Mechanizm kompensacji dawki U zdecydowanej większości ssaków (ale nie torbaczy) jeden z chromosomów X jest dezaktywowany w komórkach somatycznych samic. Takie wykluczenie jest jedną z opcji rozwiązania problemu u gatunków, dla których jedna płeć jest reprezentowana przez dwie

Rozdział 3. Enzymy. Mechanizm działania enzymów Enzymy lub enzymy nazywane są specyficznymi białkami, które wchodzą w skład wszystkich komórek i tkanek organizmów żywych i działają jako katalizatory biologiczne Ogólne właściwości enzymów i katalizatorów nieorganicznych: 1. Nie

Struktura cząsteczki enzymu Ze względu na strukturę enzymy mogą być białkami prostymi i złożonymi. Enzym będący złożonym białkiem nazywany jest holoenzymem. Część białkowa enzymu nazywana jest apoenzymem, część niebiałkowa nazywana jest kofaktorem. Istnieją dwa rodzaje kofaktorów: 1.

Specyfika działania enzymów Enzymy charakteryzują się wyższą specyficznością działania w porównaniu z katalizatorami nieorganicznymi. Istnieje swoistość w odniesieniu do rodzaju reakcji chemicznej katalizowanej przez enzym oraz swoistość w odniesieniu do

Rozdział 4. Regulacja aktywności enzymów. Enzymologia medyczna Metody regulacji aktywności enzymów: 1. Zmiana liczby enzymów.2. Zmiana wydajności katalitycznej enzymu.3. Zmiana warunków reakcji Regulacja ilości

Zastosowanie enzymów w medycynie Preparaty enzymatyczne znajdują szerokie zastosowanie w medycynie. Enzymy w praktyce medycznej są stosowane jako środki diagnostyczne (enzymodiagnostyka) i terapeutyczne (terapia enzymatyczna). Ponadto enzymy są stosowane jako

Wstęp

1. Rodzaje enzymów

2. Struktura enzymów

Mechanizm działania enzymów

Lista bibliograficzna

Wstęp

Enzymy to najważniejsza klasa substancji białkowych, o uniwersalnych funkcjach biologicznych. Enzymy są specyficznymi i wysoce wydajnymi katalizatorami reakcji chemicznych zachodzących w żywej komórce. Badanie enzymów, ich budowy, właściwości i mechanizmu działania biologicznego jest jedną z głównych gałęzi biochemii i chemii bioorganicznej. Do tej pory scharakteryzowano kilka tysięcy enzymów, ponad tysiąc z nich uzyskano w stanie indywidualnym. Dla wielu setek białek enzymatycznych wyjaśniono sekwencję aminokwasową, a najsłynniejsze z nich odszyfrowano metodą dyfrakcji rentgenowskiej do poziomu pełnej struktury przestrzennej. Badanie każdego problemu w dziedzinie wiedzy o mechanizmach aktywności życiowej jest koniecznie związane z badaniem odpowiednich układów enzymatycznych. Ponadto enzymy są szeroko stosowane jako potężne narzędzia w wyjaśnianiu struktury biopolimerów oraz w inżynierii genetycznej. Znajdują szerokie praktyczne zastosowanie w medycynie i przemyśle spożywczym.

Procesy enzymatyczne znane są człowiekowi od czasów starożytnych. W szczególności fermentacja była szeroko wykorzystywana przez Greków do produkcji wina (odkrycie tej metody przypisywano bogu Bachusowi). Narody wielu krajów od dawna opanowały sztukę wypieku chleba, sera, octu w oparciu o przetwarzanie surowców roślinnych i zwierzęcych. Jednak obecny etap rozwoju enzymologii sięga początku ubiegłego wieku. W 1814 r. członek Petersburskiej Akademii Nauk K. Kirchhoff ustalił, że skrobia zamienia się w cukier pod wpływem pewnych substancji znajdujących się w kiełkujących ziarnach jęczmienia. Kolejny krok naprzód w tym kierunku zrobili francuscy chemicy A. Payen i J. Pirceau, którzy w 1833 r. wykazali, że czynnik termolabilny, otrzymywany z ekstraktu słodowego przez strącanie alkoholem, ma zdolność hydrolizowania skrobi; nazwali to katastrofą.

Wkrótce wybuchł spór o charakter fermentacji, w którym uczestniczyli najwięksi przedstawiciele ówczesnych nauk przyrodniczych. W szczególności L. Pasteur był zdania, że ​​fermentacja jest powodowana przez żywe mikroorganizmy, a zatem jest związana wyłącznie z ich żywotną aktywnością. Z kolei Yu Liebig i K. Bernard bronili chemicznej natury fermentacji, uważając, że jest ona związana ze specjalnymi substancjami, takimi jak diastaza (amylaza). J. Berzelius w 1837 wykazał, że enzymy są katalizatorami dostarczanymi przez żywe komórki. Wtedy pojawiły się określenia „enzym” (z łac. fermentatio – fermentacja) i „enzym” (z greckiego – w drożdżach). Spór został ostatecznie rozwiązany dopiero w 1897 roku, kiedy niemieccy naukowcy bracia Hans i Edward Buchner wykazali, że bezkomórkowy sok drożdżowy (otrzymywany przez nacieranie drożdży ziemią okrzemkową) jest w stanie fermentować cukier z wytworzeniem alkoholu i CO 2. Stało się jasne, że sok drożdżowy zawiera złożoną mieszaninę enzymów (zwaną zymazą) i te enzymy są w stanie funkcjonować. wędrować zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz komórek. Według jednego z historyków pojawienie się bąbelków dwutlenku węgla w eksperymencie Buchnera oznaczało narodziny nowoczesnej biochemii i enzymologii.

Próby wyizolowania enzymów w stanie indywidualnym podejmowało wielu badaczy, wśród których należy wymienić A. Ya Danilevsky, R. Wilstetter itp. Białkową naturę enzymów jednoznacznie udowodnił w 1926 r. amerykański biochemik J. Sumner, który wyizolował enzym ureazę z nasion w postaci krystalicznej rowów. W 1930 roku J. Northrop otrzymał pepsynę krystaliczną, a następnie trypsynę i chymotrypsynę. Od tego czasu powszechnie przyjmuje się, że wszystkie enzymy są białkami.

Pod koniec XIX wieku. na podstawie postępów w dziedzinie badania struktury związków organicznych pochodzenia biologicznego, możliwe stało się badanie specyfiki enzymów. W tym czasie E. Fischer wysunął słynne stanowisko o potrzebie sterycznej zgodności między enzymem a substratem; w jego przenośnym wyrażeniu „substrat pasuje do enzymu jak klucz do zamka”. Na początku XX wieku położono podwaliny pod badania kinetyki działania enzymów.

Enzymy mają różne masy cząsteczkowe - od 10 000 do 1 000 000 i więcej. Mogą być zbudowane z pojedynczego łańcucha polipeptydowego, kilku łańcuchów polipeptydowych lub złożonych (czasem polienzymatycznych) kompleksów. Enzym zawiera również składniki niebiałkowe, zwane kofaktorami (kofaktorami), - jony metali, małe cząsteczki organiczne, takie jak witaminy itp.

Enzymy są wysoce wydajnymi katalizatorami: są w stanie zwiększyć szybkość reakcji miliony i miliardy razy. Na przykład ureaza (przy pH 8,0, 20 0C) przyspiesza hydrolizę mocznika o około 1014 raz.

Enzymy są wysoce specyficznymi katalizatorami. Wykazują specyficzność pod względem rodzaju katalizowanej reakcji chemicznej, a powstawanie produktów ubocznych nie występuje. Ponadto mają wyraźną specyficzność substratową i z reguły wysoką stereospecyficzność.

1. Rodzaje enzymów

Klasyfikacja enzymów. Wcześniej, przy nazywaniu enzymów, za podstawę przyjmowano nazwę substratu z dodatkiem przyrostka „aza”; tak powstały w szczególności proteinazy, lipazy i karbohydrazy. Zgodnie z pierwotną zasadą wyznaczono enzymy katalizujące reakcje oksydacyjne (dehydrogenazy). Niektóre enzymy otrzymały specjalne nazwy - trypsyna, pepsyna itp. Obecnie przyjęto klasyfikację, w której enzymy są pogrupowane w 6 klas według rodzaju katalizowanych reakcji:

Oksydoreduktazy (reakcje redoks).

Transferazy (reakcje przeniesienia grup funkcjonalnych).

Hydrolazy (reakcje hydrolizy).

Liazy (reakcje rozszczepiania grup metodami niehydrolitycznymi).

Izomerazy (reakcje izomeryzacji).

Ligazy (reakcje syntezy pod wpływem energii ATP).

W ramach klas enzymy są pogrupowane w podklasy i podklasy zgodnie z charakterystyką reakcji, które katalizują; na tej podstawie opracowano numerację kodową (szyfry) enzymów oraz ich nazwy systematyczne. Kod enzymu składa się z czterech liczb oddzielonych kropkami: pierwsza liczba oznacza klasę enzymu, druga i trzecia liczba oznaczają odpowiednio podklasę i podklasę, a czwarta liczba to numer seryjny enzymu w jego podklasie. Na przykład kwaśna fosfataza ma kod 3.1.3.2; oznacza to, że należy do klasy hydrolaz (3.1.3.2), podklasy tych enzymów działających na wiązania estrowe (3.1.3.2), podklasy enzymów hydrolizujących monoestry kwasu fosforowego (3.1.3.2) oraz seryjnej liczba enzymów w tej podklasie - 2 (3.1.3.2).

Enzymy, które katalizują tę samą reakcję, ale izolowane z różnych typów żywych organizmów, różnią się od siebie. W nomenklaturze mają wspólną nazwę i jeden numer kodowy. Różne formy jednego lub drugiego enzymu często występują w tym samym gatunku biologicznym. Aby nazwać grupę enzymów, które katalizują tę samą reakcję i znajdują się w organizmach tego samego gatunku, zaleca się określenie wielu form enzymatycznych. W przypadku tych enzymów z tej samej grupy, które mają genetycznie zdeterminowane różnice w strukturze pierwszorzędowej, stosuje się termin „izoenzymy”.

oksydoredukt ?zy - odrębna klasa enzymów, które katalizują reakcje leżące u podstaw biologicznego utleniania, którym towarzyszy przenoszenie elektronów z jednej cząsteczki (czynnik redukujący - akceptor protonów lub donor elektronów) do drugiej (środek utleniający - donor protonów lub akceptor elektronów).

Reakcje katalizowane przez oksydoreduktazy generalnie wyglądają tak:

b? A+B ?

Gdzie A jest środkiem redukującym (donor elektronów), a B jest środkiem utleniającym (akceptor elektronów)

W przemianach biochemicznych reakcje redoks wyglądają czasem na bardziej skomplikowane. Oto na przykład jedna z reakcji glikolizy:

n + 3-fosforan aldehydu glicerynowego + NAD +? PONAD H + H ++ 1,3-difosfoglicerynian

Tutaj NAD działa jako środek utleniający. +, a środkiem redukującym jest 3-fosforan aldehydu glicerynowego.

Systematyczne nazwy enzymów klasy powstają zgodnie ze schematem „dawca: akceptor + oksydoreduktaza”. Jednak szeroko stosowane są również inne schematy nazewnictwa. Jeśli to możliwe, enzymy są nazywane w formie „donor + dehydrogenaza”, np. dehydrogenaza aldehydu 3-fosforanowego gliceryny, dla drugiej powyższej reakcji. Czasami nazwa jest pisana jako „akceptor + reduktaza”, na przykład NAD +-reduktaza. W szczególnym przypadku, gdy środkiem utleniającym jest tlen, nazwa może mieć postać „donor + oksydaza”.

