L'enzima non ha un sito attivo. Centro attivo di enzimi

Studio del meccanismo di una reazione chimica catalizzata da un enzima insieme alla determinazione dei prodotti intermedi e finali diverse fasi la reazione implica una conoscenza accurata della geometria della struttura terziaria dell'enzima, la natura dei gruppi funzionali della sua molecola, fornendo specificità di azione e un'elevata attività catalitica su un dato substrato, nonché la natura chimica del sito (i) della molecola enzimatica, che fornisce un alto tasso di reazione catalitica. Tipicamente, le molecole di substrato coinvolte nelle reazioni enzimatiche sono relativamente piccole rispetto alle molecole enzimatiche. Pertanto, durante la formazione di complessi enzima-substrato, solo frammenti limitati della sequenza amminoacidica della catena polipeptidica entrano in interazione chimica diretta - il "centro attivo" - una combinazione unica di residui amminoacidici nella molecola enzimatica, che fornisce un'interazione diretta con la molecola del substrato e partecipazione diretta all'atto di catalisi

Nel centro attivo, allocare in modo condizionale

centro catalitico - che interagisce chimicamente direttamente con il substrato;

centro di legame (contatto o sito di "ancoraggio") - fornisce un'affinità specifica per il substrato e la formazione di un complesso enzima-substrato.

Per catalizzare una reazione, un enzima deve legarsi a uno o più substrati. La catena proteica dell'enzima si piega in modo tale da formare uno spazio vuoto o una cavità sulla superficie del globulo, dove si legano i substrati. Quest'area è chiamata sito di legame del substrato. Di solito coincide con il centro attivo dell'enzima o si trova vicino ad esso. Alcuni enzimi contengono anche siti di legame per cofattori o ioni metallici.

L'enzima, che si collega con il substrato:

pulisce il supporto dal "cappotto" dell'acqua

pone le molecole di substrato reagenti nello spazio nel modo necessario affinché la reazione proceda

prepara per la reazione (ad esempio, polarizza) le molecole di substrato.

Di solito, l'attaccamento dell'enzima al substrato avviene a causa di legami ionici o idrogeno, raramente a causa di legami covalenti. Alla fine della reazione, il suo prodotto (o i prodotti) vengono separati dall'enzima.

Di conseguenza, l'enzima riduce l'energia di attivazione della reazione. Questo perché in presenza di un enzima la reazione segue un percorso diverso (infatti, si verifica una reazione diversa), ad esempio:

In assenza di un enzima:

In presenza di un enzima:

• AF + B \u003d AVF

  AVF \u003d AV + F

dove A, B sono substrati, AB è un prodotto di reazione, F è un enzima.

Gli enzimi non possono fornire energia in modo indipendente alle reazioni endergoniche (per le quali è richiesta energia). Pertanto, gli enzimi che effettuano tali reazioni li combinano con reazioni esergoniche che rilasciano più energia. Ad esempio, le reazioni per la sintesi di biopolimeri sono spesso accoppiate alla reazione di idrolisi dell'ATP.

I centri attivi di alcuni enzimi sono caratterizzati dal fenomeno della cooperatività.

Specificità

Gli enzimi mostrano solitamente un'elevata specificità per i loro substrati (specificità del substrato). Ciò è ottenuto dalla complementarità parziale della forma, della distribuzione della carica e delle regioni idrofobiche sulla molecola del substrato e nel sito di legame del substrato sull'enzima. Gli enzimi di solito dimostrano anche un alto livello di stereospecificità (formano solo uno dei possibili stereoisomeri come prodotto o solo uno stereoisomero viene utilizzato come substrato), regioselettività (formano o rompono un legame chimico in una sola delle possibili posizioni del substrato) e chemoselettività (catalizzano solo una reazione chimica tra le diverse possibili per le condizioni date). Nonostante l'elevato livello generale di specificità, il grado di substrato e la specificità di reazione degli enzimi possono essere diversi. Ad esempio, la tripsina endopeptidasi rompe un legame peptidico solo dopo arginina o lisina, se non seguita da prolina, e la pepsina è molto meno specifica e può rompere un legame peptidico a seguito di molti amminoacidi.

