Definition
Enzyme sind in pflanzlichen und tierischen Zellen produzierte Proteine, die als Katalysatoren wirken, indem sie biologische Reaktionen beschleunigen, ohne modifiziert zu werden.
Die Enzyme verbinden sich mit einer bestimmten Substanz, um sie in eine andere Substanz umzuwandeln. klassische Beispiele sind die im Speichel, im Magen, in der Bauchspeicheldrüse und im Dünndarm vorhandenen Verdauungsenzyme, die eine wesentliche Funktion bei der Verdauung erfüllen und dazu beitragen, Lebensmittel in die Grundbestandteile zu zerlegen, die dann vom Körper aufgenommen und verwendet werden können, von anderen Enzymen verarbeitet oder als Abfall ausgestoßen.
Jedes Enzym hat eine spezifische Rolle: Dasjenige, das beispielsweise Fette abbaut, beeinflusst keine Proteine oder Kohlenhydrate. Enzyme sind essentiell für das Wohlbefinden des Organismus. Ein Mangel an einem einzigen Enzym kann schwerwiegende Störungen verursachen. Ein ziemlich bekanntes Beispiel ist die Phenylketonurie (PKU), eine Krankheit, die durch die Unfähigkeit gekennzeichnet ist, eine essentielle Aminosäure, Phenylalanin, zu metabolisieren, deren Akkumulation zu körperlichen Deformitäten und psychischen Erkrankungen führen kann.
Biochemische Analyse
Enzyme sind bestimmte Proteine, die die Eigenschaft haben, biologische Katalysatoren zu sein, dh sie haben die Fähigkeit, die Aktivierungsenergie (Eatt) einer Reaktion zu verringern und ihren Weg zu ändern, um einen kinetisch langsamen Prozess schneller erscheinen zu lassen.
Enzyme erhöhen die Kinetik thermodynamisch möglicher Reaktionen und sind im Gegensatz zu Katalysatoren mehr oder weniger spezifisch: Sie besitzen daher Substratspezifität.
Das Enzym ist nicht an der Stöchiometrie der Reaktion beteiligt. Dazu ist es wichtig, dass die endgültige katalytische Stelle mit der ursprünglichen identisch ist.
Bei der katalytischen Wirkung gibt es fast immer eine langsame Phase, die die Geschwindigkeit des Prozesses bestimmt.
Wenn wir über Enzyme sprechen, ist es nicht richtig, von Gleichgewichtsreaktionen zu sprechen, sondern von einem stationären Zustand (Zustand, in dem ein bestimmter Metabolit gebildet und kontinuierlich verbraucht wird und dessen Konzentration über die Zeit nahezu konstant bleibt). Das Produkt einer durch ein Enzym katalysierten Reaktion ist normalerweise selbst ein Reaktant für eine nachfolgende Reaktion, katalysiert durch ein anderes Enzym und so weiter.
Enzymkatalysierte Prozesse setzen sich üblicherweise aus Reaktionssequenzen zusammen.
Eine durch ein Enzym (E) katalysierte generische Reaktion kann daher schematisch dargestellt werden:
Ein generisches Enzym (E) verbindet sich mit dem Substrat (S) zum Addukt (ES) mit einer Geschwindigkeitskonstante K1; es kann in E + S mit einer Geschwindigkeitskonstante K2 wieder dissoziieren oder (wenn es lange genug "lebt") P mit einer Geschwindigkeitskonstante K3 bilden.
Das Produkt (P) kann wiederum mit dem Enzym rekombinieren und das Addukt mit der Geschwindigkeitskonstante K4 reformieren.
Wenn Enzym und Substrat gemischt werden, gibt es einen Bruchteil der Zeit, in der das Zusammentreffen der beiden Spezies noch nicht stattgefunden hat: Das heißt, es gibt ein extrem kurzes Zeitintervall (das von der Reaktion abhängt), in dem Enzym und Substrat sind sich noch nicht begegnet; nach dieser Zeit kommen Enzym und Substrat in zunehmenden Mengen in Kontakt und es entsteht das ES-Addukt. Anschließend wirkt das Enzym auf das Substrat ein und das Produkt wird freigesetzt. Man kann dann sagen, dass es ein anfängliches Zeitintervall gibt, in dem die Konzentration des ES-Addukts nicht definierbar ist; Nach dieser Zeit wird davon ausgegangen, dass sich ein stationärer Zustand einstellt, dh die Geschwindigkeit der zum Addukt führenden Prozesse ist gleich der Geschwindigkeit der Prozesse, die zur Zerstörung des Addukts führen.
