Enzymer

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 13 oktober 2021; kontroller kräver 22 redigeringar .

Enzymer (från latin  fermentum  "surdeg"), eller enzymer [1] (från grekiska ζύμη , ἔνζυμον " surdeg "), är vanligtvis komplexa proteinföreningar , RNA ( ribozymer ) eller deras komplex, som påskyndar kemiska reaktioner i levande system. Varje enzym, vikt till en specifik struktur, accelererar motsvarande kemiska reaktion : reaktanterna i en sådan reaktion kallas substrat , och de resulterande ämnena kallas produkter. Enzymer är specifika för substrat: ATP-as katalyserar endast klyvningen av ATP, och fosforylaskinas fosforylerar endast fosforylas [2] .

Enzymatisk aktivitet kan regleras av aktivatorer (ökning) och inhibitorer (minskning).

Proteinenzymer syntetiseras på ribosomer , medan RNA  syntetiseras i kärnan .

Termerna enzym och enzym har länge använts som synonymer : den första är huvudsakligen i rysk och tysk vetenskaplig litteratur, den andra - på engelska och franska.

Vetenskapen om enzymer kallas enzymologi , inte fermentologi (för att inte blanda ihop rötterna till latinska och grekiska ord).

Studiens historia

I slutet av XVIII - början. 1800-talet det var redan känt att kött smälts av magsaft , och stärkelse omvandlas till socker genom inverkan av saliv . Mekanismen för dessa fenomen var dock okänd [3] .

På 1800-talet Louis Pasteur , som studerade omvandlingen av kolhydrater till etylalkohol under inverkan av jäst , kom till slutsatsen att denna process ( jäsning ) katalyseras av en viss livskraft ( enzym ) som finns i jästceller, och han trodde att dessa "krafter" är oskiljaktiga från strukturen hos en levande celljäst. Denna synpunkt dominerade vetenskapen under lång tid [4] och stred mot den då rådande teorin om jäsning av J. Liebig , enligt vilken alla jäsningsprocesser framställdes som rent kemiska fenomen av katalytisk natur (som om alkoholjäsning inträffar) på grund av det faktum att molekylära vibrationer av sönderfallande partiklar jäst överförs till socker och socker börjar sönderdelas till alkohol och koldioxid, alltså orsakar jäst inte jäsning under livet, utan först efter dess död) [5] .

Olika synpunkter på karaktären av alkoholjäsning i den teoretiska tvisten mellan L. Pasteur , å ena sidan, och mekanikerna M. Berthelot och J. Liebig  , å andra sidan, ledde till att två motsvarande termer skiljdes åt i den vetenskapliga gemenskap. Egentligen började enzymer (från lat.  fermentum  - surdeg) kallas "organiserade enzymer", det vill säga de levande mikroorganismerna själva. I motsats till detta tillvägagångssätt föreslog W. Kuehne 1876 termen enzym (från grekiskan ἐν-  - in- och ζύμη  - jäst , surdeg, det vill säga "i jäst") för att hänvisa till "oorganiserade enzymer" som utsöndras av celler till exempel i magen ( pepsin ) eller tarmarna ( trypsin , amylas ).

Två år efter L. Pasteurs död 1897 publicerade E. Buchner verket "Alcoholic fermentation without yeast cells", där han experimentellt visade att cellfri jästjuice utför alkoholjäsning på samma sätt som oförstörda jästceller. 1907 tilldelades han Nobelpriset för detta arbete. Ett mycket renat kristallint enzym ( ureas ) isolerades först 1926 av J. Sumner . Under de följande 10 åren isolerades flera enzymer, och enzymernas proteinkaraktär bevisades slutligen.

RNA-katalytisk aktivitet upptäcktes först på 1980-talet i pre-rRNA av Thomas Check , som studerade RNA- skarvning i ciliatet Tetrahymena thermophila . Ribozymet visade sig vara en del av Tetrahymena pre-rRNA-molekylen som kodas av intronen av den extrakromosomala rDNA-genen; denna region utförde autosplicing, det vill säga den skar ut sig själv under rRNA-mognad.

Funktioner hos enzymer

Det finns två huvudsakliga sätt att öka hastigheten på en kemisk reaktion. Det första sättet är att öka temperaturen, det vill säga accelerationen av den termiska rörelsen av molekyler, vilket leder till en ökning av andelen molekyler som har tillräcklig intern energi för att nå övergångstillståndet. Som regel orsakar en ökning av temperaturen med 10 ° C en acceleration av en kemisk reaktion med ungefär 2 gånger (se van't Hoff-regeln ).

Det andra sättet att påskynda en kemisk reaktion är att tillsätta en katalysator. Katalysatorer påskyndar kemiska reaktioner genom att hitta "lösningar" som gör att molekyler kan övervinna aktiveringsbarriären på en lägre energinivå. Katalysatorn (betecknad med bokstaven K ) i mellanstadiet interagerar med reagens A för att bilda en ny komplex förening KA , vars övergångstillstånd motsvarar en betydligt lägre aktiveringsenergi jämfört med övergångstillståndet för reagens A i icke -katalyserad reaktion. Sedan sönderfaller reagens-katalysatorkomplexet ( CA ) till produkt P och en fri katalysator, som återigen kan kombineras med en annan molekyl A och upprepa hela cykeln. Det är på detta sätt som katalysatorer minskar aktiveringsenergin för en kemisk reaktion, i deras närvaro går en mycket större del av molekylerna i en given population in i en reaktion per tidsenhet. Enzymer, liksom andra katalysatorer, kombineras med sina substrat under den katalytiska cykeln [6] .

Enzymer finns i alla levande celler och bidrar till omvandlingen av vissa ämnen till andra. Enzymer fungerar som katalysatorer i nästan alla biokemiska reaktioner som förekommer i levande organismer. År 2013 har mer än 5000 olika enzymer beskrivits [7] [8] . De spelar en viktig roll i alla livsprocesser och styr och reglerar kroppens ämnesomsättning .