Zgodnie z międzynarodową klasyfikacją i nomenklaturą enzymów oksydoreduktazy należą do klasy 1, w ramach której wyróżnia się dwadzieścia dwie podklasy:

EC 1.1 obejmuje enzymy, które oddziałują z grupą dawców CH-OH;

EC 1.2 obejmuje enzymy, które oddziałują z grupą aldehydową lub okso donorów;

EC 1.3 obejmuje enzymy oddziałujące z grupą dawców CH-CH;

EC 1.4 obejmuje enzymy oddziałujące z CH-NH 2grupa darczyńców;

EC 1.5 obejmuje enzymy, które oddziałują z grupą dawców CH-NH;

EC 1.6 obejmuje enzymy oddziałujące z NAD H lub NADP H;

EC 1.7 obejmuje enzymy, które oddziałują z innymi związkami zawierającymi azot jako donory;

EC 1.8 obejmuje enzymy, które oddziałują z grupą dawców zawierających siarkę;

EC 1.9 obejmuje enzymy, które oddziałują z hemową grupą dawców;

EC 1.10 obejmuje enzymy, które oddziałują z difenolami i pokrewnymi związkami jako donory;

EC 1.11 obejmuje enzymy, które oddziałują z nadtlenkiem jako akceptor (peroksydaza);

EC 1.12 obejmuje enzymy, które oddziałują z wodorem jako dawca;

EC 1.13 obejmuje enzymy oddziałujące z pojedynczymi dawcami z włączeniem tlenu cząsteczkowego (oksygenazy);

EC 1.14 obejmuje enzymy oddziałujące ze sparowanymi dawcami z włączeniem tlenu cząsteczkowego;

EC 1.15 obejmuje enzymy, które oddziałują z rodnikami ponadtlenkowymi jako akceptory;

EC 1.16 obejmuje enzymy, które utleniają jony metali;

EC 1.17 obejmuje enzymy oddziałujące z CH lub CH2 grupy;

EC 1.18 obejmuje enzymy, które oddziałują z białkami żelaza i siarki jako donory;

EC 1.19 obejmuje enzymy, które oddziałują ze zmniejszoną flawodoksyną jako dawcą;

EC 1.20 obejmuje enzymy, które oddziałują z fosforem lub arsenem jako dawcą;

EC 1.21 obejmuje enzymy, które oddziałują z cząsteczkami typu X-H i Y-H, tworząc wiązanie X-Y;

EC 1.97 obejmuje inne oksydoreduktazy.

Przenosić ?zy - odrębna klasa enzymów, które katalizują przenoszenie grup funkcyjnych i reszt molekularnych z jednej cząsteczki do drugiej. Szeroko rozpowszechnione w organizmach roślinnych i zwierzęcych, biorą udział w przemianach węglowodanów, lipidów, kwasów nukleinowych i aminokwasów.

Reakcje katalizowane przez transferazy generalnie wyglądają tak:

X+B? A+B-X.

Cząsteczka A w tym przypadku działa jako donor grupy atomów (X), a cząsteczka B jest akceptorem grupy. Często jeden z koenzymów pełni rolę dawcy w takich reakcjach przenoszenia. Wiele reakcji katalizowanych przez transferazy jest odwracalnych.

Systematyczne nazwy enzymów klasy powstają zgodnie ze schematem:

„dawca: akceptor + grupa + transferaza”.

Lub stosuje się nieco bardziej ogólne nazwy, gdy nazwa dawcy lub akceptora grupy jest zawarta w nazwie enzymu:

„dawca + grupa + transferaza” lub „akceptor + grupa + transferaza”.

Na przykład aminotransferaza asparaginianowa katalizuje przeniesienie grupy aminowej z cząsteczki kwasu asparaginowego, katecholo-O-metylotransferaza przenosi grupę metylową S-adenozylometioniny na pierścień benzenowy różnych katecholamin, a acetylotransferaza histonowa przenosi grupę acetylową z acetylokoenzymu A do histonu podczas aktywacji transkrypcji.

Ponadto enzymy z 7. podgrupy transferaz, które przenoszą resztę kwasu fosforowego przy użyciu grupy fosforanowej ATP jako donora, są często również nazywane kinazami; aminotransferazy (podgrupa 6) są często nazywane transaminazami.

Zgodnie z międzynarodową klasyfikacją i nomenklaturą enzymów transferazy należą do klasy 2, w ramach której wyróżnia się dziewięć podklas:

EC 2.1 obejmuje enzymy przenoszące grupy jednowęglowe;

EC 2.2 - enzymy zawierające grupy aldehydowe i ketonowe;

EC 2.3 - niosący reszty acylowe (acylotransferazy);

EC 2.4 – przenoszenie reszt cukrowych (glikozylotransferazy);

KF 2,5 - przeniesienie grup alkilowych i arylowych z wyjątkiem reszty metylowej;

KF 2.6 - niosący grupy atomów zawierających azot;

EC 2.7 - przenoszenie pozostałości zawierających fosfor;

EC 2.8 - grupy nośne zawierające siarkę;

EC 2.9 - niosące grupy zawierające selen.

Hydrolazy to klasa enzymów, które katalizują hydrolizę wiązania kowalencyjnego. Ogólna postać reakcji katalizowanej przez hydrolazę jest następująca:

B+H2 Oh? A-OH + B-H

Nazwa systematyczna hydrolaz obejmuje nazwę rozszczepianego substratu, po której następuje dodanie hydrolazy. Z reguły jednak w banalnej nazwie pomija się słowo hydrolaza i pozostaje tylko sufiks „-aza”.

EC 3.1 esteraza wiązania estrowego: nukleaza, fosfodiesteraza, lipaza, fosfataza

Glikozydazy cukrowe CF 3.2: amylaza, hialuronidaza, lizozym itp.

Proste połączenie eterowe CF 3.3

Proteaza wiązania peptydowego EC 3.4: trypsyna, chymotrypsyna, elastaza, trombina, renina itp.

EC 3.5 niepeptydowe wiązanie węgiel-azot

Hydrolaza bezwodnika kwasowego CF 3.6 (helikaza, GTPaza)

Wiązanie węgiel-węgiel CF 3.7 (C-C)

CF 3.8 wiązanie halogenowe

EC 3.9 wiązanie azot-fosfor (P-N)

CF 3.10 wiązanie azot-siarka (S-N)

EC 3.11 wiązanie węgiel-fosfor (C-P)

EC 3.12 wiązanie disiarczkowe (S-S)

CF 3.13 wiązanie siarka-węgiel (C-S)

Lea ?zy (syntazy) - odrębna klasa enzymów, które katalizują reakcje niehydrolitycznego i nieoksydacyjnego rozrywania różnych wiązań chemicznych (C-C, C-O, C-N, C-S i inne) podłoża, odwracalne reakcje tworzenia i rozrywania podwójnych wiązania, którym towarzyszy eliminacja lub dodanie w ich miejsce grup atomów, a także tworzenie struktur cyklicznych.

Ogólnie nazwy enzymów są tworzone zgodnie ze schematem „substrat + liaza”. Częściej jednak nazwa uwzględnia podklasę enzymu. Lyazy różnią się od innych enzymów tym, że dwa substraty biorą udział w katalizowanych reakcjach w jednym kierunku, a tylko jeden bierze udział w reakcji odwrotnej. Nazwa enzymu zawiera słowa „dekarboksylaza” i „aldolaza” lub „liaza” (dekarboksylaza pirogronianowa, dekarboksylaza szczawianowa, dekarboksylaza szczawiooctanowa, aldolaza treoninowa, aldolaza fenyloserynowa, liaza izocytrynianowa, liaza alaninowa, ATP i inne), enzymy katalizujące reakcje rozszczepiania wody z substratu - „dehydrataza” (dehydrataza węglanowa, dehydrataza cytrynianowa, dehydrataza serynowa itp.). W przypadkach, gdy występuje tylko reakcja odwrotna lub ten kierunek reakcji jest bardziej znaczący, nazwa enzymów zawiera słowo „syntaza” (syntaza jabłczanowa, syntaza 2-izopropylomalanowa, syntaza cytrynianowa, syntaza hydroksymetyloglutarylo-CoA itp. ) .

Przykłady: dekarboksylaza histydynowa, hydrataza fumaranowa.

Zgodnie z międzynarodową klasyfikacją i nomenklaturą enzymów liazy należą do klasy 4, w ramach której wyróżnia się siedem podklas:

EC 4.1 obejmuje enzymy rozszczepiające wiązania węgiel-węgiel, na przykład dekarboksylazy (karboksylazy);

EC 4.2 - enzymy rozszczepiające wiązania węgiel-tlen, np. dehydrataza;

EC 4.3 - enzymy rozszczepiające wiązania węgiel-azot (liazy amidynowe);

EC 4.4 - enzymy rozszczepiające wiązania węgiel-siarka;

EC 4.5 - obejmuje enzymy rozszczepiające wiązania węgiel-halogen, np. dehydrochlorinaza DDT;

EC 4.6 - enzymy rozszczepiające wiązania fosfor-tlen, np. cyklaza adenylanowa;

EC 4,99 - obejmuje inne liazy

Izomerazy to enzymy, które katalizują strukturalne przemiany izomerów (racemizację lub epimeryzację). Izomerazy katalizują reakcje takie jak:? B, gdzie B jest izomerem A.

Nazwa enzymu zawiera słowo „racemaza” (racemaza alaninowa, racemaza metioninowa, racemaza hydroksyprolinowa, racemaza mleczanowa itp.), „epimeraza” (aldoza-1-epimeraza, fosforan-4-epimeraza rybulozy, UDP -epimeraza 4-glukuronianowa itp.), „izomeraza” (izomeraza fosforanu rybozy, izomeraza ksylozy, izomeraza fosforanu glukozaminy, izomeraza enoilo-CoA itp.), „mutaza” (mutaza fosfoglicerynianowa, mutaza metyloasparaginianowa, fosfoglukomutaza itp.). .

Izomerazy mają własną klasyfikację EC 5 i mają następujące podklasy:

EC 5.1 obejmuje enzymy katalizujące racemizację (racemazy) i epimeryzację (epimerazy)

EC 5.2 obejmuje enzymy katalizujące izomeryzację geometryczną (izomeraza cis-trans)

EC 5.3 obejmuje wewnątrzcząsteczkowe oksydoreduktazy

EC 5.4 obejmuje transferazy (mutazy)

EC 5.5 obejmuje liazy wewnątrzcząsteczkowe

EC 5.99 obejmuje inne izomerazy, w tym topoizomerazy

Ligazy (syntetazy). Klasa ligaz obejmuje enzymy, które katalizują syntezę substancji organicznych z dwóch początkowych cząsteczek, wykorzystując energię rozpadu ATP (lub innego trifosforanu nukleozydu). Ich nazwa systematyczna ma postać „X:Y ligaza”, gdzie X i Y oznaczają substancje wyjściowe. Przykładem jest L-glutaminian:ligaza amonowa (zalecany skrót „syntetaza glutaminowa”), przy udziale której glutamina jest syntetyzowana z kwasu glutaminowego i amoniaku w obecności ATP.

Ligazy są klasyfikowane według typu katalizowanego wiązania: O-ligazaS-ligazaN-ligazaC-ligaza

Struktura enzymów

W naturze występują zarówno proste, jak i złożone enzymy. Te pierwsze są w całości reprezentowane przez łańcuchy polipeptydowe i po hydrolizie rozkładają się wyłącznie na aminokwasy. Takie enzymy (białka proste) to enzymy hydrolityczne, w szczególności pepsyna, trypsyna, papaina, ureaza, lizozym, rybonukleaza, fosfataza itp. Większość naturalnych enzymów należy do klasy białek złożonych zawierających, oprócz łańcuchów polipeptydowych, niektóre niebiałkowe składnik (kofaktor ), którego obecność jest absolutnie niezbędna dla aktywności katalitycznej. Kofaktory mogą mieć różną naturę chemiczną i różnić się siłą wiązania z łańcuchem polipeptydowym. Jeśli stała dysocjacji złożonego enzymu jest tak mała, że ​​w roztworze wszystkie łańcuchy polipeptydowe są związane z ich kofaktorami i nie są rozdzielane podczas izolacji i oczyszczania, to taki enzym nazywamy holoenzymem (holoenzymem), a kofaktor nazywamy protezą uważana za integralną część cząsteczki enzymu. Część polipeptydowa enzymu nazywana jest apoenzymem.

