Aktivni centar: specifičnost djelovanja enzima. Enzimi

Enzimi su makromolekularne supstance čija molekulska masa dostiže nekoliko miliona.Molekuli supstrata koji u interakciji sa enzimima obično imaju mnogo manju veličinu. Stoga je prirodno pretpostaviti da sa supstratom ne stupa u interakciju cijela molekula enzima kao cjelina, već samo neki njegov dio, takozvani “aktivni centar” enzima.

Aktivni centar enzima je dio njegove molekule koji direktno stupa u interakciju sa supstratima i učestvuje u činu katalize.

Aktivni centar enzima formira se na nivou tercijarne strukture. Stoga, tokom denaturacije, kada je tercijarna struktura poremećena, enzim gubi svoju katalitičku aktivnost. !

Aktivni centar se zauzvrat sastoji od:

- katalitičkog centra koji vrši hemijsku transformaciju supstrata;

- centar supstrata (“sidro” ili kontaktno područje), koji osigurava vezivanje supstrata za enzim, formiranje kompleksa enzim-supstrat.

Nije uvijek moguće povući jasnu liniju između katalitičkog i supstratnog centra; kod nekih enzima oni se poklapaju ili preklapaju.

Pored aktivnog centra, u molekuli enzima postoji i tzv. alosterični centar . Ovo je dio molekule enzima, kao rezultat dodavanja određene tvari male molekularne težine ( efektor ), tercijarna struktura enzima se mijenja. To dovodi do promjene u konfiguraciji aktivnog mjesta i, posljedično, do promjene aktivnosti enzima. Ovo je fenomen alosterične regulacije aktivnosti enzima.

Mnogi enzimi su multimeri (ili oligomeri ), tj. sastavljena od dvije ili više podjedinica protomeri(slično kvaternarnoj strukturi proteina).

Veze između podjedinica su uglavnom nekovalentne. Enzim pokazuje maksimalnu katalitičku aktivnost upravo u obliku multimera. Disocijacija na protomere naglo smanjuje aktivnost enzima.

Enzimi - multimeri obično sadrže jasan broj podjedinica (2-4), tj. su di- i tetrameri. Iako su poznati heksa- i oktameri (6-8), a trimeri i pentameri (3-5) su izuzetno rijetki.

Multimerni enzimi mogu biti izgrađeni od istih ili različitih podjedinica.

Ako se multimerni enzimi formiraju iz različitih tipova podjedinica, oni mogu postojati kao više izomera. Višestruki oblici enzima nazivaju se izoenzimi (izoenzimi ili izozimi).

Na primjer, enzim se sastoji od 4 podjedinice tipa A i B. Može formirati 5 izomera: AAAA, AAAB, AABB, ABBB, BBBB. Ovi izomerni enzimi su izoenzimi.

Izoenzimi katalizuju istu hemijsku reakciju, obično djeluju na isti supstrat, ali se razlikuju po nekim fizičko-hemijskim svojstvima (molekularna težina, sastav aminokiselina, elektroforetska pokretljivost itd.), lokalizaciji u organima i tkivima.

Posebnu grupu enzima čine tzv. multimerni kompleksi. To su sistemi enzima koji kataliziraju uzastopne faze transformacije supstrata. Takvi sistemi se odlikuju snagom veze i strogom prostornom organizacijom enzima, što osigurava minimalni put za prolazak supstrata i maksimalnu brzinu njegove transformacije.

Primjer je multienzimski kompleks koji vrši oksidativnu dekarboksilaciju pirogrožđane kiseline. Kompleks se sastoji od 3 vrste enzima (M.v. = 4.500.000).

Kraj rada -

Ova tema pripada:

Predavanja iz predmeta: biohemija peptida, proteina: njihova struktura, svojstva, značaj u organizmu, metode istraživanja. Fizičko-hemijska svojstva proteina.10

Federalna agencija za školstvo .. državna obrazovna ustanova visokog stručnog ..

Ako vam je potreban dodatni materijal na ovu temu, ili niste pronašli ono što ste tražili, preporučujemo da koristite pretragu u našoj bazi radova:

Šta ćemo sa primljenim materijalom:

Ako vam se ovaj materijal pokazao korisnim, možete ga spremiti na svoju stranicu na društvenim mrežama:

Sve teme u ovoj sekciji:

RNA dna
H3PO4 H3PO4 Riboza Deoksiriboza Azotne baze (A, G, C, U) (A, G, C, T) Tabela 1 prikazuje sastav

Primarna struktura RNA i DNK
Primarna struktura RNK i DNK je ista - to je linearni polinukleotidni lanac u kojem su nukleotidi međusobno povezani 3/5 / fosfodiestarskim vezama koje čine ostatak

Sekundarna struktura DNK
Sekundarnu strukturu DNK karakteriše pravilo E. Chargaffa (regularnost kvantitativnog sadržaja azotnih baza): 1. DNK ima molarne frakcije purina i pirimidina

Tercijarna struktura DNK
Tercijarna struktura DNK je spirala i superzavojnica u kompleksu sa proteinima. DNK može postojati u linearnom obliku (u eukariotskim hromozomima) iu kružnom obliku (u prokariotima i mitohondrijima). Spiralizacija

Struktura i funkcije RNK
Za razliku od DNK, RNK molekul se sastoji od jednog polinukleotidnog lanca koji je namotan na sebe, tj. formira sve vrste "petlji" i "ukosnica" zbog interakcije komplementarnog dušika

Izmjena nukleinskih kiselina i nukleotida u ljudskom tijelu
Metabolizam nukleotida u tijelu uključuje procese anabolizma (biosinteza purina - glavni i rezervni put - i pirimidinskih nukleotida) i katabolizma (razgradnja nukleinskih kiselina).

