Enzimi, o enzimi(dal lat. Fermento- lievito) - solitamente molecole proteiche o molecole di RNA (ribozimi) o loro complessi che accelerano (catalizzano) le reazioni chimiche nei sistemi viventi. I reagenti in una reazione catalizzata dagli enzimi sono chiamati substrati e le sostanze risultanti sono chiamate prodotti. Gli enzimi sono specifici dei substrati (l'ATPasi catalizza solo la scissione dell'ATP e la fosforilasi chinasi fosforila solo la fosforilasi).

L'attività enzimatica può essere regolata da attivatori e inibitori (attivatori - aumento, inibitori - diminuzione).

Gli enzimi proteici sono sintetizzati sui ribosomi, mentre l'RNA è sintetizzato nel nucleo.

I termini "enzima" ed "enzima" sono stati a lungo usati come sinonimi (il primo è principalmente nella letteratura scientifica russa e tedesca, il secondo - in inglese e francese).

Si chiama la scienza degli enzimi enzimatica, e non di fermentazione (per non confondere le radici delle parole di latino e greco).

Storia di studio

Termine enzima proposto nel XVII secolo dal chimico van Helmont quando discuteva dei meccanismi della digestione.

In con. XVIII - presto. 19esimo secolo si sapeva già che la carne viene digerita dal succo gastrico e l'amido viene convertito in zucchero per azione della saliva. Tuttavia, il meccanismo di questi fenomeni era sconosciuto.

Nel 19 ° secolo Louis Pasteur, studiando la conversione dei carboidrati in alcol etilico sotto l'azione del lievito, è giunto alla conclusione che questo processo (fermentazione) è catalizzato da una sorta di forza vitale situata nelle cellule del lievito.

Oltre cento anni fa i termini enzima e enzima rifletteva punti di vista diversi nella disputa teorica tra L. Pasteur, da un lato, e M. Berthelot e J. Liebig, dall'altro, sulla natura della fermentazione alcolica. In realtà enzimi(dal lat. fermento- lievito madre) era chiamato "enzimi organizzati" (cioè gli stessi microrganismi viventi), e il termine enzima(dal greco ἐν- - in- e ζύμη - lievito, pasta madre) fu proposto nel 1876 da W. Kuehne per "enzimi non organizzati" secreti dalle cellule, ad esempio, nello stomaco (pepsina) o nell'intestino (tripsina, amilasi). Due anni dopo la morte di L. Pasteur nel 1897, E. Buchner pubblicò il lavoro "Fermentazione alcolica senza cellule di lievito", in cui dimostrò sperimentalmente che il succo di lievito privo di cellule svolge la fermentazione alcolica allo stesso modo delle cellule di lievito non distrutte. Nel 1907 fu insignito del Premio Nobel per questo lavoro. Per la prima volta, un enzima cristallino altamente purificato (ureasi) fu isolato nel 1926 da J. Sumner. Nei successivi 10 anni furono isolati molti altri enzimi e la natura proteica degli enzimi fu finalmente dimostrata.

L'attività catalitica dell'RNA è stata scoperta per la prima volta negli anni '80 nel pre-rRNA da Thomas Check, che ha studiato lo splicing dell'RNA nei ciliati. Tetrahymena termofila. Il ribozima si è rivelato essere una porzione della molecola pre-rRNA Tetrahymena codificata dall'introne del gene rDNA extracromosomico; questa regione ha effettuato l'autosplicing, cioè si è asportata durante la maturazione dell'rRNA.

Funzioni enzimatiche

Gli enzimi sono presenti in tutte le cellule viventi e contribuiscono alla trasformazione di alcune sostanze (substrati) in altre (prodotti). Gli enzimi agiscono come catalizzatori in quasi tutte le reazioni biochimiche che si verificano negli organismi viventi. Nel 2013 erano stati descritti oltre 5.000 diversi enzimi. Svolgono un ruolo importante in tutti i processi vitali, dirigendo e regolando il metabolismo del corpo.

Come tutti i catalizzatori, gli enzimi accelerano sia le reazioni in avanti che quelle inverse abbassando l'energia di attivazione del processo. In questo caso, l'equilibrio chimico non viene spostato né in avanti né nella direzione opposta. Una caratteristica distintiva degli enzimi rispetto ai catalizzatori non proteici è la loro elevata specificità: la costante di legame di alcuni substrati a una proteina può raggiungere 10–10 mol/l o meno. Ogni molecola enzimatica è in grado di eseguire da diverse migliaia a diversi milioni di "operazioni" al secondo.

Ad esempio, una molecola dell'enzima renina contenuta nella membrana mucosa dello stomaco di un vitello caglia circa 10 6 molecole di caseinogeno del latte in 10 minuti ad una temperatura di 37 °C.

Allo stesso tempo, l'efficienza degli enzimi è molto superiore all'efficienza dei catalizzatori non proteici - gli enzimi accelerano la reazione di milioni e miliardi di volte, i catalizzatori non proteici - di centinaia e migliaia di volte. Vedi anche enzima cataliticamente perfetto

CapitoloIV.3.

Enzimi

Il metabolismo nel corpo può essere definito come l'insieme di tutte le trasformazioni chimiche subite da composti provenienti dall'esterno. Queste trasformazioni includono tutti i tipi noti di reazioni chimiche: trasferimento intermolecolare di gruppi funzionali, scissione idrolitica e non idrolitica di legami chimici, riarrangiamento intramolecolare, nuova formazione di legami chimici e ossidativo - reazioni riducenti. Tali reazioni procedono nel corpo ad una velocità estremamente elevata solo in presenza di catalizzatori. Tutti i catalizzatori biologici sono sostanze di natura proteica e sono detti enzimi (di seguito F) o enzimi (E).

Gli enzimi non sono componenti delle reazioni, ma accelerano solo il raggiungimento dell'equilibrio aumentando la velocità delle trasformazioni dirette e inverse. L'accelerazione della reazione si verifica a causa di una diminuzione dell'energia di attivazione, la barriera energetica che separa uno stato del sistema (iniziale composto chimico) da un altro (prodotto di reazione).

Gli enzimi accelerano un'ampia varietà di reazioni nel corpo. Quindi, abbastanza semplice dal punto di vista della chimica tradizionale, la reazione di scissione dell'acqua dall'acido carbonico con la formazione di CO 2 richiede la partecipazione di un enzima, perché senza di essa, procede troppo lentamente per regolare il pH del sangue. Grazie all'azione catalitica degli enzimi nel corpo, diventa possibile effettuare tali reazioni che sarebbero centinaia e migliaia di volte più lente senza un catalizzatore.

Proprietà enzimatiche

1. Influenza sulla velocità di una reazione chimica: gli enzimi aumentano la velocità di una reazione chimica, ma essi stessi non vengono consumati.

La velocità di reazione è la variazione della concentrazione dei componenti di reazione per unità di tempo. Se va in avanti, allora è proporzionale alla concentrazione dei reagenti, se va in direzione opposta, allora è proporzionale alla concentrazione dei prodotti di reazione. Il rapporto tra le velocità delle reazioni in avanti e inverse è chiamato costante di equilibrio. Gli enzimi non possono modificare i valori della costante di equilibrio, ma lo stato di equilibrio in presenza di enzimi arriva più velocemente.

2. La specificità dell'azione degli enzimi. Nelle cellule del corpo avvengono 2-3 mila reazioni, ognuna delle quali è catalizzata da un determinato enzima. La specificità dell'azione di un enzima è la capacità di accelerare il corso di una particolare reazione senza influenzare la velocità di altre, anche molto simili.

Distinguere:

Assoluto– quando F catalizza solo una reazione specifica ( arginasi- scomposizione dell'arginina)

Parente(gruppo speciale) - F catalizza una certa classe di reazioni (es. scissione idrolitica) o reazioni che coinvolgono una certa classe di sostanze.

La specificità degli enzimi è dovuta alla loro sequenza amminoacidica unica, che determina la conformazione del centro attivo che interagisce con i componenti della reazione.

Viene chiamata una sostanza la cui trasformazione chimica è catalizzata da un enzima substrato ( S ) .

3. L'attività degli enzimi è la capacità di accelerare la velocità di reazione a vari livelli. L'attività si esprime in:

1) Unità internazionali di attività - (UI) la quantità dell'enzima che catalizza la conversione di 1 μM del substrato in 1 min.

2) Katalakh (gatto) - la quantità di catalizzatore (enzima) in grado di convertire 1 mole di substrato in 1 s.

3) Attività specifica: il numero di unità di attività (qualsiasi delle precedenti) nel campione di prova rispetto alla massa totale di proteine in questo campione.

