Las enzimas son catalizadores biológicos producidos por las células de los organismos. Compuesto por proteínas (algunas son ARN). Puede catalizar eficientemente diversas reacciones bioquímicas en condiciones muy suaves en el cuerpo y promover el metabolismo de los organismos. La digestión, la absorción, la respiración, el movimiento y la reproducción en las actividades de la vida son todos procesos de reacción enzimática. Las enzimas son la base de la supervivencia celular. Casi todas las reacciones químicas que implican el metabolismo celular están catalizadas por enzimas. Por ejemplo, las células de los mamíferos contienen miles de enzimas. Están disueltos en el líquido celular, asociados con varias estructuras de membrana o ubicados en lugares específicos de otras estructuras dentro de la célula. Estas enzimas se denominan colectivamente enzimas intracelulares; además, hay algunas enzimas que se sintetizan dentro de la célula y luego se secretan fuera de la célula: las enzimas extracelulares. La capacidad de una enzima para catalizar una reacción química se llama actividad enzimática (o actividad enzimática). La actividad de las enzimas puede regularse por una variedad de factores, lo que permite a los organismos adaptarse a los cambios en las condiciones externas y mantener las actividades vitales. Sin la participación de las enzimas, el metabolismo sólo puede avanzar a una velocidad extremadamente lenta y las actividades vitales no pueden mantenerse en absoluto. Por ejemplo, los alimentos deben descomponerse en pequeñas moléculas bajo la acción de enzimas antes de que puedan penetrar la pared intestinal y ser absorbidos y utilizados por los tejidos. Hay pepsina en el estómago y tripsina, quimotripsina, lipasa y amilasa secretadas por el páncreas en el intestino. Por poner otro ejemplo, la oxidación de los alimentos es la fuente de energía animal, y su proceso de oxidación también se completa bajo la catálisis de una serie de enzimas.
La esencia de la catálisis enzimática: reducir la energía de activación de las reacciones químicas
Comparación de enzimas y catalizadores inorgánicos:
1, los mismos puntos: 1) cambiar la velocidad de las reacciones químicas, casi sin consumo; 2) solo cataliza las reacciones químicas existentes; 3) acelera la velocidad de la reacción química y acorta el tiempo para alcanzar el equilibrio, pero no cambia el punto de equilibrio 4) reduce la energía de activación y la velocidad; aumentar la velocidad de la reacción química. 5) Puede producirse intoxicación.
2. Diferencia: Características de las enzimas.
Características de las enzimas
1. Alta eficiencia: la eficiencia catalítica de las enzimas es mayor que la de los catalizadores inorgánicos, lo que hace que la reacción sea más rápida 2. Especificidad: una enzima sólo puede catalizar una; o Un sustrato, como la proteasa, solo puede catalizar la hidrólisis de proteínas en polipéptidos; 3. Diversidad: hay muchos tipos de enzimas, alrededor de 4000 4. Suavidad: significa que las reacciones químicas catalizadas por enzimas generalmente ocurren en condiciones suaves;
En general, la temperatura óptima de las enzimas en los animales está entre 35 y 40 grados centígrados, y la temperatura óptima de las enzimas en las plantas está entre 40 y 50 grados centígrados. La temperatura óptima de las enzimas en bacterias y hongos es bastante diferente, y la temperatura óptima de las enzimas puede alcanzar los 70 grados Celsius. El pH óptimo de las enzimas en animales suele estar entre 6,5 y 8,0, pero existen excepciones. Por ejemplo, el pH óptimo de la pepsina es 1,5 y el pH óptimo de las enzimas en las plantas suele estar entre 4,5 y 6,5.
Estas propiedades de las enzimas permiten que el complejo metabolismo de las sustancias en las células se desarrolle de forma ordenada, adaptando así el metabolismo de las sustancias a las funciones fisiológicas normales. Si falta una enzima debido a un defecto genético, o su actividad se debilita por otras razones, la reacción catalizada por la enzima será anormal, el metabolismo de la sustancia se alterará e incluso pueden aparecer enfermedades. Por tanto, la relación entre las enzimas y la medicina es muy estrecha.
[Editar este párrafo] El descubrimiento de las enzimas
En 1773, el científico italiano L. Spallanzani (1729-1799) diseñó un ingenioso experimento: meter carne en una pequeña jaula metálica para águila para tragar. Después de un rato, sacó la pequeña jaula y descubrió que faltaba la carne. Por tanto, concluyó que el jugo gástrico debe contener sustancias que digieran la carne. ¿Pero qué? Él no lo sabe.
En 1836, el científico alemán T. Schwann (1810-1882) extrajo sustancias digestivas de proteínas del jugo gástrico. Desentrañando el misterio de la digestión gástrica.
