Vendi aktiv i një enzime komplekse përbëhet nga. Organizimi strukturor dhe funksional i enzimave

Enzimat janë proteina që kanë veti katalitike. Në natyrë, ekzistojnë enzima të thjeshta dhe komplekse. Të parët përfaqësohen tërësisht nga zinxhirë polipeptidikë dhe, pas hidrolizës, dekompozohen ekskluzivisht në aminoacide. Enzima të tilla (proteinat e thjeshta) janë enzimat hidrolitike, në veçanti pepsina, tripsina, papaina, ureaza, lizozima, ribonukleaza, fosfataza, etj. Shumica e enzimave natyrore i përkasin klasës së proteinave komplekse që përmbajnë, përveç zinxhirëve polipeptidë, disa joproteina komponent (kofaktor), prania e të cilit është absolutisht e nevojshme për aktivitetin katalitik. Kofaktorët mund të kenë natyra të ndryshme kimike dhe ndryshojnë në forcën e lidhjes së tyre me zinxhirin polipeptid. Karakteristikat kryesore të enzimave si biokatalizatorë përfshijnë: 1.Aktivitet i lartë. 2. Specifikimi – aftësia për të katalizuar transformimin e një substrati ose një lloj lidhjeje. Specifikimi i lartë është për shkak të komplementaritetit konformativ dhe elektrostatik midis molekulave të substratit dhe enzimës dhe organizimit unik strukturor të qendrës aktive, e cila përbëhet nga një zonë lidhëse e substratit (përgjegjëse për lidhjen e substratit) dhe një vend katalitik ( përgjegjës për zgjedhjen e rrugës së transformimit kimik të substratit Dallohen llojet e mëposhtme të specifikës: 1) substrat absolut-enzimat veprojnë vetëm në një substrat specifik. Shembull, ureaza, succinateDH. 2) specifika e grupit- enzima vepron në 1 lloj lidhjesh (për shembull, peptid, ester, glikozid). Për shembull, lipazat, fosfatazat, heksokinazat. 3) stereospecifiteti– enzima vepron në një lloj izomeri optik dhe nuk vepron në tjetrin. Ajo sigurohet nga cis- dhe trans-izomerizmi. Për shembull, majaja fermenton D-glukozën dhe nuk ka efekt në L-glukozën. 4) specifika katalitike– enzima katalizon transformimin e substratit të ngjitur përgjatë një prej rrugëve të mundshme. 3. Qëndrueshmëria termike. Sa më i lartë T°, aq më ngadalë vazhdon reagimi (parimi i Van Hoff). Për të treguar rritjen e shpejtësisë së një reaksioni kimik, përdoret koeficienti i temperaturës VanzHoff Q 10, i cili tregon një rritje të shpejtësisë së reagimit me një rritje në T ° me 10 ° C. Temperatura optimale për enzimat është 37-40°C, aktiviteti i lartë është 50-60°C, mbi këtë tregues ndodh denatyrimi, nën 20°C ka frenim. Me inhibimin dhe denatyrimin, aktiviteti enzimatik zvogëlohet shumë. 4. Varësia e aktivitetit të enzimës nga pH. Çdo enzimë shfaq aktivitet maksimal në një vlerë të caktuar pH. Kjo vlerë quhet pH optimale (për enzimat nga 6 në 8). Në pH optimale, ekziston komplementariteti më i mirë hapësinor dhe elektrostatik midis enzimës dhe substratit, i cili siguron lidhjen e tyre, formimin e kompleksit enzimë-substrat dhe transformimin e mëtejshëm të tij.

Qendra aktive është rajoni i molekulës së enzimës në të cilin ndodh lidhja dhe transformimi i substratit. Në enzimat e thjeshta, qendra aktive formohet nga mbetjet e aminoacideve. Në formimin e qendrës aktive të enzimave komplekse marrin pjesë jo vetëm mbetjet e aminoacideve, por edhe pjesa joproteinike (koenzima, grupi prostet). Në qendrën aktive, bëhet dallimi midis qendrës katalitike, e cila hyn drejtpërdrejt në ndërveprim kimik me substratin, dhe qendrës së lidhjes së substratit, e cila siguron afinitet specifik për substratin dhe formimin e kompleksit të tij me enzimën. Qendra aktive është e vendosur kryesisht në zgavrën e molekulës së proteinës. Struktura e qendrës aktive përcakton specifikën e enzimave - aftësinë për të katalizuar transformimin e një substrati (ose një grupi nën-nën-nën-nënshartesash të lidhura ngushtë) ose një lloj lidhjeje. Vendi i lidhjes së substratit të qendrës aktive përcakton specifikën absolute dhe grupore të substratit, stereospecifitetin, vendi katalitik përcakton specifikën e rrugës së transformimit.

Çdo ndikim që çon në prishjen e strukturës terciare çon në shtrembërim ose shkatërrim të strukturës së qendrës aktive dhe, në përputhje me rrethanat, në humbjen e vetive katalitike të enzimës. Nëse është e mundur të rivendoset struktura amtare tre-dimensionale e proteinës enzimë, atëherë aktiviteti i saj katalitik rikthehet.

Çdo reaksion enzimatik fillon me bashkëveprimin e një substrati, në shumicën e rasteve një molekulë të vogël, me qendrën aktive të enzimës. Qendra aktive e një enzime kuptohet si një grup mbetjesh aminoacide që lidhin (sorbimin) e substratit, aktivizimin dhe transformimin e tij kimik. Qendra aktive e molekulës së proteinës enzimë ka një konfigurim kompleks; përfshin grupe polare (hidrofile) dhe jopolare (hidrofobike).

