enzime

definiție

Enzimele sunt proteine ​​produse în celulele vegetale și animale, care acționează ca catalizatori, accelerând reacțiile biologice fără a fi modificate.

Enzimele funcționează prin combinarea cu o substanță specifică pentru ao transforma într-o substanță diferită; exemplele clasice sunt date de enzimele digestive prezente în salivă, în stomac, în pancreas și în intestinul subțire, care au o funcție esențială în digestie și ajută la separarea alimentelor în constituenții de bază, care apoi pot fi absorbite și utilizate de corp, prelucrate de alte enzime sau eliminate ca deșeuri.

Fiecare enzimă are un rol specific: cel care descompune grăsimile, de exemplu, nu acționează asupra proteinelor sau a carbohidraților. Enzimele sunt esențiale pentru bunăstarea organismului. Deficitul, chiar și al unei singure enzime, poate provoca tulburări grave. Un exemplu destul de bine cunoscut este fenilcetonuria (PKU), o boală caracterizată prin incapacitatea de a metaboliza un aminoacid esențial, fenilalanina, a cărei acumulare poate provoca deformări fizice și boli mintale.

Analiza biochimică

Enzimele sunt proteine ​​particulare care au caracteristica de a fi catalizatori biologici, adică au abilitatea de a descompune energia de activare (Eatt) a unei reacții, modificând calea sa de a face un proces lent cinetic, se dovedesc mai repede.

Enzimele cresc cinetica reacțiilor posibile din punct de vedere termodinamic și, spre deosebire de catalizatori, ele sunt, mai mult sau mai puțin, specifice: prin urmare, au specificitate substrat.

Enzima nu este implicată în stoichiometria reacției: pentru ca acest lucru să se întâmple, este esențial ca situl catalitic final să fie identic cu cel original.

În acțiunea catalitică există aproape întotdeauna o fază lentă care determină viteza procesului.

Când vine vorba de enzime, nu este corect să vorbim despre reacții de echilibru, ci despre starea de echilibru (o stare în care un anumit metabolit este format și consumat continuu, menținându-și concentrația aproape constantă în timp). Produsul unei reacții catalizate de o enzimă este, la rândul său, reactiv de obicei pentru o reacție ulterioară, catalizată de o altă enzimă și așa mai departe.

Procesele catalizate de enzime sunt de obicei constituite din secvențe de reacții.

O reacție generică catalizată de o enzimă (E) poate fi rezumată după cum urmează:

O enzimă generică (E) se combină cu substratul (S) pentru a forma aductul (ES) cu o constantă de viteză K1; se poate disocia din nou în E + S, cu o constantă de viteză K2, sau (dacă "trăiește" suficient de mult) poate continua să formeze P cu o constantă de viteză K3.

Produsul (P) poate, la rândul său, să se recombină cu enzima și să reformeze aductul cu constanta de viteză K4.

Atunci când enzima și substratul sunt amestecate, există o fracțiune de timp în care întâlnirea dintre cele două specii nu a avut încă loc: cu alte cuvinte, există un interval de timp extrem de scurt (care depinde de reacție) în care enzima și substratul nu au fost încă îndeplinite; după această perioadă, enzima și substratul vin în contact într-o cantitate treptată mai mare și se formează aditivul ES. Ulterior, enzima acționează asupra substratului și produsul este eliberat. Putem apoi să spunem că există un interval de timp inițial în care concentrația aditivului ES nu poate fi definită; după această perioadă, se presupune că se stabilește o stare stabilă, adică viteza proceselor care conduc la obținerea aductului este egală cu viteza proceselor care conduc la distrugerea aductului.

Constanta Michaelis-Menten (KM) este o constantă de echilibru (referită la primul echilibru descris mai sus); se poate spune că, cu aproximație bună (deoarece K3 ar trebui de asemenea să fie luat în considerare), KM este reprezentat de raportul dintre constantele cinetice K2 și K1 (referindu-se la distrugerea și formarea aductului ES în primul echilibru descris mai sus).

