definīcija
Fermenti ir proteīni, kas ražoti augu un dzīvnieku šūnās, kas darbojas kā katalizatori, paātrinot bioloģiskās reakcijas, nemainot tās.
Fermenti darbojas, kombinējot ar konkrētu vielu, lai pārveidotu to par citu vielu; klasiskos piemērus sniedz gremošanas fermenti, kas atrodas siekalās, kuņģī, aizkuņģa dziedzerī un tievajās zarnās, kas veic būtisku funkciju gremošanas procesā un palīdz sadalīt pārtikas produktus galvenajās sastāvdaļās, kuras pēc tam var absorbēt un lietot organismā. pārstrādā citi fermenti vai izraidīti kā atkritumi.
Katram fermentam ir īpaša loma, piemēram, tauki, kas sabojā taukus, neietekmē olbaltumvielas vai ogļhidrātus. Fermenti ir būtiski organisma labklājībai. Pat viena enzīma trūkums var izraisīt nopietnus traucējumus. Diezgan labi zināms piemērs ir fenilketonūrija (PKU), slimība, ko raksturo nespēja metabolizēt būtisku aminoskābi, fenilalanīnu, kura uzkrāšanās var izraisīt fiziskas deformācijas un garīgās slimības.
Bioķīmiskā analīze
Fermenti ir īpaši proteīni, kuriem piemīt bioloģiskie katalizatori, ti, tie spēj samazināt reakcijas aktivācijas enerģiju (Eatt), mainot tās ceļu, lai kinetiski lēns process parādītos ātrāk.
Fermenti palielina termodinamiski iespējamo reakciju kinētiku un, atšķirībā no katalizatoriem, ir vairāk vai mazāk specifiski: tāpēc tiem piemīt substrāta specifika.
Enzīms nav iesaistīts reakcijas stehiometrijā: lai tas notiktu, ir svarīgi, lai galīgā katalītiskā vieta būtu identiska sākuma.
Katalītiskajā darbībā gandrīz vienmēr ir lēna fāze, kas nosaka procesa ātrumu.
Runājot par fermentiem, nav pareizi runāt par līdzsvara reakcijām, mēs runājam nevis līdzsvara stāvoklim (stāvoklis, kurā tiek veidots un patērēts nepārtraukts metabolīts, saglabājot tā koncentrāciju laika gaitā gandrīz nemainīgu). Reakcija, ko katalizē enzīms, parasti ir reaģents nākamajai reakcijai, ko katalizē cits enzīms utt.
Enzīmu katalizētie procesi parasti sastāv no reakciju sekvences.
Tādējādi var shematizēt vispārēju reakciju, ko katalizē enzīms (E):
Ģenēriskais enzīms (E) apvienojas ar substrātu (S), lai izveidotu aduktu (ES) ar ātruma konstantu K1; tā var atkal atdalīties E + S, ar ātruma konstantu K2, vai (ja "dzīvo" pietiekami ilgi), tā var pāriet uz formu P ar ātruma konstantu K3.
Produkts (P), savukārt, var rekombinēt ar fermentu un pārveidot adduktu ar ātruma konstantu K4.
Ja fermentu un substrātu sajauc, ir daļa laika, kurā vēl nav notikusi divu sugu tikšanās: tas ir, ir ļoti īss laika intervāls (kas ir atkarīgs no reakcijas), kurā fermenti un substrāts vēl nav sasnieguši; pēc šī perioda enzīms un substrāts nonāk saskarē ar arvien lielākiem daudzumiem un veidojas ES pievienošanās. Pēc tam enzīms iedarbojas uz substrātu un produkts tiek atbrīvots. Tad var teikt, ka ir sākotnējais laika intervāls, kurā ES pievienošanās koncentrācija nav definējama; pēc šī perioda tiek pieņemts, ka tiek izveidots vienmērīgs stāvoklis, ti, procesu, kas noved pie addukta, ātrums ir vienāds ar procesu ātrumu, kas noved pie addukta iznīcināšanas.
Michaelis-Menten konstante (KM) ir līdzsvara konstante (attiecas uz pirmo iepriekš aprakstīto līdzsvaru); mēs varam teikt, ar labu aproksimāciju (jo jāņem vērā arī K3), ka KM attēlo attiecība starp kinētiskajām konstantēm K2 un K1 (atsaucoties uz addukta ES iznīcināšanu un veidošanos pirmajā iepriekš aprakstītajā līdzsvarā).