4) Meno spesso viene utilizzata l'attività molare: il numero di molecole di substrato convertite da una molecola enzimatica al minuto.

l'attività dipende da temperatura . Questo o quell'enzima mostra la maggiore attività a una temperatura ottimale. Per F di un organismo vivente, questo valore è compreso tra +37,0 - +39,0° C, a seconda del tipo di animale. Al diminuire della temperatura, il moto browniano rallenta, la velocità di diffusione diminuisce e, di conseguenza, il processo di formazione del complesso tra l'enzima ei componenti di reazione (substrati) rallenta. In caso di aumento della temperatura superiore a +40 - +50° Con l'enzima la molecola, che è una proteina, subisce un processo di denaturazione. Allo stesso tempo, la velocità della reazione chimica diminuisce notevolmente (Fig. 4.3.1.).

Anche l'attività enzimatica dipende pH medio . Per la maggior parte di loro, esiste un certo valore di pH ottimale al quale la loro attività è massima. Poiché la cellula contiene centinaia di enzimi e ognuno di essi ha i propri limiti di pH opt, la variazione del pH è uno dei fattori importanti nella regolazione dell'attività enzimatica. Quindi, a seguito di una reazione chimica con la partecipazione di un determinato enzima, il cui pH opt è compreso nell'intervallo 7,0 - 7,2, si forma un prodotto, che è un acido. In questo caso, il valore del pH si sposta nella regione di 5,5 - 6,0. L'attività dell'enzima diminuisce drasticamente, la velocità di formazione del prodotto rallenta, ma viene attivato un altro enzima, per il quale questi valori di pH sono ottimali e il prodotto della prima reazione subisce un'ulteriore trasformazione chimica. (Un altro esempio su pepsina e tripsina).

La natura chimica degli enzimi. La struttura dell'enzima. Centri attivi e allosterici

Tutti gli enzimi sono proteine con un peso molecolare compreso tra 15.000 e diversi milioni di Da. Secondo la struttura chimica, lo sono semplice enzimi (costituiti solo da AA) e complesso enzimi (hanno una parte non proteica o un gruppo protesico). Si chiama la porzione proteica apoenzima, e non proteico, se è legato in modo covalente a un apoenzima, viene chiamato coenzima, e se il legame è non covalente (ionico, idrogeno) - cofattore . Le funzioni del gruppo protesico sono le seguenti: partecipazione all'atto di catalisi, contatto tra l'enzima e il substrato, stabilizzazione della molecola enzimatica nello spazio.

Le sostanze inorganiche di solito agiscono come cofattori: ioni di zinco, rame, potassio, magnesio, calcio, ferro, molibdeno.

I coenzimi possono essere considerati parte integrante della molecola dell'enzima. Si tratta di sostanze organiche, tra le quali ci sono: nucleotidi ( ATP, UMF, ecc.), vitamine o loro derivati ( TDF- dalla tiamina ( IN 1), FMN- dalla riboflavina ( IN 2), coenzima A- dall'acido pantotenico ( IN 3), NAD, ecc.) e coenzimi tetrapirrolici - emi.

Nel processo di catalisi della reazione, non l'intera molecola enzimatica viene a contatto con il substrato, ma una certa parte di essa, che prende il nome di centro attivo. Questa zona della molecola non è costituita da una sequenza di aminoacidi, ma si forma quando la molecola proteica viene attorcigliata in una struttura terziaria. Sezioni separate di amminoacidi si avvicinano, formando una certa configurazione del centro attivo. Caratteristica importante struttura del centro attivo - la sua superficie è complementare alla superficie del substrato, ad es. I residui AA di questa zona dell'enzima sono in grado di entrare in interazione chimica con determinati gruppi del substrato. Si può immaginare che il sito attivo dell'enzima corrisponde alla struttura del substrato come una chiave e un lucchetto.

IN centro attivo si distinguono due zone: centro di rilegatura, responsabile del fissaggio del substrato, e centro catalitico responsabile della trasformazione chimica del substrato. La composizione del centro catalitico della maggior parte degli enzimi include AA come Ser, Cys, His, Tyr, Lys. Gli enzimi complessi nel centro catalitico hanno un cofattore o coenzima.

Oltre al centro attivo, numerosi enzimi sono dotati di un centro regolatorio (allosterico). Le sostanze che influenzano la sua attività catalitica interagiscono con questa zona dell'enzima.

Il meccanismo d'azione degli enzimi

L'atto di catalisi consiste di tre fasi successive.

1. Formazione di un complesso enzima-substrato durante l'interazione attraverso il centro attivo.

2. Il legame del substrato avviene in diversi punti del centro attivo, il che porta a un cambiamento nella struttura del substrato, alla sua deformazione dovuta a un cambiamento nell'energia di legame nella molecola. Questo è il secondo stadio ed è chiamato attivazione del substrato. Quando ciò si verifica, una certa modifica chimica del supporto e la sua trasformazione in un nuovo prodotto o prodotti.

3. A seguito di tale trasformazione, la nuova sostanza (prodotto) perde la sua capacità di essere trattenuta nel centro attivo dell'enzima e l'enzima-substrato, o meglio, il complesso enzima-prodotto, si dissocia (si disintegra).

Tipi di reazioni catalitiche:

A + E \u003d AE \u003d BE \u003d E + B

A + B + E \u003d AE + B \u003d ABE \u003d AB + E

AB + E \u003d ABE \u003d A + B + E, dove E è un enzima, A e B sono substrati o prodotti di reazione.

Effettori enzimatici - sostanze che modificano il tasso di catalisi enzimatica e quindi regolano il metabolismo. Tra loro si distinguono inibitori - rallentamento della velocità di reazione e attivatori - accelerare la reazione enzimatica.

A seconda del meccanismo di inibizione della reazione, si distinguono inibitori competitivi e non competitivi. La struttura della molecola dell'inibitore competitivo è simile alla struttura del substrato e coincide con la superficie del centro attivo come una chiave con una serratura (o quasi coincide). Il grado di questa somiglianza può anche essere maggiore rispetto al substrato.

Se A + E \u003d AE \u003d BE \u003d E + B, allora I + E \u003d IE¹

La concentrazione dell'enzima capace di catalisi diminuisce e la velocità di formazione dei prodotti di reazione diminuisce drasticamente (Fig. 4.3.2.).

Un gran numero di sostanze chimiche di origine endogena ed esogena (cioè formate nel corpo e provenienti dall'esterno - xenobiotici, rispettivamente) agiscono come inibitori competitivi. Le sostanze endogene sono regolatrici del metabolismo e sono dette antimetaboliti. Molti di loro sono usati nel trattamento di malattie oncologiche e microbiche, forse. inibiscono le reazioni metaboliche chiave dei microrganismi (sulfonamidi) e delle cellule tumorali. Ma con un eccesso del substrato e una bassa concentrazione di un inibitore competitivo, la sua azione viene annullata.

Il secondo tipo di inibitori non è competitivo. Interagiscono con l'enzima al di fuori del sito attivo e un eccesso di substrato non pregiudica la loro capacità inibitoria, come nel caso degli inibitori competitivi. Questi inibitori interagiscono o con alcuni gruppi dell'enzima (i metalli pesanti si legano ai gruppi tiolici di Cys) o più spesso con il centro regolatorio, che riduce la capacità di legame del centro attivo. Il vero processo di inibizione è la soppressione completa o parziale dell'attività enzimatica pur mantenendo la sua struttura primaria e spaziale.

Esistono anche inibizioni reversibili e irreversibili. Gli inibitori irreversibili inattivano l'enzima formando un legame chimico con i suoi AA o altri componenti strutturali. Di solito si tratta di un legame covalente con uno dei siti del centro attivo. Un tale complesso praticamente non si dissocia in condizioni fisiologiche. In un altro caso, l'inibitore interrompe la struttura conformazionale della molecola dell'enzima, causandone la denaturazione.

L'azione degli inibitori reversibili può essere rimossa da un eccesso del substrato o dall'azione di sostanze che modificano la struttura chimica dell'inibitore. Gli inibitori competitivi e non competitivi sono nella maggior parte dei casi reversibili.

Oltre agli inibitori sono noti anche attivatori della catalisi enzimatica. Loro sono:

1) proteggere la molecola enzimatica dagli effetti inattivanti,

2) formare un complesso con il substrato, che si lega più attivamente al centro attivo di F,

3) interagendo con un enzima avente una struttura quaternaria, separano le sue subunità e quindi aprono l'accesso del substrato al centro attivo.

