Fermenti

Definīcija

Fermenti ir augu un dzīvnieku šūnās ražoti proteīni, kas darbojas kā katalizatori, paātrinot bioloģiskās reakcijas bez izmaiņām.

Fermenti darbojas, apvienojoties ar noteiktu vielu, lai to pārveidotu par citu vielu; klasiskos piemērus sniedz gremošanas enzīmi, kas atrodas siekalās, kuņģī, aizkuņģa dziedzerī un tievajās zarnās, kas veic būtisku gremošanas funkciju un palīdz sadalīt pārtiku pamata sastāvdaļās, kuras pēc tam organisms var absorbēt un izmantot, apstrādājot ar citiem fermentiem vai izdalās kā atkritumi.

Katram fermentam ir īpaša loma: piemēram, tas, kas sadala taukus, neietekmē olbaltumvielas vai ogļhidrātus. Fermenti ir būtiski organisma labsajūtai, pat viena fermenta trūkums var radīt nopietnas problēmas.Labi zināms piemērs ir fenilketonūrija (PKU)-slimība, kurai raksturīga nespēja metabolizēt būtisku aminoskābi fenilalanīnu, kura uzkrāšanās var izraisīt fiziskas deformācijas un garīgas slimības.

Bioķīmiskais pētījums

Fermenti ir īpaši proteīni, kuriem piemīt bioloģiski katalizatori, tas ir, tie spēj sadalīt reakcijas aktivācijas enerģiju (Eatt), mainot tās ceļu tā, lai kinētiski lēns process būtu ātrāks.

Fermenti palielina termodinamiski iespējamo reakciju kinētiku, un atšķirībā no katalizatoriem tie ir vairāk vai mazāk specifiski: tāpēc tiem piemīt substrāta specifika.
Ferments nav iesaistīts reakcijas stehiometrijā: lai tas notiktu, galīgajai katalītiskajai vietai jābūt identiskai sākuma vietai.
Katalītiskajā darbībā gandrīz vienmēr ir lēna fāze, kas nosaka procesa ātrumu.
Kad mēs runājam par fermentiem, nav pareizi runāt par līdzsvara reakcijām, tā vietā mēs runājam par miera stāvoklis (stāvoklis, kurā tiek veidots un nepārtraukti patērēts noteikts metabolīts, laika gaitā saglabājot tā koncentrāciju gandrīz nemainīgu). Reakcijas produkts, ko katalizē viens enzīms, parasti pats par sevi ir reaģents turpmākai reakcijai, ko katalizē cits enzīms utt.
Fermentu katalizētie procesi parasti sastāv no reakciju secībām.
Vispārēju reakciju, ko katalizē ferments (E), var apkopot šādi:

E ir ferments

S ir substrāts;
ES apzīmē aduktu starp fermentu un substrātu;

P ir produkts;
K ir reakcijas ātruma konstante.

Ģenēriskais enzīms (E) apvienojas ar substrātu (S), veidojot adduktu (ES) ar ātruma konstanti K1; tas var atkal sadalīties E + S ar ātruma konstanti K2 vai (ja "dzīvo" pietiekami ilgi) ) var pāriet uz formu P ar ātruma konstanti K3.

Produkts (P) savukārt var rekombinēties ar fermentu un pārveidot adduktu ar ātruma konstanti K4.
Ja fermentu un substrātu sajauc, ir daļa laika, kurā abu sugu tikšanās vēl nav notikusi: tas ir, ir ļoti īss laika intervāls (kas atkarīgs no reakcijas), kurā atrodas ferments un substrāts vēl nav izpildīts; pēc šī perioda ferments un substrāts arvien vairāk nonāk saskarē un veidojas ES addukts. Pēc tam ferments iedarbojas uz substrātu un produkts tiek atbrīvots. Pēc tam var teikt, ka c "ir sākotnējais laika intervāls, kurā nevar noteikt ES addukta koncentrāciju; pēc šī perioda tiek pieņemts, ka līdzsvara stāvoklis ir noteikts, tas ir, to procesu ātrums, kas noved pie addukta iegūšanas, ir vienāds ar to procesu ātrumu, kas noved pie addukta iznīcināšanas.
Mihaēla-Mentena konstante (KM) ir līdzsvara konstante (atsaucas uz pirmo iepriekš aprakstīto līdzsvaru); ar labu tuvinājumu var teikt (jo jāņem vērā arī K3), ka KM attēlo attiecība starp kinētiskajām konstantēm K2 un K1 (attiecas uz addukta ES iznīcināšanu un veidošanos pirmajā aprakstītajā līdzsvarā) .
Izmantojot Mihaela-Mentena konstanti, mums ir "norāde par afinitāti starp fermentu un substrātu: ja KM ir mazs c" ir "augsta afinitāte starp fermentu un substrātu, tad ES addukts ir stabils.