Liksom alla katalysatorer påskyndar enzymer både framåt- och bakåtreaktionerna genom att sänka processens aktiveringsenergi . I detta fall förskjuts den kemiska jämvikten inte vare sig framåt eller i motsatt riktning. En utmärkande egenskap hos enzymer jämfört med icke-proteinkatalysatorer är deras höga specificitet : bindningskonstanten för vissa substrat till ett protein kan nå 10–10 mol/l eller mindre. Varje enzymmolekyl är kapabel att utföra från flera tusen till flera miljoner "operationer" per sekund.

Till exempel, en molekyl av enzymet rennin , som finns i magslemhinnan hos en kalv, kurar omkring 106 mjölkkaseinogenmolekyler på 10 minuter vid en temperatur på 37 °C.

Samtidigt är effektiviteten hos enzymer mycket högre än effektiviteten hos icke-proteinkatalysatorer - enzymer accelererar reaktionen miljontals och miljarder gånger, icke-proteinkatalysatorer - hundratals och tusentals gånger. (se även Katalytiskt perfekt enzym )

Enzymnamnkonventioner

Vanligtvis är enzymer uppkallade efter den typ av reaktion de katalyserar, och lägger till suffixet -as till namnet på substratet ( till exempel är laktas  ett enzym som är involverat i omvandlingen av laktos ). Således kommer olika enzymer som utför samma funktion att ha samma namn, eller så har samma enzym två eller flera namn. Sådana enzymer kännetecknas av andra egenskaper, såsom optimalt pH ( alkaliskt fosfatas ) eller lokalisering i cellen (membran- ATPas ). Många enzymer har historiskt triviala namn som inte är relaterade till namnen på deras substrat, såsom pepsin och trypsin . På grund av dessa och andra svårigheter, samt på grund av det ständigt ökande antalet nyupptäckta enzymer, antogs ett internationellt avtal för att skapa en systematisk nomenklatur och klassificering av enzymer [9] .

Klassificering av enzymer

Beroende på typen av katalyserade reaktioner delas enzymer in i 7 klasser enligt den hierarkiska klassificeringen av enzymer ( EC , EC  - Enzyme Commission code). Klassificeringen föreslogs av International Union of Biochemistry and Molecular Biology ( International Union of Biochemistry and Molecular Biology ). Varje klass innehåller underklasser, så ett enzym beskrivs av en uppsättning av fyra siffror åtskilda med punkter. Till exempel har pepsin namnet EC 3.4.23.1. Den första siffran beskriver ungefär mekanismen för reaktionen som katalyseras av enzymet:

Det andra numret i enzymets namn återspeglar underklassen, det tredje - underklassen och det fjärde - serienumret på enzymet i dess underklass [11] .

Som katalysatorer accelererar alla enzymer både framåt- och bakåtreaktioner, därför kan till exempel lyaser katalysera den omvända reaktionen - tillägget av dubbelbindningar.

Kinetisk forskning

Den enklaste beskrivningen av kinetiken för enzymatiska reaktioner med ett substrat är Michaelis-Menten-ekvationen (se fig.).

Åren 1972-1973. den första kvantmekaniska modellen för enzymatisk katalys skapades (författarna M. V. Volkenshtein , R. R. Dogonadze, Z. D. Urushadze och andra) [12] [13] [14] [15] . Antag att enzymkoncentrationen är konstant och det är nödvändigt att mäta effekten av att ändra substratkoncentrationen på den initiala hastigheten för den enzymatiska reaktionen. Vid mycket låga substratkoncentrationer är reaktionshastigheten mycket långsam, men ökar stadigt när substratkoncentrationen gradvis ökas. Emellertid blir ökningarna i hastigheten för den katalytiska reaktionen mindre och mindre med varje ökning av koncentrationen av substratet. Slutligen kommer det ett ögonblick då varje ökning av koncentrationen av substratet endast orsakar en oändligt liten acceleration av reaktionen: oavsett hur koncentrationen av substratet ökar, kan reaktionshastigheten bara närma sig en platå, men aldrig nå den. På denna platå, som kallas den maximala reaktionshastigheten ( Vmax ), är enzymet mättat med substrat och kan inte fungera snabbare. Denna mättnadseffekt är karakteristisk för nästan alla enzymer.

Värdet på V max kan bestämmas från den presenterade grafen genom approximation. En exakt bestämning i detta fall är omöjlig, eftersom när koncentrationen av substratet ökar, närmar sig den initiala reaktionshastigheten endast Vmax , men når den aldrig . Substratkoncentrationen vid vilken reaktionshastigheten är hälften av maximum (indikerad som ½ V max i grafen ) är Michaelis-Menten-konstanten ( KM ) . Det kan bestämmas antingen från grafen, också genom approximation, eller genom algebraiska transformationer av Michaelis-Mentens ekvation [16] .

Enzymers struktur och verkningsmekanism

Aktiviteten hos enzymer bestäms av deras tre- och fyrdimensionella struktur [17] .

Liksom alla proteiner syntetiseras enzymer som en linjär kedja av aminosyror som viker sig på ett specifikt sätt. Varje aminosyrasekvens veck på ett specifikt sätt, och den resulterande molekylen ( proteinkula ) har unika egenskaper. Flera proteinkedjor kan kombineras för att bilda ett proteinkomplex . De tertiära och kvartära strukturerna hos proteiner förstörs av värme, pH- förändringar eller exponering för vissa kemikalier.

Hittills har flera mekanismer för enzymverkan beskrivits. En enkel enzymatisk reaktion kan involvera endast en molekyl av substrat C, som binder till enzym F för att bilda produkt P:

S + F → F S → P + F .

Men i många enzymatiska reaktioner av metabolism deltar två, och ibland till och med tre molekyler av olika substrat, och binder till enzymet. Sådana reaktioner involverar vanligtvis överföring av en atom eller funktionell grupp från ett substrat till ett annat. Sådana reaktioner kan fortgå genom två olika mekanismer. I reaktioner av den första typen, kallade singelsubstitutionsreaktioner , binder två substrat C 1 och C 2 till F -enzymet antingen specifikt eller slumpmässigt för att bilda ett F C 1 C 2 -komplex , som sedan sönderdelas till produkterna P 1 och P 2 :

C 1 + C 2 + F → F C 1 C 2 → P 1 + P 2 + F.