Distribuzione degli enzimi nel corpo

Gli enzimi coinvolti nella sintesi delle proteine, degli acidi nucleici e degli enzimi del metabolismo energetico sono presenti in tutte le cellule del corpo. Ma le cellule che si esibiscono funzioni speciali contengono enzimi speciali. Quindi le cellule delle isole di Langerhans nel pancreas contengono enzimi che catalizzano la sintesi degli ormoni insulina e glucagone. Gli enzimi che sono peculiari solo delle cellule di alcuni organi sono chiamati organo-specifici: arginasi e urochinasi- fegato, fosfatasi acida- prostata. Modificando la concentrazione di tali enzimi nel sangue, viene valutata la presenza di patologie in questi organi.

Nella cellula, i singoli enzimi sono distribuiti in tutto il citoplasma, altri sono incorporati nelle membrane dei mitocondri e nel reticolo endoplasmatico, tali enzimi si formano scomparti, in cui si verificano alcune fasi del metabolismo strettamente correlate.

Molti enzimi si formano nelle cellule e secreti nelle cavità anatomiche in uno stato inattivo: questi sono proenzimi. Spesso sotto forma di proenzimi si formano enzimi proteolitici (scompongono le proteine). Quindi, sotto l'influenza del pH o di altri enzimi e substrati, si verifica la loro modificazione chimica e il centro attivo diventa disponibile per i substrati.

Ci sono anche isoenzimi - enzimi che differiscono per struttura molecolare, ma svolgono la stessa funzione.

Nomenclatura e classificazione degli enzimi

Il nome dell'enzima è formato dalle seguenti parti:

1. il nome del substrato con cui interagisce

2. la natura della reazione catalizzata

3. il nome della classe enzimatica (ma questo è facoltativo)

4. suffisso -aza-

piruvato - decarbossile - aza, succinato - deidrogeno - aza

Poiché sono già noti circa 3mila enzimi, devono essere classificati. Attualmente è stata adottata una classificazione internazionale degli enzimi, che si basa sul tipo di reazione catalizzata. Ci sono 6 classi, che a loro volta sono suddivise in un certo numero di sottoclassi (in questo libro sono presentate solo selettivamente):

1. Ossidoduttasi. Catalizzare le reazioni redox. Sono divisi in 17 sottoclassi. Tutti gli enzimi contengono una parte non proteica sotto forma di eme o derivati delle vitamine B 2, B 5. Il substrato sottoposto a ossidazione funge da donatore di idrogeno.

1.1. Le deidrogenasi rimuovono l'idrogeno da un substrato e lo trasferiscono ad altri substrati. Coenzimi NAD, NADP, FAD, FMN. Accettano l'idrogeno separato dall'enzima, trasformandolo nella forma ridotta (NADH, NADPH, FADH) e lo trasferiscono a un altro complesso enzima-substrato, dove viene ceduto.

1.2. Ossidasi: catalizza il trasferimento di idrogeno all'ossigeno con la formazione di acqua o H 2 O 2. F. Citocromossisdasi catena respiratoria.

RH + NAD H + O 2 = ROH + NAD + H 2 O

1.3. Monoossidasi - citocromo P450. Secondo la sua struttura, sia emo che flavoproteina. Idrodrila gli xenobiotici lipofili (mediante il meccanismo sopra descritto).

1.4. perossidasie catalasi- catalizzare la decomposizione del perossido di idrogeno, che si forma durante le reazioni metaboliche.

1.5. Ossigenasi: catalizzano le reazioni di aggiunta di ossigeno al substrato.

2. Transferasi - catalizzare il trasferimento di vari radicali dalla molecola donatrice alla molecola accettore.

MA ma+ E + B = E ma+ LA + B = MI + B ma+ A

2.1. Metiltransferasi (CH 3 -).

2.2 Carbossil- e carbamoiltransferasi.

2.2. Aciltransferasi - Coenzima A (trasferimento di gruppi acilici - R-C=O).

Esempio: sintesi del neurotrasmettitore acetilcolina (vedi capitolo "Metabolismo proteico").

2.3. Le esosiltransferasi catalizzano il trasferimento di residui di glicosile.

Esempio: la scissione di una molecola di glucosio dal glicogeno sotto l'azione di fosforilasi.

2.4. Aminotransferasi: trasferimento di gruppi amminici

R 1- CO - R 2 + R 1 - CH - NH 3 - R 2 \u003d R 1 - CH - NH 3 - R 2 + R 1 - CO - R 2

stanno giocando ruolo importante nella trasformazione di AK. Il coenzima comune è il piridossalfosfato.

Esempio: alanina aminotransferasi(AlAT): piruvato + glutammato = alanina + alfa-chetoglutarato (vedi capitolo "Metabolismo proteico").

2.5. Fosfotransferesi (chinasi): catalizza il trasferimento di un residuo di acido fosforico. Nella maggior parte dei casi, l'ATP è il donatore di fosfato. Gli enzimi di questa classe sono principalmente coinvolti nel processo di scomposizione del glucosio.

Esempio: Eso (gluco)chinasi.

3. idrolasi - catalizzare reazioni di idrolisi, cioè scissione di sostanze con aggiunta nel luogo di rottura del legame dell'acqua. Questa classe comprende principalmente enzimi digestivi, sono monocomponenti (non contengono una parte non proteica)

R1-R2 + H 2 O \u003d R1H + R2OH

3.1. Esteras - abbattere i legami essenziali. Questa è una grande sottoclasse di enzimi che catalizzano l'idrolisi degli esteri tiolici, i fosfoesteri.
Esempio: NH 2 ).

Esempio: arginasi(ciclo dell'urea).

4. Collegamenti - catalizzare le reazioni di scissione delle molecole senza l'aggiunta di acqua. Questi enzimi hanno una parte non proteica sotto forma di tiamina pirofosfato (B 1) e piridossal fosfato (B 6).

4.1. Liasi del legame CC. Sono comunemente indicati come decarbossilasi.

Esempio: piruvato decarbossilasi.

5.Isomerasi - catalizzare reazioni di isomerizzazione.

Esempio: fosfopentoso isomerasi, pentoso fosfato isomerasi(enzimi del ramo non ossidativo della via del pentoso fosfato).

6. Ligasi catalizzare la sintesi di sostanze più complesse da quelle semplici. Tali reazioni procedono con il dispendio di energia ATP. La sintetasi viene aggiunta al nome di tali enzimi.

LETTERATURA AL CAPITOLO IV.3.

1. Byshevsky A. Sh., Tersenov O. A. Biochimica per un medico // Ekaterinburg: lavoratore degli Urali, 1994, 384 p.;

2. Knorre D.G., Myzina S.D. chimica biologica. - M.: Più in alto. scuola 1998, 479 pagg.;

3. Filippovich Yu. B., Egorova T. A., Sevastyanova G. A. Workshop sulla biochimica generale // M.: Prosveschenie, 1982, 311 pp.;

4. Lehninger A. Biochimica. Basi molecolari della struttura e delle funzioni della cellula // M.: Mir, 1974, 956 p.;

5. Pustovalova L.M. Workshop sulla biochimica // Rostov-on-Don: Phoenix, 1999, 540 p.

Inviare il tuo buon lavoro nella knowledge base è semplice. Usa il modulo sottostante

Gli studenti, i dottorandi, i giovani scienziati che utilizzano la base di conoscenze nei loro studi e nel loro lavoro ti saranno molto grati.

Ospitato su http://www.allbest.ru/

introduzione

proteina enzimatica biologica

Per quanto ne sappiamo, nel nostro corpo sono presenti molti enzimi che contribuiscono all'attuazione dei processi metabolici (respirazione, digestione, contrazione muscolare, fotosintesi), che determinano il processo stesso della vita. Pertanto, i farmaci sono diventati ampiamente utilizzati nel trattamento di malattie accompagnate da processi purulento-necrotici, trombosi e tromboembolia e disturbi digestivi. I preparati enzimatici iniziarono anche a trovare applicazione nel trattamento delle malattie oncologiche.

Gli enzimi svolgono un ruolo piuttosto importante in molti processi tecnologici. Enzimi Alta qualità consentire il miglioramento della tecnologia, la riduzione dei costi e persino l'ottenimento di nuovi prodotti.

Attualmente gli enzimi sono utilizzati in più di 25 industrie: si tratta dell'industria alimentare, farmaceutica, cartaria, leggera, oltre che in agricoltura.

Lo scopo del mio abstract è: uno studio dettagliato dei concetti di catalisi enzimatica e enzimatica (biocatalisi).

1) Cosa sono gli enzimi, che ruolo svolgono?

2) Struttura e meccanismo d'azione degli enzimi.

3) Considera le funzioni degli enzimi.

4) Il principio di azione degli enzimi.

5) Classificazione degli enzimi.

6) Campo di applicazione degli enzimi.

7) Metodi per l'isolamento degli enzimi.