Struktura e qendrës aktive të enzimës përbëhet nga dy përbërës:

1) vendi i thithjes (nënqendra, vendi), përgjegjës për lidhjen, fiksimin dhe orientimin e nënshtresave; vetitë e kësaj qendre përcaktojnë specifikën e veprimit të enzimës;

2) një vend katalitik (nënqendër, vend), i cili kryen transformimin kimik të molekulave të substratit dhe përdor, si rregull, katalizën e përgjithshme acid-bazë për këto qëllime.

Mbetjet e aminoacideve që formojnë qendrën katalitike të një enzime me një përbërës ndodhen në pika të ndryshme në një zinxhir të vetëm polipeptid. Prandaj, qendra aktive, e cila është një kombinim unik i disa mbetjeve të aminoacideve, shfaqet në momentin kur molekula e proteinës fiton strukturën e saj të natyrshme terciare. Mbetjet më të zakonshme që gjenden në qendrat aktive të enzimave njëkomponente janë Ser, E tij, tre,Arg, Cys, Asp, Ngjitës Dhe Tyr. Një ndryshim në strukturën terciare të një enzime nën ndikimin e faktorëve të caktuar mund të çojë në deformim të qendrës aktive dhe një ndryshim në aktivitetin enzimatik.

Qendra aktive e enzimave me dy komponentë përfaqësohet nga një përbërës jo proteinik - një koenzimë (grup protetik) dhe disa nga mbetjet e aminoacideve të përmendura më sipër.

Një tipar karakteristik i enzimave komplekse ose me dy përbërës është se as pjesa proteinike dhe as grupi shtesë veç e veç nuk kanë aktivitet të dukshëm katalitik. Vetëm kompleksi i tyre shfaq veti enzimatike. Në këtë rast, proteina rrit ndjeshëm aktivitetin katalitik të grupit shtesë, i cili është i natyrshëm në të në gjendje të lirë në një masë shumë të vogël; grupi shtesë stabilizon pjesën proteinike dhe e bën atë më pak të prekshëm ndaj agjentëve denatyrues. Kështu, megjithëse kryesuesi i drejtpërdrejtë i funksionit katalitik është grupi protetik që formon qendrën katalitike, veprimi i tij është i paimagjinueshëm pa pjesëmarrjen e fragmenteve polipeptide të pjesës proteinike të enzimës.

Në apoenzimë ekziston një rajon i karakterizuar nga një strukturë specifike që lidh në mënyrë selektive koenzimën. Ky është i ashtuquajturi domeni i lidhjes së koenzimës; struktura e tij është shumë e ngjashme në apoenzima të ndryshme që kombinohen me të njëjtën koenzimë. Këto janë, për shembull, strukturat hapësinore të domeneve të lidhjes së nukleotideve të një numri dehidrogjenazash (Fig. 1.5.1).

Oriz. 1.5.1. Vendi aktiv i glukoz-6-fosfat dehidrogjenazës

Metodat për studimin e vendeve aktive të enzimave

Ideja e qendrës aktive u formua si rezultat i analizës së të dhënave për frenimin e reaksioneve dhe modifikimin kimik të molekulës së proteinës. Frenuesit e pakthyeshëm bllokojnë aktivitetin katalitik të enzimës duke modifikuar kimikisht një nga grupet e përfshira në transformimin katalitik të substratit. Frenuesit e kthyeshëm, duke formuar një kompleks me një grup funksional të një proteine, shkaktojnë ose një ndryshim të rëndësishëm në vetitë e këtij grupi (frenuesit jo konkurrues) ose bllokojnë në mënyrë konkurruese thithjen (kompleksimin) e substratit në zonën e katalitit. qendër.

Le të shohim disa shembuj.

Serine proteazat dhe esterazat. Grupi aktiv katalitik i shumë enzimave është grupi hidroksil i serinës. Në qendrën aktive, ky grup alkooli luan rolin e një reagjenti nukleofilik në reaksionet e zëvendësimit nukleofilik gjatë hidrolizës së estereve, amideve dhe peptideve. Një përfaqësues i familjes së proteazës së serinës është prostaglandina H-sintaza, e cila është e përfshirë në metabolizmin e acidit arachidonic.

Prostaglandin N-sintaza. Aspirina (acidi acetilsalicilik) është një ilaç anti-inflamator jo-steroid. Efekti fiziologjik i ilaçit shoqërohet me aftësinë e tij për të acetiluar Ser-514, i cili është pjesë e qendrës së thithjes së acidit arachidonic, një substrat PNS.

Oriz. 1.5.2. Bllokimi i grupit hidroksil të serinës në vendin aktiv të prostaglandinës H-sintazës

Aspirina vepron si një frenues i pakthyeshëm i enzimës kufizuese të shpejtësisë së sintezës së prostaglandinës. Hidroliza e mëvonshme e proteinës së modifikuar dhe analiza e produkteve të hidrolizës bënë të mundur identifikimin e vendit të modifikimit të enzimës.

Përkundër faktit se metoda e modifikimit kimik ju lejon të merrni informacion shumë të rëndësishëm në lidhje me natyrën e qendrave aktive të enzimave, ajo gjithashtu ka disavantazhe të caktuara.

Grupet funksionale të proteinës që përbëjnë zonën aktive mund të maskohen nga zinxhiri polipeptid ose mbetje të tjera aminoacide, gjë që i bën grupet e zonës aktive të paarritshme për reagentin modifikues. Modifikimi kimik, si rregull, nuk është selektiv, disa mbetje aminoacide në një proteinë i nënshtrohen një reaksioni kimik menjëherë. Kjo çon në një ndryshim të rëndësishëm në strukturën e proteinës, zhvillimin e proceseve të inaktivizimit dhe denatyrimit, të cilat mund të çojnë në humbjen e aktivitetit katalitik nga enzima edhe nëse mbetjet që nuk përfshihen në qendrën katalitike janë modifikuar kimikisht. Përfundimet në lidhje me pjesëmarrjen e grupeve të caktuara funksionale të aminoacideve në procesin katalitik, bazuar në të dhënat për modifikimin kimik të proteinave, mund të bëhen me kujdes dhe rezerva të caktuara.

