Enzimi, O enzimi(dal lat. Fermento- starter) - solitamente molecole proteiche o molecole di RNA (ribozimi) o loro complessi che accelerano (catalizzano) le reazioni chimiche nei sistemi viventi. I reagenti in una reazione catalizzata da enzimi sono chiamati substrati e le sostanze risultanti sono chiamate prodotti. Gli enzimi sono specifici per i substrati (l'ATPasi catalizza la scissione solo dell'ATP e la fosforilasi chinasi fosforila solo la fosforilasi).

L'attività enzimatica può essere regolata da attivatori e inibitori (aumento degli attivatori, diminuzione degli inibitori).

Gli enzimi proteici sono sintetizzati nei ribosomi e l'RNA è sintetizzato nel nucleo.

I termini “enzima” ed “enzima” sono stati a lungo utilizzati come sinonimi (il primo principalmente nella letteratura scientifica russa e tedesca, il secondo in inglese e francese).

La scienza degli enzimi si chiama enzimologia, e non enzimologia (per non mescolare le radici delle parole in latino e greco).

Storia dello studio

Termine enzima proposto nel XVII secolo dal chimico van Helmont discutendo i meccanismi della digestione.

In cont. XVIII - presto XIX secoli Era già noto che la carne viene digerita dal succo gastrico e che l'amido viene convertito in zucchero sotto l'influenza della saliva. Tuttavia, il meccanismo di questi fenomeni era sconosciuto.

Nel 19° secolo Louis Pasteur, studiando la conversione dei carboidrati in alcol etilico sotto l'azione del lievito, giunse alla conclusione che questo processo (fermentazione) è catalizzato da una certa forza vitale situata nelle cellule di lievito.

Più di cento anni fa termini enzima E enzima riflettevano punti di vista diversi nella disputa teorica L. Pasteras da un lato, e M. BertheloiY. Liebig - invece, sulla natura della fermentazione alcolica. In realtà enzimi(dal lat. fermento- pasta madre) erano chiamati "enzimi organizzati" (cioè gli stessi microrganismi viventi) e il termine enzima(dal greco ἐν- - in- e ζύμη - lievito, lievito) proposto nel 1876 da V. Kuehne per “enzimi non organizzati” secreti dalle cellule, ad esempio, nello stomaco (pepsina) o nell’intestino (tripsina, amilasi). Due anni dopo la morte di L. Pasteur nel 1897, E. Buchner pubblicò l'opera "Fermentazione alcolica senza cellule di lievito", in cui dimostrò sperimentalmente che il succo di lievito privo di cellule svolge la fermentazione alcolica allo stesso modo delle cellule di lievito non distrutte. Nel 1907 gli fu assegnato il Premio Nobel per questo lavoro. Il primo enzima cristallino altamente purificato (ureasi) fu isolato nel 1926 da J. Estate. Nel corso dei successivi 10 anni furono isolati molti altri enzimi e la natura proteica degli enzimi fu finalmente dimostrata.

L'attività catalitica dell'RNA è stata scoperta per la prima volta negli anni '80 nel pre-rRNA da Thomas Check, che ha studiato lo splicing dell'RNA ciliato. Tetrahymena termofila. Il ribozima risultò essere una sezione della molecola pre-rRNA di Tetrahymena codificata dall'introne del gene dell'rDNA extracromosomico; questa regione ha eseguito l'autosplicing, cioè si è tagliata durante la maturazione dell'rRNA.

Funzioni degli enzimi

Gli enzimi sono presenti in tutte le cellule viventi e aiutano a convertire alcune sostanze (substrati) in altre (prodotti). Gli enzimi agiscono come catalizzatori in quasi tutte le reazioni biochimiche che si verificano negli organismi viventi. Nel 2013 erano stati descritti più di 5.000 enzimi diversi. Svolgono un ruolo vitale in tutti i processi vitali, dirigendo e regolando il metabolismo del corpo.

Come tutti i catalizzatori, gli enzimi accelerano sia le reazioni dirette che quelle inverse, abbassando l'energia di attivazione del processo. L'equilibrio chimico non si sposta né in avanti né in senso inverso. Una caratteristica distintiva degli enzimi rispetto ai catalizzatori non proteici è la loro elevata specificità: la costante di legame di alcuni substrati alle proteine ​​può raggiungere 10-10 mol/l o meno. Ogni molecola di enzima è in grado di eseguire da diverse migliaia a diversi milioni di “operazioni” al secondo.

Ad esempio, una molecola dell'enzima renina, contenuta nella mucosa gastrica di un vitello, fa cagliare circa 10 6 molecole di caseinogeno del latte in 10 minuti ad una temperatura di 37 °C.

Inoltre, l'efficienza degli enzimi è molto superiore all'efficienza dei catalizzatori non proteici: gli enzimi accelerano le reazioni di milioni e miliardi di volte, i catalizzatori non proteici di centinaia e migliaia di volte. Vedi anche Enzima cataliticamente perfetto

Classificazione degli enzimi

In base al tipo di reazioni che catalizzano, gli enzimi sono divisi in 6 classi secondo la classificazione gerarchica degli enzimi. La classificazione è stata proposta dall'Unione Internazionale di Biochimica e Biologia Molecolare. Ogni classe contiene sottoclassi, in modo che l'enzima sia descritto da un insieme di quattro numeri separati da punti. Ad esempio, la pepsi ha il nome EC 3.4.23.1. Il primo numero descrive approssimativamente il meccanismo della reazione catalizzata dall'enzima:

CF1: Ossidoreduttasi, catalizzando l'ossidazione o la riduzione. Esempio: catalasi, alcol deidrogenasi.

CF2: Transferasi, catalizzando il trasferimento di gruppi chimici da una molecola di substrato a un'altra. Tra le transferasi si distinguono soprattutto le chinasi che trasferiscono un gruppo fosfato, solitamente da una molecola di ATP.

CF3: Idrolasi, catalizzando i legami idrolitici. Esempio: esterasi, pepsina, tripsina, amilasi, lipoproteina lipasi.

CF4: Liasi, catalizzando la rottura dei legami chimici senza idrolisi con la formazione di un doppio legame in uno dei prodotti.

CF5: Isomerasi, catalizzando cambiamenti strutturali o geometrici nella molecola del substrato.

CF6: Ligasi, catalizzando la formazione di legami chimici tra substrati dovuti all'idrolisi dell'ATP.

Esempio: DNA polimerasi. Ossireduttasi

- sono enzimi che catalizzano le reazioni di ossidazione e riduzione, cioè trasferimento di elettroni dal donatore all’accettore. L'ossidazione è la rimozione degli atomi di idrogeno dal substrato e la riduzione è l'aggiunta di atomi di idrogeno all'accettore.

Le ossidoreduttasi che trasferiscono un atomo di idrogeno o elettroni direttamente agli atomi di ossigeno sono chiamate deidrogenasi aerobiche (ossidasi), mentre le ossidoreduttasi che trasferiscono un atomo di idrogeno o elettroni da un componente della catena respiratoria degli enzimi a un altro sono chiamate deidrogenasi anaerobiche. Una variante comune del processo redox nelle cellule è l'ossidazione degli atomi di idrogeno del substrato con la partecipazione delle ossireduttasi. Le ossidoriduttasi sono enzimi bicomponenti in cui lo stesso coenzima può legarsi a diversi apoenzimi. Ad esempio, molte ossidoreduttasi contengono NAD e NADP come coenzimi. Alla fine della numerosa classe delle ossiriduttasi (in posizione 11) ci sono enzimi come le catalasi e le perossidasi. Del numero totale di proteine ​​nei perossisomi cellulari, fino al 40% sono catalasi. La catalasi e la perossidasi scompongono il perossido di idrogeno nelle seguenti reazioni: H2O2 + H2O2 = O2 + 2H2O H2O2 + HO – R – OH = O=R=O + 2H2O Da queste equazioni, sia l'analogia che la differenza significativa tra queste reazioni e gli enzimi diventi subito chiaro. In questo senso, la scissione della catalasi del perossido di idrogeno è un caso speciale di reazione della perossidasi, in cui il perossido di idrogeno funge sia da substrato che da accettore nella prima reazione.

Transferasi- una classe separata di enzimi che catalizzano il trasferimento gruppi funzionali e residui molecolari da una molecola all'altra. Ampiamente distribuiti negli organismi vegetali e animali, partecipano alla trasformazione di carboidrati, lipidi, acidi nucleici e aminoacidi.

Le reazioni catalizzate dalle transferasi generalmente si presentano così:

A-X + B ↔ A + B-X.

Molecola UN qui funge da donatore di un gruppo di atomi ( X) e la molecola Bè un accettante del gruppo. Spesso uno dei coenzimi funge da donatore in tali reazioni di trasferimento. Molte delle reazioni catalizzate dalle transferasi sono reversibili. I nomi sistematici degli enzimi della classe sono formati secondo il seguente schema:

"donatore:accettore + gruppo + transferasi».

