Ферменты

Определение

Ферменты - это белки, вырабатываемые в клетках растений и животных, которые действуют как катализаторы, ускоряя биологические реакции, не подвергаясь модификации.

Ферменты работают путем объединения с определенным веществом, чтобы преобразовать его в другое вещество; классическими примерами являются пищеварительные ферменты, присутствующие в слюне, желудке, поджелудочной железе и тонком кишечнике, которые выполняют важную функцию в пищеварении и помогают расщеплять пищу на основные составляющие, которые затем могут абсорбироваться и использоваться организмом, обрабатываться другими ферментами или выводится как отходы.

У каждого фермента своя роль: например, тот, который расщепляет жиры, не действует на белки или углеводы. Ферменты необходимы для благополучия организма. Дефицит даже одного фермента может вызвать серьезные нарушения. Хорошо известным примером является фенилкетонурия (ФКУ), заболевание, характеризующееся неспособностью метаболизировать незаменимую аминокислоту, фенилаланин, накопление которого может вызвать физические деформации и психические заболевания.

Биохимическое исследование

Ферменты - это особые белки, которые обладают характеристикой биологических катализаторов, то есть они обладают способностью разрушать энергию активации (Eatt) реакции, изменяя ее путь, так что кинетически медленный процесс происходит быстрее.

Ферменты увеличивают кинетику термодинамически возможных реакций и, в отличие от катализаторов, они более или менее специфичны: поэтому они обладают субстратной специфичностью.
Фермент не участвует в стехиометрии реакции: для этого конечный каталитический сайт должен быть идентичен стартовому.
В каталитическом действии почти всегда присутствует медленная фаза, которая определяет скорость процесса.
Когда мы говорим о ферментах, неправильно говорить о равновесных реакциях, вместо этого мы говорим о устойчивое состояние (состояние, при котором определенный метаболит постоянно образуется и потребляется, сохраняя его концентрацию почти постоянной с течением времени). Продукт реакции, катализируемой одним ферментом, обычно сам по себе является реагентом для последующей реакции, катализируемой другим ферментом, и так далее.
Процессы, катализируемые ферментами, обычно состоят из последовательности реакций.
Типичную реакцию, катализируемую ферментом (E), можно резюмировать следующим образом:

E - фермент

S - подложка;
ES представляет собой аддукт между ферментом и субстратом;

P - продукт;
K - константа скорости реакции.

Общий фермент (E) объединяется с субстратом (S) с образованием аддукта (ES) с константой скорости K1; он может диссоциировать обратно на E + S с константой скорости K2, или (если «живет» достаточно долго ) может образовывать P с константой скорости K3.

Продукт (P), в свою очередь, может рекомбинировать с ферментом и преобразовывать аддукт с константой скорости K4.
Когда фермент и субстрат смешиваются, существует часть времени, в течение которой встреча между двумя видами еще не произошла: то есть существует чрезвычайно короткий промежуток времени (который зависит от реакции), в течение которого фермент и субстрат имеют еще не выполнено; по истечении этого периода фермент и субстрат вступают в контакт в возрастающих количествах и образуется аддукт ES. Затем фермент воздействует на субстрат, и продукт высвобождается. Тогда можно сказать, что c "- это начальный интервал времени, в котором концентрацию аддукта ES невозможно определить; после этого периода предполагается, что установившееся состояние установлено, то есть скорость процессов, приводящих к получению аддукта, равна скорости процессов, которые приводят к разрушению аддукта.
Константа Михаэлиса-Ментен (KM) - это константа равновесия (относящаяся к первому равновесию, описанному выше); можно сказать, с хорошим приближением (потому что K3 также следует учитывать), что KM представлен отношением между кинетическими константами K2 и K1 (относящимися к разрушению и образованию аддукта ES в первом равновесии, описанном выше) .
Посредством константы Михаэлиса-Ментен мы имеем «указание на сродство между ферментом и субстратом: если KM мало, c» означает «высокое сродство между ферментом и субстратом, то аддукт ES является стабильным.

Ферменты подлежат регулированию (или модуляции).
В прошлом в основном говорилось об отрицательной модуляции, то есть ингибировании каталитических возможностей фермента, но может быть и положительная модуляция, то есть существуют виды, способные усилить каталитические способности фермента.
Существует 4 типа запретов (полученных из приближений, сделанных на модели для согласования экспериментальных данных с математическими уравнениями):

• конкурентное торможение
• неконкурентное торможение
• бесконкурентное торможение
• конкурентное торможение

Мы говорим о конкурентном ингибировании, когда молекула (ингибитор) может конкурировать с субстратом. Для структурного сходства ингибитор может реагировать вместо субстрата, отсюда и термин "конкурентное ингибирование". Вероятность того, что фермент связывается с ингибитором или субстратом, зависит от концентрации обоих и их сродства с ферментом; поэтому скорость реакции зависит от этих факторов.
Чтобы получить такую ​​же скорость реакции, как и без ингибитора, необходимо иметь более высокую концентрацию субстрата.
Экспериментально показано, что в присутствии ингибитора константа Михаэлиса-Ментен увеличивается.

