I biologi er det aktive sted den region af et enzym, hvor substratmolekyler binder og gennemgår en kemisk reaktion . Det aktive sted består af aminosyrerester, der danner forbigående bindinger med substratet ( bindingssted ) og rester, der katalyserer reaktionen af dette substrat (katalytisk sted). Selvom det aktive sted kun optager ~10-20% af volumenet af enzymet [1] :19 er det den vigtigste del, da det direkte katalyserer den kemiske reaktion . Typisk består det aktive sted af tre til fire aminosyrer , mens andre aminosyrer i et protein er nødvendige for at bevare dets tertiære struktur [2] .
Hvert aktivt sted har udviklet sig til at optimere binding til et specifikt substrat og katalysere en specifik reaktion, hvilket resulterer i høj enzymspecificitet. Denne specificitet bestemmes af arrangementet af aminosyrer i det aktive sted og strukturen af substraterne. Nogle gange skal enzymer også binde sig til visse cofaktorer for at kunne udføre deres funktion. Det aktive sted er normalt en rille eller lomme i enzymet, som kan være placeret i en dyb tunnel i enzymet [3] eller ved grænseflader i multimere enzymer . Det aktive sted kan re-katalysere reaktionen, fordi dets aminosyrerester ikke ændres ved reaktionens afslutning (de kan ændre sig under reaktionen, men regenereres mod dens slutning) [4] . Denne proces opnås ved at sænke reaktionens aktiveringsenergi , så flere substrater har nok energi til at udføre reaktionen.
Typisk har et enzymmolekyle kun to aktive steder, og disse aktive steder svarer til en bestemt type substrat. Det aktive sted indeholder et bindingssted, der binder substratet og orienterer det til katalyse. Orienteringen af substratet og den tætte nærhed mellem det og det aktive sted er så vigtigt, at et enzym i nogle tilfælde stadig kan fungere korrekt, selvom alle andre dele af det har muteret og mistet funktion [5] .
Indledningsvis er interaktionen mellem det aktive sted og substratet ikke-kovalent og midlertidig. Der er fire vigtige typer af interaktioner, som holder substratet i en specifik orientering og danner et enzym-substrat kompleks (ES kompleks): hydrogenbindinger , van der Waals interaktioner , hydrofobe interaktioner og elektrostatiske kraft interaktioner [6] :148 . Ladningsfordelingen på substratet og det aktive sted skal være komplementær, hvilket betyder, at alle positive og negative ladninger skal neutraliseres. Ellers vil den frastødende kraft skubbe dem fra hinanden. Det aktive sted indeholder normalt ikke-polære aminosyrer, selvom der nogle gange også kan findes polære aminosyrer [2] . Binding af et substrat til et bindingssted kræver mindst tre kontaktpunkter for at opnå stereo-, regio- og enantioselektivitet. For eksempel interagerer alkoholdehydrogenase, som katalyserer overførslen af hydridionen fra ethanol til NAD +, med substratet methylgruppe , hydroxylgruppe og pro- (R) hydrogen, som vil blive fjernet under reaktionen [6] :149 .
For at udføre deres funktion skal enzymer antage den korrekte proteinfold ( native fold ) og tertiær struktur. For at opretholde en given tredimensionel struktur er proteiner afhængige af forskellige typer af interaktioner mellem deres aminosyrerester. Hvis disse interaktioner forhindres, for eksempel af ekstreme pH-værdier, høj temperatur eller høje ionkoncentrationer, vil enzymet denaturere og miste sin katalytiske aktivitet.
Det menes, at en tættere forbindelse mellem det aktive sted og substratmolekylet øger reaktionens effektivitet. Hvis tætheden mellem det aktive sted af DNA-polymerasen og dens substrat øges, øges troværdigheden, dvs. hastigheden af korrekt DNA-replikation, også [7] . De fleste enzymer har dybtliggende aktive steder, som substratet kun kan få adgang til gennem adgangskanaler [3] .
Der foreslås tre modeller for, hvordan enzymer passer til deres særlige substrat: låse- og nøglemodellen, modellen med induceret pasform og den konformationelle udvælgelsesmodel. De sidste to udelukker ikke hinanden: konformationel selektion kan ledsages af en ændring i enzymets form. Derudover passer proteinet muligvis ikke helt til nogen af modellerne. Aminosyrerne på ubiquitinbindingsstedet følger generelt et induceret pasformmønster, mens resten af proteinet generelt følger et konformationelt selektionsmønster. Faktorer såsom temperatur påvirker sandsynligvis den vej, der tages under binding, med højere temperaturer, der forventes at øge vigtigheden af konformationel udvælgelse og mindske vigtigheden af induceret pasform [8] .
