice. Aceasta este o mare subclasă de enzime care catalizează hidroliza eterilor de tiol, fosfoestere.
  Exemplu: NH2).

Un exemplu: arginază   (ciclul ureei).

4. Lazi   - catalizați reacția de divizare a moleculelor fără adăugarea de apă. Aceste enzime au o parte neproteinică sub formă de pirofosfat de tiamina (B 1) și fosfat piridoxal (B 6).

4.1. Liaze de legătură C-C. Se numesc în mod uzual decarboxilaze.

Un exemplu: piruvat decarboxilază.

5. Izomeraza - catalizați reacția de izomerizare.

Exemplu: izomeraza fosfopentozică,   fosfatisomeraza pentoasă(enzime ale ramurii neoxidante a căii fosfatului pentoase).

6.Ligazy   cataliza sinteza substanțelor mai complexe din cele simple. Astfel de reacții vin cu cheltuielile cu energia ATP. „Sintezaza” este adăugată la numele unor astfel de enzime.

LITERATURA LA CAPITOLIV .3.

1. Byshevsky A. Sh., Tersenov O. A. Biochimie pentru medic // Ekaterinburg: Ural Worker, 1994, 384 p .;

2. Knorre D. G., Myzina S. D. Chimie biologică. - M .: Mai mare. săpt. 1998, 479 p .;

3. Filippovici Yu. B., Egorova T. A., Sevastyanova G. A. Atelier de biochimie generală // M .: Iluminism, 1982, 311с .;

4. Leninger A. Biochimie. Baza moleculară a structurii și funcțiilor celulei // M .: Mir, 1974, 956 p .;

5. Pustovalova L.M. Atelier de biochimie // Rostov-on-Don: Phoenix, 1999, 540 p.

   · Structura și mecanismul de acțiune al enzimelor · Forme multiple de enzime · Semnificație medicală · Utilizare practică · Note · Literatură și mijloc

Activitatea enzimelor este determinată de structura lor tridimensională.

Ca toate proteinele, enzimele sunt sintetizate sub forma unui lanț liniar de aminoacizi care se pliază într-un anumit mod. Fiecare secvență de aminoacizi este pliată într-un mod special, iar molecula rezultată (globula proteică) are proprietăți unice. Mai multe lanțuri proteice pot fi combinate într-un complex proteic. Structura terțiară a proteinelor este distrusă prin încălzire sau expunere la anumite substanțe chimice.

Centrul activ de enzime

Studierea mecanismului unei reacții chimice catalizate de o enzimă împreună cu determinarea produselor intermediare și finale în diferite etape ale reacției implică o cunoaștere precisă a geometriei structurii terțiare a enzimei, natura grupărilor funcționale ale moleculei sale, oferind specificitate de acțiune și activitate catalitică ridicată pe acest substrat și în plus față de natura chimică a sitului site-uri) ale moleculei enzimei, care asigură o rată de reacție catalitică ridicată. De obicei, moleculele de substrat implicate în reacțiile enzimatice sunt relativ mici în comparație cu moleculele enzimatice. Astfel, în formarea complexelor enzime-substrat, numai fragmente limitate din secvența de aminoacizi a lanțului polipeptidic intră în interacțiunea chimică directă - „centrul activ” este o combinație unică de resturi de aminoacizi în molecula enzimatică, care asigură interacțiune directă cu molecula de substrat și participarea directă la actul de cataliză.

Centrul activ distinge condiționat:

• centru catalitic - interacționând direct chimic cu substratul;
• centru de legare (locul de contact sau "ancoră") - care asigură o afinitate specifică pentru substrat și formarea complexului enzimă-substrat.

Pentru a cataliza reacția, enzima trebuie să se lege cu unul sau mai multe substraturi. Lanțul proteic al enzimei este pliat în așa fel încât pe suprafața globulului să se formeze un decalaj sau cavitate, unde substratul se leagă. Această zonă se numește locul de legare a substratului. De obicei, coincide cu centrul activ al enzimei sau se află lângă ea. Unele enzime conțin, de asemenea, site-uri de legare pentru cofactori sau ioni metalici.

Enzima, care se conectează cu substratul:

• curăță substratul de un "strat" \u200b\u200bde apă
• dispune moleculele de substrat în reacție în spațiul necesar cursului reacției
• pregătește molecule de substraturi pentru reacție (de exemplu, polarizează).

De obicei, atașarea unei enzime la un substrat se datorează legăturilor ionice sau hidrogen, rar datorită legăturilor covalente. La sfârșitul reacției, produsul sau produsele sale sunt separate de enzimă.

Ca urmare, enzima reduce energia de activare a reacției. Acest lucru se datorează faptului că, în prezența enzimei, reacția se desfășoară într-un mod diferit (de fapt, are loc o reacție diferită), de exemplu:

În absența unei enzime:

• A + B \u003d AB

În prezența unei enzime:

• A + F \u003d AF
• AF + B \u003d AVF
• AVF \u003d AV + F

unde A, B sunt substraturi, AB este produsul de reacție și F este o enzimă.

Enzimele nu pot furniza energie independent pentru reacțiile endergonice (care necesită energie). Prin urmare, enzimele care efectuează astfel de reacții le conjugă cu reacții exergonice care produc mai multă energie. De exemplu, reacțiile de sinteză ale biopolimerilor sunt adesea cuplate cu hidroliza ATP.