Что касается, напротив, «неконкурентное ингибирование, взаимодействие между молекулой, которая должна функционировать как модулятор (положительный или отрицательный ингибитор), и« фермент », происходит в сайте, отличном от того, в котором происходит взаимодействие. происходит между ферментом и субстратом; поэтому мы говорим об аллостерической модуляции (от греч. аллостерос → другой сайт).
Если ингибитор связывается с ферментом, он может вызвать изменение структуры фермента и, следовательно, может снизить эффективность связывания субстрата с ферментом.
В этом типе процесса константа Михаэлиса-Ментен остается постоянной, поскольку это значение зависит от равновесия между ферментом и субстратом, и даже в присутствии ингибитора эти равновесия не меняются.

Явление бесконкурентного торможения встречается редко; Типичный неконкурентный ингибитор - это вещество, которое обратимо связывается с аддуктом ES, вызывая ESI:

Ингибирование из-за избытка субстрата иногда может быть неконкурентоспособным, поскольку это происходит, когда вторая молекула субстрата связывается с комплексом ES, давая начало комплексу ESS.

С другой стороны, конкурентный ингибитор может связываться только с аддуктом фермента субстрата, как в предыдущем случае: связывание субстрата со свободным ферментом вызывает конформационную модификацию, которая делает сайт доступным для ингибитора.
Константа Михаэлиса Ментен уменьшается с увеличением концентрации ингибитора: видимо, следовательно, сродство фермента к субстрату увеличивается.

Сериновая протеаза

Это семейство ферментов, к которому относятся химотрипсин и трипсин.
Химотрипсин - это протеолитический и гидролитический фермент, который разрезает справа гидрофобные и ароматические аминокислоты.
Продукт гена, кодирующего химотрипсин, не активен (активируется командой); Неактивная форма химотрипсина представлена ​​полипептидной цепью из 245 аминокислот. Химотрипсин имеет глобулярную форму из-за пяти дисульфидных мостиков и других второстепенных взаимодействий (электростатические, силы Ван-дер-Ваальса, водородные связи и т. Д.).
Химотрипсин вырабатывается химозными клетками поджелудочной железы, где он содержится в специальных мембранах и выводится через проток поджелудочной железы в кишечник во время переваривания пищи: химотрипсин фактически является пищеварительным ферментом. Белки и питательные вещества, которые мы потребляем с пищей, подвергаются перевариванию, превращаясь в более мелкие цепочки и поглощаясь и превращаясь в энергию (например, амилазы и протеазы расщепляют питательные вещества на глюкозу и аминокислоты, которые достигают клеток через кровеносные сосуды. они достигают воротной вены и оттуда попадают в печень, где проходят дальнейшее лечение).
Ферменты производятся в неактивной форме и активируются только тогда, когда достигают «места, где они должны работать»; как только их действие завершено, они деактивируются. Деактивированный фермент не может быть повторно активирован: для «дальнейшего каталитического действия» он должен быть заменен »другой молекулой фермента. Если бы химитрипсин вырабатывался в активной форме уже в поджелудочной железе, он атаковал бы последнюю: панкреатит - это патология из-за пищеварительных ферментов, которые уже активированы в поджелудочной железе (а не в необходимых местах); некоторые из них, если вовремя не лечить, привести к смерти.
В химотрипсине и во всех сериновых протеазах каталитическое действие обусловлено наличием спиртового аниона (-CH2O-) в боковой цепи серина.
Сериновые протеазы получили это название именно потому, что их каталитическое действие обусловлено серином.
После того, как весь фермент выполнил свое действие, прежде чем он сможет снова воздействовать на субстрат, его необходимо восстановить водой; «высвобождение» серина водой является самой медленной стадией процесса, и именно эта фаза. определяющая скорость катализа.
Каталитическое действие происходит в две фазы:

• образование аниона с каталитическими свойствами (анион алкоголят) и последующая нуклеофильная атака на карбонильный углерод (C = O) с разрывом пептидной связи и образованием сложного эфира;
• водная атака с восстановлением катализатора (способного снова проявить свое каталитическое действие).

Различные ферменты, принадлежащие к семейству сериновых протеаз, могут состоять из разных аминокислот, но для всех из них каталитический сайт представлен спиртовым анионом боковой цепи серина.
Подсемейство сериновых протеаз - это подсемейство ферментов, участвующих в коагуляции (которая заключается в превращении белка из их неактивной формы в «другую активную форму»). Эти ферменты гарантируют, что коагуляция будет максимально эффективной и ограничена пространство и время (коагуляция должна происходить быстро и происходить только в непосредственной близости от поврежденной области). Ферменты, участвующие в коагуляции, активируются каскадом (от активации одного фермента получают миллиарды ферментов: каждый активированный фермент , в свою очередь активирует многие другие ферменты).
Тромбоз - это патология, вызванная нарушением работы ферментов свертывания крови: это вызвано активацией без необходимости (потому что нет повреждения) ферментов, используемых при свертывании.