Transkripcija
Transkripcija - biosinteza molekula RNK na DNK šablonu, lokalizovanom u ćelijskom jezgru, odvija se neprekidno, bez obzira na ćelijski ciklus. Supstrati i izvori energije za biosintetiku

Biosinteza proteina
Biosinteza (translacija) proteina se dešava u polisomima i dovodi do izgradnje polipeptidnog lanca od aminokiselina (primarna struktura proteina). Za proces prevođenja potrebne su vam: matrice

regulacija transkripcije. Teorija operona
Operaon je dio DNK koji kodira strukturu jedne vrste proteina, koji sadrži regulatornu zonu koja kontrolira sintezu ovih proteina. Regulacija transkripcije mRNA uključuje indukciju

Ciklus limunske kiseline - CTC - Krebsov ciklus
Ciklus limunske kiseline je niz reakcija koje se dešavaju u mitohondrijima, tokom kojih se kataboliziraju acetilne grupe (do 2CO2) i formira se reanimacija.

Regulacija Krebsovog ciklusa
Ograničavajuća reakcija cijelog Krebsovog ciklusa je reakcija sinteze citrata (enzim citrat sintaze). Regulatorni enzimi Krebsovog ciklusa: piruvat dehidrogenaza (inhibitori: ATP, NADH +

Uloga kiseonika u metabolizmu
Ljudsko tijelo funkcionira u aerobnim uvjetima: 90% energije prima uz sudjelovanje kisika. Kisik obavlja dvije bitne funkcije u metabolizmu života.

Toksičnost kiseonika
Za ljudsko tijelo, toksičnost kisika je posljedica toksičnosti njegovih aktivnih oblika, koji mogu nastati tijekom prijenosa elektrona sa oksidiranih supstrata na kisik.

Nukleozid trifosfati
Najčešći visokoenergetski uobičajeni međuprodukti su nukleozidni trifosfati (NTP), koji mogu prenijeti svoj terminalni visokoenergetski

Proučavanje mehanizma kemijske reakcije katalizirane enzimom, uz određivanje međuprodukta i finalnih proizvoda u različitim fazama reakcije, podrazumijeva precizno poznavanje geometrije tercijarne strukture enzima, prirode funkcionalnog grupe njegovog molekula, koje obezbeđuju specifičnost delovanja i visoku katalitičku aktivnost na datom supstratu, kao i hemijsku prirodu mesta(a). ) molekul enzima koji obezbeđuje visoku brzinu katalitičke reakcije. Obično su molekuli supstrata uključeni u enzimske reakcije relativno mali u poređenju sa molekulima enzima. Dakle, tokom formiranja kompleksa enzim-supstrat, samo ograničeni fragmenti aminokiselinske sekvence polipeptidnog lanca ulaze u direktnu hemijsku interakciju - "aktivni centar" - jedinstvenu kombinaciju aminokiselinskih ostataka u molekulu enzima, koji obezbeđuje direktnu interakciju. sa molekulom supstrata i direktnim učešćem u činu katalize

U aktivnom centru, uslovno dodijelite

    katalitički centar - u direktnoj hemijskoj interakciji sa supstratom;

    vezni centar (kontaktno ili "sidro" mjesto) - pruža specifičan afinitet za supstrat i formiranje kompleksa enzim-supstrat.

Da bi katalizirao reakciju, enzim se mora vezati za jedan ili više supstrata. Proteinski lanac enzima je presavijen na takav način da se na površini globule formira praznina ili udubljenje, gdje se supstrati vezuju. Ovo područje se naziva mjesto vezivanja supstrata. Obično se podudara s aktivnim mjestom enzima ili se nalazi blizu njega. Neki enzimi također sadrže vezna mjesta za kofaktore ili metalne jone.

Enzim se vezuje za supstrat:

    čisti podlogu od vodenog "krznenog kaputa"

    raspoređuje molekule supstrata koji reaguje u prostoru na način koji je neophodan da bi se reakcija odvijala

    priprema za reakciju (na primjer, polarizira) molekule supstrata.

Obično se vezivanje enzima za supstrat događa zbog jonskih ili vodoničnih veza, rijetko zbog kovalentnih veza. Na kraju reakcije, njen proizvod (ili proizvodi) se odvaja od enzima.

Kao rezultat toga, enzim smanjuje energiju aktivacije reakcije. To je zato što u prisustvu enzima reakcija ide drugim putem (u stvari, dolazi do drugačije reakcije), na primjer:

U nedostatku enzima:

U prisustvu enzima:

  • AF+V = AVF

    AVF \u003d AV + F

gdje je A, B - supstrati, AB - produkt reakcije, F - enzim.

Enzimi ne mogu sami osigurati energiju za endergonske reakcije (koje zahtijevaju energiju). Stoga ih enzimi koji provode takve reakcije spajaju s eksergonijskim reakcijama koje se nastavljaju oslobađanjem više energije. Na primjer, reakcije sinteze biopolimera često su povezane s reakcijom hidrolize ATP-a.

Aktivni centri nekih enzima karakteriziraju se fenomenom kooperativnosti.

Specifičnost

Enzimi obično pokazuju visoku specifičnost za svoje supstrate (specifičnost supstrata). Ovo se postiže djelomičnom komplementarnošću oblika, raspodjele naboja i hidrofobnih regija na molekulu supstrata i na mjestu vezivanja supstrata na enzimu. Enzimi takođe obično pokazuju visoke nivoe stereospecifičnosti (formiraju samo jedan od mogućih stereoizomera kao proizvod ili koriste samo jedan stereoizomer kao supstrat), regioselektivnost (formiraju ili prekidaju hemijsku vezu samo u jednoj od mogućih pozicija supstrata) i hemoselektivnost (katalizuju samo jednu hemijsku reakciju) nekoliko mogućih uslova za ove uslove). Uprkos opštem visokom nivou specifičnosti, stepen specifičnosti supstrata i reakcije enzima može biti različit. Na primjer, endopeptidaza tripsin razbija peptidnu vezu tek nakon arginina ili lizina, ako ih ne prati prolin, a pepsin je mnogo manje specifičan i može razbiti peptidnu vezu nakon mnogih aminokiselina.