W literaturze nadal używane są inne nazwy składników złożonych enzymów, w szczególności „enzym-białko”, „składnik białkowy” (apoenzym), „koenzym” (koenzym) i „grupa protetyczna”. Koenzym jest często rozumiany jako dodatkowa grupa, którą można łatwo oddzielić od apoenzymu podczas dysocjacji. Zakłada się, że grupa prostatyczna może być związana z białkiem wiązaniami kowalencyjnymi i niekowalencyjnymi. Tak więc w cząsteczce acetylokoenzymu-A-karboksylazy kofaktor biotyny jest kowalencyjnie związany z apoenzymem poprzez wiązanie amidowe. Z drugiej strony wiązania chemiczne między kofaktorami a łańcuchami peptydowymi mogą być stosunkowo słabe (np. wiązania wodorowe, oddziaływania elektrostatyczne itp.). W takich przypadkach podczas izolacji enzymów obserwuje się całkowitą dysocjację obu części, a wyizolowany składnik białkowy jest pozbawiony aktywności enzymatycznej do momentu dodania brakującego kofaktora z zewnątrz. Do takich izolowanych substancji organicznych o niskiej masie cząsteczkowej stosuje się termin „koenzym”, którego typowymi przedstawicielami są witaminy B1, B2, B6, PP zawierające koenzymy. Wiadomo również, że zarówno grupy prostetyczne, jak i koenzymy są aktywnie zaangażowane w reakcje chemiczne, działając jako pośrednie nośniki elektronów, atomów wodoru lub różnych grup funkcyjnych (na przykład aminowych, acetylowych, karboksylowych). W takich przypadkach koenzym jest uważany za drugi substrat, czyli kosubstrat.

Rolę koenzymu (Co) jako nośnika np. atomów wodoru można przedstawić na schemacie, gdzie SH jest substratem, KoE jest holoenzymem, A jest akceptorem protonów:

Podłoże ulega utlenianiu, oddając elektrony i protony, a CoE ulega redukcji, przyjmując elektrony i protony. W następnej reakcji połówkowej zredukowany CoEN może przekazać elektrony i protony innemu pośredniemu nośnikowi elektronów i protonów lub ostatecznemu akceptorowi.

Koenzym, kofaktor, grupa protetyczna – niejednoznaczny żargon biochemiczny. Spór terminologiczny wciąż trwa, ponieważ definicje „koenzymu”, „kofaktora” i „grupy protetycznej” są często rozpatrywane przez pryzmat ich roli w reakcjach katalizy enzymatycznej (enzymatycznej). Należy jednak wziąć pod uwagę niepodważalny fakt, że w wielu przypadkach niebiałkowe cząsteczki organiczne, takie jak jony metali, są absolutnie niezbędne dla składnika białkowego podczas pełnienia określonej funkcji biologicznej, która nie jest związana z biokatalizą. Niewątpliwie znaczenie ma również rodzaj i charakter wiązania między składnikiem niebiałkowym a cząsteczką białkową. Dlatego oczywiste jest, że każdy czynnik, który jest absolutnie niezbędny, aby białko spełniało swoją rolę katalityczną lub inną rolę biologiczną, może służyć jako kofaktor. Z drugiej strony koenzym może być dowolnym czynnikiem niebiałkowym, który jest bezpośrednio zaangażowany w reakcję katalizy enzymatycznej. Kofaktor, który nie jest bezpośrednio zaangażowany w akt katalizy, nie jest koenzymem. Jednocześnie grupa prostatyczna (związany kowalencyjnie składnik niebiałkowy wymagany do określonej funkcji) może być nazwana koenzymem, jeśli jest bezpośrednio zaangażowana w reakcję enzymatyczną. Grupę protetyczną, która nie bierze udziału w akcie katalizy, ale jest funkcjonalnie niezbędna zarówno dla enzymu, jak i białka niekatalitycznego, można nazwać kofaktorem. Wreszcie kofaktor i koenzym, które są luźno (lub luźno związane) z enzymem lub białkiem, nie są jednak klasyfikowane jako grupy prostetyczne.

Wiele metali dwuwartościowych (Mg 2+, Мn 2+, Sa 2+) działają również jako kofaktory, chociaż nie są ani koenzymami, ani grupami protetycznymi. Znane są przykłady, gdy jony metali są silnie związane z cząsteczką białka, pełniąc funkcje grupy prostetycznej. W szczególności, oczyszczony enzym, który katalizuje utlenianie kwasu askorbinowego (witaminy C) do kwasu dezoksyaskorbinowego zawiera 8 atomów miedzi w cząsteczce; wszystkie są tak ściśle związane z cząsteczką białka, że ​​nie są nawet wymieniane z żywicami jonowymiennymi i nie są rozdzielane przez dializę. Ponadto metodą elektronowego rezonansu paramagnetycznego wykazano udział jonów miedzi w pośrednim przeniesieniu elektronu. Warto zauważyć, że wolne jony miedzi są również obdarzone aktywnością katalityczną podczas utleniania kwasu askorbinowego, jednak aktywność ta wzrasta wiele tysięcy razy, jeśli jony miedzi łączą się z apoenzymem w jeden kompleks - holoenzym.

Uzyskano dowody na funkcję kofaktora w reakcjach enzymatycznych oraz szeregu innych związków biologicznie czynnych, niezwiązanych z witaminami: HS-glutation, ATP, kwas liponowy, pochodne nukleozydów (fosforan urydyny, fosforan cytydyny, fosfoadenozynofosforan), porfiryna- zawierające substancje itp. Może to również obejmować tRNA, które jako część enzymów syntetaz aminoacylo-tRNA biorą czynny udział w transporcie aminokwasów w rybosomie, gdzie odbywa się synteza białek.

Należy zwrócić uwagę na jedną cechę wyróżniającą enzymy dwuskładnikowe: ani kofaktor oddzielnie (w tym większość koenzymów), ani sam apoenzym nie są obdarzone aktywnością katalityczną, a jedynie ich połączenie w jedną całość, która nie przebiega chaotycznie, ale zgodnie z program ich organizacji strukturalnej zapewnia szybki przebieg reakcji chemicznej.

Miejsce aktywne enzymów.

Badając mechanizm reakcji chemicznej katalizowanej przez enzymy, badacza zawsze interesuje nie tylko określenie produktów pośrednich i końcowych oraz wyjaśnienie poszczególnych etapów reakcji, ale także charakter tych grup funkcyjnych w cząsteczce enzymu, które zapewniają specyficzność działania enzymu na dany substrat (substraty) oraz wysoka aktywność katalityczna. Mówimy więc o dokładnej znajomości geometrii i trzeciorzędowej struktury enzymu, a także chemicznej naturze tej części (odcinków) cząsteczki enzymu, która zapewnia dużą szybkość reakcji katalitycznej. Cząsteczki substratu biorące udział w reakcjach enzymatycznych są często małych rozmiarów w porównaniu z cząsteczkami enzymu, dlatego zasugerowano, że podczas tworzenia kompleksów enzym-substrat ograniczona część aminokwasów łańcucha peptydowego w oczywisty sposób wchodzi w bezpośredni kontakt z substratem cząsteczka. Stąd pomysł na aktywne centrum enzymu. Centrum aktywne to unikalna kombinacja reszt aminokwasowych w cząsteczce enzymu, która zapewnia jej bezpośrednie wiązanie z cząsteczką substratu i bezpośredni udział w akcie katalizy. Ustalono, że w złożonych enzymach w skład centrum aktywnego wchodzą również grupy protetyczne.

Centrum aktywne umownie rozróżnia tzw. z enzymem. Z kolei cząsteczka substratu zawiera również funkcjonalnie różne miejsca: na przykład substraty esteraz lub proteinaz – jedno specyficzne wiązanie (lub grupę atomów), które jest atakowane przez enzym oraz jedno lub więcej miejsc, które są selektywnie związane przez enzym.

Uzyskano dowody doświadczalne na obecność dwóch reszt histydyny i reszty seryny w miejscu aktywnym chymotrypsyny, które są schematycznie przedstawione w trójwymiarowym modelu strukturalnym prekursora tego enzymu. Ujawnienie chemicznej natury i prawdopodobnej topografii grup miejsc aktywnych jest problemem o pierwszorzędnym znaczeniu. Sprowadza się do określenia charakteru aminokwasów, ich sekwencji i pozycji w centrum aktywnym. Do identyfikacji tzw. niezbędnych reszt aminokwasowych stosuje się specyficzne inhibitory enzymów (często są to substancje substratopodobne lub analogi koenzymów), metody „miękkiej” (ograniczonej) hydrolizy w połączeniu z modyfikacją chemiczną, w tym selektywnym utlenianiem, wiązaniem , podstawienie reszt aminokwasowych itp.

Wykorzystując metody analizy inhibitorów, podjęto próbę ustalenia prawidłowości w składzie i strukturze miejsc aktywnych w enzymach należących do różnych grup. W szczególności przy stosowaniu diizopropylofluorofosforanu (DFP), który należy do tzw. trucizn nerwowych, dochodzi do całkowitego wyłączenia aktywnego centrum cholinesterazy, enzymu katalizującego hydrolizę acetylocholiny do choliny i kwasu octowego. Okazało się, że inhibitor ten ma bliskie podobieństwo strukturalne do acetylocholiny i podobnie oddziałuje z grupą OH reszty seryny w miejscu aktywnym. Powodując fosforylację seryny w centrum aktywnym szeregu innych enzymów, DPP dezaktywuje również ich działanie:

Wykazano, że DPP selektywnie fosforyluje tylko jedną resztę seryny obdarzoną aktywnością funkcjonalną w każdym wrażliwym na nią enzymie. Biorąc pod uwagę ten mechanizm działania DPP, podjęto próby określenia natury aminokwasów w środowisku „katalitycznej” reszty seryny w wielu enzymach.

Oprócz centrum aktywnego w cząsteczce enzymu może występować centrum (lub centra) allosteryczne (z greckiego allos - inny, inny i steros - przestrzenny, strukturalny), który jest częścią cząsteczki enzymu, która wiąże pewne , zwykle małocząsteczkowe substancje (efektory lub modyfikatory), których cząsteczki różnią się strukturą od substratów. Przyłączenie efektora do centrum allosterycznego zmienia trzeciorzędową, a często także czwartorzędową strukturę cząsteczki enzymu i odpowiednio konfigurację miejsca aktywnego, powodując spadek lub wzrost aktywności enzymatycznej. Enzymy, których aktywność centrum katalitycznego ulega zmianie pod wpływem efektorów allosterycznych, które wiążą się z centrum allosterycznym, nazywane są enzymami allosterycznymi.

Charakterystyczną cechą wielu enzymów allosterycznych jest obecność w cząsteczce enzymu oligomerycznego kilku centrów aktywnych i kilku centrów regulacji allosterycznej, które są od siebie odległe przestrzennie. W enzymie allosterycznym każdy z dwóch symetrycznie skonstruowanych protomerów zawiera jedno miejsce aktywne, które wiąże substrat S i jedno miejsce allosteryczne, które wiąże efektor M2, tj. 2 centra w jednej cząsteczce enzymu. Uzyskano dowody, że w przypadku substratu enzymy allosteryczne oprócz centrum aktywnego zawierają również tak zwane centra efektorowe; po związaniu z miejscem efektorowym substrat nie ulega konwersji katalitycznej, ale wpływa na wydajność katalityczną miejsca aktywnego. Takie oddziaływania między centrami wiążącymi ligandy tego samego typu nazywamy oddziaływaniami homotropowymi, a oddziaływania między centrami wiążącymi ligandy różnych typów nazywamy oddziaływaniami heterotropowymi.