Oppure vengono utilizzati nomi leggermente più generali, quando il nome dell'enzima include il nome del donatore o dell'accettore del gruppo:

"donatore + gruppo + transferasi" o "accettore + gruppo + transferasi».

Ad esempio, l'aspartato aminotransferasi catalizza il trasferimento del gruppo amminico dalla molecola di acido glutammico, la catecol-O-metiltransferasi trasferisce il gruppo metilico della S-adenosilmetionina all'anello benzenico di varie catecolamine e l'aistone acetiltransferasi trasferisce il gruppo acetile dall'acetil-coenzima A all'istone nel processo di attivazione della trascrizione.

Inoltre, gli enzimi del sottogruppo 7 delle transferasi che trasferiscono un residuo di acido fosforico utilizzando l'ATP come donatore del gruppo fosfato sono spesso chiamati anche chinasi; le aminotransferasi (sottogruppo 6) sono spesso chiamate transaminasi

Idrolasi(KF3) sono una classe di enzimi che catalizzano i legami covalenti idrolitici. La forma generale di una reazione catalizzata da un'idrolasi è la seguente:

A–B + H2O → A–OH + B–H

Il nome sistematico delle idrolasi include nome di fissilesubstrato seguito dall'aggiunta -idrolasi. Tuttavia, di regola, in un nome banale la parola idrolasi viene omessa e rimane solo il suffisso “-aza”.

I rappresentanti più importanti

Esterasi: nucleasi, fosfodiesterasi, lipasi, fosfatasi;

Glicosidasi: amilasi, lisozima, ecc.;

Proteasi: trypsin, chimotripsina, elastasi, trombina, renina, ecc.;

Idrolasi dell'anidride acida (elicasi, GTPasi)

Essendo catalizzatori, gli enzimi accelerano sia le reazioni dirette che quelle inverse, quindi, ad esempio, le liasi sono in grado di catalizzare la reazione inversa - addizione ai doppi legami.

Lias- una classe separata di enzimi che catalizzano reazioni di scissione non idrolitica e non ossidativa di vari legami chimici ( CC, CO, CN, CS e altri) del substrato, reazioni reversibili di formazione e scissione di doppi legami, accompagnate dall'eliminazione o aggiunta di gruppi di atomi al suo posto, nonché dalla formazione di strutture cicliche.

In generale, i nomi degli enzimi si formano secondo lo schema “ substrato+ liasi.” Tuttavia, più spesso il nome tiene conto della sottoclasse dell'enzima. Le liasi differiscono dagli altri enzimi in quanto le reazioni catalizzate coinvolgono due substrati in una direzione, ma solo uno nella reazione inversa. Il nome dell'enzima contiene le parole "decarbossilasi" e "aldolasi" o "liasi" (piruvato decarbossilasi, ossalato decarbossilasi, ossalacetato decarbossilasi, treonina aldolasi, fenilserina aldolasi, isocitrato liasi, alanina liasi, ATP citrato liasi ecc.), e per enzimi che catalizzano le reazioni di estrazione dell'acqua dal substrato - “disidratasi” (carbonato deidratasi, citrato deidratasi, serina deidratasi, ecc.). Nei casi in cui viene rilevata solo la reazione inversa, o questa direzione nelle reazioni è più significativa, il nome degli enzimi contiene la parola "sintasi" (malato sintasi, 2-isopropilmalato sintasi, citrato sintasi, idrossimetilglutaril-CoA sintasi, ecc. ).

Esempi: istidina decarbossilasi, fumarato idratasi.

Isomerasi- enzimi che catalizzano trasformazioni strutturali di isomeri (racemizzazione o epimerizzazione). Le isomerasi catalizzano reazioni simili alle seguenti: A → B, dove B è un isomero di A.

Il nome dell'enzima contiene la parola " racemasi" (alanina racemasi, metionina racemasi, idrossiprolina racemasi, lattato racemasi, ecc.), " epimerasi" (aldosio-1-epimerasi, ribulosio fosfato-4-epimerasi, UDP-glucuronato-4-epimerasi, ecc.), " isomerasi" (ribosio fosfato isomerasi, xilosio isomerasi, glucosamina fosfato isomerasi, enoil-CoA isomerasi, ecc.), " mutasi"(fosfoglicerato mutasi, metilaspartato mutasi, fosfoglucomutasi, ecc.).

Ligaza(lat. ligare- reticolare, connettere) - un enzima che catalizza l'unione di due molecole per formare un nuovo legame chimico ( legatura). Ciò di solito comporta l'eliminazione (idrolisi) di un piccolo gruppo chimico da una delle molecole.

Le ligasi appartengono alla classe degli enzimi EC 6.

In biologia molecolare, le ligasi della sottoclasse 6.5 sono classificate in RNA ligasi e DNA ligasi.

Ligasi del DNA

La DNA ligasi esegue la riparazione del DNA

Ligasi del DNA- enzimi (EC 6.5.1.1) che catalizzano la reticolazione covalente dei filamenti di DNA in un duplex durante la replicazione, riparazione e ricombinazione. Formano ponti fosfodiestere tra i gruppi fosforilici da 5" e idrossilici da 3" dei deossinucleotidi vicini in corrispondenza delle rotture del DNA o tra due molecole di DNA. Per formare questi ponti, le ligasi utilizzano l'energia dell'idrolisi del legame pirofosforilico dell'ATP. Uno degli enzimi più comuni disponibili in commercio è la DNA ligasi del batteriofago T4.

Ligasi del DNA dei mammiferi

Nei mammiferi vengono classificati tre tipi principali di ligasi del DNA.

La DNA ligasi I lega i frammenti di Okazaki durante la replicazione del filamento di DNA in ritardo ed è coinvolta nella riparazione dell'escissione.

La DNA ligasi III, in complesso con la proteina XRCC1, è coinvolta nella riparazione e ricombinazione per escissione.

La DNA ligasi IV, in complesso con XRCC4, catalizza la fase finale dell'unione delle estremità non omologhe (NHEJ) delle rotture del doppio filamento del DNA.

Richiesto anche per la ricombinazione V(D)J dei geni delle immunoglobuline.

In precedenza, veniva isolato un altro tipo di ligasi: la DNA ligasi II, che in seguito fu riconosciuta come un artefatto dell'isolamento proteico, vale a dire il prodotto della proteolisi della DNA ligasi III.

Convenzioni per la denominazione degli enzimi Gli enzimi vengono solitamente denominati in base al tipo di reazione che catalizzano, aggiungendo il suffisso-aza al nome del substrato( Per esempio

, la lattasi è un enzima coinvolto nella conversione del lattosio). Pertanto, enzimi diversi che svolgono la stessa funzione avranno lo stesso nome. Tali enzimi si distinguono per altre proprietà, ad esempio per il pH ottimale (fosfatasi alcalina) o per la localizzazione nella cellula (ATPasi di membrana).

Struttura e meccanismo d'azione degli enzimi

L'attività degli enzimi è determinata dalla loro struttura tridimensionale. Come tutte le proteine, gli enzimi sono sintetizzati come una catena lineare di aminoacidi che si ripiega in un modo specifico. Ogni sequenza di amminoacidi si ripiega in un modo speciale e la molecola risultante (globulo proteico) ha proprietà uniche. Diverse catene proteiche possono essere combinate in un complesso proteico. La struttura terziaria delle proteine ​​viene distrutta quando riscaldata o esposta ad alcune.

prodotti chimici

Sito attivo degli enzimi Lo studio del meccanismo di una reazione chimica catalizzata da un enzima, insieme alla determinazione dei prodotti intermedi e finali nei diversi stadi della reazione, implica un'accurata conoscenza della geometria della struttura terziaria dell'enzima, della natura dei gruppi funzionali della sua molecola, fornendo specificità d'azione ed elevata attività catalitica su un dato substrato, nonché la natura chimica della regione (regioni) della molecola un enzima che fornisce un'elevata velocità di reazione catalitica. Tipicamente, le molecole di substrato coinvolte nelle reazioni enzimatiche sono di dimensioni relativamente piccole rispetto alle molecole degli enzimi. Pertanto, durante la formazione diretta dei complessi enzima-substrato Solo frammenti limitati della sequenza aminoacidica della catena polipeptidica entrano - il "centro attivo" - in una combinazione unica di residui aminoacidici nella molecola dell'enzima, garantendo l'interazione diretta con la molecola del substrato e la partecipazione diretta all'atto di catalisi.

Il centro attivo viene convenzionalmente suddiviso in:

centro catalitico - interagisce chimicamente direttamente con il substrato;

centro di legame (sito di contatto o di “ancoraggio”) - che fornisce un'affinità specifica per il substrato e la formazione del complesso enzima-substrato.

