Az enzim egy katalitikus tulajdonságú fehérje . Szinte az összes biomolekula, amely képes kémiai reakciókat katalizálni a sejtekben , enzimek; bizonyos katalitikus biomolekulák azonban RNS-ből állnak, és ezért különböznek az enzimektől: ezek ribozimok .
Az enzim egy kémiai reakció aktiváló energiájának csökkentésével működik , ami növeli a reakció sebességét . Az enzim a reakció során nem változik. A kiindulási molekulák az enzim szubsztrátjai , az ezekből képződött molekulák pedig a reakció termékei. Szinte az összes anyagcsere folyamatok a sejtben igényel enzimek végbemenni a sebesség elegendő az élet fenntartásához. Az enzimek több mint 5000 különböző kémiai reakciót katalizálnak. A sejtben található enzimkészlet meghatározza az adott sejtben lehetséges metabolikus útvonalakat . Az enzimek tanulmányozását enzimológiának hívják .
Az enzimek lehetővé teszik a reakciók millióinak gyorsabb előfordulását, mint nélkülük. Szélsőséges példa erre az orotidin-5'-foszfát-dekarboxiláz , amely milliszekundumokban katalizál egy olyan reakciót , amely hiányában több millió évet vesz igénybe. Mint minden katalizátor, az enzimek sem módosulnak az általuk katalizált reakciók során, és nem módosítják a szubsztrátok és a termékek kémiai egyensúlyát . Az enzimek viszont nagyon magas specifitásukkal különböznek a legtöbb más katalizátortól . Ez a sajátosság háromdimenziós szerkezetükből fakad . Ezenkívül az enzim aktivitását számos más molekula modulálja: az enzim inhibitor egy olyan molekula, amely lelassítja az enzim aktivitását, míg ennek az enzimnek az aktivátora felgyorsítja azt; sok gyógyszer és méreg enzim inhibitor. Ezenkívül az enzim aktivitása az optimális hőmérsékleten és pH- n kívül gyorsan csökken . Ezenkívül egy enzimnek az a jellemzője, hogy újrafelhasználható.
Az enzimek általában önmagukban globulárisan működő fehérjék , mint például lizozim , vagy több enzim vagy alegység komplexe , például az a-ketoglutarát- dehidrogenáz komplex . Mint minden fehérje, az enzimek is egy vagy több polipeptidláncból állnak, amelyek hajtogatva a natív állapotuknak megfelelő háromdimenziós struktúrát alkotnak . A szekvenciát a aminosavak az enzim meghatározza az utóbbi szerkezet, amely szerkezet, viszont meghatározza a tulajdonságait katalizátor az enzim. Bár egy enzim szerkezete határozza meg működését, egy új enzim aktivitását még csak annak szerkezetének ismeretében nem lehet megjósolni. Az enzimek szerkezete megváltozik ( denaturálódik ), ha melegítik vagy kémiai denaturálószerekkel érintkeznek, ami általában inaktiválja őket.
Az enzimek sokkal nagyobb molekulák, mint a szubsztrátumok . Méretük változik 62 maradványok a monomer a 4-Oxalocrotonate tautomeráz több mint 2000-maradékok számára zsírsav szintetáz állatot . Az enzimnek csak egy nagyon kis része - általában két és négy maradék között - vesz részt közvetlenül a katalízisben, amelyet katalitikus helynek nevezünk. Ez utóbbi egy vagy több kötési hely közelében helyezkedik el, ahol a szubsztrátok meg vannak kötve és orientálva, hogy lehetővé tegyék a kémiai reakció katalizációját. A katalitikus és a kötődési helyek alkotják az enzim aktív helyét . A fehérje fennmaradó része az aktív hely konfigurációjának fenntartását és az optimális körülmények kialakítását szolgálja a reakció folyamán.
Bizonyos esetekben a katalízis nem az enzim egyik aminosavmaradékát foglalja magában, hanem egy kofaktort, amely ehhez az enzimhez kapcsolódik. Az enzimek szerkezete tartalmazhat egy kötési helyet egy alloszterikus effektorhoz, amely az enzimaktivitást aktiváló vagy gátló konformációs változást okoz .
Az enzimeknek először kötődniük kell szubsztrátjaikhoz, mielőtt bármilyen kémiai reakciót katalizálhatnak . Az enzimek többé-kevésbé specifikusak mind a szubsztrátokhoz, amelyekhez kötődni tudnak, mind a reakciókat, amelyek képesek katalizálni. Ez a specifitás kötődési helyeik konfigurációjából adódik, amelyek komplementer formájú zsebek, valamint elektromos töltések térbeli eloszlása és hidrofil / hidrofób tulajdonságai vannak a szubsztrátéihoz képest. Az enzimek tehát megkülönböztethetik egymástól nagyon hasonló molekulákat, biztosítva azok kemoszelektivitását , regioszelektivitását és sztereospecifitását .
