Информации

Ензими*# - Биологија

Ензими*# - Биологија


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Преглед на делот

Ензимите се биолошки катализатори кои ги забрзуваат хемиските реакции со намалување на енергијата на активирање. Ензимите се врзуваат за супстратите и ги катализираат реакциите на четири различни начини: зближување на супстратите во оптимална ориентација, компромитирање на сврзните структури на супстратите така што врските може полесно да се прекинат, обезбедувајќи оптимални услови на животната средина за да се појави реакција или директно учество во нивните хемиска реакција со формирање на минливи ковалентни врски со подлогите.

Ензимското дејство мора да се регулира така што во дадена клетка во дадено време, саканите реакции да се катализираат, а несаканите реакции не. Ензимите се регулирани со клеточни услови, како што се температурата и pH вредноста. Тие исто така се регулирани преку нивната локација во клетката, понекогаш се делат така што можат да катализираат реакции само под одредени околности. Инхибицијата и активирањето на ензимите преку други молекули се други важни начини на кои ензимите се регулираат. Инхибиторите можат да дејствуваат конкурентно, неконкурентно или алостерично; неконкурентните инхибитори обично се алостерични. Активаторите исто така можат алостерски да ја подобрат функцијата на ензимите. Најчестиот метод со кој клетките ги регулираат ензимите во метаболичките патишта е преку инхибиција на повратни информации. За време на повратната инхибиција, производите на метаболичкиот пат служат како инхибитори (обично алостерични) на еден или повеќе од ензимите (обично првиот посветен ензим на патеката) вклучени во патеката што ги произведува.

Ензими

Супстанца која помага да се случи хемиска реакција е а катализатор, а специјалните молекули кои катализираат биохемиски реакции се нарекуваат ензими. Речиси сите ензими се протеини, составени од синџири на амино киселини и тие ја извршуваат критичната задача да ги намалат енергиите за активирање на хемиските реакции во клетката. Ензимите го прават тоа така што се врзуваат за молекулите на реактантот и ги држат на таков начин што ќе направат процесите на кршење на хемиската врска и формирање на врска полесно да се одвиваат. Важно е да се запамети дека ензимите не го менуваат ∆G на реакцијата. Со други зборови, тие не се менуваат дали реакцијата е егзергонична (спонтана) или енергонска. Тоа е затоа што тие не ја менуваат слободната енергија на реактантите или производите. Тие само ја намалуваат енергијата за активирање потребна за да се достигне преодната состојба.

Слика 1: Ензимите ја намалуваат енергијата на активирање на реакцијата, но не ја менуваат слободната енергија на реакцијата. Овде цврстата линија на графиконот ја покажува потребната енергија за реактантите да се претворат во производи без катализатор. Испрекината линија ја покажува потребната енергија со помош на катализатор. Оваа бројка треба да каже Gibbs Free Energy на Y-оската и наместо да забележува deltaH треба да има deltaG. Атрибуција: Марк Т. Фачиоти (сопствено дело)

Ензимско активно место и специфичност на супстратот

Хемиските реактанти за кои се врзува ензимот се ензимите подлоги. Може да има еден или повеќе супстрати, во зависност од конкретната хемиска реакција. Во некои реакции, супстратот со еден реактант се разложува на повеќе производи. Во други, два супстрати може да се спојат за да создадат една поголема молекула. Два реактанта, исто така, може да влезат во реакција, и двата се модифицираат и ја напуштаат реакцијата како два производи. Локацијата во ензимот каде што се врзува супстратот се нарекува ензим активен сајт. Активната локација е местото каде што се случува „дејството“, така да се каже. Бидејќи ензимите се протеини, постои единствена комбинација на остатоци од аминокиселини (исто така наречени странични синџири или R групи) во рамките на активното место. Секој страничен синџир на аминокиселини се карактеризира со различни својства. Амино киселините може да се класифицираат како големи или мали, слабо кисели или базни, хидрофилни или хидрофобни, позитивно или негативно наелектризирани или неутрални. Уникатната комбинација на амино киселини, нивните позиции, секвенци, структури и својства, создава многу специфична хемиска средина во активното место. Оваа специфична средина е погодна за врзување, иако накратко, за специфичен хемиски супстрат (или супстрати). Поради ова спојување на сложувалка помеѓу ензимот и неговите супстрати (кој се прилагодува за да го најде најдоброто вклопување помеѓу состојбата на транзиција и активното место), ензимите се познати по нивната специфичност. „Најдоброто вклопување“ помеѓу ензимот и неговите супстрати произлегува од нивните соодветни форми и хемиската комплементарност на функционалните групи на секој сврзувачки партнер.

Слика 2: Ова е ензим со два различни супстрати врзани во активното место. Ензимите се претставени како дамки, освен за активното место кое ги прикажува трите R-групи на секоја од трите аминокиселини лоцирани во активното место. Овие R групи се во интеракција со супстратите преку водородни врски (претставени како испрекинати линии)

Во овој момент од часот треба да се запознаете со сите видови врски, како и со хемиските карактеристики на сите функционални групи. На пример, R групата на R180 во ензимот прикажан погоре е амино киселината Аргинин (скратено како R) и има R група која се состои од неколку амино функционални групи. Амино функционалните групи содржат атоми на азот (N) и водород (H). Азотот е повеќе електронегативен од водородот, така што ковалентната врска помеѓу N-H е поларна ковалентна врска. Атомите на водород во оваа врска ќе имаат позитивен диполен момент, а азотниот атом ќе има негативен диполен момент. Ова им овозможува на амино групите да формираат водородни врски со други поларни соединенија. Слично на тоа, карбонилните кислороди на 'рбетот на Валин (V) 81 и Глицин (G) 121, амино водородот на 'рбетот на V81 се прикажани вклучени во водородни врски со супстратот на малата молекула.

Подгответе се за тестот

Погледнете кои атоми на сликата погоре се вклучени во водородните врски помеѓу групите R аминокиселини и подлогата. Ќе треба да можете сами да ги идентификувате, водородните врски може да не се вовлекуваат за вас на тестот.

Ако ја промените pH вредноста на растворот во кој се наоѓа овој ензим, дали ензимот сè уште ќе може да формира водородни врски со супстратот?

Кој супстрат (левиот или десниот) мислите дека е постабилен во активното место? Зошто? Како?

Слика 3: Ова е ензимско активно место. Се цртаат само амино киселините во активното место. Подлогата седи директно во центарот. Извор: Создадено од Marc T. Facciotti (оригинално дело)

Забелешка

Подгответе се за тестот: Прво, идентификувајте го типот на макромолекула на сликата погоре. Второ, нацртајте ги и означете ги соодветните интеракции помеѓу R групите и подлогата. Објаснете како овие интеракции може да се променат ако се промени pH вредноста на растворот.

Структурна нестабилност на ензимите

Фактот дека активните локации се толку добро прилагодени за да обезбедат специфични еколошки услови, исто така, значи дека тие се предмет на влијанија од локалната средина. Вистина е дека зголемувањето на температурата на околината генерално ги зголемува стапките на реакција, ензимски катализирани или на друг начин. Сепак, зголемувањето или намалувањето на температурата надвор од оптималниот опсег може да влијае на хемиските врски во активното место на таков начин што тие се помалку прилагодени за врзување на подлогите. Високите температури на крајот ќе предизвикаат денатурирање на ензимите, како и другите биолошки молекули, процес кој ги менува природните својства на супстанцијата. Исто така, pH вредноста на локалната средина може да влијае и на функцијата на ензимите. Остатоците од аминокиселини на активно место имаат свои кисели или базни својства кои се оптимални за катализа. Овие остатоци се чувствителни на промени во pH што може да го нарушат начинот на врзување на молекулите на подлогата. Ензимите се погодни да функционираат најдобро во одреден опсег на pH и, како и кај температурата, екстремните pH вредности (кисела или основна) на околината може да предизвикаат денатурација на ензимите.