8) Fattori che influenzano le reazioni enzimatiche?

1. Cosa sono gli enzimi e che ruolo svolgono?

Gli enzimi sono sostanze organiche di natura proteica che vengono sintetizzate nelle cellule e accelerano più volte le reazioni che avvengono in esse senza subire trasformazioni chimiche. Sostanze che hanno un effetto simile esistono in natura inanimata e sono chiamate catalizzatori. Gli enzimi sono talvolta chiamati enzimi (dal greco en - inside, zyme - lievito). Tutte le cellule viventi contengono un insieme molto ampio di enzimi, dall'attività catalitica da cui dipende il funzionamento delle cellule. Quasi ciascuna delle molte reazioni differenti che si verificano nella cellula richiede la partecipazione di un enzima specifico. Studiando proprietà chimiche gli enzimi e le reazioni da essi catalizzate sono impegnati in un'area speciale e molto importante della biochimica - l'enzimatica.

Molti enzimi sono nella cellula allo stato libero, essendo semplicemente disciolti nel citoplasma; altri sono associati a strutture complesse altamente organizzate. Ci sono anche enzimi che sono normalmente al di fuori della cellula; quindi, gli enzimi che catalizzano la scomposizione dell'amido e delle proteine vengono secreti dal pancreas nell'intestino. Secernono enzimi e molti microrganismi.

I primi dati sugli enzimi sono stati ottenuti studiando i processi di fermentazione e digestione. L. Pasteur ha dato un grande contributo allo studio della fermentazione, ma credeva che solo le cellule viventi potessero svolgere le reazioni corrispondenti. All'inizio del 20° secolo E. Buchner ha dimostrato che la fermentazione del saccarosio con formazione di anidride carbonica e alcol etilico può essere catalizzata da un estratto di lievito privo di cellule. Questo importante scoperta servito come stimolo per l'isolamento e lo studio degli enzimi cellulari. Nel 1926, J. Sumner della Cornell University (USA) isolò l'ureasi; è stato il primo enzima ottenuto in forma praticamente pura. Da allora sono stati scoperti e isolati più di 700 enzimi, ma ne esistono molti di più negli organismi viventi. L'identificazione, l'isolamento e lo studio delle proprietà dei singoli enzimi occupano un posto centrale nell'enzimologia moderna.

Gli enzimi coinvolti nei processi fondamentali di conversione dell'energia, come la scomposizione degli zuccheri, la formazione e l'idrolisi del composto ad alta energia adenosina trifosfato (ATP), sono presenti in tutti i tipi di cellule: animali, vegetali, batteriche. Tuttavia, ci sono enzimi che vengono prodotti solo nei tessuti di determinati organismi. Pertanto, gli enzimi coinvolti nella sintesi della cellulosa si trovano nelle cellule vegetali, ma non nelle cellule animali. Pertanto, è importante distinguere tra enzimi "universali" ed enzimi specifici per determinati tipi di cellule. In generale, più una cellula è specializzata, più è probabile che sintetizzi l'insieme di enzimi necessari per svolgere una particolare funzione cellulare.

Ad oggi sono noti oltre 3000 enzimi. Tutti loro hanno una serie di proprietà specifiche che li distinguono dai catalizzatori inorganici. Nel solo corpo umano si verificano migliaia di reazioni enzimatiche ogni secondo. Gli enzimi svolgono un ruolo importante in tutti i processi vitali, dirigendo e regolando il metabolismo del corpo.

Va inoltre notato che tutti natura esiste esclusivamente attraverso la biocatalisi. Non c'è da stupirsi che il grande fisiologo russo, vincitore del premio Nobel I.P. Pavlov chiamava gli enzimi portatori di vita.

2. Struttura e meccanismo d'azione degli enzimi

Come tutte le proteine, gli enzimi sono sintetizzati come una catena lineare di amminoacidi che si ripiega in un modo specifico. Ogni sequenza di amminoacidi si piega in un modo specifico e la molecola risultante (globulo proteico) ha proprietà uniche. Diverse catene proteiche possono essere combinate in un complesso proteico. La struttura terziaria delle proteine viene distrutta se riscaldata o esposta a determinate sostanze chimiche.

Riso. 1. La struttura dell'enzima

3. Funzioni enzimatiche

Gli enzimi sono presenti in tutte le cellule viventi e contribuiscono alla trasformazione di determinate sostanze (substrati) per gli altri (prodotti).

Gli enzimi agiscono come catalizzatori in quasi tutte le reazioni biochimiche che si verificano negli organismi viventi: catalizzano più di 4.000 diverse reazioni biochimiche.

Gli enzimi svolgono un ruolo importante in tutti i processi vitali, dirigendo e regolando il metabolismo del corpo.

Una caratteristica distintiva degli enzimi rispetto ai catalizzatori non proteici è la loro elevata specificità: la costante di legame di alcuni substrati a una proteina può raggiungere 10? 10 mol/l o meno. Ogni molecola enzimatica è in grado di eseguire da diverse migliaia a diversi milioni di "operazioni" al secondo.

Ad esempio, una molecola dell'enzima renina contenuta nella mucosa dello stomaco di un vitello caglia circa 106 molecole di caseinogeno del latte in 10 minuti ad una temperatura di 37°C.

4. Come funzionano gli enzimi

Una sostanza che subisce una trasformazione in presenza di un enzima è chiamata substrato. Il substrato si unisce all'enzima, che accelera la rottura di alcuni legami chimici nella sua molecola e la creazione di altri; il prodotto risultante viene staccato dall'enzima.

Gli enzimi non sono soggetti ad usura durante la reazione. Vengono rilasciati al completamento della reazione e sono immediatamente pronti per iniziare la reazione successiva. Teoricamente, questo può continuare all'infinito, almeno fino a quando non esauriscono tutto il substrato. In pratica, a causa della loro suscettibilità e composizione organica, la durata della vita degli enzimi è limitata.

Secondo l'espressione figurativa usata nella letteratura biochimica, l'enzima si avvicina al substrato come una “chiave di una serratura”. Questa regola è stata formulata da E. Fischer nel 1894 in base al fatto che la specificità dell'azione dell'enzima è predeterminata dalla stretta corrispondenza tra la struttura geometrica del substrato e il centro attivo dell'enzima. L'enzima si lega al substrato per formare un complesso enzima-substrato di breve durata (formazione di complessi intermedi). Tuttavia, sebbene questo modello spieghi l'elevata specificità degli enzimi, non spiega il fenomeno della stabilizzazione dello stato di transizione che si osserva nella pratica. Negli anni '50, questa visione statica fu sostituita dall'ipotesi di D. Koshland sulla conformità indotta del substrato e dell'enzima. La sua essenza si riduce al fatto che la corrispondenza spaziale tra la struttura del substrato e il centro attivo dell'enzima si crea nel momento della loro interazione reciproca, che può essere espressa dalla formula "mano guantata". Gli enzimi generalmente non sono molecole rigide, ma flessibili. Il sito attivo di un enzima può cambiare conformazione dopo aver legato il substrato. I gruppi laterali degli amminoacidi del sito attivo prendono una posizione che consente all'enzima di svolgere la sua funzione catalitica. In alcuni casi, anche la molecola del substrato cambia conformazione dopo essersi legata al sito attivo. Contrariamente al modello key-lock, il modello di adattamento indotto spiega non solo la specificità degli enzimi, ma anche la stabilizzazione dello stato di transizione.

Ma nel processo maggiore sviluppo scienza, l'ipotesi di Koshland viene gradualmente sostituita dall'ipotesi di corrispondenza topochimica. Mantenendo le principali disposizioni dell'ipotesi di aggiustamento reciprocamente indotto del substrato e dell'enzima, richiama l'attenzione sul fatto che la specificità dell'azione degli enzimi è dovuta principalmente al riconoscimento di quella parte del substrato che non cambia durante la catalisi . Tra questa parte del substrato e il centro del substrato dell'enzima sorgono numerose interazioni idrofobiche puntiformi e legami idrogeno.

5. Classificazione degli enzimi

Ora sono noti circa 2mila enzimi, ma questo elenco non è completo. A seconda del tipo di reazione catalizzata, tutti gli enzimi sono suddivisi in 6 classi:

Ш Enzimi che catalizzano le reazioni redox dell'ossidoreduttasi;

Ш Enzimi di trasferimento di vari gruppi (gruppi metilici, amminici e fosforici e altri) - transferasi.

Ш Enzimi che svolgono l'idrolisi dei legami chimici - idrolasi

Ш Enzimi di scissione non idrolitica dal substrato di vari gruppi (NH3, CO2, H2O e altri) - liasi.

Ш Enzimi che accelerano la sintesi dei legami nelle molecole biologiche con la partecipazione di donatori di energia, come l'ATP - ligasi.

