Enzymer

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 13. oktober 2021; checks kræver 22 redigeringer .

Enzymer (fra latin  fermentum  "surdej"), eller enzymer [1] (fra græsk ζύμη , ἔνζυμον " surdej "), er normalt komplekse proteinforbindelser , RNA ( ribozymer ) eller deres komplekser, der accelererer kemiske reaktioner i levende systemer. Hvert enzym, foldet ind i en specifik struktur, fremskynder den tilsvarende kemiske reaktion : reaktanterne i en sådan reaktion kaldes substrater , og de resulterende stoffer kaldes produkter. Substratspecifikke enzymer: ATPasekatalyserer kun nedbrydningen af ​​ATP, og phosphorylase kinase phosphorylerer kun phosphorylase [2] .

Enzymatisk aktivitet kan reguleres af aktivatorer (stigning) og hæmmere (fald).

Proteinenzymer syntetiseres på ribosomer , mens RNA  syntetiseres i kernen .

Begreberne enzym og enzym har længe været brugt som synonymer : den første er hovedsageligt i russisk og tysk videnskabelig litteratur, den anden - på engelsk og fransk.

Videnskaben om enzymer kaldes enzymologi , ikke fermentologi (for ikke at forveksle rødderne til latinske og græske ord).

Studiehistorie

I slutningen af ​​XVIII - begyndelsen. 19. århundrede det var allerede kendt, at kød fordøjes af mavesaft , og stivelse omdannes til sukker ved påvirkning af spyt . Imidlertid var mekanismen af ​​disse fænomener ukendt [3] .

I det 19. århundrede Louis Pasteur , der studerede omdannelsen af ​​kulhydrater til ethylalkohol under påvirkning af gær , kom til den konklusion, at denne proces ( fermentering ) katalyseres af en vis vital kraft ( enzym ) placeret i gærceller, og han mente, at disse "kræfter" er uadskillelige fra strukturen af ​​en levende cellegær. Dette synspunkt dominerede videnskaben i lang tid [4] og var i modstrid med J. Liebigs dengang gældende teori om gæring , ifølge hvilken alle gæringsprocesser blev præsenteret som rent kemiske fænomener af katalytisk karakter (som om alkoholisk gæring forekommer). på grund af det faktum, at molekylære vibrationer af nedbrydningspartikler gær overføres til sukker og sukker begynder at nedbrydes til alkohol og kuldioxid, således forårsager gær ikke gæring i løbet af livet, men først efter dets død) [5] .

Forskellige synspunkter på karakteren af ​​alkoholisk gæring i den teoretiske strid mellem L. Pasteur på den ene side og mekanikerne M. Berthelot og J. Liebig  på den anden side førte til adskillelsen af ​​to tilsvarende udtryk i den videnskabelige fællesskab. Faktisk begyndte enzymer (fra lat.  fermentum  - surdej) at blive kaldt "organiserede enzymer", det vil sige de levende mikroorganismer selv. I modsætning til denne tilgang foreslog W. Kuehne i 1876 udtrykket enzym (fra det græske ἐν-  - in- og ζύμη  - gær , surdej, det vil sige "i gær") for at henvise til "uorganiserede enzymer" udskilt af celler for eksempel i maven ( pepsin ) eller tarmene ( trypsin , amylase ).

To år efter L. Pasteurs død i 1897 udgav E. Buchner værket "Alkoholisk gæring uden gærceller", hvori han eksperimentelt viste, at cellefri gærsaft udfører alkoholisk gæring på samme måde som uødelagte gærceller. I 1907 blev han tildelt Nobelprisen for dette arbejde. Et højt oprenset krystallinsk enzym ( urease ) blev først isoleret i 1926 af J. Sumner . I løbet af de næste 10 år blev flere enzymer isoleret, og enzymernes proteinkarakter blev endelig bevist.

RNA-katalytisk aktivitet blev først opdaget i 1980'erne i præ-rRNA af Thomas Check , som studerede RNA- splejsning i ciliatet Tetrahymena thermophila . Ribozymet viste sig at være en del af Tetrahymena pre-rRNA-molekylet kodet af intronen af ​​det ekstrakromosomale rDNA-gen; denne region udførte autosplejsning, det vil sige, at den skåret ud under rRNA-modning.

Funktioner af enzymer

Der er to hovedmåder til at øge hastigheden af ​​en kemisk reaktion. Den første måde er at øge temperaturen, det vil sige accelerationen af ​​den termiske bevægelse af molekyler, hvilket fører til en stigning i fraktionen af ​​molekyler, der har tilstrækkelig intern energi til at nå overgangstilstanden. Som regel forårsager en temperaturstigning på 10 °C en acceleration af en kemisk reaktion med cirka 2 gange (se van't Hoff-reglen ).

Den anden måde at fremskynde en kemisk reaktion på er at tilføje en katalysator. Katalysatorer fremskynder kemiske reaktioner ved at finde "løsninger", der tillader molekyler at overvinde aktiveringsbarrieren på et lavere energiniveau. Katalysatoren (angivet med bogstavet K ) på mellemtrinnet interagerer med reagenset A til dannelse af en ny kompleks forbindelse KA , hvis overgangstilstand svarer til en signifikant lavere aktiveringsenergi sammenlignet med overgangstilstanden for reagenset A i ikke -katalyseret reaktion. Derefter nedbrydes reagens-katalysatorkomplekset ( CA ) til produkt P og en fri katalysator, som igen kan kombineres med et andet molekyle A og gentage hele cyklussen. Det er på denne måde, at katalysatorer reducerer aktiveringsenergien af ​​en kemisk reaktion; i deres tilstedeværelse indgår en meget større del af molekylerne i en given population i en reaktion pr. tidsenhed. Enzymer, ligesom andre katalysatorer, kombineres med deres substrater under den katalytiske cyklus [6] .

Enzymer er til stede i alle levende celler og bidrager til omdannelsen af ​​nogle stoffer til andre. Enzymer fungerer som katalysatorer i næsten alle biokemiske reaktioner, der forekommer i levende organismer. I 2013 er mere end 5000 forskellige enzymer blevet beskrevet [7] [8] . De spiller en vigtig rolle i alle livsprocesser, styrer og regulerer kroppens stofskifte .