Svaka enzimska reakcija počinje interakcijom supstrata, u većini slučajeva, male veličine molekula, s aktivnim mjestom enzima. Aktivni centar enzima podrazumijeva se kao skup aminokiselinskih ostataka koji vežu (sorpciju) supstrata, njegovu hemijsku aktivaciju i transformaciju. Aktivni centar proteinske molekule enzima ima složenu konfiguraciju; uključuje i polarne (hidrofilne) i nepolarne (hidrofobne) grupe.

Struktura aktivnog mjesta enzima sastoji se od dvije komponente:

1) sorpciono mesto (podcentar, mesto) odgovorno za vezivanje, fiksiranje i orijentaciju supstrata; svojstva ovog centra određuju specifičnost djelovanja enzima;

2) katalitičko mjesto (podcentar, mjesto) koje vrši hemijsku transformaciju molekula supstrata i u te svrhe koristi, po pravilu, opštu kiselinsko-baznu katalizu.

Aminokiselinski ostaci koji formiraju katalitički centar jednokomponentnog enzima nalaze se na različitim tačkama u jednom polipeptidnom lancu. Stoga se aktivni centar, koji je jedinstvena kombinacija nekoliko aminokiselinskih ostataka, pojavljuje u trenutku kada proteinski molekul dobije svoju inherentnu tercijarnu strukturu. Najčešće se u aktivnim centrima jednokomponentnih enzima nalaze ostaci Ser, Njegovo, tri,Arg, Cys, asp, Glu i Tyr. Promjene tercijarne strukture enzima pod utjecajem određenih faktora mogu dovesti do deformacije aktivnog centra i promjene enzimske aktivnosti.

Aktivni centar dvokomponentnih enzima predstavlja neproteinska komponenta - koenzim (protetska grupa) i nekoliko gore navedenih minokiselinskih ostataka.

Karakteristična karakteristika kompleksnih ili dvokomponentnih enzima je da ni proteinski dio ni dodatna grupa pojedinačno nemaju primjetnu katalitičku aktivnost. Samo njihov kompleks pokazuje enzimska svojstva. Istovremeno, protein naglo povećava katalitičku aktivnost dodatne grupe, koja mu je inherentna u slobodnom stanju u vrlo maloj mjeri; dodatna grupa stabilizira proteinski dio i čini ga manje osjetljivim na denaturirajuće agense. Dakle, iako je prostetička grupa koja čini katalitički centar direktni izvršilac katalitičke funkcije, njeno djelovanje je nezamislivo bez sudjelovanja polipeptidnih fragmenata proteinskog dijela enzima.

Apoenzim ima mjesto koje karakterizira specifična struktura koja selektivno veže koenzim. Ova tzv domena za vezivanje koenzima; njegova struktura u različitim apoenzimima koji se kombinuju sa istim koenzimom je vrlo slična. Takve su, na primjer, prostorne strukture domena koji se vezuju za nukleotide brojnih dehidrogenaza (slika 1.5.1).

Rice. 1.5.1. Aktivno mjesto glukoza-6-fosfat dehidrogenaze

Metode za proučavanje aktivnih centara enzima

Koncept aktivnog centra formiran je kao rezultat analize podataka o inhibiciji reakcija i hemijskoj modifikaciji proteinskog molekula. Ireverzibilni inhibitori blokiraju katalitičku aktivnost enzima hemijskim modifikovanjem jedne od grupa uključenih u katalitičku transformaciju supstrata. Reverzibilni inhibitori, formirajući kompleks sa proteinskom funkcionalnom grupom, uzrokuju ili značajnu promjenu svojstava ove grupe (nekompetitivni inhibitori) ili kompetitivno blokiraju sorpciju (kompleksaciju) supstrata u području katalitičkog centra.

Pogledajmo neke primjere.

Serinske proteaze i esteraze. Katalitički aktivna grupa mnogih enzima je hidroksilna grupa serina. U aktivnom centru ova alkoholna grupa igra ulogu nukleofilnog reagensa u reakcijama nukleofilne supstitucije tokom hidrolize estera, amida i peptida. Član porodice serinskih proteaza je prostaglandin H-sintaza, koja je uključena u metabolizam arahidonske kiseline.

Prostaglandin-H-sintaza. Aspirin (acetilsalicilna kiselina) je nesteroidni protuupalni lijek. Fiziološki učinak lijeka povezan je s njegovom sposobnošću da acetilira Ser-514, koji je dio centra za sorpciju arahidonske kiseline, PNS supstrata.

Rice. 1.5.2. Blokiranje hidroksilne grupe serina u aktivnom mjestu prostaglandin H-sintaze

Aspirin djeluje kao ireverzibilni inhibitor ograničavajućeg enzima u sintezi prostaglandina. Naknadna hidroliza modificiranog proteina i analiza produkata hidrolize omogućili su identifikaciju mjesta modifikacije enzima.

Uprkos činjenici da metoda hemijske modifikacije daje veoma važne informacije o prirodi aktivnih mesta enzima, ona ima i određene nedostatke.

