Concepto: Las enzimas son sustancias orgánicas catalíticas producidas por células vivas. Son casi todas proteínas excepto unos pocos ARN.
La esencia de la catálisis enzimática: reducir la energía de activación de las reacciones químicas
Comparación entre enzimas y catalizadores inorgánicos:
Puntos similares: 1) Cambiar la. velocidad de reacciones químicas, en sí misma No se consume; 2) solo cataliza reacciones químicas existentes; 3) acelera la velocidad de las reacciones químicas y acorta el tiempo para alcanzar el equilibrio, pero no cambia el punto de equilibrio 4) reduce la energía de activación para acelerar; la velocidad de las reacciones químicas.
2. Diferencias: Características de las enzimas
Características de las enzimas
1. Eficiencia: La eficiencia catalítica de las enzimas es mayor que la de los catalizadores inorgánicos, lo que hace que reacción La velocidad es más rápida; 2. Especificidad: una enzima solo puede catalizar un tipo de sustrato o tipo de sustrato, como la proteasa, que solo puede catalizar la hidrólisis de proteínas en polipéptidos 3. Diversidad: hay muchos tipos de enzimas, alrededor de 4.000 de ellos; 4. Suavidad: Significa que las reacciones químicas catalizadas por enzimas generalmente se llevan a cabo en condiciones más suaves.
En términos generales, la temperatura óptima de las enzimas en animales está entre 35 y 40 grados centígrados, y la temperatura óptima de las enzimas en plantas está entre 40 y 50 grados centígrados; la temperatura óptima de las enzimas en bacterias y hongos; La diferencia es grande y la temperatura óptima de algunas enzimas puede llegar a los 70 grados Celsius. El pH óptimo de las enzimas en los animales está principalmente entre 6,5 y 8,0, pero hay excepciones. Por ejemplo, el pH óptimo de la pepsina es 1,5 y el pH óptimo de las enzimas en las plantas está principalmente entre 4,5 y 6,5.
Estas propiedades de las enzimas permiten que los intrincados procesos del metabolismo material en las células se desarrollen de manera ordenada, permitiendo que el metabolismo material se adapte a las funciones fisiológicas normales. Si una enzima es defectuosa debido a defectos genéticos, o la actividad de la enzima se debilita por otras razones, puede provocar reacciones anormales catalizadas por la enzima, trastornos del metabolismo de la sustancia e incluso enfermedades. Por tanto, las enzimas están muy relacionadas con la medicina
El descubrimiento de las enzimas
En 1773, el científico italiano L. Spallanzani (1729-1799) diseñó un ingenioso experimento: Poner los trozos de carne en una pequeña jaula de metal y deja que el águila la trague. Al rato, sacó la pequeña jaula y descubrió que los trozos de carne habían desaparecido. Por tanto, concluyó que el jugo gástrico debe contener sustancias que digieran la carne. Pero qué, él no lo sabía.
En 1836, el científico alemán T. Schwann (1810-1882) extrajo del jugo gástrico una sustancia digestiva de proteínas. Desvela los misterios de la digestión del estómago.
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 diversas enzimas y señalaron que las enzimas son un tipo de proteínas con catálisis biológica.
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.
Actividad enzimática
Unidad de actividad enzimática (U, unidad activa):
Una medida de la unidad de actividad enzimática. La Conferencia Internacional de Enzimología de 1961 estipuló que una unidad de actividad enzimática se refiere a la cantidad de enzima que puede convertir 1 μmol de sustrato en 1 minuto en condiciones específicas (25°C, otras condiciones son óptimas), o la cantidad de enzima que puede convertir 1 μmol de sustrato en el sustrato. La cantidad de enzima en el grupo.
Actividad específica: Número de micromoles de sustrato convertidos por miligramo de proteína enzimática por minuto a 25oC. La actividad específica es una medida de la pureza de la enzima.
Energía de activación: Energía necesaria para convertir todas las moléculas de 1 mol de sustrato de reacción desde su estado al estado de transición.