Per catalizzare una reazione, un enzima deve legarsi a uno o più substrati. La catena proteica dell'enzima si piega in modo tale da formare uno spazio vuoto, o depressione, sulla superficie del globulo dove si legano i substrati. Questa regione è chiamata sito di legame del substrato. Di solito coincide o è vicino al sito attivo dell'enzima. Alcuni enzimi contengono anche siti di legame per cofattori o ioni metallici.

L'enzima si combina con il substrato:

pulisce il supporto dal “cappotto” d’acqua

dispone le molecole del substrato reagente nello spazio nella maniera necessaria affinché la reazione avvenga

prepara le molecole del substrato per la reazione (ad esempio, polarizza).

Tipicamente, l'attacco di un enzima a un substrato avviene attraverso legami ionici o idrogeno, raramente attraverso legami covalenti. Alla fine della reazione, il suo prodotto (o i suoi prodotti) vengono separati dall'enzima.

Di conseguenza, l'enzima riduce l'energia di attivazione della reazione. Questo accade perché in presenza dell'enzima la reazione segue un percorso diverso (in realtà avviene una reazione diversa), ad esempio:

In assenza di un enzima:

In presenza di un enzima:

• AF+B = FAV

  FAV = AB+F

dove A, B sono substrati, AB è il prodotto della reazione, F è l'enzima.

Gli enzimi non possono fornire energia in modo indipendente per le reazioni endoergoniche (che richiedono energia per verificarsi). Pertanto, gli enzimi che effettuano tali reazioni le accoppiano con reazioni esergoniche che rilasciano più energia. Ad esempio, le reazioni di sintesi dei biopolimeri sono spesso accoppiate con reazioni di idrolisi dell’ATP.

I centri attivi di alcuni enzimi sono caratterizzati dal fenomeno della cooperatività.

Specificità

Gli enzimi generalmente mostrano un'elevata specificità per i loro substrati (specificità del substrato). Ciò si ottiene mediante una parziale complementarità tra la forma, la distribuzione della carica e le regioni idrofobiche sulla molecola del substrato e il sito di legame del substrato sull'enzima. Di solito si vedono anche gli enzimi alto livello stereospecificità (formano solo uno dei possibili stereoisomeri come prodotto o utilizzano un solo stereoisomero come substrato), regioselettività (formano o rompono un legame chimico solo in una delle possibili posizioni del substrato) e chemoselettività (catalizzano solo uno reazione chimica tra diverse possibili per determinate condizioni). Nonostante l'elevato livello complessivo di specificità, il grado di specificità del substrato e della reazione degli enzimi può variare. Ad esempio, l'endopeptidasi trypsin rompe il legame peptidico solo dopo l'arginina o la lisina se non sono seguite da una prolina, è molto meno specifica e può rompere il legame peptidico seguendo molti amminoacidi.

Nel 1890, Emil Fischer propose che la specificità degli enzimi fosse determinata dall'esatta corrispondenza tra la forma dell'enzima e quella del substrato. Questa ipotesi è chiamata modello key-lock. L'enzima si combina con il substrato per formare un complesso enzima-substrato di breve durata. Tuttavia, sebbene questo modello spieghi l’elevata specificità degli enzimi, non spiega il fenomeno della stabilizzazione dello stato di transizione che si osserva nella pratica.

Modello della corrispondenza indotta

Nel 1958, Daniel Koshland propose una modifica del modello della serratura a chiave. Gli enzimi generalmente non sono molecole rigide, ma flessibili. Il sito attivo di un enzima può cambiare conformazione dopo aver legato un substrato. I gruppi laterali aminoacidici del sito attivo assumono una posizione che consente all'enzima di svolgere la sua funzione catalitica. In alcuni casi, la molecola del substrato cambia anche conformazione dopo il legame al sito attivo. A differenza del modello a chiave, il modello ad adattamento indotto spiega non solo la specificità degli enzimi, ma anche la stabilizzazione dello stato di transizione. Questo modello è chiamato “mano a guanto”.

Modifiche

Molti enzimi subiscono modificazioni dopo la sintesi della catena proteica, senza le quali l'enzima non esplica pienamente la sua attività. Tali modifiche sono chiamate modifiche post-traduzionali (elaborazione). Uno dei tipi di modifica più comuni è l'aggiunta di gruppi chimici ai residui laterali della catena polipeptidica. Ad esempio, l'aggiunta di un residuo di acido fosforico è chiamata fosforilazione ed è catalizzata dall'enzima chinasi. Molti enzimi eucariotici sono glicosilati, cioè modificati da oligomeri di natura carboidratica.

Un altro tipo comune di modificazione post-traduzionale è la scissione della catena polipeptidica. Ad esempio, la chimotripsina (una proteasi coinvolta nella digestione) si ottiene scindendo una regione polipeptidica dal chimotripsinogeno. Il chimotripsinogeno è un precursore inattivo della chimotripsina ed è sintetizzato nel pancreas. La forma inattiva viene trasportata nello stomaco, dove viene convertita in chimotripsina. Questo meccanismo è necessario per evitare la rottura del pancreas e di altri tessuti prima che l'enzima entri nello stomaco. Il precursore dell'enzima inattivo è anche chiamato "zimogeno".

Cofattori enzimatici

Alcuni enzimi svolgono la funzione catalitica da soli, senza componenti aggiuntivi. Tuttavia, ci sono enzimi che richiedono componenti non proteici per effettuare la catalisi. I cofattori possono essere molecole inorganiche (ioni metallici, cluster ferro-zolfo, ecc.) o organiche (ad esempio flavinilema). I cofattori organici strettamente legati a un enzima sono anche chiamati gruppi prostetici. I cofattori organici che possono essere separati dall'enzima sono chiamati coenzimi.

Un enzima che richiede la presenza di un cofattore per l'attività catalitica, ma non è legato ad esso, è chiamato enzima apo. Un enzima apo in combinazione con un cofattore è chiamato enzima olo. La maggior parte dei cofattori sono legati all'enzima tramite interazioni non covalenti ma piuttosto forti. Esistono anche gruppi protesici che sono legati covalentemente all'enzima, ad esempio la tiamina pirofosfato nella piruvato deidrogenasi.

Regolazione degli enzimi

Alcuni enzimi hanno siti di legame per piccole molecole e possono essere substrati o prodotti della via metabolica in cui entra l'enzima. Diminuiscono o aumentano l'attività dell'enzima, creando l'opportunità di feedback.

Inibizione per prodotto finale

La via metabolica è una catena di reazioni enzimatiche sequenziali. Spesso il prodotto finale di una via metabolica è un inibitore di un enzima che accelera la prima reazione in quella via metabolica. Se c'è troppo prodotto finale, allora agisce come un inibitore per il primo enzima, e se dopo c'è troppo poco prodotto finale, il primo enzima viene nuovamente attivato. Pertanto, l'inibizione da parte del prodotto finale secondo il principio del feedback negativo è un modo importante per mantenere l'omeostasi (costanza relativa delle condizioni ambientali interne del corpo).

Influenza delle condizioni ambientali sull'attività enzimatica

L'attività degli enzimi dipende dalle condizioni nella cellula o nel corpo: pressione, acidità dell'ambiente, temperatura, concentrazione di sali disciolti (forza ionica della soluzione), ecc.

Forme multiple di enzimi

Le molteplici forme di enzimi possono essere suddivise in due categorie:

Isoenzimi

Forme plurali proprie (vero)

Isoenzimi- questi sono enzimi, la cui sintesi è codificata da geni diversi, hanno strutture primarie diverse e proprietà diverse, ma catalizzano la stessa reazione. Tipi di isoenzimi:

Organo: enzimi della glicolisi nel fegato e nei muscoli.

Cellulare - malato deidrogenasi citoplasmatica e mitocondriale (gli enzimi sono diversi, ma catalizzano la stessa reazione).

Ibrido - enzimi con struttura quaternaria, formati come risultato del legame non covalente di singole subunità (lattato deidrogenasi - 4 subunità di 2 tipi).

Mutante: formato a seguito di una mutazione di un singolo gene.

Gli alloenzimi sono codificati da alleli diversi dello stesso gene.

In realtà forme plurali(vero) sono enzimi, la cui sintesi è codificata dallo stesso allele dello stesso gene, hanno la stessa struttura primaria e proprietà, ma dopo la sintesi sui ribosomaconi subiscono modifiche e diventano diversi, sebbene catalizzano la stessa reazione.

Gli isoenzimi sono distinti a livello genetico e differiscono dalla sequenza primaria, e le vere forme multiple si distinguono a livello post-traduzionale.

Significato medico

La connessione tra enzimi e malattie metaboliche ereditarie fu stabilita per la prima volta da A. Garrod negli anni '10. Garrod chiamava le malattie associate a difetti enzimatici “errori congeniti del metabolismo”.