Funkcionalne grupe proteina koje čine aktivni centar mogu biti maskirane polipeptidnim lancem ili drugim ostacima aminokiselina, što čini grupe aktivnog centra nedostupnim reagensu za modifikaciju. Hemijska modifikacija, u pravilu, nije selektivna, nekoliko aminokiselinskih ostataka u proteinu prolazi kroz kemijsku reakciju odjednom. To dovodi do značajne promjene u strukturi proteina, razvoja procesa inaktivacije i denaturacije, što može dovesti do gubitka katalitičke aktivnosti enzima čak i ako su ostaci koji nisu uključeni u katalitički centar hemijski modificirani. Zaključci o učešću pojedinih funkcionalnih grupa aminokiselina u katalitičkom procesu na osnovu podataka o hemijskoj modifikaciji proteina mogu se doneti sa određenim oprezom i rezervom.

Dakle, metoda hemijske modifikacije ne daje sveobuhvatne informacije o učesnicima u katalitičkom činu.

Takvi zaključci po pravilu zahtijevaju nezavisne strukturalne studije.

Situacija postaje nedvosmislenija ako se hemijski modifikator ugradi u strukturu specifičnog supstrata ili inhibitora enzima. U ovom slučaju, modifikator je usmjeren na aktivni centar, što značajno povećava vjerovatnoću hemijske reakcije sa funkcionalnom grupom aktivnog centra.

Nove mogućnosti za identifikaciju grupa koje čine aktivne centre enzima pojavile su se razvojem tehnike site-specific mutageneze. Za enzime čija se ekspresija gena može organizirati korištenjem konstrukata genetskog inženjeringa kao što su plazmidi, pokazalo se da je moguće zamijeniti pojedinačne aminokiseline na nivou DNK uz naknadnu ekspresiju i proučavanje katalitičkih svojstava nastalih proteina. Ovo omogućava dobijanje važnih informacija o učešću jedne ili druge aminokiseline datog fragmenta polipeptidnog lanca u katalitičkom činu. Međutim, i u ovom slučaju potreban je određeni oprez pri tumačenju rezultata, jer proteini sadrže veliki broj aminokiselina koje čine strukturu aktivnog centra, ali nisu direktno uključene u čin katalize.

Konačne informacije o strukturi aktivnog centra aktivnog centra mogu se dobiti analizom rendgenske difrakcije (XRD) i spektroskopijom nuklearne magnetne rezonance visoke rezolucije (NMR). U prvom slučaju istraživanje se provodi na kristalima enzima, u drugom se ispituju otopine enzima. Za identifikaciju grupa uključenih u katalizu obično se koristi formiranje kompleksa enzima sa inhibitorima ili blago reaktivnim analozima supstrata (tzv. kvazi-supstrati).

Metodu analize rendgenske difrakcije prvi su upotrebili Lipscomb i saradnici u analizi aktivnog mesta karboksipeptidaze A. Na sl. 1.5.3. struktura karboanhidraze prikazana je analizom rendgenske difrakcije.

Rice. 1.5.3. Tercijarna struktura karboanhidraze prema analizi difrakcije rendgenskih zraka: a) opšti prikaz globule enzima; b) prostorni raspored aminokiselinskih ostataka

Struktura i svojstva svakog proteina određena je redoslijedom aminokiselina. Trenutno postaje očito da su uz veliku varijabilnost proteina neki elementi strukture konzervativni, a ti elementi u velikoj mjeri određuju funkciju proteinske molekule. Ovo posebno vrijedi za proteine ​​koji obavljaju katalitičku funkciju. Na primjer, za hidrolaze, koje čine oko trećine svih poznatih enzima (otprilike 1100 od 3700), postoje samo četiri tipa struktura katalitičkih centara.

Bioinformatičke metode se koriste da bi se odgovorilo na pitanja o tome koje hemijske strukture čine katalitički centar, kako se aminokiseline koje se nalaze na različitim, često udaljenim jedan od drugog, dijelovima polipeptidnog lanca pronalaze jedni druge i formiraju jedinstvenu strukturu.

Prema enzimolozima, unutar jedne superfamilije enzima, sorpciono mjesto odgovorno za specifičnost može biti predstavljeno mnogim varijantama aminokiselinskih ostataka koji odgovaraju varijantama strukture supstrata. Istovremeno, katalitička mjesta, čiji je broj tipova vrlo ograničen, konzervativni su (nezamjenjivi) elementi strukture. Za potvrdu ovog stava korišćen je bioinformatički pristup zasnovan na poređenju sekvenci aminokiselina u proteinima ujedinjenim u jednu veliku porodicu.

Analizirano je nekoliko velikih porodica enzima predstavljenih u bazi podataka HSSP ( www.sander.embl-heidelberg.de/). Izbor familije enzima rađen je na osnovu sledećih kriterijuma:

1) broj analiziranih članova porodice treba da bude veći od 100; ovo je neophodno kako bi se osigurala statistička validnost rezultata;

2) za analizu treba izabrati porodice enzima različitih klasa (oksidoreduktaze, hidrolaze, izomeraze itd.);

3) ako je moguće, treba birati enzime za koje je utvrđena struktura aktivnih centara i sa visokim stepenom pouzdanosti proučavan mehanizam katalize.

Analiza je pokazala da je većina pozicija aminokiselina u polipeptidnom lancu vrlo varijabilna, što znači da funkcioniranje enzima ne ovisi o poziciji koju zauzima jedna ili druga aminokiselina. Istovremeno, postoje pozicije aminokiselina, kojih je relativno malo. Ove pozicije i njihove odgovarajuće aminokiseline nazivaju se konzervativnim. Oni igraju posebnu ulogu u funkcionisanju enzima. Koje su to aminokiseline i koja je njihova uloga?