En 1926, el científico estadounidense J. B. Sumner (1887-1955) extrajo cristales de ureasa de semillas de frijol espada y confirmó que la ureasa es una proteína mediante experimentos químicos.
En la década de 1930, los científicos extrajeron sucesivamente cristales de proteínas de varias enzimas y señalaron que las enzimas son proteínas biocatalíticas.
En la década de 1980, los científicos estadounidenses T.R Cech (1947-) y S. Altman (1939-) descubrieron que un pequeño número de ARN también tienen efectos biocatalíticos.
[Editar este párrafo] Actividad enzimática
Unidad de actividad (U, unidad de actividad):
Medida de unidades de actividad enzimática. Según la Conferencia Internacional de Enzimología de 1961, 1 unidad de actividad enzimática se refiere a la cantidad de enzima que puede convertir 1 μmol de sustrato o el grupo relevante en 1 μmol de sustrato en 1 minuto en condiciones específicas (25°C, otras condiciones son las condiciones más adecuadas).
Actividad específica: Número de micromoles de sustrato convertidos por minuto por miligramo de proteína enzimática a 25°C. La actividad específica es una medida de la pureza de la enzima.
Energía de activación: Energía necesaria para cambiar todas las moléculas de 1 mol de sustrato de reacción desde su estado al estado de transición.
Energía de activación: Una enzima contiene un sitio de unión al sustrato y la porción del residuo de aminoácido que cataliza la conversión del sustrato en un producto. El sitio activo suele estar situado en los espacios entre dominios o subunidades de una proteína o en las depresiones de la superficie de la proteína, y suele estar compuesto por varios residuos de aminoácidos que están muy juntos en el espacio tridimensional.
Determinación de la actividad enzimática
Velocidad inicial: velocidad a la que el sustrato se convierte en producto en la etapa inicial de una reacción enzimática. En esta etapa, la concentración del producto es muy baja y se puede ignorar la reacción inversa.
Ecuación de Michaelis-Mentent: Ecuación de velocidad que expresa la relación entre la velocidad inicial (υ) de una reacción enzimática y la concentración del sustrato ([s]): υ=υmax[s]/( Km[s] ]).
Constante de Michaelis-Menten: Para una reacción determinada, concentración de sustrato a la que la velocidad inicial de la reacción enzimática (υ0) alcanza la mitad de la velocidad máxima de reacción (υmax).
Número catalítico (Kcat): también llamado número de conversión. es una constante cinética que es una medida de la velocidad a la que una enzima (o sitio activo de la enzima) cataliza una reacción cuando el sustrato está saturado.
La constante catalítica es igual a la velocidad máxima de reacción dividida por la concentración total de enzima (υmax/[E]total). O la cantidad de sustrato (mol) convertida en producto por segundo por cada sitio activo de la enzima.
Gráfico recíproco doble: Esto se llama gráfico Lineweaver_Burk. El recíproco de la velocidad de reacción enzimática (1/V) y el recíproco del grado del sustrato (1/LSF). Las intersecciones en los ejes x e y representan la constante de Michaelis-Menten y el recíproco de la velocidad máxima de reacción, respectivamente.
Regulación de la actividad enzimática
Inhibición competitiva: Un tipo de inhibición enzimática que puede revertirse aumentando la concentración de sustrato. Los inhibidores competitivos suelen competir con el sustrato o ligando normal por el mismo sitio de unión a proteínas. Esta supresión hace que Km aumente mientras que υmax permanece sin cambios.
Inhibición no competitiva: Inhibición de una reacción enzimática en la que el inhibidor se une no sólo a la enzima libre sino también a un complejo enzima-sustrato. Esta supresión mantiene Km sin cambios y υmax se vuelve más pequeño.
Inhibición no competitiva: Inhibición de una reacción enzimática en la que el inhibidor se une sólo al complejo enzima-sustrato y no a la enzima libre. Esta supresión hace que Km y υmax sean más pequeños, pero υmax/Km permanece sin cambios.
Gran familia de sustancias proteicas complejas [enzimas; enzimas] que actúan como catalizadores promoviendo reacciones reversibles como la hidrólisis y la oxidación. Es útil en muchos procesos industriales (como fermentación, curtido de cuero y producción de queso).
Las enzimas son sustancias coloidales orgánicas compuestas de proteínas. Cataliza cambios químicos en los organismos y la fermentación depende de su función: ~.
[Editar este párrafo] Catálisis enzimática
Catálisis ácido-base: efecto catalítico de la transferencia de protones para acelerar reacciones.
Catálisis covalente: Un sustrato o parte de un sustrato forma un enlace de valencia con un catalizador y luego se transfiere a un segundo sustrato. Muchas reacciones de transferencia de grupos catalizadas por enzimas se realizan mediante valencia.