Kështu, metoda e modifikimit kimik nuk lejon marrjen e informacionit gjithëpërfshirës për pjesëmarrësit në aktin katalitik.

Në mënyrë tipike, ky lloj përfundimi kërkon studime të pavarura strukturore.

Situata bëhet më e qartë nëse modifikuesi kimik inkorporohet në strukturën e një substrati specifik ose frenues enzimë. Në këtë rast, modifikuesi synohet në zonën aktive, gjë që rrit ndjeshëm gjasat e një reaksioni kimik me grupin funksional të zonës aktive.

Mundësi të reja për identifikimin e grupeve të përfshira në qendrat aktive të enzimave janë shfaqur me zhvillimin e teknikave të mutagjenezës specifike të vendit. Për enzimat, shprehja e gjeneve të të cilave mund të organizohet duke përdorur konstruksione të modifikuara gjenetikisht si plazmidet, doli të jetë e mundur të zëvendësohen aminoacidet individuale në nivelin e ADN-së me shprehje dhe studim të mëvonshëm të vetive katalitike të proteinave që rezultojnë. Kjo bën të mundur marrjen e informacionit të rëndësishëm në lidhje me pjesëmarrjen e një aminoacidi të veçantë të një fragmenti të caktuar të një zinxhiri polipeptid në aktin katalitik. Sidoqoftë, edhe në këtë rast, kërkohet një masë e caktuar kujdes gjatë interpretimit të rezultateve, pasi proteinat përmbajnë një numër të madh aminoacide që formojnë strukturën e qendrës aktive, por nuk përfshihen drejtpërdrejt në aktin e katalizimit.

Informacioni përfundimtar në lidhje me strukturën e zonës aktive të zonës aktive mund të merret me anë të difraksionit me rreze X (XRD) dhe spektroskopisë së rezonancës magnetike bërthamore me rezolucion të lartë (NMR). Në rastin e parë, studimi kryhet mbi kristalet e enzimës, në të dytën, studiohen tretësirat enzimë. Për të identifikuar grupet e përfshira në katalizë, zakonisht përdoret formimi i një kompleksi enzimash me frenues ose analoge pak reaktive të substrateve (të ashtuquajturat kuazi-substrate).

Metoda e difraksionit me rreze X u përdor për herë të parë nga Lipscomb dhe bashkëpunëtorët në analizën e vendit aktiv të karboksipeptidazës A. Në Fig. 1.5.3. Struktura e anhidrazës karbonike tregohet sipas analizës së difraksionit me rreze X.

Oriz. 1.5.3. Struktura terciare e anhidrazës karbonike sipas analizës së difraksionit me rreze X: a) pamje e përgjithshme e globulës së enzimës; b) rregullimi hapësinor i mbetjeve të aminoacideve

Struktura dhe vetitë e secilës proteinë përcaktohen nga sekuenca e aminoacideve. Tani po bëhet e qartë se, pavarësisht nga ndryshueshmëria e madhe e proteinave, disa elementë strukturorë janë konservatorë dhe këta elementë përcaktojnë kryesisht funksionin e molekulës së proteinës. Kjo është veçanërisht e vërtetë për proteinat që kryejnë një funksion katalitik. Për shembull, për hidrolazat, të cilat përbëjnë rreth një të tretën e të gjitha enzimave të njohura (afërsisht 1100 nga 3700), ekzistojnë vetëm katër lloje të strukturave të vendit katalitik.

Për t'iu përgjigjur pyetjeve se cilat struktura kimike formojnë qendrën katalitike, si aminoacidet e vendosura në pjesë të ndryshme, shpesh të largëta nga njëra-tjetra, pjesë të zinxhirit polipeptid gjejnë njëra-tjetrën dhe formojnë një strukturë unike, përdoren metodat e bioinformatikës.

Sipas enzimologëve, brenda një superfamilje enzimash, vendi i absorbimit përgjegjës për specifikën mund të përfaqësohet nga shumë variante të mbetjeve të aminoacideve që korrespondojnë me variantet e strukturës së substrateve. Në të njëjtën kohë, vendet katalitike, numri i llojeve të të cilave është shumë i kufizuar, janë elementë strukturorë konservatorë (të pazëvendësueshëm). Për të konfirmuar këtë pozicion, u përdor një qasje bioinformatike, e bazuar në një krahasim të sekuencave të aminoacideve në proteina të kombinuara në një familje të madhe.

Janë analizuar disa familje të mëdha enzimash të përfaqësuara në bazën e të dhënave HSSP ( www.sander.embl-heidelberg.de/). Përzgjedhja e familjeve të enzimave është bërë në bazë të kritereve të mëposhtme:

1) numri i anëtarëve të familjes të analizuar duhet të jetë më shumë se 100; kjo është e nevojshme për të siguruar besueshmërinë statistikore të rezultateve;

2) familjet e enzimave të klasave të ndryshme (oksidoreduktaza, hidrolaza, izomeraza, etj.) duhet të zgjidhen për analizë;

3) kurdoherë që është e mundur, duhet të zgjidhen enzimat për të cilat është vendosur struktura e qendrave aktive dhe mekanizmi i katalizimit është studiuar me një shkallë të lartë besueshmërie.

Analiza tregoi se në zinxhirin polipeptid shumica e pozicioneve të aminoacideve janë shumë të ndryshueshme, që do të thotë se funksionimi i enzimës nuk varet nga pozicioni që zë një aminoacid i veçantë. Në të njëjtën kohë, ka pozicione aminoacide, të cilat janë relativisht të pakta. Këto pozicione dhe aminoacidet e tyre përkatëse quhen të konservuara. Ata luajnë një rol të veçantë në funksionimin e enzimës. Cilat janë këto aminoacide dhe cili është roli i tyre?

