de enzymen

Definitie

Enzymen zijn eiwitten die worden geproduceerd in plantaardige en dierlijke cellen en die fungeren als katalysatoren die biologische reacties versnellen zonder te worden gewijzigd.

Enzymen werken door te combineren met een specifieke stof om deze om te zetten in een andere stof; klassieke voorbeelden worden gegeven door spijsverteringsenzymen die aanwezig zijn in speeksel, maag, pancreas en dunne darm, die een essentiële functie vervullen bij de spijsvertering en helpen voedsel af te breken tot basisbestanddelen, die vervolgens kunnen worden opgenomen en gebruikt door het lichaam, verwerkt door andere enzymen of uitgescheiden als afvalstof.

Elk enzym heeft een specifieke rol: het enzym dat bijvoorbeeld vetten afbreekt, werkt niet in op eiwitten of koolhydraten. Enzymen zijn essentieel voor het welzijn van het organisme. Een tekort, zelfs aan één enkel enzym, kan ernstige verstoringen veroorzaken. Een bekend voorbeeld is fenylketonurie (PKU), een ziekte die wordt gekenmerkt door het onvermogen om een ​​essentieel aminozuur te metaboliseren, fenylalanine, waarvan de ophoping kan leiden tot lichamelijke misvormingen en psychische aandoeningen.

Biochemische studie

Enzymen zijn bepaalde eiwitten die de eigenschap hebben biologische katalysatoren te zijn, dat wil zeggen dat ze het vermogen hebben om de activeringsenergie (Eatt) van een reactie af te breken en het pad ervan aan te passen zodat een kinetisch langzaam proces sneller verloopt.

Enzymen verhogen de kinetiek van thermodynamisch mogelijke reacties en zijn, in tegenstelling tot katalysatoren, min of meer specifiek: ze bezitten daarom substraatspecificiteit.
Het enzym is niet betrokken bij de stoichiometrie van de reactie: om dit te laten gebeuren, moet de uiteindelijke katalytische plaats identiek zijn aan de startplaats.
In de katalytische werking is er bijna altijd een langzame fase die de snelheid van het proces bepaalt.
Als we het over enzymen hebben, is het niet correct om te spreken van evenwichtsreacties, we spreken in plaats daarvan van: stabiele toestand (toestand waarin een bepaalde metaboliet continu wordt gevormd en geconsumeerd, waarbij de concentratie ervan in de loop van de tijd vrijwel constant blijft). Het product van een reactie die door één enzym wordt gekatalyseerd, is gewoonlijk zelf een reactant voor een volgende reactie, gekatalyseerd door een ander enzym, enzovoort.
Door enzymen gekatalyseerde processen bestaan ​​gewoonlijk uit opeenvolgingen van reacties.
Een generieke reactie gekatalyseerd door een enzym (E) kan als volgt worden samengevat:

E is het enzym

S is het substraat;
ES staat voor het adduct tussen enzym en substraat;

P is het product;
K is de snelheidsconstante van de reactie.

Een generiek enzym (E) combineert met het substraat (S) om het adduct (ES) te vormen met een snelheidsconstante K1; het kan weer dissociëren in E + S, met een snelheidsconstante K2, of, (als het lang genoeg "leeft" ) kan P vormen met een snelheidsconstante K3.

Het product (P) kan op zijn beurt recombineren met het enzym en het adduct hervormen met snelheidsconstante K4.
Wanneer het enzym en het substraat worden gemengd, is er een fractie van de tijd waarin de ontmoeting tussen de twee soorten nog niet heeft plaatsgevonden: dat wil zeggen, er is een extreem kort tijdsinterval (dat afhangt van de reactie) waarin het enzym en het substraat nog niet voldaan; na deze periode komen enzym en substraat in toenemende hoeveelheden met elkaar in contact en wordt het ES-adduct gevormd. Vervolgens werkt het enzym in op het substraat en komt het product vrij. Men kan dan zeggen dat c "een aanvankelijk tijdsinterval is waarin de concentratie van het ES-adduct niet kan worden gedefinieerd; na deze periode wordt aangenomen dat een stationaire toestand is vastgesteld, dat wil zeggen dat de snelheid van de processen die leiden tot het verkrijgen van het adduct gelijk is aan de snelheid van de processen die leiden tot de vernietiging van het adduct.
De Michaelis-Menten-constante (KM) is een evenwichtsconstante (verwezen naar het eerste hierboven beschreven evenwicht); het kan worden gezegd, met een goede benadering (omdat K3 ook in aanmerking moet worden genomen), dat KM wordt weergegeven door de verhouding tussen de kinetische constanten K2 en K1 (verwijst naar de vernietiging en vorming van het adduct ES in het eerste hierboven beschreven evenwicht) .
Via de Michaelis-Menten constante hebben we een "indicatie van de affiniteit tussen enzym en substraat: als de KM klein is c" is een "hoge affiniteit tussen enzym en substraat, dan is het ES-adduct stabiel.