Mecanismo catalítico
El mecanismo catalítico de las enzimas es básicamente el mismo que el de los catalizadores químicos generales. Se combinan con reactivos (sustratos de enzimas) para formar complejos que reducen la energía de las enzimas. la reacción. Aumentar la velocidad de las reacciones químicas.
A temperatura constante, aunque la energía contenida en cada molécula reactiva en un sistema de reacción química varía mucho, su valor promedio es bajo. Este es el estado inicial de la reacción.
La reacción de S (sustrato) → P (producto) puede proceder porque una parte considerable de las moléculas de S se han activado a moléculas activadas (estado de transición). Cuantas más moléculas se activen, más rápida será la reacción. La energía de activación de una reacción química es la energía (kilocalorías) necesaria para convertir todas las moléculas de 1 mol de una sustancia en moléculas activadas a una temperatura específica.
La función de la enzima (E) es combinarse temporalmente con S para formar un nuevo compuesto ES. El estado de activación (estado de transición) de ES es mucho menor que el estado de activación de la molécula de activación reactiva en este. Reacción química sin catalizador. ES reacciona nuevamente para producir p, liberando e al mismo tiempo. Se puede combinar con otras moléculas de S, repitiendo el ciclo. Reduzca la energía de activación requerida para toda la reacción para que puedan reaccionar más moléculas por unidad de tiempo y se pueda acelerar la velocidad de reacción. Sin un catalizador, la reacción del peróxido de hidrógeno que se descompone en agua y oxígeno (2H2O2 → 2H2O O2) requiere una energía de activación de 18 kcal por mol (1 kcal = 4,187 julios). Cuando se utiliza catalasa para catalizar esta reacción, la energía de activación es sólo de 2 kcal por mol y la velocidad de reacción aumenta en aproximadamente 187 J.
Bases moleculares de la acción de las enzimas
1. Composición química de las enzimas
Según la composición química de las enzimas, las enzimas se pueden dividir en dos categorías: enzimas simples. y enzimas conjugadas. En una molécula de enzima simple, solo existe una cadena peptídica compuesta por residuos de aminoácidos, mientras que en una molécula de enzima conjugada, además de la proteína compuesta por una cadena polipeptídica, también hay componentes no proteicos, como iones metálicos, hierro. Porfirinas o pequeños compuestos orgánicos de vitaminas que contienen B. La parte proteica de la enzima combinada se llama apoenzima y las partes no proteicas se denominan colectivamente cofactores, que en conjunto constituyen la holoenzima. Sólo la enzima completa tiene actividad catalítica; si se separan, se pierde la actividad de la enzima. Las partes no proteicas, como las porfirinas de hierro o los compuestos que contienen vitamina B, si están conectadas a la proteína enzimática mediante enlaces de valencia, se denominan grupos protésicos y no pueden separarse de la proteína enzimática mediante diálisis o ultrafiltración. En cambio, los dos están conectados por un enlace no valente, llamado coenzima, y los dos pueden separarse mediante el método descrito anteriormente. La tabla 4-1 muestra algunos ejemplos del uso de iones metálicos como cofactores para la unión de enzimas. La tabla 4-2 enumera varias coenzimas (grupos) que contienen vitamina B y sus reacciones.
Los iones metálicos de las enzimas conjugadas tienen múltiples funciones y pueden ser componentes del centro activo de la enzima. Algunos pueden desempeñar un papel en la estabilización de la conformación de la molécula de enzima; otros pueden servir como puente entre la enzima y el sustrato. Las coenzimas y los grupos auxiliares sirven como portadores de hidrógeno (H y E) o de ciertos grupos químicos en reacciones catalíticas y desempeñan el papel de transferir hidrógeno o grupos químicos. Hay muchos tipos de enzimas en el cuerpo, pero no muchos tipos de cofactores. En la tabla 4-1, vemos ejemplos de varias enzimas que utilizan los mismos iones metálicos como cofactores. La misma situación también ocurre en coenzimas y grupos auxiliares, como la gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa y la lactato deshidrogenasa, los cuales usan NAD como. un cofactor. La especificidad de una reacción catalizada por enzima depende de la parte proteica de la enzima. La función de las coenzimas y los grupos auxiliares es participar en el transporte de hidrógeno (H y E) y algunos grupos químicos especiales durante una reacción específica.
En segundo lugar, el centro activo de la enzima
Las enzimas son macromoléculas biológicas con un peso molecular de al menos 654,38 00000 y como máximo un millón. El efecto catalítico de las enzimas depende de la integridad de la estructura primaria y la estructura espacial de la molécula de enzima. Si la molécula de enzima se desnaturaliza o las subunidades se despolimerizan, la actividad enzimática se pierde. Una cuestión digna de mención es que los reactivos catalizados por enzimas, es decir, sustratos, son en su mayoría sustancias pequeñas con pesos moleculares varios órdenes de magnitud menores que los de las enzimas.