Analiza bioinformatike e enzimave të të gjitha klasave tregoi se aminoacidi më i konservuar është glicina. Sipas vlerësimit të konservimit, aminoacidet janë të vendosura në rendin e mëposhtëm: glicinë > acid aspartik > cisteinë > prolinë > histidinë > argininë > acid glutamik. Këto janë aminoacidet më të rëndësishme në katalizimin e enzimave. Së bashku, glicina dhe acidi aspartik përbëjnë afërsisht 50% të të gjitha aminoacideve të konservuara. Elementët më të zakonshëm të konservuar në strukturën e enzimave përfshijnë glicinë, acid aspartik, cisteinë, prolinën dhe histidinën. Këto aminoacide përbëjnë afërsisht 70% të të gjithë elementëve të konservuar. Metionina dhe izoleucina nuk janë pothuajse asnjëherë konservatore.

Nga ana tjetër, aminoacidet më konservatore mund të ndahen në dy grupe thelbësisht të ndryshme:

1) aminoacidet e përfshira në aktivizimin e molekulave të substratit si acide dhe baza (acidi aspartik dhe histidina);

2) aminoacidet që formojnë gjeometrinë e qendrës aktive (glicina, cisteina, prolina).

Kështu, analiza statistikore tregoi se funksioni katalitik i enzimës dhe arkitektura e qendrës aktive formohen nga një pjesë e vogël por e caktuar e aminoacideve që zënë pozicione rreptësisht të fiksuara në zinxhirin polipeptid. Aminoacidet e konservuara janë ose acide ose baza (agjentë elektrofilë dhe nukleofilë) që formojnë vendin katalitik, ose aminoacide të rëndësishme që formojnë strukturën që formojnë strukturën e proteinës në tërësi.

Funksioni katalitik kryhet nga acidi aspartik, histidina, arginina dhe acidi glutamik. Aminoacidet që formojnë strukturën janë glicina, cisteina dhe prolina. Glicina dhe prolina, të cilat lejojnë që zinxhiri të kthehet, janë të nevojshme në mënyrë që qendra aktive të formohet nga aminoacide të vendosura në pjesë të ndryshme të zinxhirit polipeptid. Dhe cisteina është e nevojshme për të rregulluar konformimin e kërkuar të zinxhirit polipeptid.

Natyra ka formuar qendrat aktive të enzimave nga një numër i kufizuar përbërësish. Shumica e qendrave aktive të enzimave të të gjitha klasave formohen nga acidet aspartike dhe glutamike, nga histidina dhe arginina dhe nga disa jone metalikë. Si pasojë, numri i llojeve të qendrave katalitike është i vogël. Për shembull, për hidrolazat, të cilat përbëjnë rreth një të tretën e të gjitha enzimave të njohura, mund të identifikohen vetëm katër lloje kryesore të strukturës. Natyra përdor në mënyrë aktive kombinime efektive të grupeve katalitike, karakteristike për disa reaksione, për të organizuar qendrat katalitike të llojeve të tjera të reaksioneve.

Zinxhiri polipeptid siguron organizimin e grupeve katalitike në qendra aktive. Siç dihet, reaksionet trimolekulare dhe reaksionet e rendit më të lartë praktikisht përjashtohen në tretësirë. Në proceset enzimatike, reaksioni përfshin katër (ose pesë) mbetje të aminoacideve të ndryshme të organizuara në një zinxhir polipeptid. Katalizimi enzimë nuk përdor agjentë të fortë kimikë; komponentët që përbëjnë qendrat aktive janë acidet dhe bazat relativisht të dobëta. Sidoqoftë, ato janë të organizuara mirë në hapësirë ​​dhe, si rezultat, shumë efektive.

Shembuj të vendeve aktive të disa enzimave

Le të ndalemi te enzimat e klasës së hidrolazës, për shumicën e të cilave janë identifikuar grupet që përbëjnë qendrat katalitike aktive dhe janë krijuar ide të arsyeshme për bashkëveprimin e këtyre grupeve në mekanizmin e ciklit katalitik.

Bazuar në strukturën e qendrave aktive dhe mekanizmin e veprimit, hidrolazat mund të ndahen në 4 lloje kryesore.

1. Hidrolaza që përmbajnë acid aspartik ose glutamik në qendrën aktive (lloji lizozim-pepsinë).

2. Hidrolaza që përmbajnë në qendrën aktive një grup hidroksil të serinës, treoninës ose cisteinës dhe një zinxhir transferimi protonish që aktivizon këtë grup (lloji i kimotripsinës); hidrolaza që përdorin grupin imidazol të histidinës drejtpërdrejt për të aktivizuar ujin (një lloj ribonukleaza pankreatike).

3. Hidrolaza që përdorin komplekset Zn 2+ ose Co 2+ për të aktivizuar ujin dhe substratin (lloji i fosfatazës alkaline, karboksipeptidaza A).

4. Hidrolaza që përdorin jone Mg 2+ ose Mn 2+ për të aktivizuar ujin dhe substratin (lloji i pirofosfatazës).

Kimotripsina. Qendra aktive përfshin Ser-195, His-57, Asp-102.

Oriz. 1.5.4. Struktura e kimotripsinës

Laktat dehidrogjenaza.Është një dehidrogjenazë e varur nga NAD+. Kryen oksidim-reduktim të kthyeshëm të molekulave organike, ndërsa koenzima vepron si dhurues (pranues) i jonit hidrid. Grupet katalitike aktive të enzimës përfaqësohen nga Arg-165, His-194, Arg-105. Të gjitha këto aminoacide janë të ruajtura. Acidi laktik ose piruvik fiksohet në vendin aktiv nga ngarkesa pozitive e Arg-168. Pjesëmarrës në procesin katalitik janë zinxhiri i transportit të protoneve His-194-Asp-165 dhe Arg-105.