Существуют модулирующие (регуляторные) ферменты и ингибирующие ферменты для других ферментов: взаимодействуя с последними, они регулируют или подавляют их активность; даже продукт фермента может быть ингибитором фермента. Существуют также ферменты, которые действуют тем сильнее, чем больше субстрата присутствует.

Лизоцим

Луиджи Пастер, чихнув на чашку Петри, обнаружил, что в слизи есть фермент, способный убивать бактерии: лизоцим; с греческого: Лисо = какой размер; Зимо = фермент.
Лизоцим способен разрушать клеточную стенку бактерий. Бактерии и одноклеточные организмы в целом нуждаются в механически устойчивых структурах, ограничивающих их форму; внутри бактерий существует очень высокое осмотическое давление, поэтому они притягивают воду. Плазматическая мембрана взорвалась бы, если бы не было клеточной стенки, препятствующей проникновению воды и ограничивающей объем бактерии.
Клеточная стенка состоит из полисахаридной цепи, в которой чередуются молекулы N-ацетил-глюкозамина (NAG) и молекулы N-ацетилмурамовой кислоты (NAM); связь между NAG и NAM разрывается при гидролизе.Карбоксильная группа NAM в клеточной стенке связана пептидной связью с аминокислотой.
Между различными цепями образуются мостики, состоящие из псевдопептидных связей: разветвление происходит за счет молекулы лизина; структура в целом очень разветвленная, что придает ей высокую устойчивость.
Лизоцим - антибиотик (убивает бактерии): он действует, создавая трещину в бактериальной стенке; когда эта структура (которая механически устойчива) разрушается, бактерия втягивает воду, пока не лопнет. Лизоциму удается разорвать β-1,4-глюкозидную связь между NAM и NAG.
Каталитический сайт лизоцима представлен бороздкой, которая проходит вдоль фермента, в который вставлена ​​полисахаридная цепь: шесть глюкозидных колец цепи помещены в бороздку.
В позиции три канавки c "находится дроссель: в этом положении может быть размещен только один NAG, потому что NAM, который имеет более высокие размеры, не может войти. Фактический каталитический центр находится между положениями четыре и пять: поскольку есть NAG в позиции три, разрез будет происходить между NAM и NAG (а не наоборот); следовательно, разрез будет специфическим.
Оптимальный pH для работы лизоцима - пять. В каталитическом сайте фермента, то есть между положениями 4 и 5, находятся боковые цепи аспарагиновой кислоты и глутаминовой кислоты.

Степень гомологии: измеряет родство (то есть сходство) между белковыми структурами.

Между лизоцимом и лактозосинтазой существует тесная взаимосвязь.
Лактозосинтетаза синтезирует лактозу (который является основным молочным сахаром): лактоза представляет собой галактозилглюкозид, в котором с "представляет собой β-1,4-глюкозидную связь между галактозой и глюкозой.
Следовательно, лактозосинтетаза катализирует реакцию, противоположную реакции, катализируемой лизоцимом (который вместо этого расщепляет β-1,4-глюкозидную связь).
Лактозосинтетаза представляет собой димер, то есть состоит из двух белковых цепей, одна из которых обладает каталитическими свойствами и сопоставима с лизоцимом, а другая является регуляторной субъединицей.
Во время беременности гликопротеины синтезируются клетками молочной железы под действием галатозил-трансферазы (она имеет «40% гомологию последовательности с лизоцимом»): этот фермент способен переносить галактозильную группу из высокоэнергетической структуры в гликопротеиновая структура. Во время беременности индуцируется экспрессия гена, который кодирует галактозил-трансферазу (есть также экспрессия других генов, которые также дают другие продукты): происходит увеличение размера груди, потому что он активируется молочная железа (ранее неактивная), которая должна производить молоко. Во время родов вырабатывается α-лактальбумин, который является регуляторным белком: он способен регулировать каталитическую способность галактозил-трансферазы (различая субстрат). Галактозил-трансфераза, модифицированная α-лактальбумином, способна переносить галактозил на молекулу глюкозы: образуя β-1,4-гликозидную связь и давая лактозу (лактозосинтетазу).
Следовательно, трансфераза галактозы подготавливает молочную железу перед родами и производит молоко после родов.
Для производства гликопротеинов галактозилтрансфераза связывается с галактозилом и NAG; Во время родов лактальный альбумин связывается с галактозилтрансферазой, заставляя последнюю распознавать глюкозу и больше не NAG, чтобы дать лактозу.