Som alle katalysatorer fremskynder enzymer både fremadgående og omvendte reaktioner ved at sænke processens aktiveringsenergi . I dette tilfælde forskydes den kemiske ligevægt hverken fremad eller i modsat retning. Et karakteristisk træk ved enzymer sammenlignet med ikke-proteinkatalysatorer er deres høje specificitet : bindingskonstanten for nogle substrater til et protein kan nå 10-10 mol/l eller mindre. Hvert enzymmolekyle er i stand til at udføre fra flere tusinde til flere millioner "operationer" i sekundet.

For eksempel, et molekyle af enzymet rennin , indeholdt i maveslimhinden på en kalv, støber omkring 106 mælkecaseinogenmolekyler på 10 minutter ved en temperatur på 37 °C.

Samtidig er effektiviteten af ​​enzymer meget højere end effektiviteten af ​​ikke-proteinkatalysatorer - enzymer accelererer reaktionen millioner og milliarder af gange, ikke-proteinkatalysatorer - hundreder og tusinder af gange. (se også Katalytisk perfekt enzym )

Enzymnavngivningskonventioner

Typisk er enzymer opkaldt efter den type reaktion, de katalyserer, og tilføjer suffikset -ase til navnet på substratet ( f.eks . er lactase  et enzym involveret i omdannelsen af ​​lactose ). Således vil forskellige enzymer, der udfører den samme funktion, have samme navn, eller det samme enzym har to eller flere navne. Sådanne enzymer er kendetegnet ved andre egenskaber, såsom optimal pH ( alkalisk fosfatase ) eller lokalisering i cellen (membran ATPase ). Mange enzymer har historisk trivielle navne, der ikke er relateret til navnene på deres substrater, såsom pepsin og trypsin . På grund af disse og andre vanskeligheder, samt på grund af det stadigt stigende antal nyopdagede enzymer, blev der vedtaget en international aftale om at skabe en systematisk nomenklatur og klassificering af enzymer [9] .

Klassificering af enzymer

I henhold til typen af ​​katalyserede reaktioner er enzymer opdelt i 7 klasser i henhold til den hierarkiske klassificering af enzymer ( EC , EC  - Enzyme Commission-kode). Klassificeringen blev foreslået af International Union of Biochemistry and Molecular Biology ( International Union of Biochemistry and Molecular Biology ). Hver klasse indeholder underklasser, så et enzym er beskrevet af et sæt på fire tal adskilt af prikker. For eksempel har pepsin navnet EC 3.4.23.1. Det første tal beskriver groft mekanismen for reaktionen katalyseret af enzymet:

Det andet nummer i enzymets navn afspejler underklassen, det tredje - underklassen og det fjerde - serienummeret på enzymet i dets underklasse [11] .

Som katalysatorer accelererer alle enzymer både fremadrettede og omvendte reaktioner, derfor er for eksempel lyaser i stand til at katalysere den omvendte reaktion - tilføjelsen af ​​dobbeltbindinger.

Kinetisk forskning

Den enkleste beskrivelse af kinetikken af ​​enkelt-substrat enzymatiske reaktioner er Michaelis-Menten ligningen (se fig.).

I 1972-1973. den første kvantemekaniske model for enzymatisk katalyse blev skabt (forfatterne M. V. Volkenshtein , R. R. Dogonadze, Z. D. Urushadze og andre) [12] [13] [14] [15] . Antag, at enzymkoncentrationen er konstant, og det er nødvendigt at måle effekten af ​​at ændre substratkoncentrationen på den initiale hastighed af den enzymatiske reaktion. Ved meget lave substratkoncentrationer er reaktionshastigheden meget langsom, men stiger støt, efterhånden som substratkoncentrationen gradvist øges. Imidlertid bliver stigningerne i hastigheden af ​​den katalytiske reaktion mindre og mindre med hver stigning i koncentrationen af ​​substratet. Endelig kommer der et øjeblik, hvor enhver stigning i koncentrationen af ​​substratet kun forårsager en uendelig lille acceleration af reaktionen: uanset hvordan koncentrationen af ​​substratet stiger, kan reaktionshastigheden kun nærme sig et plateau, men når det aldrig. På dette plateau, kaldet den maksimale reaktionshastighed ( Vmax ), er enzymet mættet med substrat og kan ikke fungere hurtigere. Denne mætningseffekt er karakteristisk for næsten alle enzymer.

Værdien af ​​V max kan bestemmes ud fra den præsenterede graf ved tilnærmelse. En nøjagtig bestemmelse i dette tilfælde er umulig, da når koncentrationen af ​​substratet stiger, nærmer den indledende reaktionshastighed sig kun Vmax , men når den aldrig . Substratkoncentrationen, ved hvilken reaktionshastigheden er halvdelen af ​​maksimum (angivet som ½ V max i grafen ) er Michaelis-Menten konstanten ( K M ). Det kan bestemmes enten ud fra grafen, også ved tilnærmelse, eller ved algebraiske transformationer af Michaelis-Menten-ligningen [16] .

Enzymers struktur og virkningsmekanisme

Aktiviteten af ​​enzymer er bestemt af deres tre- og firedimensionelle struktur [17] .

Som alle proteiner syntetiseres enzymer som en lineær kæde af aminosyrer, der folder på en bestemt måde. Hver aminosyresekvens folder på en bestemt måde, og det resulterende molekyle ( proteinkugle ) har unikke egenskaber. Flere proteinkæder kan kombineres for at danne et proteinkompleks . De tertiære og kvaternære strukturer af proteiner ødelægges af varme, pH- ændringer eller udsættelse for visse kemikalier.

Til dato er flere mekanismer for enzymvirkning blevet beskrevet. En simpel enzymatisk reaktion kan kun involvere ét molekyle af substrat C, som binder sig til enzym F for at danne produkt P:

S + F → F S → P + F .

