định nghĩa
Enzyme là protein được sản xuất trong tế bào thực vật và động vật, hoạt động như chất xúc tác, tăng tốc các phản ứng sinh học mà không bị biến đổi.
Các enzyme hoạt động bằng cách kết hợp với một chất cụ thể để biến đổi nó thành một chất khác; Các ví dụ cổ điển được đưa ra bởi các enzyme tiêu hóa có trong nước bọt, trong dạ dày, tuyến tụy và ruột non, có chức năng thiết yếu trong tiêu hóa và giúp tách các thực phẩm trong các thành phần cơ bản, sau đó có thể được cơ thể hấp thụ và sử dụng., được xử lý bởi các enzyme khác hoặc bị trục xuất như chất thải.
Mỗi enzyme có một vai trò cụ thể: ví dụ, chất phân hủy chất béo không hoạt động trên protein hoặc carbohydrate. Enzyme rất cần thiết cho sự khỏe mạnh của cơ thể. Sự thiếu hụt, thậm chí của một loại enzyme duy nhất, có thể gây ra các rối loạn nghiêm trọng. Một ví dụ khá nổi tiếng là phenylketon niệu (PKU), một bệnh được đặc trưng bởi không có khả năng chuyển hóa một axit amin thiết yếu, phenylalanine, mà sự tích tụ có thể gây biến dạng thể chất và bệnh tâm thần.
Phân tích sinh hóa
Enzyme là các protein đặc biệt có đặc tính là chất xúc tác sinh học, tức là chúng có khả năng phá vỡ năng lượng kích hoạt (Eatt) của phản ứng, điều chỉnh đường đi của nó để tạo ra quá trình động học chậm, hóa ra nhanh hơn.
Các enzyme làm tăng động học của các phản ứng nhiệt động có thể và, không giống như các chất xúc tác, chúng ít nhiều mang tính đặc hiệu: do đó chúng có tính đặc hiệu cơ chất.
Enzym không liên quan đến tính năng cân bằng hóa học của phản ứng: để điều này xảy ra, điều cần thiết là vị trí xúc tác cuối cùng giống hệt với vị trí ban đầu.
Trong hành động xúc tác hầu như luôn có một pha chậm quyết định tốc độ của quá trình.
Khi nói về enzyme, không đúng khi nói về các phản ứng cân bằng, thay vào đó chúng ta nói về trạng thái ổn định (trạng thái mà một chất chuyển hóa nhất định được hình thành và tiêu thụ liên tục, duy trì nồng độ của nó gần như không đổi theo thời gian). Sản phẩm của một phản ứng được xúc tác bởi một enzyme, lần lượt, thường phản ứng cho một phản ứng tiếp theo, được xúc tác bởi một enzyme khác, v.v.
Các quá trình được xúc tác bởi các enzyme thường được cấu thành bởi các chuỗi phản ứng.
Một phản ứng chung được xúc tác bởi một enzyme (E) có thể được tóm tắt như sau:
Một enzyme chung (E) kết hợp với cơ chất (S) để tạo thành chất phụ gia (ES) với hằng số tốc độ K1; nó một lần nữa có thể phân tách thành E + S, với hằng số tốc độ K2, hoặc, (nếu nó "sống" đủ lâu), nó có thể tiến hành tạo thành P với hằng số tốc độ K3.
Lần lượt, sản phẩm (P) có thể kết hợp lại với enzyme và cải tổ chất phụ gia với hằng số tốc độ K4.
Khi enzyme và cơ chất được trộn lẫn, có một phần thời gian mà cuộc gặp gỡ giữa hai loài chưa xảy ra: nói cách khác, có một khoảng thời gian cực kỳ ngắn (phụ thuộc vào phản ứng) trong đó enzyme và cơ chất chưa được đáp ứng; sau giai đoạn này, enzyme và cơ chất tiếp xúc với số lượng cao hơn và ES bổ sung được hình thành. Sau đó, enzyme tác động lên chất nền và sản phẩm được giải phóng. Sau đó chúng ta có thể nói rằng có một khoảng thời gian ban đầu trong đó không thể xác định được nồng độ của ES bổ sung; sau giai đoạn này, người ta cho rằng một trạng thái ổn định được thiết lập, nghĩa là tốc độ của các quá trình dẫn đến thu được chất phụ gia bằng với tốc độ của các quá trình dẫn đến phá hủy chất phụ gia.
