Entsyymi on proteiini, jolla on katalyyttistä ominaisuuksia . Lähes kaikki biomolekyylien , jotka kykenevät katalysoimaan kemiallisia reaktioita sisään solut ovat entsyymejä; tietyt katalyyttiset biomolekyylit kuitenkin muodostuvat RNA: sta ja ovat sen vuoksi erillisiä entsyymeistä: nämä ovat ribotsyymejä .
Entsyymi toimii alentamalla kemiallisen reaktion aktivoivaa energiaa , mikä lisää reaktionopeutta . Entsyymi ei muutu reaktion aikana. Alkuperäiset molekyylit ovat entsyymin substraatteja , ja näistä substraateista muodostuneet molekyylit ovat reaktion tuotteita. Lähes kaikki aineenvaihduntaan että solujen vaativat entsyymit edetä riittävällä nopeudella elämän ylläpitämiseksi. Entsyymit katalysoivat yli 5000 erilaista kemiallista reaktiota. Entsyymisarja solussa määrittää mahdolliset metaboliareitit kyseisessä solussa. Entsyymien tutkimusta kutsutaan entsyymiksi .
Entsyymit antavat reaktioiden tapahtua miljoonia kertoja nopeammin kuin ilman niitä. Äärimmäinen esimerkki on orotidiini-5'-fosfaattidekarboksylaasi , joka katalysoi reaktion millisekunteina , joka ilman sitä kestäisi useita miljoonia vuosia. Kuten kaikki katalyytit, entsyymejä ei muuteta niiden katalysoimien reaktioiden aikana, eivätkä ne muuta substraattien ja tuotteiden kemiallista tasapainoa . Entsyymit puolestaan eroavat useimmista muuntyyppisistä katalysaattoreista erittäin korkean spesifisyytensä vuoksi . Tämä spesifisyys johtuu niiden kolmiulotteisesta rakenteesta . Lisäksi muut muut molekyylit moduloivat entsyymin aktiivisuutta: entsyymi-inhibiittori on molekyyli, joka hidastaa entsyymin aktiivisuutta, kun taas tämän entsyymin aktivaattori kiihdyttää sitä; monet lääkkeet ja myrkkyt ovat entsyymien estäjiä. Lisäksi entsyymin aktiivisuus vähenee nopeasti sen optimaalisen lämpötilan ja pH: n ulkopuolella . Lisäksi entsyymillä on ominaisuus olla uudelleenkäytettävissä.
Entsyymit ovat yleensä proteiineja pallomaisia yksin, kuten lysotsyymi , tai useiden entsyymien kompleksi, tai alayksiköitä , kuten monimutkainen α-ketoglutaraatti dehydrogenaasi . Kuten kaikki proteiinit, entsyymit koostuvat yhdestä tai useammasta polypeptidiketjusta, jotka on taitettu muodostamaan kolmiulotteinen rakenne, joka vastaa niiden natiivia tilaa . Sekvenssi on aminohapot entsyymin määrää jälkimmäinen rakenne, joka rakenne puolestaan määrittää ominaisuudet katalyytin entsyymin. Vaikka entsyymin rakenne määrää sen toiminnan, ei ole vielä mahdollista ennustaa uuden entsyymin aktiivisuutta tuntemalla vain sen rakenne. Entsyymien rakenne muuttuu ( denaturoituu ) kuumennettaessa tai saatettaessa kosketuksiin kemiallisten denaturoivien aineiden kanssa, mikä yleensä inaktivoi ne.
Entsyymit ovat molekyylejä, jotka ovat paljon suurempia kuin niiden substraatit . Niiden koko vaihtelee 62 tähdettä varten monomeeri ja 4-Oxalocrotonate Tautomerase yli 2000 tähteitä rasvahapposyntaasia eläin . Vain hyvin pieni osa entsyymistä - yleensä kahden ja neljän tähteen välillä - osallistuu suoraan katalyysiin, jota kutsutaan katalyyttiseksi alueeksi. Viimeksi mainittu sijaitsee lähellä yhtä tai useampaa sitoutumiskohtaa, joihin substraatit ovat sitoutuneet ja suuntautuneet kemiallisen reaktion katalysoinnin mahdollistamiseksi. Katalyyttinen kohta ja sitoutumiskohdat muodostavat entsyymin aktiivisen kohdan . Loppuosa proteiinista palvelee aktiivisen kohdan konfiguraation ylläpitämistä ja optimaalisten olosuhteiden luomista reaktion kulkua varten.
Joissakin tapauksissa katalyysi ei sisällä mitään entsyymin aminohappotähteistä, vaan pikemminkin tähän entsyymiin kytkettyä kofaktoria . Entsyymien rakenne voi myös sisältää sitoutumiskohdan allosteeriselle efektorille, joka aiheuttaa konformaatiomuutoksen, joka aktivoi tai estää entsyymiaktiivisuutta.
Entsyymit on ensin sitoutua niiden substraattien ennen kuin he voivat katalysoida mitään kemiallista reaktiota . Entsyymit ovat enemmän tai vähemmän spesifisiä sekä substraattien, joihin ne voivat sitoutua, että reaktioiden suhteen, joita ne kykenevät katalysoimaan. Tämä spesifisyys johtuu niiden sitoutumiskohtien konfiguraatiosta, jotka ovat taskuja, joilla on komplementaarinen muoto, sekä sähkövarausten ja hydrofiilisten / hydrofobisten ominaisuuksien alueellinen jakauma substraatin vastaaviin ominaisuuksiin nähden. Entsyymit voivat siten erottaa hyvin samanlaiset molekyylit varmistaen niiden kemoselektiivisyyden , regioselektiivisyyden ja stereospesifisyyden .