Men faktisk, i mange enzymatiske reaktioner af metabolisme, deltager to og nogle gange endda tre molekyler af forskellige substrater og binder til enzymet. Sådanne reaktioner involverer sædvanligvis overførsel af et atom eller en funktionel gruppe fra et substrat til et andet. Sådanne reaktioner kan forløbe af to forskellige mekanismer. I reaktioner af den første type, kaldet enkeltsubstitutionsreaktioner , binder to substrater C 1 og C 2 til F -enzymet enten specifikt eller tilfældigt for at danne et F C 1 C 2 -kompleks , som derefter nedbrydes til produkterne P 1 og P 2 :

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

Den anden klasse af to-substratreaktioner består af reaktioner, der forløber af den dobbelte substitutionsmekanisme (ping-pong-type mekanisme):

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

I disse reaktioner er kun et af de to substrater bundet til enzymets katalytiske center på et givet tidspunkt. Vedhæftningen af ​​det første substrat ledsages af overførslen af ​​dets funktionelle gruppe til enzymmolekylet. Først efter fjernelse af produktet dannet fra det første substrat, kan det andet substrat binde til enzymet og acceptere en funktionel gruppe [18] .

Aktivt sted for enzymer

Studiet af mekanismen for en kemisk reaktion katalyseret af et enzym, sammen med bestemmelsen af ​​mellem- og slutprodukter på forskellige stadier af reaktionen, indebærer en nøjagtig viden om geometrien af ​​enzymets tertiære struktur, arten af ​​den funktionelle grupper af dets molekyle , hvilket giver specificitet af virkning og høj katalytisk aktivitet på et givet substrat , såvel som den kemiske natur af stedet (steder) af enzymmolekylet, hvilket giver en høj hastighed af den katalytiske reaktion. Typisk er substratmolekyler involveret i enzymatiske reaktioner relativt små sammenlignet med enzymmolekyler. Under dannelsen af ​​enzym-substratkomplekser indgår således kun begrænsede fragmenter af polypeptidkædens aminosyresekvens i direkte kemisk interaktion - det "aktive center" - en unik kombination af aminosyrerester i enzymmolekylet, som giver direkte interaktion med substratmolekylet og direkte deltagelse i katalysehandlingen [19] .

Det aktive center er betinget skelnet [19] :

For at katalysere en reaktion skal et enzym binde sig til et eller flere substrater. Enzymets proteinkæde er foldet på en sådan måde, at der dannes et mellemrum, eller fordybning, på overfladen af ​​kuglen, hvor substraterne binder. Denne region kaldes substratbindingsstedet. Normalt falder det sammen med det aktive sted for enzymet eller er placeret i nærheden af ​​det. Nogle enzymer indeholder også bindingssteder for cofaktorer eller metalioner.

Enzymet binder sig til substratet:

Sædvanligvis sker bindingen af ​​et enzym til et substrat på grund af ion- eller hydrogenbindinger, sjældent på grund af kovalente bindinger. Ved slutningen af ​​reaktionen adskilles dets produkt (eller produkter) fra enzymet.

Som et resultat sænker enzymet reaktionens aktiveringsenergi. Dette skyldes, at i nærvær af enzymet, forløber reaktionen ad en anden vej (faktisk sker der en anden reaktion), for eksempel:

I mangel af et enzym:

A+B = AB

I nærværelse af et enzym:

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

hvor A, B er substrater, AB er reaktionsproduktet, F er enzymet.

Enzymer kan ikke levere energi til endergoniske reaktioner (som kræver energi) alene. Derfor kobler de enzymer, der udfører sådanne reaktioner, dem med eksergoniske reaktioner, der fortsætter med frigivelse af mere energi. For eksempel er biopolymersyntesereaktioner ofte koblet med ATP - hydrolysereaktionen .

Nogle enzymers aktive centre er karakteriseret ved fænomenet kooperativitet .

Specificitet

Enzymer udviser sædvanligvis høj specificitet for deres substrater (substratspecificitet). Dette opnås ved delvis komplementaritet af formen, ladningsfordelingen og hydrofobe regioner på substratmolekylet og ved substratbindingsstedet på enzymet. Enzymer udviser også typisk høje niveauer af stereospecificitet (danner kun en af ​​de mulige stereoisomerer som et produkt eller bruger kun en stereoisomer som et substrat), regioselektivitet (danner eller bryder en kemisk binding i kun en af ​​de mulige positioner af substratet) og kemoselektivitet (katalyser kun én kemisk reaktion) af flere mulige betingelser for disse tilstande). På trods af det generelle høje niveau af specificitet kan graden af ​​substrat og reaktionsspecificitet af enzymer være forskellig. For eksempel bryder endopeptidasen trypsin kun en peptidbinding efter arginin eller lysin , medmindre de efterfølges af en prolin, og pepsin er meget mindre specifik og kan bryde en peptidbinding efter mange aminosyrer.

Nøglelås model

I 1890 foreslog Emil Fischer , at enzymernes specificitet bestemmes af den nøjagtige overensstemmelse mellem enzymets form og substratet [20] . Denne antagelse kaldes lås-og-nøgle-modellen. Enzymet binder sig til substratet og danner et kortvarigt enzym-substratkompleks. Men selvom denne model forklarer den høje specificitet af enzymer, forklarer den ikke fænomenet med overgangstilstandsstabilisering, der observeres eksperimentelt.

Modellen med induceret pasform

I 1958 foreslog Daniel Koshland en ændring af "håndhandske"-modellen [21] . Enzymer er generelt ikke stive, men fleksible molekyler. Et enzyms aktive sted kan ændre konformation efter binding til substratet. Sidegrupperne af aminosyrerne på det aktive sted indtager en position, der tillader enzymet at udføre sin katalytiske funktion. I nogle tilfælde ændrer substratmolekylet også konformation efter binding til det aktive sted. I modsætning til nøglelås-modellen forklarer den inducerede pasform ikke kun enzymernes specificitet, men også stabiliseringen af ​​overgangstilstanden. Denne model blev kaldt "hånd-handsken".

Ændringer

Mange enzymer undergår modifikationer efter syntesen af ​​proteinkæden, uden hvilke enzymet ikke viser sin aktivitet i fuldt omfang. Sådanne modifikationer kaldes post-translationelle modifikationer (behandling). En af de mest almindelige typer modifikation er tilføjelsen af ​​kemiske grupper til sideresterne af polypeptidkæden. For eksempel kaldes tilsætningen af ​​en phosphorsyrerest phosphorylering og katalyseres af enzymet kinase . Mange eukaryote enzymer er glycosylerede, dvs. modificeret med kulhydratoligomerer.