Konceptet blev foreslået af det 19. århundredes kemiker Emil Fischer . Han foreslog, at det aktive sted og substrat er to stabile strukturer, der passer perfekt uden yderligere ændringer, ligesom en nøgle indsættes i en lås. Hvis et substrat binder perfekt til dets aktive sted, vil interaktionerne mellem dem være de stærkeste, hvilket resulterer i høj katalytisk effektivitet.
Over tid begyndte begrænsningerne af denne model at vise sig. For eksempel kan den kompetitive inhibitor af enzymet methylglucosid binde tæt til det aktive sted af 4-alfa-glucanotransferase og passe perfekt ind i det. Imidlertid er 4-alfa-glucanotransferase ikke aktiv på methylglucosid, og glycosyloverførsel forekommer ikke. Lås- og nøglehypotesen kan ikke forklare dette, da den forudsiger høj methylglucosidglycosyloverførselseffektivitet på grund af dens stærke binding. Ud over kompetitiv inhibering kan denne teori ikke forklare virkningsmekanismen for ikke-kompetitive inhibitorer, da de ikke binder til det aktive sted, men alligevel påvirker den katalytiske aktivitet [9] .
Daniel Koshlands teori om enzym-substratbinding er, at det aktive sted og bindingsdelen af substratet ikke er helt komplementære [10] . Modellen med induceret pasform er en videreudvikling af låse- og nøglemodellen og antager, at det aktive sted er fleksibelt og ændrer form, indtil substratet er fuldt bundet. Denne model ligner en person, der tager en handske på: handsken ændrer form, så den passer til hånden. Et enzym har oprindeligt en konformation, der tiltrækker dets substrat. Overfladen af et enzym er fleksibel, og kun den rigtige katalysator kan forårsage den interaktion, der fører til katalyse. Efterhånden som substratet binder, kan der forekomme konformationelle ændringer. Efter at produkterne fra reaktionen bevæger sig væk fra enzymet, vil det aktive center vende tilbage til sin oprindelige form. Denne hypotese understøttes af den observation, at hele proteindomænet kan bevæge sig adskillige nanometer under katalyse. Bevægelsen af proteinoverfladen kan skabe et mikromiljø, der fremmer katalyse [5] .
Denne model antyder, at enzymer eksisterer i en række forskellige konformationer, hvoraf kun nogle er i stand til at binde til et substrat. Når et substrat er bundet til et protein, forskydes ligevægten i det konformationelle ensemble mod dem, der er i stand til at binde ligander (da enzymer med bundne substrater fjernes fra ligevægten mellem frie konformationer) [11] .
Elektrostatisk interaktion : I et vandigt miljø tiltrækkes modsat ladede grupper i sidekæderne af aminosyrer i det aktive sted og substrater til hinanden, hvilket kaldes elektrostatisk interaktion. For eksempel, når en carboxylsyre (R-COOH) dissocieres i RCOO- og H + -ioner , vil COO- tiltrække positivt ladede grupper såsom den protonerede guanidin -sidekæde af arginin .
Hydrogenbinding : En hydrogenbinding er en speciel type dipol-dipol-interaktion mellem et delvist positivt brintatom og en delvis negativ elektrondonor , der indeholder et par elektroner såsom oxygen , fluor og nitrogen . Styrken af en brintbinding afhænger af den kemiske natur og geometriske arrangement af hver gruppe.
Van der Waals- kraft: Van der Waals-kraften dannes mellem modsat ladede grupper på grund af den tidsmæssige ujævne fordeling af elektroner i hver gruppe. Hvis alle elektronerne er koncentreret ved den ene pol af gruppen, vil denne ende være negativ og den anden ende positiv. Selvom gruppens individuelle styrke er lille, er det samlede antal af disse interaktioner mellem det aktive sted og substratet stort, så deres sum kan være betydelig.
Hydrofob interaktion : Ikke-polære hydrofobe grupper har tendens til at aggregere sammen i et vandigt miljø og forsøge at undslippe fra et polært opløsningsmiddel. Disse hydrofobe grupper har normalt en lang kulstofkæde og reagerer ikke med vandmolekyler. Når proteinmolekylet er opløst i vand, foldes det til en sfærisk form og efterlader de hydrofile grupper på ydersiden, mens de hydrofobe grupper synker dybt ind i midten.