8.7.1. Nel contenuto cellulare, gli enzimi non sono distribuiti in modo caotico, ma in modo strettamente ordinato. Con l'aiuto delle membrane intracellulari, la cellula è divisa in compartimenti o scomparti(Figura 8.18). In ciascuno di essi rigorosamente definiti processi biochimici e i corrispondenti enzimi o complessi polienzimatici sono concentrati. Ecco alcuni esempi tipici.

Figura 8.18.Distribuzione intracellulare di enzimi di varie vie metaboliche.

I lisosomi contengono principalmente vari enzimi idrolitici. Qui avvengono i processi di decomposizione di composti organici complessi nei loro componenti strutturali.

I mitocondri contengono sistemi complessi enzimi redox.

Gli enzimi per l'attivazione degli amminoacidi sono distribuiti nell'ialoplasma, ma sono presenti anche nel nucleo. Nell'ialoplasma sono presenti numerosi metaboloni della glicolisi, strutturalmente combinati con quelli del ciclo pentoso fosfato, che fornisce la relazione tra le vie dicotomiche e apotomiche della scomposizione dei carboidrati.

Allo stesso tempo, gli enzimi che accelerano il trasferimento dei residui di amminoacidi all'estremità crescente della catena polipeptidica e catalizzano alcune altre reazioni nel processo di biosintesi delle proteine \u200b\u200bsono concentrati nell'apparato ribosomiale della cellula.

Nel nucleo cellulare sono principalmente localizzate le nucleotidil transferasi, che accelerano la reazione di trasferimento dei residui nucleotidici durante la formazione degli acidi nucleici.

8.7.2. La distribuzione degli enzimi negli organelli subcellulari viene studiata dopo il frazionamento preliminare degli omogenati cellulari mediante centrifugazione ad alta velocità, determinando il contenuto di enzimi in ciascuna frazione.

La localizzazione di questo enzima in un tessuto o in una cellula può spesso essere stabilita in situ mediante metodi istochimici ("istoenzimologia"). Per questo, sezioni sottili (da 2 a 10 μm) di tessuto congelato vengono trattate con una soluzione di substrato a cui questo enzima è specifico. In quei luoghi in cui si trova l'enzima, si forma un prodotto della reazione catalizzata da questo enzima. Se il prodotto è colorato e insolubile, rimane nel sito di formazione e consente la localizzazione dell'enzima. L'istoenzimologia fornisce un quadro chiaro e, in una certa misura, fisiologico della distribuzione degli enzimi.

I sistemi enzimatici degli enzimi, concentrati nelle strutture intracellulari, sono finemente coordinati tra loro. L'interrelazione delle reazioni da loro catalizzate garantisce l'attività vitale di cellule, organi, tessuti e dell'organismo nel suo complesso.

Quando si studia l'attività di vari enzimi nei tessuti corpo sano puoi avere un'immagine della loro distribuzione. Si scopre che alcuni enzimi sono ampiamente distribuiti in molti tessuti, ma in diverse concentrazioni, mentre altri sono molto attivi negli estratti ottenuti da uno o più tessuti, e sono praticamente assenti in altri tessuti del corpo.

Figura 8.19. L'attività relativa di alcuni enzimi nei tessuti umani, espressa come percentuale dell'attività nel tessuto con la massima concentrazione di questo enzima (Moss, Butterworth, 1978).

8.7.3. Il concetto di enzimopatie. Nel 1908, il medico inglese Archibald Garrod suggerì che la causa di una serie di malattie potrebbe essere l'assenza di uno qualsiasi degli enzimi chiave coinvolti nel metabolismo. Ha introdotto il concetto di "errori congeniti del metabolismo" (difetto metabolico congenito). Successivamente, questa teoria è stata confermata da nuovi dati ottenuti nel campo della biologia molecolare e della biochimica patologica.