El centro activo de una enzima es sólo una pequeña parte de la molécula de la enzima, y la mayoría de los residuos de aminoácidos de la proteína enzimática no entran en contacto con el sustrato. Existen diferentes grupos funcionales en las cadenas laterales de los residuos de aminoácidos en el centro activo de la enzima constitutiva, como son los grupos -NH2, -COOH, -SH, -OH y imidazol, que provienen de diferentes partes de la cadena polipeptídica de la molécula de enzima. Algunos grupos actúan como grupos de unión cuando se unen a sustratos, mientras que otros actúan como grupos catalíticos en reacciones catalíticas. Sin embargo, algunos grupos desempeñan funciones tanto vinculantes como catalíticas, por lo que los grupos funcionales en el sitio activo a menudo se denominan colectivamente grupos esenciales.
Forman cavidades o hendiduras con una estructura tridimensional en la superficie de las moléculas de enzimas a través del entrelazamiento y plegamiento de cadenas polipeptídicas, acomodando así los sustratos entrantes para unirse a ellas (Figura 4-1) y catalizando la conversión de sustratos en productos. Esta región se llama centro activo de la enzima.
Los grupos funcionales fuera del centro activo de la enzima también son necesarios para formar y mantener la conformación espacial de la enzima, por eso se denominan grupos esenciales fuera del centro activo. Para las enzimas que requieren un cofactor, el cofactor también forma parte del centro activo. La especificidad de las reacciones catalizadas por enzimas en realidad depende del grupo de unión, el grupo catalítico y su estructura espacial del centro activo de la enzima.
En tercer lugar, la relación entre la estructura molecular de una enzima y su actividad catalítica.
La estructura molecular de una enzima se basa en su secuencia de aminoácidos. La secuencia de aminoácidos determina el espacio. estructura y centro activo de la formación de la enzima y especificidad catalítica de la enzima. Por ejemplo, las secuencias de residuos de aminoácidos de las gliceraldehído fosfato deshidrogenasas de mamíferos son casi idénticas, lo que indica que la misma estructura primaria es la base para que las enzimas catalicen la misma reacción. Otro ejemplo es que la quimotripsina, la tripsina y la elastasa en el tracto digestivo pueden hidrolizar los enlaces peptídicos de las proteínas alimentarias, pero cada una tiene su propia especificidad. La quimotripsina hidroliza los enlaces peptídicos que contienen residuos de aminoácidos aromáticos para proporcionar grupos carboxilo, mientras que la tripsina hidroliza residuos de aminoácidos básicos como la lisina para proporcionar grupos carboxilo. Sin embargo, la elastasa hidroliza residuos de aminoácidos no cargados con pequeñas cadenas laterales para proporcionar enlaces peptídicos carboxilo. El análisis de la secuencia de aminoácidos de estas tres enzimas muestra que alrededor de 40 de ellas son idénticas y todas utilizan residuos de serina como grupo central activo de la enzima. Las tres enzimas tienen la secuencia G1y-Asp-Ser-Gly-Pro que rodea los residuos de serina. Los estudios de difracción de rayos X muestran que estas tres enzimas tienen estructuras espaciales similares, lo que es la base de la hidrólisis de los enlaces peptídicos. Sin embargo, su especificidad en la hidrolización de enlaces peptídicos surge de diferencias sutiles en la composición de aminoácidos del sitio de unión al sustrato de la enzima.
La figura muestra que los sitios de unión al sustrato de las tres enzimas tienen una estructura similar a una bolsa, y la quimotripsina puede acomodar grupos aromáticos o grupos no polares. El fondo de la bolsa de tripsina es ligeramente diferente en el sentido de que uno de los residuos de aminoácidos se reemplaza con ácido aspártico, lo que fortalece la carga negativa allí y, por lo tanto, favorece la unión de lisina cargada positivamente o residuos de ácido purificados. Los dos lados de la bolsa de elastasa se reemplazan por residuos de valina y treonina, por lo que aquí solo se pueden unir pequeñas cadenas laterales y grupos sin carga, lo que indica que la especificidad catalítica de la enzima está estrechamente relacionada con la estructura molecular de la enzima.
Cuarto, el zimógeno y su activación.
Algunas enzimas, como diversas proteasas del sistema digestivo, se sintetizan y secretan como precursores inactivos y luego se transportan a sitios específicos. Cuando el cuerpo los necesita, se convierten en enzimas activas mediante la acción de enzimas proteolíticas específicas para funcionar. Los precursores de estas enzimas no catalíticas se denominan zimógenos. Los ejemplos incluyen pepsinógeno, tripsinógeno y quimotripsinógeno. El proceso en el que las sustancias actúan sobre los zimógenos para convertirlos en enzimas activas se llama activación de zimógeno. Las sustancias que convierten los zimógenos inactivos en enzimas activas se denominan activinas. La activina tiene cierta especificidad para la activación del zimógeno.