Fermenti ir pakļauti regulēšanai (vai modulācijai).
Agrāk galvenokārt runāja par negatīvu modulāciju, tas ir, fermenta katalītisko spēju kavēšanu, bet var būt arī pozitīva modulācija, tas ir, ir sugas, kas spēj uzlabot fermenta katalītiskās spējas.
Pastāv 4 veidu kavējumi (iegūti no modeļa tuvinājumiem, lai eksperimentālos datus saskaņotu ar matemātiskajiem vienādojumiem):

• konkurences kavēšana
• nekonkurējoša kavēšana
• nekonkurētspējīga kavēšana
• konkurences kavēšana

Mēs runājam par konkurences kavēšanu, kad molekula (inhibitors) spēj konkurēt ar substrātu. Strukturālās līdzības dēļ inhibitors var reaģēt substrāta vietā; līdz ar to terminoloģija "konkurējoša inhibīcija". Varbūtība, ka ferments saistās ar inhibitoru vai substrātu, ir atkarīga no abu koncentrācijas un to saistības ar fermentu; tāpēc reakcijas ātrums ir atkarīgs no šiem faktoriem.
Lai iegūtu tādu pašu reakcijas ātrumu kā bez inhibitora klātbūtnes, ir nepieciešama lielāka substrāta koncentrācija.
Eksperimentāli ir pierādīts, ka inhibitora klātbūtnē Mihaēla-Mentena konstante palielinās.

Tā vietā "nekonkurējošā inhibīcija, mijiedarbība starp molekulu, kurai jādarbojas kā modulatoram (pozitīvs vai negatīvs inhibitors), un" fermentu, notiek vietā, kas atšķiras no mijiedarbības vietas starp fermentu un substrātu; tāpēc mēs runājam par allosterisko modulāciju (no grieķu valodas allosteros → cita vietne).
Ja inhibitors saistās ar fermentu, tas var izraisīt izmaiņas fermenta struktūrā un līdz ar to var samazināt efektivitāti, ar kādu substrāts saistās ar fermentu.
Šāda veida procesā Mihaela-Mentena konstante paliek nemainīga, jo šī vērtība ir atkarīga no līdzsvara starp fermentu un substrātu, un pat inhibitora klātbūtnē šie līdzsvari nemainās.

Nekonkurences kavēšanas parādība ir reta; tipisks nekonkurētspējīgs inhibitors ir viela, kas atgriezeniski saistās ar ES piedevu, izraisot ESI:

Substrāta pārpalikuma kavēšana dažreiz var būt nekonkurētspējīga, jo tas notiek, kad otra substrāta molekula saistās ar ES kompleksu, radot ESS kompleksu.

No otras puses, konkurētspējīgs inhibitors var saistīties tikai ar substrāta enzīmu adduktiem, kā tas bija iepriekšējā gadījumā: substrāta saistīšanās ar brīvo fermentu izraisa konformācijas modifikāciju, kas padara vietu inhibitoram pieejamu.
Michaelis Menten konstante samazinās, palielinoties inhibitora koncentrācijai: acīmredzot tāpēc fermenta afinitāte pret substrātu palielinās.