Prin constanta Michaelis-Menten avem o indicație a afinității dintre enzimă și substrat: în cazul în care KM este mic, există o afinitate ridicată între enzimă și substrat, astfel încât aditivul ES este stabil.

Enzimele sunt supuse reglementării (sau modulației).

În trecut a fost în principal o modulare negativă, și anume o inhibare a capacității catalitice a unei enzime, dar poate exista și o modulare pozitivă, adică există specii capabile să sporească capacitățile catalitice ale unei enzime.

Există 4 tipuri de inhibiții (obținute din aproximările efectuate pe un model pentru a corespunde datelor experimentale cu ecuații matematice):

• competitivitate
• inhibarea neconcurențială
• inhibarea incompetitivă
• inhibarea acompetitivă

Se vorbește despre inhibarea competitivă atunci când o moleculă (inhibitor) este capabilă să concureze cu substratul. Prin similaritate structurală, inhibitorul poate reacționa în locul substratului; aici vine de la terminologia "inhibiției competitive". Probabilitatea legării enzimei de inhibitor sau substrat depinde de concentrația ambelor și de afinitatea lor cu enzima; prin urmare, viteza de reacție depinde de acești factori.

Pentru a obține aceeași viteză de reacție care ar fi fără prezența inhibitorului, este necesară o concentrație mai mare a substratului.

Se arată experimental că, în prezența unui inhibitor, crește constantă Michaelis-Menten.

În ceea ce privește inhibarea necompetitivă, interacțiunea dintre molecula care ar trebui să funcționeze ca modulator (inhibitor pozitiv sau negativ) și enzimă are loc într-un sit diferit de cel în care interacțiunea dintre enzimă și substrat; se vorbește, prin urmare, despre modularea alosterică (de la site-ul grecesc alosteros → alt site).

Dacă inhibitorul este obligat să se lege de enzimă, poate induce o modificare a structurii enzimatice și, în consecință, poate scădea eficiența cu care substratul se leagă de enzimă.

În acest tip de proces, constanta lui Michaelis-Menten rămâne constantă, deoarece această valoare depinde de echilibrul dintre enzimă și substrat și aceste balanțe, chiar și în prezența unui inhibitor, nu se schimbă.

Fenomenul de inhibiție incompetitivă este rar; un inhibitor tipic incompetitiv este o substanță care se leagă în mod reversibil la aductul ES care dă naștere la ESI:

Inhibarea din excesul de substrat poate uneori să fie de tip incompetitiv, deoarece aceasta se manifestă atunci când o a doua moleculă de substrat se leagă de complexul ES, dând naștere complexului ESS.

Un inhibitor acompetitiv, pe de altă parte, se poate lega numai la aductul de enzime substrat ca în cazul precedent: legarea substratului de enzima liberă induce o modificare conformațională care face site-ul accesibil inhibitorului.

Condiția lui Michaelis Menten scade cu creșterea concentrației de inhibitor: aparent, prin urmare, afinitatea enzimei pentru substrat crește.

Proteine ​​serice

Acestea sunt o familie de enzime la care apar chimotripsina și tripsina.

Chimotripsina este o enzimă proteolitică și hidrolitică care taie în partea dreaptă a aminoacizilor hidrofobi și aromatici.

Produsul genetic care codifică chymotripsina nu este activ (activat de o comandă); forma inactivă a chymotripsinei este reprezentată de un lanț polipeptidic de 245 aminoacizi. Chimotripsina are o formă globulară datorită a cinci punți disulfidice și a altor interacțiuni minore (electrostatice, forțe Van der Waals, legături de hidrogen etc.).