Bioinformatička analiza enzima svih klasa pokazala je da je glicin najčešće konzervativna aminokiselina. Prema konzervativnoj ocjeni, aminokiseline su u sljedećem redoslijedu: glicin > asparaginska kiselina > cistein > prolin > histidin > arginin > glutaminska kiselina. Ovo su najvažnije aminokiseline u enzimskoj katalizi. Zajedno, glicin i asparaginska kiselina čine otprilike 50% svih konzervativnih aminokiselina. Među najčešćim konzervativnim elementima strukture enzima mogu se izdvojiti glicin, asparaginska kiselina, cistein, prolin i histidin. Ove aminokiseline čine otprilike 70% svih konzerviranih elemenata. Metionin i izoleucin gotovo nikada nisu konzervativni.

Zauzvrat, najkonzervativnije aminokiseline mogu se podijeliti u dvije fundamentalno različite grupe:

1) aminokiseline koje učestvuju u aktivaciji molekula supstrata kao kiseline i baze (asparaginska kiselina i histidin);

2) aminokiseline koje formiraju geometriju aktivnog centra (glicin, cistein, prolin).

Dakle, statistička analiza je pokazala da katalitičku funkciju enzima i arhitekturu aktivnog centra formira mali, ali određeni dio aminokiselina koji zauzimaju striktno fiksne pozicije u polipeptidnom lancu. Konzervativne aminokiseline su ili kiseline ili baze (elektrofilni i nukleofilni agensi) koje formiraju katalitičko mjesto, ili su važne aminokiseline koje formiraju strukturu koje formiraju strukturu proteina kao cjeline.

Katalitičku funkciju obavljaju asparaginska kiselina, histidin, arginin i glutaminska kiselina. Aminokiseline koje formiraju strukturu su glicin, cistein i prolin. Glicin i prolin, koji omogućavaju okretanje lanca, neophodni su da bi se aktivni centar formirao od aminokiselina smještenih na različitim dijelovima polipeptidnog lanca. A cistein je neophodan za fiksiranje potrebne konformacije polipeptidnog lanca.

Priroda je formirala aktivna mjesta enzima iz ograničenog broja komponenti. Većina aktivnih centara enzima svih klasa formirana je od asparaginske i glutaminske kiseline, od histidina i arginina, od nekoliko metalnih jona. Kao posljedica toga, broj tipova katalitičkih centara je mali. Na primjer, za hidrolaze, koje čine oko trećine svih poznatih enzima, mogu se identificirati samo četiri glavna tipa strukture. Učinkovite kombinacije katalitičkih grupa karakterističnih za određene reakcije priroda aktivno koristi za organiziranje katalitičkih centara drugih vrsta reakcija.

Polipeptidni lanac obezbeđuje organizaciju katalitičkih grupa u aktivna mesta. Kao što je poznato, tromolekularne reakcije i reakcije višeg reda su praktično isključene u rastvoru. U enzimskim procesima, četiri (ili pet) ostataka različitih aminokiselina organiziranih u polipeptidni lanac su uključeni u reakciju. Enzimska kataliza ne koristi jake hemijske agense; komponente koje čine aktivne centre su relativno slabe kiseline i baze. Međutim, oni su dobro organizovani u prostoru i kao rezultat toga su veoma efikasni.

Primjeri aktivnih mjesta nekih enzima

Zadržimo se na enzimima klase hidrolaze, za većinu kojih su identificirane grupe koje čine katalitički aktivne centre, a stvorene su razumne ideje o interakciji ovih grupa u mehanizmu katalitičkog ciklusa.

Prema strukturi aktivnih centara i mehanizmu djelovanja, hidrolaze se mogu uvjetno podijeliti u 4 glavna tipa.

1. Hidrolaze koje sadrže asparaginsku ili glutaminsku kiselinu u aktivnom centru (lizozim-pepsinski tip).

2. Hidrolaze koje u aktivnom centru sadrže hidroksilnu grupu serina, treonina ili cisteina i lanac za prijenos protona koji aktivira ovu grupu (tip himotripsina); hidrolaze koje koriste imidazolnu grupu histidina direktno za aktiviranje vode (vrsta pankreasne ribonukleaze).

3. Hidrolaze koje koriste komplekse Zn 2+ ili Co 2+ za aktivaciju vode i supstrata (tip alkalne fosfataze, karboksipeptidaze A).

4. Hidrolaze koristeći Mg 2+ ili Mn 2+ jone za aktiviranje vode i supstrata (tip pirofosfataze).

Chymotrypsin. Aktivni centar uključuje Ser-195, His-57, Asp-102.

Rice. 1.5.4. Struktura kimotripsina

Laktat dehidrogenaza. To je NAD+ zavisna dehidrogenaza. Vrši reverzibilnu oksidaciju-redukciju organskih molekula, dok koenzim djeluje kao donor (akceptor) hidridnog jona. Katalitički aktivne grupe enzima predstavljaju Arg-165, His-194, Arg-105. Sve ove aminokiseline su konzervativne. Mliječna ili pirogrožđana kiselina fiksiraju se u aktivnom mjestu pozitivnim nabojem Arg-168. Protonski transportni lanac His-194-Asp-165 i Arg-105 su učesnici u katalitičkom procesu.

Rice. 1.5.5. Struktura laktat dehidrogenaze

(a) Šematski prikaz tetramera i (b) jedne podjedinice; (c) Model NAD + -vezujuće regije. NAD+ nikotinamidni prsten se vezuje između lanaca d i e, a adeninski prsten se vezuje između a i b.

Na sl. 1.5.6. dati su mogući tipovi veza uključenih u vezivanje NAD+ za aktivno mjesto LDH.