Efter binding af substratet til det aktive sted og dets orientering kan katalyse begynde. Aminosyreresterne af det katalytiske sted er sædvanligvis meget tæt på bindingsstedet, og nogle rester kan spille en dobbelt rolle i både binding og katalyse. De interagerer med substratet for at sænke reaktionens aktiveringsenergi og derved fremskynde dens forløb. Reduktionen i aktiveringsenergi kan ske gennem en række forskellige mekanismer, herunder: tilgang af reaktanter, nukleofil/elektrofil katalyse og syre-base katalyse.
Under en enzymatisk katalytisk reaktion er substratet og det aktive sted tæt på hinanden. Denne tilgang har forskellige mål. For det første, når substrater binder inden for det aktive sted, er dets effektive koncentration meget større end i opløsning. Det betyder, at antallet af substratmolekyler, der er involveret i reaktionen, også stiger. Denne proces reducerer også den desolvationsenergi, der kræves for, at reaktionen kan fortsætte. I opløsning er substratmolekyler omgivet af opløsningsmiddelmolekyler, og enzymmolekyler kræver energi for at erstatte dem og komme i kontakt med substratet. Da voluminøse molekyler kan udelukkes fra det aktive sted, kan dette energioutput minimeres. Yderligere er det aktive sted involveret i reorienteringen af substratet for at reducere reaktionens aktiveringsenergi. Justering af substratet efter binding blokeres i en højenergitilstand og kan fortsætte til næste trin. Derudover er denne binding hjulpet af entropi, da energiomkostningerne forbundet med reaktionen i opløsning stort set elimineres, da opløsningsmidlet ikke kan trænge ind i det aktive sted. Endelig kan det aktive sted manipulere substratets molekylære orbital i en passende orientering for at sænke aktiveringsenergien [6] :155-8 .
De elektrostatiske tilstande af substratet og det aktive center skal komplementere hinanden. Den polariserede negativt ladede aminosyresidekæde frastøder det uladede substrat. Men hvis overgangstilstanden involverer dannelsen af et ionisk center, vil sidekæden producere en gunstig interaktion.
Mange enzymer, herunder serinprotease , cysteinprotease , proteinkinase og phosphatase, har udviklet sig til at danne forbigående kovalente bindinger mellem dem og deres substrater, hvilket sænker aktiveringsenergien og tillader reaktionen at fortsætte. Denne proces kan opdeles i 2 faser: dannelse og ødelæggelse. Det første trin er det hastighedsbegrænsende trin, mens det næste trin er nødvendigt for regenereringen af det intakte enzym [6] :158 .
Nukleofil katalyse
Denne proces involverer overførsel af elektroner fra enzymets nukleofil til substratet for at danne en kovalent binding mellem dem under overgangstilstanden. Styrken af denne interaktion afhænger af to aspekter: den nukleofile gruppes evne til at donere elektroner og elektrofilens evne til at acceptere dem. Førstnævnte afhænger hovedsageligt af artens basicitet (evnen til at donere elektronpar), og sidstnævnte af dens pKa . Begge grupper er også påvirket af deres kemiske egenskaber såsom polariserbarhed , elektronegativitet og ioniseringspotentiale . Aminosyrer, der er i stand til at danne nukleofile reagenser - serin , cystein , aspartat og glutamin .
Elektrofil katalyse
Mekanismen bag denne proces er nøjagtig den samme som nukleofil katalyse, bortset fra at aminosyrerne i det aktive sted nu fungerer som elektrofiler , og substraterne fungerer som nukleofiler . Denne reaktion kræver normalt cofaktorer, fordi aminosyresidekæder ikke er stærke nok til at tiltrække elektroner.
Metalioner spiller flere roller under en reaktion. For det første kan de binde sig til de negativt ladede grupper af substratet, så de vil ikke afvise elektronpar fra de nukleofile grupper på det aktive sted. De kan tiltrække negativt ladede elektroner for at øge elektrofilicitet. Metalioner kan også tjene som en bro mellem det aktive sted og substratet. Endelig kan de ændre substratets konformationelle struktur til fordel for reaktionen [6] :158 .