Oriz. 1.5.5. Struktura e laktat dehidrogjenazës

(a) Paraqitja skematike e tetramerit dhe (b) - nënnjësia individuale; (c) Modeli i rajonit lidhës NAD +. Unaza nikotinamide e NAD+ lidhet midis vargjeve d dhe e, dhe unaza e adeninës lidhet midis zinxhirëve a dhe b.

Në Fig. 1.5.6. Janë dhënë llojet e mundshme të lidhjeve të përfshira në shtimin e NAD+ në zonën aktive të LDH.

Oriz. 1.5.6. NAD+ lidhet nga laktat dehidrogjenaza

Vijat e paraqitura si pika - lidhje hidrogjeni, vija tërthore - ndërveprime elektrostatike, mbetje aminoacide në kuti - ndërveprime hidrofobike

Izomeraza triosefosfat. Grupet katalitike të rëndësishme të zonës aktive të enzimës përfaqësohen nga Glu-165 dhe His-95.

Oriz. 1.5.7. Struktura e nën-njësisë së izomerazës triosefosfat maja

Glicina, cisteina dhe prolina si aminoacide që formojnë strukturën

Për shkak të veçorive të strukturës së saj, glicina nuk merr pjesë në aktet kimike të aktivizimit të molekulave në ciklin katalitik. Pa një zëvendësues në atomin α-karbonit, glicinës i mungon një funksion kimik i theksuar. Megjithatë, prania e glicinës në strukturën e proteinave është shumë e rëndësishme. Kështu, zëvendësimi specifik i glicinës në pozicione konservatore me ndonjë nga aminoacidet çon, si rregull, në një humbje të plotë (ose ulje të konsiderueshme) të aktivitetit të enzimës.

Me sa duket, glicina në pozicionet e konservuara është e rëndësishme për arsyet e mëposhtme.

1. Duke qenë një aminoacid unik me rrotullimin më të lehtësuar energjikisht rreth lidhjeve C-N dhe C-C të zinxhirit polipeptid, glicina mund të luajë rolin e një pike nodale, duke ofruar aftësinë për të ndryshuar drejtimin e zinxhirit polipeptid gjatë "montimit". e mbetjeve të aminoacideve në qendrën aktive. Pra, prania e glicinave konservatore bën të mundur shpjegimin e paradoksit strukturor të katalizës enzimatike, kur qendrat identike aktive "montohen" nga zinxhirë polipeptidësh krejtësisht të ndryshëm. E përbashkëta e këtyre zinxhirëve është prania e glicinës në pozicione konservatore dhe mundësia e stabilizimit të strukturës së montuar, për shembull, për shkak të lidhjeve disulfide (cisteina gjithashtu shfaq një shkallë të lartë konservimi, duke zënë vendin e tretë në renditjen e konservatorizmit) .

2. Glicina në pozicione konservatore mund të luajë rolin e "menteshave" konformative, duke siguruar mundësinë e "montimit" të qendrës aktive dhe lëvizshmërinë e njohur konformative. Kjo vërtetohet nga fakti se në shumë raste glicina mund të gjendet në pozicione konservatore pranë grupeve katalitikisht aktive. Për shembull, motivet e mëposhtme janë të konservuara për hidrolaza të familjeve të ndryshme: Asp-215-X-Gly-217 (pepsin); Asp-170-Xaa-Xaa-Gly-173 (termolizë); Gly-173-Xaa-Ser-177 (tripsin); His-76-Gly-77, Ser-153-Xaa-Gly-155, Gly-175-Xaa-Asp-177 (lipaza). Këtu Haa është një aminoacid arbitrar. Aminoacidet Asp, His, Ser në këto enzima përfshihen në strukturën e qendrave aktive.

Shndërrimi i substratit fillestar në produkte përfundimtare në katalizën enzimatike përfshin pjesëmarrjen e një numri të madh të ndërmjetësve me një strukturë të ndryshme nga substrati origjinal. Glicina e zonës aktive mund të luajë rolin e elementeve "relaksuese", duke rregulluar në mënyrë konformative vendin aktiv për aktin tjetër elementar.

Cisteina dhe prolina luajnë një rol të rëndësishëm në formimin e arkitekturës së qendrës aktive (pozicionet e 3-të dhe të 4-ta në renditjen e aminoacideve konservatore, përkatësisht). Prolina njihet si një aminoacid unik që hap një zinxhir polipeptid. Roli i cisteinës është që konformacioni i nevojshëm i qendrës aktive, i përbërë nga pjesë të ndryshme të zinxhirit polipeptid, të fiksohet nga një lidhje kimike në formën e një ure disulfide. Për shumë enzima, kjo përfundon formimin e arkitekturës së zonës aktive.

Kështu, qendra aktive përbëhet nga një numër grupesh funksionale të orientuara në një mënyrë të caktuar në hapësirë. Midis tyre, bëhet dallimi midis grupeve që janë pjesë e vendit katalitik të qendrës aktive, dhe grupeve që formojnë një vend që ofron afinitet specifik, d.m.th. lidhja e një substrati nga një enzimë është e ashtuquajtura vend kontakti ose "ankorimi". Kjo ndarje është mjaft arbitrare, pasi ndërveprimet në vendin e kontaktit të enzimës gjatë formimit të kompleksit enzimë-substrat kanë një ndikim të rëndësishëm në shpejtësinë dhe drejtimin e transformimeve në vendin katalitik.

Enzimat janë substanca me molekulare të lartë, pesha molekulare e të cilave arrin disa milionë molekulat e substrateve që ndërveprojnë me enzimat zakonisht kanë një madhësi shumë më të vogël. Prandaj, është e natyrshme të supozohet se jo e gjithë molekula e enzimës në tërësi ndërvepron me substratin, por vetëm një pjesë e tij - e ashtuquajtura "qendra aktive" e enzimës.