Rice. 1.5.6. NAD+ vezivanje laktat dehidrogenazom

Isprekidane linije su vodonične veze, ukrštene linije su elektrostatičke interakcije, aminokiselinski ostaci u okvirima su hidrofobne interakcije

trioza fosfat izomeraza. Katalitički važne grupe aktivnog mjesta enzima predstavljaju Glu-165 i His-95.

Rice. 1.5.7. Struktura podjedinice trioza fosfat izomeraze kvasca

Glicin, cistein i prolin kao strukturne aminokiseline

Glicin, zbog posebnosti svoje strukture, ne učestvuje u hemijskim aktima aktivacije molekula u katalitičkom ciklusu. Bez supstituenta na atomu α-ugljika, glicin je lišen izražene hemijske funkcije. Ipak, prisustvo glicina u strukturi proteina je veoma važno. Dakle, mjesto-specifična supstitucija glicina na konzervativnim pozicijama za bilo koju od aminokiselina, po pravilu, dovodi do potpunog gubitka (ili značajnog smanjenja) aktivnosti enzima.

Očigledno je glicin na očuvanim pozicijama važan iz sljedećih razloga.

1. Kao jedinstvena aminokiselina sa energetski najlakšom rotacijom oko C-N i C-C veza polipeptidnog lanca, glicin može igrati ulogu ključne tačke koja pruža mogućnost promjene smjera polipeptidnog lanca kada su ostaci aminokiselina "sastavljen" u aktivni centar. Dakle, prisustvo konzerviranih glicina omogućava objašnjenje strukturnog paradoksa enzimske katalize, kada se ista aktivna mjesta "sastavljaju" iz potpuno različitih polipeptidnih lanaca. Zajedničko za ove lance su prisustvo glicina na očuvanim pozicijama i sposobnost stabilizacije sastavljene strukture, na primjer, putem disulfidnih veza (cistein također pokazuje visok stupanj konzervativnosti, zauzima treću poziciju u ocjeni konzervativnosti).

2. Glicin u konzerviranim pozicijama može igrati ulogu konformacionih "šarki", pružajući mogućnost "sastavljanja" aktivnog centra i poznate konformacione pokretljivosti. To potvrđuje i činjenica da se u mnogim slučajevima glicin može naći na konzervativnim pozicijama u blizini katalitički aktivnih grupa. Na primjer, sljedeći motivi su konzervativni za hidrolaze različitih familija: Asp-215-X-Gly-217 (pepsin); Asp-170-Xaa-Xaa-Gly-173 (termoliza); Gly-173-Xaa-Ser-177 (tripsin); His-76-Gly-77, Ser-153-Xaa-Gly-155, Gly-175-Xaa-Asp-177 (lipaze). Ovdje je Xa proizvoljna aminokiselina. Aminokiseline Asp, His, Ser u ovim enzimima su uključene u strukturu aktivnih centara.

Transformacija inicijalnog supstrata u finalne produkte u enzimskoj katalizi povezana je sa učešćem velikog broja međuproizvoda čija je struktura drugačija od strukture inicijalnog supstrata. Glicini aktivnog centra mogu igrati ulogu "opuštajućih" elemenata, konformacijski prilagođavajući aktivni centar za sljedeći elementarni događaj.

Cistein i prolin igraju značajnu ulogu u oblikovanju arhitekture aktivnog centra (treća i četvrta pozicija u rangiranju konzervativnih aminokiselina). Poznato je da je prolin jedinstvena aminokiselina koja razvija polipeptidni lanac. Uloga cisteina leži u činjenici da je neophodna konformacija aktivnog centra, koji se sastoji od različitih dijelova polipeptidnog lanca, fiksirana kemijskom vezom u obliku disulfidnog mosta. Za mnoge enzime, ovo dovršava formiranje arhitekture aktivnog mjesta.

Dakle, aktivni centar se sastoji od niza funkcionalnih grupa orijentiranih u prostoru na određeni način. Među njima se razlikuju grupe koje su dio katalitičkog mjesta aktivnog centra i grupe koje formiraju mjesto koje pruža specifičan afinitet, tj. vezivanje supstrata od strane enzima je takozvano kontaktno ili "sidreno" mesto. Ova podjela je prilično proizvoljna, jer interakcije na kontaktnom mjestu enzima tokom formiranja kompleksa enzim-supstrat imaju značajan utjecaj na brzinu i smjer transformacija na katalitičkom mjestu.

8.7.1. U ćelijskom sadržaju enzimi nisu raspoređeni nasumično, već strogo raspoređeni. Uz pomoć intracelularnih membrana, stanica se dijeli na odjeljke ili pretinci(Slika 8.18). U svakom od njih se odvijaju strogo određeni biohemijski procesi i koncentrišu se odgovarajući enzimi ili polienzimski kompleksi. Evo nekoliko tipičnih primjera.

Slika 8.18. Intracelularna distribucija enzima različitih metaboličkih puteva.

Lizosomi sadrže pretežno niz hidrolitičkih enzima. Ovdje se odvijaju procesi cijepanja složenih organskih jedinjenja na njihove strukturne komponente.

Mitohondrije sadrže složene sisteme redoks enzima.

Enzimi za aktiviranje aminokiselina su raspoređeni u hijaloplazmi, ali su prisutni i u jezgru. Hijaloplazma sadrži brojne metabolone glikolize, strukturno kombinovane sa metabolonima pentozofosfatnog ciklusa, što osigurava vezu između dihotomnog i apotomskog puta razgradnje ugljikohidrata.

Istovremeno, enzimi koji ubrzavaju prijenos aminokiselinskih ostataka na rastući kraj polipeptidnog lanca i kataliziraju neke druge reakcije u procesu biosinteze proteina koncentriraju se u ribosomskom aparatu stanice.

U ćelijskom jezgru lokalizirane su uglavnom nukleotidiltransferaze koje ubrzavaju prijenos nukleotidnih ostataka tijekom stvaranja nukleinskih kiselina.