Enzymen zijn onderhevig aan regulering (of modulatie).
In het verleden was er vooral sprake van negatieve modulatie, dat wil zeggen remming van het katalytische vermogen van een enzym, maar er kan ook sprake zijn van positieve modulatie, dat wil zeggen dat er soorten zijn die het katalytische vermogen van een enzym kunnen versterken.
Er zijn 4 soorten remmingen (verkregen uit benaderingen gemaakt op een model om experimentele gegevens te matchen met wiskundige vergelijkingen):

• competitieve remming
• niet-competitieve remming
• inconcurrerende remming
• acompetitieve remming

We spreken van competitieve inhibitie wanneer een molecuul (remmer) in staat is om te concurreren met het substraat. Voor structurele gelijkenis kan de remmer reageren in plaats van het substraat, vandaar de term "competitieve remming". De waarschijnlijkheid dat het enzym aan de remmer of het substraat bindt, hangt af van de concentratie van beide en hun affiniteit met het enzym; de reactiesnelheid is dus afhankelijk van deze factoren.
Om dezelfde reactiesnelheid te verkrijgen als zonder de aanwezigheid van de remmer, is het noodzakelijk om een ​​hogere substraatconcentratie te hebben.
Experimenteel is aangetoond dat in aanwezigheid van een remmer de Michaelis-Menten-constante toeneemt.

Wat in plaats daarvan betreft, vindt de "niet-competitieve remming, de interactie tussen het molecuul dat als een modulator (positieve of negatieve remmer) moet functioneren) en het" enzym plaats op een plaats die verschilt van die waarop de interactie komt voor tussen enzym en substraat; we spreken daarom van allosterische modulatie (van het Griekse allosteros → andere website).
Als de remmer zich aan het enzym bindt, kan het een verandering in de structuur van het enzym veroorzaken en bijgevolg de efficiëntie waarmee het substraat aan het enzym bindt verminderen.
Bij dit type proces blijft de Michaelis-Menten-constante constant omdat deze waarde afhangt van de evenwichten tussen het enzym en het substraat en, zelfs in aanwezigheid van een remmer, veranderen deze evenwichten niet.

Het fenomeen van inconcurrerende remming is zeldzaam; een typische inconcurrerende remmer is een stof die reversibel bindt aan het ES-adduct dat aanleiding geeft tot ESI:

Remming door teveel aan substraat kan soms inconcurrerend zijn, omdat dit gebeurt wanneer een tweede substraatmolecuul aan het ES-complex bindt, waardoor het ESS-complex ontstaat.

Een acompetitieve remmer daarentegen kan alleen binden aan het substraatenzymadduct zoals in het vorige geval: de binding van het substraat aan het vrije enzym induceert een conformationele modificatie die de plaats toegankelijk maakt voor de remmer.
De Michaelis Menten-constante neemt af naarmate de remmerconcentratie toeneemt: blijkbaar neemt dus de affiniteit van het enzym voor het substraat toe.