Néhány specifikusabb enzim részt vesz a DNS-replikációban és a génexpresszióban . Ezen enzimek egy része "korrektúra" mechanizmussal rendelkezik: ez a helyzet a DNS-polimerázokkal , amelyek képesek kijavítani replikációs hibáikat - helytelen bázispárokat -, mielőtt továbblépnének a következő nukleotidra . Ez a kétlépcsős eljárás különösen nagy hűséget ér el, kevesebb mint egy hibával az emlősök 100 millió reakciójában . Hasonló mechanizmusok léteznek az RNS-polimerázokban , az aminoacil-tRNS-szintetázokban és a riboszómákban is . Megfordítva , bizonyos enzimek egy vagy több úgynevezett „ gátlástalan ” aktivitást mutatnak , vagyis katalizálhatnak egy sor kapcsolódó reakciót egy sor olyan szubsztráton, amelyeknek különböző fiziológiai vonatkozásai vannak. Sok enzim kisebb katalitikus aktivitással rendelkezik, amelyek véletlenül megjelenhetnek, és kiindulópontot jelenthetnek az új funkciók kiválasztásában az evolúció során .
Zár és kulcs modell (elavult)Az enzimek specifitásának magyarázata érdekében a kémiai reakciók kiválasztásában, amelyeket képesek katalizálni, Emil Fischer német kémikus 1894-ben azt javasolta, hogy az enzim és a reakció szubsztrátja legyen egymást kiegészítő geometriával, amely lehetővé teszi a szubsztrát illeszkedését pontosan az enzimbe. Ezt az ábrázolást gyakran „zár és kulcs modellnek” nevezik. Ez a modell figyelembe veszi az enzimek specifitását, de nem magyarázza el, hogy az enzimek hogyan tudják stabilizálni az átmeneti állapotot a reakciók során.
Ezt a modellt ma már elavultnak tekintik, mert túlságosan leegyszerűsíti a valóságot. Valójában nem lenne lehetséges, hogy az enzimek ugyanolyan konformációjúak legyenek, amikor kapcsolódnak a szubsztrátumukhoz, mint amikor nem kapcsolódnak hozzá.
Indukált beállítási modellDaniel Koshland amerikai biokémikus 1958-ban az úgynevezett indukált fit modellt javasolta a zár és kulcs modell adaptációjaként annak figyelembevételére, hogy az enzimek rugalmas molekulák: ahelyett, hogy elképzelne egy szubsztrátum fészkelését egy merev enzimbe, Koshland úgy vélte a szubsztrát és az enzim közötti kölcsönhatás a kötés kialakulása alatt folyamatosan átalakítja az aktív helyet.
Bizonyos esetekben, például a glikozid-hidrolázok esetében , maga a szubsztrát kissé megváltoztatja az alakját, amikor az enzim aktív helyéhez kötődik.
Az aktív hely addig változtatja a konfigurációt, amíg az aljzat teljesen megkötődik, és csak ezután lehet meghatározni a töltéseloszlást és a végső geometriát.
Az enzimek számos módon felgyorsíthatják a kémiai reakciókat, de mindegyik az aktivációs energia csökkentését vonja maga után - jegyezte meg Ea :
Egy enzim ezen mechanizmusok közül többet is használhat egyszerre. Így a peptidázok , mint például a tripszin , katalitikus triáddal hajtják végre a kovalens katalízist , stabilizálják az elektromos töltések eloszlását átmeneti állapotban oxianion lyuk felhasználásával , és a hidrolízist a víz molekulájának specifikus orientálásával fejezik be .
Az enzimek nem merev, statikus szerkezetek. Éppen ellenkezőleg, a belső mozgások egész halmazának a székhelye, függetlenül attól, hogy ez az egyes aminosavmaradékok, a szekunder struktúra elemét alkotó maradékcsoport vagy akár egy teljes domén fehérje mozgása. Ezek a mozgások olyan struktúrákat eredményeznek, amelyek kissé eltérnek egymástól, és amelyek egyensúlyban vannak egymással örökös interkonverzióban. Az enzim különböző konformációs állapotai társulhatnak például kémiai aktivitásának különböző fázisaihoz. Így a dihidrofolát-reduktáz különböző konformációi társulnak a katalitikus ciklus során, illetve a szubsztráttal való kötődéssel, a katalízissel, a kofaktor felszabadulásával és végül a termék felszabadulásával.
Az alloszterikus szabályozó helyek az aktív helytől elkülönülő kötőhelyek, amelyek kölcsönhatásba léphetnek a sejt környezetében lévő molekulákkal, ebben az esetben úgynevezett alloszterikus effektorok. Ezeknek a molekuláknak a helyhez való kötődése konformációs változást vagy az enzim belső dinamikájának módosulását idézi elő , amelyek megváltoztatják az aktív hely tulajdonságait, és ennek következtében módosítják az enzim reakciósebességét. Ezek a változások aktiválhatják vagy gátolhatják az enzimeket. Az alloszterikus kölcsönhatások a metabolitokkal egy vagy több olyan metabolikus úton , amelyen az enzim részt vesz, visszacsatolási hurkokat okoznak, lehetővé téve az enzim aktivitásának modulálását a metabolitok áramlásának intenzitása szerint.
Egyes enzimeknek nincs szükségük további komponensekre a teljes aktivitáshoz. Másoknak ehelyett kölcsönhatásba kell lépniük a nem fehérje vegyi anyagokkal , az úgynevezett kofaktorokkal , hogy aktívak legyenek. Ezek a kofaktorok lehetnek szervetlen, mint például fém- ionok vagy egy vas-kén klaszter , vagy pedig szerves vegyületek , mint például a flavin vagy hem . A szerves kofaktorok lehetnek koenzimek , amelyek a reakció során felszabadulnak az enzim aktív helyéből , vagy protetikus csoportok , amelyek szorosan kötődnek az enzimhez. Néhány szerves protetikai csoport kovalensen kapcsolódik enzimjéhez , mint például az enzimek, például a piruvát-karboxiláz esetében alkalmazott biotin esetében .