III Gli enzimi che catalizzano la conversione degli isomeri l'uno nell'altro sono isomerasi.

Ossidoduttasi sono enzimi che catalizzano i processi redox nel corpo. Svolgono il trasferimento di idrogeno ed elettroni e sono conosciuti con i loro nomi comuni come deidrogenasi, ossidasi e perossidasi. Questi enzimi differiscono in quanto hanno coenzimi e gruppi protesici specifici. Sono divisi in gruppi funzionali di donatori, da cui accettano idrogeno o elettroni, e accettori, a cui li trasferiscono (al gruppo CH-OH, gruppo CH - NH, gruppo C-NH e altri).

Transferasi- questi sono enzimi che trasferiscono gruppi atomici (a seconda del gruppo che trasferiscono, sono chiamati di conseguenza). Le transferasi, per la varietà di residui che trasportano, partecipano al metabolismo intermedio.

idrolasi- questi sono enzimi che catalizzano la scissione idrolitica di vari substrati (con la partecipazione di molecole d'acqua). A seconda di ciò, si distinguono tra loro le esterasi, che scindono il legame estereo tra gli acidi carbossilici (lipasi) degli esteri tiolici, il legame fosfoestere e così via; glicosidasi che scindono i legami glicosidici, idrolasi peptidiche che agiscono sui legami peptidici e altri.

Collegamento- questo gruppo comprende enzimi che possono scindere vari gruppi dal substrato in modo non idrolitico con formazione di doppi legami o, al contrario, aggiungere gruppi a doppio legame. La scissione produce H2O o CO2 o grandi residui - ad esempio acetile - CoA. Le liasi svolgono un ruolo molto importante nel processo metabolico.

isomerasi- enzimi che catalizzano la trasformazione delle forme isomeriche l'una nell'altra, ovvero effettuano la trasformazione intramolecolare di vari gruppi. Questi includono non solo gli enzimi che stimolano le reazioni delle transizioni reciproche degli isomeri ottici e geometrici, ma anche quelli che possono promuovere la conversione degli aldosi in chetosi.

ligasi. In precedenza, questi enzimi non erano separati dalle liasi, poiché la reazione di quest'ultime procede spesso in due direzioni, ma recentemente è stato riscontrato che la sintesi e il decadimento nella maggior parte dei casi si verificano sotto l'influenza di vari enzimi, e su questa base una classe separata di ligasi (sintetasi) è stato isolato. Gli enzimi a doppia azione sono detti bifunzionali. Le ligasi prendono parte alla reazione di connessione di due molecole, cioè processi sintetici accompagnati dalla scissione dei legami macroenergetici dell'ATP o di altri macroerg.

“La prima divisione degli enzimi nei gruppi più grandi (6 classi) non si basa sul nome del substrato, ma sulla natura della reazione chimica che l'enzima catalizza. Inoltre, all'interno delle classi, gli enzimi sono suddivisi in sottoclassi, guidate dalla struttura del substrato. Le sottoclassi combinano enzimi di una data classe che agiscono su substrati costruiti in modo simile. La divisione non finisce qui. Gli enzimi di ogni sottoclasse sono divisi in sottoclassi, in cui la struttura viene affinata in modo ancora più rigoroso. gruppi chimici distinguere i substrati l'uno dall'altro. Una sottoclasse è l'ultimo livello di classificazione più basso. All'interno delle sottoclassi sono già elencati i singoli enzimi.

6. Ambito degli enzimi

Possedere un alto grado selettività, gli enzimi vengono utilizzati dagli organismi viventi per eseguire un'enorme varietà di reazioni chimiche ad alta velocità; mantengono la loro attività non solo nel microspazio della cellula, ma anche al di fuori del corpo. Gli enzimi sono ampiamente utilizzati in settori quali la panificazione, la produzione di birra, la vinificazione, la produzione di tè, pelle e pellicce, la produzione di formaggio, la cucina (per la lavorazione della carne), ecc. IN l'anno scorso gli enzimi iniziarono ad essere utilizzati nell'industria della chimica fine per effettuare tali reazioni chimica organica, come ossidazione, riduzione, deaminazione, decarbossilazione, disidratazione, condensazione, nonché per la separazione e l'isolamento degli isomeri degli aminoacidi della serie L (durante la sintesi chimica si formano miscele racemiche di isomeri L e D), che sono utilizzato nell'industria, agricoltura, medicina. Padroneggiare i sottili meccanismi dell'azione degli enzimi fornirà senza dubbio possibilità illimitate per ottenere sostanze utili in grandi quantità e ad alta velocità. condizioni di laboratorio quasi il 100% di resa. Attualmente si sta sviluppando una nuova branca della scienza: l'enzimologia industriale, che è la base della biotecnologia. Un enzima legato in modo covalente ("cucito") a qualsiasi supporto polimerico organico o inorganico (matrice) è chiamato immobilizzato. La tecnica di immobilizzazione enzimatica consente di risolvere una serie di problemi chiave dell'enzima: garantire l'elevata specificità dell'azione degli enzimi e aumentarne la stabilità, la facilità di manipolazione, la possibilità di riutilizzo e il loro utilizzo nelle reazioni sintetiche in un flusso. L'applicazione di questa tecnica nell'industria è chiamata enzimologia ingegneristica. Numerosi esempi testimoniano le enormi possibilità dell'ingegneria enzimatica in vari campi dell'industria, della medicina e dell'agricoltura. In particolare, la β-galattosidasi immobilizzata attaccata a un'ancoretta magnetica viene utilizzata per ridurre il contenuto di lattosio del latte, i. un prodotto che non viene scomposto nel corpo di un bambino malato con intolleranza ereditaria al lattosio. Il latte così trattato si conserva anche congelato molto più a lungo e non si addensa. Sono stati sviluppati progetti per ottenere prodotti alimentari dalla cellulosa, convertendola con l'aiuto di enzimi immobilizzati - cellulasi - in glucosio, che può essere convertito in un prodotto alimentare - amido. Con l'aiuto della tecnologia enzimatica, in linea di principio, è anche possibile ottenere prodotti alimentari, in particolare carboidrati, da combustibile liquido (olio), scomponendolo in gliceraldeide e quindi sintetizzando glucosio e amido da esso con la partecipazione di enzimi. Indubbiamente, la modellazione con l'aiuto dell'enzimologia ingegneristica del processo di fotosintesi ha un grande futuro, ad es. processo naturale di fissazione della CO2; oltre all'immobilizzazione, questo processo, vitale per tutta l'umanità, richiederà lo sviluppo di nuovi approcci originali e l'uso di alcuni specifici coenzimi immobilizzati. Come esempio dell'immobilizzazione degli enzimi e del loro utilizzo nell'industria, presentiamo un diagramma di un processo continuo per ottenere l'amminoacido alanina e rigenerare il coenzima (in particolare, NAD) in un sistema modello (Fig. 2). In questo sistema, il substrato iniziale (acido lattico) viene pompato in una camera del reattore contenente NAD+ e due deidrogenasi NAD-dipendenti immobilizzate su destrano: lattato e alanina deidrogenasi; dall'estremità opposta del reattore, il prodotto di reazione - alanina - viene rimosso ad una determinata velocità.