Den andra klassen av tvåsubstratreaktioner består av reaktioner som sker genom den dubbla substitutionsmekanismen (mekanism av pingistyp):

C 1 X + C 2 + F → F C 1 X C 2 → P 1 + P 2 X + F.

I dessa reaktioner är endast ett av de två substraten bundet till enzymets katalytiska centrum vid en given tidpunkt. Fästningen av det första substratet åtföljs av överföringen av dess funktionella grupp till enzymmolekylen. Först efter avlägsnandet av produkten som bildas från det första substratet kan det andra substratet binda till enzymet och acceptera en funktionell grupp [18] .

Aktiv plats för enzymer

Studiet av mekanismen för en kemisk reaktion katalyserad av ett enzym, tillsammans med bestämningen av mellan- och slutprodukter i olika skeden av reaktionen, innebär en noggrann kunskap om geometrin hos enzymets tertiära struktur, arten av den funktionella grupper av dess molekyl , vilket ger specificitet av verkan och hög katalytisk aktivitet på ett givet substrat , såväl som den kemiska naturen hos platsen (ställena) för enzymmolekylen, vilket ger en hög hastighet av den katalytiska reaktionen. Typiskt är substratmolekyler involverade i enzymatiska reaktioner relativt små jämfört med enzymmolekyler. Under bildandet av enzym-substratkomplex kommer alltså endast begränsade fragment av aminosyrasekvensen i polypeptidkedjan i direkt kemisk interaktion - det "aktiva centret" - en unik kombination av aminosyrarester i enzymmolekylen, som ger direkt interaktion med substratmolekylen och direkt deltagande i katalyshandlingen [19] .

Det aktiva centret särskiljs villkorligt [19] :

För att katalysera en reaktion måste ett enzym binda till ett eller flera substrat. Enzymets proteinkedja är veckad på ett sådant sätt att ett gap, eller fördjupning, bildas på ytan av kulan, där substraten binder. Denna region kallas substratbindningsstället. Vanligtvis sammanfaller det med den aktiva platsen för enzymet eller ligger nära det. Vissa enzymer innehåller även bindningsställen för kofaktorer eller metalljoner.

Enzymet binder till substratet:

Vanligtvis sker bindningen av ett enzym till ett substrat på grund av jon- eller vätebindningar, sällan på grund av kovalenta bindningar. I slutet av reaktionen separeras dess produkt (eller produkter) från enzymet.

Som ett resultat sänker enzymet reaktionens aktiveringsenergi. Detta beror på att i närvaro av enzymet fortsätter reaktionen längs en annan väg (i själva verket sker en annan reaktion), till exempel:

I frånvaro av ett enzym:

A+B = AB

I närvaro av ett enzym:

  1. A+F = AF
  2. AF+V = AVF
  3. AVF \u003d AV + F

där A, B är substrat, AB är reaktionsprodukten, F är enzymet.

Enzymer kan inte tillhandahålla energi för endergoniska reaktioner (som kräver energi) på egen hand. Därför kopplar enzymerna som utför sådana reaktioner dem med exergoniska reaktioner som fortsätter med frigörandet av mer energi. Till exempel är biopolymersyntesreaktioner ofta kopplade till ATP -hydrolysreaktionen .

De aktiva centran för vissa enzymer kännetecknas av fenomenet kooperativitet .

Specificitet

Enzymer uppvisar vanligtvis hög specificitet för sina substrat (substratspecificitet). Detta uppnås genom partiell komplementaritet av formen, laddningsfördelningen och hydrofoba regioner på substratmolekylen och vid substratets bindningsställe på enzymet. Enzymer uppvisar också vanligtvis höga nivåer av stereospecificitet (bildar endast en av de möjliga stereoisomererna som en produkt eller använder bara en stereoisomer som substrat), regioselektivitet (bildar eller bryter en kemisk bindning i endast en av de möjliga positionerna av substratet) och kemoselektivitet (katalyserar endast en kemisk reaktion) av flera möjliga tillstånd för dessa tillstånd). Trots den generella höga specificitetsnivån kan graden av substrat och reaktionsspecificitet för enzymer vara olika. Till exempel bryter endopeptidaset trypsin bara en peptidbindning efter arginin eller lysin , såvida de inte följs av en prolin, och pepsin är mycket mindre specifikt och kan bryta en peptidbindning efter många aminosyror.

Nyckellåsmodell

1890 föreslog Emil Fischer att enzymernas specificitet bestäms av den exakta överensstämmelsen mellan enzymets form och substratet [20] . Detta antagande kallas lås-och-nyckel-modellen. Enzymet binder till substratet för att bilda ett kortlivat enzym-substratkomplex. Men även om denna modell förklarar enzymernas höga specificitet, förklarar den inte fenomenet med stabilisering av övergångstillstånd som observeras experimentellt.

Modellen för inducerad passform

1958 föreslog Daniel Koshland en modifiering av "handske"-modellen [21] . Enzymer är i allmänhet inte stela, utan flexibla molekyler. Det aktiva stället för ett enzym kan ändra konformation efter bindning av substratet. Sidogrupperna i aminosyrorna på det aktiva stället intar en position som gör att enzymet kan utföra sin katalytiska funktion. I vissa fall ändrar substratmolekylen också konformation efter bindning till det aktiva stället. I motsats till nyckellåsmodellen förklarar den inducerade passformsmodellen inte bara enzymernas specificitet, utan också stabiliseringen av övergångstillståndet. Denna modell kallades "hand-handsken".

Ändringar

Många enzymer genomgår modifieringar efter syntesen av proteinkedjan, utan vilka enzymet inte visar sin aktivitet i full utsträckning. Sådana modifieringar kallas post-translationella modifieringar (bearbetning). En av de vanligaste typerna av modifiering är tillägget av kemiska grupper till sidoresterna av polypeptidkedjan. Till exempel kallas tillsatsen av en fosforsyrarest fosforylering och katalyseras av enzymet kinas . Många eukaryota enzymer är glykosylerade, d.v.s. modifierade med kolhydratoligomerer.

En annan vanlig typ av posttranslationella modifieringar är polypeptidkedjeklyvning. Till exempel erhålls kymotrypsin ( ett proteas involverat i matsmältningen ) genom att klyva en polypeptidregion från kymotrypsinogen. Kymotrypsinogen är en inaktiv prekursor till kymotrypsin och syntetiseras i bukspottkörteln , och därifrån transporteras den till tolvfingertarmen , där denna inaktiva form aktiveras av trypsin och omvandlas till kymotrypsin.

