apibrėžimas
Fermentai yra baltymai, pagaminti augalų ir gyvūnų ląstelėse, kurios veikia kaip katalizatoriai, pagreitindamos biologines reakcijas be modifikavimo.
Fermentai veikia sujungdami su konkrečia medžiaga, kad transformuotųsi į kitą medžiagą; klasikiniai pavyzdžiai pateikiami virškinimo fermentų, esančių seilėse, skrandyje, kasoje ir plonojoje žarnoje, kurie turi esminę funkciją virškinimo procese ir padeda atskirti maisto produktus pagrindinėse sudedamosiose dalyse, kurie gali būti absorbuojami ir naudojami organizme., perdirbami kitų fermentų arba pašalinami kaip atliekos.
Kiekvienas fermentas atlieka konkretų vaidmenį: pvz., Riebalų skilimas neveikia baltymų ar angliavandenių. Fermentai yra labai svarbūs organizmo gerovei. Net vieno fermento trūkumas gali sukelti rimtus sutrikimus. Gana gerai žinomas pavyzdys yra fenilketonurija (PKU), liga, kuriai būdinga nesugebėjimas metabolizuoti esminės aminorūgšties, fenilalanino, kurio kaupimasis gali sukelti fizines deformacijas ir psichines ligas.
Biocheminė analizė
Fermentai yra tam tikri baltymai, kurie yra būdingi biologiniams katalizatoriams, ty jie sugeba suskaidyti reakcijos aktyvinimo energiją (Eatt), modifikuodami jo kelią, kad kinetiškai lėtas procesas, greičiau.
Fermentai padidina termodinamiškai galimų reakcijų kinetiką ir, skirtingai nuo katalizatorių, jie yra daugiau ar mažiau specifiniai: todėl jie turi substrato specifiškumą.
Fermentas nedalyvauja reakcijos stechiometrijoje: norint, kad tai įvyktų, labai svarbu, kad galutinė katalizinė vieta būtų identiška pradinei.
Kataliziniame veiksme beveik visada yra lėtas etapas, kuris lemia proceso greitį.
Kalbant apie fermentus, netikslinga kalbėti apie pusiausvyros reakcijas, o mes kalbame apie pastovią būseną (būklę, kurioje tam tikras metabolitas yra formuojamas ir vartojamas nuolat, išlaikant jo koncentraciją laikui bėgant). Reakcijos, katalizuojamos fermento, produktas, savo ruožtu, paprastai reaguoja tolesnei reakcijai, kurią katalizuoja kitas fermentas ir pan.
Procesai, kuriuos katalizuoja fermentai, paprastai yra reakcijų sekos.
Bendrą reakciją, katalizuotą fermento (E), galima apibendrinti taip:
Bendrasis fermentas (E) su substratu (S) sujungia adduktą (ES) su greičio konstanta K1; ji vėl gali susiskaldyti į E + S, su greičio konstanta K2, arba (jei „gyvena“ pakankamai ilgai), ji gali pereiti prie P formos su greičio konstanta K3.
Produktas (P), savo ruožtu, gali rekombinuotis su fermentu ir reformuoti addukto K4 greičio konstanta.
Kai fermentas ir substratas yra sumaišyti, yra tam tikro laiko, per kurį dviejų rūšių susitikimas dar nebuvo įvykdytas: kitaip tariant, yra labai trumpas laiko intervalas (kuris priklauso nuo reakcijos), kurioje fermentas ir substratas dar nepasiekė; po šio laikotarpio fermentas ir substratas kontaktuojasi palaipsniui didesniu kiekiu ir susidaro adduktas ES. Vėliau fermentas veikia substratą ir produktas išsiskiria. Tada galime pasakyti, kad yra pradinis laiko intervalas, kuriame addukto ES koncentracija negali būti apibrėžta; pasibaigus šiam laikotarpiui, daroma prielaida, kad nustatoma pastovi būsena, ty procesų, dėl kurių gaunamas adduktas, greitis yra lygus procesų, dėl kurių nukenčia adduktas, greičiu.
Michaelis-Menten konstanta (KM) yra pusiausvyros konstanta (nurodyta pirmiau aprašytai pirmajai pusiausvyrai); galima teigti, kad geras apytikslis (nes taip pat reikėtų atsižvelgti į K3), kad KM yra santykis tarp kinetinių konstantų K2 ir K1 (nurodant addukto ES sunaikinimą ir formavimąsi pirmoje pirmiau aprašytoje pusiausvyroje).