Riso. 2. Schema di un processo continuo per ottenere un amminoacido

Tali reattori hanno trovato applicazione nell'industria farmaceutica, ad esempio, nella sintesi del farmaco antireumatoide prednisolone da idrocortisone. Inoltre, possono fungere da modello per l'uso nella sintesi e produzione di fattori essenziali, poiché con l'aiuto di enzimi e coenzimi immobilizzati possono essere dirette reazioni chimiche accoppiate (compresa la biosintesi dei metaboliti essenziali), eliminando così la mancanza di sostanze in difetti metabolici ereditari. Così, con l'aiuto di un nuovo approccio metodologico, la scienza muove i primi passi nel campo della "biochimica sintetica". Non meno importanti aree di ricerca sono l'immobilizzazione cellulare e la creazione di ceppi industriali di microrganismi che producono vitamine e aminoacidi essenziali mediante metodi di ingegneria genetica (ingegneria genetica). Un esempio dell'applicazione medica dei progressi delle biotecnologie è l'immobilizzazione delle cellule tiroidee per la determinazione dell'ormone stimolante la tiroide in fluidi biologici o estratti di tessuti. Il prossimo passo è la creazione di un metodo biotecnologico per ottenere dolci non calorici, ovvero dolcificanti alimentari che possono creare una sensazione dolce senza essere ad alto contenuto calorico. Una di queste sostanze promettenti è l'aspartame, che è un estere metilico del dipeptide - aspartilfenilalanina (vedi prima). L'aspartame è quasi 300 volte più dolce dello zucchero, è innocuo e viene scomposto nel corpo in aminoacidi liberi presenti in natura: acido aspartico (aspartato) e fenilalanina. L'aspartame troverà senza dubbio ampia applicazione sia in medicina che nell'industria alimentare (negli USA, ad esempio, viene utilizzato per le pappe e viene aggiunto al posto dello zucchero nella dieta della Coca-Cola). Per la produzione di aspartame con metodi di ingegneria genetica, è necessario ottenere non solo acido aspartico libero e fenilalanina (precursori), ma anche un enzima batterico che catalizza la biosintesi di questo dipeptide. L'importanza dell'enzimologia ingegneristica, così come della biotecnologia in generale, aumenterà in futuro. Secondo gli esperti, la produzione di tutti i processi biotecnologici dell'industria chimica, farmaceutica, alimentare, medica e agricola, ottenuta in un anno nel mondo, ammonterà a decine di miliardi di dollari entro il 2000. Nel nostro Paese, entro il 2000 , la produzione di metodi di ingegneria genetica di L-treonina e vitamina B2. Già nel 1998 è prevista la produzione di numerosi enzimi, antibiotici, β1-, β-, r-interferoni; I preparati di insulina e ormone della crescita sono in fase di sperimentazione clinica. Nel Paese è stata avviata la produzione di reagenti per metodi di immunodosaggio enzimatico per la determinazione di molti componenti chimici nei fluidi biologici utilizzando la tecnologia dell'ibridoma.

7. Metodi di estrazione enzimatica

Il processo di isolamento di una proteina inizia con il trasferimento di proteine tissutali in una soluzione. Per fare ciò, il tessuto (materiale) da cui si ottiene l'enzima viene accuratamente macinato in un omogeneizzatore in presenza di una soluzione tampone. Per una migliore distruzione cellulare, al materiale viene aggiunta sabbia di quarzo se il materiale viene macinato in una malta. Di conseguenza, si ottiene un impasto liquido: un omogeneo. Se non è stato effettuato alcun frazionamento preliminare degli organelli cellulari, l'omogeneizzato contiene frammenti di cellule, nuclei, cloroplasti e altri organelli cellulari, pigmenti solubili e proteine.

Quando si isolano gli enzimi dai tessuti degli organismi viventi, comprese le piante, è necessario osservare condizioni che non causano la denaturazione delle proteine. Tutto il lavoro viene eseguito a bassa temperatura (40 C) e a valori di pH della soluzione tampone ottimali per questo enzima.

Dopo il trasferimento degli enzimi dal tessuto allo stato disciolto, l'omogenato viene sottoposto a centrifugazione per separare la parte insolubile del materiale, quindi i seguenti enzimi vengono isolati in frazioni separate dell'estratto-centrifugato.

Poiché tutti gli enzimi sono proteine, vengono utilizzati gli stessi metodi di isolamento per ottenere preparazioni enzimatiche purificate come quando si lavora con le proteine.

Metodi di selezione:

precipitazione proteica da solventi organici;

salatura;

il metodo di elettroforesi;

metodo di cromatografia a scambio ionico;

Il metodo della centrifugazione

metodo di filtrazione del gel;

metodo della cromatografia di affinità o metodo della cromatografia di affinità;

denaturazione selettiva.

8. Fattori che influenzano le reazioni enzimatiche

L'attività degli enzimi, e quindi la velocità di reazione della catalisi enzimatica, è influenzata da vari fattori:

Ш Concentrazione e disponibilità del supporto. A una quantità costante di enzima, la velocità aumenta all'aumentare della concentrazione del substrato. Questa reazione è soggetta alla legge masse recitanti ed è considerato alla luce della teoria di Michaelis-Mentone.

Ø Concentrazione enzimatica. La concentrazione di enzimi è sempre relativamente bassa. La velocità di qualsiasi processo enzimatico dipende fortemente dalla concentrazione dell'enzima. Per la maggior parte delle applicazioni alimentari, la velocità delle reazioni è proporzionale alla concentrazione degli enzimi. L'eccezione è quando le reazioni vengono regolate su livelli di substrato molto bassi.

W Temperatura di reazione. Fino ad un certo valore di temperatura (in media, fino a 50°C), l'attività catalitica aumenta e per ogni 10°C la velocità di conversione del substrato aumenta di circa 2 volte. In generale, per gli enzimi di origine animale, è compresa tra 40 e 50°C, e di origine vegetale tra 50 e 60°C. La temperatura ottimale è 37 o C, alla quale i processi in un organismo vivente procedono rapidamente, risparmiando un gran numero di energia. Tuttavia, ci sono enzimi con una temperatura ottimale più elevata, ad esempio la papaina ha una temperatura ottimale a 80°C. Allo stesso tempo, la catalasi ha una temperatura d'azione ottimale compresa tra 0 e -10°C.

SH reazione pH. Ogni enzima ha un intervallo specifico di valori di pH in cui l'enzima mostra la massima attività. Tuttavia, le condizioni migliori per il loro funzionamento sono vicine a valori di pH neutri. In un ambiente fortemente acido o fortemente alcalino, solo alcuni enzimi funzionano bene. L'influenza del pH del mezzo sulle azioni degli enzimi si basa sul fatto che c'è un cambiamento nella carica di vari gruppi proteici nel centro attivo dell'enzima, che provoca un cambiamento significativo nella conformazione della catena polipeptidica .

Ш La durata del processo. Per una reazione di catalisi enzimatica del primo ordine, la velocità di reazione diminuisce nel tempo al diminuire della disponibilità del substrato. Tali reazioni di catalisi enzimatica richiedono molto tempo per essere completate.

III Presenza di inibitori o attivatori. Sostanze chimiche in grado di provocare effetto dannoso sulla reazione fermentativa sono detti "inibitori". I metalli (rame, ferro, calcio) oi composti dei substrati possono agire come tali sostanze. Alcune sostanze sono in grado di attivare o stabilizzare enzimi. La presenza di determinati ioni nel mezzo di reazione può attivare la formazione del substrato attivo del complesso enzimatico, e in questo caso la velocità della reazione enzimatica aumenterà. Tali sostanze sono chiamate attivatori.

Conclusione

In questo saggio, abbiamo esaminato una delle sostanze biologicamente attive, ovvero gli enzimi. Gli enzimi sono catalizzatori biologici di natura proteica che accelerano le reazioni chimiche all'interno e all'esterno degli organismi viventi. Gli enzimi hanno proprietà uniche che li distinguono dai catalizzatori organici convenzionali. Questa è, prima di tutto, un'attività catalitica insolitamente elevata. Un'altra importante proprietà degli enzimi è la selettività della loro azione.

Un'importante proprietà degli enzimi, che deve essere presa in considerazione nel loro uso pratico, è la stabilità, cioè la loro capacità di mantenere l'attività catalitica.

A causa dell'elevata specificità degli enzimi, nel corpo non regna il caos: ogni enzima svolge le funzioni strettamente assegnate, senza influenzare il corso di molte decine e centinaia di altre reazioni che si verificano nel suo ambiente. Il ruolo degli enzimi nella vita degli organismi è grande.

Il futuro degli enzimi è molto interessante. La tecnologia per scoprire e produrre nuovi enzimi sta avanzando rapidamente. In precedenza, l'uso e la produzione di enzimi si sono evoluti in gran parte attraverso tentativi ed errori. Poiché i dettagli che influenzano la chimica e l'azione degli enzimi erano poco conosciuti, nei preparati venivano utilizzate miscele degli enzimi più versatili. Grazie a nuove ricerche, enzimi più specifici possono essere utilizzati nella produzione di prodotti commercializzati.

Oggi, le tecnologie in via di sviluppo rivelano ogni giorno sempre più nuove meraviglie della creazione della vita, e la "biomimetica" come scienza sceglie sistemi eccellenti negli organismi degli esseri viventi come esempi, creando invenzioni a loro immagine e somiglianza a beneficio e beneficio di le persone. Gli scienziati cercheranno di trovare analoghi chimici degli enzimi e creare nuovi processi industriali basati su di essi.

Letteratura

1. "Chimica biofisica" / A.G. Pasynsky [Testo] -375 pag.

2. Nechaev A.P., Kochetkova A.A., Zaitsev A.N. / Additivi alimentari [Testo] // M., 2001. - 232 p.

3. "Fondamenti di biochimica" / G.A. Smirnova. [Testo] -278 pag.

4. "Enzimi-motori della vita" / V.I. Rosengart. [Testo] -378 pag.

cinque. " dizionario enciclopedico giovane biologo” / M.S. Giliarov. [Testo] -488 pag.

