Enzimele

Definiție

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

Enzimele funcționează prin combinarea cu o substanță specifică pentru a o transforma într-o substanță diferită; exemple clasice sunt date de enzimele digestive prezente în salivă, stomac, pancreas și intestinul subțire, care îndeplinesc o funcție esențială în digestie și ajută la descompunerea alimentelor în constituenți de bază, care pot fi apoi absorbiți și utilizați de organism, prelucrați de alte enzime sau excretat ca deșeuri.

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

Studiu biochimic

Enzimele sunt anumite proteine ​​care au caracteristica de a fi catalizatori biologici, adică au capacitatea de a descompune energia de activare (Eatt) a unei reacții, modificându-i calea astfel încât un proces cinetic lent să fie mai rapid.

Enzimele cresc cinetica reacțiilor posibile din punct de vedere termodinamic și, spre deosebire de catalizatori, sunt mai mult sau mai puțin specifice: de aceea posedă specificitatea substratului.
Enzima nu este implicată în stoechiometria reacției: pentru ca acest lucru să se întâmple, situl catalitic final trebuie să fie identic cu cel inițial.
În acțiunea catalitică există aproape întotdeauna o fază lentă care determină viteza procesului.
Când vorbim despre enzime, nu este corect să vorbim despre reacții de echilibru, vorbim, în loc de stare echilibrată (stare în care un anumit metabolit este format și consumat continuu, păstrându-și concentrația aproape constantă în timp). Produsul unei reacții catalizate de o enzimă este de obicei el însuși un reactant pentru o reacție ulterioară, catalizat de o altă enzimă și așa mai departe.
Procesele catalizate de enzime constau de obicei din secvențe de reacții.
O reacție generică catalizată de o enzimă (E) poate fi rezumată după cum urmează:

E este enzima

S este substratul;
ES reprezintă aductul dintre enzimă și substrat;

P este produsul;
K este constanta vitezei reacției.

O enzimă generică (E) se combină cu substratul (S) pentru a forma aductul (ES) cu o rată constantă K1; se poate disocia înapoi în E + S, cu o rată constantă K2 sau, (dacă „trăiește” suficient de mult timp ) se poate trece la formarea P cu o constantă de viteză K3.

Produsul (P) poate, la rândul său, să se recombine cu enzima și să reformeze aductul cu constantă de viteză K4.
Când enzima și substratul sunt amestecate, există o fracțiune de timp în care întâlnirea dintre cele două specii nu a avut loc încă: adică există un interval de timp extrem de scurt (care depinde de reacție) în care enzima și substratul au încă neîndeplinit; după această perioadă, enzima și substratul intră în contact în cantități crescânde și se formează aductul ES. Ulterior, enzima acționează asupra substratului și produsul este eliberat. Se poate spune că c "este un interval de timp inițial în care concentrația aductului ES nu poate fi definită; după această perioadă, se presupune că o stare stabilă este stabilită, adică viteza proceselor care duc la obținerea aductului este egală cu viteza proceselor care duc la distrugerea aductului.
Constanta Michaelis-Menten (KM) este o constantă de echilibru (menționată la primul echilibru descris mai sus); se poate spune, cu o bună aproximare (pentru că ar trebui luat în considerare și K3), că KM este reprezentat de raportul dintre constantele cinetice K2 și K1 (se referă la distrugerea și formarea aductului ES în primul echilibru descris mai sus) .
Prin constanta Michaelis-Menten avem o „indicație a afinității dintre enzimă și substrat: dacă KM este mic c” este o „afinitate mare între enzimă și substrat, atunci aductul ES este stabil.

Enzimele sunt supuse reglementării (sau modulației).
În trecut se vorbea în principal despre modulație negativă, adică despre inhibarea capacităților catalitice ale unei enzime, dar poate exista și o modulație pozitivă, adică există specii capabile să sporească capacitățile catalitice ale unei enzime.
Există 4 tipuri de inhibiții (obținute din aproximări făcute pe un model pentru a potrivi datele experimentale cu ecuațiile matematice):

• inhibiție competitivă
• inhibiție necompetitivă
• inhibiție incompetitivă
• inhibiție concurențială

Vorbim de inhibiție competitivă atunci când o moleculă (inhibitor) este capabilă să concureze cu substratul. Pentru similaritate structurală, inhibitorul poate reacționa în locul substratului; de aici și terminologia „inhibiție competitivă”. Probabilitatea ca enzima să se lege de inhibitor sau substrat depinde de concentrația ambelor și de afinitatea lor cu enzima; viteza de reacție depinde deci de acești factori.
Pentru a obține aceeași viteză de reacție ca și fără prezența inhibitorului, este necesar să aveți o concentrație mai mare de substrat.
Se arată experimental că, în prezența unui inhibitor, constanta Michaelis-Menten crește.