Jotkut spesifisemmistä entsyymeistä ovat mukana DNA-replikaatiossa ja geeniekspressiossa . Jotkut näistä entsyymeistä on varustettu "oikolukumekanismilla": näin on DNA-polymeraaseilla , jotka pystyvät korjaamaan replikointivirheet - virheelliset emäsparit - ennen siirtymistä seuraavaan nukleotidiin . Tämä kaksivaiheinen prosessi saavuttaa erityisen korkean tarkkuuden, ja siinä on vähemmän kuin yksi virhe 100 miljoonassa reaktiossa nisäkkäissä . Samanlaisia mekanismeja on myös RNA-polymeraaseissa , aminoasyyli-tRNA-syntetaaseissa ja ribosomeissa . Kääntäen tietyillä entsyymeillä on yksi tai useampi ns. " Promcuity " -aktiivisuus , toisin sanoen ne voivat katalysoida joukon toisiinsa liittyviä reaktioita substraattisarjalla, jolla on erilaisia fysiologisia vaikutuksia. Monilla entsyymeillä on vähäisiä katalyyttisiä vaikutuksia, jotka voivat esiintyä vahingossa ja olla lähtökohta uusien toiminnallisuuksien valinnalle evoluution aikana .
Lukko- ja avainmalli (vanhentunut)Entsyymien spesifisyyden selittämiseksi niiden kemiallisten reaktioiden valinnassa, joita ne kykenevät katalysoimaan, saksalainen kemisti Emil Fischer ehdotti vuonna 1894, että entsyymillä ja reaktion substraatilla on komplementaarinen geometria, joka sallii substraatin sopivan tarkalleen entsyymiin. Tätä esitystä kutsutaan usein "lukko ja avain -malliksi". Tämä malli ottaa huomioon entsyymien spesifisyyden, mutta ei selitä, miten entsyymit onnistuvat stabiloimaan siirtymätilan reaktioiden aikana.
Tätä mallia pidetään nyt vanhentuneena, koska se yksinkertaistaa todellisuutta liian yksinkertaisesti. Itse asiassa ei olisi mahdollista, että entsyymeillä olisi sama konformaatio, kun ne on kytketty substraattiinsa kuin silloin, kun ne eivät ole yhteydessä siihen.
Indusoitu säätömalliAmerikkalainen biokemisti Daniel Koshland ehdotti vuonna 1958 ns. Indusoitua sovitusmallia lukko- ja avainmallin mukauttamiseksi ottamaan huomioon se tosiasia, että entsyymit ovat joustavia molekyylejä: Koshland uskoi sen sijaan, että kuvitellaan pesäisevän substraattia kiinteään entsyymiin substraatin ja entsyymin välinen vuorovaikutus muuttaa aktiivista kohtaa koko sitoutumisen muodostumisen ajan.
Joissakin tapauksissa, kuten glykosidihydrolaasit , substraatti itse muuttaa muotoaan hieman sitoutuessaan entsyymin aktiiviseen kohtaan.
Aktiivinen kohta jatkaa konfiguraation muuttamista, kunnes substraatti on täysin sitoutunut, ja vasta sitten voidaan määrittää varauksen jakauma ja lopullinen geometria.
Entsyymit voivat nopeuttaa kemiallisia reaktioita useilla tavoilla, mutta niihin kaikkiin liittyy aktivointienergian alentaminen , totesi Ea :
Entsyymi voi käyttää useampaa kuin yhtä näistä mekanismeista samanaikaisesti. Täten peptidaasit , kuten trypsiini, toteuttavat kovalenttisen katalyytin katalyyttisen triadin avulla , stabiloivat sähkövarausten jakautumisen siirtymätilassa käyttämällä oksyanionireikää , ja täydellisen hydrolyysin suuntaamalla spesifisesti veden molekyyliä .
Entsyymit eivät ole jäykkiä, staattisia rakenteita. Päinvastoin, ne ovat kokonaisen sisäisten liikesarjan paikka, olipa kyseessä yksittäisten aminohappotähteiden liike, jäännösryhmän liike, joka muodostaa toissijaisen rakenteen elementin, tai jopa koko domeeni. Nämä liikkeet synnyttävät joukon rakenteita, jotka ovat hieman erilaisia toisistaan ja jotka ovat tasapainossa jatkuvassa muunnoksessa keskenään. Eri entsyymin konformaatiotilat voivat liittyä esimerkiksi sen kemiallisen aktiivisuuden eri vaiheisiin. Täten dihydrofolaattireduktaasin eri konformaatiot liittyvät katalyyttisen syklin aikana vastaavasti sitoutumiseen substraattiin, katalyysiin, kofaktorin vapautumiseen ja lopuksi tuotteen vapautumiseen.
Allosteriset säätelykohteet ovat sitoutumiskohtia, jotka ovat erillisiä aktiivisesta kohdasta ja jotka voivat olla vuorovaikutuksessa soluympäristössä olevien molekyylien kanssa, joita tässä tapauksessa kutsutaan allosteerisiksi efektoreiksi. Näiden molekyylien sitoutuminen tähän kohtaan aiheuttaa konformaatiomuutoksen tai entsyymin sisäisen dynamiikan modifikaation, jotka muuttavat aktiivisen kohdan ominaisuuksia ja muuttavat siten entsyymin reaktionopeutta. Nämä muutokset voivat aktivoida tai estää entsyymejä. Allosteriset vuorovaikutukset metaboliittien kanssa ylävirtaan tai alavirtaan metaboliareitistä , johon entsyymi osallistuu, aiheuttavat takaisinkytkentäsilmukoita, jotka mahdollistavat entsyymin aktiivisuuden moduloinnin metaboliittien virtauksen voimakkuuden mukaan.
Jotkut entsyymit eivät tarvitse muita komponentteja ollakseen täysin aktiivisia. Toisten on sen sijaan oltava vuorovaikutuksessa ei- proteiinisten kemiallisten lajien , joita kutsutaan kofaktoreiksi , ollakseen aktiivisia. Nämä kofaktorit voivat olla epäorgaanisia, kuten metalli- ionit tai rauta-rikki- klusteri , tai muut orgaaniset yhdisteet , kuten flaviini tai hem . Orgaaniset kofaktorit voivat olla koentsyymejä , jotka vapautuvat entsyymin aktiivisesta kohdasta reaktion aikana, tai proteesiryhmiä , jotka pysyvät tiukasti kiinni entsyymissä. Jotkut orgaaniset proteesiryhmät ovat kovalenttisesti sidoksissa entsyymiinsä , kuten entsyymien, kuten pyruvaattikarboksylaasin , biotiinissa .