Serine protease

Ze zijn een familie van enzymen waartoe chymotrypsine en trypsine behoren.
Chymotrypsine is een proteolytisch en hydrolytisch enzym dat rechts van hydrofobe en aromatische aminozuren snijdt.
Het product van het gen dat codeert voor chymotrypsine is niet actief (het wordt geactiveerd met een commando); de inactieve vorm van chymotrypsine wordt weergegeven door een polypeptideketen van 245 aminozuren. Chymotrypsine heeft een bolvorm vanwege vijf disulfidebruggen en andere kleine interacties (elektrostatisch, Van der Waals-krachten, waterstofbruggen, enz.).
Chymotrypsine wordt geproduceerd door de chymosecellen van de pancreas, waar het zich in speciale membranen bevindt en via de ductus pancreaticus in de darm wordt uitgestoten, op het moment van vertering van voedsel: chymotrypsine is in feite een spijsverteringsenzym. De eiwitten en voedingsstoffen die we via de voeding binnenkrijgen, worden verteerd om te worden gereduceerd tot kleinere ketens en om te worden opgenomen en omgezet in energie (bijv. amylasen en proteasen breken voedingsstoffen af ​​tot glucose en aminozuren die de cellen bereiken, via de bloedvaten ze bereiken de poortader en worden van daaruit naar de lever getransporteerd waar ze een verdere behandeling ondergaan).
Enzymen worden geproduceerd in een niet-actieve vorm en worden alleen geactiveerd wanneer ze de "plaats bereiken waar ze moeten werken"; zodra hun actie is voltooid, worden ze gedeactiveerd. Een eenmaal gedeactiveerd enzym kan niet opnieuw worden geactiveerd: om een ​​"verdere katalytische werking te hebben, moet het worden vervangen door" een ander enzymmolecuul. Als chimitrypsine al in actieve vorm in de alvleesklier zou worden geproduceerd, zou het deze laatste aanvallen: pancreatitis zijn pathologieën die te wijten zijn aan spijsverteringsenzymen die al in de alvleesklier (en niet op de vereiste plaatsen) worden geactiveerd; sommige ervan als ze niet op tijd worden behandeld, tot de dood leiden.
In chymotrypsine en in alle serineproteasen is de katalytische werking te wijten aan het bestaan ​​van het alcoholanion (-CH2O-) in de zijketen van een serine.
Serineproteasen nemen deze naam juist aan omdat hun katalytische werking te wijten is aan een serine.
Zodra al het enzym zijn werking heeft uitgevoerd, voordat het weer op het substraat kan werken, moet het worden hersteld met water; de "afgifte" van serine door het water is de langzaamste fase van het proces, en het is deze fase die de snelheid van katalyse bepaalt.
De katalytische werking vindt plaats in twee fasen:

• vorming van het anion met katalytische eigenschappen (anionalcoholaat) en daaropvolgende nucleofiele aanval op de carbonylkoolstof (C = O) met splitsing van de peptidebinding en vorming van de ester;
• wateraantasting met herstel van de katalysator (in staat om zijn katalytische werking weer uit te oefenen).

De verschillende enzymen die tot de serineproteasefamilie behoren, kunnen uit verschillende aminozuren bestaan, maar voor al deze aminozuren wordt de katalytische plaats weergegeven door het alcoholische anion van de zijketen van een serine.
Een onderfamilie van serineproteasen is die van de enzymen die betrokken zijn bij coagulatie (die bestaat uit de transformatie van eiwit, van hun inactieve vorm naar een "andere vorm die actief is). Deze enzymen zorgen ervoor dat de coagulatie zo effectief mogelijk is en wordt beperkt in de ruimte en tijd (coagulatie moet snel plaatsvinden en mag alleen plaatsvinden in de buurt van het gewonde gebied) De enzymen die betrokken zijn bij de coagulatie worden geactiveerd in een cascade (uit de activering van een enkel enzym worden miljarden enzymen verkregen: elk geactiveerd enzym , activeert op zijn beurt vele andere enzymen).
Trombose is een pathologie die wordt veroorzaakt door het slecht functioneren van stollingsenzymen: het wordt veroorzaakt door de activering, zonder noodzaak (omdat er geen letsel is), van de enzymen die bij de stolling worden gebruikt.

Er zijn modulerende (regulerende) enzymen en remmende enzymen voor andere enzymen: in wisselwerking met deze laatste reguleren of remmen ze hun activiteit; zelfs het product van een enzym kan een remmer zijn voor het enzym.Er zijn ook enzymen die hoe meer werken, hoe groter het aanwezige substraat.