Se si verifica una mutazione nel gene che codifica per un particolare enzima, la sequenza aminoacidica dell'enzima può cambiare. Inoltre, a seguito della maggior parte delle mutazioni, la sua attività catalitica diminuisce o scompare completamente. Se un organismo riceve due di questi geni mutanti (uno da ciascun genitore), la reazione chimica catalizzata da questo enzima smette di verificarsi nel corpo. Ad esempio, la comparsa degli albini è associata alla cessazione della produzione dell'enzima tirosinasi, responsabile di uno degli stadi della sintesi del pigmento scuro della melanina. La fenilchetonuria è associata ad un'attività ridotta o assente dell'enzima fenilalanina-. 4-idrossilasi nel fegato.

Attualmente sono note centinaia di malattie ereditarie associate a difetti enzimatici. Sono stati sviluppati metodi per il trattamento e la prevenzione di molte di queste malattie.

Uso pratico

Gli enzimi sono ampiamente utilizzati in economia nazionale- industria alimentare, tessile, farmacologia e medicina. La maggior parte dei farmaci influenza il corso dei processi enzimatici nel corpo, avviando o arrestando determinate reazioni.

L'area di utilizzo degli enzimi in ricerca scientifica e in medicina.

Lezione 15. Enzimi: struttura, proprietà, funzioni.

Schema della lezione:

1. Caratteristiche generali enzimi.

2. La struttura degli enzimi.

3. Meccanismo di catalisi enzimatica.

4. Proprietà degli enzimi.

5. Nomenclatura degli enzimi.

6. Classificazione degli enzimi.

7. isoenzimi

8. Cinetica delle reazioni enzimatiche.

9. Unità di misura dell'attività enzimatica

1. Caratteristiche generali degli enzimi.

Nella normalità condizioni fisiologiche le reazioni biochimiche nel corpo procedono ad alta velocità, assicurata da catalizzatori biologici di natura proteica - enzimi.

Sono studiati dalla scienza dell'enzimologia - la scienza degli enzimi (enzimi), proteine ​​specifiche - catalizzatori sintetizzati da qualsiasi cellula vivente e che attivano varie reazioni biochimiche che si verificano nel corpo. Alcune cellule possono contenere fino a 1000 enzimi diversi.

2. La struttura degli enzimi.

Gli enzimi sono proteine ​​ad alto peso molecolare. Come ogni proteina, gli enzimi hanno livelli di organizzazione molecolare primaria, secondaria, terziaria e quaternaria. Struttura primariaè una combinazione sequenziale di aminoacidi ed è determinata dalle caratteristiche ereditarie del corpo che caratterizza in gran parte le proprietà individuali degli enzimi; Struttura secondaria gli enzimi sono organizzati sotto forma di un'alfa elica. Struttura terziaria ha la forma di un globulo e partecipa alla formazione di centri attivi e altri. Molti enzimi lo hanno struttura quaternaria e rappresentano un'unione di più subunità, ciascuna delle quali è caratterizzata da tre livelli di organizzazione di molecole che differiscono tra loro, sia in termini qualitativi che quantitativi.

Se gli enzimi sono rappresentati da proteine ​​semplici, cioè sono costituiti solo da aminoacidi, vengono chiamati enzimi semplici. Gli enzimi semplici includono pepsina, amilasi, lipasi (quasi tutti gli enzimi gastrointestinali).

Gli enzimi complessi sono costituiti da parti proteiche e non proteiche. La parte proteica dell'enzima è chiamata: apoenzima, non proteico – coenzima. La forma del coenzima e dell'apoenzima oloenzima. Il coenzima può connettersi con la parte proteica solo per la durata della reazione, oppure legarsi tra loro con un legame forte e permanente (quindi la parte non proteica è chiamata - gruppo protesico). In ogni caso, i componenti non proteici sono direttamente coinvolti nelle reazioni chimiche interagendo con il substrato. I coenzimi possono essere rappresentati da:

Trifosfati nucleosidici.

Minerali (zinco, rame, magnesio).

Forme attive di vitamine (B 1 fa parte dell'enzima decarbossilasi, B 2 fa parte della deidrogenasi, B 6 fa parte della transferasi).

Principali funzioni dei coenzimi:

Partecipazione all'atto di catalisi.

Stabilire il contatto tra enzima e substrato.

Stabilizzazione dell'apoenzima.

L'apoenzima, a sua volta, potenzia l'attività catalitica della parte non proteica e determina la specificità dell'azione degli enzimi.

Ogni enzima contiene diversi centri funzionali.

Centro attivo- una zona di una molecola enzimatica che interagisce specificamente con il substrato. Il centro attivo è rappresentato da gruppi funzionali di più residui aminoacidici è qui che avviene l'aggancio e la trasformazione chimica del substrato;

Centro allosterico o regolatorio: questa è la zona dell'enzima responsabile dell'attaccamento di attivatori e inibitori. Questo centro è coinvolto nella regolazione dell'attività enzimatica.

Questi centri si trovano in diverse parti della molecola dell'enzima.

Storia dello studio

Termine enzima proposto nel XVII secolo dal chimico van Helmont discutendo i meccanismi della digestione.

In cont. XVIII - presto XIX secoli era già noto che la carne viene digerita dal succo gastrico e l'amido viene convertito in zucchero sotto l'azione della saliva. Tuttavia, il meccanismo di questi fenomeni era sconosciuto.

Classificazione degli enzimi

In base al tipo di reazioni che catalizzano, gli enzimi vengono suddivisi in 6 classi secondo la classificazione gerarchica degli enzimi (CF, - Enzyme Commission code). La classificazione è stata proposta dall'Unione Internazionale di Biochimica e Biologia Molecolare. Ogni classe contiene sottoclassi, in modo che l'enzima sia descritto da un insieme di quattro numeri separati da punti. Ad esempio, la pepsina ha il nome UE 3.4.23.1. Il primo numero descrive approssimativamente il meccanismo della reazione catalizzata dall'enzima:

• CF1: Ossidoreduttasi, catalizzando l'ossidazione o la riduzione. Esempio: catalasi, alcol deidrogenasi.
• CF2: Transferasi, catalizzando il trasferimento di gruppi chimici da una molecola di substrato a un'altra. Tra le transferasi si distinguono soprattutto le chinasi che trasferiscono un gruppo fosfato, solitamente da una molecola di ATP.
• CF3: Idrolasi, catalizzando l'idrolisi dei legami chimici. Esempio: esterasi, pepsina, tripsina, amilasi, lipoproteina lipasi.
• CF4: Liasi, catalizzando la rottura dei legami chimici senza idrolisi con la formazione di un doppio legame in uno dei prodotti.
• CF5: Isomerasi, catalizzando cambiamenti strutturali o geometrici nella molecola del substrato.
• CF6: Ligasi, catalizzando la formazione di legami chimici tra substrati dovuti all'idrolisi dell'ATP. Esempio: DNA polimerasi.

Studi cinetici

La descrizione più semplice cinetica reazioni enzimatiche a substrato singolo è l'equazione di Michaelis-Menten (vedi figura). Ad oggi sono stati descritti diversi meccanismi di azione enzimatica. Ad esempio, l'azione di molti enzimi è descritta dal meccanismo del ping-pong.

Nel 1972-1973 è stato creato il primo modello quantomeccanico della catalisi enzimatica (autori M.V. Volkenshtein, R.R. Dogonadze, Z.D. Urushadze, ecc.).

Struttura e meccanismo d'azione degli enzimi

L'attività degli enzimi è determinata dalla loro struttura tridimensionale.

Come tutte le proteine, gli enzimi sono sintetizzati sotto forma di una catena lineare di aminoacidi, che si ripiega in un certo modo. Ogni sequenza di amminoacidi si ripiega in un modo speciale e la molecola risultante (globulo proteico) ha proprietà uniche. Diverse catene proteiche possono essere combinate per formare un complesso proteico. La struttura terziaria delle proteine ​​viene distrutta dal calore o dall'esposizione a determinate sostanze chimiche.

Sito attivo degli enzimi

Il centro attivo viene convenzionalmente suddiviso in:

• centro catalitico - interagisce chimicamente direttamente con il substrato;
• centro di legame (sito di contatto o di “ancoraggio”) - che fornisce un'affinità specifica per il substrato e la formazione del complesso enzima-substrato.

Per catalizzare una reazione, un enzima deve legarsi a uno o più substrati. La catena proteica dell'enzima si piega in modo tale da formare uno spazio vuoto, o depressione, sulla superficie del globulo dove si legano i substrati. Questa regione è chiamata sito di legame del substrato. Di solito coincide o è vicino al sito attivo dell'enzima. Alcuni enzimi contengono anche siti di legame per cofattori o ioni metallici.

L'enzima si combina con il substrato:

• pulisce il supporto dal “cappotto” d’acqua
• dispone le molecole del substrato reagente nello spazio nella maniera necessaria affinché la reazione avvenga
• prepara le molecole del substrato per la reazione (ad esempio, polarizza).

Tipicamente, l'attacco di un enzima a un substrato avviene attraverso legami ionici o idrogeno, raramente attraverso legami covalenti. Alla fine della reazione, il suo prodotto (o i suoi prodotti) vengono separati dall'enzima.