Energía activa: La enzima contiene el sitio de unión del sustrato y los residuos de aminoácidos implicados en catalizar la conversión del sustrato en el producto. El sitio activo suele estar situado en las hendiduras entre dominios o subunidades de proteínas o en las depresiones de la superficie de las proteínas. Suele estar compuesto por algunos residuos de aminoácidos que están muy juntos en el espacio tridimensional.
Catálisis enzimática
Catálisis ácido-base: catálisis de transferencia de protones para acelerar reacciones.
Catálisis covalente: Un sustrato o parte de un sustrato forma un enlace covalente con un catalizador y luego se transfiere a un segundo sustrato. Muchas reacciones de transferencia de grupos catalizadas por enzimas se llevan a cabo mediante valencia.
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. Una molécula de enzima simple sólo tiene una cadena peptídica compuesta de residuos de aminoácidos, mientras que una molécula de enzima conjugada contiene no sólo proteínas compuestas de cadenas polipeptídicas, sino también componentes no proteicos, como iones metálicos, porfirinas de hierro o pequeñas moléculas orgánicas que contienen vitamina B. . La parte proteica que se une a la enzima se llama apoenzima y las partes no proteicas se denominan colectivamente cofactores. Las dos juntas forman la holoenzima; si las dos se separan, la actividad enzimática desaparecerá. Las partes no proteicas, como las porfirinas de hierro o los compuestos que contienen vitamina B, se denominan grupos protésicos si están unidos a la proteína enzimática mediante un enlace positivo. Por el contrario, no pueden separarse de la proteína enzimática mediante métodos como la diálisis o la ultrafiltración; , los dos conectados por enlaces no valentes se llaman coenzimas y los dos se pueden separar mediante el método anterior. La tabla 4-1 muestra algunos ejemplos del uso de iones metálicos como cofactores para enzimas conjugadas. La tabla 4-2 enumera varias coenzimas (bases) que contienen vitamina B y las reacciones en las que participan.
Los iones metálicos en las enzimas unidas tienen muchas funciones. Pueden ser componentes del centro activo de la enzima; algunos pueden desempeñar un papel en la estabilización de la conformación de la molécula de la enzima; otros pueden servir como puente entre ellos. La enzima y el sustrato están conectados. Las coenzimas y los grupos protésicos 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 hay muchos tipos de cofactores enzimáticos. En la tabla 4-1, hemos visto ejemplos de varias enzimas que utilizan los mismos iones metálicos como cofactores. La misma situación también se puede observar en las coenzimas. y coenzimas, por ejemplo, la gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa y la lactato deshidrogenasa utilizan NAD+ como coenzima. La especificidad de la reacción catalizada por enzima está determinada por la parte proteica de la enzima, y el papel de las coenzimas y los grupos protésicos es participar en el transporte de hidrógeno (H+ y e) y algunos grupos químicos especiales durante el proceso de reacción específico.
2. Centro Activo de Enzimas
Las enzimas son macromoléculas biológicas con una masa molecular de al menos 10.000 y hasta un millón. El efecto catalítico de las enzimas depende de la integridad de la estructura primaria y la estructura espacial de las moléculas de la enzima. La desnaturalización de moléculas enzimáticas o la despolimerización de subunidades puede provocar la pérdida de la actividad enzimática. Una cuestión que vale la pena señalar es que los reactivos catalizados por enzimas, es decir, sustratos, son en su mayoría sustancias pequeñas cuyas masas moleculares son varios órdenes de magnitud más pequeñas que las 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. Las cadenas laterales de los residuos de aminoácidos que forman el centro activo de la enzima tienen diferentes grupos funcionales, como -NH2, -COOH, -SH, -OH y grupos imidazol, etc., que proceden de diferentes partes del polipéptido. cadena de la molécula de enzima. Algunos grupos actúan como grupos de unión cuando se combinan con sustratos y otros actúan como grupos catalíticos en reacciones catalíticas. Sin embargo, algunos grupos desempeñan un papel tanto en la unión como en la catálisis, por lo que los grupos funcionales en el sitio activo a menudo se denominan colectivamente grupos esenciales. A través de los giros y pliegues de la cadena polipeptídica, forman un agujero o hendidura con una estructura espacial tridimensional en la superficie de la molécula de enzima para acomodar el sustrato entrante para unirse a ella (Figura 4-1) y catalizar la conversión de el sustrato en un producto. Esta área se llama centro activo de la enzima.