Hằng số Michaelis - Menten (KM) là hằng số cân bằng (được gọi là trạng thái cân bằng đầu tiên được mô tả ở trên); người ta có thể nói, với xấp xỉ tốt (vì cũng nên xem xét K3) rằng KM được biểu thị bằng tỷ lệ giữa các hằng số động học K2 và K1 (đề cập đến sự phá hủy và hình thành ES cộng trong trạng thái cân bằng đầu tiên được mô tả ở trên).
Thông qua hằng số Michaelis-Menten, chúng ta có một dấu hiệu về ái lực giữa enzyme và cơ chất: nếu KM nhỏ thì có ái lực cao giữa enzyme và cơ chất, do đó ES bổ sung ổn định.
Enzyme phải tuân theo quy định (hoặc điều chế).
Trước đây, chủ yếu là về điều chế âm tính, tức là ức chế khả năng xúc tác của enzyme, nhưng cũng có thể có một điều chế tích cực, đó là, có những loài có khả năng tăng cường khả năng xúc tác của enzyme.
Có 4 loại ức chế (thu được từ các xấp xỉ được thực hiện trên một mô hình để khớp dữ liệu thực nghiệm với các phương trình toán học):
- ức chế cạnh tranh
- ức chế không cạnh tranh
- ức chế không đủ năng lực
- ức chế cạnh tranh
Có nói về sự ức chế cạnh tranh khi một phân tử (chất ức chế) có thể cạnh tranh với chất nền. Bằng sự tương tự về cấu trúc, chất ức chế có thể phản ứng thay cho chất nền; đây là nơi thuật ngữ "ức chế cạnh tranh" xuất phát. Xác suất mà enzyme liên kết với chất ức chế hoặc cơ chất phụ thuộc vào nồng độ của cả hai và ái lực của chúng với enzyme; do đó, tốc độ phản ứng phụ thuộc vào các yếu tố này.
Để có được tốc độ phản ứng tương tự mà không có sự hiện diện của chất ức chế, cần phải có nồng độ cơ chất cao hơn.
Nó được chứng minh bằng thực nghiệm rằng, với sự có mặt của chất ức chế, hằng số Michaelis-Menten tăng lên.
Đối với sự ức chế không cạnh tranh, sự tương tác giữa các phân tử nên hoạt động như một bộ điều biến (chất ức chế tích cực hoặc tiêu cực) và enzyme, diễn ra ở một vị trí khác với vị trí trong đó tương tác giữa enzyme và cơ chất; do đó người ta nói về điều chế allosteric (từ allosteros của Hy Lạp → trang web khác).
Nếu chất ức chế liên kết với enzyme, nó có thể gây ra sự thay đổi cấu trúc enzyme và do đó, nó có thể làm giảm hiệu quả mà chất nền liên kết với enzyme.
Trong loại quy trình này, hằng số của Michaelis-Menten không đổi vì giá trị này phụ thuộc vào trạng thái cân bằng giữa enzyme và cơ chất và, những cân bằng này, ngay cả khi có chất ức chế, không thay đổi.
Hiện tượng ức chế không đủ năng lực là rất hiếm; một chất ức chế không hoàn hảo điển hình là một chất liên kết thuận nghịch với chất gây nghiện ES làm phát sinh ESI:
Sự ức chế từ sự dư thừa cơ chất đôi khi có thể thuộc loại không có khả năng, vì điều này biểu hiện khi một phân tử cơ chất thứ hai liên kết với phức hợp ES, tạo ra phức hợp ESS.
Mặt khác, một chất ức chế cạnh tranh chỉ có thể liên kết với chất phụ gia enzyme cơ chất như trong trường hợp trước: sự liên kết của cơ chất với enzyme tự do tạo ra một sự thay đổi về hình dạng làm cho vị trí có thể tiếp cận được với chất ức chế.
Michaelis Menten liên tục giảm khi tăng nồng độ chất ức chế: do đó, rõ ràng, ái lực của enzyme đối với cơ chất tăng lên.
Protin huyết thanh
Chúng là một họ enzyme mà chymotrypsin và trypsin thuộc về.
Chymotrypsin là một enzyme phân giải protein và thủy phân cắt bên phải các axit amin kỵ nước và thơm.
Sản phẩm gen mã hóa cho chymotrypsin không hoạt động (được kích hoạt bằng lệnh); dạng không hoạt động của chymotrypsin được thể hiện bằng chuỗi polypeptide gồm 245 axit amin. Chymotrypsin có hình dạng hình cầu do năm cầu disulfide và các tương tác nhỏ khác (tĩnh điện, lực Van der Waals, liên kết hydro, v.v.).