Caur Michaelis-Menten konstantu mums ir norāde par enzīmu un substrāta afinitāti: ja KM ir maza, starp fermentu un substrātu ir augsta afinitāte, tāpēc ES pievienošanās ir stabila.
Fermenti ir pakļauti regulējumam (vai modulācijai).
Agrāk runāja galvenokārt par negatīvu modulāciju, ti, fermenta katalītisko spēju inhibēšanu, bet var būt arī pozitīva modulācija, tas ir, ir sugas, kas spēj uzlabot fermenta katalītiskās spējas.
Pastāv četri traucējumu veidi (iegūti no aptuveniem datiem, kas veikti modelī, lai atbilstu eksperimentālajiem datiem ar matemātiskajiem vienādojumiem):
- konkurētspējīgu inhibīciju
- nekonkurējoša inhibīcija
- Neatbilstoša inhibīcija
- konkurences traucējumi
Tiek runāts par konkurētspējīgu inhibīciju, ja molekula (inhibitors) spēj konkurēt ar substrātu. Ar strukturālu līdzību inhibitors var reaģēt substrāta vietā; tas ir jēdziens "konkurējoša inhibīcija". Iespēja, ka enzīms saistās ar inhibitoru vai substrātu, ir atkarīgs no abu koncentrācijas un to afinitātes ar fermentu; reakcijas ātrums ir atkarīgs no šiem faktoriem.
Lai iegūtu tādu pašu reakcijas ātrumu, kāds varētu rasties bez inhibitora klātbūtnes, ir nepieciešama augstāka substrāta koncentrācija.
Eksperimentāli parādīts, ka inhibitora klātbūtnē Michaelis-Menten pastāvīgi palielinās.
Tā vietā attiecībā uz nekonkurējošu inhibīciju mijiedarbība starp molekulu, kas darbojas kā modulators (pozitīvs vai negatīvs inhibitors), un fermentu, notiek vietā, kas atšķiras no tās, kurā mijiedarbība starp fermentu un substrātu; tāpēc mēs runājam par allosterisko modulāciju (no Grieķijas allosteros → citas vietas).
Ja inhibitors iet uz saistībām ar fermentu, tas var izraisīt fermenta struktūras modifikāciju, un tādējādi tas var samazināt efektivitāti, ar kādu substrāts saistās ar fermentu.
Šāda veida procesā Michaelis-Menten konstante paliek nemainīga, jo šī vērtība ir atkarīga no līdzsvaras starp fermentu un substrātu, un šie līdzsvari pat inhibitora klātbūtnē nemainās.
Nefetenta inhibīcijas parādība ir reta; tipisks nekompetents inhibitors ir viela, kas atgriezeniski saistās ar ES pievienošanos, kas izraisa ESI:
Pārmērīga substrāta inhibīcija dažkārt var būt nekompetents, jo tas notiek, kad otrā substrāta molekula saistās ar ES kompleksu, izraisot ESS kompleksu.
No otras puses, konkurējošs inhibitors var saistīties tikai ar substrāta enzīmu adduktu, kā iepriekšējā gadījumā: substrāta saistīšanās ar brīvo fermentu izraisa konformāciju modifikāciju, kas padara šo vietu pieejamu inhibitoram.
Pastāvīgā Michaelis Menten konstante samazinās, palielinoties inhibitoru koncentrācijai: tāpēc acīmredzami palielinās fermenta afinitāte pret substrātu.
Serīna proteāzes
Tie ir fermentu ģimene, kurai pieder chimotripsin un trippsīns.
Himotripsīns ir proteolītisks un hidrolītisks enzīms, kas labo hidrofobās un aromātiskās aminoskābes.
Ģenētiskais produkts, kas kodē himotripsīnu, nav aktīvs (tas tiek aktivizēts ar komandu); himotripsīna neaktīvo formu pārstāv polipeptīdu ķēde ar 245 aminoskābēm. Himotripsīnam ir globulāra forma, ko izraisa pieci disulfīdu tilti un citas nelielas mijiedarbības (elektrostatiskie, Van der Vālsa spēki, ūdeņraža saites uc).