În ceea ce privește, în schimb, „inhibiția neconcurențială, interacțiunea dintre molecula care ar trebui să funcționeze ca modulator (pozitiv sau negativ-inhibitor) și„ enzimă, are loc într-un sit diferit de cel în care interacțiunea apare.între enzimă și substrat; vorbim deci de modulație alosterică (din greacă allosteros → alt site).
Dacă inhibitorul se leagă de enzimă, poate induce o modificare a structurii enzimei și, în consecință, poate reduce eficiența cu care substratul se leagă de enzimă.
În acest tip de proces, constanta Michaelis-Menten rămâne constantă deoarece această valoare depinde de echilibrele dintre enzimă și substrat și, chiar și în prezența unui inhibitor, aceste echilibre nu se modifică.

Fenomenul inhibiției incompetitive este rar; un inhibitor incompetitiv tipic este o substanță care se leagă reversibil de aductul ES care dă naștere ESI:

Inhibarea excesului de substrat poate fi uneori incompetitivă, deoarece aceasta apare atunci când o a doua moleculă de substrat se leagă de complexul ES, dând naștere complexului ESS.

Un inhibitor concurențial, pe de altă parte, se poate lega doar de aductul enzimatic substrat ca în cazul anterior: legarea substratului la enzima liberă induce o modificare conformațională care face site-ul accesibil pentru inhibitor.
Constanta Michaelis Menten scade pe măsură ce crește concentrația inhibitorului: aparent, prin urmare, afinitatea enzimei pentru substrat crește.

Serina protează

Sunt o familie de enzime de care aparțin chimotripsina și tripsina.
Chimotripsina este o enzimă proteolitică și hidrolitică care taie în dreapta aminoacizilor hidrofobi și aromatici.
Produsul genei care codifică chimotripsina nu este activ (este activat cu o comandă); forma inactivă a chimotripsinei este reprezentată de un lanț polipeptidic de 245 aminoacizi. Chimotripsina are o formă globulară datorită a cinci punți disulfură și a altor interacțiuni minore (electrostatice, forțe Van der Waals, legături de hidrogen etc.).
Chimotripsina este produsă de celulele chimozate ale pancreasului unde este conținută în membrane speciale și expulzată prin canalul pancreatic în intestin, în momentul digestiei alimentelor: chimotripsina este de fapt o enzimă digestivă. Proteinele și substanțele nutritive pe care le ingerăm prin dietă sunt supuse digestiei pentru a fi reduse la lanțuri mai mici și pentru a fi absorbite și transformate în energie (de exemplu, amilazele și proteazele descompun substanțele nutritive în glucoză și aminoacizi care ajung la celule, prin vasele de sânge ajung la vena portă și de acolo sunt transportați la ficat unde sunt supuși unui tratament suplimentar).
Enzimele sunt produse într-o formă inactivă și sunt activate numai atunci când ajung la „locul unde trebuie să funcționeze”; odată ce acțiunea lor este terminată, sunt dezactivați. O enzimă, odată dezactivată, nu poate fi reactivată: pentru a avea o „acțiune catalitică suplimentară, trebuie înlocuită cu„ o altă moleculă enzimatică. Dacă chimitripsina ar fi produsă în formă activă deja în pancreas, aceasta ar ataca pe acesta din urmă: pancreatita este patologie datorată enzimelor digestive care sunt deja activate în pancreas (și nu în locurile necesare); unele dintre ele dacă nu sunt tratate la timp, duce la moarte.
În chimotripsină și în toate serin proteazele, acțiunea catalitică se datorează existenței anionului alcoolic (-CH2O-) în lanțul lateral al unei serine.
Serina proteazele iau acest nume tocmai pentru că acțiunea lor catalitică se datorează serinei.
Odată ce toată enzima și-a îndeplinit acțiunea, înainte de a putea re-opera din nou pe substrat, aceasta trebuie restaurată cu apă; „eliberarea” de serină de către apă este cea mai lentă etapă a procesului și este această fază care determină viteza catalizei.
Acțiunea catalitică are loc în două faze:

• formarea anionului cu proprietăți catalitice (alcoolat anionic) și atac nucleofil ulterior asupra carbonului carbonilic (C = O) cu scindarea legăturii peptidice și formarea esterului;
• atac de apă cu refacerea catalizatorului (capabil să-și exercite din nou acțiunea catalitică).

Diferitele enzime aparținând familiei serin proteazei pot fi alcătuite din aminoacizi diferiți, dar, pentru toți, situl catalitic este reprezentat de anionul alcoolic al lanțului lateral al unei serine.
O subfamilie de serin proteaze este cea a enzimelor implicate în coagulare (care constă în transformarea proteinelor, de la forma lor inactivă la o „altă formă care este activă). Aceste enzime asigură coagularea cât mai eficientă și este limitată în spațiul și timpul (coagularea trebuie să se producă rapid și trebuie să aibă loc numai în vecinătatea zonei vătămate) .Enzimele implicate în coagulare sunt activate în cascadă (din activarea unei singure enzime, se obțin miliarde de enzime: fiecare enzimă activată , la rândul său, activează multe alte enzime).
Tromboza este o patologie datorată funcționării defectuoase a enzimelor de coagulare: este cauzată de activarea, fără a fi necesară (deoarece nu există vătămare), a enzimelor utilizate în coagulare.