I nogle reaktioner kan protoner og hydroxid virke direkte som syre og base i specifik syre- og specifik alkalikatalyse. Men oftere fungerer grupperne i substratet og det aktive sted som en syre og en Brønsted-Lowry base. Dette kaldes den generelle teori om syre og den generelle teori om baser. Den nemmeste måde at adskille dem på er at se, om reaktionshastigheden er bestemt af koncentrationerne af den samlede syre og base. Hvis ja, så er svaret generelt. Fordi de fleste enzymer har en optimal pH på 6 til 7, har aminosyrer i sidekæden typisk en pKa på 4 ~ 10. Kandidater omfatter aspartat , glutamat , histidin , cystein . Disse syrer og baser kan stabilisere nukleofilen eller elektrofilen dannet under katalyse, hvilket giver positive og negative ladninger [6] :164-70 .
Kvantitative undersøgelser af enzymatiske reaktioner har ofte fundet ud af, at accelerationen af hastigheden af en kemisk reaktion ikke fuldt ud kan forklares af eksisterende teorier som tilnærmelse, syre-base katalyse og elektrofil/nukleofil katalyse. Og her opstår et åbenlyst paradoks: i en reversibel enzymatisk reaktion, hvis det aktive sted er ideelt for substraterne, vil den omvendte reaktion blive bremset, da produkterne ikke kan passe perfekt ind i det aktive sted. Således blev begrebet "konformationel forvrængning" introduceret, og det hævdes, at både det aktive sted og substratet kan gennemgå konformationelle ændringer for hele tiden at tilpasse sig hinanden [6] :170–5 .
Denne teori minder lidt om låse- og nøgleteorien, men i den er det aktive sted forprogrammeret til perfekt at binde til substratet i overgangstilstanden i stedet for i grundtilstanden. Dannelsen af en overgangstilstand i opløsning kræver meget energi for at flytte opløsningsmiddelmolekylerne, og reaktionen bremses. Således kan det aktive sted fortrænge opløsningsmiddelmolekyler og omgive substrater for at minimere den kontraproduktive virkning forårsaget af opløsningen. Tilstedeværelsen af ladede grupper i det aktive sted vil tiltrække substrater og give elektrostatisk komplementaritet [6] :176-8 .
Faktisk involverer de fleste enzymatiske mekanismer en kombination af flere forskellige typer katalyse.
Glutathions (GSH) rolle er at fjerne akkumulerede reaktive iltarter, der kan beskadige celler. Under denne proces oxideres dens thiolsidekæde , og to glutathionmolekyler forbindes af en disulfidbinding for at danne en dimer (GSSG). For at regenerere glutathion er det nødvendigt at bryde disulfidbindingen. I humane celler sker dette ved hjælp af glutathionreduktase (GR).
Glutathionreduktase er en dimer, der indeholder to identiske underenheder. En NADP og en FAD er påkrævet som cofaktorer . Det aktive sted er i krydset mellem to underenheder. NADPH er involveret i genereringen af FADH- . Der er to cysteinrester i det aktive sted ud over FAD-cofaktoren, som bruges til at bryde disulfidbindingen under den katalytiske reaktion. NADPH binder sig til tre positivt ladede rester: Arg-218, His-219 og Arg-224.
Den katalytiske proces begynder, når FAD reduceres af NADPH for at acceptere en elektron, og bliver til FADH- . Det angriber derefter disulfidbindingen mellem de 2 cysteinrester og danner en SH-binding og en S -gruppe . Denne S -gruppe vil fungere som en nukleofil til at angribe disulfidbindingen i oxideret glutathion (GSSG), bryde den og danne et cystein-SG-kompleks. Den første SG -anion frigives og modtager derefter en proton fra den tilstødende SH-gruppe fra den første glutathionmonomer. Derefter angriber den tilstødende S - gruppe disulfidbindingen i cystein-SG komplekset og frigiver den anden SG - anion. Den modtager en proton i opløsning og danner en anden glutathionmonomer [1] :137–9 .
Chymotrypsin er en serin-endopeptidase til stede i bugspytkirteljuice , der hjælper med hydrolyse af proteiner og peptider [1] :84-6 . Det katalyserer hydrolysen af peptidbindinger i L-isomererne af tyrosin , phenylalanin og tryptophan . På det aktive sted af dette enzym arbejder tre aminosyrerester sammen for at danne en katalytisk triade, der udgør det katalytiske sted. I chymotrypsin er disse rester Ser-195, His-57 og Asp-102.