Por ejemplo, la quimotripsina sintetizada por las células pancreáticas era originalmente una única cadena peptídica compuesta por 245 residuos de aminoácidos, con 5 pares de enlaces disulfuro conectados en la molécula. El proceso de activación de este zimógeno se muestra en la Figura 4-3. Primero, el enlace peptídico entre la arginina en la posición 15 y la isoleucina en la posición 16 es hidrolizado por la tripsina, activando la β-quimotripsina con actividad catalítica completa. Sin embargo, la molécula de la enzima es inestable en este momento y es eliminada por la propia β-quimotripsina.
En circunstancias normales, la mayoría de los factores de coagulación en plasma existen básicamente en forma de zimógenos inactivos. Sólo cuando se daña el tejido o la íntima vascular, el zimógeno inactivo puede convertirse en enzima activa, lo que desencadena una serie de reacciones enzimáticas en cascada que, en última instancia, conducen a la conversión del fibrinógeno soluble en polímeros de fibrina estables y al atrapamiento de las plaquetas que forman coágulos.
La esencia de la activación del zimógeno es cortar enlaces peptídicos específicos o eliminar ciertos segmentos peptídicos en la molécula del zimógeno, lo que es beneficioso para la formación del centro activo de la enzima y tiene una importancia fisiológica importante. Por un lado, garantiza que las células que sintetizan la enzima no sean destruidas por la digestión con proteasas, por otro lado, se activa en condiciones fisiológicas específicas y en partes específicas para ejercer sus efectos fisiológicos;
Por ejemplo, los factores de coagulación se activan después de un daño tisular o de la íntima vascular; el pepsinógeno secretado por las células principales del estómago y la quimotripsina, el tripsinógeno y la elastasa secretados por las células pancreáticas se activan en las correspondientes enzimas activas en el estómago y el intestino delgado, respectivamente, que es A. claro ejemplo de mejora de la digestión de las proteínas de los alimentos. La activación del zimógeno causada por la escisión de enlaces peptídicos específicos existe ampliamente en los organismos y es una forma importante para que los organismos regulen la actividad enzimática. Si la activación del zimógeno es anormal, se producirán una serie de enfermedades. La pancreatitis hemorrágica ocurre porque el proteasoma se activa antes de ingresar al intestino delgado. La proteasa activada hidroliza sus propias células pancreáticas, provocando sangrado e hinchazón pancreática.
4. Isoenzima (isoenzima)
El concepto de isoenzima: una isoenzima es una enzima que cataliza la misma reacción química, pero la estructura molecular de la enzima es la proteína, sus propiedades fisicoquímicas y su inmunogenicidad. son diferentes. Están presentes en distintos tejidos de una misma raza o individuo, e incluso en distintos orgánulos de un mismo tejido y célula. Hasta el momento existen decenas de isoenzimas conocidas, como la hexoquinasa y la lactato deshidrogenasa, entre las cuales la lactato deshidrogenasa (LDH) es la más claramente estudiada. Hay cinco formas de la molécula que se encuentran en tejidos humanos y de vertebrados que catalizan las mismas reacciones químicas de la siguiente manera:
Las cinco isoenzimas están compuestas de cuatro subunidades. Las subunidades de LDH se pueden dividir en tipo de músculo esquelético (tipo M) y tipo de músculo cardíaco (tipo H). La composición de aminoácidos de las dos subunidades es diferente. La LDH tiene cinco formas, a saber, H4 (LDHl), H3M1 (LDH2), H2M2 (LDH3) y H1m3 (LDH).