Serīna proteāze

Tās ir fermentu saime, kurai pieder himotripsīns un tripsīns.
Himotripsīns ir proteolītisks un hidrolītisks enzīms, kas sagriež hidrofobās un aromātiskās aminoskābes pa labi.
Himotripsīnu kodējošā gēna produkts nav aktīvs (tas tiek aktivizēts ar komandu); himotripsīna neaktīvo formu attēlo 245 aminoskābju polipeptīdu ķēde. Himotripsīnam ir lodveida forma piecu disulfīda tiltu un citu nelielu mijiedarbību dēļ (elektrostatiskie, Van der Waals spēki, ūdeņraža saites utt.).
Himotripsīnu ražo aizkuņģa dziedzera himozes šūnas, kur tas atrodas īpašās membrānās un tiek izvadīts caur aizkuņģa dziedzera kanālu zarnās pārtikas sagremošanas laikā: himotripsīns patiesībā ir gremošanas enzīms. Olbaltumvielas un barības vielas, ko mēs uzņemam ar uzturu, tiek sagremotas, lai tās samazinātu līdz mazākām ķēdēm un tiktu absorbētas un pārveidotas enerģijā (piemēram, amilāzes un proteāzes sadala barības vielas glikozē un aminoskābēs, kas caur šūnām sasniedz šūnas. tie sasniedz portāla vēnu un no turienes tiek nogādāti aknās, kur tiek veikta turpmāka ārstēšana).
Fermenti tiek ražoti neaktīvā formā un tiek aktivizēti tikai tad, kad tie sasniedz "vietu, kur tiem jādarbojas"; kad darbība ir pabeigta, tās tiek deaktivizētas. Fermentu, kad tas ir deaktivizēts, nevar atkārtoti aktivizēt: lai tam būtu "turpmāka katalītiskā darbība, tas jāaizstāj ar" citu fermenta molekulu. Ja chimitripsīns tiktu ražots aktīvā formā jau aizkuņģa dziedzerī, tas uzbruktu pēdējai: pankreatīts ir patoloģija gremošanas enzīmu dēļ, kas jau ir aktivizēta aizkuņģa dziedzerī (nevis vajadzīgajās vietās); daži no tiem, ja tie netiek savlaicīgi ārstēti, novest pie nāves.
Himotripsīnā un visās serīna proteāzēs katalītiskā darbība ir saistīta ar spirta anjona (-CH2O-) esamību serīna sānu ķēdē.
Serīna proteāzes iegūst šo nosaukumu tieši tāpēc, ka to katalītiskā darbība ir saistīta ar serīnu.
Kad viss ferments ir veicis savu darbību, pirms tas atkal var darboties uz substrāta, tas ir jāatjauno ar ūdeni; serīna "izdalīšanās" ar ūdeni ir procesa lēnākā stadija, un tā ir šī fāze kas nosaka katalīzes ātrumu.
Katalītiskā darbība notiek divos posmos:

• anjona ar katalītiskām īpašībām veidošanās (anjonu alkoholāts) un sekojošs nukleofīls uzbrukums karbonilogleklim (C = O) ar peptīdu saites šķelšanos un estera veidošanos;
• ūdens uzbrukums ar katalizatora atjaunošanu (spēj atkal iedarbināt savu katalītisko darbību).

Dažādos serīna proteāzes saimes fermentus var veidot dažādas aminoskābes, bet katrai no tām katalītisko vietu attēlo serīna sānu ķēdes spirta anjons.
Serīna proteāžu apakšgrupa ir fermentu, kas iesaistīti koagulācijā (kas sastāv no olbaltumvielu pārveidošanas no neaktīvās formas uz "citu aktīvu formu"). Šie fermenti nodrošina, ka koagulācija ir pēc iespējas efektīvāka un ierobežota telpa un laiks (koagulācijai jānotiek ātri un jānotiek tikai ievainotās vietas tuvumā). Koagulācijā iesaistītie fermenti tiek aktivizēti kaskādē (no viena fermenta aktivācijas tiek iegūti miljardi fermentu: katrs aktivētais enzīms) , savukārt aktivizē daudzus citus fermentus).
Tromboze ir patoloģija koagulācijas enzīmu darbības traucējumu dēļ: to izraisa koagulācijā izmantoto enzīmu aktivizēšana bez nepieciešamības (jo nav traumu).

Ir modulējoši (regulējoši) fermenti un inhibējoši fermenti citiem fermentiem: mijiedarbojoties ar pēdējiem, tie regulē vai kavē to darbību; pat fermenta produkts var būt fermenta inhibitors .. Ir arī fermenti, kas darbojas vairāk, jo lielāks ir substrāts.