Le informazioni sulla sequenza di amminoacidi nella catena polipeptidica della proteina sono registrate nella regione corrispondente della molecola di DNA sotto forma di una sequenza di frammenti trinucleotidici - triplette o codoni. Ogni tripletta codifica per un amminoacido specifico. Questa corrispondenza è chiamata codice genetico. Inoltre, alcuni amminoacidi possono essere codificati utilizzando diversi codoni. Esistono anche codoni speciali che sono segnali per avviare e arrestare la sintesi della catena polipeptidica. Da adesso codice genetico completamente decrittografato. È universale per tutti i tipi di organismi viventi.

L'implementazione delle informazioni incorporate nella molecola di DNA comprende diverse fasi. Innanzitutto, l'RNA messaggero (mRNA), che entra nel citoplasma, viene sintetizzato nel nucleo cellulare durante la trascrizione. A sua volta, l'mRNA funge da matrice per la traduzione: la sintesi di catene polipeptidiche sui ribosomi. Pertanto, la natura delle malattie molecolari è determinata dalla violazione della struttura e della funzione degli acidi nucleici e delle proteine \u200b\u200bda essi controllate.

8.7.4. Poiché le informazioni sulla struttura di tutte le proteine \u200b\u200bin una cellula sono contenute nella sequenza nucleotidica del DNA e ogni amminoacido è definito da una tripletta di nucleotidi, un cambiamento nella struttura primaria del DNA può alla fine avere un profondo effetto sulla proteina sintetizzata. Tali cambiamenti si verificano a causa di errori nella replicazione del DNA, quando una base azotata viene sostituita da un'altra, a seguito di radiazioni o modifiche chimiche. Vengono chiamati tutti i difetti ereditati che si verificano in questo modo mutazioni... Possono portare a una lettura errata del codice e alla cancellazione (perdita) di un amminoacido chiave, alla sostituzione di un amminoacido con un altro, all'arresto prematuro della sintesi proteica o all'aggiunta di sequenze di amminoacidi. Considerando la dipendenza dell'imballaggio spaziale di una proteina dalla sequenza lineare di amminoacidi in essa contenuta, si può presumere che tali difetti possano modificare la struttura della proteina, e quindi la sua funzione. Tuttavia, molte mutazioni si trovano solo in vitro e non influenzano negativamente la funzione delle proteine. Quindi, punto chiave è la localizzazione dei cambiamenti nella struttura primaria. Se la posizione dell'amminoacido sostituito risulta essere critica per la formazione della struttura terziaria e la formazione del centro catalitico dell'enzima, allora la mutazione è grave e può manifestarsi come una malattia.

Le conseguenze di una carenza di un enzima nella catena delle reazioni metaboliche possono manifestarsi in modi diversi. Supponiamo che la trasformazione del composto UN nella connessione B catalizza l'enzima E e qual è la connessione C avviene su un percorso alternativo di trasformazioni (Figura 8.20):

Figura 8.20. Schema di percorsi alternativi di trasformazioni biochimiche.

Le conseguenze della carenza di enzimi possono essere i seguenti fenomeni:

1. insufficienza del prodotto della reazione enzimatica ( B). A titolo di esempio, possiamo indicare una diminuzione della glicemia in alcune forme di glicogenosi;
2. accumulo di materia ( UN), la cui conversione è catalizzata da un enzima (ad esempio, acido omogentisico in alcaptonuria). In molte malattie da accumulo lisosomiale, le sostanze che normalmente subiscono l'idrolisi nei lisosomi si accumulano in esse a causa di una carenza di uno degli enzimi;
3. deviazione a un percorso alternativo con la formazione di alcuni biologicamente connessioni attive (C). Questo gruppo di fenomeni include l'escrezione urinaria di acidi fenilpiruvico e fenil lattico formati nel corpo di pazienti con fenilchetonuria a seguito dell'attivazione di vie ausiliarie per la scomposizione della fenilalanina.

Se la conversione metabolica nel suo insieme è regolata dal principio di feedback del prodotto finale, gli effetti degli ultimi due tipi di anomalie saranno più significativi. Quindi, ad esempio, con le porfirie (disturbi congeniti della sintesi dell'eme), viene eliminato l'effetto soppressivo dell'eme sulle reazioni di sintesi iniziale, che porta alla formazione di quantità in eccesso di prodotti intermedi della via metabolica che hanno effetto tossico sulle cellule della pelle e del sistema nervoso.