Zatem w katalizie enzymatycznej, podobnie jak w reakcji wiązania substratu, uczestniczy nie ograniczona i mała część enzymu, jak wcześniej zakładano, ale znacznie większa część cząsteczki białko-enzym. Te okoliczności najprawdopodobniej mogą wyjaśnić duży rozmiar i objętość trójwymiarowej struktury cząsteczki enzymu; te same okoliczności należy uwzględnić w programach tworzenia sztucznych małocząsteczkowych analogów enzymów (synzymów) posiadających właściwości enzymów natywnych.

Mechanizm działania enzymów

transaminacja enzymatyczna kataliza biologiczna

Odkrycie struktury przestrzennej szeregu enzymów za pomocą analizy dyfrakcyjnej promieniowania rentgenowskiego dało wiarygodną podstawę do skonstruowania racjonalnych schematów ich mechanizmu działania.

Ustalenie mechanizmu działania enzymów ma kluczowe znaczenie dla ujawnienia zależności strukturalnych i funkcjonalnych w różnych układach biologicznie aktywnych.

Lizozym występuje w różnych tkankach zwierząt i roślin, w szczególności w płynie łzowym i białku jaja. Lizozym działa jako środek przeciwbakteryjny, katalizując hydrolizę ścian komórkowych wielu bakterii. Ten polisacharyd jest tworzony przez naprzemienne połączone reszty kwasu N-acetylmuranowego (NAM) ?-1,4-wiązanie glikozydowe (łańcuchy polisacharydowe są usieciowane krótkimi fragmentami peptydowymi).

Polisacharyd bakteryjny jest bardzo złożonym, nierozpuszczalnym związkiem, dlatego jako substraty lizozymu często stosuje się dobrze hydrolizujące oligosacharydy utworzone przez reszty NAG.

Lizozym białka jaja kurzego składa się z pojedynczego łańcucha polipeptydowego zawierającego 129 reszt aminokwasowych; jego masa cząsteczkowa wynosi 14600. Wysoką stabilność enzymu zapewnia obecność czterech mostków dwusiarczkowych.

Informacje o aktywnym ośrodku i rodzaju procesu katalitycznego uzyskał D. Philips w 1965 roku. na podstawie badań dyfrakcji rentgenowskiej lizozymu i jego kompleksów z inhibitorami. Cząsteczka lizozymu ma kształt elipsoidy o osiach 4,5*3*3 nm; pomiędzy dwiema połówkami cząsteczki znajduje się „luka”, w której zachodzi wiązanie oligosacharydów. Ściany szczeliny tworzą głównie boczne łańcuchy aminokwasów niepolarnych, które zapewniają wiązanie niepolarnych cząsteczek podłoża, a także obejmują łańcuchy boczne aminokwasów polarnych, które są zdolne do tworzenia wiązań wodorowych z grupami acyloaminowymi i hydroksylowymi substratu. Wielkość szczeliny pozwala na umieszczenie cząsteczki oligosacharydu zawierającej 6 reszt monosacharydowych. Korzystając z analizy dyfrakcji rentgenowskiej, ustal charakter wiązania substratu, na przykład heksasacharydu NAG 6, nie powiedzie się. Jednocześnie kompleksy enzymu z inhibitorem trisacharydu NAG 3stabilny i dobrze zbadany. GDERAĆ 3wiąże się w szczelinie na powierzchni enzymu, tworząc wiązania wodorowe i kontakty van der Waalsa; jednocześnie wypełnia tylko połowę luki, w której mogą się związać jeszcze trzy reszty monosacharydów. Koniec nieredukujący (cukier A) znajduje się na początku przerwy, a koniec redukujący (cukier C) znajduje się w jej środkowej części; reszty cukru A, B i C mają konformację krzesła. Konstrukcja modelu kompleksu enzym-substrat została oparta na założeniu, że po związaniu substratu NAG 6realizowane są te same interakcje jak w wiązaniu NAG 3. W modelu enzymatycznym trzy reszty cukrowe (określane jako reszty D, E i F) umieszczono wewnątrz przerwy; każdy kolejny cukier był dołączony w taki sposób, że jego konformacja była taka sama (w miarę możliwości) jak pierwszych trzech cukrów. Jako część kompleksu modelowego, wszystkie reszty cukrowe wprowadzają skuteczne oddziaływania niekowalencyjne z grupami bocznymi i peptydowymi reszt aminokwasowych, które tworzą lukę.

Identyfikując grupy katalityczne, naturalne było skupienie się na tych, które znajdują się w kompleksie enzym-substrat w pobliżu rozszczepialnego wiązania glikozydowego i mogą służyć jako donory lub akceptory protonów. Okazało się, że po jednej stronie rozszczepionego wiązania, na odległość? 0,3 nm (od tlenu wiązania glikozydowego) znajduje się grupa karboksylowa Glu-35, a z drugiej (w tej samej odległości) grupa karboksylowa Asp-52 ich środowisko jest bardzo różne. Glu-35 jest otoczony resztami hydrofobowymi; można przypuszczać, że przy optymalnym pH enzymu grupa ta jest w stanie niezjonizowanym. Środowisko Asp-52 jest wyraźnie polarne; jego grupa karboksylowa uczestniczy jako akceptor wodoru w złożonej sieci wiązań wodorowych i prawdopodobnie działa w stanie zjonizowanym.

Zaproponowano następujący schemat procesu katalitycznego podczas hydrolizy oligosacharydu. Niezjonizowana grupa karboksylowa Glu-35 działa jako donor protonów, dostarczając ją do glikozydowego atomu tlenu pomiędzy atomem C (1)cukier D i atom C ( 4)cukier E (ogólny etap katalizy kwasowej); powoduje to zerwanie wiązania glikozydowego. W rezultacie reszta cukrowa D przechodzi w stan karbokationu z dodatnio naładowanym atomem węgla C (1)i przyjmuje konformację półkrzesła. Ujemny ładunek grupy karboksylanowej Asp-52 stabilizuje karbokation. Pozostałe NAG 2(cukier E+F) dyfunduje z obszaru miejsca aktywnego. Następnie do reakcji wchodzi cząsteczka wody; jego proton idzie do Glu-35, a OH --grupa do atomu C (1)pozostałość D (podstawowy etap katalizy). Pozostałe NAG 4(cukier A + B + C + D) opuszcza obszar centrum aktywnego, a enzym powraca do swojego pierwotnego stanu.

Rybonukleaza (RNaza) bydlęcej trzustki hydrolizuje wiązania międzynukleotydowe w RNA w pobliżu jednostek pirymiliny, które pozostają zestryfikowane w 3 - stanowisko. Enzym wraz z innymi nukleazami jest szeroko stosowany w analizie struktury RNA.

RNaza składa się z jednego łańcucha polipeptydowego zawierającego 124 reszty aminokwasowe, a jej masa cząsteczkowa wynosi 13680; W cząsteczce znajdują się cztery wiązania dwusiarczkowe. RNaza jest pierwszym enzymem, dla którego ustalono strukturę pierwszorzędową.

Na podstawie wyników badań renaturacji rybonukleazy K. Afinsen po raz pierwszy jasno sformułował ideę, że przestrzenną strukturę białka determinuje jego struktura pierwotna.

W 1958 F. Richards wykazał, że w pewnych warunkach subtylizyna rozszczepia wiązanie peptydowe Ala-20 - Ser-21 w RNazie. Powstałe fragmenty nazwano peptydem S (reszty 1-20) i białkiem S (reszty 21-124); ze względu na oddziaływania niekowalencyjne fragmenty tworzą kompleks zwany RNazą S. Kompleks ten ma prawie pełną aktywność katalityczną natywnego enzymu; w wyizolowanej postaci peptyd S i białko S są nieaktywne. Ponadto stwierdzono, że syntetyczny peptyd o identycznej sekwencji z fragmentem peptydu S zawierającym reszty 1 do 13 przywraca aktywność białka S, ale krótszy peptyd zawierający reszty 1 do 11 nie ma takiej zdolności. Otrzymane dane pozwoliły nam stwierdzić, że odpowiednie reszty His-12 lub Met-13 (lub obie te reszty) są zawarte w miejscu aktywnym enzymu.

Badając wpływ pH na aktywność RNazy, wyjaśniono ważną rolę grup funkcyjnych białek o pK 5,2 i 6,8; sugerowało to udział reszt histydyny w procesie katalitycznym.

Po karboksylacji RNazy jodooctanem przy pH 5,5, tj. w warunkach, w których następuje głównie modyfikacja reszt histydynowych, zaobserwowano całkowitą utratę aktywności; zmodyfikowany enzym zawiera 1 mol grup karboksymetylowych na 1 mol białka. W rezultacie powstają dwie monokarboksymetylenowe formy enzymu. W jednej postaci His-12 jest karboksymetylowany, aw drugiej His-119. Jego-119 był w większości zmodyfikowany.

Dane te sugerowały, że His-12 i His-119 znajdują się w miejscu aktywnym i że modyfikacja jednego z nich zapobiega modyfikacji drugiego.

W wyniku badań dyfrakcji rentgenowskiej wyjaśniono strukturę przestrzenną RNazy S oraz kompleksu RNazy S z inhibitorami. Cząsteczka ma kształt nerki, centrum aktywne zlokalizowane jest w zagłębieniu, gdzie znajdują się pozostałości His-12, His-119 i Lys-41.

Hydroliza następuje w wyniku sprzężonego działania reszt His-12 i His-119, które przeprowadzają katalizę kwasowo-zasadową. Poniższy schemat przedstawia etapy procesu katalitycznego:

1.Podłoże znajduje się w miejscu aktywnym; His-12, His-119 i Lys-41 znajdują się w pobliżu ujemnie naładowanego fosforanu.

2.W wyniku działania His-12 jako bazy przyjmującej protony z 2 -OH grupy rybozy i His-119 jako kwas oddający proton atomowi tlenu fosforanu, najpierw powstaje kompleks pośredni, a następnie 2 ,3-cykliczny fosforan.

.W miejsce zmarłego produktu wchodzi woda, przekazując proton His-119 i OH -- fosforan, w tym samym czasie proton z His-12 przechodzi do atomu tlenu rybozy, powstaje drugi produkt, a enzym powraca do swojego pierwotnego stanu.

Chymotrypsyna jest wydzielana w postaci proenzymu – chymotrypsynogenu przez trzustkę kręgowców; aktywacja proenzymu zachodzi w dwunastnicy pod wpływem trypsyny. Fizjologiczną funkcją chymotrypsyny jest hydroliza białek i polipeptydów. Chymotrypsyna atakuje głównie wiązania peptydowe utworzone przez reszty karboksylowe tyrozyny, tryptofanu, cenylalaniny i metionaniny. Skutecznie hydrolizuje również estry odpowiednich aminokwasów. Masa cząsteczkowa chymotrypsyny wynosi 25 000, cząsteczka zawiera 241 reszt aminokwasowych. Chymotrypsyna składa się z trzech łańcuchów polipeptydowych połączonych mostkami dwusiarczkowymi.

Grupy funkcyjne miejsca aktywnego chymotrypsyny zostały zidentyfikowane przy użyciu nieodwracalnych inhibitorów. Resztę Ser-195 zmodyfikowano fluorofosforanem diizopropylu i fenylometylosulfofluorkiem, a resztę His-122 zmodyfikowano ketonem N-tosylo-L-fenyloalaniny-chlorometylowym. W badaniach kinetyki hydrolizy p-nitrofenylooctanu odkryto dwuetapowy proces hydrolizy chymotrypsyny.

Charakterystyczną cechą rozważanego procesu jest powstawanie kowalencyjnego związku pośredniego, enzymu acylowego. Acylowaną grupę katalityczną zidentyfikowano jako resztę Ser-195. Mechanizm katalizy prowadzonej przez enzym został zaproponowany jeszcze przed ustaleniem przestrzennej struktury białka, ale później został dopracowany. W szczególności badania z 18H 2O umożliwiło udowodnienie powstawania enzymu acylowego podczas hydrolizy peptydów.