Există enzime modulatorii (de reglare) și enzime inhibitoare pentru alte enzime: interacționând cu acestea din urmă, ele reglează sau inhibă activitatea lor; chiar și produsul unei enzime poate fi un inhibitor al enzimei. Există, de asemenea, enzime care funcționează mai mult, cu atât substratul este mai mare.

Lizozim

Luigi Pasteur a descoperit, strănutând pe o cutie Petri, că în mucus există o enzimă capabilă să distrugă bacteriile: lizozimă; din greacă: liso = ce dimensiune; zimo = enzimă.
Lizozimul este capabil să descompună peretele celular al bacteriilor. Bacteriile și organismele unicelulare în general, au nevoie de structuri rezistente mecanic care să le limiteze forma; în interiorul bacteriilor există o presiune osmotică foarte mare, astfel încât acestea atrag apa. Membrana plasmatică ar exploda dacă nu ar exista un perete celular care să se opună intrării apei și să limiteze volumul bacteriei.
Peretele celular constă dintr-un lanț de polizaharide în care alternează molecule de N-acetil-glucozamină (NAG) și molecule de acid N-acetil-muramic (NAM); legătura dintre NAG și NAM se rupe prin hidroliză. Grupul carboxil al NAM, în peretele celular, este angajat într-o legătură peptidică cu un aminoacid.
Între diferitele lanțuri, se formează punți formate din legături pseudo-peptidice: ramificarea se datorează moleculei de lizină; structura în ansamblu este foarte ramificată și acest lucru îi conferă o stabilitate ridicată.
Lizozima este un antibiotic (ucide bacteriile): acționează prin formarea unei fisuri în peretele bacterian; atunci când această structură (care este rezistentă mecanic) se sparge, bacteria atrage apă până când izbucnește. Lizozima reușește să rupă legătura glucozidică β-1,4 dintre NAM și NAG.
Situl catalitic al lizozimului este reprezentat de o canelură care se desfășoară de-a lungul enzimei în care este inserat lanțul polizaharidic: șase inele glucozidice ale lanțului sunt plasate în canelură.
În poziția a treia a canelurii c "este un sufocator: în această poziție poate fi plasat un singur NAG, deoarece NAM, care are dimensiuni superioare, nu poate intra. Situl catalitic real este între pozițiile patru și cinci: deoarece există un NAG în poziția trei, tăierea va avea loc între un NAM și un NAG (și nu invers); deci, tăierea este specifică.
PH-ul optim pentru a funcționa lizozima este de cinci. În situl catalitic al enzimei, adică între pozițiile patru și cinci, există lanțurile laterale ale unui acid aspartic și ale unui acid glutamic.

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

Există o relație puternică între lizozimă și lactoză-sintază.
Lactoza sintetaza sintetizează lactoza (care este principalul zahăr din lapte): lactoza este un galactozil glucozid în care c "este o legătură β-1,4 glucozidică între galactoză și glucoză.
Prin urmare, lactoza sintetaza catalizează reacția opusă celei catalizate de lizozimă (care în schimb împarte legătura β-1,4 glucozidică)
Lactoza sintetaza este un dimer, adică este alcătuită din două lanțuri proteice, dintre care una are proprietăți catalitice și este comparabilă cu lizozima, iar cealaltă este o subunitate de reglare.
În timpul sarcinii, glicoproteinele sunt sintetizate de celulele glandei mamare prin acțiunea galatosil-tranferazei (are o „omologie de secvență de 40% cu lizozimă): această enzimă este capabilă să transfere o grupare galactozil dintr-o structură cu energie ridicată în o structură glicoproteică. În timpul sarcinii, se induce expresia genei care codifică galactozil-transferaza (există și expresia altor gene care dau și alte produse): există o creștere a dimensiunii sânului deoarece este activată glanda mamară (anterior inactivă) care trebuie să producă lapte.În timpul nașterii se produce α-lactalbumină care este o proteină reglatoare: este capabilă să regleze capacitatea catalitică a galactozil-transferazei (prin discriminarea substratului). Galactozil-transferaza modificată de α-lactalalbumină este capabilă să transfere un galactozil pe o moleculă de glucoză: formând o legătură glicozidică β-1,4 și dând lactoză (lactoză sintetază).
Prin urmare, galactoza transferază pregătește glanda mamară înainte de naștere și produce lapte după naștere.
Pentru a produce glicoproteine, galactozil transferaza se leagă de un galactozil și un NAG; în timpul nașterii, albumina lactală se leagă de galactoziltransferază, ceea ce face ca aceasta din urmă să recunoască glucoza și nu mai NAG să dea lactoză.