A szénsav-anhidráz egy példa az enzim kofaktor cinkre , amely aktív helyéhez kötődik. Ezek az enzimhez szorosan kapcsolódó ionok vagy molekulák általában az aktív helyen találhatók, és részt vesznek a katalízisben . Tehát flavint vagy hemet gyakran találnak a redoxi reakciók.
Azokat az enzimeket, amelyekből hiányzik az aktívvá tevő kofaktor, apoenzimeknek vagy apoproteineknek nevezzük . A kofaktor (ok) hoz kapcsolódó enzimet holoenzimnek nevezik . Holoenzimeknek nevezzük azokat az enzimatikus komplexeket is, amelyek több alegységből állnak, és amelyeknél az enzimatikus aktivitáshoz szükséges összes alegység jelen van. ezt a kifejezést gyakran használják a DNS-polimerázokra .
A koenzimek olyan kicsi szerves molekulák , amelyek elég lazán, vagy fordítva, nagyon szorosan kapcsolódhatnak az enzimhez. Funkcionális csoportokat vagy maradékokat hordoznak egyik enzimről a másikra. A NAD + , a NADPH és az ATP koenzim. Néhány koenzimek, például riboflavin , tiamin és a folsav olyan vitaminok , vagyis olyan vegyületek, amelyek nem lehet szintetizálni a szervezetben, és úgy kell felszívódik, mint például a táplálkozás során. Között a kémiai csoportok által hordozott koenzimek a hidrid-ion H - által szállított NADH és NADPH, a foszfát- csoportot -OPO 3 2-az ATP, az acetil- COCH 3 csoport szállítjaáltal szállított koenzim-A , aldehid -CHO, metenil -CH = vagy metilcsoport -CH 3 csoportotfolsav vagy S- adenozil-metionin (SAM) által hordozott metilcsoport .
Mivel a koenzimek az enzimek által katalizált kémiai reakciók során módosulnak, hasznos lehet rájuk gondolni, mint olyan szubsztrátokra, amelyeken számos enzimtípus osztozik. Így több mint 1000 enzim ismert, amelyek a NAD + -ot használják koenzimként.
A koenzimek folyamatosan regenerálódnak, és koncentrációjuk állandó szinten marad a sejtben. Például a NADPH-regeneráljuk a pentóz-foszfát-útvonal , és S -adenosylmethionine regeneráljuk metionin adenozil . Ez az állandó regeneráció azt jelenti, hogy kis mennyiségű koenzim nagyon intenzíven használható. Például az emberi test minden nap felhasználja és regenerálja saját súlyát az ATP-ben.
Mint minden katalizátor esetében , az enzimek sem változtatják meg a reakció kémiai egyensúlyi helyzetét . Az enzim jelenléte egyszerűen a reakció felgyorsítását jelenti, amely ugyanabban az irányban zajlik. Tehát a reverzibilis reakciót katalizáló szénsav-anhidráz mindkét irányban hat, a reagensek relatív koncentrációjától függően:
A reakció sebessége függ az aktiválási energiától, amely szükséges ahhoz, hogy a szubsztrátokból elérje az átmeneti állapotot, amely ezután a reakciótermékek képződéséig halad. Az enzimek felgyorsítják a reakció sebességét azáltal, hogy csökkentik az átmeneti állapot aktivációs energiáját. Először alacsony energiájú enzim-szubsztrát (ES) kötés létrehozásával kezdik, majd stabilizálják az átmeneti állapotot (ES ‡ ), hogy kevesebb energiát igényeljen a kialakulásához, és ezt az átmeneti állapotot fejlesztik egy enzim-termék komplex (EP) felé, amely spontán disszociál.
Ezenkívül az enzimek két vagy több reakciót képesek összekapcsolni annak érdekében, hogy egy termodinamikailag hátrányos reakció bekövetkezhessen egy termodinamikailag előnyben részesített reakció alkalmazásával úgy, hogy a két reakció termékének együttes energiája kisebb, mint a szubsztrátjaik együttes energiája. Ez nagyon gyakran előfordul a hidrolízis az ATP , amely általában párosul más kémiai reakciók, különösen katabolizmus ( bioszintézis ).
Az enzimkinetika azt vizsgálja, hogy az enzimek hogyan kötődnek szubsztrátjaikhoz és alakulnak reakciótermékekké. Az enzim kinetikájának mennyiségi meghatározása általában enzimatikus vizsgálatokból származik (in) . 1913-ban a német Leonor Michaelis és a kanadai Maud Menten az enzimatikus kinetika kvantitatív elméletét javasolta, amelyet Michaelis-Menten egyenletnek hívnak . Fő hozzájárulásuk az enzimatikus reakciók két lépésben történő megtervezése volt. Először a szubsztrátok reverzibilisen kötődnek az enzimhez, enzim-szubsztrát komplexet alkotva. Ezután az enzim katalizálja a kémiai reakciót és felszabadítja a reakciótermékeket. Ezeket a műveket aztán a brit George Edward Briggs (in) és John BS Haldane folytatta , aki sodródott a ma is széles körben alkalmazott kinetikai egyenletekben.