Himotripsīnu ražo aizkuņģa dziedzeris, kur tas atrodas īpašās membrānās un izdalās caur aizkuņģa dziedzera kanālu zarnās, pārtikas sagremošanas laikā: chimotripsīns faktiski ir gremošanas enzīms. Olbaltumvielas un barības vielas, kuras mēs uzņemam ar uzturu, tiek pakļautas gremošanai, lai tās samazinātu līdz mazākām ķēdēm un absorbētu un pārveidotu enerģijā (piemēram, amilāzes un proteāzes sadala barības vielas glikozes un aminoskābēs, kas sasniedz šūnas, caur asinsvadiem tie sasniedz portāla vēnu, un no turienes tie tiek nogādāti aknās, kur viņi tiek pakļauti turpmākai ārstēšanai).
Fermenti tiek ražoti neaktīvā formā un tiek aktivizēti tikai tad, kad tie sasniedz "vietu, kur tiem jādarbojas"; kad viņu darbība ir beigusies, tie tiek deaktivizēti. Pēc dezaktivēšanas fermentu nevar atkārtoti aktivizēt: lai iegūtu papildu katalītisko iedarbību, tā jāaizstāj ar citu fermentu molekulu. Ja chimitripsina jau ir bijusi aktīvā veidā aizkuņģa dziedzerī, tas uzbruks pēdējam: pankreatīts ir patoloģijas, ko izraisa gremošanas fermenti, kas jau ir aktivizēti aizkuņģa dziedzeris (nevis nepieciešamajās vietās); dažas no tām, ja tās netiek ārstētas laikā, izraisa nāvi.
Himotripsīnā un visos serīna proteāzos katalītiskā iedarbība ir saistīta ar alkolāta anjonu (-CH2O), kas atrodas serīna sānu ķēdē.
Serīna proteāzes šo nosaukumu iegūst tieši tāpēc, ka to katalītiskā iedarbība ir saistīta ar serīnu.
Kad viss enzīms ir veicis savu darbību, pirms tā var atkārtoti darboties uz substrāta, tas ir jāatjauno ar ūdeni; serīna "atbrīvošana" no ūdens ir procesa lēnākais posms, un tieši šis posms nosaka katalīzes ātrumu.
Katalītiskā darbība notiek divās fāzēs:
- anjonu veidošanās ar katalītiskām īpašībām (alkolāta anjonu) un tam sekojošais nukleofilais uzbrukums karboniloglēm (C = O) ar peptīda saiti un estera veidošanos;
- ūdens uzbrukums ar katalizatora atgūšanu (kas spēj atkārtoti izmantot katalītisko darbību).
Dažādus serīna proteāžu grupas enzīmus var veidot no dažādām aminoskābēm, bet visiem par katalītisko vietu pārstāv serīna sānu ķēdes alkolāta anjonu.
Serīna proteāžu apakšgrupa ir fermentu, kas iesaistīti koagulācijā (kas sastāv no olbaltumvielu transformācijas, no neaktīvās formas uz citu formu, kas ir aktīva). Šie fermenti nodrošina, ka koagulācija ir pēc iespējas efektīvāka un ierobežota telpā un laikā (koagulācijai jānotiek ātri un tai jānotiek tikai cietušās zonas tuvumā). Koagulācijā iesaistītie fermenti tiek aktivizēti kaskādē (no viena fermenta aktivācijas iegūst miljardiem fermentu: katrs enzīms aktivizējas, savukārt aktivizē daudzus citus fermentus).
Tromboze ir slimība, ko izraisa koagulācijas enzīmu darbības traucējumi: to izraisa aktivācija, bez nepieciešamības (jo nav bojājuma), koagulēšanā izmantotie fermenti.
Citiem fermentiem ir modulējoši fermenti (regulatori) un inhibitori: mijiedarbojoties ar pēdējiem, tie regulē vai inhibē to aktivitāti; pat fermenta produkts var būt fermenta inhibitors. Pastāv arī fermenti, kas darbojas vairāk, jo lielāks ir substrāts.
lizocīms
Luigi Pasteur nejauši atklāja, ka šķaudās uz Petri trauciņā, ka gļotās ir enzīms, kas spēj nogalināt baktērijas: lizocīms ; no grieķu valodas: liso = kas sagriež; zimo = enzīms.
Lizozīms spēj lauzt baktēriju šūnu sienu. Baktērijām un kopumā vienšūnu organismiem ir nepieciešamas mehāniski izturīgas struktūras, kas ierobežo to formu; baktēriju iekšpusē ir ļoti augsts osmotiskais spiediens, tāpēc tie piesaista ūdeni. Plazmas membrāna varētu eksplodēt, ja nebūtu šūnu sienas, kas iebilst pret ūdens iekļūšanu un ierobežo baktērijas tilpumu.