Virkningsmekanismen af chymotrypsin kan opdeles i to faser. For det første angriber Ser-195 nukleofilt kulstoffet i peptidbindingen i substratet for at danne et tetraedrisk mellemprodukt. Nukleofilicitet af Ser-195 forstærkes af His-57, som abstraherer en proton fra Ser-195 og stabiliseres igen af den negativt ladede carboxylatgruppe (RCOO - ) i Asp-102. Derudover stabiliseres den mellemliggende tetraedriske oxyanion, der dannes på dette trin, af hydrogenbindinger fra Ser-195 og Gly-193.
I det andet trin protoneres R'NH-gruppen af His-57 til dannelse af R'NH2 og efterlader et mellemprodukt, hvilket efterlader det acylerede Ser-195. His-57 fungerer derefter som en base igen for at fjerne en proton fra vandmolekylet. Den resulterende hydroxidanion angriber nukleofilt acyl-enzymkomplekset for at danne et andet tetraedrisk oxyanion-mellemprodukt, som igen stabiliseres af H-bindinger. Til sidst forlader Ser-195 det tetraedriske mellemprodukt og bryder CO-bindingen, der koblede enzymet til peptidsubstratet. Protonen overføres til Ser-195 via His-57, så alle tre aminosyrer vender tilbage til deres oprindelige tilstand.
Substratløsning påvirkes af forskellige faktorer. Større ligander har en tendens til at forblive længere på det aktive sted [12] ligesom ligander med mere roterbare bindinger (selvom dette kan være en bivirkning af størrelsen) [13] . Når opløsningsmidlet fjernes fra det aktive sted, forbliver mindre "fleksible" proteiner længere på det aktive sted. Et stort antal hydrogenbindinger afskærmet fra opløsningsmidlet bremser også spaltningen [12] .
Enzymer kan bruge cofaktorer som "hjælpermolekyler". Coenzymer refererer til de ikke-proteinmolekyler, der binder sig til enzymer for at hjælpe dem med at udføre deres arbejde. De er hovedsageligt bundet til det aktive sted af ikke-kovalente bindinger såsom hydrogenbinding eller hydrofob interaktion . Men nogle gange kan der også dannes en kovalent binding mellem dem. For eksempel er hæmen i cytochrom C forbundet med et protein via en thioetherbinding . I nogle tilfælde kan coenzymer efterlade enzymer efter reaktionen er afsluttet. Ellers er de permanent forbundet med enzymet [6] :69 . Coenzym er et bredt begreb, der omfatter metalioner, forskellige vitaminer og ATP . Hvis et enzym har brug for et coenzym for at virke alene, kaldes det et apoenzym. Faktisk kan den ikke ordentligt katalysere reaktioner alene. Først når dens cofaktor kommer ind og binder sig til det aktive sted for at danne et holoenzym, fungerer det korrekt.
Et eksempel på et coenzym er flavin . Den indeholder et separat konjugeret isoalloxazin-ringsystem. Flavin har flere redoxtilstande og kan bruges i processer, der involverer overførsel af en eller to elektroner. Det kan fungere som en elektronacceptor i en reaktion såsom oxidation af NAD til NADH, acceptere to elektroner og danne 1,5-dihydroflavin. På den anden side kan det danne semiquinon ( et frit radikal ) ved at acceptere en elektron og derefter konvertere til den fuldt reducerede form ved at tilføje en ekstra elektron. Denne egenskab gør det muligt at bruge den i processen med en-elektronoxidation.
Inhibitorer forstyrrer interaktionen mellem enzymet og substratet og sænker reaktionshastigheden. Der findes forskellige typer af hæmmere, herunder både reversible og irreversible former.
Konkurrencedygtige inhibitorer er inhibitorer, der kun retter sig mod frie enzymmolekyler. De konkurrerer med substrater om en fri enzymacceptor, og deres indflydelse kan overvindes ved at øge koncentrationen af substratet. De har to virkningsmekanismer. Konkurrencedygtige inhibitorer deler normalt strukturelle ligheder med substrater og/eller ES-komplekset. Som et resultat kan de passe ind i det aktive sted og initiere interaktioner for at fylde enzymrummet og blokere indgangen af substrater. De kan også forårsage midlertidige konformationelle ændringer i det aktive sted, så substrater ikke kan passe perfekt til det. Efter en kort periode vil konkurrerende inhibitorer falde af og efterlade enzymet intakt.