Hiilihappoanhydraasi on esimerkki entsyymin kofaktori sinkin sitoutuneena aktiiviseen kohtaan. Nämä entsyymiin läheisesti liittyvät ionit tai molekyylit löytyvät yleensä aktiivisesta kohdasta ja ovat mukana katalyytissä . Siten flaviinia tai hemiä esiintyy usein redoksireaktioissa.
Entsyymejä, joista puuttuu aktiivinen kofaktori, kutsutaan apoentsyymeiksi tai apoproteiineiksi . Kofaktoriinsa ( oksaroihin ) liitettyä entsyymiä kutsutaan holoentsyymiksi . Entsymaattisia komplekseja, jotka on muodostettu useista alayksiköistä , joiden läsnä ovat kaikki entsymaattisen aktiivisuuden edellyttämät alayksiköt, kutsutaan myös holoentsyymeiksi ; tätä termiä käytetään usein DNA-polymeraaseihin .
Koentsyymit ovat pieniä orgaanisia molekyylejä, jotka voidaan liittää entsyymiin melko löyhästi tai päinvastoin hyvin tiukasti. Ne kuljettavat funktionaalisia ryhmiä tai tähteitä entsyymistä toiseen. NAD + , NADPH ja ATP ovat koentsyymit. Jotkut koentsyymit, kuten riboflaviini , tiamiini ja foolihappo, ovat vitamiineja , toisin sanoen yhdisteitä, joita elimistö ei voi syntetisoida ja jotka on imeytettävä sellaisenaan ruokavalion kautta. Koentsyymien kantamien kemiallisten ryhmien joukossa ovat hydridi-ioni H - kantaa NADH ja NADPH, fosfaattiryhmä –OPO 3 2–kuljettaa ATP, asetyyliryhmä –COCH 3kuljettavat koentsyymi A , aldehydi –CHO, metenyyli –CH = tai metyyli – CH3- ryhmätfoolihapon tai S- adenosyylimetioniinin (SAM) kantama metyyliryhmä .
Koska koentsyymejä modifioidaan entsyymien katalysoimien kemiallisten reaktioiden aikana, voi olla hyödyllistä ajatella niitä erityisinä substraateina, joita jakavat monenlaiset entsyymit. Siten yli 1000 entsyymiä tunnetaan käyttämällä NAD + : ta koentsyyminä.
Koentsyymit uudistuvat jatkuvasti ja niiden pitoisuus pidetään vakiona solussa. Esimerkiksi, NADPH regeneroidaan Pentoosi fosfaatti reitti ja S -adenosyyli- metioniini regeneroidaan metioniini adenosyltransferase . Tämä pysyvä uudistuminen tarkoittaa, että pieniä määriä koentsyymejä voidaan käyttää hyvin intensiivisesti. Esimerkiksi ihmiskeho käyttää ja uudistaa omaa painoaan ATP: ssä joka päivä.
Kuten kaikki katalyytit , entsyymit eivät muuta reaktion kemiallista tasapainoa . Entsyymin läsnäolon tarkoituksena on yksinkertaisesti nopeuttaa reaktiota, joka tapahtuu samaan suuntaan. Siten hiilihappoanhydraasi , joka katalysoi palautuvaa reaktiota, toimii kumpaankin suuntaan sen reagenssien suhteellisen pitoisuuden mukaan:
Reaktionopeus riippuu aktivointienergiasta, joka tarvitaan substraateista siirtymätilan saavuttamiseksi, joka sitten etenee reaktiotuotteiden muodostumiseen. Entsyymit nopeuttavat reaktionopeutta alentamalla siirtymätilan aktivointienergiaa. Ne aloitetaan luomalla matalaenerginen entsyymi-substraatti (ES) -sidos, sitten stabiloimaan siirtymätila (ES ‡ ) niin, että se vaatii vähemmän energiaa muodostaakseen, ja kehittämään tämän siirtymätilan kohti entsyymi-tuotekompleksia (EP), joka hajoaa spontaanisti.
Lisäksi entsyymit voivat yhdistää kaksi tai useampaa reaktiota, jotta termodynaamisesti epäedullisessa asemassa oleva reaktio tapahtuisi käyttämällä termodynaamisesti suosittua reaktiota siten, että kahden reaktion tuotteiden yhdistetty energia on pienempi kuin niiden substraattien yhdistetty energia. Tämä on hyvin usein asianlaita hydrolyysi on ATP , jossa on yleisesti yhdessä muiden kemiallisten reaktioiden, erityisesti hajoamista ( biosynteesiä ).
Entsyymikinetiikka tutkitaan kuinka entsyymit sitoutuvat niiden substraatit ja muunnetaan reaktiotuotteet. Datan kvantitatiivinen entsyymin kinetiikka saadaan yleensä entsymaattisista määrityksistä (in) . Vuonna 1913 saksalainen Leonor Michaelis ja kanadalainen Maud Menten ehdottivat entsymaattisen kinetiikan kvantitatiivista teoriaa, jota kutsutaan Michaelis-Menten-yhtälöksi . Niiden pääasiallinen panos oli suunnitella entsymaattiset reaktiot kahdessa vaiheessa. Ensinnäkin substraatit sitoutuvat palautuvasti entsyymiin muodostaen entsyymi-substraatti-kompleksin. Sitten entsyymi katalysoi kemiallisen reaktion ja vapauttaa reaktiotuotteet. Näitä teoksia jatkoivat sitten britit George Edward Briggs (in) ja John BS Haldane , jotka ajautuivat kineettisissä yhtälöissä, joita käytetään edelleen laajalti.