En anden almindelig type post-translationelle modifikationer er polypeptidkædespaltning. For eksempel opnås chymotrypsin ( en protease involveret i fordøjelsen ) ved at spalte en polypeptidregion fra chymotrypsinogen. Chymotrypsinogen er en inaktiv forløber for chymotrypsin og syntetiseres i bugspytkirtlen , og derfra transporteres det til duodenum , hvor denne inaktive form aktiveres af trypsin og omdannes til chymotrypsin.

Enzym cofactors

Nogle enzymer udfører den katalytiske funktion på egen hånd uden yderligere komponenter. Der er imidlertid enzymer, der kræver ikke-proteinkomponenter til katalyse. Kofaktorer kan enten være uorganiske molekyler (metalioner, jern-svovlklynger osv.) eller organiske (f.eks. flavin eller hæm ). Organiske cofaktorer, der er stærkt forbundet med enzymet, kaldes også protesegrupper. Organiske cofaktorer, der kan adskilles fra enzymet, kaldes coenzymer.

Et enzym, der kræver en cofaktor for at udvise katalytisk aktivitet, men som ikke er bundet til det, kaldes et apo-enzym. Et apo-enzym i kombination med en cofaktor kaldes et holo-enzym. De fleste af cofaktorerne er forbundet med enzymet ved ikke-kovalente, men ret stærke interaktioner. Der er også protesegrupper, der er kovalent bundet til enzymet, såsom thiaminpyrophosphat i pyruvatdehydrogenase.

Indflydelse af miljøforhold på enzymernes aktivitet

Enzymes aktivitet afhænger af forholdene i cellen eller organismen - tryk, surhedsgrad i miljøet, temperatur, koncentration af opløste salte (opløsningens ionstyrke) osv.

Enzymregulering

Enzymaktivitet er ikke konstant over tid. De reagerer følsomt på den situation, som cellen befinder sig i, på de faktorer, der påvirker den både udefra og indefra. Hovedmålet med en sådan følsomhed af enzymer er at reagere på miljøændringer, tilpasse cellen til nye forhold, give en ordentlig reaktion på hormonelle og andre stimuli og i nogle situationer få en chance for at overleve [22] .

Hæmning

Virkningen af ​​de fleste enzymer kan undertrykkes eller hæmmes af visse kemikalier. Virkningsmekanismen for nogle lægemidler er netop, at de hæmmer visse enzymer i celler med nedsat funktion.

Der er to hovedtyper af inhibitorer: irreversible og reversible. Reversible inhibitorer binder til enzymet ved svage ikke-kovalente bindinger og adskilles under visse betingelser let [23] . Irreversible inhibitorer binder eller ødelægger den funktionelle gruppe af enzymmolekylet. For eksempel binder diisopropylfluorphosphat (DPP, et af de første nervemidler) til OH-gruppen af ​​en serinrest på det aktive sted af acetylcholinesterase, som spiller en vigtig rolle i nerveimpulstransmission, og enzymet holder op med at fungere. DPP er i stand til at hæmme en hel klasse af enzymer, der katalyserer hydrolysen af ​​peptider eller esterbindinger, som udover acetylcholinesterase inkluderer trypsin , chymotrypsin, elastase, phosphoglucomutase og kokonase (et enzym, der udskilles af silkeorm-larven til at hydrolysere silketråden). og frigives fra kokonen). Et karakteristisk træk ved alle disse enzymer er tilstedeværelsen af ​​en serinrest i det aktive center. En anden irreversibel inhibitor, iodoacetamid, kan interagere med SH-grupperne af cysteinrester eller med imidazolgrupperne af histidinrester indeholdt i de aktive steder i en anden række enzymer.

Reversible inhibitorer er konkurrencedygtige, ikke-konkurrerende og ikke-konkurrerende af natur. En kompetitiv inhibitor konkurrerer med substratet om binding til det aktive sted, men i modsætning til substratet gennemgår en enzymbundet kompetitiv inhibitor ikke enzymatisk omdannelse. Et karakteristisk træk ved kompetitiv hæmning er, at den kan svækkes eller helt elimineres ved blot at øge koncentrationen af ​​substratet. I deres tredimensionelle struktur ligner konkurrerende inhibitorer sædvanligvis substratet af et givet enzym. På grund af denne lighed "lurer" de enzymet og binder sig til det. Et klassisk eksempel er inhiberingen af ​​succinatdehydrogenase af malonsyreanionen ( -OOC - CH 2 -COO- ) , som minder om succinat ( -OOC - CH 2 -CH 2 -COO  = 7,0 ioniseret (deprotoneret) form, men indeholder 3 , ikke 4 carbonatomer. Succinatdehydrogenase er ikke i stand til at fjerne hydrogen fra malonat, men malonat optager det aktive sted af enzymet, hvilket forhindrer det i at interagere med et normalt substrat. Forøgelse af koncentrationen af ​​succinat ved en fast koncentration af malonat reducerer graden af ​​enzymhæmning. Også oxaloacetat ( −OOC –CO – CH2– COO– ) virker som en kompetitiv hæmmer af succinatdehydrogenase .

I tilfælde af ikke-konkurrerende hæmning binder stoffet sig til enzymet ikke i det aktive center, men et helt andet sted, men i dette tilfælde ændres enzymmolekylets konformation på en sådan måde, at dets katalytiske center er reversibelt inaktiveret. Ikke-konkurrerende inhibitorer binder reversibelt til både det frie enzym og enzym-substrat-komplekset og danner inaktive enzym-inhibitor- og enzym-substrat-hæmmer-komplekser. De vigtigste ikke-konkurrerende hæmmere er metaboliske mellemprodukter dannet i levende organismer, som reversibelt kan binde til specifikke steder på overfladen af ​​regulerende enzymer. Et eksempel er inhiberingen af ​​L-threonindehydratase af L-isoleucin [24] .

Ved ukonkurrerende hæmning binder inhibitoren sig kun til enzym-substratkomplekset, men ikke til det frie enzym. Substratet, der binder til enzymet, ændrer sin konformation, hvilket gør det muligt at binde sig til inhibitoren. Inhibitoren ændrer på sin side enzymets konformation på en sådan måde, at yderligere katalyse bliver umulig.