Di conseguenza, l'enzima riduce l'energia di attivazione della reazione. Questo accade perché in presenza dell'enzima la reazione segue un percorso diverso (in realtà avviene una reazione diversa), ad esempio:

In assenza di un enzima:

• A+B = AB

In presenza di un enzima:

• A+F = AF
• AF+B = FAV
• FAV = AB+F

dove A, B sono substrati, AB è il prodotto della reazione, F è l'enzima.

Gli enzimi non possono fornire energia in modo indipendente per le reazioni endoergoniche (che richiedono energia per verificarsi). Pertanto, gli enzimi che effettuano tali reazioni le accoppiano con reazioni esergoniche che rilasciano più energia. Ad esempio, le reazioni di sintesi dei biopolimeri sono spesso accoppiate alla reazione di idrolisi dell'ATP.

I centri attivi di alcuni enzimi sono caratterizzati dal fenomeno della cooperatività.

Specificità

Gli enzimi generalmente mostrano un'elevata specificità per i loro substrati (specificità del substrato). Ciò si ottiene mediante una parziale complementarità tra la forma, la distribuzione della carica e le regioni idrofobiche sulla molecola del substrato e il sito di legame del substrato sull'enzima. Gli enzimi mostrano tipicamente anche alti livelli di stereospecificità (formando solo uno dei possibili stereoisomeri come prodotto o utilizzando solo uno stereoisomero come substrato), regioselettività (formando o rompendo un legame chimico solo in una delle possibili posizioni del substrato) e chemoselettività (catalizzare una sola reazione chimica tra diverse possibili per date condizioni). Nonostante l'elevato livello complessivo di specificità, il grado di specificità del substrato e della reazione degli enzimi può variare. Ad esempio, l'endopeptidasi trypsin rompe il legame peptidico solo dopo l'arginina o la lisina a meno che non siano seguite da una prolina, ma la pepsina è molto meno specifica e può rompere il legame peptidico seguendo molti amminoacidi.

Modello con serratura a chiave

Congettura della corrispondenza indotta di Koshland

Una situazione più realistica si ha nel caso della corrispondenza indotta. Substrati sbagliati, troppo grandi o troppo piccoli, non si adattano al sito attivo

Nel 1890 Emil Fischer propose che la specificità degli enzimi fosse determinata dall'esatta corrispondenza tra la forma dell'enzima e quella del substrato. Questa ipotesi è chiamata modello key-lock. L'enzima si combina con il substrato per formare un complesso enzima-substrato di breve durata. Tuttavia, sebbene questo modello spieghi l’elevata specificità degli enzimi, non spiega il fenomeno della stabilizzazione dello stato di transizione che si osserva nella pratica.

Modello della corrispondenza indotta

Nel 1958, Daniel Koshland propose una modifica del modello della serratura a chiave. Gli enzimi generalmente non sono molecole rigide, ma flessibili. Il sito attivo di un enzima può cambiare conformazione dopo aver legato un substrato. I gruppi laterali aminoacidici del sito attivo assumono una posizione che consente all'enzima di svolgere la sua funzione catalitica. In alcuni casi, la molecola del substrato cambia anche conformazione dopo il legame al sito attivo. A differenza del modello a chiave, il modello ad adattamento indotto spiega non solo la specificità degli enzimi, ma anche la stabilizzazione dello stato di transizione. Questo modello è chiamato “mano a guanto”.

Modifiche

Molti enzimi subiscono modificazioni dopo la sintesi della catena proteica, senza le quali l'enzima non esplica pienamente la sua attività. Tali modifiche sono chiamate modifiche post-traduzionali (elaborazione). Uno dei tipi di modifica più comuni è l'aggiunta di gruppi chimici ai residui laterali della catena polipeptidica. Ad esempio, l'aggiunta di un residuo di acido fosforico è chiamata fosforilazione ed è catalizzata dall'enzima chinasi. Molti enzimi eucariotici sono glicosilati, cioè modificati da oligomeri di natura carboidratica.

Un altro tipo comune di modificazione post-traduzionale è la scissione della catena polipeptidica. Ad esempio, la chimotripsina (una proteasi coinvolta nella digestione) si ottiene scindendo una regione polipeptidica dal chimotripsinogeno. Il chimotripsinogeno è un precursore inattivo della chimotripsina ed è sintetizzato nel pancreas. La forma inattiva viene trasportata nello stomaco, dove viene convertita in chimotripsina. Questo meccanismo è necessario per evitare la rottura del pancreas e di altri tessuti prima che l'enzima entri nello stomaco. Il precursore dell'enzima inattivo è anche chiamato "zimogeno".

Cofattori enzimatici

Alcuni enzimi svolgono la funzione catalitica da soli, senza componenti aggiuntivi. Tuttavia, ci sono enzimi che richiedono componenti non proteici per effettuare la catalisi. I cofattori possono essere molecole inorganiche (ioni metallici, cluster ferro-zolfo, ecc.) o organiche (ad esempio flavina o eme). I cofattori organici strettamente legati a un enzima sono anche chiamati gruppi prostetici. I cofattori organici che possono essere separati dall'enzima sono chiamati coenzimi.

Un enzima che richiede la presenza di un cofattore per l'attività catalitica, ma non è legato ad esso, è chiamato enzima apo. Un enzima apo in combinazione con un cofattore è chiamato enzima olo. La maggior parte dei cofattori sono legati all'enzima tramite interazioni non covalenti ma piuttosto forti. Esistono anche gruppi protesici che sono legati covalentemente all'enzima, ad esempio la tiamina pirofosfato nella piruvato deidrogenasi.

Regolazione degli enzimi

Alcuni enzimi hanno siti di legame per piccole molecole e possono essere substrati o prodotti della via metabolica in cui entra l'enzima. Diminuiscono o aumentano l'attività dell'enzima, creando l'opportunità di feedback.

Inibizione per prodotto finale

La via metabolica è una catena di reazioni enzimatiche sequenziali. Spesso il prodotto finale di una via metabolica è un inibitore di un enzima che accelera la prima reazione in quella via metabolica. Se c'è troppo prodotto finale, allora agisce come un inibitore per il primo enzima, e se dopo c'è troppo poco prodotto finale, il primo enzima viene nuovamente attivato. Pertanto, l'inibizione da parte del prodotto finale secondo il principio del feedback negativo è un modo importante per mantenere l'omeostasi (costanza relativa delle condizioni ambientali interne del corpo).

Influenza delle condizioni ambientali sull'attività enzimatica

L'attività degli enzimi dipende dalle condizioni nella cellula o nel corpo: pressione, acidità dell'ambiente, temperatura, concentrazione di sali disciolti (forza ionica della soluzione), ecc.

Forme multiple di enzimi

Le molteplici forme di enzimi possono essere suddivise in due categorie:

• Isoenzimi
• Forme plurali proprie (vero)

Isoenzimi- questi sono enzimi, la cui sintesi è codificata da geni diversi, hanno strutture primarie diverse e proprietà diverse, ma catalizzano la stessa reazione. Tipi di isoenzimi:

• Organo: enzimi della glicolisi nel fegato e nei muscoli.
• Malato deidrogenasi cellulare - citoplasmatica e mitocondriale (gli enzimi sono diversi, ma catalizzano la stessa reazione).
• Ibrido - enzimi con struttura quaternaria, formati come risultato del legame non covalente di singole subunità (lattato deidrogenasi - 4 subunità di 2 tipi).
• Mutante: formato a seguito di una mutazione di un singolo gene.
• Gli alloenzimi sono codificati da alleli diversi dello stesso gene.

In realtà forme plurali(vero) sono enzimi la cui sintesi è codificata dallo stesso allele dello stesso gene, hanno la stessa struttura primaria e proprietà, ma dopo la sintesi sui ribosomi subiscono modifiche e diventano diversi, sebbene catalizzano la stessa reazione.

Gli isoenzimi sono distinti a livello genetico e differiscono dalla sequenza primaria, e le vere forme multiple si distinguono a livello post-traduzionale.

Significato medico

Per la prima volta è stata stabilita la connessione tra enzimi e malattie metaboliche ereditarie A. Garrodom negli anni '10 Garrod chiamava le malattie associate a difetti enzimatici “errori congeniti del metabolismo”.

Se si verifica una mutazione nel gene che codifica per un particolare enzima, la sequenza aminoacidica dell'enzima può cambiare. Inoltre, a seguito della maggior parte delle mutazioni, la sua attività catalitica diminuisce o scompare completamente. Se un organismo riceve due di questi geni mutanti (uno da ciascun genitore), la reazione chimica catalizzata da questo enzima smette di verificarsi nel corpo. Ad esempio, la comparsa degli albini è associata alla cessazione della produzione dell'enzima tirosinasi, responsabile di uno degli stadi della sintesi del pigmento scuro melanina. La fenilchetonuria è associata ad una ridotta o assente attività dell'enzima fenilalanina 4-idrossilasi nel fegato.

