enzymen

definitie

Enzymen zijn eiwitten die worden geproduceerd in planten- en dierencellen, die als katalysatoren werken door biologische reacties te versnellen zonder te worden gemodificeerd.

De enzymen werken door te combineren met een specifieke stof om het in een andere substantie te transformeren; klassieke voorbeelden worden gegeven door de spijsverteringsenzymen die aanwezig zijn in speeksel, in de maag, in de pancreas en in de dunne darm, die een essentiële functie vervullen bij de spijsvertering en helpen voedsel af te breken in de basisbestanddelen, die vervolgens kunnen worden opgenomen en gebruikt door het lichaam, verwerkt door andere enzymen of uitgestoten als afval.

Elk enzym heeft een specifieke rol: degene die vetten afbreekt, heeft bijvoorbeeld geen invloed op eiwitten of koolhydraten. Enzymen zijn essentieel voor het welzijn van het organisme. Een tekort, zelfs van een enkel enzym, kan ernstige stoornissen veroorzaken. Een vrij algemeen bekend voorbeeld is fenylketonurie (PKU), een ziekte die wordt gekenmerkt door het onvermogen om een ​​essentieel aminozuur, fenylalanine, te metaboliseren, waarvan de accumulatie lichamelijke misvormingen en psychische aandoeningen kan veroorzaken.

Biochemische analyse

Enzymen zijn specifieke eiwitten die het kenmerk hebben dat ze biologische katalysatoren zijn, dat wil zeggen dat ze het vermogen hebben om de activeringsenergie (Eatt) van een reactie te verminderen, waardoor het pad wordt gewijzigd om een ​​kinetisch langzaam proces sneller te laten verschijnen.

Enzymen verhogen de kinetiek van thermodynamisch mogelijke reacties en zijn, in tegenstelling tot katalysatoren, min of meer specifiek: ze bezitten daarom substraatspecificiteit.

Het enzym is niet betrokken bij de stoichiometrie van de reactie: om dit te laten gebeuren, is het essentieel dat de uiteindelijke katalytische plaats identiek is aan de eerste.

In de katalytische actie is er bijna altijd een langzame fase die de snelheid van het proces bepaalt.

Wanneer we het hebben over enzymen is het niet correct om te spreken van evenwichtsreacties, we spreken in plaats van een steady state (toestand waarin een bepaalde metaboliet wordt gevormd en continu wordt geconsumeerd, waarbij de concentratie vrijwel constant blijft in de tijd). Het product van een reactie gekatalyseerd door een enzym is meestal zelf een reactant voor een daaropvolgende reactie, gekatalyseerd door een ander enzym, enzovoort.

Enzym-gekatalyseerde processen bestaan ​​meestal uit reeksen van reacties.

Een generieke reactie gekatalyseerd door een enzym (E), kan dus worden geschematiseerd:

Een generiek enzym (E) combineert met het substraat (S) om het adduct (ES) te vormen met een snelheidsconstante K1; het kan weer dissociëren in E + S, met een snelheidsconstante K2, of, (als het "lang genoeg" leeft) kan het doorgaan met het vormen van P met een snelheidsconstante K3.

Het product (P) kan op zijn beurt recombineren met het enzym en het adduct hervormen met snelheidsconstante K4.

Wanneer enzym en substraat worden gemengd, is er een fractie van de tijd waarin de ontmoeting tussen de twee soorten nog niet heeft plaatsgevonden: dat wil zeggen, er is een extreem kort tijdsinterval (dat afhankelijk is van de reactie) waarin enzym en substraat hebben nog niet voldaan; na deze periode komen het enzym en het substraat in toenemende hoeveelheden in contact en wordt het ES-adduct gevormd. Vervolgens werkt het enzym op het substraat en wordt het product vrijgegeven. Er kan dan worden gezegd dat er een eerste tijdsinterval is waarin de concentratie van het ES-adduct niet definieerbaar is; na deze periode wordt aangenomen dat een stabiele toestand is vastgesteld, dat wil zeggen dat de snelheid van de processen die leiden tot het adduct gelijk is aan de snelheid van de processen die leiden tot de vernietiging van het adduct.