Per Michaelis-Menten konstanta mes turime nuorodą apie fermento ir substrato afinitetą: jei KM yra mažas, yra didelis afinitetas tarp fermento ir substrato, todėl adduct ES yra stabilus.
Fermentai yra reguliuojami (arba moduliuojami).
Anksčiau tai buvo daugiausia apie neigiamą moduliavimą, ty katalizinio fermento pajėgumo slopinimą, tačiau taip pat gali būti teigiamas moduliavimas, ty yra rūšių, galinčių padidinti katalizinį fermento gebėjimą.
Yra 4 slopinimo tipai (gaunami iš modelio atliktų apytikslių, kad atitiktų eksperimentinius duomenis su matematinėmis lygtimis):
- konkurencinį slopinimą
- nekonkurencinis slopinimas
- nekompetentingas slopinimas
- konkurencinis slopinimas
Kalbama apie konkurencinį slopinimą, kai molekulė (inhibitorius) gali konkuruoti su substratu. Struktūriniu panašumu inhibitorius gali reaguoti vietoj substrato; tai yra „konkurencinio slopinimo“ terminologija. Tikimybė, kad fermentas jungiasi su inhibitoriumi arba substratu, priklauso nuo abiejų koncentracijos ir jų sąryšio su fermentu; todėl reakcijos greitis priklauso nuo šių veiksnių.
Norint gauti tą patį reakcijos greitį, kuris būtų be inhibitoriaus buvimo, būtina turėti didesnę substrato koncentraciją.
Eksperimentiškai parodyta, kad esant inhibitoriui Michaelis-Menten pastoviai didėja.
Kalbant apie nekonkurencinį slopinimą, molekulės, kuri turėtų veikti kaip moduliatorius (teigiamas arba neigiamas inhibitorius) ir fermento, sąveika vyksta vietoje, kuri skiriasi nuo tos, kurioje sąveika tarp fermento ir substrato; todėl kalbama apie alosterinį moduliavimą (iš graikų allosteros → kitos svetainės).
Jei inhibitorius yra įpareigotas prisijungti prie fermento, jis gali sukelti fermento struktūros modifikaciją ir todėl gali sumažinti efektyvumą, su kuriuo substratas jungiasi su fermentu.
Tokiame procese Michaelis-Menten konstanta išlieka pastovi, nes ši vertė priklauso nuo pusiausvyros tarp fermento ir substrato, ir šie balansai netgi esant inhibitoriui nekeičia.
Neefektyvaus slopinimo reiškinys yra retas; tipiškas nekompetentingas inhibitorius yra medžiaga, kuri grįžtamai jungiasi prie ES addukto, dėl kurio atsiranda ESI:
Slopinimas nuo substrato perteklių kartais gali būti nesuderinamas, nes tai pasireiškia, kai antroji substrato molekulė prisijungia prie ES komplekso, dėl kurio atsiranda ESS kompleksas.
Kita vertus, konkurencinis inhibitorius gali prisijungti tik prie substrato fermento addito, kaip ir ankstesniame atveju: substrato prijungimas prie laisvojo fermento sukelia konformacinį modifikavimą, kuris padaro vietą prieinamą inhibitoriui.
Michaelis Menten konstanta mažėja, didėjant inhibitoriaus koncentracijai, todėl, matyt, padidėja fermento afinitetas substratui.
Serino proteazės
Jie yra fermentų, kuriems priklauso chimotripsinas ir tripolis, šeima.
Chimotripsinas yra proteolitinis ir hidrolizinis fermentas, kuris pjauna į dešinę nuo hidrofobinių ir aromatinių aminorūgščių.
Geno produktas, koduojantis chimotripsiną, nėra aktyvus (aktyvuojamas komandos); neveiklią chimotripsino formą sudaro 245 aminorūgščių polipeptidinė grandinė. Chimotripsinas turi geltoną formą dėl penkių disulfido tiltų ir kitų nedidelių sąveikų (elektrostatinių, Van der Waals jėgų, vandenilio jungtys ir tt).