Attualmente sono note centinaia di malattie ereditarie associate a difetti enzimatici. Sono stati sviluppati metodi per il trattamento e la prevenzione di molte di queste malattie.

Uso pratico

Gli enzimi sono ampiamente utilizzati nell'economia nazionale: industria alimentare, tessile, farmacologia e medicina. La maggior parte dei farmaci influenza il corso dei processi enzimatici nel corpo, avviando o arrestando determinate reazioni.

Il campo di utilizzo degli enzimi nella ricerca scientifica e nella medicina è ancora più ampio.

Note

Letteratura

• Volkenshtein M.V., Dogonadze R.R., Madumarov A.K., Urushadze Z.D., Kharkats Yu.I. Verso la teoria della catalisi enzimatica - Biologia molecolare, v. 6, n. 3, 1972, artt. 431-439.
• Dixon, M. Enzimi / M. Dixon, E. Webb. - In 3 volumi - Trad. dall'inglese -T.1-2. - M.: Mir, 1982. - 808 p.
Grande enciclopedia medica

- (dal latino fermentum fermentation, lievito), enzimi, biocatalizzatori, specifici. proteine ​​che sono presenti in tutte le cellule viventi e svolgono il ruolo di biolo. catalizzatori. Attraverso di loro si realizza la genetica. le informazioni e tutti i processi di scambio vengono effettuati... ... Dizionario enciclopedico biologico

- (lat. Fermentum lievito, da fervere essere caldo). Sostanze organiche che producono la fermentazione di altri corpi organici senza subire essi stessi decadimento. Dizionario parole straniere, incluso nella lingua russa. Chudinov A.N., 1910. ENZIMI... ... Dizionario delle parole straniere della lingua russa

- (dal latino fermentum lievito) (enzimi) catalizzatori biologici presenti in tutte le cellule viventi. Eseguono la trasformazione delle sostanze nel corpo, dirigendo e regolando così il suo metabolismo. Di natura chimica proteine. Enzimi... ... Grande Dizionario enciclopedico

- (dal latino fermentum lievito), catalizzatori biologici presenti in tutte le cellule viventi. Effettuare trasformazioni (metabolismo) delle sostanze nel corpo. Secondo la natura chimica delle proteine. Partecipa a numerose reazioni biochimiche nella cellula... ... Enciclopedia moderna

Sostantivo, numero di sinonimi: 2 biocatalizzatori (1) enzimi (2) Dizionario dei sinonimi ASIS. V.N. Trishin. 2013… Dizionario dei sinonimi

Enzimi. Vedi enzimi. (

In cosa consiste un enzima? e cosa ne causa le proprietà così selettive!?

Già nel 19° secolo si presumeva che il componente principale che costituisce l'enzima fosse la proteina. Nel XX secolo in Germania fu fatto un altro tentativo ripetuto di scoprirlo in cosa consiste un enzima?. Si è erroneamente supposto che gli enzimi non potessero essere classificati come proteine ​​o come qualsiasi altra sostanza organica. Poco dopo, l'enzima fu ottenuto in America "ureasi" sotto forma di cristalli proteici, ma questo esperimento è stato invalidato a causa della distorsione dell'esperimento.

Solo negli anni '30 del XX secolo furono ottenuti enzimi come trypsin E pepsina V forma cristallina, dopo di che è stata riconosciuta la loro struttura proteica, che 20 anni dopo è stata confermata dall'analisi strutturale a raggi X.

Le proteine ​​sono complesse materia organica con una struttura molto complessa. Possono averne fino a 4 diversi livelli strutturali. Quindi, se una proteina è costituita da più catene collegate tra loro, tale struttura verrà chiamata quaternaria. Ad esempio, un enzima ha questa struttura alcol deidrogenasi lievito. Se almeno un livello proteico viene interrotto, ciò provoca la denaturazione della proteina; un ambiente acido distrugge i legami e i ponti disolfuro all'interno delle molecole proteiche; Se la temperatura aumenta, le eliche in cui sono ripiegate le molecole proteiche iniziano a dispiegarsi, il che porta alla perdita delle proprietà catalitiche degli enzimi. Ciò spiega tale sensibilità alle condizioni operative degli enzimi.

(la pagina delle proprietà delle proteine ​​è dedicata alle proteine)

Ma come si è scoperto, enzimaè costituito da qualcosa di più che semplici proteine. Oltre alla proteina può essere presente anche un altro residuo organico o addirittura uno ione metallico. È interessante notare che sono proprio quegli enzimi contenenti tali “inclusioni” (metalli o altri residui organici) che sono in grado di manifestare attività ed essere veri catalizzatori di reazioni chimiche. Viene chiamata la parte della molecola dell'enzima che contiene tali inclusioni enzima (questo nome fu dato nel 1897, quando fu scoperto il manganese nelle ceneri dell'enzima.

laccasi Il nostro corpo stesso produce le proteine ​​​​di cui abbiamo bisogno, caratteristiche solo del nostro corpo, ma coenzimi

sono sintetizzati con difficoltà, poiché i metalli entrano nel nostro corpo nelle quantità richieste principalmente con vitamine e microelementi. Le vitamine sono molto necessarie per il nostro corpo, poiché contengono metalli e contribuiscono alla formazione di enzimi capaci.

(Puoi leggere di più sulle vitamine nella pagina Vitamine e integratori alimentari, dove viene fornita una descrizione dettagliata delle vitamine che usiamo e degli alimenti in cui si trovano. Il corpo umano normale contiene ioni di vari metalli e per una persona con un peso di 70 kg sono necessari per la normale attività vitale 2,3 g di zinco (Zn), 4,1 g di ferro (Fe), 0,2 g di rame (Cu), così come molti altri oligoelementi: magnesio, molibdeno, cobalto, calcio, potassio , sodio. Ad esempio, nel corpo il ferro forma composti complessi e sono parte integrante enzima E perossidasi catalasi

(questo enzima catalizza la reazione chimica di ossidazione tra acqua ossigenata e sostanze organiche). Ma affinché il nostro corpo possa elaborare e scomporre meglio l'alcol (questo viene eseguito dagli enzimi alcol deidrogenasi e anidrasi carbonica), abbiamo bisogno dello zinco.

Come nascono gli enzimi? Le persone hanno risolto in modo sorprendente e utile proprietà degli enzimi molto prima della loro apertura. Le persone non sapevano ancora come ottenere e secernere gli enzimi, ma sapevano già quali sostanze contenevano Ad esempio, gli elementi della natura vivente erano ampiamente utilizzati per fermentare il vino, preparare l'impasto e cagliare il latte (ad esempio, lo stesso lievito per produrre alcol). Certamente, enzimi vivi(ottenuti da tessuti animali e vegetali) sono ancora oggi utilizzati, ma più interessanti e direzione modernaè una selezione enzimi puri. Ad esempio, nei detersivi che conosciamo, che lavano bene eventuali macchie di grasso, sono stati aggiunti speciali tipi di enzimi che possono dissolversi facilmente e non rovinare il tessuto.

La stragrande maggioranza degli enzimi che utilizziamo sono formati da singoli tipi di microrganismi. Gli enzimi così formati possono essere ottenuti in quantità quasi illimitate. Tutto dipende dall'ambiente e dall'habitat dei microrganismi, che noi stessi possiamo, se lo desideriamo, controllare.

Produzione di enzimi in applicazione ai più ampi bisogni della gente fu organizzato alla fine del XIX secolo. Ma solo dopo la metà del XX secolo, con lo sviluppo della bioingegneria, divenne possibile soddisfare tutte le esigenze della società in termini di enzimi e aprirne la produzione di massa.

Nelle applicazioni applicate per l'esecuzione reazione chimica l'enzima viene assunto in quantità molto piccole. Ad esempio, per trasformare un uovo di gallina bollito (albume) in un insieme di amminoacidi e convertirli in soluzione, è necessario solo 1 g di enzima pepsina e 2 ore di tempo.

Nel nostro corpo, il DNA è responsabile della produzione di enzimi. Una certa sequenza di componenti strutturali del DNA, incorporati in una molecola batterica, ci consentirà di ottenere batteri che produrranno l'enzima necessario - come secondo un rigoroso programma

CapitoloIV.3.

Enzimi

Il metabolismo nel corpo può essere definito come l'insieme di tutte le trasformazioni chimiche a cui sono sottoposti i composti provenienti dall'esterno. Queste trasformazioni includono tutti i tipi conosciuti di reazioni chimiche: trasferimento intermolecolare di gruppi funzionali, scissione idrolitica e non idrolitica di legami chimici, riarrangiamento intramolecolare, nuova formazione di legami chimici e ossidativo - reazioni di riduzione. Tali reazioni avvengono nel corpo a velocità estremamente elevata solo in presenza di catalizzatori. Tutti i catalizzatori biologici sono sostanze di natura proteica e sono chiamati enzimi (di seguito F) o enzimi (E).