Слика 4: Ензимите имаат оптимална pH вредност. рН на кој ензимот е најактивен ќе биде рН каде што групите на активното место R се протонираат/депротонираат така што супстратот може да влезе во активното место и да започне почетниот чекор во реакцијата. Некои ензими бараат многу ниска pH вредност (кисела) за да бидат целосно активни. Во човечкото тело, овие ензими најверојатно се наоѓаат во долниот дел на желудникот или се наоѓаат во лизозомите (клеточна органела која се користи за варење на големи соединенија во клетката). Извор: http://biowiki.ucdavis.edu/Biochemis..._pH_Inhibition

Процесот каде што ензимите денатурираат обично започнува со одмотување на терциерната структура преку дестабилизација на врските што ја држат терциерната структура заедно. Водородните врски, јонските и ковалентни врски (дисулфидни мостови и пептидни врски) може да се нарушат со големи промени во умерената и pH вредност. Користејќи ја табелата за ензимска активност и температура подолу, направете енергетска приказна за црвениот ензим. Објаснете што може да се случува од температура од 37C до 95C.

Слика 5: Ензимите имаат оптимална температура. Температурата на која ензимот е најактивен обично ќе биде температурата каде што структурата на ензимот е стабилна или некомпромитирана. Некои ензими бараат одредена температура за да останат активни и да не се денатурираат. Извор: http://academic.brooklyn.cuny.edu/bi...ge/enz_act.htm

Индуцирана фит и ензимска функција

Многу години, научниците мислеа дека врзувањето ензим-супстрат се одвива на едноставен начин „заклучување и клуч“. Овој модел тврди дека ензимот и супстратот совршено се вклопуваат заедно во еден моментален чекор. Сепак, сегашните истражувања поддржуваат попрефинет поглед наречен индуцирано вклопување. Моделот со индуцирано вклопување се проширува на моделот за заклучување и клуч со опишување на подинамична интеракција помеѓу ензимот и супстратот. Како што ензимот и супстратот се спојуваат, нивната интеракција предизвикува благо поместување во структурата на ензимот што потврдува попродуктивен сврзувачки аранжман помеѓу ензимот и преодната состојба на супстратот. Ова енергетски поволно врзување ја максимизира способноста на ензимот да ја катализира својата реакција.

Кога ензимот го врзува својот супстрат, се формира комплекс ензим-супстрат. Овој комплекс ја намалува енергијата на активирање на реакцијата и ја промовира нејзината брза прогресија на еден од многуте начини. На основно ниво, ензимите промовираат хемиски реакции кои вклучуваат повеќе од еден супстрат со спојување на супстратите во оптимална ориентација. Соодветниот регион (атоми и врски) на едната молекула е спротиставен на соодветниот регион на другата молекула со која таа мора да реагира. Друг начин на кој ензимите ја промовираат реакцијата на нивните супстрати е преку создавање на енергетски поволна средина во активното место за појава на реакцијата. Одредени хемиски реакции може најдобро да се одвиваат во малку кисела или неполарна средина. Хемиските својства што произлегуваат од конкретното распоредување на амино киселински остатоци во активното место создаваат енергетски поволна средина за специфичните супстрати на ензимите да реагираат.

Енергијата за активирање потребна за многу реакции ја вклучува енергијата вклучена во благо искривување на хемиските врски, така што тие можат полесно да реагираат. Ензимското дејство може да го помогне овој процес. Комплексот ензим-супстрат може да ја намали енергијата на активирање со згрчување на молекулите на подлогата на таков начин што ќе го олесни кршењето на врската. Конечно, ензимите исто така можат да ја намалат енергијата на активирање со учество во самата хемиска реакција. Остатоците од амино киселини можат да обезбедат одредени јони или хемиски групи кои всушност формираат ковалентни врски со молекулите на подлогата како неопходен чекор од процесот на реакција. Во овие случаи, важно е да се запамети дека ензимот секогаш ќе се врати во првобитната состојба по завршувањето на реакцијата. Едно од карактеристичните својства на ензимите е тоа што тие на крајот остануваат непроменети од реакциите што ги катализираат. Откако ензимот ќе заврши со катализирање на реакцијата, тој го ослободува својот производ(и).

Слика 6: Според моделот на индуцирано вклопување, и ензимот и супстратот подлежат на динамични конформациски промени при врзувањето. Ензимот ја искривува супстратот во неговата преодна состојба, а со тоа ја зголемува брзината на реакцијата.

Создавање приказна за енергија за реакцијата погоре

Користејќи ја горната слика, одговорете на прашањата поставени во енергетската приказна.
1. Кои се реактантите? Кои се производите?
2. Каква работа беше постигната со ензимот?
3. Во каква состојба е енергијата првично? Во каква состојба се трансформира енергијата во крајната состојба? Ова сепак може да биде незгодно, но обидете се да идентификувате каде е енергијата во почетната и конечната состојба.

Регулација на ензими

Зошто да ги регулирате ензимите?

Потребите и условите на клетките варираат од клетка до клетка и се менуваат во поединечните клетки со текот на времето. Потребните ензими и енергетски потреби на стомачните клетки се различни од оние на клетките за складирање маснотии, клетките на кожата, крвните клетки и нервните клетки. Понатаму, дигестивната клетка работи многу потешко за да ги процесира и разградува хранливите материи во текот на времето што внимателно го следи оброкот во споредба со многу часови по оброкот. Бидејќи овие клеточни барања и услови варираат, така се разликуваат и потребните количини и функционалноста на различните ензими.

Регулирање на ензимите со молекули

Ензимите може да се регулираат на начини кои ја промовираат или намалуваат нивната активност. Постојат многу различни видови на молекули кои ја инхибираат или промовираат ензимската функција, а постојат различни механизми за тоа. Во некои случаи на ензимска инхибиција, на пример, молекулата на инхибиторот е доволно слична на супстратот што може да се врзе за активното место и едноставно да го блокира врзувањето на супстратот. Кога тоа ќе се случи, ензимот се инхибира преку конкурентна инхибиција, бидејќи инхибиторната молекула се натпреварува со супстратот за врзување на активното место. Од друга страна, во неконкурентна инхибиција, инхибиторната молекула се врзува за ензимот на локација различна од алостерична локација и сепак успева да го блокира врзувањето на супстратот за активното место.

Слика 7: Конкурентната и неконкурентната инхибиција различно влијаат на брзината на реакцијата. Конкурентните инхибитори влијаат на почетната стапка, но не влијаат на максималната стапка, додека неконкурентните инхибитори влијаат на максималната стапка.

Некои инхибиторни молекули се врзуваат за ензимите на локација каде што нивното врзување индуцира конформациска промена што го намалува афинитетот на ензимот за неговиот супстрат. Овој тип на инхибиција се нарекува алостерична инхибиција. Повеќето алостерски регулирани ензими се составени од повеќе од еден полипептид, што значи дека тие имаат повеќе од една протеинска подединица. Кога алостеричен инхибитор се врзува за ензим, сите активни места на протеинските подединици малку се менуваат така што тие ги врзуваат нивните супстрати со помала ефикасност. Постојат алостерични активатори, како и инхибитори. Алостеричните активатори се врзуваат за локации на ензимот подалеку од активното место, предизвикувајќи конформациска промена што го зголемува афинитетот на активните места на ензимот за неговиот супстрат(и).

Слика 8: Алостеричните инхибитори го модифицираат активното место на ензимот така што врзувањето на супстратот е намалено или спречено. Спротивно на тоа, алостеричните активатори го модифицираат активното место на ензимот така што афинитетот за супстратот се зголемува.

Видео линк

Проверете го ова кратко (1 минута) видео за конкурентна наспроти неконкурентна ензимска инхибиција. Исто така, погледнете го ова видео (1,2 минути) за инхибиција на повратни информации.