Inhibitorer klassificeres som ikke-kompetitive hæmmere, hvis de binder både det frie enzym og ES-komplekset. Da de ikke konkurrerer med substrater om det aktive sted, kan de ikke overvindes ved blot at øge koncentrationen af substratet. De binder sædvanligvis til et andet sted på enzymet og ændrer den tredimensionelle struktur af det aktive sted for at blokere ind- eller udgangen af substrater fra enzymet.
Irreversible inhibitorer ligner konkurrerende inhibitorer, idet de begge binder til det aktive sted. Imidlertid danner irreversible inhibitorer irreversible kovalente bindinger med aminosyrerester i det aktive sted og forsvinder aldrig. Derfor er det aktive sted optaget, og substratet kan ikke trænge ind. Nogle gange forlader inhibitoren, men formen af det katalytiske center forbliver ændret. Disse inhibitorer indeholder normalt elektrofile grupper såsom halogenerstatninger og epoxider . Med tiden bliver flere og flere enzymer bundet af irreversible hæmmere og holder op med at fungere.
| Eksempel | Binder det aktive center? | Bremser det reaktionen? | |
|---|---|---|---|
| Konkurrencedygtig reversibel hæmmer | HIV-proteasehæmmere | Ja | Ja |
| Ikke-konkurrerende reversibel inhibitor | Tungmetaller som bly og kviksølv | Ikke | Ja |
| irreversibel hæmmer | Cyanid | Ja | Ja |
HIV-proteasehæmmere bruges til at behandle patienter inficeret med AIDS -viruset ved at forhindre dets DNA i at replikere . HIV-proteasen bruges af virussen til at spalte Gag-Pol polyproteinet til 3 mindre proteiner, der er ansvarlige for samling, pakning og modning af virion. Dette enzym retter sig mod et specifikt phenylalanin- og prolin -spaltningssted i målproteinet [14] . Hvis HIV-proteasen slukkes, vil virionpartiklen miste funktion og være ude af stand til at inficere patienter. Fordi det er afgørende for viral replikation og er fraværende hos raske individer, er det et ideelt mål for lægemiddeludvikling.
HIV-proteasen tilhører asparaginproteasefamilien og har en lignende mekanisme. Først aktiverer aspartatresten vandmolekylet og gør det til en nukleofil . Det angriber derefter carbonylgruppen i peptidbindingen (NH-CO) for at danne et tetraedrisk mellemprodukt. Nitrogenatomet i mellemproduktet modtager en proton, der danner en amidgruppe, og efterfølgende omlejring bryder bindingen mellem det og mellemproduktet og danner to produkter [15] .
Inhibitorer indeholder typisk ikke-hydrolyserbare hydroxyethylen- eller hydroxyethylamingrupper, der efterligner det tetraedriske mellemprodukt. Fordi de har en lignende struktur og elektrostatisk arrangement til overgangstilstanden af substraterne, kan de stadig passe ind i det aktive sted, men kan ikke ødelægges, så hydrolyse kan ikke forekomme.
Strychnin er et neurotoksin , der forårsager døden ved at påvirke de nerver, der kontrollerer muskelsammentrækning og forårsager vejrtrækningsbesvær. Impulsen overføres mellem synapser via en neurotransmitter kaldet acetylcholin . Det går ind i synapsen mellem nerveceller og binder sig til receptorer på den postsynaptiske celle. Et aktionspotentiale genereres derefter og transmitteres gennem den postsynaptiske celle for at starte en ny cyklus.
Glycin kan hæmme aktiviteten af neurotransmitterreceptorer, så der kræves mere acetylcholinesterase for at udløse et aktionspotentiale. Dette sikrer, at genereringen af nerveimpulser er stramt kontrolleret. Denne kontrol overtrædes dog, når stryknin tilsættes. Det hæmmer glycinreceptorer ( chloridkanal ), og en meget lavere koncentration af neurotransmitteren kan udløse et aktionspotentiale. Nerverne sender nu konstant signaler og forårsager overdreven muskelsammentrækning, hvilket fører til kvælning og død [16] .