Za pomocą analizy dyfrakcji rentgenowskiej D. Blowa ustalono trójwymiarową strukturę o rozdzielczości 0,2 nm. w 1976 Cząsteczka ma kształt elipsoidy o osiach 5,4*4*4 nm. Wyniki badań krystalograficznych potwierdziły przypuszczenie, że reszty Ser-195 i His-57 są zbliżone. Grupa hydroksylowa Ser-195 znajduje się w odległości ~0,3 nm od atomu azotu pierścienia imidazolowego His-57. Najciekawszą okolicznością było to, że atom azotu w pozycji 1 pierścienia znajduje się w odległości ~0,28 nm od atomu tlenu grupy karboksylowej łańcucha bocznego Asp-102 i zajmuje pozycję sprzyjającą tworzeniu wiązania wodorowego .

Należy zauważyć, że badania chemiczne nie wykazały udziału Asp-102 w funkcjonowaniu centrum aktywnego, ponieważ pozostałość ta jest głęboko osadzona w cząsteczce.

Obecnie uważa się, że trzy reszty Asp-102, His-57 i Ser-195 tworzą układ przeniesienia ładunku, który odgrywa kluczową rolę w procesie katalizy. Funkcjonowanie układu zapewnia efektywny udział His-57 w katalizie jako katalizatora kwasowo-zasadowego oraz zwiększa reaktywność Ser-195 z węglem karboksylowym atakowanego wiązania.

Kluczowym elementem katalizy jest transfer protonów z Ser-195 do His-57. Jednocześnie atom tlenu seryny atakuje karbonylowy atom węgla substratu, tworząc najpierw pośredni związek tetraedryczny (1), a następnie enzym acylowy (2). Następnym krokiem jest deacylacja. Cząsteczka wody wchodzi do systemu przenoszenia ładunku, a jon OH -jednocześnie atakuje karbonylowy atom węgla grupy acylowej enzymu acylowego. Podobnie jak w etapie acylowania, powstaje pośredni związek czworościenny (4). His-57 przekazuje następnie proton atomowi tlenu Ser-195, uwalniając produkt acylowy; dyfunduje do roztworu, a enzym powraca do swojego pierwotnego stanu.

Karboksypeptydaza A jest wydzielana jako proenzym przez trzustkę kręgowców. Powstawanie aktywnego enzymu następuje w jelicie cienkim przy udziale chymotrypsyny. Enzym sekwencyjnie odcina C-końcowe reszty aminokwasowe z łańcucha peptydowego, tj. jest egzopeptydazą.

Karboksypeptydaza A składa się z pojedynczego łańcucha polipeptydowego zawierającego 307 reszt aminokwasowych; masa cząsteczkowa 34470. Sekwencję aminokwasową białka ustalił w 1969 r. R. Bredshaw.

Wyjaśnienie mechanizmu działania enzymu było możliwe dopiero po badaniach dyfrakcji rentgenowskiej. Strukturę przestrzenną enzymu i jego kompleksu z dipeptydem Gly-Tyr (model substratowy) ustalił W. Lipscomb. Cząsteczka enzymu ma kształt elipsoidy o osiach 5,0*4,2*3,8 nm; centrum aktywne znajduje się w zagłębieniu, które przechodzi w głęboką niepolarną kieszeń. Jon cynku zlokalizowany jest w strefie centrum aktywnego (jego ligandami są łańcuchy boczne Glu-72, His196, His-69 oraz cząsteczka wody), a także grupy funkcyjne biorące udział w wiązaniu i katalizie substratu – Arg-145, Glu-270 i Tyr-248.

Analiza porównawcza struktur enzymu i jego kompleksu z Gly-Tyr dostarczyła ważnych informacji na temat struktury kompleksu enzym-substrat. W szczególności stwierdzono, że podczas tworzenia kompleksu grupa hydroksylowa Tyr-248 przesuwa się o 1,2 nm względem swojej pozycji w wolnym enzymie (tj. około 1/3 średnicy cząsteczki).

Zgodnie ze schematem procesu katalitycznego, grupa karboksylanowa Glu-270 aktywuje cząsteczkę wody znajdującą się w sferze reakcyjnej, wyciągając z niej proton; powstały jon OH- przeprowadza atak nukleofilowy na węgiel karbonylowy wiązania rozszczepialnego. Jednocześnie grupa hydroksylowa Tyr-248, znajdująca się w pobliżu atomu azotu rozszczepialnego wiązania peptydowego, przekazuje mu proton. W rezultacie zaatakowane wiązanie peptydowe jest rozszczepiane, a powstałe produkty opuszczają strefę miejsca aktywnego. Poniższy diagram ilustruje ogólną podstawową katalizę.

Aminotransferaza asparaginianowa katalizuje odwracalną reakcję transaminacji.

Enzymatyczną reakcję transaminacji odkrył A.E. Braunstein i M.G. Kritzman w 1937 w badaniu preparatu enzymatycznego z mięśnia gołębia. W kolejnych badaniach wykazano, że reakcje transaminacji są szeroko rozpowszechnione u dzikich zwierząt i odgrywają ważną rolę w sprzężeniu metabolizmu azotu i energii.

W 1945 roku stwierdzono, że pirydoksal-5 -fosforan (PLF) jest koenzymem aminotransferaz. Cząsteczka AAT jest dimerem utworzonym przez identyczne podjednostki. W mięśniu sercowym badanych kręgowców znajdują się dwa izoenzymy - aminotransferazy cytoplazmatyczne (cAAT0) i mitochondrialne (mAAT).

Pierwotna struktura cAAT z mięśnia sercowego została ustalona w 1972 roku. Yu.A. Ovchinnikov i A.E. Brainsteina. Łańcuch polipeptydowy białka zawiera 412 reszt aminokwasowych; masa cząsteczkowa wynosi 46 000.

Ogólną teorię katalizy pirydoksalu opracował A.E. Braunstein i M.M. Shemyakin w latach 1952-1953, a nieco później - D.E. Metzler i E.E. Snella. Zgodnie z tą teorią, katalityczne działanie enzymów pirydoksalu wynika ze zdolności grupy aldehydowej fosforanu pirydoksalu do tworzenia aldimin (zasad Schiffa) podczas interakcji z aminami, w tym aminokwasami.

W powstałym fosfopirydoksyldenoaminokwasie występuje układ sprzężonych wiązań podwójnych, wzdłuż których następuje przesunięcie elektronów z ?-atom węgla ułatwia zerwanie wiązań utworzonych przez ten atom.

Współczesne idee dotyczące mechanizmu transaminacji enzymatycznej, opracowane przez A.E. Braunstein i jego współpracownicy są rozwinięciem powyższej teorii. W stanie początkowym grupa aldehydowa fosforanu pirydoksalu tworzy wiązanie aldiminowe z ?-grupa aminowa reszty Lys-258 miejsca aktywnego (I). Po związaniu aminokwasu powstaje kompleks Michaelisa (II), a następnie aldimina pomiędzy fosforanem pirydoksalu i substratem (III). W wyniku kolejnych przemian poprzez etapy pośrednie (IV) i (V) powstaje oksokwas (VI). To kończy pierwszą połówkową reakcję transaminacji. Powtórzenie tych samych etapów w kierunku „odwrotnym” z nowym hydroksykwasem stanowi drugą połówkową reakcję, która kończy cykl katalitycznej transaminacji.

Mioglobina i hemoglobina

Te dwa białka są często określane jako enzymy oddechowe. Ich oddziaływanie z podłożem, tlenem, zostało szczegółowo wyjaśnione, głównie na podstawie wysokorozdzielczej analizy dyfrakcyjnej promieniowania rentgenowskiego. Trójwymiarową strukturę mioglobiny określił J. Kendrew w 1961 roku, a trójwymiarową strukturę hemoglobiny - M. Perutz w 1960 roku.

Cząsteczka mioglobiny ma zwarty kształt - 4,5*3,5*2,5 nm, łańcuch polipeptydowy tworzy 8 helikalnych odcinków, oznaczonych literami od A do H. Jest ułożony w wyspecjalizowany sposób wokół dużego płaskiego pierścienia hemu zawierającego żelazo. Heme to kompleks porfiryny z żelazem żelazawym.

Polarne łańcuchy kwasu propionowego hemu znajdują się na powierzchni cząsteczki, reszta hemu jest osadzona w kulce. Połączenie hemu z białkiem odbywa się dzięki wiązaniu koordynacyjnemu między atomem żelaza a atomem histydyny, zlokalizowanego w helisie F; jest to tak zwana proksymalna histydyna. Inna ważna reszta histydyny, dystalna histydyna, jest zlokalizowana w kieszeni hemu w helisie E; znajduje się po przeciwnej stronie atomu żelaza w większej odległości niż proksymalna histydyna. Region między żelazem genu a dystalną histydyną w deoksymioglobinie jest wolny, a lipofilowa cząsteczka O 2może wiązać się z żelazem hemu, zajmując szóstą pozycję koordynacyjną. Unikalną cechą mioglobiny, podobnie jak hemoglobiny, jest ich zdolność do odwracalnego wiązania O 2bez utleniania hemu Fe 2+w Fe 3+. Jest to możliwe, ponieważ w hydrofobowej kieszeni hemu, z której wypierana jest woda, powstaje ośrodek o niskiej przenikalności.

Podczas łączenia O 2wraz z atomem żelaza ten ostatni porusza się o około 0,06 nm i kończy w płaszczyźnie pierścienia porfirynowego, tj. w bardziej korzystnej energetycznie pozycji. Zakłada się, że ruch ten wynika z faktu, że jon Fe 2+w deoksymioglobinie jest w stanie wysokospinowym, a jej promień jest zbyt duży, aby zmieścić się w płaszczyźnie pierścienia porfiryny hemu. Podczas łączenia O 2jon Fe 2+ przechodzi w stan niskiego pinu, a jego promień maleje; teraz jon Fe 2+może poruszać się w płaszczyźnie pierścienia porfirynowego.

Hemoglobina jest głównym składnikiem czerwonych krwinek, który dostarcza tlen z płuc do tkanek oraz dwutlenek węgla z tkanek do płuc. Hemoglobiny różnych typów różnią się formą kryształów, rozpuszczalnością, powinowactwem do tlenu. Wynika to z różnic w sekwencji aminokwasowej białek; składnik hemowy jest taki sam w hemoglobinach wszystkich gatunków kręgowców i niektórych bezkręgowców.

Ludzka hemoglobina jest tetramerem złożonym z czterech podjednostek, dwóch ?-podjednostki i dwa ?-podjednostki zawierające odpowiednio 141 i 146 reszt aminokwasowych. między podstawowymi strukturami ?- oraz ?-podjednostek istnieje znacząca homologia, a konformacja ich łańcuchów polipeptydowych jest również podobna.

Cząsteczka hemoglobiny ma kulisty kształt o średnicy 5,5 nm. Cztery podjednostki są upakowane w czworościenny kształt.

Dane z dyfrakcji rentgenowskiej wykazały, że utlenowaniu hemoglobiny towarzyszy szereg zmian. Przy niskiej rozdzielczości stwierdzono, że w tym przypadku struktura staje się bardziej zwarta (atomy Fe ?-łańcuchy zbliżają się do siebie o około 0,6-0,7 nm), podjednostki obracają się względem siebie i osi drugiego rzędu o 10-15 o . Wyniki badania w wysokiej rozdzielczości wskazują, że szczególnie istotne zmiany zachodzą w rejonie ?? Łączność.

Do tej pory, w oparciu o badania dyfrakcji rentgenowskiej oraz szereg innych podejść metodologicznych, poczyniono znaczne postępy w wyjaśnianiu mechanizmu działania enzymów o pożądanych właściwościach w oparciu o osiągnięcia w dziedzinie inżynierii genetycznej. Otwiera to szerokie możliwości testowania słuszności współczesnych poglądów na temat mechanizmu działania enzymów i tworzenia fundamentalnej teorii katalizatora enzymatycznego.