Entsyymin nopeus riippuu liuoksen olosuhteista ja substraattien pitoisuudesta . Enimmäismäärä V max entsyymireaktion voidaan määrittää pitoisuuden lisääminen [ S ] substraattien kunnes muodostumisen nopeutta reaktion tuotteiden osoittaa tasanne, kuten on esitetty vastapäätä. Tämä kylläisyys selitetään sillä, että mitä enemmän substraattien pitoisuus kasvaa, sitä enemmän tämä substraatti sitoutuu entsyymeihin, niin että entsyymi-substraatti-kompleksien pitoisuus kasvaa ja vapaan entsyymin pitoisuus pienenee; maksimaalinen reaktionopeus vastaa tilannetta, jossa kaikki entsyymit ovat sitoutuneet substraatteihinsa siten, ettei yhdelläkään vapaalla entsyymillä ole enää sitoutumiskohtia.
Lisäksi suurin nopeus V max entsyymin määrä substraatin tarpeen saavuttaa tietyn reaktion nopeus on toinen tärkeä suure kuvaavat entsyymin aktiivisuus. Tämä määrä mitataan Michaelis-vakio K M , joka edustaa konsentraatiota substraatin tarpeen entsyymi ulottuville puoli on V max . Kukin entsyymi on yleensä annettu K m kullekin sen substraatteja. Reaktio nopeus v on substraatin konsentraatio [ S ], joka vastaa kasvu tuotteen pitoisuuden [ P ], on sitten yhtälöstä:
.Katalyyttinen vakio , jota merkitään k kissa , jota kutsutaan myös liikevaihdon numero (TON), edustaa määrä substraatin molekyylien muunnetaan tuotteita kohti aktiivisen ja sekunnissa. Se on kytketty enimmäisnopeuteen V max ja entsyymin konsentraatioon [ E ] yhtälöllä V max = k cat [ E ] .
Entsymaattinen aktiivisuus mitataan kataleissa , SI-yksikkö, jonka määrittelee 1 kat = 1 mol s −1 , tai useammin entsymaattisissa yksiköissä , jotka määritellään 1 U = 1 µmol · min -1 : nämä määrät edustavat tarvittavan entsyymin määrää käsitellä yksikkömäärä substraattia aikayksikköä olosuhteissa, jotka on määritettävä mittauksen yhteydessä. Siitä voidaan päätellä entsyymin spesifinen aktiivisuus, joka edustaa sen aktiivisuutta massayksikköä kohti, ilmaistuna esimerkiksi U mg- 1: ssä .
Entsyymin tehokkuus voidaan ilmaista k cat / KM: nä , mikä edustaa spesifisyyden vakiota. Koska se heijastaa sekä affiniteettia substraatteihin että katalyytin tehokkuutta, on hyödyllistä verrata entsyymejä keskenään tai verrata samaa entsyymiä eri substraatteihin.
Michaelis-Mentenin kinetiikka perustuu massavaikutuksen lakiin , joka johtuu olettamuksesta, että aineen diffuusio on vapaa ja että hiukkasten väliset törmäykset ovat satunnaisia ja termodynamiikan kuvaamia . Monet biokemialliset tai soluprosessit poikkeavat kuitenkin merkittävästi näistä olosuhteista johtuen kemiallisten lajien erittäin suuresta pitoisuudesta sytosolissa, mikä rajoittaa niiden liikkumisvapautta. Michaelis-Mentenin kinetiikka on ollut viimeaikaisten laajennusten kohteena, joissa yritetään ottaa nämä vaikutukset huomioon.
Entsyymin inhibiittori on pieni molekyyli , joka vähentää reaktionopeus entsyymin.
Entsyymin eston tyypit luokitellaan yleensä seuraaviin luokkiin.
Kilpailullinen estoKilpaileva estäjä voi sitoutua entsyymiin estämällä sen substraatteja tekemästä niin. Se on usein molekyyli, joka näyttää yhdeltä substraateista ja ottaa paikkansa yhdellä sitoutumiskohdista, mutta entsyymi ei pysty katalysoimaan kemiallista reaktiota tämän estäjän kanssa. Siten, metotreksaatti , syöpälääke , on kilpaileva inhibiittori dihydrofolaattireduktaasin , joka katalysoi vähentäminen dihydrofolaattireduktaasin ja tetrahydrofolaatin . Tämän tyyppinen esto voidaan kiertää suurella substraattikonsentraatiolla. Se voi myös olla molekyyli, joka sitoutuu entsyymin toiseen kohtaan ja aiheuttaa konformaatiomuutoksia, jotka modifioivat sitoutumiskohdan substraattiin allosteerisen vaikutuksen avulla . Näin ollen, affiniteetti entsyymin sen substraattien kanssa laskee ja sen Michaelis-vakio K M kasvaa, samalla kun sen suurin nopeus V max pysyy muuttumattomana.
Ei-kilpaileva estoEi-kilpaileva estäjä sitoutuu entsyymiin sivuston riippumaton substraatin sitoutumiskohdat. Nämä siis sitoutua entsyymiin kanssa muuttumattomana affiniteetilla niin, että Michaelis-vakio K M pysyy muuttumattomana. Inhibiittori vähentää kuitenkin entsyymin tehokkuutta, ts. Sen katalyyttistä vakiota k cat ja siten sen suurinta nopeutta V max . Toisin kuin kilpaileva esto, ei-kilpaileva esto ei vähene lisäämällä substraatin konsentraatiota.
Kilpailematon estoKilpailukykyinen inhibiittori voi sitoutua vain entsyymi-substraatti-kompleksiin eikä vain entsyymiin. Tämän tyyppinen inhibiittori on siksi sitä tehokkaampi, mitä suurempi substraattien pitoisuus on. Entsyymi-substraatti-inhibiittori-kompleksi on passiivinen eikä voi katalysoida substraattien muuttumista tuotteiksi. Tämän tyyppinen esto on edelleen harvinaista.
Sekoitettu estoSekoitettu inhibiittori sitoutuu allosteerisen päällä erillään substraattia sitovaan entsyymiin, ja nämä kaksi sidosta vuorovaikutuksessa toistensa kanssa. Entsyymin toiminnallisuus vähenee, mutta sitä ei poisteta sitoutuessaan inhibiittoriin. Tämän tyyppinen estäjä ei noudata Michaelis-Menten-yhtälöä .
