tanım
Enzimler, bitki ve hayvan hücrelerinde üretilen, katalizör görevi gören ve biyolojik reaksiyonları değiştirilmeden hızlandıran proteinlerdir.
Enzimler, onu farklı bir maddeye dönüştürmek için belirli bir maddeyle birleştirerek çalışır; klasik örnekler tükürükte, midede, pankreasta ve ince bağırsakta bulunan sindirim enzimleri tarafından sindirimde temel bir işleve sahip olan ve daha sonra vücut tarafından absorbe edilebilecek ve temel bileşenlerde gıdaların ayrılmasına yardımcı olan sindirim enzimleri tarafından verilmektedir. diğer enzimler tarafından işlenmiş veya atık olarak atılmış.
Her enzimin kendine özgü bir rolü vardır: örneğin yağları parçalayan, proteinlere veya karbonhidratlara etki etmez. Enzimler vücudun iyiliği için gereklidir. Tek bir enzimin bile eksikliği, ciddi hastalıklara neden olabilir. Oldukça iyi bilinen bir örnek, birikimi fiziksel deformasyonlara ve zihinsel hastalıklara neden olabilen esansiyel bir amino asidi, fenilalanini metabolize edememesi ile karakterize edilen bir hastalık olan fenilketonüridir (PKU).
Biyokimyasal analiz
Enzimler, biyolojik katalizör olma özelliğine sahip olan özel proteinlerdir, yani kinetik olarak yavaş bir işlem yapma yolunu değiştirerek daha hızlı bir şekilde reaksiyona girerek reaksiyonun aktivasyon enerjisini (Eatt) parçalama yeteneğine sahiptirler.
Enzimler, termodinamik olarak muhtemel reaksiyonların kinetiğini arttırır ve katalizörlerin aksine, bunlar az çok spesifiktir: bu nedenle substrat spesifikliğine sahiptirler.
Enzim, reaksiyonun stokiyometrisinde yer almaz: bunun gerçekleşmesi için, nihai katalitik bölgenin orijinal ile aynı olması esastır.
Katalitik eylemde, neredeyse her zaman işlemin hızını belirleyen yavaş bir aşama vardır.
Enzimler söz konusu olduğunda denge reaksiyonlarından bahsetmek doğru değildir; bunun yerine sabit durumdan söz ediyoruz (belirli bir metabolitin sürekli oluştuğu ve sürekli olarak tüketildiği, konsantrasyonunun zaman içinde sabit kaldığı bir durum). Bir enzim tarafından katalizlenen bir reaksiyonun ürünü, sırayla, bir sonraki reaksiyon için genellikle başka bir enzim tarafından katalizlenen, vb.
Enzimler tarafından katalize edilen işlemler genellikle reaksiyon dizileri tarafından oluşturulur.
Bir enzim (E) tarafından katalize edilen jenerik bir reaksiyon, aşağıdaki gibi özetlenebilir:
Genel bir enzim (E), bir hızlı sabit K1 ile ek (ES) oluşturmak için alt tabaka (S) ile birleşir; K2 hız sabiti ile tekrar E + S'ye ayrışabilir veya (yeterince "yaşarsa") K3 hız sabiti ile P oluşturabilir.
Ürün (P), sırayla, enzimle rekombine olabilir ve eklentiyi K4 hız sabiti ile yeniden düzenleyebilir.
Enzim ve substrat karıştırıldığında, iki tür arasında bir araya gelmenin henüz gerçekleşmediği zamanın bir kısmı vardır: başka bir deyişle, (reaksiyona bağlı olarak) aşırı kısa bir zaman aralığı vardır. enzim ve substrat henüz karşılaşmadı; Bu süreden sonra, enzim ve substrat kademeli olarak daha yüksek bir miktarda temas eder ve ES ilavesi oluşur. Daha sonra, enzim substrat üzerinde etki eder ve ürün serbest bırakılır. Ardından, adduct ES konsantrasyonunun tanımlanamayacağı bir başlangıç zaman aralığı olduğunu söyleyebiliriz; Bu süreden sonra, sabit bir durumun olduğu, yani, ilacı elde etmeye yol açan işlemlerin hızının, ilacın yıkımına yol açan işlemlerin hızına eşit olduğu varsayılmaktadır.