Az enzim sebessége az oldat körülményeitől és a szubsztrátok koncentrációjától függ. A maximális mértéke V max egy enzimatikus reakció lehet meghatározni koncentrációjának növelésével [ S ] a szubsztrátok, amíg a képződési sebességét a reakció termékek mutatja plató, ahogy szemben. Ezt a telítettséget azzal magyarázzák, hogy minél jobban növekszik a szubsztrátok koncentrációja, annál jobban kötődik ez a szubsztrát az enzimekhez, így az enzim-szubsztrát komplexek koncentrációja nő és a szabad enzim koncentrációja csökken; a maximális reakciósebesség megfelel annak a helyzetnek, amikor az összes enzim a szubsztrátjaihoz kötődik, így egyetlen szabad enzimnek sem marad kötési helye.
Az enzim maximális V max sebessége mellett az adott reakciósebesség eléréséhez szükséges szubsztrátmennyiség egy másik fontos mennyiség, amely egy enzim aktivitását jellemzi. Ezt a mennyiséget a Michaelis-féle K M állandóval mértük , amely a szubsztrát koncentrációját képviseli, amely szükséges ahhoz, hogy az enzim elérje a V max felét . Mindegyik enzimnek minden egyes szubsztrátumához adott egy adott K m . Az v reakciósebességet az [ S ] szubsztrátkoncentrációnál, amely megfelel a termékkoncentráció [ P ] növekedésének, az alábbi egyenlet adja meg:
.A katalitikus konstans , k k jelöléssel , más néven forgalomszám (TON), az aktív helyenként és másodpercenként termékekké alakított szubsztrátmolekulák számát jelenti. A V max maximális sebességhez és az enzim [ E ] koncentrációjához a V max = k cat [ E ] egyenlet kapcsolja .
Az enzimatikus aktivitást mérjük katals , SI egység által meghatározott 1 Kat = 1 mol s -1 , vagy gyakrabban, a enzimes egységek , által meghatározott 1 U = 1 umol · min -1 : ezek a mennyiségek jelentik a mennyisége szükséges enzim a szubsztrátum egységnyi mennyiségének kezelése időegységben , a méréssel meghatározandó üzemi körülmények között. Ebből levezethető az enzim fajlagos aktivitása, amely az egység tömegegységre eső aktivitását képviseli, például U mg- 1- ben kifejezve .
Az enzim hatékonysága k cat / K M- ben kifejezhető , amely a specifitás állandóját képviseli. Mivel tükrözi mind a szubsztrátok iránti affinitást, mind a katalízis hatékonyságát, hasznos az enzimek egymással való összehasonlításához vagy ugyanazon enzim összehasonlításához a különböző szubsztrátokkal.
A Michaelis-Menten kinetika a tömeghatás törvényén alapszik , amely abból a feltételezésből fakad, hogy az anyag diffúziója szabad, és hogy a részecskék közötti ütközések véletlenszerűek és a termodinamika írja le őket . Számos biokémiai vagy sejtes folyamat azonban jelentősen eltér ettől a körülményektől, mivel a citoszolban nagyon magas kémiai fajok vannak, amelyek korlátozzák mozgásszabadságukat. A Michaelis-Menten kinetikát nemrégiben kiterjesztették, amelyek megpróbálják ezeket a hatásokat figyelembe venni.
Az enzim inhibitor egy olyan kicsi molekula, amely csökkenti az enzim reakciósebességét.
Az enzimgátlás típusait általában a következő kategóriákba sorolják.
Versenyképes gátlásA kompetitív inhibitor az enzimhez úgy kötődhet, hogy megakadályozza annak szubsztrátjait. Gyakran olyan molekula, amely úgy néz ki, mint az egyik szubsztrát, és elfoglalja a helyét az egyik kötési helyen, de anélkül, hogy az enzim képes lenne katalizálni a kémiai reakciót ezzel az inhibitorral. Így, metotrexát , egy rákellenes gyógyszer , egy kompetitív inhibitora dihidrofolát-reduktáz , amely katalizálja a csökkentés dihidrofolát a tetrahidrofolát . Ez a fajta gátlás megkerülhető a szubsztrát nagy koncentrációjával. Ez lehet olyan molekula is, amely az enzim egy másik helyéhez kötődik, és olyan konformációs változásokat indukál, amelyek alloszterikus hatással módosítják a kötési hely tulajdonságait a szubsztráthoz . Következésképpen az enzim szubsztrátjaival szembeni affinitása csökken és Michaelis-állandója K M növekszik, miközben maximális sebessége V max változatlan marad.
Nem kompetitív gátlásEgy nem kompetitív inhibitor a szubsztrátkötő helyektől független helyen kötődik az enzimhez. Ezek tehát változatlan affinitással kötődnek az enzimhez, így a Michaelis-állandó K M változatlan marad. Az inhibitor azonban csökkenti az enzim hatékonyságát, azaz a k cat katalitikus állandóját , és ezért maximális sebességét V max . A kompetitív gátlással ellentétben a nem kompetitív gátlást nem csökkenti a szubsztrát koncentrációjának növelése.
Versenytelen gátlásEgy versenyképtelen inhibitor csak az enzim-szubsztrát komplexhez képes kötődni, önmagában az enzimhez nem. Ez a fajta inhibitor tehát annál hatékonyabb, minél magasabb a szubsztrátok koncentrációja. Az enzim-szubsztrát-inhibitor komplex inaktív és nem képes katalizálni a szubsztrátok termékekké történő átalakulását. Ez a fajta gátlás továbbra is ritka.