8.7.2. Distribucija enzima u subćelijskim organelama proučavana je nakon preliminarnog frakcionisanja ćelijskih homogenata centrifugiranjem velikom brzinom, određujući sadržaj enzima u svakoj frakciji.

Lokalizacija datog enzima u tkivu ili ćeliji često se može utvrditi in situ histohemijskim metodama ("histoenzimologija"). Da bi se to postiglo, tanki (od 2 do 10 µm) rezovi smrznutog tkiva tretiraju se otopinom supstrata za koji je ovaj enzim specifičan. Na onim mjestima gdje se enzim nalazi nastaje produkt reakcije koju ovaj enzim katalizira. Ako je proizvod obojen i netopiv, ostaje na mjestu formiranja i omogućava lokalizaciju enzima. Histoenzimologija daje jasnu i, u određenoj mjeri, fiziološku sliku distribucije enzima.

Enzimski sistemi enzima koncentrisani u unutarćelijskim strukturama fino su međusobno usklađeni. Međusobna povezanost reakcija koje oni kataliziraju osigurava vitalnu aktivnost stanica, organa, tkiva i organizma u cjelini.

Proučavanjem aktivnosti različitih enzima u tkivima zdravog tijela može se dobiti slika o njihovoj distribuciji. Pokazalo se da su neki enzimi široko rasprostranjeni u mnogim tkivima, ali u različitim koncentracijama, dok su drugi vrlo aktivni u ekstraktima dobijenim iz jednog ili više tkiva, a praktički ih nema u drugim tkivima tijela.

Slika 8.19. Relativna aktivnost određenih enzima u ljudskim tkivima, izražena kao procenat aktivnosti u tkivu sa maksimalnom koncentracijom ovog enzima (Moss, Butterworth, 1978).

8.7.3. Koncept enzimopatija. Godine 1908. engleski liječnik Archibald Garrod sugerirao je da uzrok brojnih bolesti može biti odsustvo bilo kojeg od ključnih enzima uključenih u metabolizam. Uveo je koncept "urođenih grešaka metabolizma" (urođeni defekt metabolizma). Potom je ova teorija potvrđena novim podacima iz oblasti molekularne biologije i patološke biohemije.

Informacije o slijedu aminokiselina u polipeptidnom lancu proteina zabilježene su u odgovarajućem dijelu molekule DNK u obliku niza trinukleotidnih fragmenata - tripleta ili kodona. Svaki triplet kodira određenu aminokiselinu. Ova korespondencija se zove genetski kod. Štaviše, neke aminokiseline mogu biti kodirane s nekoliko kodona. Postoje i posebni kodoni koji su signali za početak sinteze polipeptidnog lanca i njegov završetak. Do danas je genetski kod potpuno dešifrovan. Univerzalno je za sve vrste živih organizama.

Realizacija informacija sadržanih u molekulu DNK uključuje nekoliko faza. Prvo, glasnička RNK (mRNA) se sintetiše u ćelijskom jezgru tokom transkripcije i ulazi u citoplazmu. Zauzvrat, mRNA služi kao šablon za translaciju - sintezu polipeptidnih lanaca na ribosomima. Dakle, priroda molekularnih bolesti određena je poremećajem strukture i funkcije nukleinskih kiselina i proteina koje one kontroliraju.

8.7.4. Budući da je informacija o strukturi svih proteina u ćeliji sadržana u nizu nukleotida DNK, a svaka aminokiselina je određena tripletom nukleotida, promjena primarne strukture DNK može u konačnici imati dubok utjecaj na sintetizirani protein . Takve promjene nastaju zbog grešaka u replikaciji DNK, kada se jedna dušična baza zamijeni drugom, bilo kao rezultat zračenja ili kemijske modifikacije. Sve naslijeđene mane koje su nastale na ovaj način nazivaju se mutacije. One mogu dovesti do pogrešnog čitanja koda i brisanja (gubitka) ključne aminokiseline, zamjene jedne aminokiseline drugom, preranog prestanka sinteze proteina ili dodavanja sekvenci aminokiselina. Uzimajući u obzir ovisnost prostornog pakiranja proteina o linearnom slijedu aminokiselina u njemu, može se pretpostaviti da takvi defekti mogu promijeniti strukturu proteina, a time i njegovu funkciju. Međutim, mnoge mutacije se nalaze samo u laboratoriji i ne utječu negativno na funkciju proteina. Dakle, ključna točka je lokalizacija promjena u primarnoj strukturi. Ako je položaj zamijenjene amino kiseline kritičan za formiranje tercijarne strukture i formiranje katalitičkog mjesta enzima, tada je mutacija ozbiljna i može se manifestirati kao bolest.

Posljedice nedostatka jednog enzima u lancu metaboličkih reakcija mogu se manifestirati na različite načine. Pretpostavljamo da je transformacija spoja A u vezu B katalizira enzim E i kakva veza C se dešava na alternativnom putu transformacije (slika 8.20):

Slika 8.20.Šema alternativnih načina biohemijskih transformacija.

Posljedice nedostatka enzima mogu biti sljedeće pojave:

  1. insuficijencija proizvoda enzimske reakcije ( B). Kao primjer možemo ukazati na smanjenje glukoze u krvi kod nekih oblika glikogenoze;
  2. akumulacija materije A), čiju konverziju katalizira enzim (na primjer, homogentizinska kiselina u alkaptonuriji). U mnogim bolestima lizosomskog skladištenja, tvari koje se normalno podvrgavaju hidrolizi u lizosomima akumuliraju se u njima zbog nedostatka jednog od enzima;
  3. skretanje na alternativni put sa stvaranjem nekih biološki aktivnih jedinjenja ( C). Ova grupa fenomena uključuje izlučivanje fenilpirogrožđane i fenilmliječne kiseline u urinu, koje nastaju u organizmu bolesnika s fenilketonurijom kao rezultat aktivacije pomoćnih puteva za razgradnju fenilalanina.