Lista bibliograficzna

1. A. Lehninger Podstawy biochemii. - Świat Moskwy, 1985.

Yu.A. Owczinnikow. Chemia bioorganiczna. - Oświecenie w Moskwie, 1987.

T.T. Bieriezow, B.F. Korowkin. Chemia biologiczna. - Medycyna moskiewska, 1990.

Korepetycje

Potrzebujesz pomocy w nauce tematu?

Nasi eksperci doradzą lub zapewnią korepetycje z interesujących Cię tematów.
Złożyć wniosek wskazanie tematu już teraz, aby dowiedzieć się o możliwości uzyskania konsultacji.

Ciało ludzkie składa się z ogromnej liczby żywych komórek. Komórka jest uważana za jednostkę żywego organizmu, składa się z ciał strukturalnych, pomiędzy którymi zachodzą reakcje biochemiczne. Ważnym składnikiem kontrolującym przebieg procesów chemicznych są enzymy.

Rola enzymów w organizmie

Enzym jest białkiem przyspieszającym przebieg reakcji chemicznych, służy głównie jako aktywator rozpadu i tworzenia nowych substancji w organizmie.

Enzymy służą jako katalizatory reakcji biochemicznych. Bardzo przyspieszają proces życia. Kontrolują procesy rozszczepiania, syntezy, metabolizmu, oddychania, krążenia krwi, bez nich nie przechodzą reakcje na skurcze mięśni i impulsy nerwowe. Każdy element strukturalny zawiera swój unikalny zestaw enzymów, a gdy zawartość jednego enzymu jest wykluczona lub zmniejszona, w organizmie zachodzą znaczące zmiany, prowadzące do pojawienia się patologii.

Klasyfikacja enzymów

W zależności od struktury istnieją dwie grupy enzymów.

• Proste enzymy mają charakter białkowy. Są produkowane przez organizm.
• Złożone enzymy składające się ze składnika białkowego i bazy niebiałkowej. Składniki niebiałkowe nie są syntetyzowane w ludzkim organizmie i trafiają do nas wraz z substancjami odżywczymi, nazywane są koenzymami. Substancje niebiałkowe wchodzące w skład enzymów obejmują witaminy z grupy B, witaminę C i niektóre pierwiastki śladowe.

Enzymy są klasyfikowane według funkcji, które pełnią i rodzaju reakcji, które katalizują.

Zgodnie z ich funkcjami enzymy dzielą się na:

1. Układ pokarmowy, odpowiedzialny za rozkład składników odżywczych, znajduje się głównie w ślinie, błonach śluzowych, trzustce i żołądku. Znane enzymy to:
   • amylaza rozkłada cukry złożone (skrobię) na cukry proste, sacharozę i maltozę, które następnie mogą uczestniczyć w procesach życiowych organizmu;
   • lipaza bierze udział w hydrolizie kwasów tłuszczowych, rozkłada tłuszcze na składniki wchłaniane przez organizm;
   • proteazy regulują rozkład białek na aminokwasy.
2. Enzymy metaboliczne kontrolują procesy metaboliczne na poziomie komórkowym, uczestniczą w reakcjach redoks, syntezie białek. Należą do nich: cyklaza adenylanowa (reguluje metabolizm energetyczny), kinazy białkowe i defosfataza białkowa (uczestnicząca w procesie fosforylacji i defosforylacji).
3. Ochronne biorą udział w reakcjach sprzeciwu organizmu na szkodliwe bakterie i wirusy. Ważnym enzymem jest lizozym, który rozkłada skorupy szkodliwych bakterii i aktywuje szereg reakcji immunologicznych, które chronią organizm przed reakcjami zapalnymi.

Enzymy dzielą się na 6 klas w zależności od rodzaju reakcji:

1. Oksydoreduktazy. Liczne grupy enzymów biorących udział w reakcjach redoks.
2. Transferazy. Enzymy te są odpowiedzialne za przenoszenie grup atomowych i biorą udział w rozpadzie i syntezie białek.
3. Hydrolazy rozrywają wiązania i promują wbudowywanie cząsteczek wody w skład substancji ciała.
4. Izomerazy katalizują reakcje, w których jedna substancja wchodzi w reakcję i powstaje jedna substancja, która następnie uczestniczy w procesie życiowym. Izomerazy służą więc jako konwertery różnych substancji.
5. Lyazy biorą udział w reakcjach, w których powstają substancje metaboliczne i woda.
6. Ligazy zapewniają tworzenie złożonych substancji z prostszych. Bierz udział w syntezie aminokwasów, węglowodanów, białek.

Dlaczego występuje niedobór enzymów i dlaczego jest to niebezpieczne?

Przy braku enzymów zaczynają się awarie w ogólnym systemie organizmu, które prowadzą do poważnych chorób. Aby utrzymać optymalną równowagę enzymów w organizmie, konieczne jest zbilansowanie diety, ponieważ substancje te są syntetyzowane z pierwiastków, które spożywamy. Dlatego bardzo ważne jest zapewnienie spożycia mikroelementów, witamin, przydatnych węglowodanów, białek. Występują głównie w świeżych owocach, warzywach, chudym mięsie, podrobach i rybach, gotowanych na parze lub pieczonych.

Zła dieta, picie alkoholu, fast foodów, napojów energetycznych i syntetycznych, a także pokarmów zawierających duże ilości barwników i wzmacniaczy smaku, niekorzystnie wpływają na pracę trzustki. To ona syntetyzuje enzymy odpowiedzialne za rozkład i przemianę składników odżywczych. Zaburzenia czynności enzymatycznej trzustki prowadzą do otyłości, ostrych chorób żołądka i jelit, a następnie brak enzymów wpływa na pracę układu sercowego i oddechowego, a także na ogólny wygląd. Występują reakcje alergiczne, łuszczenie się skóry, pojawienie się trądziku, foliowanie paznokci, wypadanie włosów.

Aby aktywować i podtrzymywać pracę trzustki, do diety wprowadza się specjalne preparaty enzymatyczne, które przyczyniają się do wchłaniania pokarmu. Znane środki takie jak: pankreatyna, kreon, mezim, festal, cholenzim. Stosuje się je wyłącznie na zalecenie lekarza. Jednocześnie dla pełnego wyzdrowienia konieczne jest zapewnienie prawidłowego odżywiania.

Enzymy lub enzymy(od łac. fermentum - zakwas) - zazwyczaj cząsteczki białek lub cząsteczki RNA (rybozymy) lub ich kompleksy, które przyspieszają (katalizują) reakcje chemiczne w organizmach żywych nie ulegając żadnym zmianom. Substancje o podobnym działaniu występują również w przyrodzie nieożywionej i nazywane są katalizatorami.

Aktywność enzymatyczną można regulować aktywatorami i inhibitorami (aktywatory zwiększają się, inhibitory zmniejszają reakcje chemiczne).

Terminy „enzym” i „enzym” były od dawna używane zamiennie. Nauka o enzymach nazywa się enzymologią.

Aktywność życiowa jakiegokolwiek organizmu nie jest możliwa bez udziału enzymów. Kataliza enzymatyczna przyspiesza przejście wszystkich reakcji biochemicznych w organizmie, a tym samym zapewnia fenomen życia. Bez obecności enzymów podczas reakcji biochemicznych żywność nie zostanie podzielona na pięć głównych związków: węglowodany, tłuszcze, białka, witaminy i pierwiastki śladowe - żywność pozostanie bezużyteczna dla organizmu. Tak więc bez enzymów życie zwalnia.

1. stymulują proces trawienia i wchłaniania pokarmu;
2. aktywować metabolizm, promować usuwanie martwych komórek z organizmu;
3. regulować ciśnienie osmotyczne, normalizować wartość pH różnych mediów;
4. zapewniają metabolizm, wspierają odporność organizmu na procesy zapalne;
5. zwiększyć odporność i zdolność organizmu do samoleczenia i samoregulacji;
6. promują detoksykację organizmu, oczyszczają limfę i krew.

Zapotrzebowanie na enzymy dla zdrowego funkcjonowania organizmu
Większość naukowców jest obecnie przekonana, że ​​prawie wszystkie choroby są spowodowane brakiem lub niewystarczającą ilością enzymów w organizmie. Badania medyczne pokazują, że naruszenia produkcji enzymów w organizmie są spowodowane czynnikami genetycznymi.

W szczególności tak powszechna choroba, jak obecnie cukrzyca, wynika z faktu, że trzustka nie wytwarza wystarczającej ilości lub w ogóle nie wytwarza enzymu insuliny. Białaczka i inne nowotwory są spowodowane brakiem lub osłabieniem barier enzymatycznych w organizmie. Fakty te są stopniowo potwierdzane badaniami naukowymi. Można powiedzieć, że jeśli organizm ma niezbędną ilość enzymów, nie będzie stu chorób.

Wraz z wiekiem, gdy organizm człowieka starzeje się, produkcja enzymów spada. Organizm zaczyna ich brakować, co wpływa na przebieg procesów metabolicznych, spada sprawność trawienia i wchłaniania składników odżywczych, coraz trudniej jest oddziaływać na organizm lekami, ponieważ nie są one wystarczająco wchłaniane i powodują więcej skutków ubocznych . Dodatkowe spożycie dużej ilości enzymów w organizmie pozwoli zrekompensować ich niedobór i wszelkie konsekwencje z tego wynikające.

Zatem wystarczająca ilość enzymów w organizmie jest warunkiem koniecznym jego zdrowego stanu. Wiele chorób spowodowanych jest niewystarczającą produkcją enzymów, co zaburza równowagę metabolizmu w organizmie. Jeśli zapewnimy, oprócz naturalnej produkcji enzymów, ich przyjmowanie z zewnątrz, to będzie to najszybszy i najlepszy sposób leczenia chorób.

Organizm ludzki istnieje dzięki ciągłemu działaniu enzymów. Na przykład w procesie trawienia za pomocą enzymów (enzymów) żywność jest rozkładana na składniki odżywcze - białka, tłuszcze, węglowodany, witaminy i mikroelementy; które z ich pomocą są wchłaniane do krwi i przenoszone do wszystkich narządów. Dzięki temu nasze mięśnie i kości, wszystkie narządy i układy są odżywione, otrzymują energię i pełnią funkcje niezbędne do utrzymania organizmu w zdrowym, aktywnym stanie.

Nie tylko ludzkie ciało, ale wszystkie żywe istoty, między niebem a ziemią, istnieją dzięki reakcjom biochemicznym przeprowadzanym za pomocą enzymów. Enzym jest źródłem życia i zdrowia każdego żywego organizmu.

Zaskakująca jest rola enzymów w utrzymaniu życiowej aktywności organizmu.

Obecność enzymów i istnienie wszystkich żywych istot to nierozłączne pojęcia. Jeśli ilość enzymu nie wystarcza do podtrzymania życia, oznacza to śmierć. Pojawienie się na wiosnę zielonych liści na drzewach, światło świetlika, każdy akt życia ludzkiego ciała (czy to jedzenie, chodzenie po ulicy, śpiew, śmiech czy płacz) - wszystkie te procesy są zapewniane przez reakcje biochemiczne i są niemożliwe bez obowiązkowego udziału enzymów.

Od pierwszego dnia poczęcia dziecka enzymy zaczynają pełnić swoją rolę. Plemnik nie będzie mógł dostać się do komórki jajowej, jeśli brakuje mu specjalnego enzymu, który rozpuści ścianę komórkową komórki jajowej w celu przeprowadzenia procesu zapłodnienia.

Cała spożywana przez nas żywność przechodzi złożony proces rozpadu na proste elementy w przewodzie pokarmowym pod wpływem enzymów trawiennych. Dopiero wtedy te składniki odżywcze mogą dostać się do krwiobiegu i zostać przeniesione do wszystkich narządów i tkanek. Spróbuj żuć kawałek chleba przez 2-3 minuty, poczujesz, jak stopniowo robi się słodki – to dlatego, że pod wpływem enzymów zawartych w ślinie skrobia się rozkłada i uwalnia słodką maltozę.