Palautumaton estoPysyvä estäjä, jota kutsutaan myös itsemurhan estäjäksi, sitoutuu entsyymiin estääkseen sitä pysyvästi, yleensä kovalenttisen sidoksen kautta . Penisilliini ja aspiriini toimia tällä tavalla vastaavasti on transpeptidaasientsyymin ja syklo- .
Monissa elävissä olennoissa entsyymi-inhibiittorit ovat mukana osana yleistä aineenvaihdunnan palautemekanismia . Kun molekyyliä tuotetaan liikaa, se voi toimia entsyymin estäjänä, joka sitoutuu metaboliaan, joka tuottaa tämän molekyylin, mikä vähentää sen tuotantoa ja ylläpitää fysiologista pitoisuutta sopivalla tasolla. Tämä on eräänlainen negatiivinen vetäytyminen. Suurimmat aineenvaihduntareitit, kuten Krebs-sykli, käyttävät tällaisia mekanismeja.
Koska estäjät moduloivat tiettyjen entsyymien aktiivisuutta, niitä käytetään usein lääkkeinä . Monet lääkkeet ovat palautuvia kilpailevia estäjiä, jotka muistuttavat näiden entsyymien luonnollista substraattia. Edellä esitetyn metotreksaatin lisäksi sellaisia kilpailevia estäjiä ovat esimerkiksi statiinit, joita käytetään hyperkolesterolemian hoitoon estämällä HMG-CoA-reduktaasia, ja proteaasi-inhibiittorit, joita käytetään retrovirusinfektioiden , kuten HIV, hoitoon . Klassinen esimerkki on aspiriinin peruuttamaton esto , joka estää syklo-oksigenaasia COX-1 ja COX-2 tuottavia tulehduksen lähettimiä , jotka ovat prostaglandiineja .
Muut entsyymin estäjät ovat myrkkyjä . Tässä tapauksessa, esimerkiksi, jossa syanidi CN - , joka sitoutuu kupari ja rauta on aktiivisen kohdan ja sytokromi c -oksidaasin ja estää solujen hengitys .
Entsyymit suorittavat suuren määrän toimintoja elävissä olennoissa. Ne ovat välttämättömiä signaalinsiirtomekanismeille ja soluprosessien säätelylle, usein kinaasien ja fosfataasien aktiivisuuden kautta . Ne ovat myös mukana sukupolven liikkeitä, kuten myosiini , joka hydrolyysi ATP , että lihaksen supistumisen ja mahdollistaa liikenteen molekyylien kautta kennon vaikuttamalla solun tukirangan . Ioni pumput ja solukalvojen ovat muita ATPaasien mukana aktiivisen kuljetuksen transmembraanisen. Entsyymit ovat mukana myös enemmän eksoottisia prosesseissa, kuten bioluminesenssi tuotettu, esimerkiksi lusiferaasin on Fireflies , tai jopa tietyt bakteerit . Virukset sisältävät entsyymit puolestaan jotta he voivat tartuttaa soluja, kuten integraasin ja käänteistranskriptaasin sekä HIV , tai poistua infektoituneita soluja kuin neuraminidaasin että viruksen n flunssa .
Entsyymeillä on tärkeä rooli ruoansulatuskanavan ihmisen yksikkö , jossa entsyymejä, kuten amylaasia ja peptidaasi mukana hajottavien on biopolymeerien , kuten tärkkelyksen ja proteiinien osaksi pienemmiksi molekyyleiksi , jotka voivat absorboitua suoliston - vastaavasti maltoosi (sitten glukoosi ) ja hapot α-amino esimerkissämme. Makromolekyylit Orgaaninen ovat todellakin liian suuria imeytyy suoraan, ja se on niiden monomeerit , jotka imeytyvät. Ruoansulatus kattaa erityisesti prosessin katkaisun makromolekyylien pieniin molekyyleihin. Eri entsyymejä tarvitaan erilaisten aineiden sulattamiseksi. In märehtijät , jotka ovat kasvinsyöjiä , mikro-organismeja suolistossa on erityistä entsyymiä, sellulaasi , joka pystyy katkaisemaan selluloosan peräisin soluseinän kasvisolujen.
Useat entsyymit voivat toimia yhdessä määritellyssä järjestyksessä muodostaen aineenvaihduntareittejä : Tällaisessa kokoonpanossa yhden entsyymin yhdestä tuotteesta tulee seuraavan entsyymin substraatti . On mahdollista, että useat entsyymit katalysoivat samaa reaktiota rinnakkain; tämä sallii monimutkaisemmat säätötavat, esimerkiksi yhden entsyymin matalan aktiivisuusvakion, mutta toisen entsyymin kanssa, joka voi saavuttaa korkean aktiivisuustason aktivoituna.
Entsyymit määrittävät aineenvaihduntareittien vaiheet. Entsyymien puuttuessa aineenvaihdunta ei kulje samoilla reiteillä eikä sitä voida säätää solujen tarpeiden mukaiseksi. Useimmat suuret aineenvaihduntareittiä ohjataan muutaman päävaiheita, tavallisesti entsyymien, jotka vaativat hydrolyysi on ATP . Tämä reaktio on voimakkaasti eksoterminen (toisin sanoen siihen liittyy korkean vapaan entalpian vaihtelu ), ja se voidaan kytkeä endotermiseen reaktioon (toisin sanoen siihen liittyy 'negatiivisen vapaan entalpian vaihtelu') saadakseen aikaan se on termodynaamisesti suotuisa.
On periaatteessa viisi tapaa hallita entsyymien aktiivisuutta soluissa.
Entsyymit voidaan aktivoida tai estää muilla molekyyleillä. Metabolisen reitin lopputuote (tuotteet) ovat usein yhden tämän reitin ensimmäisten entsyymien estäjiä , yleensä ensimmäisen entsyymin, joka katalysoi peruuttamattoman vaiheen, joka säätelee lopputuotteen määrää; se on takaisinkytkentämekanismi, koska lopputuotteen määrää säätelee tuotteen oma pitoisuus. Palautteen avulla voidaan säätää tehokkaasti joukon välituotteiden metaboliittien biosynteesitasoa solun tarpeiden mukaan välttäen menetettävien ylimääräisten molekyylien tuotantoa ja vähentäen solujen aineenvaihdunnan yleistä tehokkuutta.