Enzymkofaktorer

Vissa enzymer utför den katalytiska funktionen på egen hand, utan några ytterligare komponenter. Det finns emellertid enzymer som kräver icke-proteinkomponenter för katalys. Kofaktorer kan vara antingen oorganiska molekyler (metalljoner, järn-svavelkluster, etc.) eller organiska (till exempel flavin eller hem ). Organiska kofaktorer som är starkt associerade med enzymet kallas även protesgrupper. Organiska kofaktorer som kan separeras från enzymet kallas koenzymer.

Ett enzym som kräver en kofaktor för att uppvisa katalytisk aktivitet, men som inte är bundet till det, kallas ett apo-enzym. Ett apo-enzym i kombination med en kofaktor kallas ett holo-enzym. De flesta av kofaktorerna är associerade med enzymet genom icke-kovalenta men ganska starka interaktioner. Det finns även protesgrupper som är kovalent kopplade till enzymet, såsom tiaminpyrofosfat i pyruvatdehydrogenas.

Inverkan av miljöförhållanden på enzymers aktivitet

Aktiviteten hos enzymer beror på förhållandena i cellen eller organismen - tryck, miljöns surhet, temperatur, koncentration av lösta salter (lösningens jonstyrka) etc.

Enzymreglering

Enzymaktiviteten är inte konstant över tiden. De reagerar känsligt på den situation som cellen befinner sig i, på de faktorer som påverkar den både utifrån och inifrån. Huvudmålet med sådan känslighet hos enzymer är att svara på miljöförändringar, anpassa cellen till nya förhållanden, ge ett korrekt svar på hormonella och andra stimuli och i vissa situationer få en chans att överleva [22] .

Hämning

Verkan av de flesta enzymer kan undertryckas eller hämmas av vissa kemikalier. Verkningsmekanismen för vissa läkemedel är just att de hämmar vissa enzymer i celler med nedsatt funktion.

Det finns två huvudtyper av inhibitorer: irreversibla och reversibla. Reversibla inhibitorer binder till enzymet genom svaga icke-kovalenta bindningar och, under vissa förhållanden, separeras lätt [23] . Irreversibla inhibitorer binder eller förstör den funktionella gruppen i enzymmolekylen. Till exempel, diisopropylfluorofosfat (DPP, ett av de första nervmedlen) fäster till OH-gruppen i en serinrest på det aktiva stället för acetylkolinesteras, som spelar en viktig roll vid överföring av nervimpulser, och enzymet slutar fungera. DPP kan hämma en hel klass av enzymer som katalyserar hydrolysen av peptider eller esterbindningar, som förutom acetylkolinesteras inkluderar trypsin , kymotrypsin, elastas, fosfoglukomutas och kokonas (ett enzym som utsöndras av silkeslarven för att hydrolysera silkestråden). och frigörs från kokongen). En karakteristisk egenskap hos alla dessa enzymer är närvaron av en serinrest i det aktiva centret. En annan irreversibel hämmare, jodacetamid, kan interagera med SH-grupperna av cysteinrester eller med imidazolgrupperna i histidinrester som finns i de aktiva platserna i en annan serie enzymer.

Reversibla inhibitorer är konkurrenskraftiga, icke-konkurrenskraftiga och icke-konkurrenskraftiga till sin natur. En kompetitiv hämmare konkurrerar med substratet för bindning till det aktiva stället, men till skillnad från substratet genomgår inte en enzymbunden kompetitiv hämmare enzymatisk omvandling. En utmärkande egenskap hos kompetitiv hämning är att den kan försvagas eller helt elimineras genom att helt enkelt öka koncentrationen av substratet. I sin tredimensionella struktur liknar kompetitiva inhibitorer vanligtvis substratet för ett givet enzym. På grund av denna likhet "lurar" de enzymet och binder till det. Ett klassiskt exempel är hämningen av succinatdehydrogenas av malonsyraanjonen ( -OOC - CH 2 -COO- ) , som liknar succinat ( -OOC - CH 2 -CH 2 -COO  = 7,0 joniserad (deprotonerad) form, men innehåller 3 , inte 4 kolatomer. Succinatdehydrogenas kan inte avlägsna väte från malonat, men malonat upptar enzymets aktiva ställe, vilket hindrar det från att interagera med ett normalt substrat. Att öka koncentrationen av succinat vid en fast koncentration av malonat minskar graden av enzymhämning. Oxaloacetat ( −OOC –CO– CH2 – COO– ) fungerar också som en kompetitiv hämmare av succinatdehydrogenas .

Vid icke-kompetitiv hämning fäster substansen till enzymet inte i det aktiva centret, utan på en helt annan plats, men i detta fall förändras enzymmolekylens konformation på ett sådant sätt att dess katalytiska centrum är reversibelt inaktiverad. Icke-konkurrerande inhibitorer binder reversibelt till både det fria enzymet och enzym-substratkomplexet, och bildar inaktiva enzym-inhibitor- och enzym-substrat-inhibitor-komplex. De viktigaste icke-konkurrerande hämmarna är metaboliska intermediärer som bildas i levande organismer som reversibelt kan binda till specifika platser på ytan av regulatoriska enzymer. Ett exempel är hämningen av L-treonindehydratas av L-isoleucin [24] .

Vid inkompetitiv hämning binder hämmaren endast till enzym-substratkomplexet, men inte till det fria enzymet. Substratet, som binder till enzymet, ändrar sin konformation, vilket gör det möjligt att binda till inhibitorn. Inhibitorn ändrar i sin tur enzymets konformation på ett sådant sätt att ytterligare katalys blir omöjlig.