Chimotripsiną gamina kasos ląstelės, kur jos yra specialiose membranose ir išstumiamos per kasos kanalą žarnyne, maisto virškinimo metu: chimotripsinas iš tikrųjų yra virškinimo fermentas. Baltymai ir maistinės medžiagos, kurias nurijome per mitybą, virškinami, kad juos būtų galima sumažinti iki mažesnių grandinių ir būti absorbuojami ir transformuojami į energiją (pvz., Amilazė ir proteazė padalija maistines medžiagas į gliukozę ir amino rūgštis, kurios pasiekia ląsteles per kraujagysles jie pasiekia portalinę veną ir iš ten jie pervežami į kepenis, kur jie toliau gydomi).
Fermentai gaminami neaktyvios formos ir aktyvuojami tik tada, kai jie pasiekia „vietą, kurioje jie turi veikti“; kai jų veiksmai bus baigti, jie išjungiami. Kai fermentas išjungtas, jis negali būti iš naujo suaktyvintas: norint turėti tolesnį katalizinį poveikį, jis turi būti pakeistas kita fermento molekule. Jei chimitripsinas buvo gaminamas aktyvioje formoje jau kasoje, jis užpultų pastarąją: pankreatitas yra patologijos, atsirandančios dėl virškinimo fermentų, kurie jau yra aktyvūs kasoje (o ne reikiamose vietose); kai kurie iš jų, jei jie nebuvo gydomi laiku, sukelia mirtį.
Chimotripsino ir visų serino proteazių katalizinis aktyvumas priklauso nuo alkoholio anijono (-CH2O) buvimo serino šoninėje grandinėje.
Serino proteazės šį pavadinimą vartoja būtent todėl, kad jų katalizinis poveikis yra dėl serino.
Kai visas fermentas atliks savo veiklą, prieš jį galima vėl panaudoti ant pagrindo, jis turi būti atstatytas vandeniu; serino "išlaisvinimas" vandeniu yra lėtiausias proceso etapas, ir būtent šis etapas lemia katalizės greitį.
Katalizinis poveikis vyksta dviem etapais:
- anijonų susidarymas su katalitinėmis savybėmis (alkoholio anijonas) ir vėlesnis nukleofilinis karbonilo anglies (C = O) ataka su peptido jungties ir esterio susidarymo skilimu;
- vandens ataka, atkuriant katalizatorių (galintis vėl panaudoti katalizinį poveikį).
Įvairūs fermentai, priklausantys serino proteazių šeimai, gali būti sudaryti iš skirtingų aminorūgščių, bet visiems katalitinė vieta yra serino šalutinės grandinės alkoholio anijonas.
Serino proteazių pogrupis yra fermentų, dalyvaujančių koaguliacijoje (kuris susideda iš baltymų transformacijos nuo neveikiančios formos į kitą aktyvią formą). Šie fermentai daro kuo didesnį koaguliavimą ir yra riboti erdvėje ir laike (koaguliacija turi įvykti greitai ir turi būti tik šalia sužeistos zonos). Fermentuose dalyvaujantys fermentai aktyvuojami kaskadu (nuo vieno fermento aktyvinimo gaunami milijardai fermentų: kiekvienas fermentas aktyvuojamas, aktyvuoja daugelį kitų fermentų).
Trombozė yra būklė dėl blogo krešėjimo fermentų veikimo: ją sukelia aktyvinimas, be reikalo (nesant pažeidimo), koaguliacijos metu naudojamų fermentų.
Kitiems fermentams yra moduliuojančių (reguliuojančių) fermentų ir inhibitorių: sąveikauja su šiuo fermentu, jie reguliuoja arba slopina jo aktyvumą; taip pat fermento produktas gali būti fermento inhibitorius. Taip pat yra fermentų, kurie veikia daugiau, tuo didesnis šis substratas.
lizocimas
Luigi Pasteur atsitiktinai atrado čiaudulį petri lėkštelėje, kad gleivėje yra fermentas, galintis nužudyti bakterijas: lizocimas ; iš graikų: liso = that cuts; zimo = fermentas.
Lizocimas gali sugriauti bakterijų ląstelių sienelę. Bakterijoms ir apskritai vienaląsčiams organizmams reikia mechaniškai atsparių struktūrų, kurios riboja jų formą; bakterijose yra labai didelis osmosinis slėgis, todėl jie vadina vandenį. Plazmos membrana sprogtų, jei nebūtų sienos, kuri prieštarautų vandens patekimui ir ribotų bakterijos tūrį.