Fosforylaatio , myristoylointi ja glykosylaatio ovat esimerkkejä translaation jälkeisiä modifikaatioita . Täten fosforylaatio, aiheuttama insuliini , monien entsyymien, kuten glykogeenisyntaasia , tekee mahdolliseksi kontrolloida anaboliaa ja kataboliaa ja glykogeenin ja mahdollistaa solun sopeutua vaihteluita veren sokeria .
Toinen esimerkki translaation jälkeisestä modifikaatiosta on polypeptidiketjun pilkkominen . Kymotrypsiini , joka on peptidaasi ruoansulatuskanavan, tuotetaan haimassa inaktiivisessa muodossa nimeltään kymotrypsinogeeni ja kuljetetaan tässä muodossa osaksi vatsaan , jossa se on aktivoitu. Tämä estää aktiivista kymotrypsiiniä sulattamasta muita kudoksia ennen mahalaukkuun pääsemistä. Tämän tyyppinen ei-aktiivinen entsyymin esiaste on tsymogeeni .
Entsyymien tuotantoa voidaan lisätä tai vähentää solun vasteena muutoksiin sen ympäristössä. Tätä geeniekspression säätelymuotoa kutsutaan entsyymi-induktioksi. Tämä on esimerkiksi tapauksessa, bakteerit , jotka tulevat vastustuskykyisiä ja antibiootit , esimerkiksi penisilliini indusoimalla entsyymejä, joita kutsutaan β-laktamaasit , jotka hydrolysoivat β-laktaami ydin , joka on juuri farmakoforia tämäntyyppisen antibiootteja. Sytokromi P450 oksidaasit ovat toinen esimerkki entsyymi-induktiota. Näillä entsyymeillä on tärkeä rooli monien lääkkeiden aineenvaihdunnassa , ja niiden indusointi tai estäminen voi johtaa lääkkeiden yhteisvaikutuksiin .
Solussa läsnä olevien entsyymien määrää voidaan myös moduloida niiden hajoamisen avulla .
Entsyymien solunsisäinen jakautuminen voidaan jakaa osiin siten, että erilaiset metaboliareitit tapahtuvat eri soluosastoissa . Siten, rasvahapot ovat tuotetaan joukolla entsyymien jaetaan sytosolissa , endoplasmakalvoston ja Golgin laitteessa , ja ne hajoavat vapauttaa kemiallista energiaa β-hapettumista vaikutuksesta toinen joukko entsyymejä sijaitsee mitokondrioissa . Lisäksi solun eri osastoissa esiintyy erilaisia protonointitasoja (esimerkiksi lysosomit ovat happamia, kun sytoplasma on neutraali) tai erilaisia hapettumisasteita (esimerkiksi periplasma on hapettavampi kuin sytoplasma ), joka myös moduloi siinä olevien entsyymien aktiivisuustaso.
In monisoluisista eliöistä , soluja eri elimistä tai kudoksista niillä on erilaiset mallit geenin ilmentymisen ja sen vuoksi tuottaa eri versioita, kutsutaan isoentsyymejä , ja samoja entsyymejä, katalysoi eri aineenvaihdunnan reaktioita. Tämä tarjoaa mekanismin kehon aineenvaihdunnan säätelyyn . Siten, heksokinaasi , ensimmäinen entsyymi glykolyysin , on erikoistunut muoto, glukokinaasi , ilmentyy maksassa ja haimassa , jonka affiniteetti on glukoosi on pienempi, mutta joka on herkempi vaihteluille glukoosin pitoisuus. . Tämän avulla tämä entsyymi voi säätää insuliinin tuotantoa verensokerin muutosten perusteella .
Koska entsyymiaktiivisuuden erittäin tarkka hallinta on välttämätöntä organismin homeostaasille , minkä tahansa yksittäisen kriittisen entsyymin toimintahäiriö ( mutaatio , ylituotanto, alituotanto tai puuttuminen) voi aiheuttaa geneettisen sairauden . Tuhansien ihmiskehon keskuudessa yhden entsyymityypin toimintahäiriö voi olla hengenvaarallinen: esimerkiksi Tay-Sachsin taudista vastuussa olevan heksosaminidaasin puutos .
Fenyyliketonurian yleisin muoto on toinen esimerkki entsyymipuutoksesta johtuvasta taudista. Monet mutaatiot eivät vaikuta kukin tähde on aminohappo on fenyylialaniinihydroksylaasin , joka katalysoi ensimmäinen askel hajoamista ja fenyylialaniinin , johtaa kertyminen tämän aminohapon ja niihin liittyvät tuotteet. Jotkut näistä mutaatioista vaikuttavat aktiiviseen kohtaan muuttamalla suoraan substraatin sitoutumista ja katalyysiä, mutta monet muut mutaatiot vaikuttavat tähteisiin, jotka ovat kaukana aktiivisesta kohdasta, ja vähentävät entsyymiaktiivisuutta muuttamalla entsyymin taittumista ( tertiäärirakenne ) tai vaikuttamalla sen oligomerisaatioon ( kvaternaarinen rakenne ) . Tämä voi johtaa henkiseen vammaisuuteen, ellei sairaudesta huolehdita. Oraalinen entsyymien antaminen voi hoitaa tiettyjä toiminnallisia entsyymipuutteita, kuten haiman eksokriinisen vajaatoiminnan (en) ja laktoosi-intoleranssin .