Vegyes gátlásA kevert inhibitor az enzim szubsztrátkötő helyétől elkülönülő alloszterikus helyhez kötődik , és ez a két kötődés kölcsönhatásba lép egymással. Az enzim funkcionalitása csökken, de nem távolul el, ha az inhibitorhoz kötődik. Ez a fajta inhibitor nem követi a Michaelis-Menten egyenletet .
Irreverzibilis gátlásEgy irreverzibilis inhibitor, más néven öngyilkos inhibitor, kötődik az enzimhez, hogy tartósan gátolja azt, általában kovalens kötéssel . A penicillin és az aszpirin ily módon hat a transzpeptidázra és a ciklooxigenázokra .
Sok élőlényben az enzim inhibitorok részt vesznek az általános metabolikus visszacsatolási mechanizmus részeként . Ha egy molekula feleslegben termelődik, akkor az enzim inhibitoraként léphet fel, amely bekapcsolja az anyagcsere útját, és előállítja ezt a molekulát. Ennek eredményeként csökken a termelése és fenntartható fiziológiai koncentrációja megfelelő szinten. Ez a negatív visszahúzódás egyik formája. A főbb metabolikus utak, például a Krebs-ciklus, ilyen mechanizmusokat alkalmaznak.
Mivel az inhibitorok modulálják bizonyos enzimek aktivitását, gyakran használják gyógyszerként . Számos gyógyszer reverzibilis kompetitív inhibitor, amely hasonlít ezen enzimek természetes szubsztrátumához. A fent bemutatott metotrexát mellett ilyen kompetitív inhibitorok például a hiperkoleszterinémia kezelésére használt sztatinok , a HMG-CoA reduktáz gátlásával, és a retrovírusfertőzések, például a HIV kezelésére használt proteázinhibitorok . A klasszikus példa a irreverzibilis gátlása aszpirin , amely gátolja ciklooxigenáz COX-1 és COX-2 termelő követei a gyulladás , hogy a prosztaglandinok .
Egyéb enzimgátlók mérgek . Ez a helyzet például, a cianid CN - , amely kötődik a réz és a vas át az aktív hely a citokróm c -oxidáz és blokkolja a sejtlégzést .
Az enzimek számos funkciót látnak el az élőlényekben. Elengedhetetlenek a jelátviteli mechanizmusokhoz és a sejtes folyamatok szabályozásához, gyakran a kinázok és a foszfatázok aktivitása révén . Ők is részt vesz a termelés a mozgások, mint a miozin amelyek hidrolízis az ATP az izom-összehúzódás , és lehetővé teszi a közlekedési molekulák révén sejt hatva citoszkeleton . A ion szivattyúk a sejtmembránok más ATPázok részt vevő aktív transzport transzmembrán. Az enzimek egzotikusabb folyamatokban is részt vesznek, például a biolumineszcenciában, amelyet például a szentjánosbogarakban luciferáz vagy bizonyos baktériumok hoznak létre . A vírusok enzimeket tartalmaznak viszont lehetővé teszi számukra, hogy a sejteket megfertőzni, mint például integráz és reverz transzkriptáz a HIV , vagy kilépési fertőzött sejteket, mint a neuraminidáz a vírus „s influenza .
Enzimek fontos szerepet játszanak a emésztési emberi egység , ahol enzimeket, például amilázt és peptidáz vesz részt lebontó a biopolimerek, mint például a keményítő és a fehérjék a kisebb molekulák , amelyek felszívódik a belekből - rendre maltóz (majd glükózzá ) és savak α-amino példánkban. A szerves makromolekulák valóban túl nagyok ahhoz, hogy közvetlenül felszívódjanak, és éppen a monomerjeik szívódnak fel. Az emésztés kifejezetten lefedi a makromolekulák kis molekulákká történő hasításának folyamatát . Különböző enzimekre van szükség a különböző anyagok emésztéséhez. A kérődzők , amelyek növényevők , mikroorganizmusok a bélben termelnek egy különleges enzim, celluláz , hasítására képes cellulóz a sejtfal a növényi sejtek.
Számos enzim meghatározott sorrendben működhet együtt metabolikus utak kialakításában : ilyen konfigurációban az egyik enzim terméke a következő enzim szubsztrátjává válik . Lehetséges, hogy több enzim párhuzamosan katalizálja ugyanazt a reakciót; ez bonyolultabb szabályozási módokat tesz lehetővé, például egy enzim alacsony aktivitási állandójával, de egy második enzimmel, amely aktiválva magas aktivitási szintet érhet el.
Az enzimek meghatározzák az anyagcsere útjának szakaszait. Enzimek hiányában az anyagcsere nem ugyanazon az úton halad, és nem szabályozható annak érdekében, hogy összhangban legyen a sejt szükségleteivel. Az anyagcsere fő útjainak többségét néhány kulcsfontosságú lépés vezérli, általában olyan enzimekben, amelyekhez az ATP hidrolízise szükséges . Mivel ez a reakció erősen exoterm (vagyis azt jelenti, hogy a magas szabad entalpia változása kíséri ), egy endoterm reakcióhoz kapcsolható (vagyis a negatív szabad entalpia variációjával jár együtt) annak érdekében, hogy termodinamikailag kedvező.
Alapvetően öt módon lehet szabályozni az enzimek aktivitását a sejtekben.