Michaelis-Menten sabiti (KM) bir denge sabitidir (yukarıda açıklanan ilk dengeye atıfta bulunulur); Birincisi, iyi bir yaklaşımla (çünkü K3 de dikkate alınmalıdır), KM'nin K2 ve K1 kinetik sabitleri arasındaki oranla temsil edildiği söylenebilir (yukarıda açıklanan birinci dengede ES'nin imha edilmesi ve ES oluşumunu ifade eder).
Michaelis-Menten sabiti sayesinde, enzim ve substrat arasındaki afiniteye dair bir göstergeye sahibiz: KM küçükse, enzim ve substrat arasında yüksek bir afinite vardır, bu yüzden ES eklentisi stabildir.
Enzimler düzenlemeye tabidir (veya modülasyona).
Geçmişte esas olarak negatif modülasyon, yani bir enzimin katalitik kapasitesinin inhibisyonu ile ilgiliydi, fakat ayrıca pozitif bir modülasyon olabilir, yani bir enzimin katalitik özelliklerini artırabilen türler vardır.
4 tür engelleme vardır (deneysel verileri matematiksel denklemlerle eşleştirmek için bir model üzerinde yapılan yaklaşımlardan elde edilenler):
- rekabetçi engelleme
- rekabetçi olmayan engelleme
- rekabetçi engelleme
- Rekabetçi inhibisyon
Bir molekül (inhibitör) substrat ile rekabet edebildiği zaman, rekabetçi inhibisyon söz konusudur. Yapısal benzerlik nedeniyle, inhibitör substrat yerine reaksiyona girebilir; “rekabetçi engelleme” terminolojisinin geldiği yer burasıdır. Enzimin inhibitöre ya da substrata bağlanma olasılığı, her ikisinin konsantrasyonuna ve bunların enzimle olan yakınlığına bağlıdır; bu nedenle, reaksiyon hızı bu faktörlere bağlıdır.
İnhibitörün varlığı olmadan gerçekleşecek olan aynı reaksiyon hızını elde etmek için, daha yüksek bir substrat konsantrasyonuna sahip olmak gerekir.
Deneysel olarak, bir inhibitör varlığında Michaelis-Menten sabitinin arttığı gösterilmiştir.
Rekabetçi olmayan inhibisyona gelince, bir modülatör (pozitif veya negatif inhibitör) olarak çalışması gereken molekül ile enzim arasındaki etkileşim, içinde olduğu durumdan farklı bir alanda gerçekleşir. enzim ve substrat arasındaki etkileşim; biri bu nedenle allosterik modülasyondan bahseder (Yunan allosterosundan → diğer siteden).
Eğer inhibitör enzime bağlanacak şekilde bağlanırsa, enzim yapısının bir modifikasyonunu indükleyebilir ve sonuç olarak, substratın enzime bağlandığı verimliliği azaltabilir.
Bu tür bir işlemde, Michaelis-Menten'in sabiti sabit kalır çünkü bu değer enzim ve substrat arasındaki dengeye bağlıdır ve bu dengeler, bir inhibitör varlığında bile değişmez.
Rekabetçi engelleme olgusu nadirdir; Tipik bir rekabetçi inhibitör, ESI'ye yol açan ES eklentisine geri dönüşlü olarak bağlanan bir maddedir:
Substrat fazlalığından kaynaklanan inhibisyon, bazen, ikinci bir substrat molekülü, ESS kompleksine yol açan ES kompleksine bağlandığında kendisini gösterdiği için, yetersiz bir tipte olabilir.
Diğer yandan, rekabetçi bir inhibitör, önceki durumda olduğu gibi sadece substrat enzim eklentisine bağlanabilir: substratın serbest enzime bağlanması, siteyi inhibitör için erişilebilir kılan konformasyonel bir modifikasyona neden olur.
Michaelis Menten'in sabiti, inhibitör konsantrasyonunun artmasıyla azalır: görünüşe göre, enzimin substrat için afinitesi artar.
Serin proteazlar
Onlar kimotripsin ve tripsin ait olan enzimler ailesidir.
Chymotrypsin, hidrofobik ve aromatik amino asitlerin sağını kesen proteolitik ve hidrolitik bir enzimdir.
Chymotrypsin'i kodlayan gen ürünü aktif değildir (bir komutla aktive edilir); aktif olmayan kimotripsin formu, 245 amino asitlik bir polipeptit zinciri ile temsil edilir. Chymotrypsin beş disülfit köprüsünden ve diğer küçük etkileşimlerden (elektrostatik, Van der Waals kuvvetleri, hidrojen bağları vb.) Dolayı küresel bir şekle sahiptir.