Ako se metabolička konverzija u cjelini reguliše principom povratne sprege krajnjeg proizvoda, tada će efekti posljednje dvije vrste anomalija biti značajniji. Tako, na primjer, kod porfirije (kongenitalni poremećaji sinteze hema) eliminira se nadmoćan učinak hema na početne reakcije sinteze, što dovodi do stvaranja prevelikih količina međuprodukata metaboličkog puta, koji imaju toksični učinak na ćelije kože i nervnog sistema.

Faktori okoline mogu pojačati ili čak potpuno odrediti kliničke manifestacije nekih urođenih metaboličkih poremećaja. Na primjer, mnogi pacijenti s nedostatkom glukoza-6-fosfat dehidrogenaze ne razviju bolest tek nakon uzimanja lijekova kao što je primakin. U nedostatku kontakta sa drogom, takvi ljudi odaju utisak zdravih.

8.7.5. Nedostatak enzima se obično ocjenjuje posredno povećanjem koncentracije polazne tvari, koja normalno prolazi kroz transformacije pod djelovanjem ovog enzima (na primjer, fenilalanin kod fenilketonurije). Direktno određivanje aktivnosti takvih enzima provodi se samo u specijaliziranim centrima, ali ako je moguće, ovom metodom treba potvrditi dijagnozu. Prenatalna (antenatalna) dijagnoza nekih kongenitalnih metaboličkih poremećaja moguća je ispitivanjem ćelija amnionske tečnosti dobijenih u ranim fazama trudnoće i uzgojenih in vitro.

Neki urođeni metabolički poremećaji mogu se liječiti isporukom nedostajućeg metabolita u tijelo ili ograničavanjem unosa prekursora poremećenih metaboličkih procesa u gastrointestinalni trakt. Akumulirani produkti (npr. gvožđe u hemohromatozi) se ponekad mogu ukloniti.

AKTIVNI CENTAR AKTIVNI CENTAR

U enzimologiji, dio molekule enzima odgovoran za vezivanje i konverziju supstrata. Nastaje od funkcionalnih grupa aminokiselinskih ostataka lociranih na strogo određen način u prostoru zbog konvergencije odvojenih dijelova. segmenti polipeptidnog lanca. Struktura A. c. odgovara (komplementarnoj) hemijskoj. strukturu supstrata, zbog čega se postiže specifičnost djelovanja enzima. Često u izgradnji A. c. uključeni su koenzimi ili atomi metala. U jednoj molekuli enzima može biti nekoliko. A. c. U imunologiji A., c. su dijelovi molekula antitijela koji se vezuju za bakterije, viruse ili druge antigene.

.(Izvor: "Biološki enciklopedijski rečnik." Glavni urednik M. S. Giljarov; Uredništvo: A. A. Babaev, G. G. Vinberg, G. A. Zavarzin i drugi - 2. izd., ispravljeno. - M.: Sov. Enciklopedija, 1986.)


Pogledajte šta je "AKTIVNI CENTAR" u drugim rječnicima:

    Pogledajte aktivni centar. (Izvor: "Mikrobiologija: rječnik pojmova", Firsov N.N., M: Drofa, 2006) Aktivni centar 1) hemijska grupa molekula koja određuje specifičnost njihovog djelovanja, 2) vidi Paratopi (Izvor: "Rječnik mikrobioloških pojmova" ) … Mikrobiološki rječnik

    Veliki enciklopedijski rječnik

    aktivni centar- - [A.S. Goldberg. Engleski ruski energetski rječnik. 2006] Teme energija uopšte EN aktivno jezgro… Priručnik tehničkog prevodioca

    U enzimologiji, mjesto u molekulima enzima koje direktno stupa u interakciju sa supstratom. Aktivni centar uključuje funkcionalne grupe aminokiselina (histidin, cistein, serin, itd.), kao i u mnogim slučajevima atome metala i ... ... enciklopedijski rječnik

    aktivni centar- aktyvusis centras statusas T sritis chemija apibrėžtis Labai veiklus molekulės arba katalizatoriaus fragmentas. atitikmenys: engl. aktivni centar; aktivni sajt eng. aktivni centar... Chemijos terminų aiskinamasis žodynas

    U enzimologiji, mjesto u molekulima enzima koje direktno stupa u interakciju sa supstratom. U sastavu A. c. uključuje funkcionalne grupe aminokiselina (histidin, cistein, serin itd.), kao i mnoge druge. slučajevi, atomi metala i koenzimi. U, ja…… Prirodna nauka. enciklopedijski rječnik

    - ... Wikipedia

    Aktivni centar je poseban dio molekule enzima, koji određuje njegovu specifičnost i katalitičku aktivnost. Aktivni centar je u direktnoj interakciji sa molekulom supstrata ili sa onim njegovim delovima koji direktno ... ... Wikipedia

    Aktivni centar prema IUPAC-u je poseban dio molekule enzima, koji određuje njegovu specifičnost i katalitičku aktivnost. Aktivni centar direktno stupa u interakciju s molekulom supstrata ili s onim njegovim dijelovima koji ... ... Wikipedia

    Aktivno mjesto enzima- * enzimski aktivni centar - specifično mjesto na površini enzima, zbog čega on ispoljava supstratnu specifičnost. Enzimi koji se sastoje od jednog polipeptidnog lanca imaju jedno aktivno mjesto... Genetika. enciklopedijski rječnik

Podijeli: