Die Enzyme

Definition

Enzyme sind in pflanzlichen und tierischen Zellen produzierte Proteine, die als Katalysatoren biologische Reaktionen ohne Modifikation beschleunigen.

Enzyme arbeiten, indem sie sich mit einer bestimmten Substanz verbinden, um sie in eine andere Substanz umzuwandeln; klassische Beispiele sind Verdauungsenzyme in Speichel, Magen, Bauchspeicheldrüse und Dünndarm, die eine wesentliche Funktion bei der Verdauung erfüllen und dabei helfen, Nahrung in Grundbestandteile zu zerlegen, die dann vom Körper aufgenommen und verwertet, von anderen Enzymen verarbeitet werden können oder als Abfall ausgeschieden.

Jedes Enzym hat eine spezifische Rolle: Dasjenige, das beispielsweise Fette abbaut, wirkt nicht auf Proteine ​​oder Kohlenhydrate. Enzyme sind für das Wohlbefinden des Organismus unentbehrlich, der Mangel auch nur eines einzigen Enzyms kann ernsthafte Probleme verursachen.Ein bekanntes Beispiel ist die Phenylketonurie (PKU), eine Krankheit, die durch die Unfähigkeit gekennzeichnet ist, eine essentielle Aminosäure, Phenylalanin, zu verstoffwechseln, deren Akkumulation zu körperlichen Missbildungen und psychischen Erkrankungen führen kann.

Biochemische Studie

Enzyme sind besondere Proteine, die die Eigenschaft haben, biologische Katalysatoren zu sein, das heißt, sie haben die Fähigkeit, die Aktivierungsenergie (Eatt) einer Reaktion abzubauen und ihren Weg so zu ändern, dass ein kinetisch langsamer Prozess schneller abläuft.

Enzyme erhöhen die Kinetik thermodynamisch möglicher Reaktionen und sind im Gegensatz zu Katalysatoren mehr oder weniger spezifisch: Sie besitzen daher Substratspezifität.
Das Enzym ist nicht an der Stöchiometrie der Reaktion beteiligt: ​​Dazu muss das letzte katalytische Zentrum mit dem Startzentrum identisch sein.
Bei der katalytischen Wirkung gibt es fast immer eine langsame Phase, die die Geschwindigkeit des Prozesses bestimmt.
Wenn wir von Enzymen sprechen, ist es nicht richtig, von Gleichgewichtsreaktionen zu sprechen, wir sprechen stattdessen von Gleichgewichtszustand (Zustand, in dem ein bestimmter Metabolit kontinuierlich gebildet und verbraucht wird, wobei seine Konzentration im Laufe der Zeit fast konstant bleibt). Das Produkt einer von einem Enzym katalysierten Reaktion ist normalerweise selbst ein Reaktant für eine nachfolgende Reaktion, die von einem anderen Enzym katalysiert wird usw.
Enzymkatalysierte Prozesse bestehen meist aus Reaktionsfolgen.
Eine generische Reaktion, die durch ein Enzym (E) katalysiert wird, kann wie folgt zusammengefasst werden:

E ist das Enzym

S ist das Substrat;
ES stellt das Addukt zwischen Enzym und Substrat dar;

P ist das Produkt;
K ist die Geschwindigkeitskonstante der Reaktion.

Ein generisches Enzym (E) verbindet sich mit dem Substrat (S) zum Addukt (ES) mit einer Geschwindigkeitskonstanten K1; es kann zurück in E + S dissoziieren, mit einer Geschwindigkeitskonstanten K2, oder, (wenn "lebt" lange genug ) kann mit einer Geschwindigkeitskonstanten K3 zu P übergehen.

Das Produkt (P) kann wiederum mit dem Enzym rekombinieren und das Addukt mit der Geschwindigkeitskonstanten K4 zurückbilden.
Beim Mischen von Enzym und Substrat gibt es einen Bruchteil der Zeit, in dem die Begegnung zwischen den beiden Spezies noch nicht stattgefunden hat, d. h. es gibt ein extrem kurzes Zeitintervall (je nach Reaktion), in dem Enzym und Substrat noch nicht erfüllt; nach dieser Zeit kommen Enzym und Substrat in zunehmendem Maße in Kontakt und es entsteht das ES-Addukt. Anschließend wirkt das Enzym auf das Substrat ein und das Produkt wird freigesetzt. Man kann dann sagen, dass c "ein anfängliches Zeitintervall ist, in dem die Konzentration des ES-Addukts nicht definiert werden kann; nach diesem Zeitraum wird angenommen, dass ein stationärer Zustand festgestellt wird, d. h. die Geschwindigkeit der Prozesse, die zum Erhalt des Addukts führen, ist gleich der Geschwindigkeit der Prozesse, die zur Zerstörung des Addukts führen.
Die Michaelis-Menten-Konstante (KM) ist eine Gleichgewichtskonstante (bezogen auf das oben beschriebene erste Gleichgewicht); in guter Näherung (da auch K3 berücksichtigt werden sollte) kann man sagen, dass KM durch das Verhältnis der kinetischen Konstanten K2 und K1 (bezogen auf die Zerstörung und Bildung des Addukts ES im oben beschriebenen ersten Gleichgewicht) dargestellt wird. .
Durch die Michaelis-Menten-Konstante haben wir einen „Hinweis auf die Affinität zwischen Enzym und Substrat: wenn der KM klein ist c“ ist eine „hohe Affinität zwischen Enzym und Substrat, dann ist das ES-Addukt stabil.

Enzyme unterliegen einer Regulierung (oder Modulation).
In der Vergangenheit war hauptsächlich von negativer Modulation, also der Hemmung der katalytischen Fähigkeiten eines Enzyms, die Rede, aber es kann auch eine positive Modulation vorliegen, dh es gibt Spezies, die die katalytischen Fähigkeiten eines Enzyms steigern können.
Es gibt 4 Arten von Hemmungen (erhalten aus Näherungen, die an einem Modell vorgenommen wurden, um experimentelle Daten mit mathematischen Gleichungen abzugleichen):

• Konkurrenzhemmung
• nicht kompetitive Hemmung
• inkompetitive Hemmung
• eine Wettbewerbshemmung

Von kompetitiver Hemmung spricht man, wenn ein Molekül (Inhibitor) mit dem Substrat konkurrieren kann. Bei struktureller Ähnlichkeit kann der Inhibitor anstelle des Substrats reagieren, daher die Terminologie "kompetitive Hemmung". Die Wahrscheinlichkeit, dass das Enzym an den Inhibitor oder das Substrat bindet, hängt von der Konzentration beider und ihrer Affinität zum Enzym ab; die Reaktionsgeschwindigkeit hängt daher von diesen Faktoren ab.
Um die gleiche Reaktionsgeschwindigkeit wie ohne die Anwesenheit des Inhibitors zu erhalten, ist eine höhere Substratkonzentration erforderlich.
Es wird experimentell gezeigt, dass in Gegenwart eines Inhibitors die Michaelis-Menten-Konstante ansteigt.

Was stattdessen die "nicht-kompetitive Hemmung" betrifft, findet die Wechselwirkung zwischen dem Molekül, das als Modulator (positiver oder negativer Inhibitor) fungieren soll, und dem Enzym an einer anderen Stelle statt als die, an der die Wechselwirkung tritt zwischen Enzym und Substrat auf; wir sprechen daher von allosterischer Modulation (aus dem Griechischen allosteros → andere Seite).
Wenn der Inhibitor an das Enzym bindet, kann dies eine Veränderung der Struktur des Enzyms bewirken und folglich die Effizienz, mit der das Substrat an das Enzym bindet, verringern.
Bei dieser Art von Verfahren bleibt die Michaelis-Menten-Konstante konstant, da dieser Wert von den Gleichgewichten zwischen Enzym und Substrat abhängt und sich diese Gleichgewichte auch in Gegenwart eines Inhibitors nicht ändern.

Das Phänomen der inkompetitiven Hemmung ist selten; ein typischer inkompetitiver Inhibitor ist eine Substanz, die reversibel an das ES-Addukt bindet, was zu ESI führt:

Die Hemmung des Substratüberschusses kann manchmal nicht kompetitiv sein, da dies auftritt, wenn ein zweites Substratmolekül an den ES-Komplex bindet, wodurch der ESS-Komplex entsteht.

Ein kompetitiver Inhibitor hingegen kann wie im vorherigen Fall nur an das Substrat-Enzym-Addukt binden: Die Bindung des Substrats an das freie Enzym induziert eine Konformationsänderung, die die Stelle für den Inhibitor zugänglich macht.
Die Michaelis-Menten-Konstante nimmt mit steigender Inhibitorkonzentration ab: offenbar nimmt also die Affinität des Enzyms zum Substrat zu.