Den metaboliska vägen är en kedja av successiva enzymatiska reaktioner. I vissa fall binder molekyler av slutprodukten av den metaboliska vägen till enzymet som producerade dem och förhindrar ytterligare bildning av samma produkt, så slutprodukten kan också vara en hämmare av enzymet. Denna situation är ett särskilt fall av okonkurrensmässig hämning. Som regel talar vi i sådana fall om att blockera den allra första reaktionen av denna metaboliska väg. Om det finns för mycket av slutprodukten, fungerar det som en hämmare för det allra första enzymet, och om slutprodukten efter detta blir för liten, aktiveras det första enzymet igen (produkterna från den metaboliska vägen i detta fall själva visar sig vara substrat). Så hämning av slutprodukten skapar möjlighet till negativ återkoppling  , ett viktigt sätt att upprätthålla homeostas (den relativa konstantheten av förhållandena i den inre miljön i kroppen), och denna typ av reglering kallas återkopplingsinhibering , eller retroinhibition . Ett klassiskt exempel på sådan hämning är det bakteriella enzymsystemet som katalyserar omvandlingen av L-treonin till L-isoleucin under påverkan av treonindehydratas, en process som inkluderar 5 enzymatiska reaktioner. Treonindehydratas hämmas av produkten från den sista reaktionen, isoleucin, och isoleucin binder inte till enzymets substratcentrum, utan till ett annat specifikt ställe av dess molekyl, som kallas det regulatoriska centrumet . Denna interaktion åtföljs inte av bildningen av starka kovalenta bindningar och är därför lätt reversibel. Ingen av intermediärerna i denna reaktionskedja hämmar treonindehydratas, och inget av de andra enzymerna i kedjan hämmas av isoleucin, så det kan klassificeras som en mycket specifik hämmare av treonindehydratas [25] .

Aktivering

I många situationer blir verkan av enzymer nödvändig för att öka, det vill säga för att aktivera enzymerna. Aktivatorer är olika ämnen av organisk och oorganisk natur som ökar hastigheten för enzymatiska reaktioner.

Exempel på organiska aktivatorer: gallsyror (aktiverar pankreaslipas), enterokinas (aktiverar trypsinogen), glutation, cystein, vitamin C (ökar aktiviteten av oxidoreduktaser), vissa vävnadsenzymer (oxidoreduktaser, katepsiner, arginas, växtproteinas, etc.) en stor del aktiveras av föreningar som innehåller fria SH-grupper (glutation, cystein).

Exempel på oorganiska aktivatorer: HCl aktiverar pepsinogen, metalljoner (Na + , Cl - , K + , Mg 2+ , Mn 2+ , Zn 2+ ) aktiverar många enzymer, eftersom:

  1. främja bildningen av ett enzym-substratkomplex;
  2. tjäna som donatorer och acceptorer av elektroner;
  3. delta i bildandet av det aktiva centret av enzymer (Zn 2+  - i sammansättningen av karbanhydras, Fe 2+  - i sammansättningen av cytokromer , katalas , peroxidas);
  4. fungera som allosteriska regulatorer (från grekiskan ἄλλος  - "annan", στερεός  - "plats"; regulatorns effekt inträffar på ett specifikt regleringscentrum av enzymet, vilket förändrar substratcentrets affinitet till substratet på grund av en förändring i konformationen av hela molekylen) [26] [27] .

Joner av tvåvärda och, mer sällan, envärda metaller fungerar särskilt ofta som aktivatorer. Bevis har erhållits att ungefär en fjärdedel av alla kända enzymer kräver närvaro av metaller för att uppvisa full katalytisk aktivitet, utan vilken många enzymer blir inaktiva. Så när zink avlägsnas förlorar kolsyraanhydras (karboanhydras), som katalyserar biosyntesen och nedbrytningen av H 2 CO 3 , praktiskt taget sin enzymatiska aktivitet; dessutom kan zink inte ersättas med någon annan metall. Kända enzymer, vars verkan aktiveras av joner av flera metaller; i synnerhet aktiveras enolas av Mg2 + , Mn2 + , K + . I vissa fall fungerar metalljoner (Co 2+ , Mg 2+ , Zn 2+ , Fe 2+ ) som protesgrupper av enzymer, eller fungerar som elektronacceptorer och donatorer, eller fungerar som elektrofiler eller nukleofiler, vilket håller de reaktiva grupperna i önskad orientering. I andra fall bidrar de till bindningen av substratet till det aktiva stället och bildandet av ett enzym-substratkomplex. Till exempel säkerställer Mg2 +-joner , genom en negativt laddad fosfatgrupp, bindningen av monofosfatestrar av organiska ämnen till det aktiva centret av fosfataser som katalyserar hydrolysen av dessa föreningar. Ibland kombineras metallen med substratet och bildar ett riktigt substrat, som påverkas av enzymet. I synnerhet aktiverar Mg 2+-joner kreatinfosfokinas på grund av bildandet av ett riktigt substrat - magnesiumsaltet av ATP. Slutligen finns det experimentella bevis på direkt deltagande av metaller (till exempel Ca 2+-joner i salivamylasmolekylen) i bildningen och stabiliseringen av det aktiva centret och hela den tredimensionella strukturen av enzymmolekylen. Det bör också noteras att metaller ofta fungerar som allosteriska modulatorer (effektorer). Genom att interagera med det allosteriska centret främjar en sådan effektor bildandet av den mest gynnsamma rumsliga konfigurationen av enzymet och det aktiva enzym-substratkomplexet.

Anjoner vid fysiologiska koncentrationer är vanligtvis ineffektiva eller har liten aktiverande effekt på enzymer. Undantagen är pepsin, vissa anjonaktiverade oxidoreduktaser, samt salivamylas, som katalyserar stärkelsehydrolys, vars aktivitet ökar under inverkan av Cl-joner , och adenylatcyklas, som aktiveras av halogenanjoner [28] [29] .

Kovalent modifiering

Det finns representanter för klassen av regulatoriska enzymer där övergången av den aktiva formen till den inaktiva sker genom kovalent modifiering av enzymmolekylen. Denna klass inkluderar till exempel glykogenfosforylas från muskler och lever, som katalyserar reaktionen av klyvning av glukos från glykogen:

(Glykogen) n  + Fosfat → (Glykogen) n-1  + Glukos-1-fosfat → Mjölksyra (muskel) eller Glukos (lever)

Glykogenfosforylas finns i två former: fosforylas  a (aktiv form) och fosforylas  b (relativt inaktiv form). Fosforylas  a är en dimer som består av två identiska subenheter, var och en med en specifik serinrest fosforylerad vid hydroxylgruppen. Dessa fosfoserinrester krävs för maximal enzymaktivitet. Dessa serinfosfatgrupper kan avlägsnas av ett enzym som kallas fosforylasfosfatas , vilket producerar fosforylas  b , som katalyserar nedbrytningen av glykogen mycket mindre aktivt. Således omvandlas den aktiva formen av glykogenfosforylas till en relativt inaktiv form genom klyvning av två kovalenta bindningar mellan fosforsyrarester och två specifika serinrester i enzymmolekylen.