Ląstelių sienelę sudaro polisacharido grandinė, kurioje pakaitomis yra N-acetil-gliukozamino (NAG) ir N-acetil-muramo rūgšties (NAM) molekulės; ryšys tarp NAG ir NAM pertraukų su hidrolize. NAM karboksilo grupė, esanti ląstelės sienelėje, yra susijusi su peptido ryšiu su aminorūgštimi.
Tarp įvairių grandinių susidaro tiltai, susidedantys iš pseudo peptidinių jungčių: šaknis atsiranda dėl lizino molekulės; visa struktūra yra labai pasipriešinta, ir tai suteikia jam aukštą stabilumo laipsnį.
Lizozimas yra antibiotikas (žudo bakterijas): veikia bakterijų sienelėje; kai ši konstrukcija pertrauka (kuri yra mechaniškai atspari), bakterija traukia vandenį, kol ji sprogsta. Lizocimas sugeba sulaužyti gliukozido b-1, 4 ryšį tarp NAM ir NAG.
Katalizinę lizocimo vietą vaizduoja griovelis, einantis pro fermentą, į kurį įdėta polisacharido grandinė: šeši grandinės gliukozidiniai žiedai suranda jų vietą vagoje.
Trečioje vagono padėtyje yra kliūtis: šioje padėtyje galima įdėti tik vieną NAG, nes NAM, kuris yra didesnis, negali įeiti. Faktinė katalizinė vieta yra tarp keturių ir penkių vietų: trečiojoje vietoje yra NAG, o pjovimas vyks tarp NAM ir NAG (o ne atvirkščiai); todėl pjūvis yra specifinis.
Optimalus lizocimo veikimo pH yra penki. Katalizinėje fermento vietoje, ty tarp keturių ir penkių vietų, yra asparto rūgšties ir glutamo rūgšties šoninės grandinės.
Homologijos laipsnis : matuoja giminingumą (ty panašumą) tarp baltymų struktūrų.
Yra glaudus ryšys tarp lizocimo ir laktozės sintezės.
Laktozės sintetazė sintezuoja laktozę (kuri yra pagrindinis pieno cukrus): laktozė yra galaktozilo gliukozidas, kuriame yra galaktozės ir gliukozės ryšys su β-1, 4 gliukozidiniu ryšiu.
Vadinasi, laktozės sintazė katalizuoja priešingą reakciją į lizozimo katalizuojamą reakciją (kuri, priešingai, suskaido β-1, 4 gliukozidinę jungtį)
Laktozės sintazė yra dimeris, tai yra, jis susideda iš dviejų baltymų grandinių, kurių vienas turi katalizines savybes ir yra panašus į lizocimą, o kitas yra reguliavimo subvienetas.
Nėštumo metu glikoproteinai sintetinami iš pieno liaukos ląstelių galatosiltransferazės (40% sekos homologija su lizocimu): šis fermentas gali perkelti galaktosilo grupę iš didelės energijos struktūros į glikoproteinų struktūrą. Nėštumo metu atsiranda galaktozės transferazę koduojančio geno ekspresija (taip pat yra kitų genų, kurie taip pat duoda kitų produktų, ekspresija): krūties dydis padidėja, nes pieno liauka yra aktyvuota (anksčiau neveikia), kuri turi gaminti pieną. Pristatymo metu gaminamas α-laktalalbuminas, kuris yra reguliuojamasis baltymas: jis gali reguliuoti katalizinį galaktoziltransferazės (substrato diskriminacijos) pajėgumą. Galaktosil-transferazė, modifikuota α-laktalalbuminu, gali perduoti galaktosilą į gliukozės molekulę: sudaro β-1, 4 glikozidinę jungtį ir suteikia laktozės (laktozės sintazės).
Taigi, galaktozės transferazė prieš pristatymą ruošia pieno liauką ir po pristatymo gamina pieną.
Glikoproteinų gamybai galaktoziltransferazė prisijungia prie galaktosilo ir NAG; gimimo metu laktalinis albuminas prisijungia prie galaktoziltransferazės, todėl pastaroji atpažįsta gliukozę ir nebėra NAG, kad gautų laktozę.