Kimotripsin, özel membranlarda bulunduğu ve bağırsaktaki pankreas kanalından yiyeceklerin sindirimi sırasında atıldığı pankreas hücreleri tarafından üretilir: kimotripsin aslında bir sindirim enzimidir. Diyet yoluyla yediğimiz proteinler ve besinler, daha küçük zincirlere indirgenmek ve emilmek ve enerjiye dönüştürülmek üzere sindirilir (örneğin, amilaz ve proteaz, besinleri hücrelere ulaşan glikoz ve amino asitlere böler, Kan damarları yoluyla portal vene ulaşırlar ve oradan karaciğere taşınırlar ve daha ileri tedavilere tabi tutulurlar).
Enzimler aktif olmayan bir formda üretilir ve sadece “çalışması gereken yere” ulaştığında aktive edilir; eylemleri tamamlandıktan sonra devre dışı bırakılırlar. Bir kez devre dışı bırakılan bir enzim yeniden etkinleştirilemez: daha fazla katalitik etki için, başka bir enzim molekülü ile değiştirilmelidir. Eğer şemitripsin, zaten pankreasta aktif bir şekilde üretildiyse, ikincisine saldırır: pankreatit, zaten pankreasta aktive olan sindirim enzimleri nedeniyle (ve gerekli bölgelerde değil); bazıları tedavi edilmezse ölüme yol açar.
Kimotripsin'de ve bütün serin proteazlarda, katalitik etki, bir serin yan zincirinde alkolat anyonunun (-CH20-) varlığı nedeniyledir.
Serin proteazlar tam da bu adı alır, çünkü katalitik etkileri bir serindir.
Tüm enzim eylemini gerçekleştirdiğinde, substrat üzerinde tekrar kullanılmadan önce, su ile restore edilmelidir; Serinin su ile "serbest bırakılması", işlemin en yavaş aşamasıdır ve katalizin hızını belirleyen aşamadır.
Katalitik etki iki aşamada gerçekleşir:
- katalitik özelliklere sahip bir anyon oluşumu (bir alkolat anyon) ve ardından nükleofilik karbonil karbon (C = O), peptit bağının ayrılması ve ester oluşumu ile saldırır;
- Katalizörün restorasyonu ile su saldırısı (katalitik etkisini tekrar yapabilme).
Serin proteaz ailesine ait çeşitli enzimler farklı amino asitlerden oluşabilir, fakat herkes için katalitik bölge, bir serin yan zincirinin alkolik anyonuyla temsil edilir.
Serin proteazların bir alt ailesi, pıhtılaşmaya dahil olan enzimlerin (proteinin aktif olmayan formundan aktif olan başka bir forma dönüşümünü içerir) 'dir. Bu enzimler, pıhtılaşmayı mümkün olduğu kadar etkili kılar ve zaman ve mekanda sınırlıdır (pıhtılaşma hızlı bir şekilde gerçekleşmeli ve sadece yaralanan alanın yakınında gerçekleşmelidir). Pıhtılaşmaya dahil olan enzimler, kademeli olarak aktive edilir (tek bir enzimin aktivasyonundan milyarlarca enzim elde edilir: her bir enzim, diğer birçok enzimi aktive eder).
Tromboz, pıhtılaşma enzimlerinin kötü işleyişinden dolayı bir durumdur: pıhtılaşmada kullanılan enzimlerin gerekliliği olmadan (lezyon olmadığı için) aktivasyondan kaynaklanır.
Diğer enzimler için modülatör (düzenleyici) enzimler ve engelleyici enzimler vardır: bu enzimle etkileşime girerek aktivitesini düzenler veya inhibe eder; ayrıca bir enzimin ürünü, enzim için inhibitör olabilir. Ayrıca, mevcut substrat ne kadar fazla çalışan enzimler de vardır.
Lizozim
Luigi Pasteur, tesadüfen bir petri kabına hapşırdığını, mukusta bakterileri öldürebilen bir enzim olduğunu keşfetti: lizozim ; Yunanlılardan: liso = keser; zimo = enzim.
Lizozim, bakteri hücre duvarını kırabilir. Bakteriler ve genel olarak tek hücreli organizmalar, şekillerini sınırlayan mekanik olarak dirençli yapılara ihtiyaç duyarlar; Bakterilerin içinde çok yüksek ozmotik bir basınç var, bu yüzden su diyorlar. Plazma zarı, su girişine karşı çıkan ve bakteri hacmini sınırlayan hücre duvarı yoksa patlayabilir.