Den metaboliske vej er en kæde af successive enzymatiske reaktioner. I nogle tilfælde binder molekyler af slutproduktet af den metaboliske vej til det enzym, der har produceret dem, og forhindrer yderligere dannelse af det samme produkt, så slutproduktet kan også være en hæmmer af enzymet. Denne situation er et særligt tilfælde af ukonkurrencedygtig hæmning. Som regel taler vi i sådanne tilfælde om at blokere den allerførste reaktion af denne metaboliske vej. Hvis der er for meget af slutproduktet, så virker det som en hæmmer for det allerførste enzym, og hvis slutproduktet herefter bliver for lille, så aktiveres det første enzym igen (produkterne af den metaboliske vej i dette tilfælde selv viser sig at være substrater). Så inhibering af slutproduktet skaber mulighed for negativ feedback  , en vigtig måde at opretholde homeostase (den relative konstanthed af betingelserne i kroppens indre miljø), og denne type regulering kaldes feedback -inhibering eller retroinhibering . Et klassisk eksempel på en sådan hæmning er det bakterielle enzymsystem, der katalyserer omdannelsen af ​​L-threonin til L-isoleucin under påvirkning af threonindehydratase, en proces, der omfatter 5 enzymatiske reaktioner. Threonindehydratase hæmmes af produktet fra den sidste reaktion, isoleucin, og isoleucin binder sig ikke til enzymets substratcenter, men til et andet specifikt sted af dets molekyle, kaldet det regulatoriske center . Denne interaktion er ikke ledsaget af dannelsen af ​​stærke kovalente bindinger og er derfor let reversibel. Ingen af ​​mellemprodukterne i denne kæde af reaktioner hæmmer threonindehydratase, og ingen af ​​de andre enzymer i kæden hæmmes af isoleucin, så det kan klassificeres som en meget specifik inhibitor af threonindehydratase [25] .

Aktivering

I mange situationer bliver enzymernes virkning nødvendig for at øge, det vil sige at aktivere enzymerne. Aktivatorer er forskellige stoffer af organisk og uorganisk natur, der øger hastigheden af ​​enzymatiske reaktioner.

Eksempler på organiske aktivatorer: galdesyrer (aktiverer bugspytkirtellipase), enterokinase (aktiverer trypsinogen), glutathion, cystein, vitamin C (øger aktiviteten af ​​oxidoreduktaser), nogle vævsenzymer (oxidoreduktaser, cathepsiner, arginase, planteproteinase osv.) i høj grad aktiveres af forbindelser indeholdende frie SH-grupper (glutathion, cystein).

Eksempler på uorganiske aktivatorer: HCl aktiverer pepsinogen, metalioner (Na + , Cl - , K + , Mg 2+ , Mn 2+ , Zn 2+ ) aktiverer mange enzymer, fordi:

  1. fremme dannelsen af ​​et enzym-substratkompleks;
  2. tjene som donorer og acceptorer af elektroner;
  3. deltage i dannelsen af ​​det aktive center af enzymer (Zn 2+  - i sammensætningen af ​​carbanhydrase, Fe 2+  - i sammensætningen af ​​cytochromer , katalase , peroxidase);
  4. fungere som allosteriske regulatorer (fra græsk ἄλλος  - "andet", στερεός  - "sted"; regulatorens virkning sker på et specifikt reguleringscenter af enzymet, hvilket ændrer substratcentrets affinitet til substratet på grund af en ændring i konformationen af ​​hele molekylet) [26] [27] .

Ioner af divalente og, mere sjældent, monovalente metaller fungerer især ofte som aktivatorer. Der er opnået beviser for, at omkring en fjerdedel af alle kendte enzymer kræver tilstedeværelsen af ​​metaller for at udvise fuld katalytisk aktivitet, uden hvilken mange enzymer bliver inaktive. Så når zink fjernes, mister kulsyreanhydrase (kulsyreanhydrase), som katalyserer biosyntesen og nedbrydningen af ​​H 2 CO 3 , praktisk talt sin enzymatiske aktivitet; desuden kan zink ikke erstattes af noget andet metal. Kendte enzymer, hvis virkning aktiveres af ioner af flere metaller; især aktiveres enolase af Mg 2+ , Mn 2+ , K + . I nogle tilfælde fungerer metalioner (Co 2+ , Mg 2+ , Zn 2+ , Fe 2+ ) som protesegrupper af enzymer eller fungerer som elektronacceptorer og donatorer eller fungerer som elektrofiler eller nukleofiler, hvilket holder de reaktive grupper i den nødvendige orientering. I andre tilfælde bidrager de til bindingen af ​​substratet til det aktive sted og dannelsen af ​​et enzym-substratkompleks. For eksempel sikrer Mg 2+ ioner gennem en negativt ladet phosphatgruppe bindingen af ​​monophosphatestere af organiske stoffer til det aktive center af phosphataser, der katalyserer hydrolysen af ​​disse forbindelser. Nogle gange kombinerer metallet sig med substratet og danner et ægte substrat, som enzymet virker på. Især Mg 2+ ioner aktiverer kreatinfosphokinase på grund af dannelsen af ​​et ægte substrat - magnesiumsaltet af ATP. Endelig er der eksperimentelt bevis på den direkte deltagelse af metaller (f.eks. Ca 2+ ioner i spytamylasemolekylet) i dannelsen og stabiliseringen af ​​det aktive center og hele den tredimensionelle struktur af enzymmolekylet. Det skal også bemærkes, at metaller ofte fungerer som allosteriske modulatorer (effektorer). Ved at interagere med det allosteriske center fremmer en sådan effektor dannelsen af ​​den mest gunstige rumlige konfiguration af enzymet og det aktive enzym-substratkompleks.

Anioner i fysiologiske koncentrationer er sædvanligvis ineffektive eller har ringe aktiverende effekt på enzymer. Undtagelserne er pepsin, nogle anionaktiverede oxidoreduktaser samt spytamylase, som katalyserer stivelseshydrolyse, hvis aktivitet øges under påvirkning af Cl-ioner , og adenylatcyclase, som aktiveres af halogenanioner [28] [29] .