Chymotrypsin được sản xuất bởi các tế bào của tuyến tụy, nơi nó được chứa trong các màng đặc biệt và bị tống ra ngoài qua ống tụy trong ruột, tại thời điểm tiêu hóa thức ăn: chymotrypsin thực chất là một enzyme tiêu hóa. Các protein và chất dinh dưỡng mà chúng ta ăn vào qua chế độ ăn uống, được tiêu hóa để giảm thành các chuỗi nhỏ hơn và được hấp thụ và chuyển hóa thành năng lượng (ví dụ amylase và protease tách các chất dinh dưỡng thành glucose và axit amin đến các tế bào, thông qua các mạch máu, chúng đến được tĩnh mạch cửa và từ đó chúng được chuyển đến gan nơi chúng trải qua các phương pháp điều trị tiếp theo).
Enzyme được sản xuất ở dạng không hoạt động và chỉ được kích hoạt khi chúng đến "trang web nơi chúng phải hoạt động"; một khi hành động của họ hoàn tất, họ bị vô hiệu hóa. Một enzyme, một khi đã ngừng hoạt động, không thể được kích hoạt lại: để có một hành động xúc tác hơn nữa, nó phải được thay thế bằng một phân tử enzyme khác. Nếu chimitripsin được sản xuất ở dạng hoạt động đã có trong tuyến tụy, nó sẽ tấn công sau: viêm tụy là bệnh lý do các enzyme tiêu hóa đã được kích hoạt trong tuyến tụy (và không phải ở các vị trí cần thiết); một số trong số họ nếu không được điều trị kịp thời, dẫn đến tử vong.
Trong chymotrypsin và trong tất cả các protease serin, hành động xúc tác là do sự tồn tại của anion cồn (-CH2O-) trong chuỗi bên của serine.
Các protease serin lấy tên này chính xác bởi vì hành động xúc tác của chúng là do một serine.
Một khi tất cả các enzyme đã thực hiện hành động của nó, trước khi nó có thể được sử dụng lại trên chất nền, nó phải được phục hồi bằng nước; "giải phóng" serine bằng nước là giai đoạn chậm nhất của quá trình, và chính giai đoạn này quyết định tốc độ xúc tác.
Hành động xúc tác diễn ra theo hai giai đoạn:
- sự hình thành anion với đặc tính xúc tác (một anion rượu) và tấn công carbonyl carbonyl (C = O) tiếp theo với sự phân cắt của liên kết peptide và sự hình thành este;
- tấn công nước với sự phục hồi của chất xúc tác (có thể thực hiện lại hành động xúc tác của nó).
Các enzyme khác nhau thuộc họ protease serin có thể được tạo thành từ các axit amin khác nhau, nhưng đối với tất cả, vị trí xúc tác được đại diện bởi các anion cồn của chuỗi bên của serine.
Một phân họ của protease serin là các enzyme liên quan đến đông máu (bao gồm sự chuyển đổi protein, từ dạng không hoạt động của chúng sang dạng khác đang hoạt động). Các enzyme này làm cho quá trình đông máu có hiệu quả nhất có thể và bị giới hạn về không gian và thời gian (quá trình đông máu phải diễn ra nhanh chóng và chỉ phải xảy ra gần khu vực bị thương). Các enzyme liên quan đến đông máu được kích hoạt bằng thác (từ việc kích hoạt một enzyme duy nhất, thu được hàng tỷ enzyme: mỗi enzyme được kích hoạt, lần lượt kích hoạt nhiều enzyme khác).
Huyết khối là một tình trạng do hoạt động kém của các enzyme đông máu: nó được gây ra bởi sự kích hoạt, không cần thiết (vì không có tổn thương), của các enzyme được sử dụng trong đông máu.
Có các enzyme điều tiết (điều tiết) và enzyme ức chế cho các enzyme khác: tương tác với enzyme này chúng điều chỉnh hoặc ức chế hoạt động của nó; cũng là sản phẩm của một enzyme có thể là chất ức chế enzyme. Ngoài ra còn có các enzyme hoạt động càng nhiều, chất nền hiện tại càng lớn.
lysozyme
Luigi Pasteur đã tình cờ phát hiện ra một đĩa petri, trong chất nhầy có một loại enzyme có thể tiêu diệt vi khuẩn: lysozyme ; từ tiếng Hy Lạp: liso = mà cắt; zimo = enzyme.