Hücre çeperi, N-asetil-glukozamin (NAG) ve N-asetil-muramik asit (NAM) moleküllerinin değiştiği bir polisakarit zincirinden; NAG ve NAM arasındaki bağlantı hidrolizle kopar. NAM'ın karboksil grubu, hücre duvarında, bir amino asit ile bir peptid bağına bağlanır.
Çeşitli zincirler arasında, köprüler yalancı peptid bağlarından oluşur: dallanma lizin molekülünden kaynaklanır; Bir bütün olarak yapı çok ramified ve bu ona yüksek bir stabilite derecesi verir.
Lizozim bir antibiyotiktir (bakterileri öldürür): bakteriyel duvarda bir çatlak yaparak etki eder; bu yapı kırıldığında (mekanik olarak dayanıklıdır), bakteri patlayana kadar su çeker. Lizozim, NAM ve NAG arasındaki glukosidik b-1, 4 bağını kırmayı başarır.
Lisozimin katalitik bölgesi, polisakarit zincirinin yerleştirildiği enzim boyunca uzanan bir yiv ile temsil edilir: zincirin altı glikozidik halkası, karıkta yerlerini bulur.
Karıklığın üçüncü pozisyonunda bir tıkanıklık var: bu pozisyona sadece bir NAG yerleştirilebilir, çünkü daha büyük olan NAM giremez. Gerçek katalitik bölge, dördüncü ve beşinci pozisyonlar arasındadır: üçüncü konumda bir NAG vardır, kesim bir NAM ile bir NAG arasında gerçekleşir (ve tersi olmaz); bu nedenle, kesim belirlidir.
Lizozimin işleyişi için optimal pH beş'tir. Enzimin katalitik bölgesinde, yani dördüncü ve beşinci konumlar arasında, bir aspartik asit ve bir glutamik asidin yan zincirleri vardır.
Homoloji derecesi : protein yapıları arasındaki akrabalık oranını (yani benzerliği) ölçer.
Lisozim ve laktoz sentaz arasında sıkı bir ilişki vardır.
Laktoz sentetaz laktozu sentezler (ana süt şekeridir): laktoz, galaktoz ve glikoz arasında bir β-1, 4 glikosidik bağın olduğu bir galaktosil glukozittir.
Bu nedenle, laktoz sentaz, lizozim tarafından katalize edilene zıt reaksiyonu katalize eder (bunun yerine, β-1, 4 glukosidik bağı parçalayan)
Laktoz sentaz, bir dimerdir, yani biri katalitik özelliklere sahip olan ve lizozim ile karşılaştırılabilir, diğeri düzenleyici bir alt birim olan iki protein zincirinden oluşur.
Hamilelik sırasında, glikoproteinler, meme bezinin hücrelerinden galatosiltransferazın etkisi ile sentezlenir (lizozim ile% 40'lık bir sekans homolojisine sahiptir): bu enzim, bir galaktosil grubunu yüksek enerjili bir yapıdan transfer edebilir bir glikoprotein yapısı. Hamilelik sırasında, galaktosisil transferazı kodlayan genin ifadesi indüklenir (ayrıca başka ürünler de veren başka genlerin ifadesi vardır): meme bezinde aktif olduğundan memenin boyutunda bir artış meydana gelir (daha önce aktif değil) hangi süt üretmeli. Doğum sırasında, düzenleyici bir protein olan a-laktalalbümin üretilir: galaktosiltransferazın katalitik kapasitesini düzenleyebilir (substrat ayırma için). A-laktalalbümin ile modifiye edilmiş galaktosil-transferaz, bir galaktosil'i bir glikoz molekülüne aktarabilir: bir β-1, 4 glikosidik bağ oluşturur ve laktoz (laktoz sentaz) verir.
Böylece, galaktoz transferaz doğumdan önce meme bezini hazırlar ve doğumdan sonra süt üretir.
Glikoproteinlerin üretilmesi için, galaktosiltransferaz bir galaktosil ve NAG'ye bağlanır; doğum sırasında, laktal albümin, galaktosiltransferaza bağlanır ve ikincisinin glukozu tanımasına ve artık NAG'ın laktoz vermesine neden olmaz.