Chimotripsina este produsă de celulele pancreasului în care este conținută în membrane speciale și expulzată prin conducta pancreatică în intestin, la momentul digestiei alimentelor: chymotripsina este, de fapt, o enzimă digestivă. Proteinele și substanțele nutritive pe care le consumăm prin dietă sunt digerate pentru a fi reduse la lanțuri mai mici și pentru a fi absorbite și transformate în energie (de exemplu, amilaza și proteaza împart substanțele nutritive în glucoză și aminoacizi care ajung în celule, prin vasele de sânge ajung la vena portalului și de acolo sunt transmise în ficat unde sunt supuse unor tratamente ulterioare).

Enzimele sunt produse într-o formă inactivă și sunt activate numai atunci când ajung la "locul unde trebuie să funcționeze"; odată ce acțiunea lor este completă, acestea sunt dezactivate. O enzimă, odată dezactivată, nu poate fi reactivată: pentru a avea o altă acțiune catalitică, ea trebuie înlocuită cu o altă moleculă de enzimă. Dacă chitriptina a fost produsă sub formă activă deja în pancreas, ea ar ataca ultima din urmă: pancreatita sunt patologii datorate enzimelor digestive care sunt activate deja în pancreas (și nu în locurile necesare); unele dintre ele, dacă nu sunt tratate la timp, duc la moarte.

În chimotripsina și în toate proteazele serice, acțiunea catalitică se datorează existenței anionului alcoolat (-CH20-) în catena laterală a unei serine.

Proteinele serice iau acest nume tocmai pentru că acțiunea lor catalitică se datorează unei serine.

Odată ce toată enzima și-a îndeplinit acțiunea, înainte de a putea fi folosită din nou pe substrat, trebuie să fie restaurată cu apă; "eliberarea" serinei de către apă este cea mai lentă etapă a procesului, iar această fază determină viteza catalizei.

Acțiunea catalitică are loc în două faze:

• formarea de anioni cu proprietăți catalitice (un anion de alcoolat) și atac de carbon carbonil nucleofilic (C = O) ulterior cu scindarea legăturii peptidice și a formării esterului;
• atac de apă cu refacerea catalizatorului (capabil să re-exercite acțiunea catalitică).

Diferitele enzime aparținând familiei serin proteazelor pot fi constituite din diverși aminoacizi, dar pentru toți, situsul catalitic este reprezentat de anionul alcoolic al lanțului lateral al unei serine.

O subfamilie a proteazelor serice este cea a enzimelor implicate în coagulare (care constă în transformarea proteinei, din forma inactivă a acesteia în altă formă care este activă). Aceste enzime fac ca coagularea să fie cât mai eficientă posibil și este limitată în spațiu și timp (coagularea trebuie să aibă loc rapid și trebuie să aibă loc numai lângă zona afectată). Enzimele implicate în coagulare sunt activate de cascadă (de la activarea unei singure enzime, se obțin miliarde de enzime: fiecare enzimă activată, la rândul său, activează multe alte enzime).

Tromboza este o afecțiune datorată funcționării necorespunzătoare a enzimelor de coagulare: aceasta este cauzată de activarea, fără necesitate (deoarece nu există leziune), a enzimelor utilizate în coagulare.

Există enzime modulatoare (de reglementare) și enzime inhibitoare pentru alte enzime: interacționează cu această enzimă care reglează sau inhibă activitatea sa; de asemenea, produsul unei enzime poate fi inhibitor al enzimei. Există și enzime care funcționează mai mult, cu atât este mai mare substratul prezent.

Lizozimul

Luigi Pasteur a descoperit, din întâmplare, strănutând pe un vas Petri, că în mucus există o enzimă care poate ucide bacteriile: lizozim ; din greacă: liso = tăieturile; zimo = enzima.

Lizozimul este capabil să spargă peretele celular al bacteriilor. Bacteriile și, în general, organismele unicelulare necesită structuri rezistente mecanic care să le limiteze forma; în interiorul bacteriei există o presiune osmotică foarte ridicată, prin urmare, ei numesc apă. Membrana plasmatică ar exploda dacă nu există nici un perete celular care să se opună introducerii apei și să limiteze volumul bacteriei.