Diisopropylfluorophosphat (DIFP) er en irreversibel hæmmer, der blokerer virkningen af serinprotease . Når det binder til enzymet, sker der en nukleofil substitutionsreaktion , der frigiver et molekyle hydrogenfluorid. OH-gruppen på det aktive sted fungerer som en nukleofil, der angriber phosphoret i DIFP, danner et tetraedrisk mellemprodukt og frigiver en proton. Derefter brydes PF-bindingen, en elektron overføres til F-atomet, og den forlader mellemforbindelsen i form af F - anionen. Det kombineres med en proton i opløsning for at danne et HF-molekyle. En kovalent binding dannes mellem det aktive sted og DIFP, så serinsidekæden ikke længere er tilgængelig for substratet [17] .
Identifikationen af aktive steder er afgørende i lægemiddelopdagelsesprocessen. Enzymets tredimensionelle struktur analyseres for at bestemme aminosyreresterne af det aktive sted og udvikle lægemidler, der kan passe ind i dem. Proteolytiske enzymer er mål for nogle lægemidler, såsom proteasehæmmere, som omfatter lægemidler mod AIDS og hypertension [18] . Disse proteaseinhibitorer binder til enzymets aktive sted og blokerer interaktion med naturlige substrater [19] . En vigtig faktor i lægemiddeludvikling er styrken af bindingen mellem det aktive sted og enzymhæmmeren [20] . Hvis det enzym, der findes i bakterien, er væsentligt forskelligt fra det humane enzym, så er det muligt at udvikle en inhibitor mod netop den bakterie uden at skade det humane enzym. Hvis én type enzym kun er til stede i én type organisme, kan dens inhibitor bruges til at dræbe dem.
Aktive steder kan kortlægges for at hjælpe med at udvikle nye lægemidler såsom enzymhæmmere. Dette inkluderer en beskrivelse af størrelsen af det aktive sted, antallet og egenskaberne af understeder, såsom detaljerne om bindingsinteraktionen [18] . Imidlertid tillader moderne databaseteknologi kaldet CPASS (Protein Active Site Structure Comparison) mere detaljeret sammenligning af aktive steder og finde strukturelle ligheder ved hjælp af software [21] .
| Eksempel | Virkemekanisme | |
|---|---|---|
| Antibakterielt middel | Penicillin | Bakteriecellevæggen er sammensat af peptidoglycan . Under bakterievækst afbrydes den eksisterende tværbinding af peptidoglycanfiberen, så den nye cellevægsmonomer kan integreres i cellevæggen. Penicillin virker ved at hæmme transpeptidase, som er nødvendigt for tværbinding, så cellevæggen svækkes og brister på grund af turgortryk . |
| svampedræbende middel | Azol | Ergosterol er en sterol , der danner svampenes overflademembran . Azol kan undertrykke sin biosyntese ved at hæmme lanosterol-14-alpha-demethylase, så der ikke produceres nyt ergosterol, og skadeligt 14-alpha-lanosterol ophobes i cellen. Derudover kan azol generere reaktive oxygenarter . |
| Antiviralt middel | Saquinavir | HIV-protease er påkrævet for at spalte Gag-Pol-polyproteinet i 3 separate proteiner, så de kan fungere korrekt og starte viruspakningsprocessen. HIV-proteasehæmmere såsom saquinavir hæmmer det, så en ny moden viral partikel ikke kan høstes. |
| Insekticider | Fysiostigmin | I dyrets nervesystem kræves acetylcholinesterase for at nedbryde neurotransmitteren acetylcholin til acetat og cholin . Physostigmin binder sig til sit aktive sted og undertrykker det, så impulssignalet kan ikke overføres langs nerverne. Dette fører til insekternes død, da de mister kontrollen over musklernes og hjertets arbejde. |
| herbicider | Cyclohexandion | Cyclohexandion retter sig mod acetyl-CoA-carboxylase, som er involveret i det første trin i fedtsyntesen: den ATP-afhængige carboxylering af acetyl-CoA til malonyl-CoA. Lipider spiller en vigtig rolle i sammensætningen af cellemembranen. |
Et allosterisk sted er et sted på et enzym, der ikke er forbundet med dets aktive sted, som kan binde et effektormolekyle. Denne interaktion er en anden mekanisme for enzymregulering. Allosterisk modifikation forekommer normalt i proteiner med mere end én underenhed. Allosteriske interaktioner er ofte til stede i metaboliske veje og er nyttige, idet de tillader et reaktionstrin at regulere et andet trin [19] . De tillader enzymet at have en række yderligere molekylære interaktioner ud over det meget specifikke aktive sted [19] .
| Enzymer | |
|---|---|
| Aktivitet | |
| Regulering | |
| Klassifikation | |
| Typer |
|