Kovalent modifikation

Der er repræsentanter for klassen af ​​regulatoriske enzymer, hvor overgangen af ​​den aktive form til den inaktive sker ved kovalent modifikation af enzymmolekylet. Denne klasse inkluderer for eksempel glykogenphosphorylase fra muskler og lever, som katalyserer reaktionen ved spaltning af glucose fra glykogen:

(glykogen) n  + fosfat → (glykogen) n-1  + glucose-1-fosfat → mælkesyre (muskel) eller glucose (lever)

Glykogenphosphorylase findes i to former: phosphorylase  a (aktiv form) og phosphorylase  b (relativt inaktiv form). Phosphorylase  a er en dimer bestående af to identiske underenheder, hver med en specifik serinrest phosphoryleret ved hydroxylgruppen. Disse phosphoserinrester er nødvendige for maksimal enzymaktivitet. Disse serinphosphatgrupper kan fjernes af et enzym kaldet phosphorylase phosphatase , der producerer phosphorylase  b , som katalyserer nedbrydningen af ​​glykogen meget mindre aktivt. Den aktive form af glycogenphosphorylase omdannes således til en relativt inaktiv form ved spaltning af to kovalente bindinger mellem fosforsyrerester og to specifikke serinrester i enzymmolekylet.

Phosphorylase  b kan reaktivere igen, det vil sige blive aktiv phosphorylase  a . Denne reaktion udføres af et andet enzym kaldet phosphorylase kinase , som katalyserer overførslen af ​​phosphatgrupper fra ATP til hydroxylgrupperne af specifikke serinrester i phosphorylase  b .

Nedbrydningen af ​​glykogen i skeletmuskulaturen og leveren reguleres således ved at ændre de kvantitative forhold mellem de aktive og inaktive former af enzymet. Overgangen fra en form til en anden er ledsaget af ændringer i enzymets kvaternære struktur, som også påvirker dets katalytiske center.

Selvom reguleringen af ​​enzymers virkning ved deres kovalente modifikation i de fleste kendte tilfælde udføres gennem phosphorylering og dephosphorylering af specifikke serinrester, som netop beskrevet på eksemplet med glycogenphosphorylase, er der andre måder at kovalent modifikation af enzymer på, f.eks. methylering af visse aminosyrerester, binding af adenylatgrupper til dem og andre måder.

Nogle mere komplekse regulatoriske enzymer moduleres af kovalente og ikke-kovalente mekanismer. Sådanne enzymer katalyserer reaktioner, der er de vigtigste trin i metabolismen, så de interagerer med en række regulatoriske metabolitter, der udfører både allosterisk og kovalent modifikation af disse enzymer. Den netop omtalte glycogenphosphorylase hører også til sådanne enzymer, da dens ikke-kovalente (allosteriske) interaktion med adenylat, som er en aktiverende modulator af phosphorylase  b , også er mulig ud over kovalent modifikation . Et andet eksempel er E. coli glutaminsyntetase , et af de mest komplekse regulatoriske enzymer, der interagerer med mange allosteriske regulatorer og også reguleres af reversibel kovalent modifikation [30] .

Flere former for enzymer

De mange former for enzymer kan opdeles i to kategorier:

  • Isoenzymer.
  • Egne flertalsformer (sand).

Isoenzymer  er enzymer, hvis syntese er kodet af forskellige gener, de har forskellige primære strukturer og forskellige egenskaber, men de katalyserer den samme reaktion. Typer af isoenzymer:

  • Organisk - enzymer af glykolyse i leveren og musklerne ( hexokinase ).
  • Cellulær - cytoplasmatisk og mitokondriel malatdehydrogenase (enzymer er forskellige, men katalyserer den samme reaktion).
  • Hybrid - enzymer med en kvaternær struktur, dannes som et resultat af ikke-kovalent binding af individuelle underenheder ( lactatdehydrogenase  - 4 underenheder af 2 typer).
  • Mutanter dannes som et resultat af en enkelt mutation af et gen.
  • Alloenzymer kodes af forskellige alleler af det samme gen.

Faktisk er flere former (sande) enzymer, hvis syntese er kodet af den samme allel af det samme gen, de har den samme primære struktur og egenskaber, men efter syntese på ribosomer undergår de modifikation og bliver forskellige, selvom de katalyserer den samme reaktion .

Isoenzymer er forskellige på det genetiske niveau og adskiller sig fra den primære sekvens, og de sande multiple former bliver forskellige på det post-translationelle niveau.

Udviklingen af ​​enzymer

Som ethvert andet protein ændrer enzymer sig over tid gennem mutationer og sekvensfejl. I betragtning af deres centrale rolle i metabolisme spiller udviklingen af ​​enzymer en kritisk rolle i tilpasningen af ​​organismer. Nøglespørgsmålet er, om enzymer kan ændre deres enzymatiske aktivitet på samme tid, og hvordan dette sker. Det er generelt accepteret, at mange nye enzymatiske aktiviteter har udviklet sig som et resultat af genduplikation og mutation af duplikater, selvom evolution kan forekomme uden duplikering. Et eksempel på et enzym, der har ændret sin aktivitet, er stamfaderen til methionylaminopeptidase (MAP) og kreatinamidinohydrolase (kreatinase), som er tydeligt homologe, men katalyserer forskellige reaktioner (MAP fjerner den aminoterminale methionin i nye proteiner, mens kreatinase hydrolyserer kreatin til sarcosin og urinstof ). Derudover er MAP afhængig af metalioner, mens kreatinase ikke er det, og derfor er denne egenskab også gået tabt over tid [31] . Små ændringer i enzymaktivitet er ekstremt almindelige blandt enzymer. Især kan bindingsspecificiteten af ​​et substrat ændres let og hurtigt ved at ændre individuelle aminosyrer ved substratbindingsstederne. Dette ses ofte i større klasser af enzymer såsom kinaser .

Kunstig (in vitro) evolution er nu meget brugt til at ændre aktiviteten eller specificiteten af ​​enzymer til deres industrielle anvendelser.

Praktisk brug

Enzymer er meget udbredt i den nationale økonomi - fødevarer, landbrug, tekstilindustrien, i farmakologi og medicin. De fleste lægemidler påvirker forløbet af enzymatiske processer i kroppen, starter eller stopper visse reaktioner.