Las subunidades M y H tienen diferentes composiciones de aminoácidos, que están determinadas por genes diferentes. Las diferentes proporciones de subunidades M y H en los cinco tipos de LDH determinan las diferencias en sus propiedades físicas y químicas. Generalmente, se pueden separar cinco tipos de LDH mediante electrocongelación. LDH1 tiene la velocidad de migración más rápida al electrodo positivo, LDH5 tiene la velocidad de migración más lenta y los demás están en el medio, a saber, LDH2, LDH3 y LDH4 (Figura 4-5). La figura 4-5 también muestra que los contenidos de varias LDH en diferentes tejidos son diferentes. LDH1 y LDH2 son abundantes en el miocardio, mientras que LDH5 y LDH4 son dominantes en el músculo esquelético y el hígado. Las diferencias en las isoenzimas LDH en diferentes tejidos están relacionadas con el proceso fisiológico de utilización del lactato en los tejidos. LDH 1 y LDH 2 tienen una gran afinidad por el ácido láctico, deshidrogenando y oxidando el ácido láctico en piruvato, lo que es beneficioso para el miocardio para obtener energía a partir de la oxidación del ácido láctico. LDH5 y LDH4 tienen una gran afinidad por el piruvato y pueden reducir el piruvato a lactato, que es adecuado para el proceso fisiológico de los músculos que obtienen energía en la glucólisis anaeróbica (consulte el capítulo sobre metabolismo de la glucosa para obtener más detalles). Estas isoenzimas se liberan en la sangre durante la enfermedad tisular y las isoenzimas séricas se alteran debido a la distribución diferencial de las isoenzimas en tejidos y órganos. Por lo tanto, el análisis de isoenzimas séricas se utiliza a menudo para diagnosticar enfermedades (Figura 4-5).
5. Enzimas alostéricas
Las enzimas alostéricas suelen ser oligomerasas multisubunitarias con estructura cuaternaria. Además del centro activo catalítico, las moléculas de enzima también se denominan sitios catalíticos. También hay un sitio alostérico, que es el sitio donde se unen los efectores alostéricos. Cuando se une a un efector alostérico, la conformación molecular de la enzima sufre pequeños cambios que afectan la afinidad del sitio catalítico por el sustrato y la eficiencia catalítica. Si los agentes alostéricos se combinan para aumentar la afinidad o la eficiencia catalítica de una enzima y su sustrato, se denominan activadores alostéricos, mientras que aquellos que disminuyen la afinidad o la eficiencia catalítica del sustrato de la enzima se denominan inhibidores alostéricos. La regulación de la actividad enzimática por agentes alostéricos se denomina regulación alostérica. Los sitios catalíticos y alostéricos de una enzima alostérica pueden ubicarse en diferentes partes de una subunidad, pero lo más común es que se encuentren en subunidades diferentes. En el último caso, la subunidad que lleva el sitio catalítico se llama subunidad catalítica, mientras que la subunidad que lleva el sitio alostérico se llama subunidad reguladora. La mayoría de las enzimas alostéricas se encuentran en el punto de partida de las vías metabólicas, y los agentes alostéricos de las enzimas alostéricas suelen ser sustratos de algunas pequeñas moléculas fisiológicas y enzimas o productos intermedios o productos finales de las vías metabólicas. Por tanto, la actividad catalítica de las alozimas está regulada por la concentración intracelular de sustratos, intermediarios metabólicos o productos finales. La inhibición de las enzimas alostéricas en esta vía por el producto final se llama inhibición por retroalimentación. Una vez que el producto final en la célula aumenta, actúa como un inhibidor alostérico para inhibir la enzima al comienzo de la vía metabólica, ajustando la velocidad de la misma. vía metabólica en el tiempo para satisfacer las necesidades fisiológicas funcionales de la célula.
Las enzimas alostéricas juegan un papel importante en la regulación del metabolismo celular. Por lo tanto, las alozimas también se denominan enzimas reguladoras. (Enzimas reguladoras)
6. Enzimas modificadoras
Algunas enzimas en el cuerpo necesitan modificar la estructura molecular de la enzima bajo la acción de otras enzimas para tener actividad catalítica. Estas enzimas se llaman enzimas modificadoras. Entre ellos, * * * la modificación de valencia es más común. Por ejemplo, el grupo funcional -OH de los residuos de serina y treonina de las proteínas enzimáticas puede fosforilarse, acompañado de * * * modificación del enlace de valencia, por lo que se denomina * * * modificación de valencia. Los cambios en la actividad enzimática causados por esta modificación se denominan regulación por modificación covalente de las enzimas. Las modificaciones de valencia * * * más comunes en el cuerpo son la fosforilación y desfosforilación de enzimas, además de la acetilación y desacetilación de enzimas, la uridilación y uridilación, la metilación y la desmetilación. Debido a que la modificación de valencia de * * * reacciona rápidamente y tiene un efecto de amplificación en cascada, también es una forma importante de regular el metabolismo de sustancias en el cuerpo. Por ejemplo, la glucógeno fosforilasa, que cataliza el primer paso de la descomposición del glucógeno, tiene dos formas: la activa se llama fosforilasa A y la inactiva se llama fosforilasa B. La conversión mutua de estas dos formas es la molécula de enzima fosforilasa. de fosforilación y desfosforilación (consulte el capítulo sobre metabolismo de la glucosa para obtener más detalles).