Az enzimeket más molekulák aktiválhatják vagy gátolhatják. A metabolikus útvonal végterméke (i) gyakran gátlói az egyik első enzimnek ezen az úton, általában az első enzimnek, amely egy visszafordíthatatlan lépést katalizál, amely szabályozza a végtermék mennyiségét; ez egy visszacsatolási mechanizmus, mivel a végtermék mennyiségét a termék saját koncentrációja szabályozza. A visszacsatolás lehetővé teszi egy köztes anyagcseretermék- bioszintézis szintjének hatékony igazítását a sejt igényeihez mérten, elkerülve az elveszett molekulák feleslegét és csökkentve a sejtanyagcsere általános hatékonyságát.
A foszforilezés , a mirisztoilezés és a glikozilezés példák a transzláció utáni módosításokra . Így a foszforiláció által indukált inzulin , számos enzim, köztük a glikogén szintáz , lehetővé teszi, hogy ellenőrizzék a anabolizmus és katabolizmus a glikogén , és lehetővé teszi, hogy a sejt alkalmazkodni variációk vércukorszint .
A transzláció utáni módosítás másik példája a polipeptidlánc hasítása . A kimotripszin , egy peptidáz emésztő, a hasnyálmirigyben inaktív formában, kimotripszinogénként termelődik, és ebben a formában szállítódik a gyomorba, ahol aktiválódik. Ennek célja, hogy megakadályozza az aktív kimotripszin emésztését más szövetekben, mielőtt belépne a gyomorba. Az enzim ilyen típusú inaktív prekurzora egy zimogén .
Az enzimtermelést a sejt növelheti vagy csökkentheti, reagálva a környezeti változásokra. A génexpresszió szabályozásának ezt a formáját enzimindukciónak nevezzük. Ilyen például azok a baktériumok, amelyek rezisztenssé válnak az antibiotikumokkal szemben , például a penicillinnel szemben úgynevezett β-laktamázoknak nevezett enzimek indukciójával , amelyek hidrolizálják a β-laktám magot, amely pontosan az ilyen típusú antibiotikumok farmakofora . A citokróm P450 oxidázok az enzimindukció másik példája. Ezek az enzimek fontos szerepet játszanak számos gyógyszer anyagcseréjében , és indukciójuk vagy gátlásuk gyógyszerkölcsönhatásokhoz vezethet .
A sejtekben jelenlévő enzimek mennyisége lebomlásuk révén is módosítható .
Az enzimek intracelluláris eloszlása felosztható, különböző metabolikus utak zajlanak le a különböző sejttérekben . Így, zsírsavak vannak elő egy sor enzim eloszlik a citoszolban , a endoplazmatikus retikulumban és a Golgi-készülék , és lebomlanak , hogy kiadja a kémiai energia β-oxidáció hatására egy másik enzimek található a mitokondriumok . Ezen túlmenően, a különböző rekeszek egy sejt tapasztalat különböző szintű protonálódási (például lizoszómák olyan savas , amikor a citoplazmában semleges), vagy különböző szintű oxidációs (például, a periplazmába több oxidáló , mint a citoplazmában )., Amely szintén modulálja a az abban lévő enzimek aktivitásának szintje.
A többsejtű organizmusok , sejtek különböző szervekben vagy szövetekben mutatják különböző mintákat a génexpresszió , és ezért más-más változatok, úgynevezett izoenzimek , a ugyanazt az enzimek, katalizáló különböző anyagcsere reakciókat. Ez mechanizmust biztosít a szervezet teljes anyagcseréjének szabályozására . Így, hexokináz , az első enzim glikolízis , van egy speciális formája, glükokináz , kifejezve a májban és a hasnyálmirigyben , amelynek affinitása a glükóz alacsonyabb, de amely sokkal érzékenyebb a variációk a glükóz koncentrációt. . Ez lehetővé teszi ennek az enzimnek az inzulintermelés szabályozását a vércukorszint változásai alapján .
Mivel az enzimaktivitás nagyon szoros ellenőrzése elengedhetetlen a szervezet homeosztázisához , egyetlen kritikus enzim bármilyen rendellenessége ( mutáció , túltermelés, alultermelés vagy hiány) genetikai betegségeket okozhat . Egyetlen típusú enzim diszfunkciója az emberi test ezrei között halálos kimenetelű lehet: például a Tay-Sachs betegségéért felelős hexosaminidáz- hiányról van szó .
A fenilketonuria leggyakoribb formája egy másik példa az enzimhiányból eredő betegségre. Sok mutációk nem befolyásoló mindegyik maradékot az aminosav a fenilalanin-hidroxiláz , amelyek katalizálja az első lépést a degradáció a fenilalanin , felhalmozódásához vezet ezen aminosav és a kapcsolódó termékek. Ezen mutációk némelyike befolyásolja az aktív helyet , közvetlenül megváltoztatja a szubsztrátkötést és a katalízist, de sok más mutáció befolyásolja az aktív helytől távol eső maradványokat, és csökkenti az enzimaktivitást azáltal, hogy megváltoztatja az enzim összecsukódását ( harmadlagos szerkezet ) vagy befolyásolja annak oligomerizációját ( kvaterner szerkezet ) . Ez mentális fogyatékossághoz vezethet, ha a betegségről nem gondoskodnak. Az enzimek orális beadása bizonyos funkcionális enzimhiányokat, például hasnyálmirigy exokrin elégtelenséget (en) és laktóz intoleranciát kezelhet .