Los grupos funcionales distintos del centro activo de la enzima también son necesarios para formar y mantener la conformación espacial de la enzima, por lo que se denominan grupos esenciales distintos del centro activo. Para las enzimas que requieren cofactores, los cofactores también son componentes 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.
3. La relación entre la estructura molecular de una enzima y su actividad catalítica.
La base de la estructura molecular de una enzima es su secuencia de aminoácidos, que determina la estructura espacial de la enzima y la formación del centro activo. Especificidad catalítica enzimática. Por ejemplo, las secuencias de residuos de aminoácidos de la gliceraldehído fosfato deshidrogenasa en los mamíferos son casi idénticas, lo que indica que la misma estructura primaria es la base para que la enzima catalice 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 los enlaces peptídicos hidrolizados por las tres tienen sus propias especificidades. La quimotripsina hidroliza los enlaces peptídicos que contienen residuos de aminoácidos aromáticos para proporcionar grupos carboxilo. residuos de aminoácidos básicos como la lisina para proporcionar enlaces peptídicos carboxilo, mientras que la elastasa hidroliza residuos de aminoácidos no cargados con cadenas laterales más pequeñas para proporcionar enlaces peptídicos carboxilo. El análisis de la secuencia de aminoácidos de estas tres enzimas muestra que aproximadamente el 40% de las secuencias de aminoácidos 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-. En torno al residuo de serina, los estudios de difracción de rayos X sugieren que estas tres enzimas tienen estructuras espaciales similares, lo que es la base para que puedan hidrolizar enlaces peptídicos. Su especificidad en la hidrolización de enlaces peptídicos proviene de ligeras diferencias en la composición de aminoácidos del sitio de unión al sustrato de la enzima.
La imagen muestra que los sitios de unión al sustrato de estas tres enzimas tienen una estructura de bolsillo que puede acomodar grupos aromáticos o grupos no polares. El fondo de la bolsa de tripsina es ligeramente diferente en uno de los aminoácidos; residuos ácidos. La base se sustituye por ácido aspártico, lo que aumenta la carga negativa allí, por lo que es favorable para la unión de residuos de lisina o arginina cargados positivamente. La bolsa de elastasa está flanqueada por residuos de valina y treonina, por lo que sólo el lado más pequeño. Aquí se pueden combinar cadenas y grupos sin carga. Explique la estrecha relación entre la especificidad catalítica de la enzima y la estructura molecular de la enzima.
4. Zimógeno y activación del zimógeno
Algunas enzimas, como diversas proteasas del sistema digestivo, se sintetizan y secretan en forma de precursores inactivos, para luego transportarse a lugares específicos. partes del cuerpo y, cuando el cuerpo lo necesita, se convierte en enzimas activas mediante la acción de enzimas proteolíticas específicas y desempeña un papel. Los precursores de estas enzimas sin actividad catalítica se denominan zimógenos. Como pepsinógeno (pepsinógeno), tripsinógeno (tripsinógeno) y quimotripsinógeno (quimotripsinógeno), etc. El proceso en el que una determinada sustancia actúa sobre un zimógeno para convertirlo en una enzima activa se llama activación de zimógeno. La sustancia que convierte el zimógeno inactivo en una enzima activa se llama activina. La activina tiene cierta especificidad para la activación del zimógeno.