7. Complejos multienzimáticos y sistemas multienzimáticos.
Algunas enzimas del cuerpo se agregan entre sí para formar una combinación física llamada complejo multienzimático. Si un complejo multienzimático se desintegra, se pierde la actividad catalítica de cada enzima. Muchas enzimas participan en complejos multienzimáticos. Por ejemplo, el complejo multienzimático de piruvato deshidrogenasa que cataliza la descarboxilación oxidativa del piruvato está compuesto por tres enzimas, mientras que el complejo multienzimático que cataliza la β-oxidación de ácidos grasos en las mitocondrias está compuesto por cuatro enzimas. El producto de la primera reacción catalizada por enzima del complejo multienzimático se convierte en el sustrato de la segunda enzima, y así sucesivamente, hasta que se produce el producto final.
Debido a la combinación física, los complejos multienzimáticos favorecen el rápido progreso de este proceso de flujo en la conformación espacial y son una medida eficaz para que los organismos mejoren la eficiencia catalítica enzimática.
A menudo hay muchas enzimas implicadas en diversas vías del metabolismo de sustancias en el cuerpo, completando a su vez el proceso de reacción. Estas enzimas se diferencian de los complejos multienzimáticos y no están relacionadas estructuralmente entre sí. Por eso se le llama sistema multienzimático. Por ejemplo, 11 enzimas implicadas en la glucólisis están presentes en el citosol, formando un sistema multienzimático.
8. Enzimas multifuncionales
En los últimos años se ha descubierto que algunas moléculas de enzimas tienen múltiples actividades catalíticas. Por ejemplo, la ADN polimerasa I de Escherichia coli es una cadena polipeptídica con un peso molecular de 109 kDa, que tiene la actividad de catalizar la síntesis de cadenas de ADN, exonucleasa 3’-5’ y exonucleasa 5’-3’. Se obtienen dos fragmentos peptídicos mediante hidrólisis suave con enzimas proteolíticas, uno que contiene la actividad exonucleasa del ácido nucleico 5'-3' y el otro que contiene las actividades de las otras dos enzimas. La ácido graso sintasa de mamíferos consta de dos cadenas polipeptídicas, cada una de las cuales contiene la actividad catalítica de siete enzimas necesarias para la síntesis de ácidos grasos. Las enzimas con múltiples sitios catalíticamente activos en dichas moléculas se denominan enzimas multifuncionales o enzimas en tándem. Las enzimas multifuncionales son superiores a los complejos multienzimáticos en términos de estructura molecular, porque las reacciones químicas relevantes se realizan en una molécula de enzima, que es más eficiente que los complejos multienzimáticos. Esto también es el resultado de la evolución biológica.
[Editar este párrafo] Factores que afectan la actividad enzimática
Michaelis y Menten derivaron la ecuación de velocidad de reacciones enzimáticas basándose en la teoría del producto intermedio, concretamente la fórmula Mi-Men (ver Ingeniería Ambiental para más detalles Microbiología Capítulo 4). Según la fórmula de Mimen, la velocidad de una reacción enzimática se ve afectada por la concentración de enzima y la concentración de sustrato, así como por la temperatura, el pH, los activadores e inhibidores.
(1) El efecto de la concentración de enzima en la velocidad de reacción enzimática
Se puede ver en la fórmula de Mimen y en la relación entre la concentración de enzima y la velocidad de reacción de la enzima que la velocidad de reacción de la enzima es directamente relacionado con la concentración de moléculas de enzima. Cuando la concentración de moléculas de sustrato es suficiente, cuantas más moléculas de enzima, más rápida será la conversión del sustrato. Pero, de hecho, cuando la concentración de enzima es mayor, esta relación no se mantiene y la curva gradualmente se vuelve plana. Según los análisis, esto puede deberse a la alta concentración de sustrato que contiene muchos inhibidores.
(2) Efecto de la concentración del sustrato sobre la velocidad de la reacción enzimática
En las reacciones bioquímicas, si la concentración de la enzima permanece sin cambios y la concentración inicial del sustrato es baja, la reacción enzimática se acelerará. La velocidad es proporcional a la concentración del sustrato, es decir, aumenta a medida que aumenta la concentración del sustrato.
Cuando todas las enzimas se combinan con sustratos para producir intermediarios, incluso si la concentración del sustrato aumenta, la concentración de intermediarios no aumentará y la velocidad de reacción enzimática no aumentará.
Bajo la misma concentración de sustrato, la velocidad de la reacción enzimática es directamente proporcional a la concentración inicial de la enzima. Cuanto mayor sea la concentración inicial de enzima, más rápida será la reacción enzimática.
En mediciones reales, incluso si la concentración de enzima es lo suficientemente alta, la velocidad de la reacción enzimática no aumentará a medida que aumenta la concentración del sustrato, o incluso se inhibirá. La razón es que las altas concentraciones de sustrato reducen la concentración efectiva de agua y la difusividad molecular, reduciendo así la velocidad de las reacciones enzimáticas. El exceso de sustrato se acumula en las moléculas de la enzima, produciendo productos intermedios inactivos que no pueden liberar las moléculas de la enzima, reduciendo así la velocidad de reacción.