Fosforylas  b kan återaktiveras igen, d.v.s. bli aktivt fosforylas  a . Denna reaktion utförs av ett annat enzym som kallas fosforylaskinas , som katalyserar överföringen av fosfatgrupper från ATP till hydroxylgrupperna i specifika serinrester i fosforylas  b .

Således regleras nedbrytningen av glykogen i skelettmuskulaturen och levern genom att ändra de kvantitativa förhållandena mellan de aktiva och inaktiva formerna av enzymet. Övergången från en form till en annan åtföljs av förändringar i enzymets kvartära struktur, vilket också påverkar dess katalytiska centrum.

Även om regleringen av enzymers verkan genom deras kovalenta modifiering i de flesta kända fall utförs genom fosforylering och defosforylering av specifika serinrester, som just beskrivits i exemplet med glykogenfosforylas, finns det andra sätt att kovalent modifiera enzymer, t.ex. metylering av vissa aminosyrarester, bindning av adenylatgrupper till dem och andra sätt.

Vissa mer komplexa regulatoriska enzymer moduleras av kovalenta och icke-kovalenta mekanismer. Sådana enzymer katalyserar reaktioner som är de viktigaste stegen i metabolismen, så de interagerar med en mängd olika regulatoriska metaboliter som utför både allosterisk och kovalent modifiering av dessa enzymer. Det nyss diskuterade glykogenfosforylaset tillhör också sådana enzymer, eftersom förutom kovalent modifiering är dess icke-kovalenta (allosteriska) interaktion med adenylat, som är en aktiverande modulator av fosforylas  b , också möjlig . Ett annat exempel är E. coli glutaminsyntetas , ett av de mest komplexa regulatoriska enzymerna som interagerar med många allosteriska regulatorer och även regleras av reversibel kovalent modifiering [30] .

Flera former av enzymer

De multipla formerna av enzymer kan delas in i två kategorier:

  • Isoenzymer.
  • Egna pluralformer (sant).

Isoenzymer  är enzymer vars syntes kodas av olika gener, de har olika primära strukturer och olika egenskaper, men de katalyserar samma reaktion. Typer av isoenzymer:

  • Organiska - enzymer av glykolys i levern och musklerna ( hexokinas ).
  • Cellulärt - cytoplasmatiskt och mitokondriellt malatdehydrogenas (enzymer är olika, men katalyserar samma reaktion).
  • Hybrid - enzymer med en kvartär struktur, bildas som ett resultat av icke-kovalent bindning av individuella subenheter ( laktatdehydrogenas  - 4 subenheter av 2 typer).
  • Mutanter bildas som ett resultat av en enda mutation av en gen.
  • Alloenzymer kodas av olika alleler av samma gen.

Egentligen är flera former (sanna) enzymer vars syntes kodas av samma allel av samma gen, de har samma primära struktur och egenskaper, men efter syntes på ribosomer genomgår de modifiering och blir olika, även om de katalyserar samma reaktion .

Isoenzymer är olika på genetisk nivå och skiljer sig från den primära sekvensen, och de sanna multipla formerna blir olika på den posttranslationella nivån.

Utvecklingen av enzymer

Liksom alla andra proteiner förändras enzymer över tiden genom mutationer och sekvensfel. Med tanke på deras centrala roll i ämnesomsättningen spelar utvecklingen av enzymer en avgörande roll i anpassningen av organismer. Nyckelfrågan är om enzymer kan ändra sin enzymatiska aktivitet samtidigt och hur detta sker. Det är allmänt accepterat att många nya enzymatiska aktiviteter har utvecklats som ett resultat av genduplicering och mutation av duplikat, även om utveckling kan ske utan duplicering. Ett exempel på ett enzym som har ändrat sin aktivitet är förfadern till metionylaminopeptidas (MAP) och kreatinamidinohydrolas (kreatinas), som är tydligt homologa men katalyserar olika reaktioner (MAP tar bort det aminoterminala metioninet i nya proteiner, medan kreatinas hydrolyserar kreatin till sarkosin och urea ). Dessutom är MAP beroende av metalljoner medan kreatinas inte är det, därför har även denna egenskap gått förlorad med tiden [31] . Små förändringar i enzymaktivitet är extremt vanliga bland enzymer. I synnerhet kan bindningsspecificiteten för ett substrat ändras enkelt och snabbt genom att ändra individuella aminosyror vid substratets bindningsställen. Detta ses ofta i större klasser av enzymer som kinaser .

Artificiell (in vitro) evolution används nu i stor utsträckning för att ändra aktiviteten eller specificiteten hos enzymer för deras industriella tillämpningar.

Praktisk användning

Enzymer används i stor utsträckning i den nationella ekonomin - livsmedel, jordbruk, textilindustrin, inom farmakologi och medicin. De flesta läkemedel påverkar förloppet av enzymatiska processer i kroppen, startar eller stoppar vissa reaktioner.

Medicinsk betydelse

Förhållandet mellan enzymer och ärftliga metabola sjukdomar etablerades först av A. Garrod på 1910-talet. Garrod kallade sjukdomar associerade med enzymdefekter "medfödda fel i ämnesomsättningen."

Om en mutation inträffar i genen som kodar för ett visst enzym, kan enzymets aminosyrasekvens förändras. Samtidigt, som ett resultat av de flesta mutationer, minskar eller försvinner dess katalytiska aktivitet helt. Om en organism får två av dessa mutanta gener (en från varje förälder), upphör den kemiska reaktionen som katalyseras av det enzymet att fortsätta i organismen. Till exempel är utseendet av albinos förknippat med upphörandet av produktionen av tyrosinasenzymet, som är ansvarigt för ett av stegen i syntesen av det mörka pigmentet melanin . Fenylketonuri är associerad med minskad eller frånvarande aktivitet av enzymet fenylalanin-4-hydroxylas i levern.