Medicinsk betydning

Forholdet mellem enzymer og arvelige stofskiftesygdomme blev først etableret af A. Garrod i 1910'erne. Garrod kaldte sygdomme forbundet med enzymdefekter "medfødte metabolismefejl."

Hvis der sker en mutation i genet, der koder for et bestemt enzym, kan enzymets aminosyresekvens ændre sig. På samme tid, som et resultat af de fleste mutationer, falder dens katalytiske aktivitet eller forsvinder fuldstændigt. Hvis en organisme modtager to af disse mutante gener (et fra hver forælder), ophører den kemiske reaktion, der katalyseres af det enzym, med at fortsætte i organismen. For eksempel er udseendet af albinoer forbundet med ophør af produktionen af ​​tyrosinase-enzymet, som er ansvarlig for et af stadierne i syntesen af ​​det mørke pigment melanin . Phenylketonuri er forbundet med nedsat eller manglende aktivitet af enzymet phenylalanin-4-hydroxylase i leveren.

I øjeblikket kendes hundredvis af arvelige sygdomme forbundet med enzymdefekter. Metoder til behandling og forebyggelse af mange af disse sygdomme er blevet udviklet.

Enzymer bruges til diagnosticering af sygdomme ved kvantitativ bestemmelse af enzymerne selv i biologiske væsker i patologi.

Der er en stor koncentrationsgradient af enzymer mellem intracellulære og ekstracellulære dele af kroppen. Derfor fører enhver, selv mindre, beskadigelse af celler (nogle gange funktionelle lidelser) til frigivelse af enzymer i det ekstracellulære rum, hvorfra de kommer ind i blodet. En stigning i niveauet af intracellulære enzymer i blodplasma afhænger direkte af arten af ​​den skadelige virkning, virkningsvarigheden og graden af ​​beskadigelse af cellebiomembraner og subcellulære strukturer af organer [32] .

Industrielle applikationer

Retning Brugte enzymer Ansøgning
biobrændstofindustrien Cellulaser Nedbrydning af cellulose til sukkerarter, der kan fermenteres til fremstilling af celluloseholdig ethanol.
Ligninaser Forbehandling af biomasse til produktion af biobrændstoffer [33] .
biologisk vaskemiddel Proteaser , amylaser , lipaser Fjernelse af protein-, stivelses-, fedt- eller oliepletter fra linned og service [34] .
Mannanase Fjernelse af madpletter fra guargummi.
bryggeriindustrien Amylase , glucanase, protease Nedbrydning af polysaccharider og proteiner i malt [35] .
betaglucanase Forbedring af filtreringsegenskaberne for urt og øl [35] .
Amyloglucosidase og pullulanaser Produktion af øl med lavt kalorieindhold og regulering af gæring [35] .
Acetolactat decarboxylase (ALDC) Forøgelse af fermenteringseffektiviteten ved at reducere diacetyl [36] .
Kulinarisk brug Papain Mørning af kød til madlavning [37] .
Mejeriindustrien rennin Proteinhydrolyse i osteproduktion.
Lipaser Produktion af Camembert ost og blåskimmeloste som Roquefort.
fødevareindustri Amylase Produktion af sukker fra stivelse , f.eks. når man laver majssirup med højt fructoseindhold .
Proteaser Reduktion af proteinniveauet i mel til fremstilling af kiks.
trypsin Produktion af hypoallergen babymad.
Cellulaser, pectinaser Oprensning af frugtjuice.
Molekylær Biologi Nukleaser , DNA-ligase og polymeraser Brugen af ​​restriktionsenzymer og PCR til at skabe rekombinant DNA.
papirindustrien Xylanaser, hemicellulaser og ligninperoxidaser Fjernelse af lignin fra kraftpapir [38] .
Personlig hygiejne Proteaser Fjernelse af proteiner fra kontaktlinser for at forhindre infektioner.