Sairaudet voivat johtua muun tyyppisistä entsymaattisista toimintahäiriöistä, kun ne vaikuttavat DNA: ta korjaaviin entsyymeihin aiheuttaen mutaatioita sukusoluissa . Tällaiset entsymaattiset viat aiheuttavat todennäköisemmin syöpää, koska solut ovat sitten herkempiä genomin mutaatioille . Tällaisten mutaatioiden hidas kertyminen voi sitten johtaa syöpien esiintymiseen . Esimerkki tällaisista perinnöllisistä syöpäoireista on xeroderma pigmentosum , joka johtaa ihosyövän kehittymiseen jopa vähäisen altistumisen ultraviolettivalolle .
Joitakin entsyymejä käytetään kemianteollisuudessa ja muissa teollisissa sovelluksissa, kun tarvitaan hyvin spesifisiä katalyyttejä . Luonnolliset entsyymit ovat kuitenkin melko rajoitettuja niiden reaktioiden kannalta, joita ne kykenevät katalysoimaan, koska ne ovat reaktioita, jotka liittyvät elävien olentojen aineenvaihduntaan eivätkä kemianteollisuuteen yleensä; entsyymit ovat aktiivisia myös niiden organismien fysiologisissa fysikaalis-kemiallisissa olosuhteissa , joista ne ovat peräisin, olosuhteet, jotka poikkeavat usein teollisissa prosesseissa toteutetuista. Näin ollen proteiinitekniikka (in) on aktiivinen tutkimusalue, jonka tavoitteena on kehittää uusia entsyymejä, joilla on innovatiivisia ominaisuuksia joko järkevällä suunnittelulla tai evoluutiolla in vitro . Vuosisadan vaihteesta lähtien entsyymit on voitu suunnitella täysin keinotekoisella tavalla sellaisten kemiallisten reaktioiden katalysoimiseksi, joita ei tapahdu luonnossa.
Alla olevassa taulukossa on yhteenveto joidenkin yleisten entsyymien teollisista sovelluksista.
Ensimmäisen entsyymin, diastaasin , eristivät vuonna 1833 Anselme Payen ja Jean-François Persoz . Käsittelyn jälkeen vesipitoinen maltaan uute kanssa etanolilla , ne saostettiin aine herkkiä lämmölle ja, jotka kykenevät hydrolysoitumaan tärkkelys , joten sen nimi on diastaasin taottu vanha kreikkalainen r | διάστασις ilmaiseva toimintaa pilkkovat. Se oli oikeastaan amylaasi .
Biologi ja kemisti Émile Duclaux (1840-1904) kannatti myöhään XIX : nnen vuosisadan nimetä samoja vaikuttavia aineita diastaasin jälkiliitteeseen -ase viitaten jälkimmäisessä.
Muutama vuosikymmen myöhemmin opiskellessaan alkoholikäymisestä sokeria, jota hiiva , Louis Pasteur päätteli, että vaikuttavaa ainetta - jota hän kutsui kuohuntaa - sisältämä hiiva oli vastuussa tästä käyminen. Hän katsoi, että tämä aine oli aktiivinen vain elävässä solussa. Pasteur kirjoitti:
"Alkoholinen käyminen on teko, joka korreloi hiivasolujen elämän ja organisoinnin kanssa, ei kuoleman tai mätänemisen kanssa; että se ei ole myöskään kontakti-ilmiö, tapaus, jossa sokerin muutos toteutettaisiin hylkäämättä tai ottamatta siitä mitään. "
Vuonna 1877 saksalainen fysiologi Wilhelm Kühne ( 1837-1900) otti käyttöön termin entsyymi viittaus tähän prosessiin, mistä antiikin Kreikan ἔνζυμον loi päässä etuliite ἐν "in" ja aineellisen ἡ ζύμη " hapatuksen ". Sana entsyymi viittasi myöhemmin eläviin vaikuttaviin aineisiin, kuten pepsiini , kun taas sanaa käyminen käytettiin viitaten elävien tuottamaan kemialliseen aktiivisuuteen.
Vuonna 1883 ranskalainen biologi ja kemisti Antoine Béchamp julkaisi Les microzymas -teoksen , jossa hän teorioi käsitteensä " mikrotsyymit (en) " kaiken elävän aineen perimmäisiksi ainesosiksi; tässä yhteydessä hän käytti termiä zymase .
Saksalainen kemisti Eduard Buchner julkaisi ensimmäisen tutkimuksensa hiivauutteiden tutkimuksesta vuonna 1897. Sarjassa kokeita Berliinin Humboldtin yliopistossa hän huomasi, että sokeria voidaan käydä hiivauutteilla, vaikka seoksessa ei olisi hiivasoluja. ja sai vuonna 1907 kemian Nobel-palkinnon käymisen löytymisestä ilman eläviä soluja. Hän kutsui fermentaatiosta vastaavaa entsyymiä zymaseiksi , ryhtymällä entsyymien nimen rakentamiseen viittaamalla niiden katalysoimaan prosessiin, johon lisätään loppuliite -ase , muutama vuosi aikaisemmin Émile Duclaux'n suositusten mukaisesti.
Biokemiallinen luonne entsyymien jäi kuitenkin tuntemattomia alussa XX : nnen vuosisadan. Monet tiedemiehet olivat havainneet, että entsymaattinen aktiivisuus liittyi proteiineihin , kun taas toiset (mukaan lukien Richard Willstätter , 1915 kemian Nobel-palkinto klorofyllityössään ) pitivät proteiineja yksinkertaisina entsymaattisen aktiivisuuden kantajina., Jotka eivät itsessään kykene katalysoimaan kemiallisia reaktioita. Vuonna 1926 James B. Sumner osoitti, että ureaasi oli puhtaasti proteiiniluonteinen entsyymi ja kiteytti sen ; hän teki saman vuonna 1937 katalaasilla . John Howard Northrop ja Wendell Meredith Stanley saivat päätökseen entsyymien proteiiniluonteen luomisen työskentelemällä pepsiinillä (1930), trypsiinillä ja kymotrypsiinillä . Nämä kolme tutkijaa jakoivat vuoden 1946 kemian Nobel-palkinnon.