Qendra aktive e një enzime është një pjesë e molekulës së saj që ndërvepron drejtpërdrejt me substratet dhe merr pjesë në aktin e katalizimit.

Qendra aktive e enzimës formohet në nivelin e strukturës terciare. Prandaj, gjatë denatyrimit, kur struktura terciare prishet, enzima humbet aktivitetin e saj katalitik. !

Qendra aktive nga ana tjetër përbëhet nga:

- qendër katalitike që kryen transformimin kimik të nënshtresës;

- qendra e substratit ("spirancë" ose jastëk kontakti), i cili siguron lidhjen e substratit me enzimën, formimin e një kompleksi enzimë-substrat.

Nuk është gjithmonë e mundur të vizatohet një vijë e qartë midis qendrave katalitike dhe substratit në disa enzima ato përkojnë ose mbivendosen.

Përveç qendrës aktive, molekula e enzimës përmban një të ashtuquajtur qendër alosterike . Ky është një seksion i një molekule enzime, si rezultat i lidhjes së një substance të caktuar me molekulare të ulët ( efektor ), struktura terciare e enzimës ndryshon. Kjo çon në një ndryshim në konfigurimin e zonës aktive dhe, rrjedhimisht, në një ndryshim në aktivitetin e enzimës. Ky është një fenomen i rregullimit alosterik të aktivitetit të enzimës.

Shumë enzima janë multimerët (ose oligomerët ), d.m.th. përbëhet nga dy ose më shumë nënnjësi - protomerët(e ngjashme me strukturën kuaternare të një proteine).

Lidhjet ndërmjet nënnjësive janë përgjithësisht jokovalente. Enzima shfaq aktivitet maksimal katalitik në formën e një multimeri. Shpërbërja në protomerë redukton ndjeshëm aktivitetin e enzimës.

Enzimat - multimerët zakonisht përmbajnë një numër të qartë të nënnjësive (2-4), d.m.th. janë di- dhe tetramerë. Megjithëse heksa- dhe oktamerët (6-8) janë të njohur, trimerët dhe pentamerët (3-5) janë jashtëzakonisht të rrallë.

Enzimat multimere mund të ndërtohen nga të njëjtat ose nën-njësi të ndryshme.

Nëse enzimat multimere formohen nga lloje të ndryshme nënnjësi, ato mund të ekzistojnë si disa izomerë. Format e shumta të një enzime quhen izoenzima (izoenzima ose izozima).

Për shembull, një enzimë përbëhet nga 4 nënnjësi të tipit A dhe B. Ajo mund të formojë 5 izomerë: AAAA, AAAB, AABB, ABBB, BBBB. Këto enzima izomere janë izoenzima.

Izoenzimat katalizojnë të njëjtin reaksion kimik, zakonisht veprojnë në të njëjtin substrat, por ndryshojnë në disa veti fiziko-kimike (pesha molekulare, përbërja e aminoacideve, lëvizshmëria elektroforetike, etj.) dhe lokalizimi në organe dhe inde.

Një grup i veçantë enzimash përbëhet nga të ashtuquajturat. komplekset multimerike. Këto janë sisteme enzimash që katalizojnë fazat e njëpasnjëshme të transformimit të çdo substrati. Sisteme të tilla karakterizohen nga lidhje të forta dhe organizim të rreptë hapësinor të enzimave, gjë që siguron një rrugë minimale përmes substratit dhe një shkallë maksimale të konvertimit të tij.

Një shembull është një kompleks multienzimë që kryen dekarboksilimin oksidativ të acidit piruvik. Kompleksi përbëhet nga 3 lloje enzimash (M.v. = 4,500,000).

Fundi i punës -

Kjo temë i përket seksionit:

Ligjërata në lëndën: biokimi, peptidet, proteinat: struktura e tyre, vetitë, rëndësia në trup, metodat e kërkimit. Vetitë fiziko-kimike të proteinave.10

Agjencia Federale e Arsimit... institucioni arsimor shtetëror i arsimit të lartë profesional...

Nëse keni nevojë për materiale shtesë për këtë temë, ose nuk keni gjetur atë që po kërkoni, ju rekomandojmë të përdorni kërkimin në bazën e të dhënave tona të veprave:

Çfarë do të bëjmë me materialin e marrë:

Nëse ky material ishte i dobishëm për ju, mund ta ruani në faqen tuaj në rrjetet sociale:

Të gjitha temat në këtë seksion:

ARN ADN
H3PO4 H3PO4 Ribozë Deoksiribozë Bazat azotike (A, G, C, U) (A, G, C, T) Tabela 1 tregon përbërjen

Struktura primare e ARN dhe ADN
Struktura parësore e ARN-së dhe ADN-së është e njëjtë - është një zinxhir polinukleotid linear në të cilin nukleotidet janë të lidhura me njëri-tjetrin me lidhje fosfodiesterike 3/5/, të cilat formojnë një mbetje.

Struktura dytësore e ADN-së
Struktura dytësore e ADN-së karakterizohet nga rregulli i E. Chargaff (modeli i përmbajtjes sasiore të bazave azotike): 1. ADN-ja ka fraksione molare të purinës dhe pirimidinës.

Struktura terciare e ADN-së
Struktura terciare e ADN-së është një spirale dhe superhelix në kompleks me proteinat. ADN-ja mund të ekzistojë në formë lineare (në kromozomet e eukarioteve) dhe në formë rrethore (në prokariote dhe mitokondri). Spiralizimi

Struktura dhe funksioni i ARN-së
Ndryshe nga ADN-ja, një molekulë e ARN-së përbëhet nga një zinxhir polinukleotid, i cili rrotullohet në vetvete, d.m.th. formon të gjitha llojet e "sythave" dhe "kurritave të flokëve" për shkak të ndërveprimeve të azotit plotësues.