Centrele active ale unor enzime se caracterizează prin fenomenul de cooperare.

specificitate

Enzimele prezintă, de obicei, specificitate ridicată pentru substraturile lor (specificitatea substratului). Acest lucru se realizează prin complementaritatea parțială a formei, distribuția sarcinilor și a regiunilor hidrofobe pe molecula de substrat și în centrul legării substratului de enzimă. De obicei, enzimele prezintă, de asemenea, un nivel ridicat de stereospecificitate (formează doar unul dintre posibilii stereoizomeri ca produs sau utilizează doar un stereoizomer ca substrat), regioselectivitate (formează sau rup o legătură chimică doar într-una dintre pozițiile posibile ale substratului) și chemoselectivitate (catalizează o singură reacție chimică a mai multor condiții posibile pentru aceste condiții). În ciuda nivelului general ridicat de specificitate, gradul de substrat și specificitatea reacției enzimelor pot varia. De exemplu, endopeptidaza trypsină rupe legătura peptidică numai după arginină sau lizină, dacă nu sunt urmate de prolină, iar pepsina este mult mai puțin specifică și poate rupe legătura peptidică în urma multor aminoacizi.

Model de blocare cu cheie

În 1890, Emil Fischer a sugerat că specificul enzimelor este determinat de corespondența exactă a formei enzimei și a substratului. Această presupunere se numește modelul de blocare a cheilor. Enzima se combină cu substratul pentru a forma un complex enzimă-substrat de scurtă durată. În același timp, în ciuda faptului că acest model explică specificitatea ridicată a enzimelor, nu explică fenomenul de stabilizare a stării de tranziție, care este observat în practică.

Model indus de conformitate

În 1958, Daniel Koshland a propus o modificare a modelului de blocare a cheilor. Enzimele nu sunt practic molecule rigide, ci flexibile. Situsul activ al enzimei poate schimba conformația după legarea substratului. Grupurile laterale de aminoacizi ai centrului activ iau o astfel de poziție care permite enzimei să-și îndeplinească funcția catalitică. În unele cazuri, molecula de substrat schimbă, de asemenea, conformația după legarea la locul activ. Spre deosebire de modelul de blocare a cheilor, modelul de corespondență indusă nu explică doar specificul enzimelor, ci și stabilizarea stării de tranziție. Acest model se numește mănușă.

modificări

Multe enzime după sinteza lanțului proteic suferă modificări, fără de care enzima nu își arată în totalitate activitatea. Astfel de modificări se numesc modificări post-translaționale (procesare). Unul dintre cele mai frecvente tipuri de modificări este atașarea grupărilor chimice la reziduurile laterale ale lanțului polipeptidic. De exemplu, adăugarea unui reziduu de acid fosforic se numește fosforilare, este catalizată de enzima kinazei. Multe enzime eucariote sunt glicozilate, adică modificate prin oligomeri carbohidrați.

Un alt tip comun de modificări post-translaționale este clivajul lanțului polipeptidic. De exemplu, chimotripsina (o protează implicată în digestie) este obținută prin clivarea unui situs polipeptidic de un chimotripsinogen. Chimotripsinogenul este un precursor inactiv al chimotripsinei și este sintetizat în pancreas. Forma inactivă este transportată la stomac, unde este transformată în chimotripsină. Un astfel de mecanism este necesar pentru a evita împărțirea pancreasului și a altor țesuturi înainte ca enzima să intre în stomac. Un precursor inactiv al unei enzime este, de asemenea, numit „zymogen”.

Cofactorii enzimelor

Unele enzime îndeplinesc singure o funcție catalitică, fără alte componente suplimentare. Cu toate acestea, există enzime care necesită componente de natură non-proteină pentru a efectua cataliză. Cofactorii pot fi atât molecule anorganice (ioni metalici, clustere fier-sulf etc.), cât și organice (de exemplu, flavin sau heme). Coactorii organici ferm legați de enzimă se mai numesc grupe protetice. Cofactorii de natură organică care se pot separa de enzimă se numesc coenzime.

O enzimă care necesită un cofactor pentru manifestarea activității catalitice, dar nu este asociată cu aceasta, se numește apo-enzimă. Apo-enzimă în combinație cu cofactorul se numește holo-enzimă. Majoritatea cofactorilor sunt asociați cu enzima prin interacțiuni ne-covalente, ci mai degrabă puternice. Există, de asemenea, grupuri protetice care sunt legate covalent de enzimă, de exemplu, pirofosfat de tiamină în piruvat dehidrogenază.

Reglarea enzimelor

Unele enzime au situri de legare pentru molecule mici, ele pot fi substraturi sau produse ale căii metabolice în care intră enzima. Acestea scad sau cresc activitatea enzimei, ceea ce creează posibilitatea de feedback.

Inhibarea produsului final

Calea metabolică este un lanț de reacții enzimatice secvențiale. Adesea, produsul final al căii metabolice este un inhibitor al enzimei care accelerează prima reacție a acestei căi metabolice. Dacă produsul final este prea mult, atunci acționează ca un inhibitor pentru prima primă enzimă și dacă după aceasta produsul final este prea mic, prima enzimă este din nou activată. Astfel, inhibarea produsului final prin principiul feedbackului negativ este o modalitate importantă de menținere a homeostaziei (constanța relativă a condițiilor mediului intern al corpului).

Influența condițiilor de mediu asupra activității enzimelor

Activitatea enzimelor depinde de condițiile din celulă sau corp - presiune, aciditate medie, temperatură, concentrația sărurilor dizolvate (rezistența ionică a soluției) etc.