(3) Efecto de la temperatura sobre la velocidad de reacción enzimática
En el rango de temperatura óptimo, la actividad enzimática de varias enzimas es la más fuerte y la velocidad de reacción enzimática es la más rápida. Dentro de un rango de temperatura adecuado, la velocidad de la reacción enzimática puede aumentar 12 veces por cada aumento de 10°C en la temperatura. La temperatura óptima de las enzimas en diferentes organismos es diferente. Por ejemplo, la temperatura óptima de varias enzimas en tejidos animales es de 37 ~ 40 ℃, la temperatura óptima de varias enzimas en microorganismos es de 25 ~ 60 ℃, pero hay excepciones, como la temperatura óptima de la amilasa koji es de 62 ~ 64 ℃. La temperatura óptima de Bacillus megaterium, Lactobacillus brevis y Aeromonas glucosa isomerasa es de 80°C. La temperatura óptima de la amilasa licuadora de Bacillus subtilis es de 85 ~ 94 ℃. Se puede observar que algunas enzimas de Bacillus tienen una alta estabilidad térmica. Una temperatura demasiado alta o demasiado baja reducirá la eficiencia catalítica de la enzima, es decir, reducirá la velocidad de la reacción enzimática.
Cuando la temperatura óptima es inferior a 60°C, cuando la temperatura alcanza los 60 ~ 80°C, la mayoría de las enzimas se destruyen y desnaturalizan de forma irreversible. Cuando la temperatura se acerca a los 100°C, el efecto catalítico de la enzima se pierde por completo.
(4)4) El efecto del pH sobre la velocidad de la reacción enzimática
La enzima muestra actividad dentro del rango de pH óptimo si es mayor o menor que el pH óptimo. , la actividad enzimática disminuirá principalmente en dos aspectos: ① cambiar el estado de carga de la molécula de sustrato y la molécula de enzima, afectando así la unión de la enzima y el sustrato ② un valor de pH demasiado alto o demasiado bajo afectará la estabilidad. de la enzima, provocando así que la enzima se dañe irreversiblemente.
(5) El efecto del activador sobre la velocidad de la reacción enzimática.
Las sustancias que pueden activar enzimas se denominan activadores enzimáticos. Existen muchos tipos de activadores, incluidos ① cationes inorgánicos, como iones de sodio, iones de potasio, iones de cobre, iones de calcio, etc. (2) Aniones inorgánicos, como iones cloruro, iones bromuro, iones yoduro, iones sulfato e iones fosfato ③ Compuestos orgánicos, como vitamina C, cisteína y glutatión reducido; Muchas enzimas exhiben o mejoran su actividad catalítica sólo en presencia de un activador adecuado, lo que se denomina activación enzimática. Sin embargo, algunas enzimas quedan inactivas después de la síntesis. Estas enzimas se denominan zimógenos. Debe activarse con un activador adecuado antes de la activación.
(6) Efecto de los inhibidores sobre la velocidad de reacción enzimática
Las sustancias que pueden debilitar, inhibir o incluso destruir la actividad enzimática se denominan inhibidores enzimáticos. Ralentiza las reacciones enzimáticas. Los inhibidores de enzimas incluyen iones de metales pesados, monóxido de carbono, sulfuro de hidrógeno, ácido cianhídrico, fluoruro, ácido yodoacético, alcaloides, colorantes, ácido p-cloromercúrico, fluorofosfato de diisopropilo, ácido etilendiaminotetraacético, tensioactivos, etc.
La inhibición de reacciones enzimáticas se puede dividir en inhibición competitiva e inhibición no competitiva. Las sustancias que son estructuralmente similares al sustrato se unen primero al centro activo de la enzima, reduciendo así la velocidad de la reacción enzimática, lo que se denomina inhibición competitiva. La inhibición competitiva es una inhibición reversible que finalmente se libera al aumentar la concentración del sustrato, restaurando la actividad enzimática. Las sustancias que son estructuralmente similares al sustrato se denominan inhibidores competitivos. Después de que el inhibidor se une a un sitio distinto al centro activo de la enzima, el sustrato aún puede unirse al centro activo de la enzima, pero la enzima no muestra actividad, lo que se denomina inhibición no competitiva. La inhibición no competitiva es irreversible y el aumento de la concentración de sustrato no puede aliviar la inhibición de la actividad enzimática. Los inhibidores que se unen a sitios distintos al centro activo de una enzima se denominan inhibición no competitiva.
Algunas sustancias pueden actuar como inhibidores de una enzima y activadores de otra.