Šūnu siena sastāv no polisaharīda ķēdes, kurā N-acetil-glikozamīna (NAG) molekulas un N-acetil-muramīnskābes (NAM) molekulas aizstājēji; saikne starp NAG un NAM sadalās hidrolīzes ceļā. NAM karboksilgrupa šūnu sienā ir saistīta ar peptīdu saiti ar aminoskābi.
Starp dažādām ķēdēm tiek veidoti tilti, kas sastāv no pseido-peptīdu saitēm: sazarojums ir saistīts ar lizīna molekulu; struktūra kopumā ir ļoti sazarota, un tas nodrošina augstu stabilitāti.
Lizozīms ir antibiotika (tā nogalina baktērijas): tā darbojas, veidojot plaisu baktēriju sienā; ja šī konstrukcija ir bojāta (kas ir mehāniski izturīga), baktērija piesaista ūdeni, līdz tā saplūst. Lizozīms spēj lauzt b-1, 4 glikozīdu saiti starp NAM un NAG.
Lizocīma katalītisko vietu attēlo rieva, kas stiepjas gar fermentu, kurā ievietota polisaharīda ķēde: seši glikozīdu gredzeni atrodami rievā.
Gropes trīs pozīcijā ir sastrēgums: šajā pozīcijā var izvietot tikai vienu NAG, jo NAM, kas ir lielāks, nevar iekļūt. Faktiskais katalītiskais laukums ir starp četriem un pieciem pozīcijām: trešajā pozīcijā ir NAG, griezums notiks starp NAM un NAG (nevis otrādi); tāpēc griezums ir specifisks.
Optimālais pH līmenis lizocīma funkcionēšanai ir pieci. Fermenta katalītiskajā vietā, kas ir starp četrām un piecām pozīcijām, ir aspartīnskābes un glutamīnskābes sānu ķēdes.
Homoloģijas pakāpe : mēra attiecību starp olbaltumvielu struktūrām (ti, līdzību).
Pastāv stingra saikne starp lizocīmu un laktozes sintetāzi.
Laktozes sintāze sintezē laktozi (kas ir galvenais piena cukurs): laktoze ir galaktozilglikozīds, kurā pastāv galaktozes un glikozes saikne ar β-1, 4 glikozīdu.
Tādējādi laktozes sintetāze katalizē reakciju, kas ir pretēja lizocīma katalizācijai (kas sabojā β-1, 4 glikozīdu saiti)
Laktozes sintāze ir dimērs, tas ir, tas sastāv no divām olbaltumvielu ķēdēm, no kurām viena ir katalītiskas īpašības un ir salīdzināma ar lizozīmu, bet otra ir regulējošā apakšvienība.
Grūtniecības laikā glikoproteīni tiek sintezēti no krūts dziedzera šūnām ar galatosil-tranferāzes darbību (tai ir 40% secības homoloģija ar lizozīmu): šis enzīms spēj pārnest galaktosilgrupu no augstas enerģijas struktūras glikoproteīna struktūru. Grūtniecības laikā tiek izsaukts gēnu, kas kodē galaktozes-transferāzi, ekspresija (ir arī citu gēnu ekspresija, kas arī dod citus produktus): palielinās krūšu izmērs, jo piena dziedzeris ir aktivizēts (iepriekš nav aktīvs), kas ražo pienu. Dzemdību laikā tiek ražots α-laktālalbumīns, kas ir regulējošs proteīns: tas spēj regulēt galaktosil-transferāzes katalītisko kapacitāti (pateicoties substrāta diskriminācijai). Galaktosil-transferāze, ko modificē α-laktalalbumīns, spēj pārnest galaktozilu uz glikozes molekulu: veidojot β-1, 4 glikozīdu saiti un dodot laktozi (laktozes sintetāzi).
Tādējādi galaktozes transferāze pirms piena sagatavošanas sagatavo piena dziedzeru un pēc piegādes piegādā pienu.
Glikoproteīnu ražošanai galaktoziltransferāze saistās ar galaktozilu un NAG; dzemdību laikā laktālā albumīns saistās ar galaktoziltransferāzi, izraisot tā atpazīšanu glikozi, nevis NAG, lai iegūtu laktozi.