Noter

  1. Enzymer // Encyclopedic Dictionary of Brockhaus and Efron  : i 86 bind (82 bind og 4 yderligere). - Sankt Petersborg. , 1890-1907.
  2. Berg, Jeremy M. (Jeremy Mark), 1958-. biokemi . — 5. udg. - New York: WH Freeman, 2002. - 1 bind (diverse sider) s. — ISBN 0716749556 . Arkiveret 27. oktober 2007 på Wayback Machine
  3. Williams, Henry Smith, 1863-1943. En videnskabshistorie: i fem bind. Bind IV: Moderne udvikling af de kemiske og biologiske videnskaber . Hentet 7. juli 2006. Arkiveret fra originalen 9. maj 2012.
  4. Lehninger, 1985 , s. 227.
  5. Opfattelser af gæringer før Pasteur . Hentet 4. april 2015. Arkiveret fra originalen 9. april 2015.
  6. Lehninger, 1985 , s. 231.
  7. ENZYME Enzyme Nomenclature Database . Hentet 25. april 2013. Arkiveret fra originalen 28. april 2013.
  8. Bairoch A. ENZYME-databasen i 2000 Nucleic Acids Res 28:304-305(2000). Arkiveret 1. juni  2011 på Wayback  Machine _
  9. Lehninger, 1985 , s. 229.
  10. International Union of Biochemistry and Molecular Biology. En ny klasse af enzymer: translokaser. . IUBMB NEWS (august 2018). Hentet 13. november 2018. Arkiveret fra originalen 14. november 2018.
  11. Lehninger, 1985 , s. 230.
  12. Volkenshtein M. V., Dogonadze R. R., Madumarov A. K., Urushadze Z. D., Kharkats Yu. I. On the 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.- Lør. "Konformationelle ændringer i biopolymerer i løsninger", forlag "Nauka", Moskva, 1972
  14. Urushadze Z. D., Khidureli V. K. Kvanteberegning af kinetikken af ​​den elementære handling af biokemiske reaktioner .- Lør. "Biochemistry of plants", v.1, forlag "Metsniereba", Tbilisi, 1973
  15. Urushadze Z. Om en virkelig konceptuel ramme for enzymkatalyse - Bull. Georg. Natl. Acad. Sc., bind. 173, nr. 2, Tbilisi, 2006, s. 421-424
  16. Lehninger, 1985 , s. 231-232.
  17. Anfinsen CB Principper, der styrer foldningen af ​​proteinkæder.  (engelsk)  // Science (New York, NY). - 1973. - 20. juli ( bd. 181 , nr. 4096 ). - S. 223-230 . - doi : 10.1126/science.181.4096.223 . — PMID 4124164 .
  18. Lehninger, 1985 , s. 238.
  19. 1 2 Berezov T. T., Korovkin B. F. Biologisk kemi: Lærebog / Pod. udg. acad. USSR Academy of Medical Sciences S. S. Debova. - 2. udgave, revideret. og tilføj - 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 Anvendelse af en teori om enzymspecificitet til proteinsyntese.  (engelsk)  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States Of America. - 1958. - Februar ( bind 44 , nr. 2 ). - S. 98-104 . - doi : 10.1073/pnas.44.2.98 . — PMID 16590179 .
  22. Enzymaktivitet i cellen . Hentet 12. juli 2021. Arkiveret fra originalen 12. juli 2021.
  23. Biokemi (utilgængeligt link) . Hentet 4. april 2015. Arkiveret fra originalen 23. september 2015. 
  24. Lehninger, 1985 , s. 243-246.
  25. Lehninger, 1985 , s. 257-259.
  26. Lehninger, 1985 , s. 258.
  27. Enzymaktivatorer og -hæmmere "Murzim . Hentet 4. april 2015. Arkiveret 10. april 2015.
  28. Berezov T. T., Korovkin B. F. Biologisk kemi: Lærebog - 3. udgave, revideret. og yderligere .. - M . : Medicin, 1998. - 704 s. — ISBN 5-225-02709-1 .
  29. Enzymaktivering og -hæmning . Hentet 4. april 2015. Arkiveret fra originalen 9. april 2015.
  30. Lehninger, 1985 , s. 263-264.
  31. Alexey G. Murzin. Kan homologe proteiner udvikle forskellige enzymatiske aktiviteter?  (engelsk)  // Trends in Biochemical Sciences. — 1993-11. — Bd. 18 , iss. 11 . - S. 403-405 . - doi : 10.1016/0968-0004(93)90132-7 . Arkiveret fra originalen den 5. august 2020.
  32. Popova T.N., Rakhmanova T.P., Popov S.S. Medicinsk Enzymologi: Lærebog. - Voronezh: Publishing and Printing Center of Voronezh State University, 2008. - 64 s.
  33. Hydrolyse af lignocellulosematerialer til ethanolproduktion: en anmeldelse  //  Bioresource Technology. - 2002-05-01. — Bd. 83 , iss. 1 . — S. 1–11 . — ISSN 0960-8524 . - doi : 10.1016/S0960-8524(01)00212-7 . Arkiveret fra originalen den 5. august 2021.
  34. Ole Kirk, Torben Vedel Borchert, Claus Crone Fuglsang. Industrielle enzymanvendelser  (engelsk)  // Current Opinion in Biotechnology. - 2002-08. — Bd. 13 , udg. 4 . — S. 345–351 . - doi : 10.1016/S0958-1669(02)00328-2 . Arkiveret fra originalen den 5. august 2020.
  35. ↑ 1 2 3 D. E. Briggs. Malt og malt . — 1. udg. - London: Blackie Academic, 1998. - xviiii [sic], 796 sider s. - ISBN 0-412-29800-7 , 978-0-412-29800-4.
  36. C. Dulieu, M. Moll, J. Boudrant, D. Poncelet. Forbedret ydeevne og kontrol af ølfermentering ved hjælp af indkapslet α-acetolactatdecarboxylase og modellering  //  Bioteknologiske fremskridt. - 2000-12-01. — Bd. 16 , udg. 6 . — S. 958–965 . — ISSN 8756-7938 . doi : 10.1021 / bp000128k .
  37. Ingredienser i kødprodukter: egenskaber, funktionalitet og anvendelser . — New York: Springer, 2009. — 1 onlineressource (x, 419 sider) s. - ISBN 978-0-387-71327-4 , 0-387-71327-1, 978-0-387-71326-7, 0-387-71326-3.
  38. P. Bajpai. Anvendelse af enzymer i papirmasse- og papirindustrien  //  Bioteknologiske fremskridt. - 1999-04-05. — Bd. 15 , iss. 2 . — S. 147–157 . — ISSN 8756-7938 . doi : 10.1021 / bp990013k .

Litteratur

  • Tarkhanov I. R .,. Enzymer, i fysiologi // Encyclopedic Dictionary of Brockhaus and Efron  : i 86 bind (82 bind og 4 yderligere). - Sankt Petersborg. , 1890-1907.
  • Enzymer, i fysiologi // Encyclopedic Dictionary of Brockhaus and Efron  : i 86 bind (82 bind og 4 yderligere). - Sankt Petersborg. , 1890-1907.
  • Enzymer i planter // Encyclopedic Dictionary of Brockhaus and Efron  : i 86 bind (82 bind og 4 yderligere). - Sankt Petersborg. , 1890-1907.
  • Enzymer // Encyclopedic Dictionary of Brockhaus and Efron  : i 86 bind (82 bind og 4 yderligere). - Sankt Petersborg. , 1890-1907.
  • Lehninger A. Fundamentals of biochemistry: I 3 bind. Bind 1. - Moskva: Mir, 1985. - 367 s.
  • Volkenstein M. V., Dogonadze R. R., Madumarov A. K., Urushadze Z. D., Kharkats Yu. I. Om teorien om enzymatisk katalyse.- Molecular biology, bind 6, nr. 3, 1972, art. 431-439.
  • Dixon, M. Enzymes / M. Dixon, E. Webb. - I 3 bind - Pr. fra engelsk. - V.1-2. — M.: Mir, 1982. — 808 s.
  • Koshland D. The Enzymes, V. I, Ch. 7. New York, Acad. Tryk, 1959.
  • Urushadze Z. Om en virkelig konceptuel ramme for enzymkatalyse.- Bull. Georg. Natl. Acad. Sc., bind. 173, nr. 2, 2006, 421-424.
  • Wolf M., Ransberger K. Behandling med enzymer  - M .: Mir, 1976.