De Michaelis-Menten-constante (KM) is een evenwichtsconstante (verwezen naar het hierboven beschreven eerste evenwicht); we kunnen zeggen dat met goede benadering (omdat K3 ook moet worden beschouwd) KM wordt weergegeven door de verhouding tussen de kinetische constanten K2 en K1 (verwijzend naar de vernietiging en vorming van het adduct ES in het eerste evenwicht dat hierboven is beschreven).

Door de Michaelis-Menten-constante hebben we een indicatie van de affiniteit tussen enzym en substraat: als de KM klein is, is er een hoge affiniteit tussen enzym en substraat, dus het ES-adduct is stabiel.

Enzymen zijn onderworpen aan regulatie (of modulatie).

In het verleden was er vooral sprake van negatieve modulatie, dat wil zeggen van remming van de katalytische capaciteiten van een enzym, maar men kan ook een positieve modulatie hebben, dat wil zeggen dat er soorten zijn die in staat zijn om de katalytische capaciteiten van een enzym te versterken.

Er zijn 4 soorten remmingen (verkregen uit benaderingen gemaakt op een model om overeen te komen met de experimentele gegevens met de wiskundige vergelijkingen):

• concurrerende remming
• niet-competitieve remming
• Incompetitieve inhibitie
• competitieve remming

Er is sprake van competitieve remming wanneer een molecuul (remmer) in staat is om te concurreren met het substraat. Door structurele overeenkomst kan de remmer reageren in plaats van het substraat; dit is waar de term "competitieve inhibitie" vandaan komt. De waarschijnlijkheid dat het enzym aan de remmer of het substraat bindt, hangt af van de concentratie van beide en hun affiniteit met het enzym; de reactiesnelheid hangt van deze factoren af.

Om dezelfde reactiesnelheid te verkrijgen die zou optreden zonder de aanwezigheid van de remmer, is het noodzakelijk om een ​​hogere substraatconcentratie te hebben.

Er wordt experimenteel aangetoond dat, in aanwezigheid van een remmer, de Michaelis-Menten-constante toeneemt.

Wat in plaats daarvan de niet-competitieve remming betreft, de interactie tussen het molecuul dat als een modulator (positieve of negatieve remmer) en het enzym zou moeten werken, vindt plaats op een site die anders is dan die waarin de interactie tussen enzym en substraat; we spreken daarom van allosterische modulatie (van de Griekse allosteros → andere site).

Als de remmer gaat binden aan het enzym, kan het een modificatie van de structuur van het enzym induceren en dientengevolge kan het de efficiëntie verminderen waarmee het substraat aan het enzym bindt.

In dit type proces blijft de Michaelis-Menten-constante constant omdat deze waarde afhangt van de evenwichten tussen enzym en substraat en deze evenwichten, zelfs in de aanwezigheid van een remmer, niet veranderen.

Het fenomeen van incompetente remming is zeldzaam; een typische incompetente remmer is een stof die reversibel bindt aan het ES-adduct dat aanleiding geeft tot ESI:

Remming van overtollig substraat kan soms van een incompetent type zijn, omdat dit optreedt wanneer een tweede substraatmolecuul bindt aan het ES-complex, leidend tot het ESS-complex.

Een competitieve inhibitor daarentegen kan alleen binden aan het substraat-enzymadduct zoals in het vorige geval: de binding van het substraat aan het vrije enzym induceert een conformationele modificatie die de site toegankelijk maakt voor de remmer.

De Michaelis Menten-constante neemt af met toenemende remmerconcentratie: blijkbaar neemt de affiniteit van het enzym voor het substraat dus toe.

Serine proteasen

Ze zijn een familie van enzymen waartoe chimotripsine en trypsine behoren.

Chymotrypsine is een proteolytisch en hydrolytisch enzym dat aan de rechterkant hydrofobe en aromatische aminozuren knipt.

Het product van het gen dat codeert voor chymotrypsine is niet actief (het wordt geactiveerd met een commando); de niet-actieve vorm van chymotrypsine wordt weergegeven door een polypeptideketen van 245 aminozuren. Chymotrypsine heeft een bolvormige vorm vanwege vijf disulfidebruggen en andere kleine interacties (elektrostatisch, Van der Waals-krachten, waterstofbruggen, enz.).