Ospitato su Allbest.ru

...

Documenti simili

Caratteristiche degli enzimi, catalizzatori organici di natura proteica, che accelerano le reazioni necessarie al funzionamento degli organismi viventi. Condizioni d'azione, produzione e uso degli enzimi. Malattie associate a ridotta produzione di enzimi.

presentazione, aggiunta il 19/10/2013

Classificazione degli enzimi, loro funzioni. Convenzioni di denominazione degli enzimi, struttura e meccanismo della loro azione. Descrizione della cinetica delle reazioni enzimatiche a singolo substrato. Modelli "key-lock", corrispondenza indotta. Modificazioni, cofattori enzimatici.

presentazione, aggiunta il 17/10/2012

Composizione chimica, natura e struttura delle proteine. Il meccanismo d'azione degli enzimi, i tipi della loro attivazione e inibizione. Classificazione moderna e nomenclatura di enzimi e vitamine. Il meccanismo di ossidazione biologica, la catena principale degli enzimi respiratori.

cheat sheet, aggiunto il 20/06/2013

Studio del ruolo biologico degli enzimi nei meccanismi di interazione tra sistemi adrenergici e peptidergici. Determinazione dell'attività enzimatica mediante metodo fluorimetrico. Studio dell'ipofisi, dell'ipotalamo, degli emisferi cerebrali e della quadrigemina di ratti maschi.

articolo, aggiunto il 01/09/2013

Definizione di enzimi come proteine specifiche presenti in tutte le cellule viventi dei catalizzatori biologici. La spazialità della molecola strutturale degli enzimi, il processo di biosintesi di ossidoreduttasi, transferasi, idrolasi, liasi, isomerasi e ligasi.

test, aggiunto il 27/01/2011

Il concetto di enzimi come proteine globulari costituite da una o più catene polipeptidiche. Caratteristiche strutturali di enzimi semplici e complessi. Substrato, centri allosterici e catalitici nella struttura di enzimi semplici e complessi.

presentazione, aggiunta il 02/07/2017

Gli enzimi (enzimi) sono proteine catalitiche. Caratteristiche, funzione e principi della struttura degli enzimi. Condizioni di massima attività, cofattori e coenzimi. Distribuzione degli enzimi nel corpo. Valore diagnostico di marker, secretori e isoenzimi.

presentazione, aggiunta il 28/11/2015

Significato biologico, classificazione, studio e regolazione dell'attività catalitica degli enzimi membrana biologica, le loro differenze dagli enzimi solubili. Metodi di ricostruzione delle proteine. Funzioni dei lipidi e metodi per studiarne l'effetto sugli enzimi di membrana.

tesina, aggiunta il 13/04/2009

Caratterizzazione della biosintesi come processo di formazione di sostanze organiche che si verificano nelle cellule con l'aiuto di enzimi e strutture intracellulari. Membri della biosintesi proteica. Sintesi di RNA utilizzando il DNA come modello. Il ruolo e l'importanza dei ribosomi.

presentazione, aggiunta il 21/12/2013

Enzimi o enzimi - molecole proteiche o loro complessi che accelerano le reazioni chimiche nei sistemi viventi; coenzimi e substrati: storia dello studio, classificazione, nomenclatura, funzioni. Struttura e meccanismo d'azione degli enzimi, loro significato biomedico.

Storia di studio

Termine enzima proposto nel XVII secolo dal chimico van Helmont quando discuteva dei meccanismi della digestione.

Classificazione degli enzimi

A seconda del tipo di reazione catalizzata, gli enzimi sono suddivisi in 6 classi secondo la classificazione gerarchica degli enzimi (KF, - Enzyme Comission code). La classificazione è stata proposta dall'Unione Internazionale di Biochimica e Biologia Molecolare (Unione Internazionale di Biochimica e Biologia Molecolare). Ogni classe contiene sottoclassi, quindi un enzima è descritto da un insieme di quattro numeri separati da punti. Ad esempio, la pepsina ha il nome EC 3.4.23.1. Il primo numero descrive approssimativamente il meccanismo della reazione catalizzata dall'enzima:

CF 1: Ossidoduttasi che catalizzano l'ossidazione o la riduzione. Esempio: catalasi, alcol deidrogenasi.
CF 2: Transferasi che catalizzano il trasferimento di gruppi chimici da una molecola di substrato all'altra. Tra le transferasi si distinguono in particolare le chinasi, che trasmettono un gruppo fosfato, di regola, da una molecola di ATP.
CF 3: idrolasi che catalizzano l'idrolisi dei legami chimici. Esempio: esterasi, pepsina, tripsina, amilasi, lipoproteina lipasi.
CF 4: Collegamento, catalizzando la rottura dei legami chimici senza idrolisi con la formazione di un doppio legame in uno dei prodotti.
CF 5: isomerasi, catalizzatore strutturale o cambiamenti geometrici nella molecola del substrato.
CF 6: ligasi, catalizzando la formazione di legami chimici tra i substrati a causa dell'idrolisi dell'ATP. Esempio: DNA polimerasi.

Ricerca cinetica

La descrizione più semplice cinetica reazioni enzimatiche a substrato singolo è l'equazione di Michaelis-Menten (vedi Fig.). Ad oggi sono stati descritti diversi meccanismi di azione enzimatica. Ad esempio, l'azione di molti enzimi è descritta dallo schema del meccanismo del "ping-pong".

Nel 1972-1973. è stato creato il primo modello quantomeccanico di catalisi enzimatica (autori M. V. Volkenshtein, R. R. Dogonadze, Z. D. Urushadze e altri).

Struttura e meccanismo d'azione degli enzimi

L'attività degli enzimi è determinata dalla loro struttura tridimensionale.

Sito attivo degli enzimi

Nel centro attivo assegnare condizionatamente:

centro catalitico - che interagisce chimicamente direttamente con il substrato;
centro di legame (sito di contatto o di "ancoraggio") - fornendo un'affinità specifica per il substrato e la formazione del complesso enzima-substrato.

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

L'enzima si lega al substrato:

pulisce il supporto dall'acqua "pelliccia"
dispone le molecole del substrato che reagiscono nello spazio nel modo necessario affinché la reazione proceda
prepara per la reazione (ad esempio, polarizza) le molecole del substrato.

Di solito, l'attaccamento di un enzima a un substrato si verifica a causa di legami ionici o idrogeno, raramente a causa di legami covalenti. Al termine della reazione, il suo prodotto (oi suoi prodotti) viene separato dall'enzima.

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

In assenza di un enzima:

A+B = AB

In presenza di un enzima:

A+F = AF
AF+V = FAV
AVF \u003d AV + F

dove A, B - substrati, AB - prodotto di reazione, F - enzima.

Gli enzimi non possono fornire energia per le reazioni endergoniche (che richiedono energia) da soli. Pertanto, gli enzimi che effettuano tali reazioni le accoppiano con reazioni esergoniche che procedono con il rilascio di più energia. Ad esempio, le reazioni di sintesi dei biopolimeri sono spesso accoppiate con la reazione di idrolisi dell'ATP.

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

Specificità

Gli enzimi di solito mostrano un'elevata specificità per i loro substrati (specificità del substrato). Ciò si ottiene grazie alla 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. Di solito mostrano anche gli enzimi alto livello stereospecificità (formare come prodotto solo uno dei possibili stereoisomeri o utilizzare un solo stereoisomero come substrato), regioselettività (formare o rompere un legame chimico in una sola delle possibili posizioni del substrato) e chemoselettività (catalizzare solo una reazione chimica fuori di diversi possibili per determinate condizioni). Nonostante l'alto livello generale di specificità, il grado di substrato e la specificità di reazione degli enzimi possono essere diversi. Ad esempio, l'endopeptidasi tripsina rompe un legame peptidico solo dopo l'arginina o la lisina, a meno che non siano seguite da una prolina, e la pepsina è molto meno specifica e può rompere un legame peptidico seguendo molti amminoacidi.

Modello con chiusura a chiave

La congettura dell'adattamento indotto di Koshland

Una situazione più realistica è nel caso dell'abbinamento indotto. Substrati errati - troppo grandi o troppo piccoli - non si adattano al sito attivo

Nel 1890, Emil Fischer suggerì che la specificità degli enzimi è determinata dall'esatta corrispondenza tra la forma dell'enzima e il substrato. Questa ipotesi è chiamata modello lock-and-key. L'enzima si lega al substrato per formare un complesso enzima-substrato di breve durata. Tuttavia, sebbene questo modello spieghi l'elevata specificità degli enzimi, non spiega il fenomeno della stabilizzazione dello stato di transizione che si osserva nella pratica.