Serinprotease

Sie sind eine Familie von Enzymen, zu der Chymotrypsin und Trypsin gehören.
Chymotrypsin ist ein proteolytisches und hydrolytisches Enzym, das rechts von hydrophoben und aromatischen Aminosäuren schneidet.
Das Produkt des Gens, das für Chymotrypsin kodiert, ist nicht aktiv (wird mit einem Befehl aktiviert); die inaktive Form von Chymotrypsin wird durch eine Polypeptidkette von 245 Aminosäuren repräsentiert. Chymotrypsin hat aufgrund von fünf Disulfidbrücken und anderen geringfügigen Wechselwirkungen (elektrostatisch, Van-der-Waals-Kräfte, Wasserstoffbrücken usw.) eine kugelförmige Form.
Chymotrypsin wird von den Chymosezellen der Bauchspeicheldrüse produziert, wo es in speziellen Membranen enthalten ist und zum Zeitpunkt der Verdauung der Nahrung über den Pankreasgang in den Darm ausgeschieden wird: Chymotrypsin ist tatsächlich ein Verdauungsenzym. Die Proteine ​​und Nährstoffe, die wir über die Nahrung aufnehmen, werden einer Verdauung unterzogen, um in kleinere Ketten reduziert und aufgenommen und in Energie umgewandelt zu werden (z sie gelangen in die Pfortader und werden von dort zur Leber transportiert, wo sie einer weiteren Behandlung unterzogen werden).
Enzyme werden in nicht aktiver Form produziert und erst aktiviert, wenn sie den "Ort, an dem sie wirken müssen" erreichen; Sobald ihre Aktion beendet ist, werden sie deaktiviert. Ein einmal deaktiviertes Enzym kann nicht mehr reaktiviert werden: Um eine „weitere katalytische Wirkung zu entfalten, muss es durch“ ein anderes Enzymmolekül ersetzt werden. Wenn Chimitrypsin bereits in der Bauchspeicheldrüse in aktiver Form produziert würde, würde es diese angreifen: Pankreatitis sind Pathologien aufgrund von Verdauungsenzymen, die bereits in der Bauchspeicheldrüse (und nicht an den erforderlichen Stellen) aktiviert werden; einige von ihnen, wenn sie nicht rechtzeitig behandelt werden, zum Tod führen.
In Chymotrypsin und allen Serinproteasen beruht die katalytische Wirkung auf der Existenz des Alkoholanions (-CH2O-) in der Seitenkette eines Serins.
Serinproteasen tragen diesen Namen gerade deshalb, weil ihre katalytische Wirkung auf ein Serin zurückzuführen ist.
Nachdem das gesamte Enzym seine Wirkung vollbracht hat, bevor es wieder auf dem Substrat wirken kann, muss es mit Wasser wiederhergestellt werden; die "Freisetzung" von Serin durch das Wasser ist die langsamste Phase des Prozesses, und es ist diese Phase die die Geschwindigkeit der Katalyse bestimmt.
Die katalytische Wirkung erfolgt in zwei Phasen:

• Bildung des Anions mit katalytischen Eigenschaften (Anionalkoholat) und anschließender nukleophiler Angriff am Carbonylkohlenstoff (C = O) unter Spaltung der Peptidbindung und Bildung des Esters;
• Wasserangriff mit Wiederherstellung des Katalysators (in der Lage, seine katalytische Wirkung wieder auszuüben).

Die verschiedenen Enzyme, die zur Familie der Serinproteasen gehören, können aus verschiedenen Aminosäuren bestehen, aber bei allen wird das katalytische Zentrum durch das alkoholische Anion der Seitenkette eines Serins repräsentiert.
Eine Unterfamilie der Serinproteasen sind die Enzyme, die an der Gerinnung beteiligt sind (die in der Umwandlung von Proteinen von ihrer inaktiven Form in eine "andere aktive Form" besteht). Diese Enzyme sorgen dafür, dass die Gerinnung so effektiv wie möglich ist und in Raum und Zeit (die Gerinnung muss schnell erfolgen und darf nur in der Nähe der verletzten Stelle erfolgen) Die an der Gerinnung beteiligten Enzyme werden in einer Kaskade aktiviert (aus der Aktivierung eines einzelnen Enzyms werden Milliarden von Enzymen gewonnen: jedes aktivierte Enzym , wiederum viele andere Enzyme aktiviert).
Thrombose ist eine Pathologie, die auf die Fehlfunktion von Gerinnungsenzymen zurückzuführen ist: Sie wird durch die Aktivierung der bei der Gerinnung verwendeten Enzyme ohne Notwendigkeit (da keine Verletzung) verursacht.

Es gibt modulatorische (regulatorische) Enzyme und hemmende Enzyme für andere Enzyme: In Wechselwirkung mit letzteren regulieren oder hemmen sie deren Aktivität; sogar das Produkt eines Enzyms kann ein Inhibitor für das Enzym sein.Es gibt auch Enzyme, die umso mehr wirken, je mehr Substrat vorhanden ist.