Gli enzimi non sono componenti delle reazioni, ma accelerano solo il raggiungimento dell'equilibrio aumentando la velocità della conversione sia diretta che inversa. L'accelerazione della reazione avviene a causa di una diminuzione dell'energia di attivazione, la barriera energetica che separa uno stato del sistema (il composto chimico iniziale) da un altro (il prodotto della reazione).

Gli enzimi accelerano una serie di reazioni nel corpo. Quindi, dal punto di vista della chimica tradizionale, la reazione di eliminazione dell'acqua da acido carbonico con la formazione di CO 2 richiede la partecipazione di un enzima, perché senza di essa, procede troppo lentamente per regolare il pH del sangue. Grazie all'azione catalitica degli enzimi nel corpo, diventa possibile che avvengano reazioni che senza un catalizzatore procederebbero centinaia e migliaia di volte più lentamente.

Proprietà degli enzimi

1. Influenza sulla velocità di una reazione chimica: gli enzimi aumentano la velocità di una reazione chimica, ma non si consumano.

La velocità di una reazione è la variazione della concentrazione dei componenti della reazione nell'unità di tempo. Se va in avanti allora è proporzionale alla concentrazione dei reagenti, se va nella direzione opposta allora è proporzionale alla concentrazione dei prodotti della reazione. Il rapporto tra la velocità delle reazioni dirette e quelle inverse è chiamato costante di equilibrio. Gli enzimi non possono modificare i valori della costante di equilibrio, ma lo stato di equilibrio si verifica più velocemente in presenza di enzimi.

2. Specificità dell'azione enzimatica. Nelle cellule del corpo avvengono 2-3mila reazioni, ognuna delle quali è catalizzata da un enzima specifico. La specificità dell'azione di un enzima è la capacità di accelerare il corso di una determinata reazione senza incidere sulla velocità delle altre, anche molto simili.

Ci sono:

Assoluto– quando F catalizza solo una reazione specifica ( arginasi– degradazione dell’arginina)

Relativo(gruppo speciale) – F catalizza una certa classe di reazioni (ad esempio la scissione idrolitica) o reazioni che coinvolgono una certa classe di sostanze.

La specificità degli enzimi è dovuta alla loro sequenza amminoacidica unica, che determina la conformazione del centro attivo che interagisce con i componenti della reazione.

Viene chiamata una sostanza la cui trasformazione chimica è catalizzata da un enzima substrato ( S ) .

3. Attività enzimatica: la capacità di accelerare la velocità di reazione a vari livelli. L'attività è espressa in:

1) Unità internazionali di attività - (IU) la quantità di enzima che catalizza la conversione di 1 µM di substrato in 1 minuto.

2) Catalach (kat) - la quantità di catalizzatore (enzima) in grado di convertire 1 mole di substrato in 1 s.

3) Attività specifica - il numero di unità di attività (una qualsiasi delle precedenti) nel campione di prova rispetto alla massa totale di proteine ​​in questo campione.

4) Meno comunemente usata è l'attività molare: il numero di molecole di substrato convertite da una molecola di enzima al minuto.

L'attività dipende principalmente sulla temperatura . Questo o quell'enzima mostra la massima attività alla temperatura ottimale. Per F di un organismo vivente, questo valore è compreso tra +37,0 e +39,0° C, a seconda del tipo di animale. Al diminuire della temperatura il moto browniano rallenta, la velocità di diffusione diminuisce e, di conseguenza, rallenta il processo di formazione del complesso tra l'enzima ed i componenti della reazione (substrati). Se la temperatura supera +40 - +50° La molecola dell'enzima, che è una proteina, subisce un processo di denaturazione. In questo caso, la velocità della reazione chimica diminuisce notevolmente (Fig. 4.3.1.).

Dipende anche dall'attività enzimatica pH dell'ambiente . Per la maggior parte di essi esiste un determinato valore di pH ottimale al quale la loro attività è massima. Poiché una cellula contiene centinaia di enzimi e ciascuno di essi ha i propri limiti di pH, le variazioni di pH sono uno dei fattori importanti nella regolazione dell'attività enzimatica. Pertanto, come risultato di una reazione chimica con la partecipazione di un determinato enzima, il cui valore pH è compreso tra 7,0 e 7,2, si forma un prodotto che è un acido. In questo caso il valore del pH si sposta nella regione 5,5 – 6,0. L'attività dell'enzima diminuisce drasticamente, la velocità di formazione del prodotto rallenta, ma allo stesso tempo viene attivato un altro enzima, per il quale questi valori di pH sono ottimali e il prodotto della prima reazione subisce un'ulteriore trasformazione chimica. (Un altro esempio su pepsina e trypsin).

Natura chimica degli enzimi. La struttura dell'enzima. Centri attivi e allosterici

Tutti gli enzimi sono proteine ​​con un peso molecolare compreso tra 15.000 e diversi milioni di Da. Di struttura chimica differenziare semplice enzimi (costituiti solo da AA) e complesso enzimi (hanno una parte non proteica o un gruppo prostetico). La parte proteica si chiama - apoenzima, e non proteico, se è legato covalentemente all'apoenzima, viene chiamato coenzima, e se il legame è non covalente (ionico, idrogeno) – cofattore . Le funzioni del gruppo prostetico sono le seguenti: partecipazione all'atto di catalisi, contatto tra l'enzima e il substrato, stabilizzazione della molecola enzimatica nello spazio.

Il ruolo del cofattore è solitamente svolto da sostanze inorganiche: ioni di zinco, rame, potassio, magnesio, calcio, ferro, molibdeno.

I coenzimi possono essere considerati parte integrante della molecola enzimatica. Queste sono sostanze organiche, tra le quali ci sono: nucleotidi ( ATP, UMF, ecc.), vitamine o loro derivati ​​( TDF– dalla tiamina ( B1), FMN– dalla riboflavina ( B2), coenzima A– dall'acido pantotenico ( B3), NAD, ecc.) e coenzimi tetrapirrolici - emi.

Nel processo di catalizzazione di una reazione, non l'intera molecola dell'enzima entra in contatto con il substrato, ma una certa parte di essa, chiamata centro attivo. Questa zona della molecola non è costituita da una sequenza di aminoacidi, ma si forma torcendo la molecola proteica in una struttura terziaria. Le singole sezioni di aminoacidi si avvicinano l'una all'altra, formando una configurazione specifica del centro attivo. Una caratteristica importante della struttura del centro attivo è che la sua superficie è complementare alla superficie del substrato, cioè I residui AK in questa zona dell'enzima sono in grado di entrare in interazioni chimiche con determinati gruppi del substrato. Questo lo si può immaginare Il sito attivo dell'enzima coincide con la struttura del substrato come una chiave e una serratura.

IN centro attivo si distinguono due zone: centro vincolante, responsabile dell'attaccamento al substrato, e centro catalitico, responsabile della trasformazione chimica del substrato. Il centro catalitico della maggior parte degli enzimi comprende AA come Ser, Cys, His, Tyr, Lys. Gli enzimi complessi hanno un cofattore o coenzima nel centro catalitico.

Oltre al centro attivo, numerosi enzimi sono dotati di un centro regolatore (allosterico). Le sostanze che influenzano la sua attività catalitica interagiscono con questa zona dell'enzima.

Meccanismo d'azione degli enzimi

L'atto di catalisi si compone di tre fasi successive.

1. Formazione di un complesso enzima-substrato in seguito all'interazione attraverso il centro attivo.

2. Il legame del substrato avviene in diversi punti del centro attivo, il che porta ad un cambiamento nella struttura del substrato e alla sua deformazione a causa dei cambiamenti nell'energia di legame nella molecola. Questa è la seconda fase e si chiama attivazione del substrato. In questo caso si verifica una certa modificazione chimica del substrato che viene convertito in uno o più prodotti nuovi.

3. Come risultato di questa trasformazione, la nuova sostanza (prodotto) perde la capacità di essere trattenuta nel centro attivo dell'enzima e il complesso enzima-substrato, o meglio, il complesso enzima-prodotto si dissocia (si rompe).

Tipi di reazioni catalitiche:

A+E = AE = BE = E + B

A+B+E = AE+B = ABE = AB+E

AB+E = ABE = A+B+E, dove E è l'enzima, A e B sono substrati o prodotti di reazione.

Effettori enzimatici - sostanze che modificano la velocità della catalisi enzimatica e quindi regolano il metabolismo. Tra questi ci sono inibitori - rallentare la velocità di reazione e attivatori - accelerare la reazione enzimatica.

A seconda del meccanismo di inibizione della reazione, si distinguono gli inibitori competitivi e non competitivi. La struttura della molecola inibitrice competitiva è simile alla struttura del substrato e coincide con la superficie del centro attivo come una chiave e una serratura (o quasi coincide). Il grado di questa somiglianza può essere addirittura maggiore rispetto al substrato.