Многу ензими не работат оптимално, па дури и воопшто, освен ако не се врзани за други специфични непротеински помошни молекули, или привремено преку јонски или водородни врски или трајно преку посилни ковалентни врски. Два вида помошни молекули се кофактори и коензими. Врзувањето за овие молекули промовира оптимална конформација и функција за нивните соодветни ензими. Кофакторите се неоргански јони како што е железото (Fe2+) и магнезиум (Mg2+). Еден пример на ензим кој бара метален јон како кофактор е ензимот кој гради молекули на ДНК, ДНК полимераза, која бара врзан цинк јон (Zn2+) да функционира. Коензимите се органски помошни молекули, со основна атомска структура составена од јаглерод и водород, кои се потребни за ензимско дејство. Најчести извори на коензими се диететските витамини. Некои витамини се прекурсори на коензимите, а други делуваат директно како коензими. Витаминот Ц е коензим за повеќе ензими кои учествуваат во градењето на важната компонента на сврзното ткиво, колагенот. Важен чекор во разградувањето на гликозата за да се добие енергија е катализата со мулти-ензимски комплекс наречен пируват дехидрогеназа. Пируват дехидрогеназата е комплекс од неколку ензими за кои всушност е потребен еден кофактор (јон на магнезиум) и пет различни органски коензими за да ја катализира својата специфична хемиска реакција. Затоа, функцијата на ензимот делумно е регулирана со изобилство на различни кофактори и коензими, кои се обезбедуваат првенствено од исхраната на повеќето организми.
Ензимска компартментизација

Во еукариотските клетки, молекулите како што се ензимите обично се делат во различни органели. Ова овозможува уште едно ниво на регулација на ензимската активност. Ензимите потребни само за одредени клеточни процеси може да се сместат одделно заедно со нивните супстрати, што овозможува поефикасни хемиски реакции. Примери за овој вид на ензимска регулација врз основа на локацијата и близината ги вклучуваат ензимите вклучени во последните фази на клеточното дишење, кои се одвиваат исклучиво во митохондриите, и ензимите вклучени во варењето на клеточните остатоци и туѓите материјали, лоцирани во лизозомите.
Дополнителни врски
Кан академија

Следните врски ќе ве одведат до серија видеа за кинетика. Првата врска содржи 4 видеа за стапката на реакција, а втората врска содржи 9 видеа поврзани со односот помеѓу стапката на реакција и концентрацијата. Овие видеа се дополнителни и се обезбедени за да ви дадат надворешен ресурс за понатамошно истражување на кинетиката на ензимите.

Вовед во кинетиката на ензимите
Механизам на реакција

UCD Chemwiki

Алостерична регулација


Ензимско активно место и специфичност на супстратот

Хемиските реактанти за кои се врзува ензимот се супстрати на ензимот. Може да има еден или повеќе супстрати, во зависност од конкретната хемиска реакција. Во некои реакции, супстратот со еден реактант се разложува на повеќе производи. Во други, два супстрати може да се спојат за да создадат една поголема молекула. Два реактанта, исто така, може да влезат во реакција, и двата се модифицираат и ја напуштаат реакцијата како два производи. Локацијата во ензимот каде што се врзува супстратот се нарекува активно место на ензимот. Активната локација е местото каде што се случува „дејството“, така да се каже. Бидејќи ензимите се протеини, постои единствена комбинација на остатоци од аминокиселини (исто така наречени странични синџири или R групи) во рамките на активното место. Секој остаток се карактеризира со различни својства. Остатоците можат да бидат големи или мали, слабо кисели или базни, хидрофилни или хидрофобни, позитивно или негативно наелектризирани или неутрални. Уникатната комбинација на остатоци од аминокиселини, нивните позиции, секвенци, структури и својства, создава многу специфична хемиска средина во активното место. Оваа специфична средина е погодна за врзување, иако накратко, за специфичен хемиски супстрат (или супстрати). Поради ова спојување на сложувалка помеѓу ензимот и неговите супстрати (кој се прилагодува за да го најде најдоброто вклопување помеѓу состојбата на транзиција и активното место), ензимите се познати по нивната специфичност. „Најдоброто вклопување“ произлегува од обликот и привлечноста на функционалната група на аминокиселините кон подлогата. Постои специфично усогласен ензим за секој супстрат и, според тоа, за секоја хемиска реакција, сепак, постои и флексибилност.

Фактот што активните локации се толку совршено прилагодени за да обезбедат специфични еколошки услови, исто така, значи дека тие се предмет на влијанија од локалната средина. Вистина е дека зголемувањето на температурата на околината генерално ги зголемува стапките на реакција, ензимски катализирани или на друг начин. Сепак, зголемувањето или намалувањето на температурата надвор од оптималниот опсег може да влијае на хемиските врски во активното место на таков начин што тие се помалку прилагодени за врзување на подлогите. Високите температури на крајот ќе предизвикаат денатурирање на ензимите, како и другите биолошки молекули, процес кој ги менува природните својства на супстанцијата. Исто така, pH вредноста на локалната средина може да влијае и на функцијата на ензимот. Остатоците од аминокиселини на активно место имаат свои кисели или базни својства кои се оптимални за катализа. Овие остатоци се чувствителни на промени во pH што може да го нарушат начинот на врзување на молекулите на подлогата. Ензимите се погодни да функционираат најдобро во одреден опсег на pH и, како и кај температурата, екстремните pH вредности (кисела или основна) на околината може да предизвикаат денатурација на ензимите.


Слајдшоу

Водород пероксид е токсичен производ на многу хемиски реакции што се случуваат кај живите суштества. Иако се произведува во мали количини, живите суштества мора да го детоксифицираат ова соединение и да го разградат водородниот пероксид во вода и кислород, две нештетни молекули. Органелата одговорна за уништување на водород пероксид е пероксизомот кој го користи ензимот каталаза. И растенијата и животните имаат пероксизоми со каталаза. Примерокот за каталаза за денешната лабораторија ќе биде од компир.


Што се микробите?

Микробите се живи едноклеточни организми како што се габите и бактериите. Микробите се најефикасните произведувачи на ензими. Овие природни фабрики за ензими се во срцето на нашиот бизнис и можат да се користат во различни земјоделски и индустриски процеси.

Микробите им даваат на земјоделците нов биолошки прибор за зголемување на приносот и заштита на посевите. Тие исто така можат да го подобрат здравјето на добитокот, растот и искористувањето на добиточната храна. Нашите клиенти за третман на отпадни води и биогас ги користат за подобрување на ефикасноста и како помагала за обработка.


Протеинска активност и клеточен метаболизам

Протеините имаат клучна улога во различни биолошки активности. Дознајте како протеините можат да дејствуваат како ензими, кофактори или регулатори. Во ова упатство, ќе ги знаете и вообичаените метаболички патишта на биомолекулите, како што се гликозата и другите јаглени хидрати, мастите, протеините и амино киселините и основните хранливи материи.

Метаболизам на растенијата

Растенијата се одговорни за неверојатни подвизи на молекуларна трансформација. Процесите на растенијата, како што се фотосинтеза, фотофосфорилација, хемиозмоза, реакции на фиксирање на јаглерод, дишење, се претставени во ова упатство.

Генетски информации и синтеза на протеини

Гените се изразуваат преку процесот на синтеза на протеини. Овој детален туторијал обезбедува длабински преглед на различните чекори на биолошкото производство на протеини, почнувајќи од генот до процесот на секреција. Вклучени се и теми за репликација на ДНК за време на интерфазата на клеточниот циклус, механизмите за мутација и поправка на ДНК, генски базен, модификација и болести.

Генска акција &# 8211 хипотеза за оперон

Научете како начинот на кој гените го контролираат и одредуваат секој аспект од телото. Оваа лекција користи лак оперон како пример. ..

Одбрана на растителни клетки

Растенијата се заштитуваат со ослободување на водород пероксид за да се борат против габичната инвазија. Друг начин е со лачење соединенија, како што се лигнин, етилен, жолчки и танини. Дознајте како овие механизми ги штитат растенијата од патогени.