A betegségek más típusú enzimatikus diszfunkcióból származhatnak, ha ezek befolyásolják a DNS-t helyreállító enzimeket , és a csírasejtekben mutációkat okoznak . Az ilyen enzimatikus hibák nagyobb valószínűséggel okoznak rákot, mert a sejtek ezután érzékenyebbek lesznek genomjuk mutációira . Az ilyen mutációk lassú felhalmozódása rákos megbetegedések megjelenéséhez vezethet . Ilyen örökletes rákos szindrómákra példa a xeroderma pigmentosum , amely a bőrrák kialakulásához vezet, még az ultraibolya fénynek való minimális expozíció eredményeként is .
Egyes enzimeket a vegyiparban és más ipari alkalmazásokban használnak, amikor nagyon specifikus katalizátorokra van szükség. A természetes enzimek azonban meglehetősen korlátozottak azoknak a reakcióknak a szempontjából, amelyeket képesek katalizálni, mivel ezek az élőlények anyagcseréjére jellemző reakciók , és nem általában a vegyiparra; az enzimek aktívak azoknak a szervezeteknek az élettani fizikai-kémiai körülményei között is, amelyekből származnak, amelyek gyakran eltérnek az ipari folyamatok keretében megvalósítottaktól. Következésképpen a fehérjetechnika (in) egy aktív kutatási terület, amelynek célja új, innovatív tulajdonságokkal rendelkező enzimek kifejlesztése, akár racionális tervezéssel, akár in vitro evolúcióval . A századforduló óta így az enzimeket teljesen mesterségesen meg lehet tervezni a természetes úton nem előforduló kémiai reakciók katalizálása céljából.
Az alábbi táblázat összefoglalja néhány általános enzim ipari alkalmazását.
Az első enzimet, a diasztázt , 1833-ban Anselme Payen és Jean-François Persoz izolálta . Kezelés után egy vizes maláta extraktum és etanollal , ezek kicsapjuk egy anyag a hőre érzékeny, és képes hidrolizáló keményítő , innen ered a neve a diasztáz kovácsolt a régi görög ἡ διάστασις jelző hatását cleave. Valójában amiláz volt .
Émile Duclaux (1840-1904) biológus és vegyész a XIX . Század végén azt javasolta, hogy a diasztázisban ugyanazokat a hatóanyagokat nevezzék el a -ase utótaggal .
Néhány évtizeddel később, miközben tanulmányozta a cukor élesztővel történő alkoholos fermentációját , Louis Pasteur arra a következtetésre jutott, hogy az élesztőben található hatóanyag - amelyet ő erjesztésnek nevezett - felelős ezért. Úgy vélte, hogy ez az anyag csak egy élő sejtben aktív. Pasteur azt írta:
„Az alkoholos fermentáció olyan cselekedet, amely összefügg az élesztősejtek életével és szerveződésével, nem pedig a halállal vagy a rothadással; hogy ez sem érintkezési jelenség, olyan eset, amikor a cukor átalakulása anélkül valósulna meg, hogy bármit is elhagynának vagy elvennének belőle. "
1877-ben a német fiziológus, Wilhelm Kühne ( 1837–1900) erre a folyamatra hivatkozva vezette be az enzim kifejezést , az ókori görög ἔνζυμον coν „in” előtagból keletkezett ἔνζυμον és az érdemi ix ζύμη „ kovász ” kifejezésből. Az enzim szó később nem élő hatóanyagokra, például pepszinre vonatkozott , míg a ferment szót az élőlények által termelt kémiai aktivitásra hivatkozva használták.
1883-ban Antoine Béchamp francia biológus és vegyész megjelentette a Les microzymas című művet, amelyben elméletét fogalmazta meg a „ mikrozimek (en) ” fogalmáról, mint minden élő anyag legfőbb alkotórészéről; ez alkalomból a zymase kifejezést használta .
Eduard Buchner német kémikus 1897-ben publikálta az élesztő kivonatok tanulmányozásáról szóló első cikkét. A berlini Humboldt Egyetemen végzett kísérletsorozatban felfedezte, hogy a cukrot élesztő kivonatokkal is fermentálni lehet, még élesztősejtek hiányában sem. , és 1907-ben kémiai Nobel-díjat kapott az élő sejtek nélküli erjedés felfedezéséért. Az erjedésért felelős enzimet zymáznak nevezte , az enzimek nevének felépítését az általuk katalizált folyamatra hivatkozva, amelyhez hozzáadta a -áz utótagot , Émile Duclaux néhány évvel korábbi ajánlásait követve.
Az enzimek biokémiai jellege azonban a XX . Század elején ismeretlen maradt . Sok tudós megfigyelte, hogy az enzimatikus aktivitás a fehérjékhez kapcsolódik , míg mások (köztük Richard Willstätter , a klorofillal végzett munkájáért 1915-ben kémiai Nobel-díjban részesült ) a fehérjéket az enzimatikus aktivitás egyszerű hordozóinak tekintik, mivel önmagukban nem képesek kémiai reakciók katalizálására. 1926-ban James B. Sumner kimutatta, hogy az ureáz pusztán fehérje jellegű enzim, és kikristályosította ; 1937-ben ugyanezt tette katalázzal . John Howard Northrop és Wendell Meredith Stanley pepszinnel (1930), tripszinnel és kimotripszinnel dolgozva fejezték be az enzimek fehérjetermészetének megalapozását . Ez a három kutató megosztotta az 1946-os kémiai Nobel-díjat.