Lizocīms

Luidži Pastērs, šķaudīdams uz Petri šķīvja, atklāja, ka gļotās ir ferments, kas spēj iznīcināt baktērijas: lizocīms; no grieķu valodas: liso = kāds izmērs; zimo = ferments.
Lizocīms spēj noārdīt baktēriju šūnu sienas. Baktērijām un vienšūnu organismiem kopumā ir vajadzīgas mehāniski izturīgas struktūras, kas ierobežo to formu; baktēriju iekšienē ir ļoti augsts osmotiskais spiediens, tāpēc tās piesaista ūdeni. Plazmas membrāna eksplodētu, ja nebūtu šūnu sienas, kas pretojas ūdens iekļūšanai un ierobežo baktērijas tilpumu.
Šūnu siena sastāv no polisaharīdu ķēdes, kurā mijas N-acetil-glikozamīna (NAG) molekulas un N-acetil-muramīnskābes (NAM) molekulas; saite starp NAG un NAM tiek pārtraukta hidrolīzes ceļā. NAM karboksilgrupa šūnu sienā ir iesaistīta peptīdu saitē ar aminoskābi.
Starp dažādām ķēdēm veidojas tilti, kas sastāv no pseido-peptīdu saitēm: sazarojums ir saistīts ar lizīna molekulu; struktūra kopumā ir ļoti sazarota, un tas nodrošina tai augstu stabilitāti.
Lizocīms ir antibiotika (iznīcina baktērijas): tas darbojas, veidojot plaisu baktēriju sienā; kad šī struktūra (kas ir mehāniski izturīga) salūst, baktērija velk ūdeni, līdz tā pārplīst. Lizocimam izdodas pārtraukt β-1,4 glikozīdisko saiti starp NAM un NAG.
Lizocīma katalītisko vietu attēlo rieva, kas iet gar fermentu, kurā ir ievietota polisaharīdu ķēde: rievā ievieto sešus ķēdes glikozīdiskos gredzenus.
Rievas c "trešajā pozīcijā ir drosele: šajā pozīcijā var ievietot tikai vienu NAG, jo augstākas dimensijas NAM nevar iekļūt. Faktiskā katalītiskā vieta atrodas starp ceturto un piekto pozīciju: tā kā NAG trešajā pozīcijā griezums notiks starp NAM un NAG (nevis otrādi); tāpēc griezums ir specifisks.
Optimālais pH, lai lizocīms darbotos, ir pieci. Fermenta katalītiskajā vietā, ti, starp ceturto un piekto pozīciju, atrodas asparagīnskābes un glutamīnskābes sānu ķēdes.

Homoloģijas pakāpe: mēra radniecību (ti, līdzību) starp olbaltumvielu struktūrām.

Pastāv cieša saikne starp lizocīmu un laktozes sintāzi.
Laktozes sintetāze sintezē laktozi (kas ir galvenais piena cukurs): laktoze ir galaktozilglikozīds, kurā c "ir β-1,4 glikozīdiskā saite starp galaktozi un glikozi.
Tāpēc laktozes sintetāze katalizē pretēju reakciju tam, ko katalizē lizocīms (kas tā vietā sadala β-1,4 glikozīdisko saiti)
Laktozes sintetāze ir dimērs, tas ir, tas sastāv no divām olbaltumvielu ķēdēm, no kurām vienai ir katalītiskas īpašības un tā ir salīdzināma ar lizocīmu, bet otra ir regulējoša apakšvienība.
Grūtniecības laikā glikoproteīnus sintezē piena dziedzera šūnas, iedarbojoties uz galatosil-transferāzi (tai ir "secības homoloģija 40% ar lizocīmu"): šis enzīms spēj pārnest galaktozilgrupu no augstas enerģijas struktūras uz glikoproteīnu struktūra. Grūtniecības laikā tiek ierosināta gēna ekspresija, kas kodē galaktozoiltransferāzi (ir arī citu gēnu ekspresija, kas dod arī citus produktus): palielinās krūts izmērs, jo tā tiek aktivizēta piena dziedzeris (iepriekš neaktīvs), kam jāražo piens. Dzemdību laikā tiek ražots α-laktalbumīns, kas ir regulējošs proteīns: tas spēj regulēt galaktoziltransferāzes katalītisko spēju (diskriminējot substrātu). Galaktoziltransferāze, kas modificēta ar α-laktalalbumīnu, spēj pārnest galaktozilu uz glikozes molekulas: veidojot β-1,4 glikozīdisko saiti un iegūstot laktozi (laktozes sintetāzi).
Tādējādi galaktozes transferāze sagatavo piena dziedzeru pirms dzemdībām un ražo pienu pēc dzemdībām.
Lai ražotu glikoproteīnus, galaktoziltransferāze saistās ar galaktozilu un NAG; dzemdību laikā laktālais albumīns saistās ar galaktoziltransferāzi, liekot pēdējām atpazīt glikozi un vairs NAG dot laktozi.