Варење и апсорпција на храната

Гастроинтестиналниот систем ги разложува честичките од внесената храна во молекуларни форми преку ензими преку варење, а потоа се пренесува во внатрешната средина со апсорпција. Дознајте повеќе за овие процеси што ги спроведува гастроинтестиналниот систем преку ова упатство.


Содржини

До крајот на 17 и почетокот на 18 век, варењето на месото со стомачни секрети [7] и конверзијата на скроб во шеќери со растителни екстракти и плунка беа познати, но механизмите со кои тие се случија не беа идентификувани. [8]

Францускиот хемичар Анселм Пајен бил првиот што открил ензим, дијастаза, во 1833 година. [9] Неколку децении подоцна, кога ја проучувал ферментацијата на шеќер во алкохол од квасец, Луј Пастер заклучил дека оваа ферментација била предизвикана од витална сила содржана во клетките на квасецот наречени „ферменти“, за кои се сметаше дека функционираат само во живите организми. Тој напишал дека „алкохолната ферментација е чин поврзан со животот и организацијата на клетките на квасецот, а не со смртта или распаѓањето на клетките“. [10]

Во 1877 година, германскиот физиолог Вилхелм Кине (1837-1900) прв го употребил терминот ензим, што доаѓа од грчкиот ἔνζυμον, „квасец“ или „во квасец“, за да го опише овој процес. [11] Зборот ензим подоцна се користеше за да се однесува на неживи супстанции како што се пепсин и зборот ферментира се користеше за да се однесува на хемиската активност произведена од живите организми. [12]

Едуард Бухнер го поднесе својот прв труд за проучување на екстракти од квасец во 1897 година. Во серија експерименти на Универзитетот во Берлин, тој откри дека шеќерот се ферментира со екстракти од квасец дури и кога нема живи клетки од квасец во смесата. [13] Тој го нарекол ензимот што ја предизвикал ферментацијата на сахарозата „зимаза“. [14] Во 1907 година ја добил Нобеловата награда за хемија за „неговото откритие за ферментација без клетки“. По примерот на Бухнер, ензимите обично се именуваат според реакцијата што ја спроведуваат: суфиксот -аза се комбинира со името на супстратот (на пр., лактазата е ензимот што ја расцепува лактозата) или со типот на реакцијата (на пр., ДНК полимеразата формира ДНК полимери). [15]

Биохемискиот идентитет на ензимите сè уште беше непознат во раните 1900-ти. Многу научници забележале дека ензимската активност е поврзана со протеините, но други (како што е нобеловецот Ричард Вилштатер) тврделе дека протеините се само носители на вистинските ензими и дека протеините само по себе не биле способни за катализирање. [16] Во 1926 година, Џејмс Б. Самнер покажа дека ензимот уреаза е чист протеин и го кристализираше истото за ензимот каталаза во 1937 година. Стенли, кој работел на дигестивните ензими пепсин (1930), трипсин и химотрипсин. Овие тројца научници ја добија Нобеловата награда за хемија во 1946 година. [17]

Откритието дека ензимите може да се кристализираат на крајот овозможи нивните структури да се решат со кристалографија со рендген. Ова за прв пат беше направено за лизозимот, ензим пронајден во солзите, плунката и белките од јајцето кој ја вари обвивката на некои бактерии. структурата беше решена од група предводена од Дејвид Чилтон Филипс и објавена во 1965 година. [18] Оваа структура со висока резолуција на лизозимот го означи почетокот на полето на структурната биологија и напорите да се разбере како ензимите работат на атомско ниво на детали. [19]

Ензимите може да се класифицираат според два главни критериуми: или сличност на аминокиселинската секвенца (а со тоа и еволутивна врска) или ензимска активност.

Ензимска активност. Името на ензимот често се добива од неговиот супстрат или хемиската реакција што ја катализира, а зборот завршува на -аза. [1] : 8.1.3 Примери се лактаза, алкохол дехидрогеназа и ДНК полимераза. Различни ензими кои катализираат иста хемиска реакција се нарекуваат изозими. [1] : 10.3

Меѓународната унија за биохемија и молекуларна биологија развила номенклатура за ензими, EC броеви (за „Ензимска комисија“). Секој ензим е опишан со „EC“ проследен со низа од четири броеви кои ја претставуваат хиерархијата на ензимската активност (од многу општа до многу специфична). Односно, првиот број нашироко го класифицира ензимот врз основа на неговиот механизам додека другите цифри додаваат сè поголема специфичност. [20]

Класификацијата на највисоко ниво е:

  • EC 1, Оксидоредуктази: катализираат реакции на оксидација/редукција
  • EC 2, Трансферази: пренос на функционална група (на пр. метил или фосфатна група)
  • EC 3, Хидролази: ја катализираат хидролизата на различни врски
  • EC 4, лијази: расцепуваат различни врски со други средства освен хидролиза и оксидација
  • EC 5, изомерази: ги катализираат промените на изомеризација во рамките на една молекула
  • EC 6, лигази: спојување на две молекули со ковалентни врски.

Овие делови се поделени со други карактеристики како што се подлогата, производите и хемискиот механизам. Ензимот е целосно специфициран со четири нумерички ознаки. На пример, хексокиназата (EC 2.7.1.1) е трансфераза (EC 2) која додава фосфатна група (EC 2.7) на хексозен шеќер, молекула која содржи група на алкохол (EC 2.7.1). [21]

Сличност на низата. Категориите на ЕК прават не ја одразуваат сличноста на низата. На пример, две лигази со ист EC број што катализираат точно иста реакција може да имаат сосема различни секвенци. Независно од нивната функција, ензимите, како и сите други протеини, се класифицирани според нивната секвенца сличност во бројни семејства. Овие семејства се документирани во десетици различни бази на податоци за семејството на протеини и протеини, како што е Pfam. [22]

Ензимите се генерално глобуларни протеини, кои дејствуваат сами или во поголеми комплекси. Редоследот на амино киселините ја одредува структурата која пак ја одредува каталитичката активност на ензимот. [23] Иако структурата ја одредува функцијата, нова ензимска активност сè уште не може да се предвиди само од структурата. [24] Ензимските структури се расплетуваат (денатурираат) кога се загреваат или се изложени на хемиски денатуранти и ова нарушување на структурата обично предизвикува губење на активноста. [25] Денатурацијата на ензимот е нормално поврзана со температури над нормалното ниво на видот, како резултат на тоа, ензимите од бактерии кои живеат во вулкански средини како што се топли извори се ценети од индустриските корисници поради нивната способност да функционираат на високи температури, овозможувајќи ензимски катализирани реакции да се оперира со многу висока стапка.

Ензимите обично се многу поголеми од нивните супстрати. Големините се движат од само 62 остатоци од аминокиселини, за мономерот на 4-оксалокротонат таутомераза, [26] до над 2.500 остатоци во синтаза на животинска масна киселина. [27] Само мал дел од нивната структура (околу 2-4 аминокиселини) е директно вклучен во катализата: каталитичкото место. [28] Оваа каталитичка локација се наоѓа веднаш до една или повеќе места за врзување каде што остатоците ги ориентираат подлогите. Каталитичкото место и местото на врзување заедно го сочинуваат активното место на ензимот. Останатото мнозинство од ензимската структура служи за одржување на прецизната ориентација и динамика на активното место. [29]

Во некои ензими, амино киселините не се директно вклучени во катализата наместо тоа, ензимот содржи места за врзување и ориентирање на каталитичките кофактори. [29] Ензимските структури може да содржат и алостерични места каде што врзувањето на мала молекула предизвикува конформациска промена која ја зголемува или намалува активноста. [30]

Постојат мал број биолошки катализатори базирани на РНК наречени рибозими, кои повторно можат да дејствуваат сами или во комплекс со протеините. Најчестиот од нив е рибозомот кој е комплекс од протеини и каталитичка РНК компоненти. [1] : 2.2