De chymotrypsine wordt geproduceerd door de chimatische cellen van de pancreas, waar het zich bevindt in speciale membranen en via de ductus pancreaticus de darm in wordt gedreven, op het moment van vertering van het voedsel: de chymotrypsine is in feite een spijsverteringsenzym. De eiwitten en voedingsstoffen die we via het dieet binnenkrijgen, worden onderworpen aan digestie om te worden gereduceerd tot kleinere ketens en om te worden geabsorbeerd en omgezet in energie (bijv. Amylases en proteasen splitsen de voedingsstoffen in glucose en aminozuren die de cellen bereiken, via de bloedvaten bereiken ze de poortader en van daaruit worden ze naar de lever overgebracht waar ze verdere behandelingen ondergaan).

Enzymen worden geproduceerd in een inactieve vorm en worden alleen geactiveerd wanneer ze de "site bereiken waar ze moeten werken"; wanneer hun actie voorbij is, zijn ze gedeactiveerd. Een eenmaal gedeactiveerd enzym kan niet worden gereactiveerd: om een ​​extra katalytische werking te hebben, moet het worden vervangen door een ander enzymmolecuul. Als de chimitripsina al in een actieve vorm in de pancreas werd geproduceerd, zou deze de laatste aanvallen: pancreatitis zijn pathologieën als gevolg van spijsverteringsenzymen die al in de pancreas zijn geactiveerd (en niet op de vereiste locaties); sommigen van hen, indien niet op tijd behandeld, leiden tot de dood.

In de chymotrypsine en in alle serineproteasen is de katalytische werking het gevolg van het bestaan ​​van het alkolaatanion (-CH20-) in de zijketen van een serine.

De serineproteasen nemen deze naam juist omdat hun katalytische werking het gevolg is van een serine.

Zodra al het enzym zijn actie heeft uitgevoerd, voordat het opnieuw op het substraat kan werken, moet het met water worden hersteld; de "bevrijding" van serine door water is de langzaamste fase in het proces, en het is deze fase die de snelheid van de katalyse bepaalt.

De katalytische actie vindt plaats in twee fasen:

• anionvorming met katalytische eigenschappen (alkolaatanion) en daaropvolgende nucleofiele aanval op de carbonylkoolstof (C = O) met splitsing van de peptidebinding en estervorming;
• aantasting van het water met terugwinning van de katalysator (in staat om aldus zijn katalytische werking opnieuw uit te oefenen).

De verschillende enzymen die tot de familie van serineproteasen behoren, kunnen uit verschillende aminozuren zijn opgebouwd, maar voor alle wordt de katalytische plaats weergegeven door het alkolaatanion van de zijketen van een serine.

Een subfamilie van serineproteases is die van de enzymen die betrokken zijn bij coagulatie (die bestaat uit de transformatie van eiwit, van hun inactieve vorm naar een andere vorm die actief is). Deze enzymen zorgen ervoor dat de coagulatie zo effectief mogelijk is en beperkt is in ruimte en tijd (coagulatie moet snel gebeuren en moet alleen voorkomen in de buurt van het gewonde gebied). De enzymen die bij de coagulatie zijn betrokken, worden in cascade geactiveerd (van de activering van een enkel enzym worden miljarden enzymen verkregen: elk geactiveerd enzym activeert op zijn beurt vele andere enzymen).

Trombose is een ziekte als gevolg van het slecht functioneren van coagulatie-enzymen: het wordt veroorzaakt door activering, zonder noodzaak (omdat er geen laesie is), van de enzymen die bij de coagulatie worden gebruikt.

Er zijn modulerende enzymen (regulatoren) en remmende enzymen voor andere enzymen: door interactie met deze laatste reguleren of remmen ze hun activiteit; zelfs het product van een enzym kan een remmer zijn voor het enzym. Er zijn ook enzymen die des te meer werken, hoe groter het aanwezige substraat.

lysozym

Luigi Pasteur ontdekte, toevallig, op een petrischaal, dat er in het slijm een ​​enzym is dat bacteriën kan doden: lysozyme ; uit het Grieks: liso = welke bezuinigingen; zimo = enzym.