Entsyymien kiteytyminen mahdollisti niiden kolmiulotteisen rakenteen vahvistamisen röntgenkristallografialla . Tämä tehtiin ensimmäistä kertaa lysotsyymillä , joka on kyynelistä , syljestä ja munanvalkuaisesta löydetty entsyymi , joka pilkkoo tiettyjen bakteerien vaippaa : sen rakenteen ratkaisi David Chilton Phillipsin ( fr ) johtama ryhmä, joka julkaistiin vuonna 1965. Lysotsyymin rakenteen päätöslauselma perustaminen merkitsi rakennebiologian alkua ja tutkimusta entsyymien toiminnasta atomimittakaavassa.
Nimistö komitea on International Union of biokemian ja molekyylibiologian ( NC-IUBMB ) kehitti EY nimikkeistön (for Entsyymikomission ), joka perustuu tyypin kemiallisten reaktioiden katalysoidun . Tämä nimikkeistö koostuu neljästä pisteillä erotetusta numerosta, jotka liittyvät yhteen systemaattiseen nimeen; esimerkiksi a-amylaasilla on numero EC ja systemaattinen nimi 4-a- D- glukaaniglukaanihydrolaasi. Systemaattista nimeä käytetään harvoin: se on yleensä ensisijainen käyttönimi, entsyymillä voi olla useita nimiä, jotkut ovat joskus epäselviä.
Entsyymit luokitellaan kuuteen pääryhmään niiden katalysoimien reaktiotyyppien mukaan:
Ryhmä | Koodattu | Reaktion tyyppi |
---|---|---|
Oksidoreduktaasit | EC 1 | Hapetus-pelkistysreaktio |
Transferaasit | EC 2 | Siirtoon funktionaaliset ryhmät yhdestä substraatista toiseen |
Hydrolaasit | EC 3 | Hydrolyysit |
Lyases | EC 4 | Erilaisten kemiallisten sidosten rikkominen muilla tavoin kuin hydrolyysillä tai hapetuksella |
Isomeraasit | EC 5 | Isomeroinnit |
Ligaasit tai syntetaasit | EC 6 | Nukleosiditrifosfaatin (yleensä ATP ) hydrolyysiin kytkettyjen kovalenttisten sidosten muodostumat |
EY-numero viittaa tietyn kemiallisen reaktion , mutta ei joka tietty molekyyli : sama EY-numero voi siten vastata useita isoentsyymejä , eli useita proteiineja, katalysoi sama kemiallinen reaktio, mutta joilla on eri peptidisekvenssejä - tämä on esimerkiksi kaikkien DNA-polymeraasien tapaus , joilla kaikilla on yhteinen EY- numero - samalla entsyymillä voi olla useita EY-numeroita, kun proteiini, joka muodostaa sen, sisältää useita aktiivisia kohtia, jotka katalysoivat erilaisia kemiallisia reaktioita - puhumme esimerkiksi kaksitoimisesta entsyymistä kun sama proteiini katalysoi kahta kemiallista reaktiota, kuten uridiinimonofosfaattisyntetaasi (UMPS), joka kuljettaa orotaattifosforibosyylitransferaasin alayksikköä ( EC ) ja orotidiini-5- alayksikön '-fosfaattidekarboksylaasia ( EC ) .
Entsyymien nimi viittaa useimmiten yhteen tai useampaan sen substraattiin , joskus katalysoitavan kemiallisen reaktion tyyppiin ja hyvin usein loppuliitteeseen -aasi , joskus loppuliitteeseen -in .
Laktaasi , alkoholidehydrogenaasi , DNA-polymeraasi , trioosifosfaatti-isomeraasi , papaiini , pepsiinillä ja trypsiinillä ovat esimerkkejä nimiä entsyymejä. Glukoosioksidaasi on siis katalysoiva entsyymi hapettumisen ja glukoosin , kun taas tärkkelys-syntaasi katalysoi biosynteesissä ja tärkkelys . Useita entsyymejä, jotka katalysoivat samaa kemiallista reaktiota, kutsutaan isoentsyymeiksi .
Koskevat peptidaasit , on täydentävä luokitus kehittämä Sanger Centre , joka perustuu proteiinin sekvensoinnin . Se ryhmitelee entsyymit perheisiin osoittamalla samanlaisia happo-amino-sekvenssejä . Ensimmäinen kirjain luokittelu vastaa tyypin peptidaasi: A asparagiiniproteaaseilla , S ja kysteiiniproteaasien , jne. .
Entsyymien nimet ovat melkein kaikki naispuolista sukupuolta; lysotsyymi ja ribotsyymit poikkeus, vaikka pääte -zyme peräisin antiikin Kreikan ἡ ζύμη ( " hapatuksen "), joka oli naispuolinen sukupuoli.
Sana entsyymi oli alun perin (vuonna 1897 ) itsessään käytetään naisellinen, esimerkiksi tiedotteen Chemical Society tai että Academy of Sciences, jne). Laroussen mukaan se on naisellinen tai joskus maskuliininen, samoin kuin sen yhdisteet (esimerkiksi koentsyymi , sama ranskan kielen aarteen kohdalla , mutta käytön vuoksi sitä käytetään yhä enemmän maskuliinisessa.) on kirjoittanut ensimmäistä kertaa vuonna 1900 hollantilainen, joka kirjoitti ranskaksi, sitten ranskalaiset kemistit Bourquelot ja Herissey, sitten yhä useammin vuosina 1925 ja 1940. Vuonna 1957, kun jo tieteellisissä artikkeleissa tuskin käytettiin enempää kuin maskuliininen, akateemikot ja tieteellisen kielen komitean katsot aihe, päättää ensimmäinen naisellinen. Mutta vetoomus 257 allekirjoittajaa vastustaakseen tätä valintaa vedoten päinvastoin käyttöön maskuliininen. kyseenalaistaa päätöstä Academy, joka vuonna 1968 jatkoi edelleen keskustelua kieliopillisista argumenteista ja yleisestä taipumuksesta käyttää maskuliinista sukupuolta. Arkistoijan ja paleografian Eugène-Humbert Guitardin (vuonna 1968) mukaan "i Englannin vaikutus, yhä useammat tutkijat tekevät ja tekevät entsyymistä maskuliinisen .