Врзување на подлогата

Ензимите мора да ги врзат нивните супстрати пред да можат да катализираат каква било хемиска реакција. Ензимите обично се многу специфични за тоа кои супстрати ги врзуваат и потоа се катализира хемиската реакција. Специфичноста се постигнува со врзување џебови со комплементарна форма, полнење и хидрофилни/хидрофобни карактеристики за подлогите. Затоа, ензимите можат да разликуваат многу слични молекули на супстрат кои се хемоселективни, региоселективни и стереоспецифични. [31]

Некои од ензимите кои покажуваат најголема специфичност и точност се вклучени во копирањето и изразувањето на геномот. Некои од овие ензими имаат механизми за „доказ за читање“. Овде, ензим како што е ДНК полимеразата катализира реакција во првиот чекор, а потоа проверува дали производот е точен во вториот чекор. [32] Овој процес во два чекора резултира со просечна стапка на грешка помала од 1 грешка во 100 милиони реакции кај полимеразите од цицачи со висока верност. [1] : 5.3.1 Слични механизми за лекторирање се наоѓаат и во РНК полимеразата, [33] аминоацил tRNA синтетазите [34] и рибозомите. [35]

Спротивно на тоа, некои ензими покажуваат промискуитет на ензимот, имаат широка специфичност и дејствуваат на низа различни физиолошки релевантни супстрати. Многу ензими поседуваат мали споредни активности кои настанале случајно (т.е. неутрално), што може да биде почетна точка за еволутивен избор на нова функција. [36] [37]

Модел „заклучување и клуч“.

За да се објасни набљудуваната специфичност на ензимите, во 1894 година, Емил Фишер предложил дека и ензимот и супстратот поседуваат специфични комплементарни геометриски форми кои точно се вклопуваат еден во друг. [38] Ова често се нарекува модел „заклучување и клуч“. [1] : 8.3.2 Овој ран модел ја објаснува ензимската специфичност, но не успева да ја објасни стабилизацијата на преодната состојба што ја постигнуваат ензимите. [39]

Модел со индуцирано вклопување

Во 1958 година, Даниел Кошланд предложи модификација на моделот на бравата и клучот: бидејќи ензимите се прилично флексибилни структури, активното место постојано се преобликува со интеракции со супстратот додека супстратот комуницира со ензимот. [40] Како резултат на тоа, супстратот не се врзува едноставно за круто активно место, аминокиселинските странични синџири кои го сочинуваат активното место се обликуваат во прецизни позиции што му овозможуваат на ензимот да ја извршува својата каталитичка функција. Во некои случаи, како што се гликозидазите, молекулата на подлогата исто така малку ја менува формата додека влегува во активното место. [41] Активното место продолжува да се менува додека подлогата целосно не се врзе, во тој момент се одредува конечната форма и распределбата на полнежот. [42] Индуцираното вклопување може да ја подобри веродостојноста на молекуларното препознавање во присуство на конкуренција и бучава преку механизмот за конформациско лекторирање. [43]

Катализа

Ензимите можат да ги забрзаат реакциите на неколку начини, од кои сите ја намалуваат енергијата на активирање (ΔG ‡ , слободна енергија на Гибс) [44]

  1. Со стабилизирање на преодната состојба:
    • Создавање средина со дистрибуција на полнеж комплементарна на онаа во транзициската состојба за да се намали нејзината енергија [45]
  2. Со обезбедување на алтернативен пат за реакција:
    • Привремено реагира со подлогата, формирајќи ковалентен посредник за да обезбеди пониска енергетска транзициона состојба [46]
  3. Со дестабилизирање на основната состојба на подлогата:
    • Искривување на врзаната подлога(и) во форма на нивната преодна состојба за да се намали енергијата потребна за да се достигне преодната состојба [47]
    • Со ориентирање на супстратите во продуктивен распоред за да се намали промената на ентропијата на реакцијата [48] (придонесот на овој механизам за катализа е релативно мал) [49]

Ензимите можат да користат неколку од овие механизми истовремено. На пример, протеазите како трипсин вршат ковалентна катализа користејќи каталитичка тријада, го стабилизираат натрупувањето на полнежот на преодните состојби со помош на оксинионска дупка, комплетна хидролиза користејќи ориентирана водна подлога. [50]

Динамика

Ензимите не се ригидни, статични структури, наместо тоа, имаат сложени внатрешни динамички движења - односно движења на делови од структурата на ензимот како што се поединечни амино киселински остатоци, групи на остатоци што формираат протеинска јамка или единица на секундарна структура, па дури и цел протеин. домен. Овие движења предизвикуваат конформациски ансамбл од малку различни структури кои меѓусебно се конвертираат една со друга при рамнотежа. Различни состојби во овој ансамбл може да бидат поврзани со различни аспекти на функцијата на ензимот. На пример, различни конформации на ензимот дихидрофолат редуктаза се поврзани со чекорите за врзување на подлогата, катализа, ослободување на кофактор и ослободување на производот од каталитичкиот циклус, [51] во согласност со теоријата на каталитичка резонанца.

Презентација на подлогата

Презентацијата на супстратот е процес каде што ензимот се издвојува од неговиот супстрат. Ензимите може да се заглават во плазматската мембрана подалеку од супстратот во јадрото или цитозолот. Или во мембраната, ензимот може да се одвои во липидни сплавови подалеку од неговиот супстрат во нарушениот регион. Кога ензимот ќе се ослободи, тој се меша со неговиот супстрат. Алтернативно, ензимот може да се одвои во близина на неговиот супстрат за да го активира ензимот. На пример, ензимот може да биде растворлив и по активирањето да се врзе за липидот во плазматската мембрана и потоа да делува на молекулите во плазматската мембрана.

Алостерична модулација

Алостеричните места се џебови на ензимот, различни од активното место, кои се врзуваат за молекулите во клеточната средина. Овие молекули потоа предизвикуваат промена во конформацијата или динамиката на ензимот кој се трансдуцира до активното место и на тој начин влијае на брзината на реакција на ензимот. [52] На овој начин, алостеричните интеракции можат или да ги инхибираат или активираат ензимите. Алостеричните интеракции со метаболитите возводно или низводно во метаболичкиот пат на ензимот предизвикуваат повратна регулација, менувајќи ја активноста на ензимот според флуксот низ остатокот од патеката. [53]

На некои ензими не им се потребни дополнителни компоненти за да покажат целосна активност. Други бараат непротеински молекули наречени кофактори да бидат врзани за активност. [54] Кофакторите можат да бидат или неоргански (на пр., метални јони и кластери на железо-сулфур) или органски соединенија (на пример, флавин и хем). Овие кофактори служат за многу цели, на пример, металните јони можат да помогнат во стабилизирањето на нуклеофилните видови во активното место. [55] Органските кофактори можат да бидат или коензими, кои се ослободуваат од активното место на ензимот за време на реакцијата, или протетски групи, кои се цврсто врзани за некој ензим. Органските протетски групи можат да бидат ковалентно врзани (на пр., биотин во ензими како што е пируват карбоксилаза). [56]

Пример за ензим кој содржи кофактор е јаглеродната анхидраза, која користи цинк кофактор врзан како дел од неговото активно место. [57] Овие цврсто врзани јони или молекули обично се наоѓаат во активното место и се вклучени во катализата. [1] : 8.1.1 На пример, флавин и хем кофактори често се вклучени во редокс реакции. [1] : 17

Ензимите за кои е потребен кофактор, но немаат едно врзување се нарекуваат апоензими или апопротеини. Ензим заедно со кофактор(ите) потребни за активност се нарекува а холоензим (или халоензим). Терминот холоензим може да се примени и на ензими кои содржат повеќе протеински подединици, како што се ДНК полимеразите овде, холоензимот е целосниот комплекс кој ги содржи сите подединици потребни за активност. [1] : 8.1.1