För närvarande är hundratals ärftliga sjukdomar associerade med enzymdefekter kända. Metoder för behandling och förebyggande av många av dessa sjukdomar har utvecklats.

Enzymer används vid diagnos av sjukdomar genom kvantitativ bestämning av själva enzymerna i biologiska vätskor i patologi.

Det finns en stor koncentrationsgradient av enzymer mellan intracellulära och extracellulära delar av kroppen. Därför leder alla, även mindre, skador på celler (ibland funktionella störningar) till frisättning av enzymer i det extracellulära utrymmet, varifrån de kommer in i blodet. En ökning av nivån av intracellulära enzymer i blodplasma beror direkt på arten av den skadliga effekten, verkans varaktighet och graden av skada på cellbiomembran och subcellulära strukturer i organ [32] .

Industriella applikationer

Riktning Använda enzymer Ansökan
biobränsleindustrin Cellulaser Nedbrytning av cellulosa till sockerarter som kan fermenteras för att producera cellulosahaltig etanol.
Ligninaser Förbehandling av biomassa för produktion av biobränsle [33] .
biologiskt tvättmedel Proteaser , amylaser , lipaser Borttagning av protein-, stärkelse-, fett- eller oljefläckar från linne och disk [34] .
Mannanas Ta bort matfläckar från guargummi.
bryggeriindustrin Amylas , glukanas, proteas Nedbrytning av polysackarider och proteiner i malt [35] .
betaglukanas Förbättring av filtreringsegenskaperna hos vört och öl [35] .
Amyloglucosidas och pullulanaser Produktion av lågkaloriöl och reglering av jäsning [35] .
Acetolaktatdekarboxylas (ALDC) Öka jäsningseffektiviteten genom att minska diacetyl [36] .
Kulinarisk användning Papain Mörning av kött för matlagning [37] .
Mejeriindustrin rennin Proteinhydrolys vid osttillverkning.
Lipaser Tillverkning av camembertost och ädelostar som Roquefort.
livsmedelsindustrin Amylas Produktion av socker från stärkelse , till exempel när man gör majssirap med hög fruktoshalt .
Proteaser Minska nivån av protein i mjöl för att göra kex.
trypsin Tillverkning av hypoallergen barnmat.
Cellulaser, pektinaser Rening av fruktjuicer.
Molekylärbiologi Nukleaser , DNA-ligas och polymeraser Användningen av restriktionsenzymer och PCR för att skapa rekombinant DNA.
pappersindustrin Xylanaser, hemicellulaser och ligninperoxidaser Avlägsnande av lignin från kraftpapper [38] .
Personlig hygien Proteaser Borttagning av proteiner från kontaktlinser för att förhindra infektioner.