Peretele celular constă dintr-o lanț polizaharidic în care se alternează molecule de N-acetil-glucozamină (NAG) și N-acetil-muramic (NAM); legătura dintre NAG și NAM se rupe cu hidroliza. Gruparea carboxilică a NAM, în peretele celular, este angajată într-o legătură peptidică cu un aminoacid.

Printre lanțurile diferite, punțile sunt formate constând din legături pseudo-peptidice: ramificația se datorează moleculei de lizină; structura ca întreg este foarte ramificată și aceasta îi conferă un grad ridicat de stabilitate.

Lizozimul este un antibiotic (ucide bacteriile): acționează făcând o fisură în peretele bacterian; când această structură se rupe (care este rezistentă din punct de vedere mecanic), bacteria atrage apa până când explodează. Lizozimul reușește să spargă legătura glucosidică b-1, 4 între NAM și NAG.

Locul catalitic al lizozimului este reprezentat de o canelură care se desfășoară de-a lungul enzimei în care este inserată lanțul polizaharidic: șase inele glucozidice ale lanțului își găsesc locul în brazdă.

În poziția a treia a brazdei există o strangulare: în această poziție poate fi plasată o singură NAG, deoarece NAM, care este mai mare, nu poate intra. Site-ul catalitic real se situează între pozițiile patru și cinci: existând un NAG în poziția a treia, tăierea va avea loc între un NAM și un NAG (și nu invers); prin urmare, reducerea este specifică.

PH-ul optim pentru funcționarea lizozimei este de cinci. În locul catalitic al enzimei, adică între pozițiile 4 și 5, există lanțurile laterale ale unui acid aspartic și ale unui acid glutamic.

Gradul de omologie : măsoară rudenia (adică similitudinea) între structurile proteice.

Există o relație strictă între lizozimă și lactoză-sintază.

Sinteza lactozei sintetizează lactoza (care este principalul zahăr din lapte): lactoza este o galactozil glucozidă în care există o legătură β-1, 4 glucozidică între galactoză și glucoză.

Prin urmare, sintaza lactozică catalizează reacția opusă celei care este catalizată de lizozimă (care, în schimb, descompune legătura β-1, 4 glucosidică)

Lactoza sintaza este un dimer, adică constă din două lanțuri de proteine, dintre care unul are proprietăți catalitice și este comparabil cu lizozimul, iar celălalt este o subunitate de reglare.

În timpul sarcinii, glicoproteinele sunt sintetizate din celulele glandei mamare prin acțiunea galatoziltransferazei (are o omologie de secvență de 40% cu lizozim): această enzimă este capabilă să transfere o grupă de galactozil dintr-o structură de energie înaltă la o structură glicoproteină. În timpul sarcinii, expresia genei care codifică galactozosil transferaza este indusă (există și expresia altor gene care dă și alte produse): o creștere a mărimii sânului are loc deoarece glanda mamară este activată (anterior nu este activ) care trebuie să producă lapte. În timpul administrării, se produce a-lactalalbumina, care este o proteină reglatoare: este capabilă să regleze capacitatea catalitică a galactoziltransferazei (pentru discriminarea substratului). Galactozil-transferaza modificată de α-lactalalbumină, este capabilă să transfere un galactozil pe o moleculă de glucoză: formând o legătură β-1, 4 glicozidică și dând lactoză (lactoza sintază).

Astfel, galactoza transferaza prepara glanda mamara inainte de livrare si produce lapte dupa livrare.

Pentru a produce glicoproteine, galactoziltransferaza se leagă la un galactozil și la NAG; în timpul nașterii, albumina lactală se leagă de galactoziltransferază, determinând ultima să recunoască glucoza și nu mai este NAG pentru a da lactoză.