Коензими

Коензимите се мали органски молекули кои можат да бидат лабаво или цврсто врзани за некој ензим. Коензимите транспортираат хемиски групи од еден ензим до друг. [58] Примерите вклучуваат NADH, NADPH и аденозин трифосфат (ATP). Некои коензими, како што се флавин мононуклеотид (FMN), флавин аденин динуклеотид (FAD), тиамин пирофосфат (TPP) и тетрахидрофолат (THF), се добиени од витамини. Овие коензими не можат да се синтетизираат од телото де ново и тесно поврзани соединенија (витамини) мора да се добијат од исхраната. Пренесените хемиски групи вклучуваат:

  • хидридниот јон (H − ), носен од NAD или NADP +
  • фосфатната група, носена од аденозин трифосфат
  • ацетил групата, носена од коензимот А
  • формил, метенил или метил групи, носени од фолна киселина и
  • метил групата, носена од S-аденозилметионин[58]

Бидејќи коензимите хемиски се менуваат како последица на ензимското дејство, корисно е да се сметаат коензимите како посебна класа на супстрати или втори супстрати, кои се заеднички за многу различни ензими. На пример, познато е дека околу 1000 ензими го користат коензимот NADH. [59]

Коензимите обично постојано се регенерираат и нивните концентрации се одржуваат на стабилно ниво во внатрешноста на клетката. На пример, NADPH се регенерира преку патеката на пентоза фосфат и С-аденозилметионин од метионин аденозилтрансфераза. Оваа континуирана регенерација значи дека мали количини на коензими може да се користат многу интензивно. На пример, човечкото тело ја претвора сопствената тежина во АТП секој ден. [60]

Како и кај сите катализатори, ензимите не ја менуваат позицијата на хемиската рамнотежа на реакцијата. Во присуство на ензим, реакцијата се одвива во иста насока како и без ензимот, само побрзо. [1] : 8.2.3 На пример, јаглеродната анхидраза ја катализира својата реакција во која било насока во зависност од концентрацијата на нејзините реактанти: [61]

Брзината на реакцијата зависи од енергијата на активирање потребна за формирање на преодна состојба која потоа се распаѓа во производи. Ензимите ја зголемуваат стапката на реакција со намалување на енергијата на преодната состојба. Прво, врзувањето формира комплекс ензим-супстрат со ниска енергија (ES). Второ, ензимот ја стабилизира преодната состојба така што бара помалку енергија за да се постигне во споредба со некатализираната реакција (ES ‡ ). Конечно, комплексот ензим-производ (EP) се дисоцира за да ги ослободи производите. [1] : 8,3

Ензимите можат да спојат две или повеќе реакции, така што термодинамички поволната реакција може да се користи за да се „вози“ термодинамички неповолната, така што комбинираната енергија на производите е помала од супстратите. На пример, хидролизата на АТП често се користи за поттикнување на други хемиски реакции. [62]

Ензимската кинетика е истражување за тоа како ензимите ги врзуваат супстратите и ги претвораат во производи. [63] Податоците за брзината што се користат во кинетичките анализи најчесто се добиваат од ензимските анализи. Во 1913 година, Леонор Михаелис и Мод Леонора Ментен предложија квантитативна теорија за кинетиката на ензимите, која се нарекува Михаелис-Ментен кинетика. [64] The major contribution of Michaelis and Menten was to think of enzyme reactions in two stages. In the first, the substrate binds reversibly to the enzyme, forming the enzyme-substrate complex. This is sometimes called the Michaelis–Menten complex in their honor. The enzyme then catalyzes the chemical step in the reaction and releases the product. This work was further developed by G. E. Briggs and J. B. S. Haldane, who derived kinetic equations that are still widely used today. [65]

Enzyme rates depend on solution conditions and substrate concentration. To find the maximum speed of an enzymatic reaction, the substrate concentration is increased until a constant rate of product formation is seen. This is shown in the saturation curve on the right. Saturation happens because, as substrate concentration increases, more and more of the free enzyme is converted into the substrate-bound ES complex. At the maximum reaction rate (Вмакс) of the enzyme, all the enzyme active sites are bound to substrate, and the amount of ES complex is the same as the total amount of enzyme. [1] : 8.4

Вмакс is only one of several important kinetic parameters. The amount of substrate needed to achieve a given rate of reaction is also important. This is given by the Michaelis–Menten constant (Км), which is the substrate concentration required for an enzyme to reach one-half its maximum reaction rate generally, each enzyme has a characteristic КМ for a given substrate. Another useful constant is кмачка, исто така наречена turnover number, which is the number of substrate molecules handled by one active site per second. [1] : 8.4

The efficiency of an enzyme can be expressed in terms of кмачка/Км. This is also called the specificity constant and incorporates the rate constants for all steps in the reaction up to and including the first irreversible step. Because the specificity constant reflects both affinity and catalytic ability, it is useful for comparing different enzymes against each other, or the same enzyme with different substrates. The theoretical maximum for the specificity constant is called the diffusion limit and is about 10 8 to 10 9 (M −1 s −1 ). At this point every collision of the enzyme with its substrate will result in catalysis, and the rate of product formation is not limited by the reaction rate but by the diffusion rate. Enzymes with this property are called catalytically perfect или kinetically perfect. Example of such enzymes are triose-phosphate isomerase, carbonic anhydrase, acetylcholinesterase, catalase, fumarase, β-lactamase, and superoxide dismutase. [1] : 8.4.2 The turnover of such enzymes can reach several million reactions per second. [1] : 9.2 But most enzymes are far from perfect: the average values of k c a t / K m >/K_< m >> and k c a t >> are about 10 5 s − 1 M − 1 < m >^<-1>< m >^<-1>> and 10 s − 1 >^<-1>> , respectively. [66]

Michaelis–Menten kinetics relies on the law of mass action, which is derived from the assumptions of free diffusion and thermodynamically driven random collision. Many biochemical or cellular processes deviate significantly from these conditions, because of macromolecular crowding and constrained molecular movement. [67] More recent, complex extensions of the model attempt to correct for these effects. [68]

Enzyme reaction rates can be decreased by various types of enzyme inhibitors. [69] : 73–74

Types of inhibition

Конкурентни

A competitive inhibitor and substrate cannot bind to the enzyme at the same time. [70] Often competitive inhibitors strongly resemble the real substrate of the enzyme. For example, the drug methotrexate is a competitive inhibitor of the enzyme dihydrofolate reductase, which catalyzes the reduction of dihydrofolate to tetrahydrofolate. [71] The similarity between the structures of dihydrofolate and this drug are shown in the accompanying figure. This type of inhibition can be overcome with high substrate concentration. In some cases, the inhibitor can bind to a site other than the binding-site of the usual substrate and exert an allosteric effect to change the shape of the usual binding-site. [72]

Non-competitive

A non-competitive inhibitor binds to a site other than where the substrate binds. The substrate still binds with its usual affinity and hence Kм remains the same. However the inhibitor reduces the catalytic efficiency of the enzyme so that Vмакс is reduced. In contrast to competitive inhibition, non-competitive inhibition cannot be overcome with high substrate concentration. [69] : 76–78

Uncompetitive

An uncompetitive inhibitor cannot bind to the free enzyme, only to the enzyme-substrate complex hence, these types of inhibitors are most effective at high substrate concentration. In the presence of the inhibitor, the enzyme-substrate complex is inactive. [69] : 78 This type of inhibition is rare. [73]

Измешано

A mixed inhibitor binds to an allosteric site and the binding of the substrate and the inhibitor affect each other. The enzyme's function is reduced but not eliminated when bound to the inhibitor. This type of inhibitor does not follow the Michaelis–Menten equation. [69] : 76–78

Неповратни

An irreversible inhibitor permanently inactivates the enzyme, usually by forming a covalent bond to the protein. [74] Penicillin [75] and aspirin [76] are common drugs that act in this manner.