Por ejemplo, el quimotripsinógeno sintetizado por las células pancreáticas es una única cadena peptídica compuesta por 245 residuos de aminoácidos, con 5 pares de enlaces disulfuro conectados dentro de la molécula. El proceso de activación de este zimógeno se muestra en la Figura 4-. 3． En primer lugar, la tripsina hidroliza el enlace peptídico entre los residuos de arginina de la posición 15 y de isoleucina de la posición 16 y lo activa en p-quimotripsina con actividad catalítica completa. Sin embargo, la molécula de enzima aún no es estable después de catalizar la propia p-quimotripsina. , elimina dos moléculas de dipéptido y se convierte en α-quimotripsina con actividad catalítica y estructura estable.
En circunstancias normales, la mayoría de los factores de coagulación en el plasma existen básicamente en forma de zimógenos inactivos. Sólo cuando la íntima del tejido o del vaso sanguíneo está dañada, los zimógenos inactivos pueden convertirse en zimógenos activos. serie de reacciones enzimáticas en cascada, que finalmente conducen a la conversión de fibrinógeno soluble en polímeros de fibrina estables, que atraen plaquetas y forman coágulos de sangre.
La esencia de la activación del zimógeno es cortar el enlace peptídico específico en la molécula del zimógeno o eliminar parte del segmento peptídico para facilitar la formación del centro activo de la enzima. Por un lado, la activación del zimógeno tiene una importancia fisiológica importante. Por un lado, garantiza la síntesis de enzimas. Las propias células no son destruidas por la digestión con proteasas. Por otro lado, se activan y ejercen sus efectos fisiológicos en condiciones fisiológicas específicas y en partes prescritas. Por ejemplo, los factores de coagulación se activan después de un daño en el tejido o en la íntima de los vasos sanguíneos; el pepsinógeno secretado por las células principales del estómago y el quimotripsinógeno, el tripsinógeno y el elastaseógeno secretados por las células pancreáticas se activan en las correspondientes enzimas activas en el estómago y el intestino delgado, respectivamente, promoviendo la digestión. de las proteínas alimentarias es un ejemplo obvio. 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 el proceso de activación del zimógeno es anormal, se producirán una serie de enfermedades.
La pancreatitis hemorrágica ocurre porque la proteasa se activa antes de ingresar al intestino delgado. La proteasa activada hidroliza sus propias células pancreáticas, causando sangrado e hinchazón pancreática.
4. Isoenzima (isoenzima)
El concepto de isoenzima: es decir, la isoenzima es un tipo de enzima que cataliza la misma reacción química, pero la estructura molecular y las propiedades físicas y químicas. de la proteína enzimática y una clase de enzimas que varían en inmunogenicidad. Existen en la misma especie de organismos o en diferentes tejidos del mismo individuo, o incluso en el mismo tejido o en diferentes orgánulos de una misma célula. Hasta el momento se conocen nada menos que decenas de isoenzimas, como la hexoquinasa, la lactato deshidrogenasa, etc. Entre ellas, la lactato deshidrogenasa (ácido láctico deshidrogenasa, LDH) es la más claramente estudiada. En los tejidos humanos y de animales vertebrados, hay cinco formas moleculares que catalizan las mismas reacciones químicas a continuación:
Las cinco isoenzimas están compuestas cada una de cuatro subunidades. Las subunidades de LDH se dividen en tipo de músculo esquelético (tipo M) y tipo de músculo cardíaco (tipo H). Los dos tipos de subunidades tienen diferentes composiciones de aminoácidos. Son tetrámeros compuestos por dos subunidades en diferentes proporciones. LDH. Es decir, H4 (LDH1), H3M1 (LDH2), H2M2 (LDH3), H1M3 (LDH4) y M4 (LDH5).