Die Michaelis-Menten-Konstante (KM) ist eine Gleichgewichtskonstante (bezogen auf das oben beschriebene erste Gleichgewicht); Wir können mit guter Näherung sagen (weil auch K3 berücksichtigt werden sollte), dass KM durch das Verhältnis zwischen den kinetischen Konstanten K2 und K1 dargestellt wird (bezogen auf die Zerstörung und Bildung des Addukts ES im oben beschriebenen ersten Gleichgewicht).
Durch die Michaelis-Menten-Konstante haben wir einen Hinweis auf die Affinität zwischen Enzym und Substrat: Wenn das KM klein ist, gibt es eine hohe Affinität zwischen Enzym und Substrat, so dass das ES-Addukt stabil ist.
Enzyme unterliegen einer Regulation (oder Modulation).
In der Vergangenheit war vor allem von negativer Modulation die Rede, dh von einer Hemmung der katalytischen Fähigkeiten eines Enzyms, aber man kann auch eine positive Modulation haben, dh es gibt Spezies, die die katalytischen Fähigkeiten eines Enzyms steigern können.
Es gibt 4 Arten von Hemmungen (ermittelt aus Näherungen, die an einem Modell vorgenommen wurden, um die experimentellen Daten mit den mathematischen Gleichungen abzugleichen):
- Wettbewerbshemmung
- wettbewerbsunabhängige Hemmung
- Inkompetitive Hemmung
- Wettbewerbshemmung
Es ist von kompetitiver Hemmung die Rede, wenn ein Molekül (Inhibitor) mit dem Substrat konkurrieren kann. Durch strukturelle Ähnlichkeit kann der Inhibitor anstelle des Substrats reagieren; daher kommt der Begriff "Wettbewerbshemmung". Die Wahrscheinlichkeit, dass das Enzym an den Inhibitor oder das Substrat bindet, hängt von der Konzentration beider und ihrer Affinität zum Enzym ab; Die Reaktionsgeschwindigkeit hängt von diesen Faktoren ab.
Um die gleiche Reaktionsgeschwindigkeit zu erhalten, die ohne die Anwesenheit des Inhibitors auftreten würde, ist eine höhere Substratkonzentration erforderlich.
Experimentell wird gezeigt, dass in Gegenwart eines Inhibitors die Michaelis-Menten-Konstante ansteigt.
Was stattdessen die nicht kompetitive Hemmung betrifft, so tritt die Wechselwirkung zwischen dem Molekül, das als Modulator (positiver oder negativer Inhibitor) wirken soll, und dem Enzym an einer Stelle auf, die sich von derjenigen unterscheidet, an der die Wechselwirkung zwischen Enzym und Substrat; wir sprechen daher von allosterischer Modulation (vom griechischen allosteros → other site).
Wenn der Inhibitor an das Enzym bindet, kann er eine Modifikation der Struktur des Enzyms induzieren und folglich die Effizienz verringern, mit der das Substrat an das Enzym bindet.
Bei dieser Art von Verfahren bleibt die Michaelis-Menten-Konstante konstant, da dieser Wert von den Gleichgewichten zwischen Enzym und Substrat abhängt und sich diese Gleichgewichte auch in Gegenwart eines Inhibitors nicht ändern.
Das Phänomen der inkompetenten Hemmung ist selten; Ein typischer inkompetenter Inhibitor ist eine Substanz, die reversibel an das ES-Addukt bindet und zu ESI führt:
Die Inhibierung von überschüssigem Substrat kann manchmal inkompetent sein, da dies auftritt, wenn ein zweites Substratmolekül an den ES-Komplex bindet, wodurch der ESS-Komplex entsteht.
Ein kompetitiver Inhibitor kann dagegen nur wie im vorherigen Fall an das Substratenzymaddukt binden: Die Bindung des Substrats an das freie Enzym induziert eine Konformationsmodifikation, die die Stelle für den Inhibitor zugänglich macht.
Die Michaelis-Menten-Konstante nimmt mit zunehmender Inhibitorkonzentration ab: Offensichtlich nimmt daher die Affinität des Enzyms zum Substrat zu.
Serinproteasen
Sie sind eine Familie von Enzymen, zu denen Chimotripsin und Trypsin gehören.
Chymotrypsin ist ein proteolytisches und hydrolytisches Enzym, das hydrophobe und aromatische Aminosäuren nach rechts schneidet.
Das Produkt des Gens, das für Chymotrypsin kodiert, ist nicht aktiv (es wird mit einem Befehl aktiviert); Die nicht aktive Form von Chymotrypsin wird durch eine Polypeptidkette von 245 Aminosäuren dargestellt. Chymotrypsin hat eine Kugelform aufgrund von fünf Disulfidbrücken und anderen geringfügigen Wechselwirkungen (elektrostatisch, Van-der-Waals-Kräfte, Wasserstoffbrücken usw.).