Az a tény, hogy az enzimek kristályosíthatók, lehetővé tette háromdimenziós szerkezetük megállapítását röntgenkristályográfiával . Ezt először a lizozimmal , a könnyekben , a nyálban és a tojásfehérjében található enzimmel tették meg , amely megemésztette bizonyos baktériumok burkolatát : felépítését David Chilton Phillips ( fr ) vezetésével egy csoport oldotta meg, és 1965-ben publikálták. A lizozimszerkezet felbontása megalapozta a strukturális biológia kezdetét és az enzimek atomi léptékű működésének tanulmányozását.
A nómenklatúra bizottság a Nemzetközi Biokémiai és Molekuláris Biológiai ( NC-IUBMB ) fejlesztette ki a EK-nómenklatúra (az enzim Bizottság ), típusa alapján a kémiai reakciók által katalizált . Ez a nómenklatúra négy, pontokkal elválasztott számból áll, amelyek egyetlen szisztematikus névhez kapcsolódnak; például az α-amiláz EC számmal és szisztematikus elnevezéssel 4-a- D- glükán-glükánhidroláz. A szisztematikus elnevezést ritkán használják: általában előnyös felhasználási elnevezések, egy enzimnek több neve is lehet, némelyik néha félreérthető.
Az enzimeket hat fő csoportba sorolják, az általuk katalizált reakció típusától függően:
Csoport | Kódolt | A reakció típusa |
---|---|---|
Oxidoreduktázok | EC 1 | Oxidációs-redukciós reakció |
Transferázok | EC 2 | A funkcionális csoportok átvitele egyik szubsztrátumról a másikra |
Hidrolázok | EC 3 | Hidrolízisek |
Lyases | EC 4 | Különböző kémiai kötések lebontása hidrolízistől vagy oxidációtól eltérő módon |
Izomerázok | EC 5 | Izomerizációk |
Ligázok vagy szintetázok | EC 6 | A nukleozid- trifoszfát (általában ATP ) hidrolíziséhez kapcsolt kovalens kötések képződése |
Az EC-szám egy adott kémiai reakcióra utal , de nem egy adott molekulára : ugyanaz az EC-szám tehát több izoenzimnek felelhet meg , vagyis több olyan fehérjének, amelyek ugyanazt a kémiai reakciót katalizálják, de különböző peptidszekvenciákkal rendelkeznek. példa az összes DNS-polimeráz esetére , amelyek mindegyike osztja az EK- számot - míg ugyanazon enzimnek több EC-száma is lehet, ha az azt alkotó fehérje több, különböző kémiai reakciót katalizáló aktív helyet hordoz - Például egy bifunkcionális enzimről beszélünk amikor ugyanaz a fehérje két kémiai reakciót katalizál, például az uridin-monofoszfát-szintetáz (UMPS), amely egy orotát-foszforibozil-transzferáz alegységet ( EC ) és egy orotidin-5 alegység '-foszfát-dekarboxilázt ( EC ) .
Az enzimek neve leggyakrabban egy vagy több szubsztrátumára utal , néha a katalizált kémiai reakció típusára, és nagyon gyakran az -ase , néha az -in utótaggal .
A laktáz , az alkohol-dehidrogenáz , a DNS-polimeráz , a triozefoszfát-izomeráz , a papain , a pepszin és a tripszin példák az enzimek nevére.
A glükóz-oxidáz tehát katalizáló enzim a oxidációját a glükóz , míg a keményítő szintetáz katalizálja a bioszintézis a keményítő . Számos enzimet, amelyek ugyanazt a kémiai reakciót katalizálják, izoenzimeknek nevezzük .
A peptidázok tekintetében létezik egy kiegészítő osztályozás, amelyet a Sanger Center dolgozott ki , a fehérjeszekvencia alapján . Az enzimeket családokba sorolja, hasonló sav-amino szekvenciákat mutatva . Az első betű a besorolás megfelel az típusú peptidáz: Egy az aszparaginsav-proteázok , S a cisztein-proteázok , stb .
Az enzimek neve szinte az összes női nem; a lizozim és a ribozim kivétel, bár a -zyme utótag az ókori görög ἡ ζύμη (" kovász ") származik, amely a női nem volt.
Az enzim szót eredetileg ( 1897-ben ) a nőnemben használták, például a vegyi társadalom Értesítőjében vagy a Tudományos Akadémián stb.). Larousse szerint nőies vagy néha férfias, valamint vegyületei (például koenzim , ugyanez a francia nyelv kincsének , de a használat azt jelenti, hogy egyre inkább a férfiban használják.) először 1900-ban egy holland francia nyelven írt, majd Bourquelot és Herissey francia kémikusok, majd egyre gyakrabban 1925 és 1940 között. 1957-ben, amikor már a tudományos cikkek alig használtak többet, mint a férfias, a tudományos nyelv akadémikusai A bizottság a témát vizsgálja, és először a nőnemű döntést hozza. De egy petícióban 257 aláíró tiltakozik e választás ellen, éppen ellenkezőleg a férfiasság használatára hivatkozva., Hogy megkérdőjelezze az Akadémia döntését, amely 1968-ban még folytatta a vitát nyelvtani érvek és a hímneműek népszerû tendenciája. Eugène-Humbert Guitard levéltáros és paleográfus szerint (1968-ban) "az i Az angol hatása egyre több tudós teszi és teszi férfivá az enzimet ” .