Se A+E = AE = BE = E + B, allora I+E = IE¹

La concentrazione dell'enzima capace di catalisi diminuisce e la velocità di formazione dei prodotti di reazione diminuisce drasticamente (Fig. 4.3.2.).

Un gran numero di sostanze chimiche di origine endogena ed esogena (cioè quelle formate nell'organismo e quelle provenienti dall'esterno - rispettivamente xenobiotici) agiscono come inibitori competitivi. Le sostanze endogene sono regolatori del metabolismo e sono chiamati antimetaboliti. Molti di essi sono utilizzati nel trattamento di malattie oncologiche e microbiche, come. inibiscono le principali reazioni metaboliche dei microrganismi (sulfamidici) e delle cellule tumorali. Ma con un eccesso di substrato e una bassa concentrazione dell'inibitore competitivo, il suo effetto viene annullato.

Il secondo tipo di inibitori è non competitivo. Interagiscono con l'enzima all'esterno del sito attivo e l'eccesso di substrato non influisce sulla loro capacità inibitoria, come nel caso degli inibitori competitivi. Questi inibitori interagiscono con alcuni gruppi dell'enzima (i metalli pesanti si legano ai gruppi tiolici di Cys) o molto spesso con il centro regolatore, che riduce la capacità legante del centro attivo. L'effettivo processo di inibizione è la soppressione completa o parziale dell'attività enzimatica mantenendo la sua struttura primaria e spaziale.

Viene inoltre fatta una distinzione tra inibizione reversibile e irreversibile. Gli inibitori irreversibili inattivano l'enzima formando un legame chimico con il suo AK o altri componenti strutturali. Questo di solito è un legame covalente con uno dei siti del sito attivo. Un tale complesso praticamente non si dissocia in condizioni fisiologiche. In un altro caso, l'inibitore distrugge la struttura conformazionale della molecola dell'enzima e ne provoca la denaturazione.

L'effetto degli inibitori reversibili può essere rimosso in caso di eccesso di substrato o sotto l'influenza di sostanze che modificano la struttura chimica dell'inibitore. Gli inibitori competitivi e non competitivi sono nella maggior parte dei casi reversibili.

Oltre agli inibitori sono noti anche gli attivatori della catalisi enzimatica. Essi:

1) proteggere la molecola enzimatica da influenze inattivanti,

2) formano un complesso con il substrato che si lega più attivamente al centro attivo di F,

3) interagendo con un enzima che ha una struttura quaternaria, separano le sue subunità e quindi aprono l'accesso al substrato al centro attivo.

Distribuzione degli enzimi nel corpo

Enzimi coinvolti nella sintesi di proteine, acidi nucleici ed enzimi metabolismo energetico presente in tutte le cellule del corpo. Ma le cellule che svolgono funzioni speciali contengono anche enzimi speciali. Pertanto, le cellule delle isole di Langerhans nel pancreas contengono enzimi che catalizzano la sintesi degli ormoni insulina e glucagone. Gli enzimi che sono caratteristici solo delle cellule di alcuni organi sono chiamati organo-specifici: arginasi e urochinasi- fegato, fosfatasi acida- prostata. Modificando la concentrazione di tali enzimi nel sangue si giudica la presenza di patologie in questi organi.

In una cellula, i singoli enzimi sono distribuiti in tutto il citoplasma, altri sono incorporati nelle membrane dei mitocondri e nel reticolo endoplasmatico, tali enzimi si formano scomparti, in cui si verificano alcune fasi del metabolismo strettamente interconnesse.

Molti enzimi si formano nelle cellule e vengono secreti nelle cavità anatomiche in uno stato inattivo: questi sono proenzimi. Gli enzimi proteolitici (che scompongono le proteine) sono spesso formati come proenzimi. Quindi, sotto l'influenza del pH o di altri enzimi e substrati, avviene la loro modificazione chimica e il centro attivo diventa accessibile ai substrati.

Ci sono anche isoenzimi - enzimi che differiscono nella struttura molecolare, ma svolgono la stessa funzione.

Nomenclatura e classificazione degli enzimi

Il nome dell'enzima è formato dalle seguenti parti:

1. nome del substrato con cui interagisce

2. natura della reazione catalizzata

3. nome della classe di enzimi (ma questo è facoltativo)

4. suffisso -aza-

piruvato - decarbossile - aza, succinato - deidrogeno - aza

Poiché sono già noti circa 3mila enzimi, è necessario classificarli. Attualmente è stata adottata una classificazione internazionale degli enzimi, che si basa sul tipo di reazione catalizzata. Esistono 6 classi, che a loro volta sono suddivise in una serie di sottoclassi (presentate solo selettivamente in questo libro):

1. Ossidoreduttasi. Catalizzare le reazioni redox. Sono divisi in 17 sottoclassi. Tutti gli enzimi contengono una parte non proteica sotto forma di eme o derivati ​​delle vitamine B2, B5. Il substrato sottoposto ad ossidazione funge da donatore di idrogeno.

1.1. Le deidrogenasi rimuovono l'idrogeno da un substrato e lo trasferiscono ad altri substrati. Coenzimi NAD, NADP, FAD, FMN. Accettano l'idrogeno scisso dall'enzima, trasformandolo in forma ridotta (NADH, NADPH, FADH) e lo trasferiscono ad un altro complesso enzima-substrato, dove lo rilasciano.

1.2. Ossidasi: catalizzano il trasferimento di idrogeno in ossigeno per formare acqua o H 2 O 2. F. Citocromo ossidasi catena respiratoria.

RH + NAD H + O2 = ROH + NAD + H2O

1.3. Monossidasi - citocromo P450. Secondo la sua struttura, è sia un'emoproteina che una flavoproteina. Idrossila gli xenobiotici lipofili (secondo il meccanismo sopra descritto).

1.4. PerossidasiE perossidasi- catalizzare la decomposizione del perossido di idrogeno, che si forma durante le reazioni metaboliche.

1.5. Ossigenasi: catalizzano le reazioni di aggiunta di ossigeno al substrato.

2. Transferasi - catalizzare il trasferimento di vari radicali da una molecola donatrice a una molecola accettore.

UN UN+ E + B = E UN+A+B = E+B UN+A

2.1. Metiltransferasi (CH 3 -).

2.2.Carbossile e carbamoiltransferasi.

2.2. Aciltransferasi – Coenzima A (trasferimento del gruppo acilico - R-C=O).

Esempio: sintesi del neurotrasmettitore acetilcolina (vedi capitolo “Metabolismo delle proteine”).

2.3. Le esosiltransferasi catalizzano il trasferimento dei residui glicosilici.

Esempio: la scissione di una molecola di glucosio dal glicogeno sotto l'influenza di fosforilasi.

2.4. Aminotransferasi - trasferimento di gruppi amminici

R1- CO - R2 + R1 - CH - N.H. 3 - R2 = R1 -CH - N.H. 3 - R2 + R1- CO - R2

Svolgono un ruolo importante nella trasformazione di AK. Il coenzima comune è il piridossal fosfato.

Esempio: alanina aminotransferasi(ALT): piruvato + glutammato = alanina + alfa-chetoglutarato (vedi capitolo “Metabolismo delle proteine”).

2.5. Fosfotransferasi (chinasi): catalizza il trasferimento dei residui di acido fosforico. Nella maggior parte dei casi, il donatore di fosfato è l’ATP. Gli enzimi di questa classe partecipano principalmente alla scomposizione del glucosio.

Esempio: Eso(gluco)chinasi.

3. Idrolasi - catalizzare le reazioni di idrolisi, cioè scissione delle sostanze con aggiunta nel punto in cui il legame idrico è rotto. Questa classe comprende principalmente gli enzimi digestivi che sono monocomponenti (non contengono una parte non proteica);

R1-R2 +H2O = R1H + R2OH

3.1. Esterasi: scompongono i legami esterici. Questa è una grande sottoclasse di enzimi che catalizzano l'idrolisi di esteri tiolici e fosfoesteri.
Esempio: NH2).

Esempio: arginasi(ciclo dell'urea).

4.Liasi - catalizzare reazioni di scissione molecolare senza aggiunta di acqua. Questi enzimi hanno una parte non proteica sotto forma di tiamina pirofosfato (B 1) e piridossal fosfato (B 6).

4.1. Liasi del legame C-C. Di solito sono chiamati decarbossilasi.

Esempio: piruvato decarbossilasi.

5.Isomerasi - catalizzare le reazioni di isomerizzazione.

Esempio: fosfopentoso isomerasi, pentosofosfato isomerasi(enzimi del ramo non ossidativo della via dei pentoso fosfati).

6.Ligasi catalizzare reazioni per la sintesi di sostanze più complesse da quelle più semplici. Tali reazioni richiedono l'energia dell'ATP. Al nome di tali enzimi viene aggiunto "sintetasi".

RIFERIMENTI AL CAPITOLO IV.3.

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