Das Chymotrypsin wird von den chimatischen Zellen der Bauchspeicheldrüse produziert, wo es in speziellen Membranen enthalten ist und durch den Pankreasgang zum Zeitpunkt der Verdauung des Futters in den Darm ausgestoßen wird: Das Chymotrypsin ist tatsächlich ein Verdauungsenzym. Die Proteine und Nährstoffe, die wir über die Nahrung aufnehmen, werden verdaut, in kleinere Ketten zerlegt und in Energie umgewandelt (z. B. Amylasen und Proteasen spalten die Nährstoffe in Glucose und Aminosäuren auf, die die Zellen erreichen). Durch die Blutgefäße gelangen sie in die Pfortader und werden von dort in die Leber befördert, wo sie weiteren Behandlungen unterzogen werden.
Enzyme werden in inaktiver Form hergestellt und erst dann aktiviert, wenn sie die "Stelle erreichen, an der sie arbeiten müssen"; Wenn ihre Aktion beendet ist, werden sie deaktiviert. Ein deaktiviertes Enzym kann nicht reaktiviert werden: Um eine zusätzliche katalytische Wirkung zu erzielen, muss es durch ein anderes Enzymmolekül ersetzt werden. Wenn die Chimitripsina bereits in einer aktiven Form in der Bauchspeicheldrüse produziert würde, würde sie letztere angreifen: Pankreatitis sind Pathologien aufgrund von Verdauungsenzymen, die bereits in der Bauchspeicheldrüse (und nicht an den erforderlichen Stellen) aktiviert sind; Einige von ihnen führen, wenn sie nicht rechtzeitig behandelt werden, zum Tod.
In dem Chymotrypsin und in allen Serinproteasen beruht die katalytische Wirkung auf dem Vorhandensein des Alkolatanions (-CH 2 O-) in der Seitenkette eines Serins.
Die Serinproteasen tragen diesen Namen gerade deshalb, weil ihre katalytische Wirkung auf einem Serin beruht.
Nachdem das gesamte Enzym seine Wirkung entfaltet hat, muss es mit Wasser wiederhergestellt werden, bevor es wieder auf dem Substrat eingesetzt werden kann. Die "Freisetzung" von Serin durch Wasser ist die langsamste Phase des Prozesses, und diese Phase bestimmt die Geschwindigkeit der Katalyse.
Die katalytische Wirkung erfolgt in zwei Phasen:
- Anionenbildung mit katalytischen Eigenschaften (Alkolatanion) und anschließender nucleophiler Angriff auf den Carbonylkohlenstoff (C = O) unter Spaltung der Peptidbindung und Esterbildung;
- Angriff des Wassers mit Rückgewinnung des Katalysators (der in der Lage ist, seine katalytische Wirkung wieder auszuüben).
Die verschiedenen Enzyme, die zur Familie der Serinproteasen gehören, können aus verschiedenen Aminosäuren zusammengesetzt sein, aber für alle wird die katalytische Stelle durch das Alkolatanion der Seitenkette eines Serins dargestellt.
Eine Unterfamilie der Serinproteasen sind die an der Gerinnung beteiligten Enzyme (die in der Umwandlung von Protein von ihrer inaktiven in eine andere aktive Form bestehen). Diese Enzyme sorgen für eine möglichst effektive und räumlich und zeitlich begrenzte Koagulation (die Koagulation muss schnell erfolgen und darf nur in der Nähe der verletzten Stelle erfolgen). Die an der Koagulation beteiligten Enzyme werden in einer Kaskade aktiviert (aus der Aktivierung eines einzelnen Enzyms werden Milliarden von Enzymen erhalten: Jedes aktivierte Enzym aktiviert wiederum viele andere Enzyme).
Thrombose ist eine Krankheit, die auf eine Funktionsstörung von Gerinnungsenzymen zurückzuführen ist: Sie wird durch die unnötige Aktivierung (da keine Läsion vorliegt) der bei der Gerinnung verwendeten Enzyme verursacht.
Es gibt modulierende Enzyme (Regulatoren) und inhibitorische Enzyme für andere Enzyme: Indem sie mit diesen interagieren, regulieren oder inhibieren sie ihre Aktivität; Sogar das Produkt eines Enzyms kann ein Inhibitor für das Enzym sein. Es gibt auch Enzyme, die umso mehr wirken, je größer das vorhandene Substrat ist.
Lysozym
Luigi Pasteur entdeckte zufällig beim Niesen in einer Petrischale, dass sich im Schleim ein Enzym befindet, das Bakterien abtöten kann: Lysozym ; aus dem Griechischen: liso = was schneidet; Zimo = Enzym.