Lysozyme có thể phá vỡ thành tế bào của vi khuẩn. Vi khuẩn, và, nói chung, các sinh vật đơn bào, cần các cấu trúc kháng cơ học làm hạn chế hình dạng của chúng; Trong vi khuẩn có áp suất thẩm thấu rất cao do đó chúng gọi là nước. Màng plasma sẽ phát nổ nếu không có thành tế bào chống lại sự xâm nhập của nước và hạn chế thể tích của vi khuẩn.
Thành tế bào bao gồm một chuỗi polysacarit trong đó các phân tử N-acetyl-glucosamine (NAG) và N-acetyl-muramic (NAM) xen kẽ; liên kết giữa NAG và NAM phá vỡ bằng thủy phân. Nhóm carboxyl của NAM, trong thành tế bào, tham gia vào một liên kết peptide với một axit amin.
Trong số các chuỗi khác nhau, cầu được hình thành bao gồm các liên kết peptide giả: sự phân nhánh là do phân tử lysine; cấu trúc nói chung rất phân tán và điều này mang lại cho nó một mức độ ổn định cao.
Lysozyme là một loại kháng sinh (giết chết vi khuẩn): nó hoạt động bằng cách tạo ra một vết nứt trên thành vi khuẩn; khi cấu trúc này bị phá vỡ (có khả năng kháng cơ học), vi khuẩn sẽ hút nước cho đến khi phát nổ. Lysozyme quản lý để phá vỡ liên kết b-1, 4 glucosidic giữa NAM và NAG.
Vị trí xúc tác của lysozyme được thể hiện bằng một đường rãnh chạy dọc theo enzyme trong đó chuỗi polysacarit được chèn vào: sáu vòng glucosidic của chuỗi, tìm vị trí của chúng trong rãnh.
Ở vị trí ba của luống có một nút cổ chai: ở vị trí này chỉ có thể đặt một NAG, vì NAM, lớn hơn, không thể vào được. Vị trí xúc tác thực tế nằm giữa vị trí bốn và năm: có một NAG ở vị trí thứ ba, việc cắt giảm sẽ diễn ra giữa NAM và NAG (chứ không phải ngược lại); do đó, việc cắt là cụ thể.
Độ pH tối ưu cho hoạt động của lysozyme là năm. Trong vị trí xúc tác của enzyme, nghĩa là, giữa vị trí bốn và năm, có các chuỗi bên của axit aspartic và axit glutamic.
Mức độ tương đồng : đo lường mối quan hệ họ hàng (tức là sự tương đồng) giữa các cấu trúc protein.
Có một mối quan hệ nghiêm ngặt giữa lysozyme và lactose-synthase.
Tổng hợp đường sữa là tổng hợp đường sữa (là đường sữa chính): đường sữa là một galactosyl glucoside trong đó có liên kết glucosidic id-1, 4 giữa galactose và glucose.
Do đó, lactose synthase, xúc tác phản ứng ngược lại với xúc tác bởi lysozyme (thay vào đó, phá vỡ liên kết glucosid 1, 4-1, 4)
Lactose synthase là một dimer, nghĩa là, nó bao gồm hai chuỗi protein, một trong số đó có đặc tính xúc tác và có thể so sánh với lysozyme và cái còn lại là một tiểu đơn vị điều tiết.
Khi mang thai, glycoprotein được tổng hợp từ các tế bào của tuyến vú nhờ hoạt động của galatosyltransferase (có tương đồng trình tự 40% với lysozyme): enzyme này có thể chuyển một nhóm galactosyl từ cấu trúc năng lượng cao đến một cấu trúc glycoprotein. Khi mang thai, sự biểu hiện của gen mã hóa galactosisyl transferase được tạo ra (cũng có biểu hiện của các gen khác cũng cung cấp cho các sản phẩm khác): sự gia tăng kích thước của vú xảy ra do tuyến vú được kích hoạt (trước đây không hoạt động) mà phải sản xuất sữa. Trong quá trình giao hàng, α-lactalalbumin được sản xuất, là một loại protein điều tiết: nó có thể điều chỉnh khả năng xúc tác của galactosyltransferase (để phân biệt chất nền). Các galactosyl-transferase được biến đổi bởi α-lactalalbumin, có thể chuyển một galactosyl lên một phân tử glucose: tạo thành một liên kết glycosid id-1, 4 và tạo ra đường sữa (lactose synthase).
Do đó, galactose transferase chuẩn bị tuyến vú trước khi sinh và sản xuất sữa sau khi sinh.
Để sản xuất glycoprotein, galactosyltransferase liên kết với một galactosyl và NAG; trong khi sinh, albumin liên kết với galactosyltransferase, khiến cho chất này nhận ra glucose và không còn NAG để cung cấp đường sữa.