Functions of inhibitors

In many organisms, inhibitors may act as part of a feedback mechanism. If an enzyme produces too much of one substance in the organism, that substance may act as an inhibitor for the enzyme at the beginning of the pathway that produces it, causing production of the substance to slow down or stop when there is sufficient amount. Ова е форма на негативни повратни информации. Major metabolic pathways such as the citric acid cycle make use of this mechanism. [1] : 17.2.2

Since inhibitors modulate the function of enzymes they are often used as drugs. Many such drugs are reversible competitive inhibitors that resemble the enzyme's native substrate, similar to methotrexate above other well-known examples include statins used to treat high cholesterol, [77] and protease inhibitors used to treat retroviral infections such as HIV. [78] A common example of an irreversible inhibitor that is used as a drug is aspirin, which inhibits the COX-1 and COX-2 enzymes that produce the inflammation messenger prostaglandin. [76] Other enzyme inhibitors are poisons. For example, the poison cyanide is an irreversible enzyme inhibitor that combines with the copper and iron in the active site of the enzyme cytochrome c oxidase and blocks cellular respiration. [79]

As enzymes are made up of proteins, their actions are sensitive to change in many physio chemical factors such as pH, temperature, substrate concentration, etc.

The following table shows pH optima for various enzymes. [80]

Ензим Optimum pH pH description
Pepsin 1.5–1.6 Highly acidic
Invertase 4.5 Acidic
Lipase (stomach) 4.0–5.0 Acidic
Lipase (castor oil) 4.7 Acidic
Lipase (pancreas) 8.0 Alkaline
Amylase (malt) 4.6–5.2 Acidic
Amylase (pancreas) 6.7–7.0 Acidic-neutral
Cellobiase 5.0 Acidic
Maltase 6.1–6.8 Acidic
Сахароза 6.2 Acidic
Каталаза 7.0 Неутрален
Urease 7.0 Неутрален
Cholinesterase 7.0 Неутрален
Рибонуклеаза 7.0–7.5 Неутрален
Fumarase 7.8 Alkaline
Trypsin 7.8–8.7 Alkaline
Adenosine triphosphate 9.0 Alkaline
Arginase 10.0 Highly alkaline

Enzymes serve a wide variety of functions inside living organisms. They are indispensable for signal transduction and cell regulation, often via kinases and phosphatases. [81] They also generate movement, with myosin hydrolyzing ATP to generate muscle contraction, and also transport cargo around the cell as part of the cytoskeleton. [82] Other ATPases in the cell membrane are ion pumps involved in active transport. Enzymes are also involved in more exotic functions, such as luciferase generating light in fireflies. [83] Viruses can also contain enzymes for infecting cells, such as the HIV integrase and reverse transcriptase, or for viral release from cells, like the influenza virus neuraminidase. [84]

An important function of enzymes is in the digestive systems of animals. Enzymes such as amylases and proteases break down large molecules (starch or proteins, respectively) into smaller ones, so they can be absorbed by the intestines. Starch molecules, for example, are too large to be absorbed from the intestine, but enzymes hydrolyze the starch chains into smaller molecules such as maltose and eventually glucose, which can then be absorbed. Different enzymes digest different food substances. In ruminants, which have herbivorous diets, microorganisms in the gut produce another enzyme, cellulase, to break down the cellulose cell walls of plant fiber. [85]

Метаболизам

Several enzymes can work together in a specific order, creating metabolic pathways. [1] : 30.1 In a metabolic pathway, one enzyme takes the product of another enzyme as a substrate. After the catalytic reaction, the product is then passed on to another enzyme. Sometimes more than one enzyme can catalyze the same reaction in parallel this can allow more complex regulation: with, for example, a low constant activity provided by one enzyme but an inducible high activity from a second enzyme. [86]

Enzymes determine what steps occur in these pathways. Without enzymes, metabolism would neither progress through the same steps and could not be regulated to serve the needs of the cell. Most central metabolic pathways are regulated at a few key steps, typically through enzymes whose activity involves the hydrolysis of ATP. Because this reaction releases so much energy, other reactions that are thermodynamically unfavorable can be coupled to ATP hydrolysis, driving the overall series of linked metabolic reactions. [1] : 30.1

Control of activity

There are five main ways that enzyme activity is controlled in the cell. [1] : 30.1.1

Regulation

Enzymes can be either activated or inhibited by other molecules. For example, the end product(s) of a metabolic pathway are often inhibitors for one of the first enzymes of the pathway (usually the first irreversible step, called committed step), thus regulating the amount of end product made by the pathways. Such a regulatory mechanism is called a negative feedback mechanism, because the amount of the end product produced is regulated by its own concentration. [87] : 141–48 Negative feedback mechanism can effectively adjust the rate of synthesis of intermediate metabolites according to the demands of the cells. This helps with effective allocations of materials and energy economy, and it prevents the excess manufacture of end products. Like other homeostatic devices, the control of enzymatic action helps to maintain a stable internal environment in living organisms. [87] : 141

Пост-преведувачка модификација

Examples of post-translational modification include phosphorylation, myristoylation and glycosylation. [87] : 149–69 For example, in the response to insulin, the phosphorylation of multiple enzymes, including glycogen synthase, helps control the synthesis or degradation of glycogen and allows the cell to respond to changes in blood sugar. [88] Another example of post-translational modification is the cleavage of the polypeptide chain. Chymotrypsin, a digestive protease, is produced in inactive form as chymotrypsinogen in the pancreas and transported in this form to the stomach where it is activated. This stops the enzyme from digesting the pancreas or other tissues before it enters the gut. This type of inactive precursor to an enzyme is known as a zymogen [87] : 149–53 or proenzyme.

Quantity

Enzyme production (transcription and translation of enzyme genes) can be enhanced or diminished by a cell in response to changes in the cell's environment. This form of gene regulation is called enzyme induction. For example, bacteria may become resistant to antibiotics such as penicillin because enzymes called beta-lactamases are induced that hydrolyse the crucial beta-lactam ring within the penicillin molecule. [89] Another example comes from enzymes in the liver called cytochrome P450 oxidases, which are important in drug metabolism. Induction or inhibition of these enzymes can cause drug interactions. [90] Enzyme levels can also be regulated by changing the rate of enzyme degradation. [1] : 30.1.1 The opposite of enzyme induction is enzyme repression.

Subcellular distribution

Enzymes can be compartmentalized, with different metabolic pathways occurring in different cellular compartments. For example, fatty acids are synthesized by one set of enzymes in the cytosol, endoplasmic reticulum and Golgi and used by a different set of enzymes as a source of energy in the mitochondrion, through β-oxidation. [91] In addition, trafficking of the enzyme to different compartments may change the degree of protonation (e.g., the neutral cytoplasm and the acidic lysosome) or oxidative state (e.g., oxidizing periplasm or reducing cytoplasm) which in turn affects enzyme activity. [92] In contrast to partitioning into membrane bound organelles, enzyme subcellular localisation may also be altered through polymerisation of enzymes into macromolecular cytoplasmic filaments. [93] [94]

Organ specialization

In multicellular eukaryotes, cells in different organs and tissues have different patterns of gene expression and therefore have different sets of enzymes (known as isozymes) available for metabolic reactions. This provides a mechanism for regulating the overall metabolism of the organism. For example, hexokinase, the first enzyme in the glycolysis pathway, has a specialized form called glucokinase expressed in the liver and pancreas that has a lower affinity for glucose yet is more sensitive to glucose concentration. [95] This enzyme is involved in sensing blood sugar and regulating insulin production. [96]

Involvement in disease

Since the tight control of enzyme activity is essential for homeostasis, any malfunction (mutation, overproduction, underproduction or deletion) of a single critical enzyme can lead to a genetic disease. The malfunction of just one type of enzyme out of the thousands of types present in the human body can be fatal. An example of a fatal genetic disease due to enzyme insufficiency is Tay–Sachs disease, in which patients lack the enzyme hexosaminidase. [97] [98]