Lysozym

Luigi Pasteur entdeckte durch Niesen in eine Petrischale, dass sich im Schleim ein Enzym befindet, das Bakterien abtöten kann: Lysozym; aus dem Griechischen: liso = welche Größe; zimo = Enzym.
Lysozym ist in der Lage, die Zellwand von Bakterien abzubauen. Bakterien und einzellige Organismen im Allgemeinen benötigen mechanisch widerstandsfähige Strukturen, die ihre Form einschränken; Im Inneren der Bakterien herrscht ein sehr hoher osmotischer Druck, sodass sie Wasser anziehen. Die Plasmamembran würde explodieren, wenn es keine Zellwand gäbe, die dem Eindringen von Wasser entgegenwirkt und das Volumen des Bakteriums begrenzt.
Die Zellwand besteht aus einer Polysaccharidkette, in der sich Moleküle von N-Acetyl-Glucosamin (NAG) und Moleküle von N-Acetyl-Muramsäure (NAM) abwechseln; die Bindung zwischen NAG und NAM wird durch Hydrolyse aufgebrochen. Die Carboxylgruppe von NAM in der Zellwand ist an einer Peptidbindung mit einer Aminosäure beteiligt.
Zwischen den verschiedenen Ketten bilden sich Brücken aus Pseudo-Peptid-Bindungen: Die Verzweigung ist auf das Lysin-Molekül zurückzuführen; die struktur insgesamt ist sehr verzweigt, was ihr eine hohe stabilität verleiht.
Lysozym ist ein Antibiotikum (tötet Bakterien ab): Es wirkt, indem es einen Riss in der Bakterienwand macht; Wenn diese mechanisch widerstandsfähige Struktur bricht, zieht das Bakterium Wasser an, bis es platzt. Lysozym schafft es, die β-1,4-glucosidische Bindung zwischen NAM und NAG zu brechen.
Das katalytische Zentrum von Lysozym wird durch eine Rille dargestellt, die entlang des Enzyms verläuft, in die die Polysaccharidkette eingefügt ist: In der Rille sind sechs glucosidische Ringe der Kette platziert.
In Position drei der Nut c" befindet sich eine Drossel: In dieser Position kann nur ein NAG platziert werden, da das NAM, das höher dimensioniert ist, nicht eindringen kann. Das eigentliche katalytische Zentrum liegt zwischen Position vier und fünf: da gibt es a NAG auf Position drei findet der Cut zwischen einem NAM und einem NAG statt (und nicht umgekehrt), der Cut ist also spezifisch.
Der optimale pH-Wert für die Wirkung von Lysozym beträgt fünf. Im katalytischen Zentrum des Enzyms, also zwischen Position vier und fünf, befinden sich die Seitenketten einer Asparaginsäure und einer Glutaminsäure.

Homologiegrad: misst die Verwandtschaft (d. h. Ähnlichkeit) zwischen Proteinstrukturen.

Es besteht eine starke Beziehung zwischen Lysozym und Lactose-Synthase.
Lactose-Synthetase synthetisiert Lactose (der Hauptmilchzucker): Lactose ist ein Galactosylglucosid, in dem c " eine β-1,4-glucosidische Bindung zwischen Galactose und Glucose ist.
Daher katalysiert die Lactose-Synthetase die entgegengesetzte Reaktion zu der von Lysozym katalysierten (das stattdessen die β-1,4-glucosidische Bindung spaltet).
Lactose-Synthetase ist ein Dimer, dh sie besteht aus zwei Proteinketten, von denen eine katalytische Eigenschaften besitzt und mit Lysozym vergleichbar ist und die andere eine regulatorische Untereinheit ist.
Während der Schwangerschaft werden Glykoproteine ​​​​von den Zellen der Brustdrüse durch die Wirkung der Galatosyl-Transferase synthetisiert (sie hat eine "Sequenzhomologie von 40% mit Lysozym): Dieses Enzym ist in der Lage, eine Galaktosylgruppe von einer hochenergetischen Struktur auf eine Glykoproteinstruktur Während der Schwangerschaft wird die Expression des Gens induziert, das für die Galactosyl-Transferase kodiert (es gibt auch die Expression anderer Gene, die auch andere Produkte ergeben): es kommt zu einer Vergrößerung der Brust, weil sie aktiviert wird die Milchdrüse (vorher inaktiv), die Milch produzieren muss Während der Geburt wird α-Lactalbumin gebildet, das ein regulatorisches Protein ist: Es kann die katalytische Kapazität der Galactosyl-Transferase regulieren (durch Diskriminierung des Substrats) . Durch α-Lactalalbumin modifizierte Galactosyl-Transferase ist in der Lage, ein Galactosyl auf ein Glucosemolekül zu übertragen: eine β-1,4-glykosidische Bindung zu bilden und Laktose (Lactose-Synthetase) zu ergeben.
Daher bereitet die Galactose-Transferase die Brustdrüse vor der Geburt vor und produziert nach der Geburt Milch.
Um Glykoproteine ​​zu produzieren, bindet Galactosyltransferase an ein Galactosyl und ein NAG; während der Geburt bindet Lactalalbumin an Galactosyltransferase, wodurch letztere Glucose erkennen und kein NAG mehr, um Lactose zu ergeben.