lysozym

Luigi Pasteur ontdekte door te niezen in een petrischaaltje dat er in het slijm een ​​enzym zit dat bacteriën kan doden: lysozym; uit het Grieks: liso = welke maat; zimo = enzym.
Lysozyme is in staat de celwand van bacteriën af te breken. Bacteriën, en eencellige organismen in het algemeen, hebben mechanisch resistente structuren nodig die hun vorm beperken; in de bacteriën is er een zeer hoge osmotische druk, zodat ze water aantrekken. Het plasmamembraan zou exploderen als er geen celwand was die het binnendringen van water tegengaat en het volume van de bacterie beperkt.
De celwand bestaat uit een polysacharideketen waarin moleculen van N-acetyl-glucosamine (NAG) en moleculen van N-acetyl-muraminezuur (NAM) elkaar afwisselen; de binding tussen NAG en NAM wordt verbroken door hydrolyse.De carboxylgroep van NAM, in de celwand, is betrokken bij een peptidebinding met een aminozuur.
Tussen de verschillende ketens worden bruggen gevormd bestaande uit pseudo-peptidebindingen: de vertakking komt door het lysinemolecuul; de structuur als geheel is zeer vertakt en dit geeft het een hoge stabiliteit.
Lysozyme is een antibioticum (doodt bacteriën): het werkt door een scheur in de bacteriewand te maken; wanneer deze structuur (die mechanisch resistent is) breekt, zuigt de bacterie water aan tot het barst. Lysozyme slaagt erin de β-1,4 glucosidebinding tussen NAM en NAG te verbreken.
De katalytische plaats van lysozyme wordt weergegeven door een groef die langs het enzym loopt waarin de polysacharideketen is ingebracht: zes glucosideringen van de keten worden in de groef geplaatst.
In positie drie van de groef c" zit een smoorspoel: in deze positie kan slechts één NAG worden geplaatst, omdat de NAM, die van hogere afmetingen is, niet kan binnendringen. De eigenlijke katalysatorplaats ligt tussen positie vier en vijf: aangezien er een NAG op positie drie, de cut zal plaatsvinden tussen een NAM en een NAG (en niet omgekeerd); de cut is dus specifiek.
De optimale pH voor lysozyme om te werken is vijf. Op de katalytische plaats van het enzym, dwz tussen positie vier en vijf, bevinden zich de zijketens van een asparaginezuur en een glutaminezuur.

Mate van homologie: meet de verwantschap (d.w.z. overeenkomst) tussen eiwitstructuren.

Er is een sterke relatie tussen lysozym en lactosesynthase.
Lactosesynthetase synthetiseert lactose (wat de belangrijkste melksuiker is): lactose is een galactosylglucoside waarin c" een β-1,4 glucosidebinding is tussen galactose en glucose.
Daarom katalyseert lactosesynthetase de tegenovergestelde reactie van die gekatalyseerd door lysozym (die in plaats daarvan de β-1,4 glucosidebinding splitst)
Lactosesynthetase is een dimeer, dat wil zeggen dat het bestaat uit twee eiwitketens, waarvan er één katalytische eigenschappen heeft en vergelijkbaar is met lysozym en de andere een regulerende subeenheid is.
Tijdens de zwangerschap worden glycoproteïnen gesynthetiseerd door de cellen van de borstklier door de werking van galatosyl-tranferase (het heeft een "sequentiehomologie van 40% met lysozyme): dit enzym is in staat om een ​​galactosylgroep over te brengen van een hoogenergetische structuur naar een glycoproteïnestructuur Tijdens de zwangerschap wordt de expressie van het gen dat codeert voor galactosisyltransferase geïnduceerd (er is ook de expressie van andere genen die ook andere producten geven): er is een toename van de borstomvang omdat deze wordt geactiveerd de borstklier (voorheen inactief) die melk moet produceren Tijdens de bevalling wordt α-lactalbumine geproduceerd, een regulerend eiwit: het is in staat om de katalytische capaciteit van galactosyl-transferase te reguleren (door onderscheid van het substraat). Galactosyl-transferase gemodificeerd door α-lactalalbumine is in staat een galactosyl op een glucosemolecuul over te brengen: het vormt een β-1,4 glycosidische binding en geeft lactose (lactosesynthetase).
Vandaar dat galactosetransferase de borstklier voorbereidt vóór de bevalling en melk produceert na de bevalling.
Om glycoproteïnen te produceren, bindt galactosyltransferase aan een galactosyl en een NAG; tijdens de bevalling bindt lactaal albumine aan galactosyltransferase waardoor deze laatste glucose herkennen en geen NAG meer geven om lactose te geven.