Anteckningar

  1. ↑ Enzymes // Encyclopedic Dictionary of Brockhaus and Efron  : i 86 volymer (82 volymer och ytterligare 4). - St Petersburg. 1890-1907.
  2. ↑ Berg, Jeremy M. (Jeremy Mark), 1958-. biokemi . — 5:e uppl. - New York: WH Freeman, 2002. - 1 volym (olika sidor) sid. — ISBN 0716749556 . Arkiverad 27 oktober 2007 på Wayback Machine
  3. ↑ Williams, Henry Smith, 1863-1943. En vetenskapshistoria: i fem volymer. Volym IV: Modern utveckling av de kemiska och biologiska vetenskaperna . Hämtad 7 juli 2006. Arkiverad från originalet 9 maj 2012.
  4. ↑ Lehninger, 1985 , sid. 227.
  5. ↑ Uppfattningar om jäsningar före Pasteur . Hämtad 4 april 2015. Arkiverad från originalet 9 april 2015.
  6. ↑ Lehninger, 1985 , sid. 231.
  7. ↑ ENZYME Enzymnomenklaturdatabas . Hämtad 25 april 2013. Arkiverad från originalet 28 april 2013.
  8. ↑ Bairoch A. ENZYME-databasen i 2000 Nucleic Acids Res 28:304-305(2000). Arkiverad 1 juni  2011 på Wayback  Machine _
  9. ↑ Lehninger, 1985 , sid. 229.
  10. ↑ International Union of Biochemistry and Molecular Biology. En ny klass av enzymer: translokaser. . IUBMB NEWS (augusti 2018). Hämtad 13 november 2018. Arkiverad från originalet 14 november 2018.
  11. ↑ Lehninger, 1985 , sid. 230.
  12. ↑ Volkenshtein M. V., Dogonadze R. R., Madumarov A. K., Urushadze Z. D., Kharkats Yu. I. On theory of enzymatic catalysis.- Molecular Biology, vol. 3, 1972, art. 431-439
  13. ↑ Volkenshtein M.V., Dogonadze R.R., Madumarov A.K., Urushadze Z.D., Kharkats Yu.I. Electron-conformational interactions in enzymatic catalysis.- lör. "Konformationsförändringar i biopolymerer i lösningar", förlag "Nauka", Moskva, 1972
  14. ↑ Urushadze Z. D., Khidureli V. K. Kvantberäkning av kinetiken för den elementära handlingen av biokemiska reaktioner .- lör. "Biochemistry of plants", v.1, förlag "Metsniereba", Tbilisi, 1973
  15. ↑ Urushadze Z. Om ett verkligt konceptuellt ramverk för enzymkatalys - Bull. Georg. Natl. Acad. Sc., vol. 173, nr 2, Tbilisi, 2006, s. 421-424
  16. ↑ Lehninger, 1985 , sid. 231-232.
  17. ↑ Anfinsen CB Principer som styr veckningen av proteinkedjor.  (engelska)  // Science (New York, NY). - 1973. - 20 juli ( vol. 181 , nr 4096 ). - S. 223-230 . - doi : 10.1126/science.181.4096.223 . — PMID 4124164 .
  18. ↑ Lehninger, 1985 , sid. 238.
  19. ↑ 1 2 Berezov T. T., Korovkin B. F. Biologisk kemi: Lärobok / Pod. ed. acad. USSR Academy of Medical Sciences S. S. Debova. - 2:a upplagan, reviderad. och tillägg - M .: Medicin, - 1990. - 528 s., P 99-102. ISBN 5-225-01515-8
  20. ↑ Fischer E. "Einfluss der Configuration auf die Wirkung der Enzyme" Ber. Dt. Chem. Ges. 1894, v. 27, ss. 2985-2993.
  21. ↑ Koshland DE Tillämpning av en teori om enzymspecificitet på proteinsyntes.  (engelska)  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States Of America. - 1958. - Februari ( vol. 44 , nr 2 ). - S. 98-104 . - doi : 10.1073/pnas.44.2.98 . — PMID 16590179 .
  22. ↑ Enzymaktivitet i cellen . Hämtad 12 juli 2021. Arkiverad från originalet 12 juli 2021.
  23. ↑ Biokemi (otillgänglig länk) . Hämtad 4 april 2015. Arkiverad från originalet 23 september 2015. 
  24. ↑ Lehninger, 1985 , sid. 243-246.
  25. ↑ Lehninger, 1985 , sid. 257-259.
  26. ↑ Lehninger, 1985 , sid. 258.
  27. ↑ Enzymaktivatorer och -hämmare "Murzim . Hämtad 4 april 2015. Arkiverad 10 april 2015.
  28. ↑ Berezov T. T., Korovkin B. F. Biologisk kemi: Lärobok - 3:e upplagan, reviderad. och ytterligare .. - M . : Medicin, 1998. - 704 sid. — ISBN 5-225-02709-1 .
  29. ↑ Enzymaktivering och -hämning . Hämtad 4 april 2015. Arkiverad från originalet 9 april 2015.
  30. ↑ Lehninger, 1985 , sid. 263-264.
  31. ↑ Alexey G. Murzin. Kan homologa proteiner utveckla olika enzymatiska aktiviteter?  (engelska)  // Trends in Biochemical Sciences. — 1993-11. — Vol. 18 , iss. 11 . - S. 403-405 . - doi : 10.1016/0968-0004(93)90132-7 . Arkiverad från originalet den 5 augusti 2020.
  32. ↑ Popova T.N., Rakhmanova T.P., Popov S.S. Medicinsk enzymologi: Lärobok. - Voronezh: Publishing and Printing Center of Voronezh State University, 2008. - 64 sid.
  33. ↑ Hydrolys av lignocellulosamaterial för etanolproduktion: en recension  //  Bioresource Technology. - 2002-05-01. — Vol. 83 , iss. 1 . — S. 1–11 . — ISSN 0960-8524 . - doi : 10.1016/S0960-8524(01)00212-7 . Arkiverad från originalet den 5 augusti 2021.
  34. ↑ Ole Kirk, Torben Vedel Borchert, Claus Crone Fuglsang. Industriella enzymtillämpningar  (engelska)  // Current Opinion in Biotechnology. — 2002-08. — Vol. 13 , iss. 4 . — S. 345–351 . - doi : 10.1016/S0958-1669(02)00328-2 . Arkiverad från originalet den 5 augusti 2020.
  35. ↑ 1 2 3 D. E. Briggs. Malt och mältning . — 1:a uppl. - London: Blackie Academic, 1998. - xviiii [sic], 796 sidor sid. - ISBN 0-412-29800-7 , 978-0-412-29800-4.
  36. ↑ C. Dulieu, M. Moll, J. Boudrant, D. Poncelet. Förbättrade prestanda och kontroll av öljäsning med hjälp av inkapslat α-acetolaktatdekarboxylas och modellering  //  Bioteknologiska framsteg. - 2000-12-01. — Vol. 16 , iss. 6 . — S. 958–965 . — ISSN 8756-7938 . doi : 10.1021 / bp000128k .
  37. ↑ Ingredienser i köttprodukter: egenskaper, funktionalitet och tillämpningar . — New York: Springer, 2009. — 1 onlineresurs (x, 419 sidor) sid. - ISBN 978-0-387-71327-4 , 0-387-71327-1, 978-0-387-71326-7, 0-387-71326-3.
  38. ↑ P. Bajpai. Tillämpning av enzymer i massa- och pappersindustrin  //  Biotechnology progress. - 1999-04-05. — Vol. 15 , iss. 2 . — S. 147–157 . — ISSN 8756-7938 . doi : 10.1021 / bp990013k .

Litteratur

  • Tarkhanov I. R .,. Enzymes, in physiology // Encyclopedic Dictionary of Brockhaus and Efron  : i 86 volymer (82 volymer och ytterligare 4). - St Petersburg. 1890-1907.
  • Enzymes, in physiology // Encyclopedic Dictionary of Brockhaus and Efron  : i 86 volymer (82 volymer och ytterligare 4). - St Petersburg. 1890-1907.
  • Enzymes in plants // Encyclopedic Dictionary of Brockhaus and Efron  : i 86 volymer (82 volymer och ytterligare 4). - St Petersburg. 1890-1907.
  • Enzymes // Encyclopedic Dictionary of Brockhaus and Efron  : i 86 volymer (82 volymer och ytterligare 4). - St Petersburg. 1890-1907.
  • Lehninger A. Fundamentals of biochemistry: I 3 volymer. Volym 1. - Moskva: Mir, 1985. - 367 sid.
  • Volkenstein M. V., Dogonadze R. R., Madumarov A. K., Urushadze Z. D., Kharkats Yu. I. On theory of enzymatic catalysis.- Molecular biology, vol. 6, nr. 3, 1972, art. 431-439.
  • Dixon, M. Enzymes / M. Dixon, E. Webb. - I 3 band - Per. från engelska. - V.1-2. — M.: Mir, 1982. — 808 sid.
  • Koshland D. The Enzymes, V. I, Ch. 7. New York, Acad. Press, 1959.
  • Urushadze Z. Om ett verkligt konceptuellt ramverk för enzymkatalys.- Bull. Georg. Natl. Acad. Sc., vol. 173, nr 2, 2006, 421-424.
  • Wolf M., Ransberger K. Behandling med enzymer  - M .: Mir, 1976.
  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk
 Enzymer
Aktivitet
förordning
Klassificering
Typer