Przy pomocy enzymów w organizmie zachodzi nie tylko proces rozszczepiania substancji, ale także ich synteza. Na przykład synteza aminokwasów w cząsteczki białek – głównego budulca komórek mięśniowych, włosów itp., czy przemiana glukozy w glikogen, który odkłada się w wątrobie i w przypadku braku energii przy pomocy tych samych enzymów ponownie rozkłada się na cząsteczki glukozy, co zapewnia organizmowi szybkie uwalnianie energii.

Proces odnowy skóry zachodzi również dzięki enzymom biorącym udział w procesach metabolicznych. Jeśli będzie wystarczająco dużo enzymów specyficznych dla tego procesu, skóra będzie miękka, lśniąca i elastyczna. Przy niedoborze enzymów skóra staje się sucha, łuszcząca się i ospała.

W ludzkim ciele funkcjonuje około 4000 różnych rodzajów enzymów. Zachodzą w nim tysiące reakcji biochemicznych, co razem można porównać do dużej fabryki chemicznej. Ale wszystkie te reakcje chemiczne wymagają katalizy enzymatycznej, w przeciwnym razie albo nie przebiegają, albo przebiegają bardzo wolno. Każdy enzym uczestniczy w jednej reakcji chemicznej. Niektóre enzymy nie mogą być syntetyzowane przez organizm. Jeśli w organizmie brakuje jakichkolwiek enzymów, istnieje niebezpieczeństwo rozwoju choroby lub wystąpienia stanu przedchorobowego, który prędzej czy później objawi się chorobą.

Dlatego jeśli chcesz zachować młodość, urodę i zdrowie na długie lata, musisz zadbać o to, aby organizm zawierał odpowiednią ilość enzymów. A jeśli ich poziom jest niski, to głównym źródłem ich uzupełniania jest dzienne spożycie w postaci bioaktywnych suplementów.

Grupy ludzi szczególnie potrzebujące dodatkowych źródeł enzymów
Zastanów się, które grupy ludzi szczególnie potrzebują zastosowania dodatkowych enzymów.

Tych, którzy chcą poprawić swoją sprawność fizyczną, poprawić swoje zdrowie lub przywrócić je po chorobie.

Osoby z obniżoną odpornością, często podatne na infekcje.

Ci, którzy doświadczają ciągłego zmęczenia, skarżą się na brak energii, częste osłabienie.

Osoby przedwcześnie starzejące się, niedołężne.

Osoby cierpiące na choroby przewlekłe.

Chorzy na nowotwory z różnymi typami nowotworów, w okresie przed- i pooperacyjnym.

Osoby cierpiące na choroby wątroby.

Ludzi, którzy wolą mięso.

Osoby podatne na neurastenię i inne choroby neuropsychiatryczne.

Osoby cierpiące na dysfunkcje seksualne.

Kobiety w okresie prenatalnym i postnatalnym.

Osoby z zaburzeniami trawienia.

Wegetarianie (suplementy diety będą promować stabilność komórek).

Osoby o niedostatecznej budowie ciała, mające na celu poprawę sprawności fizycznej (nadwaga i otyłość, niedowaga).

Osoby niepełnosprawne i ograniczenia ruchu.

Dzieci w okresie intensywnego wzrostu (ponieważ współczesne dzieci w większości prawie nie spożywają pokarmów zawierających enzymy trawienne - lipazę, amylazę i proteazę; i jest to jedna z głównych przyczyn dziecięcej otyłości, częstych alergii, zaparć i zwiększone zmęczenie).

Osoby w podeszłym wieku (z wiekiem zmniejsza się zdolność organizmu do wytwarzania własnych enzymów, zmniejsza się ilość enzymu stymulującego proces „inwentaryzacji” w organizmie, dlatego spożywanie dodatkowych enzymów jest dla nich drogą do długowieczności).

Pacjenci z ustaloną dysfunkcją enzymów (ponieważ ich własne zapasy enzymów są wyczerpane, szczególnie potrzebują dodatkowego spożycia enzymów).

Sportowcy szczególnie potrzebują dużej ilości dodatkowych enzymów, ponieważ w wyniku intensywnego wysiłku fizycznego w ich organizmie następuje przyspieszony metabolizm, co powoduje, że zużycie rezerw enzymatycznych również następuje intensywnie (w przenośni można je porównać do świecy palącej się z dwóch stron). ).

Enzymy to szczególny rodzaj białek, którym natura przypisała rolę katalizatorów różnych procesów chemicznych.

Termin ten jest stale słyszany, jednak nie wszyscy rozumieją, czym jest enzym lub enzym, jakie funkcje pełni ta substancja, a także czym enzymy różnią się od enzymów i czy w ogóle się różnią. O tym wszystkim dowiemy się teraz.

Bez tych substancji ani ludzie, ani zwierzęta nie byliby w stanie strawić pokarmu. I po raz pierwszy ludzkość uciekła się do stosowania enzymów w życiu codziennym ponad 5 tysięcy lat temu, kiedy nasi przodkowie nauczyli się przechowywać mleko w „naczyniach” z żołądków zwierząt. W takich warunkach pod wpływem podpuszczki zamieniał się w ser. A to tylko jeden przykład tego, jak enzym działa jako katalizator przyspieszający procesy biologiczne. Dziś enzymy są niezbędne w przemyśle, są ważne do produkcji skór, tekstyliów, alkoholu, a nawet betonu. Te dobroczynne substancje obecne są również w detergentach i proszkach do prania – pomagają usuwać plamy w niskich temperaturach.

Historia odkryć

Enzym po grecku oznacza „zakwas”. A odkrycie tej substancji ludzkość zawdzięcza Holenderowi Janowi Baptyście Van Helmontowi, który żył w XVI wieku. Kiedyś bardzo zainteresował się fermentacją alkoholową i podczas badań znalazł nieznaną substancję, która przyspiesza ten proces. Holender nazwał to fermentum, co oznacza fermentację. Potem, prawie trzy wieki później, Francuz Ludwik Pasteur, również obserwujący procesy fermentacji, doszedł do wniosku, że enzymy to nic innego jak substancje żywej komórki. A po pewnym czasie Niemiec Eduard Buchner wyekstrahował enzym z drożdży i ustalił, że ta substancja nie jest żywym organizmem. Nadał mu też swoje imię - "zimaza". Kilka lat później inny Niemiec, Willy Kuehne, zaproponował podzielenie wszystkich katalizatorów białkowych na dwie grupy: enzymy i enzymy. Co więcej, zaproponował nazwać drugi termin „zakwasem”, którego działanie wykracza poza organizmy żywe. I dopiero rok 1897 położył kres wszelkim sporom naukowym: postanowiono używać obu terminów (enzymu i enzymu) jako bezwzględnych synonimów.

Struktura: łańcuch tysięcy aminokwasów

Wszystkie enzymy są białkami, ale nie wszystkie białka są enzymami. Podobnie jak inne białka, enzymy składają się z . Co ciekawe, do stworzenia każdego enzymu potrzeba od stu do miliona aminokwasów nawleczonych jak perły na sznurek. Ale ten wątek nie jest równy – zwykle jest wyginany setki razy. W ten sposób powstaje trójwymiarowa struktura unikalna dla każdego enzymu. Tymczasem cząsteczka enzymu jest stosunkowo dużą formacją, a tylko niewielka część jej struktury, tzw. centrum aktywne, bierze udział w reakcjach biochemicznych.

Każdy aminokwas jest połączony z określonym rodzajem wiązania chemicznego, a każdy enzym ma swoją unikalną sekwencję aminokwasową. Do stworzenia większości z nich używa się około 20 rodzajów. Nawet niewielkie zmiany w sekwencji aminokwasów mogą radykalnie zmienić wygląd i działanie enzymu.

Właściwości biochemiczne

Chociaż w przyrodzie zachodzi ogromna liczba reakcji z udziałem enzymów, wszystkie można podzielić na 6 kategorii. W związku z tym każda z tych sześciu reakcji przebiega pod wpływem pewnego rodzaju enzymu.

Reakcje z udziałem enzymów:

1. Utlenianie i redukcja.

Enzymy zaangażowane w te reakcje nazywane są oksydoreduktazami. Jako przykład pamiętaj, jak dehydrogenazy alkoholowe przekształcają alkohole pierwszorzędowe w aldehyd.

1. Reakcja przeniesienia grupy.

Enzymy odpowiedzialne za te reakcje nazywane są transferazami. Mają zdolność przenoszenia grup funkcyjnych z jednej cząsteczki do drugiej. Dzieje się tak na przykład, gdy aminotransferazy alaninowe przenoszą grupy alfa-aminowe między alaniną a asparaginianem. Transferazy przenoszą również grupy fosforanowe między ATP a innymi związkami i tworzą je z reszt.

1. Hydroliza.

Hydrolazy biorące udział w reakcji są zdolne do zrywania pojedynczych wiązań przez dodanie pierwiastków wody.

1. Utwórz lub usuń podwójne wiązanie.

Ten typ reakcji zachodzi w sposób niehydrolityczny z udziałem liazy.

1. Izomeryzacja grup funkcyjnych.

W wielu reakcjach chemicznych pozycja grupy funkcyjnej zmienia się w cząsteczce, ale sama cząsteczka składa się z tej samej liczby i typów atomów, co przed rozpoczęciem reakcji. Innymi słowy, substrat i produkt reakcji są izomerami. Ten rodzaj transformacji jest możliwy pod wpływem enzymów izomerazy.

1. Tworzenie pojedynczego wiązania z eliminacją elementu wody.

Hydrolazy rozbijają wiązania poprzez dodanie do cząsteczki pierwiastków wodnych. Lyazy przeprowadzają reakcję odwrotną, usuwając część wodną z grup funkcyjnych. W ten sposób powstaje proste połączenie.

Jak działają w organizmie

Enzymy przyspieszają prawie wszystkie reakcje chemiczne zachodzące w komórkach. Są niezbędne dla człowieka, ułatwiają trawienie i przyspieszają metabolizm.

Niektóre z tych substancji pomagają rozbić zbyt duże cząsteczki na mniejsze „kawałki”, które organizm może strawić. Inne, wręcz przeciwnie, wiążą małe cząsteczki. Ale enzymy, z naukowego punktu widzenia, są wysoce selektywne. Oznacza to, że każda z tych substancji może przyspieszyć tylko określoną reakcję. Cząsteczki, z którymi współpracują enzymy, nazywane są substratami. Substraty z kolei tworzą wiązanie z częścią enzymu zwaną miejscem aktywnym.

Istnieją dwie zasady, które wyjaśniają specyfikę interakcji enzymów i substratów. W tzw. modelu „key-lock” miejsce aktywne enzymu zajmuje miejsce o ściśle określonej konfiguracji w podłożu. Według innego modelu obaj uczestnicy reakcji, miejsce aktywne i substrat, zmieniają swoje kształty w celu połączenia.

Niezależnie od zasady interakcji wynik jest zawsze taki sam – reakcja pod wpływem enzymu przebiega wielokrotnie szybciej. W wyniku tej interakcji „rodzą się” nowe cząsteczki, które są następnie oddzielane od enzymu. A substancja katalizatora nadal wykonuje swoje zadanie, ale z udziałem innych cząstek.

Nad- i hipoaktywność

Są chwile, kiedy enzymy wykonują swoje funkcje z niewłaściwą intensywnością. Nadmierna aktywność powoduje nadmierne tworzenie produktów reakcji i niedobór substratu. Rezultatem jest zły stan zdrowia i poważna choroba. Przyczyną nadaktywności enzymu może być zaburzenie genetyczne lub nadmiar witamin lub użyty w reakcji.