Lysozym ist in der Lage, die Zellwand von Bakterien zu durchbrechen. Bakterien und im Allgemeinen einzellige Organismen benötigen mechanisch resistente Strukturen, die ihre Form einschränken. In den Bakterien herrscht ein sehr hoher osmotischer Druck, daher ziehen sie Wasser an. Die Plasmamembran würde explodieren, wenn es keine Zellwand gäbe, die dem Eintritt von Wasser entgegenwirkt und das Volumen des Bakteriums begrenzt.
Die Zellwand besteht aus einer Polysaccharidkette, in der sich N-Acetyl-Glucosamin (NAG) -Moleküle und N-Acetyl-Muraminsäure (NAM) -Moleküle abwechseln. Die Verbindung zwischen NAG und NAM bricht durch Hydrolyse zusammen. Die NAM-Carboxylgruppe in der Zellwand ist an einer Peptidbindung mit einer Aminosäure beteiligt.
Zwischen den verschiedenen Ketten bilden sich Brücken, die aus Pseudopeptidbindungen bestehen: Die Verzweigung ist auf das Lysinmolekül zurückzuführen; Die Struktur ist insgesamt sehr verzweigt und dadurch sehr stabil.
Lysozym ist ein Antibiotikum (es tötet Bakterien ab): Es verursacht einen Riss in der Bakterienwand. Wenn diese Struktur aufgebrochen ist (was mechanisch resistent ist), zieht das Bakterium Wasser an, bis es platzt. Lysozym kann die b-1, 4-Glucosidbindung zwischen NAM und NAG aufbrechen.
Die katalytische Stelle des Lysozyms wird durch eine Furche dargestellt, die entlang des Enzyms verläuft, in das die Polysaccharidkette eingefügt ist: Sechs glucosidische Kettenringe finden ihren Platz in der Furche.
In Position drei der Rille gibt es einen Engpass: In dieser Position kann nur ein NAG platziert werden, da der NAM, der größer ist, nicht eintreten kann. Die tatsächliche katalytische Stelle liegt zwischen den Positionen vier und fünf: Wenn sich ein NAG auf Position drei befindet, erfolgt der Schnitt zwischen einem NAM und einem NAG (und nicht umgekehrt). Daher ist der Schnitt spezifisch.
Der optimale pH-Wert für die Funktion von Lysozym beträgt fünf. An der katalytischen Stelle des Enzyms, dh zwischen den Positionen vier und fünf, befinden sich die Seitenketten einer Asparaginsäure und einer Glutaminsäure.
Homologiegrad : Misst die Beziehung (dh die Ähnlichkeit) zwischen Proteinstrukturen.
Zwischen Lysozym und Lactose-Synthetase besteht eine enge Beziehung.
Lactosesynthase synthetisiert Lactose (der Hauptzucker in der Milch): Lactose ist ein Galactosylglucosid, bei dem eine β-1, 4-Glucosidbindung zwischen Galactose und Glucose besteht.
Somit katalysiert Lactosesynthetase die Reaktion im Gegensatz zu der durch Lysozym katalysierten Reaktion (die stattdessen die β-1, 4-Glucosidbindung auflöst).
Lactosesynthase ist ein Dimer, dh es besteht aus zwei Proteinketten, von denen eine katalytische Eigenschaften aufweist und mit Lysozym vergleichbar ist und die andere eine regulatorische Untereinheit ist.
Während der Schwangerschaft werden Glykoproteine aus Milchdrüsenzellen durch die Wirkung von Galatosyltransferase synthetisiert (es hat eine Sequenzhomologie von 40% zu Lysozym): Dieses Enzym ist in der Lage, eine Galaktosylgruppe aus einer hochenergetischen Struktur zu übertragen zu einer Glykoproteinstruktur. Während der Schwangerschaft wird die Expression des Gens induziert, das für Galaktose-Transferase kodiert (es werden auch andere Gene exprimiert, die auch andere Produkte liefern): Die Größe der Brust nimmt zu, weil die Brustdrüse aktiviert ist (zuvor) nicht aktiv), die Milch produzieren muss. Während der Geburt wird α-Lactalalbumin produziert, ein regulatorisches Protein, das die katalytische Kapazität der Galactosyltransferase regulieren kann (aufgrund von Substratunterscheidung). Die mit α-Lactalalbumin modifizierte Galactosyltransferase ist in der Lage, ein Galactosyl auf ein Glucosemolekül zu übertragen: Sie bildet eine β-1, 4-glycosidische Bindung und gibt Lactose (Lactosesynthetase).
Somit bereitet Galactose-Transferase die Brustdrüse vor der Entbindung vor und produziert Milch nach der Entbindung.
Um Glykoproteine herzustellen, bindet Galaktosyltransferase an ein Galaktosyl und ein NAG; Während der Geburt bindet sich Laktalalbumin an Galaktosyltransferase, wodurch letztere Glukose anstelle von NAG erkennt und Laktose ergibt.