Lysozyme kan de celwand van bacteriën breken. Bacteriën en, in het algemeen, eencellige organismen, hebben mechanisch resistente structuren nodig die hun vorm beperken; in de bacteriën is er een zeer hoge osmotische druk en daarom trekken ze water aan. Het plasmamembraan zou exploderen als er geen celwand zou zijn die de ingang van water tegen zou gaan en het volume van de bacterie zou beperken.

De celwand bestaat uit een polysaccharideketen waarin N-acetyl-glucosamine (NAG) -moleculen en N-acetyl-muraminezuur (NAM) -moleculen alterneren; de link tussen NAG en NAM wordt afgebroken door hydrolyse. De NAM carboxylgroep in de celwand is betrokken in een peptidebinding met een aminozuur.

Tussen de verschillende ketens worden bruggen gevormd die bestaan ​​uit pseudo-peptidebindingen: de vertakking is het gevolg van het lysine-molecuul; de structuur als geheel is erg vertakt en dit geeft hem een ​​hoge stabiliteit.

Lysozyme is een antibioticum (het doodt bacteriën): het werkt door een scheur in de bacteriële wand aan te brengen; wanneer deze structuur wordt verbroken (wat mechanisch resistent is) trekt de bacterie water aan tot het barst. Lysozyme is in staat om de b-1, 4 glucosidische binding tussen NAM en NAG te verbreken.

De katalytische plaats van het lysozym wordt weergegeven door een groef die langs het enzym loopt waarin de polysaccharideketen wordt ingebracht: zes glucosidische ringen van de ketting vinden hun plaats in de groef.

In positie drie van de groef zit een knelpunt: in deze positie kan slechts één NAG worden geplaatst, omdat de NAM, die groter is, niet kan binnendringen. De feitelijke katalytische locatie bevindt zich tussen de posities vier en vijf: aangezien er een NAG is in positie drie, vindt de snede plaats tussen een NAM en een NAG (en niet omgekeerd); daarom is de snede specifiek.

De optimale pH voor het functioneren van lysozyme is vijf. In de katalytische plaats van het enzym, dat is tussen posities vier en vijf, zijn er de zijketens van een asparaginezuur en een glutaminezuur.

Mate van homologie : meet de relatie (dwz de overeenkomst) tussen eiwitstructuren.

Er is een stringente relatie tussen lysozyme en lactose-synthetase.

Lactosesynthase synthetiseert lactose (wat de belangrijkste suiker in melk is): lactose is een galactosylglucoside waarin er een β-1, 4-glucosideband tussen galactose en glucose is.

Aldus katalyseert lactosesynthetase de reactie tegengesteld aan die welke wordt gekatalyseerd door lysozym (dat in plaats daarvan de P-1, 4-glucosidebinding afbreekt)

Lactosesynthase is een dimeer, dat wil zeggen, het bestaat uit twee eiwitketens, waarvan er één katalytische eigenschappen heeft en vergelijkbaar is met lysozyme en de andere is een regulerende subeenheid.

Tijdens de zwangerschap worden glycoproteïnen gesynthetiseerd uit borstkliercellen door de werking van galatosyl-tranferase (het heeft een homologie van 40% sequentie met lysozym): dit enzym kan een galactosylgroep overbrengen van een structuur met hoge energie. tot een glycoproteïnestructuur. Tijdens de zwangerschap wordt de expressie van het gen dat codeert voor galactose-transferase geïnduceerd (er is ook de expressie van andere genen die ook andere producten geven): er is een toename in de grootte van de borst omdat de borstklier wordt geactiveerd (voorheen niet actief) die melk moet produceren. Tijdens de bevalling wordt α-lactalalbumin geproduceerd dat een regulerend eiwit is: het is in staat om de katalytische capaciteit van galactosyl-transferase te reguleren (vanwege substraatonderscheid). Het galactosyl-transferase gemodificeerd door a-lactalalbumine, is in staat om een ​​galactosyl op een glucosemolecuul over te dragen: het vormen van een P-1, 4 glycosidische binding en het geven van lactose (lactosesynthetase).

Aldus bereidt galactose transferase de borstklier voor aflevering en produceert melk na aflevering.

Om glycoproteïnen te produceren, bindt galactosyltransferase aan een galactosyl en een NAG; tijdens de geboorte bindt lactal albumine aan galactosyltransferase, waardoor de laatste glucose in plaats van NAG herkent om lactose te geven.