Metabolizmi i acideve nukleike dhe nukleotideve në trupin e njeriut
Metabolizmi i nukleotideve në trup përfshin proceset e anabolizmit (biosinteza e purinës - rruga kryesore dhe rezervë - dhe nukleotidet e pirimidinës) dhe katabolizmi (dekompozimi i acideve nukleike

Transkriptimi
Transkriptimi është biosinteza e molekulave të ARN-së në një matricë të ADN-së, e lokalizuar në bërthamën e qelizës dhe ndodh vazhdimisht, pavarësisht nga cikli qelizor.

Substratet dhe burimet e energjisë për biosintezë
Biosinteza e proteinave

Biosinteza (përkthimi) e proteinave ndodh në polisome dhe çon në ndërtimin e një zinxhiri polipeptid të aminoacideve (struktura primare e proteinës). Për procesin e përkthimit ju nevojiten: matri
Rregullimi i transkriptimit. Teoria e operonit

Një operon është një seksion i ADN-së që kodon strukturën e një lloji proteine ​​dhe përmban një zonë rregulluese që kontrollon sintezën e këtyre proteinave.
Rregullimi i transkriptimit të m-ARN përfshin induksionin

Cikli i acidit citrik - cikli TCA - Cikli Krebs
Cikli i acidit citrik është një seri reaksionesh që ndodhin në mitokondri, gjatë të cilave ndodh katabolizmi i grupeve acetil (deri në 2CO2) dhe formimi i përbërjeve rigjeneruese.

Rregullimi i ciklit të Krebsit
Reaksioni kufizues i të gjithë ciklit të Krebsit është reagimi i sintezës së citrateve (enzima citrate sintaza).

Enzimat rregullatore të ciklit të Krebsit: piruvat dehidrogjenaza (frenuesit: ATP, NADH +
Roli i oksigjenit në metabolizëm

Trupi i njeriut funksionon në kushte aerobike: merr 90% të energjisë së tij me pjesëmarrjen e oksigjenit. Oksigjeni kryen dy funksione të rëndësishme në metabolizëm gjatë jetës.
Toksiciteti i oksigjenit

Vendi aktiv i një enzime është vendi që lidh substratet (dhe një grup protetik, nëse është i pranishëm) dhe që përmban mbetje aminoacide të përfshira drejtpërdrejt në formimin ose thyerjen e lidhjeve kimike. Mbetjet e tilla quhen grupe katalitike. Megjithë diversitetin e madh në strukturën e enzimave, specifikën e tyre dhe mekanizmin e veprimit katalitik, ende mund të bëhen një numër përgjithësimesh në lidhje me vetitë e qendrave aktive.

1. Vendi aktiv përbën një pjesë relativisht të vogël të vëllimit të përgjithshëm të enzimës. Shumica e mbetjeve të aminoacideve në molekulën e enzimës nuk janë në kontakt me substratin. Mbetet një mister

Oriz. 6.9. Shpejtësia e një reaksioni enzimatik si funksion i përqendrimit të substratit.

Oriz. 6.10. Ndërveprimi i substrateve me enzimat sipas modelit të kyçjes. Vendi aktiv i vetë enzimës është plotësues në formë me substratin.

pse madhësia e enzimave është kaq e madhe. Pothuajse të gjitha enzimat përmbajnë më shumë se 100 mbetje aminoacide dhe kanë një masë mbi 10 kDa dhe një diametër mbi 25 A.

2. Qendra aktive është një formacion tredimensional. Me fjalë të tjera, nuk është një pikë, as një vijë, apo edhe një plan, por një strukturë komplekse tre-dimensionale, formimi i së cilës përfshin grupe që i përkasin pjesëve të ndryshme të sekuencës lineare të aminoacideve. Në të vërtetë, siç e kemi parë tashmë me shembullin e hemoglobinës dhe mioglobinës, ndërveprimi midis mbetjeve të aminoacideve të vendosura larg njëri-tjetrit në një sekuencë lineare është shpesh më i fortë se ndërveprimi midis mbetjeve të aminoacideve fqinje (në sekuencë). Në lizozimë, një enzimë që do ta shqyrtojmë në detaje në kapitullin vijues, grupet kryesore të zonës aktive përfaqësohen nga mbetjet e aminoacideve që zënë pozicionet 35, 52, 62, 63 dhe 101 në një sekuencë lineare prej 129 aminoacidesh.

3. Substratet lidhen relativisht dobët me enzimat. Konstantat e ekuilibrit të -komplekseve zakonisht variojnë nga deri, që korrespondon me energjitë e ndërveprimit të lirë nga - 3 në - 12 kcal/mol. Le t'i krahasojmë këto vlera me forcën e lidhjeve kovalente, duke filluar nga - 50 në - 110 kcal/mol.

4. Qendra aktive ka formën e një depresioni ose çarjeje të ngushtë. Në të gjitha enzimat me strukturë të studiuar, lidhja e substrateve ndodh në një gropë ose të çarë ku nuk ka akses në ujë, me përjashtim të rasteve kur uji është një nga substancat reaguese. Kjo prerje përmban disa mbetje aminoacide polare të nevojshme për lidhjen dhe katalizimin. Natyra jopolare e të gjithë rajonit në përgjithësi favorizon lidhjen e substratit. Për më tepër, forma si e çarë e zonës aktive krijon një mikromjedis në të cilin mbetjet individuale polare fitojnë veti të veçanta që janë thelbësore për katalizën.

5. Specifikimi i lidhjes varet nga renditja e përcaktuar rreptësisht e atomeve në qendrën aktive. Substrati hyn në vendin aktiv vetëm nëse përputhet me të në formë. Në 1890, Emil Fischer përdori krahasimin e kyçit dhe çelësit (Fig. 6.10), i cili doli të ishte një kuptim në thelb i saktë dhe jashtëzakonisht i frytshëm i stereospecifitetit të katalizës. Megjithatë, siç ka treguar puna e fundit, qendrat aktive të disa enzimave nuk janë një strukturë e ngurtë, forma e tyre modifikohet kur substratet lidhen. Në këto enzima, forma e zonës aktive bëhet komplementare me formën e substratit

Oriz. 6.11. Ndërveprimi i substrateve me enzimat sipas modelit të përshtatjes së induktuar. Kur substrati lidhet, forma e enzimës ndryshon. Qendra aktive e enzimës vetëm pas shtimit të substratit bëhet plotësuese e saj në formë.