One example of enzyme deficiency is the most common type of phenylketonuria. Many different single amino acid mutations in the enzyme phenylalanine hydroxylase, which catalyzes the first step in the degradation of phenylalanine, result in build-up of phenylalanine and related products. Some mutations are in the active site, directly disrupting binding and catalysis, but many are far from the active site and reduce activity by destabilising the protein structure, or affecting correct oligomerisation. [99] [100] This can lead to intellectual disability if the disease is untreated. [101] Another example is pseudocholinesterase deficiency, in which the body's ability to break down choline ester drugs is impaired. [102] Oral administration of enzymes can be used to treat some functional enzyme deficiencies, such as pancreatic insufficiency [103] and lactose intolerance. [104]

Another way enzyme malfunctions can cause disease comes from germline mutations in genes coding for DNA repair enzymes. Defects in these enzymes cause cancer because cells are less able to repair mutations in their genomes. This causes a slow accumulation of mutations and results in the development of cancers. An example of such a hereditary cancer syndrome is xeroderma pigmentosum, which causes the development of skin cancers in response to even minimal exposure to ultraviolet light. [105] [106]

Similar to any other protein, enzymes change over time through mutations and sequence divergence. Given their central role in metabolism, enzyme evolution plays a critical role in adaptation. A key question is therefore whether and how enzymes can change their enzymatic activities alongside. It is generally accepted that many new enzyme activities have evolved through gene duplication and mutation of the duplicate copies although evolution can also happen without duplication. One example of an enzyme that has changed its activity is the ancestor of methionyl amino peptidase (MAP) and creatine amidinohydrolase (creatinase) which are clearly homologous but catalyze very different reactions (MAP removes the amino-terminal methionine in new proteins while creatinase hydrolyses creatine to sarcosine and urea). In addition, MAP is metal-ion dependent while creatinase is not, hence this property was also lost over time. [107] Small changes of enzymatic activity are extremely common among enzymes. In particular, substrate binding specificity (see above) can easily and quickly change with single amino acid changes in their substrate binding pockets. This is frequently seen in the main enzyme classes such as kinases. [108]

Artificial (in vitro) evolution is now commonly used to modify enzyme activity or specificity for industrial applications (see below).

Enzymes are used in the chemical industry and other industrial applications when extremely specific catalysts are required. Enzymes in general are limited in the number of reactions they have evolved to catalyze and also by their lack of stability in organic solvents and at high temperatures. As a consequence, protein engineering is an active area of research and involves attempts to create new enzymes with novel properties, either through rational design or ин витро еволуција. [109] [110] These efforts have begun to be successful, and a few enzymes have now been designed "from scratch" to catalyze reactions that do not occur in nature. [111]


How Enzymes Work

Most enzymes work by lowering the activation energy of a chemical reaction. Sometimes, their shape brings the reactants physically close together in the style, perhaps, of a sports-team coach or work-group manager intent on getting a task done more quickly. It is believed that when enzymes bind to a reactant, their shape changes in a way that destabilizes the reactant and makes it more susceptible to whatever chemical changes the reaction involves.

Reactions that can proceed without the input of energy are called exothermic reactions. In these reactions, the products, or the chemical(s) formed during the reaction, have a lower energy level than the chemicals that serve as the reaction's ingredients. In this way, molecules, like water, "seek" their own (energy) level atoms "prefer" to be in arrangements with lower total energy, just like water flows downhill to the lowest available physical point. Putting all of this together, it is clear that exothermic reactions always proceed naturally.

However, the fact that a reaction will occur even without input says nothing about the rate at which it will happen. If a substance taken into the body will naturally change into two derivative substances that can serve as direct sources of cellular energy, this does little good if the reaction naturally takes hours or days to complete. Also, even when the total energy of products is higher than that of the reactants, the energy path is not a smooth downhill slope on a graph instead, the products must attain a higher level of energy than that with which they began so that they can "get over the hump" and the reaction may proceed. This initial investment of energy into the reactants that pays off in the form of products is the aforementioned energy of activation, or Eа.


Инхибитори

There are two types of inhibitors, competitive inhibitors and non-competitive inhibitors. If the inhibitor covalently binds to the enzyme, permanently altering the structure of the enzyme then it is referred to as being irreversible inhibition.

Competitive inhibitors work by having a similar shape to the usual substrate molecule and so they can bind to the active site of the enzyme, preventing the formation of enzyme-substrate complexes. These enzymes can be overcome by increasing the concentration of the substrate, as this increases the likelihood that a substrate molecule will interact with the active site instead of an inhibitor molecule.

Non-competitive inhibitors work by binding to an allosteric site on the enzyme. By binding to the allosteric site, it causes a conformational 3D change within the enzyme, changing the shape of the active site and thereby preventing it from binding to its substrate.

Typically, competitive inhibitors are reversible, while non-competitive inhibitors are irreversible.


Affect of Increasing Temperature



Жалба за DMCA

Ако мислите дека содржината достапна преку веб-страницата (како што е дефинирано во нашите Услови за користење) прекршува едно или повеќе од вашите авторски права, ве молиме известете не со обезбедување писмено известување („Известување за прекршување“) кое ги содржи информациите опишани подолу до назначените агент наведен подолу. Ако Varsity Tutors преземе акција како одговор на Известување за прекршување, ќе направи добра намера да се обиде да контактира со страната што ја направила таквата содржина достапна преку најновата адреса на е-пошта, доколку ја има, обезбедена од таа страна до Varsity Tutors.

Вашето известување за прекршување може да биде проследено до страната што ја направила содржината достапна или до трети страни како што е ChillingEffects.org.

Ве молиме имајте предвид дека ќе бидете одговорни за штети (вклучувајќи трошоци и адвокатски такси) доколку материјално погрешно претставите дека некој производ или активност ги прекршува вашите авторски права. Така, ако не сте сигурни дека содржината лоцирана или поврзана со веб-локацијата ги прекршува вашите авторски права, прво треба да размислите да контактирате со адвокат.

Следете ги овие чекори за да поднесете известување:

Мора да го вклучите следново:

Физички или електронски потпис на сопственикот на авторските права или лице овластено да дејствува во негово име Идентификација на авторското право за кое се тврди дека е прекршено Опис на природата и точната локација на содржината за која тврдите дека ги прекршува вашите авторски права, во доволно детали за да им се дозволи на туторите на Varsity да ја најдат и позитивно да ја идентификуваат таа содржина, на пример, бараме врска до конкретното прашање (не само името на прашањето) што ја содржи содржината и опис на кој конкретен дел од прашањето - слика, линк, текст, итн - вашата жалба се однесува на вашето име, адреса, телефонски број и адреса на е-пошта и изјава од вас: (а) дека со добра волја верувате дека употребата на содржината за која тврдите дека ги прекршува вашите авторски права е не е овластен со закон, или од сопственикот на авторските права или агент на таков сопственик (б) дека сите информации содржани во вашето Известување за повреда се точни и (в) под казна за лажно сведочење, дека сте или сопственикот на авторските права или лице овластено да дејствува во нивно име.

Испратете ја вашата жалба до нашиот назначен агент на:

Чарлс Кон Варсити Туторс ДОО
101 S. Hanley Rd, Suite 300
Сент Луис, MO 63105


Погледнете го видеото: Enzimi (Јуни 2022).


Коментари:

  1. Eadbert

    However, the site owner wrote sadly!

  2. Tygogar

    Јас сум добро упатен во ова. Можам да помогнам во решавањето на проблемот. Заедно можеме да дојдеме до вистинскиот одговор.

  3. Daniele

    Својствата остава

  4. Bazilkree

    the incomparable answer

  5. Wattekinson

    Според мое мислење, вие не сте во право. Внесете ќе разговараме.

  6. Meztigis

    Мислам дека нешто сериозно.

  7. Sproule

    Sorryал ми е, но според мое мислење, не сте во право. Предлагам да разговараме за тоа. Пишувај ми во попладне, зборува со тебе.

  8. Ardwolf

    Мислам дека грешите.

  9. Freddie

    And the gas conflict is not over, and here you are all about your rub



Напишете порака