Niedoczynność enzymów może nawet spowodować śmierć, gdy np. enzymy nie usuwają toksyn z organizmu lub występuje niedobór ATP. Przyczyną tego stanu mogą być również zmutowane geny lub odwrotnie, hipowitaminoza i niedobór innych składników odżywczych. Ponadto niższa temperatura ciała podobnie spowalnia pracę enzymów.

Katalizator i nie tylko

Dziś często można usłyszeć o zaletach enzymów. Ale czym są te substancje, od których zależy wydajność naszego organizmu?

Enzymy to cząsteczki biologiczne, których cykl życiowy nie jest określony przez granice narodzin i śmierci. Po prostu działają w ciele, dopóki się nie rozpuszczą. Z reguły dzieje się to pod wpływem innych enzymów.

W trakcie reakcji biochemicznej nie stają się częścią produktu końcowego. Po zakończeniu reakcji enzym opuszcza substrat. Następnie substancja jest gotowa do ponownego rozpoczęcia pracy, ale na innej cząsteczce. I tak to trwa tak długo, jak potrzebuje organizm.

Wyjątkowość enzymów polega na tym, że każdy z nich pełni tylko jedną przypisaną funkcję. Reakcja biologiczna zachodzi tylko wtedy, gdy enzym znajdzie dla siebie odpowiedni substrat. Współdziałanie to można porównać z zasadą działania klucza i zamka - tylko prawidłowo dobrane elementy mogą ze sobą współpracować. Kolejna cecha: mogą pracować w niskich temperaturach i umiarkowanym pH, a jako katalizatory są bardziej stabilne niż jakiekolwiek inne chemikalia.

Enzymy jako katalizatory przyspieszają procesy metaboliczne i inne reakcje.

Z reguły procesy te składają się z pewnych etapów, z których każdy wymaga pracy określonego enzymu. Bez tego nie można zakończyć cyklu transformacji lub przyspieszenia.

Być może najbardziej znaną ze wszystkich funkcji enzymów jest rola katalizatora. Oznacza to, że enzymy łączą chemikalia w taki sposób, aby obniżyć koszty energii potrzebne do szybszego wytworzenia produktu. Bez tych substancji reakcje chemiczne przebiegałyby setki razy wolniej. Ale możliwości enzymów na tym się nie kończą. Wszystkie żywe organizmy zawierają energię potrzebną do dalszego życia. Adenozynotrójfosforan lub ATP to rodzaj naładowanej baterii, która dostarcza energię do komórek. Ale funkcjonowanie ATP jest niemożliwe bez enzymów. A głównym enzymem wytwarzającym ATP jest syntaza. Na każdą cząsteczkę glukozy, która jest przekształcana w energię, syntaza wytwarza około 32-34 cząsteczek ATP.

Ponadto w medycynie aktywnie wykorzystywane są enzymy (lipaza, amylaza, proteaza). W szczególności służą jako składnik preparatów enzymatycznych, takich jak Festal, Mezim, Panzinorm, Pancreatin, stosowanych w leczeniu niestrawności. Ale niektóre enzymy mogą również wpływać na układ krążenia (rozpuszczać skrzepy krwi), przyspieszać gojenie się ropnych ran. A nawet w terapii przeciwnowotworowej uciekają się również do pomocy enzymów.

Czynniki determinujące aktywność enzymów

Ponieważ enzym potrafi wielokrotnie przyspieszać reakcje, o jego aktywności decyduje tzw. liczba obrotów. Termin ten odnosi się do liczby cząsteczek substratu (substancji reaktywnych), które 1 cząsteczka enzymu może przekształcić w ciągu 1 minuty. Istnieje jednak szereg czynników, które determinują szybkość reakcji:

1. stężenie substratu.

Zwiększenie stężenia substratu prowadzi do przyspieszenia reakcji. Im więcej cząsteczek substancji czynnej, tym szybciej przebiega reakcja, ponieważ zaangażowanych jest więcej centrów aktywnych. Przyspieszenie jest jednak możliwe tylko do czasu, gdy zaangażowane są wszystkie cząsteczki enzymu. Potem nawet zwiększenie stężenia substratu nie przyspieszy reakcji.

1. Temperatura.

Zwykle wzrost temperatury prowadzi do przyspieszenia reakcji. Ta zasada działa w przypadku większości reakcji enzymatycznych, ale tylko pod warunkiem, że temperatura nie wzrośnie powyżej 40 stopni Celsjusza. Po tym znaku szybkość reakcji, wręcz przeciwnie, zaczyna gwałtownie spadać. Jeśli temperatura spadnie poniżej punktu krytycznego, szybkość reakcji enzymatycznych ponownie wzrośnie. Jeśli temperatura nadal rośnie, wiązania kowalencyjne zostają zerwane, a aktywność katalityczna enzymu zostaje utracona na zawsze.

1. Kwasowość.

Wartość pH ma również wpływ na szybkość reakcji enzymatycznych. Każdy enzym ma swój optymalny poziom kwasowości, przy którym reakcja przebiega najbardziej adekwatnie. Zmiana poziomu pH wpływa na aktywność enzymu, a co za tym idzie na szybkość reakcji. Jeśli zmiana jest zbyt duża, substrat traci zdolność wiązania się z aktywnym jądrem, a enzym nie może już katalizować reakcji. Wraz z przywróceniem wymaganego poziomu pH przywracana jest również aktywność enzymu.

Enzymy obecne w organizmie człowieka można podzielić na 2 grupy:

• metaboliczny;
• trawienny.

Metaboliczna „praca” neutralizuje substancje toksyczne, a także przyczynia się do produkcji energii i białek. I oczywiście przyspieszają procesy biochemiczne w organizmie.

To, za co odpowiedzialne są narządy trawienne, wynika z nazwy. Ale nawet tutaj działa zasada selektywności: pewien rodzaj enzymu wpływa tylko na jeden rodzaj żywności. Dlatego, aby poprawić trawienie, możesz skorzystać z małej sztuczki. Jeśli organizm nie trawi czegoś dobrze z pożywienia, konieczne jest uzupełnienie diety o produkt zawierający enzym, który może rozkładać ciężkostrawny pokarm.

Enzymy spożywcze to katalizatory rozkładające żywność do stanu, w którym organizm jest w stanie wchłonąć z nich przydatne substancje. Enzymy trawienne występują w kilku rodzajach. W ludzkim ciele różne rodzaje enzymów znajdują się w różnych częściach przewodu pokarmowego.

Jama ustna

Na tym etapie na żywność działa alfa-amylaza. Rozkłada węglowodany, skrobie i glukozę znajdujące się w ziemniakach, owocach, warzywach i innych produktach spożywczych.

Brzuch

Tutaj pepsyna rozkłada białka na peptydy, a żelatynaza rozkłada żelatynę i kolagen znajdujące się w mięsie.

Trzustka

Na tym etapie „praca”:

• trypsyna – odpowiedzialna za rozkład białek;
• alfa-chymotrypsyna – wspomaga wchłanianie białek;
• elastaza – rozkłada niektóre rodzaje białek;
• nukleazy – pomagają rozkładać kwasy nukleinowe;
• steapsin - wspomaga wchłanianie tłustych potraw;
• amylaza – odpowiedzialna za wchłanianie skrobi;
• lipaza – rozkłada tłuszcze (lipidy) znajdujące się w produktach mlecznych, orzechach, olejach i mięsie.

Jelito cienkie

Nad cząstkami jedzenia „wyczaruj”:

• peptydazy – rozkładają związki peptydowe do poziomu aminokwasów;
• sacharaza – pomaga w przyswajaniu złożonych cukrów i skrobi;
• maltaza – rozkłada dwucukry do stanu cukrów prostych (cukier słodowy);
• laktaza – rozkłada laktozę (glukozę występującą w produktach mlecznych);
• lipaza – wspomaga wchłanianie trójglicerydów, kwasów tłuszczowych;
• erepsin - wpływa na białka;
• izomaltaza – „działa” z maltozą i izomaltozą.

Okrężnica

Tutaj wykonywane są funkcje enzymów:

• coli - odpowiedzialna za trawienie;
• lactobacilli - wpływają na laktozę i niektóre inne węglowodany.

Oprócz tych enzymów istnieją również:

• diastaza – trawi skrobię roślinną;
• inwertaza – rozkłada sacharozę (cukier stołowy);
• glukoamylaza – konwertuje do glukozy;
• alfa-galaktozydaza – wspomaga trawienie fasoli, nasion, produktów sojowych, warzyw korzeniowych i liściastych;
• bromelaina – enzym pochodzący z enzymu, wspomaga rozkład różnego rodzaju białek, działa skutecznie przy różnych poziomach zakwaszenia środowiska, działa przeciwzapalnie;
• papaina, enzym wyizolowany z surowej papai, wspomaga rozkład małych i dużych białek i jest skuteczny w szerokim zakresie substratów i kwasowości.
• celulaza – rozkłada celulozę, włókna roślinne (nie występujące w ludzkim ciele);
• endoproteaza – rozszczepia wiązania peptydowe;
• ekstrakt z żółci wołowej - enzym pochodzenia zwierzęcego, stymuluje ruchliwość jelit;
• pankreatyna – enzym pochodzenia zwierzęcego, przyspiesza trawienie białek;
• pankrelipaza – enzym zwierzęcy, który wspomaga wchłanianie

  Fermentowane pokarmy są niemal idealnym źródłem pożytecznych bakterii potrzebnych do prawidłowego trawienia. I o ile probiotyki apteczne „działają” tylko w górnym odcinku przewodu pokarmowego i często nie docierają do jelit, o tyle działanie produktów enzymatycznych odczuwalne jest w całym przewodzie pokarmowym.

  Na przykład morele zawierają mieszankę korzystnych enzymów, w tym inwertazę, która odpowiada za rozkład glukozy i sprzyja szybkiemu uwalnianiu energii.

  Może służyć naturalne źródło lipazy (wspomaga szybsze trawienie lipidów). W organizmie substancja ta jest produkowana przez trzustkę. Aby jednak ułatwić życie temu ciału, można zafundować sobie np. sałatkę z awokado - smaczną i zdrową.

  Oprócz tego, że jest prawdopodobnie najbardziej znanym źródłem, dostarcza również organizmowi amylazy i maltazy. Amylaza znajduje się również w chlebie i zbożach. Maltaza pomaga w rozkładzie maltozy, tak zwanego cukru słodowego, który jest bogaty w piwo i syrop kukurydziany.

  Kolejny egzotyczny owoc – ananas zawiera całą gamę enzymów, w tym bromelainę. Według niektórych badań ma również właściwości przeciwnowotworowe i przeciwzapalne.

  Ekstremofile i przemysł

  Ekstremofile to substancje, które mogą przetrwać w ekstremalnych warunkach.

  Żywe organizmy, a także enzymy umożliwiające im funkcjonowanie, odkryto w gejzerach, gdzie temperatura jest zbliżona do temperatury wrzenia i głęboko w lodzie, a także w warunkach ekstremalnego zasolenia (Death Valley w USA). Ponadto naukowcy odkryli enzymy, dla których poziom pH, jak się okazało, również nie jest podstawowym warunkiem efektywnej pracy. Naukowcy badają enzymy ekstremofilne ze szczególnym zainteresowaniem jako substancje, które mogą być szeroko stosowane w przemyśle. Chociaż już dziś enzymy znalazły już zastosowanie w przemyśle jako substancje biologicznie i przyjazne dla środowiska. Enzymy wykorzystuje się w przemyśle spożywczym, kosmetyce i produkcji chemii gospodarczej.

  Izvozchikova Nina Vladislavovna

  Specjalność: specjalista chorób zakaźnych, gastroenterolog, pulmonolog.

  Ogólne doświadczenie: 35 lat .

  Edukacja:1975-1982, 1MMI, San-Gig, najwyższe kwalifikacje, lekarz chorób zakaźnych.

  Stopień naukowy: doktor najwyższej kategorii, kandydat nauk medycznych.