Modello con vestibilità indotta

Nel 1958, Daniel Koshland propose una modifica del modello con serratura a chiave. Gli enzimi generalmente non sono molecole rigide, ma flessibili. Il sito attivo di un enzima può cambiare conformazione dopo aver legato il substrato. I gruppi laterali degli amminoacidi del sito attivo prendono una posizione che consente all'enzima di svolgere la sua funzione catalitica. In alcuni casi, anche la molecola del substrato cambia conformazione dopo essersi legata al sito attivo. Contrariamente al modello key-lock, il modello di adattamento indotto spiega non solo la specificità degli enzimi, ma anche la stabilizzazione dello stato di transizione. Questo modello è stato chiamato "guanto a mano".

Modifiche

Molti enzimi subiscono modificazioni dopo la sintesi della catena proteica, senza la quale l'enzima non mostra pienamente la sua attività. Tali modifiche sono chiamate modifiche post-traduzionali (elaborazione). Uno dei tipi più comuni di modifica è l'aggiunta di gruppi chimici ai residui laterali della catena polipeptidica. Ad esempio, l'aggiunta di un residuo di acido fosforico è chiamata fosforilazione ed è catalizzata dall'enzima chinasi. Molti enzimi eucariotici sono glicosilati, cioè modificati con oligomeri di carboidrati.

Un altro tipo comune di modificazioni post-traduzionali è la scissione della catena polipeptidica. Ad esempio, la chimotripsina (una proteasi coinvolta nella digestione) si ottiene scindendo una regione polipeptidica dal chimotripsinogeno. Il chimotripsinogeno è un precursore inattivo della chimotripsina ed è sintetizzato nel pancreas. La forma inattiva viene trasportata nello stomaco dove viene convertita in chimotripsina. Questo meccanismo è necessario per evitare la scissione del pancreas e di altri tessuti prima che l'enzima entri nello stomaco. Un precursore enzimatico inattivo viene anche chiamato "zimogeno".

Cofattori enzimatici

Alcuni enzimi svolgono la funzione catalitica da soli, senza componenti aggiuntivi. Tuttavia, ci sono enzimi che richiedono componenti non proteici per la catalisi. I cofattori possono essere molecole inorganiche (ioni metallici, cluster ferro-zolfo, ecc.) o organiche (ad esempio flavina o eme). I cofattori organici che sono fortemente associati all'enzima sono anche chiamati gruppi protesici. I cofattori organici che possono essere separati dall'enzima sono chiamati coenzimi.

Un enzima che richiede un cofattore per esibire attività catalitica, ma non è legato ad esso, è chiamato apoenzima. Un apoenzima in combinazione con un cofattore è chiamato oloenzima. La maggior parte dei cofattori sono associati all'enzima da interazioni non covalenti ma abbastanza forti. Esistono anche gruppi protesici che sono legati in modo covalente all'enzima, come la tiamina pirofosfato nella piruvato deidrogenasi.

Regolazione enzimatica

Alcuni enzimi hanno siti di legame di piccole molecole e possono essere substrati o prodotti della via metabolica in cui l'enzima entra. Diminuiscono o aumentano l'attività dell'enzima, che lo rende possibile risposta.

Inibizione del prodotto finale

Via metabolica - una catena di reazioni enzimatiche successive. Spesso il prodotto finale di una via metabolica è un inibitore di un enzima che accelera la prima delle reazioni in quella via metabolica. Se il prodotto finale è troppo, agisce come un inibitore per il primo enzima, e se in seguito il prodotto finale diventa troppo piccolo, il primo enzima viene nuovamente attivato. Pertanto, l'inibizione da parte del prodotto finale secondo il principio del feedback negativo è un modo importante per mantenere l'omeostasi (la costanza relativa delle condizioni dell'ambiente interno del corpo).

Influenza delle condizioni ambientali sull'attività enzimatica

L'attività degli enzimi dipende dalle condizioni nella cellula o nell'organismo: pressione, acidità dell'ambiente, temperatura, concentrazione di sali disciolti (forza ionica della soluzione), ecc.

Molteplici forme di enzimi

Le molteplici forme di enzimi possono essere suddivise in due categorie:

Isoenzimi
Forme proprie del plurale (vero)

Isoenzimi- Si tratta di enzimi la cui sintesi è codificata da geni diversi, hanno diverse strutture primarie e diverse proprietà, ma catalizzano la stessa reazione. Tipi di isoenzimi:

Organico - enzimi della glicolisi nel fegato e nei muscoli.
Cellulare - deidrogenasi malato citoplasmatica e mitocondriale (gli enzimi sono diversi, ma catalizzano la stessa reazione).
Ibrido: gli enzimi con una struttura quaternaria si formano a seguito del legame non covalente delle singole subunità (lattato deidrogenasi - 4 subunità di 2 tipi).
Mutante: si formano a seguito di una singola mutazione di un gene.
Alloenzimi - codificati da diversi alleli dello stesso gene.

Forme plurali proprie(vero) sono enzimi la cui sintesi è codificata dallo stesso allele dello stesso gene, hanno la stessa struttura primaria e proprietà, ma dopo la sintesi sui ribosomi subiscono modificazioni e diventano differenti, pur catalizzando la stessa reazione.

Gli isoenzimi sono diversi a livello genetico e differiscono dalla sequenza primaria, e le vere forme multiple diventano diverse a livello post-traduzionale.

significato medico

Il legame tra enzimi e malattie metaboliche ereditarie è stato stabilito per la prima volta A. Garrodom negli anni '10 Garrod definì le malattie associate a difetti enzimatici "errori congeniti del metabolismo".

Se si verifica una mutazione nel gene che codifica per un particolare enzima, la sequenza amminoacidica dell'enzima può cambiare. Allo stesso tempo, a causa della maggior parte delle mutazioni, la sua attività catalitica diminuisce o scompare completamente. Se un organismo riceve due di questi geni mutanti (uno da ciascun genitore), la reazione chimica catalizzata da quell'enzima cessa di verificarsi nel corpo. Ad esempio, la comparsa degli albini è associata alla cessazione della produzione dell'enzima tirosinasi, responsabile di una delle fasi della sintesi del pigmento scuro melanina. La fenilchetonuria è associata all'attività ridotta o assente dell'enzima fenilalanina-4-idrossilasi nel fegato.

Attualmente sono note centinaia di malattie ereditarie associate a difetti enzimatici. Sono stati sviluppati metodi per il trattamento e la prevenzione di molte di queste malattie.

Uso pratico

Gli enzimi sono ampiamente utilizzati nell'economia nazionale: cibo, industria tessile, farmacologia e medicina. La maggior parte dei farmaci influenza il corso dei processi enzimatici nel corpo, avviando o interrompendo determinate reazioni.

Un'area ancora più ampia di applicazione degli enzimi in ricerca scientifica e in medicina.

Appunti

Letteratura

Volkenstein M. V., Dogonadze R. R., Madumarov A. K., Urushadze Z. D., Kharkats Yu. I. Sulla teoria della catalisi enzimatica.- Biologia molecolare, vol.6, n. 3, 1972, art. 431-439.
Dixon, M. Enzimi / M. Dixon, E. Webb. - In 3 volumi - Per. dall'inglese. - V.1-2. - M.: Mir, 1982. - 808 pag.

- (da lat. fermentum fermentazione, lievito madre), enzimi, biocatalizzatori, specifici. proteine presenti in tutte le cellule viventi e che svolgono il ruolo di biol. catalizzatori. Attraverso di loro si realizza la genetica. le informazioni e tutti i processi di scambio sono effettuati ... ... Dizionario enciclopedico biologico

- (lat. Fermentum lievito, da fervere essere caldo). materia organica, producendo fermentazione di altri corpi organici, senza essere essi stessi in decomposizione. Dizionario di parole straniere incluso nella lingua russa. Chudinov AN, 1910. ENZIMI ... ... Dizionario di parole straniere della lingua russa

- (dal lat. fermentum lievito) (enzimi) catalizzatori biologici presenti in tutte le cellule viventi. Effettuare la trasformazione delle sostanze nel corpo, dirigendo e regolando così il suo metabolismo. La natura chimica delle proteine. Enzimi ... ... Grande dizionario enciclopedico

- (dal latino fermentum lievito), catalizzatori biologici presenti in tutte le cellule viventi. Effettuare trasformazioni (metabolismo) di sostanze nel corpo. La natura chimica delle proteine. Partecipa a numerose reazioni biochimiche nella cellula ... ... Enciclopedia moderna

Esiste, numero di sinonimi: 2 biocatalizzatori (1) enzimi (2) Dizionario dei sinonimi ASIS. V.N. Trishin. 2013... Dizionario dei sinonimi

Enzimi. Vedi enzimi. (