Fattori ambiente esterno può migliorare o addirittura determinare completamente manifestazioni cliniche alcuni disturbi metabolici congeniti. Ad esempio, in molti pazienti con deficit di glucosio-6-fosfato deidrogenasi, la malattia inizia solo dopo l'assunzione di farmaci come la primachina. In assenza di contatto con medicinali queste persone sembrano essere sane.

8.7.5. La carenza enzimatica viene solitamente giudicata indirettamente da un aumento della concentrazione della sostanza di partenza, che normalmente subisce trasformazioni sotto l'azione di questo enzima (ad esempio, la fenilalanina in fenilchetonuria). La determinazione diretta dell'attività di tali enzimi viene eseguita solo in centri specializzati, ma se possibile, la diagnosi deve essere confermata con questo metodo. La diagnosi prenatale (prenatale) di alcuni disturbi metabolici congeniti è possibile esaminando le cellule del liquido amniotico ottenute su fasi iniziali gravidanza e coltura in vitro.

Alcuni disturbi metabolici congeniti sono curabili fornendo il metabolita mancante all'organismo o limitando l'assunzione di tratto gastrointestinale precursori di processi metabolici disturbati. Occasionalmente, i prodotti di accumulo (come il ferro nell'emocromatosi) possono essere rimossi.

1. Centro attivoÈ relativamente piccolo tracciare,situato in una stretta depressione idrofobica (gap) sulla superficie della molecola enzimatica, direttamente coinvolto nella catalisi.

2. I centri attivi di enzimi sono formati a livello della struttura terziaria.

3. La catalisi enzimatica richiede un'organizzazione spaziale precisa di grandi insiemi costituiti da residui di amminoacidi e dai loro gruppi laterali. Tali insiemi formano centri di enzimi sia attivi che regolatori (allosterici).

4. Centro attivo, tranne sezione catalitica,include legame del substratoun sito responsabile del legame complementare specifico del substrato e della formazione di un complesso enzima-substrato (ES); il sito attivo di un enzima spesso include un sito o dominio di legame cofattore.

Esempio 1.I centri attivi degli enzimi si formano a livello della struttura terziaria.

Le serine proteasi sono diffuse in natura e, insieme agli enzimi proteolitici di altre classi (aspartile, cisteina e metalloproteinasi), forniscono la scissione delle proteine \u200b\u200b(catabolismo) e un numero di reazioni di proteolisi limitate che hanno un significato normativo per la vita cellulare.

NELin diverse serina proteasi, questi amminoacidi possono occupare posti diversi nella catena peptidica dell'enzima, ma si avvicinano l'un l'altro durante il ripiegamento della catena polipeptidica e la loro posizione relativa nello spazio è rigorosamente preservata (Fig. 2.3).

5. Il centro attivo non può essere delineato con confini rigorosamente definiti, poiché ciascuno dei suoi componenti interagisce in un modo o nell'altro con altre parti della molecola enzimatica. L'influenza del microambiente può essere molto significativa: - i componenti del centro attivo, inclusi i cofattori, interagiscono con i gruppi vicini dell'enzima, che modifica le caratteristiche chimiche dei gruppi funzionali,partecipare alla catalisi;

6. La struttura del centro attivo determina la specificità dell'azione enzimatica. La maggior parte degli enzimi è altamente specifica sia per la natura che per il percorso di trasformazione del substrato.

7. La specificità del substrato è dovuta alla complementarità della struttura del centro di legame del substrato dell'enzima con la struttura del substrato (Fig. 2.4).

Come in Fig. 2.4, sito di legame del substrato far saperecorrisponde al substrato (corrispondenza geometrica); inoltre si formano legami specifici (idrofobo, ionico e idrogeno) tra i residui amminoacidici del centro attivo dell'enzima e il substrato, cioè installato elettronicoo chimicaconformità.