Oriz. 6.12. Një grafik i shpejtësisë së reaksionit V si funksion i përqendrimit të substratit për një enzimë që i bindet kinetikës Michaelis-Menten (Kmax është shpejtësia maksimale, është konstanta Michaelis).

vetëm pas lidhjes së nënshtresës. Ky proces i njohjes dinamike quhet induksion i korrespondencës (Fig. 6.11). Përveç kësaj, disa enzima e lidhin në mënyrë preferenciale substratin në një formë të tensionuar ("të shtrembëruar"), që korrespondon me gjendjen e tranzicionit.

Studimi i mekanizmit të një reaksioni kimik të katalizuar nga një enzimë, së bashku me përcaktimin e produkteve të ndërmjetme dhe përfundimtare në faza të ndryshme të reaksionit, nënkupton njohjen e saktë të gjeometrisë së strukturës terciare të enzimës, natyrës së grupeve funksionale. e molekulës së saj, duke siguruar specifikën e veprimit dhe aktivitetin e lartë katalitik në një substrat të caktuar, si dhe natyrën kimike të zonës (vendeve) molekulave enzimë që ofrojnë një shpejtësi të lartë të reaksionit katalitik. Në mënyrë tipike, molekulat e substratit të përfshira në reaksionet enzimatike janë relativisht të vogla në madhësi në krahasim me molekulat e enzimës. Kështu, gjatë formimit të komplekseve enzimë-substrat, vetëm fragmente të kufizuara të sekuencës aminoacide të zinxhirit polipeptid hyjnë në ndërveprim të drejtpërdrejtë kimik - "qendra aktive" - ​​një kombinim unik i mbetjeve të aminoacideve në molekulën e enzimës, duke siguruar ndërveprim të drejtpërdrejtë. me molekulën e substratit dhe pjesëmarrjen e drejtpërdrejtë në aktin e katalizës

Në qendrën aktive dallohet konvencionalisht

qendra katalitike - duke ndërvepruar drejtpërdrejt kimikisht me substratin;

qendra lidhëse (vend kontakti ose "ankorimi") - siguron afinitet specifik për substratin dhe formimin e kompleksit enzimë-substrat.

Për të katalizuar një reaksion, një enzimë duhet të lidhet me një ose më shumë substrate. Zinxhiri proteinik i enzimës paloset në atë mënyrë që në sipërfaqen e rruzullit ku lidhen substratet krijohet një hendek, ose depresion. Ky rajon quhet vendi i lidhjes së substratit. Zakonisht përkon ose është afër vendit aktiv të enzimës. Disa enzima përmbajnë gjithashtu vende lidhëse për kofaktorët ose jonet metalike.

Enzima kombinohet me substratin:

pastron substratin nga "shtresa" e ujit

rregullon molekulat e substratit që reagojnë në hapësirë ​​në mënyrën e nevojshme që të ndodhë reaksioni

përgatit molekulat e substratit për reaksion (për shembull, polarizohet).

Zakonisht, enzima ngjitet në substrat përmes lidhjeve jonike ose hidrogjenore, rrallë përmes lidhjeve kovalente. Në fund të reaksionit, produkti (ose produktet) e tij ndahen nga enzima.

Si rezultat, enzima zvogëlon energjinë e aktivizimit të reaksionit. Kjo ndodh sepse në prani të enzimës reaksioni ndjek një rrugë tjetër (në fakt ndodh një reagim tjetër), për shembull:

Në mungesë të një enzime:

Në prani të një enzime:

• AF+B = AVF

  AVF = AB+F

ku A, B janë substrate, AB është produkti i reaksionit, F është enzima.

Enzimat nuk mund të sigurojnë në mënyrë të pavarur energji për reaksionet endergonike (të cilat kërkojnë energji për të ndodhur). Prandaj, enzimat që kryejnë reaksione të tilla i bashkojnë ato me reaksione ekzergonike që çlirojnë më shumë energji. Për shembull, reaksionet e sintezës së biopolimerit shpesh shoqërohen me reaksionin e hidrolizës ATP.

Qendrat aktive të disa enzimave karakterizohen nga fenomeni i kooperativitetit.

Specifikimi

Enzimat në përgjithësi shfaqin specifikë të lartë për substratet e tyre (specifiteti i substratit). Kjo arrihet nga komplementariteti i pjesshëm midis formës, shpërndarjes së ngarkesës dhe rajoneve hidrofobike në molekulën e substratit dhe vendit të lidhjes së substratit në enzimë. Enzimat gjithashtu zakonisht shfaqin nivele të larta stereospecifiteti (duke formuar vetëm një nga stereoizomerët e mundshëm si produkt ose duke përdorur vetëm një stereoizomer si substrat), regioselektive (formimi ose thyerja e një lidhjeje kimike vetëm në një nga pozicionet e mundshme të substratit) dhe kimioselektiviteti (duke katalizuar vetëm një reaksion kimik nga disa të mundshme për kushte të dhëna). Pavarësisht nga niveli i përgjithshëm i lartë i specifikës, shkalla e substratit dhe specifika e reagimit të enzimave mund të ndryshojnë. Për shembull, tripsina endopeptidazë thyen lidhjen peptide vetëm pas argininës ose lizinës nëse ato nuk pasohen nga prolina, por pepsina është shumë më pak specifike dhe mund të thyejë lidhjen peptide pas shumë aminoacideve.