Las composiciones de aminoácidos de las subunidades M y H son diferentes, lo que viene determinado por genes diferentes. Las proporciones de las subunidades M y H en los cinco tipos de LDH son diferentes, lo que determina las diferencias en sus propiedades físicas y químicas. Por lo general, los cinco tipos de LDH se pueden separar mediante el método de electrocongelación. LDH1 nada hacia el electrodo positivo más rápido, mientras que LDH5 nada más lento. Los demás están en el medio, seguidos por LDH2, LDH3 y LDH4 (Figura 4-5). ) La figura 4-5 también ilustra que las cantidades de diversas LDH contenidas en diferentes tejidos son diferentes. El miocardio contiene más LDH1 y LDH2, mientras que las cantidades de LDH5 y LDH4 son dominantes en el músculo esquelético y el hígado. Las diferencias en los perfiles de isoenzimas LDH en diferentes tejidos están relacionadas con el proceso fisiológico de utilización tisular del ácido láctico. LDH1 y LDH2 tienen una alta afinidad por el ácido láctico, que deshidrogena y oxida el ácido láctico en piruvato, lo que es beneficioso para que el miocardio obtenga energía a partir de la oxidación del ácido láctico. LDH5 y LDH4 tienen una alta afinidad por el piruvato y pueden reducir el piruvato a lactato, lo que es consistente con el proceso fisiológico del músculo que obtiene energía en la glucólisis anaeróbica (consulte el capítulo sobre metabolismo del azúcar para obtener más detalles). Estas isoenzimas se liberan en la sangre durante la enfermedad tisular. Debido a las diferencias en la distribución de las isoenzimas en los tejidos y órganos, el espectro de isoenzimas séricas cambia. Por lo tanto, el análisis del espectro de isoenzimas séricas se utiliza comúnmente en la práctica clínica para diagnosticar enfermedades (Figura 4-5).
5. Enzimas alostéricas
Las enzimas alostéricas son a menudo enzimas oligoméricas de múltiples subunidades con una estructura cuaternaria, además de la actividad catalítica, las moléculas enzimáticas también se denominan sitio catalítico; También hay sitios alostéricos. Esta última es la posición que une el efector alostérico. Cuando se une al efector alostérico, la conformación molecular de la enzima cambiará ligeramente, afectando la afinidad del sitio catalítico por el sustrato y la eficiencia catalítica. Si la unión de un agente alostérico aumenta la afinidad de la enzima al sustrato o la eficiencia catalítica, se denomina activador alostérico. Por el contrario, si la unión de un agente alostérico aumenta la afinidad de la enzima al sustrato o al sustrato. eficiencia catalítica, se llama inhibidor alostérico. El efecto de la actividad enzimática regulada por agentes alostéricos se denomina regulación alostérica. El sitio catalítico y el sitio alostérico de una enzima alostérica pueden ubicarse en diferentes partes de una subunidad, pero lo más frecuente es que se encuentren en subunidades diferentes. En el último caso, la subunidad con el sitio catalítico se llama subunidad catalítica y la subunidad con el sitio alostérico se llama subunidad reguladora. La mayoría de las enzimas alostéricas se encuentran al comienzo de las vías metabólicas, y los agentes alostéricos de las enzimas alostéricas son a menudo algunas pequeñas moléculas fisiológicas y sustratos de la enzima, o productos intermedios o productos finales de la vía metabólica. Por tanto, la actividad catalítica de las enzimas alostéricas está regulada por la concentración de sustratos, intermediarios metabólicos o productos finales en la célula. El producto final que inhibe las enzimas alostéricas en esta vía se llama inhibición por retroalimentación. Esto muestra que una vez que aumenta el producto final en la célula, actúa como un inhibidor alostérico para inhibir la enzima al comienzo de la vía metabólica y ajustar la velocidad de la vía metabólica de manera oportuna para satisfacer las necesidades de las funciones fisiológicas celulares. Las enzimas alostéricas desempeñan un papel importante en la regulación del metabolismo del material celular. Por lo tanto, las enzimas alostéricas también se denominan enzimas reguladoras.
(enzima reguladora)
6. Enzimas modificadoras
Algunas enzimas del cuerpo necesitan modificar la estructura molecular de la enzima bajo la acción de otras enzimas antes de que puedan volverse catalíticamente activas. Las enzimas se llaman enzimas modificadoras (enzima de modificación). Entre ellos, la más común es la modificación valente. Por ejemplo, el grupo funcional -OH de los residuos de serina y treonina de la proteína enzimática se puede fosforilar. En este momento, se genera la modificación del enlace valente. llamado * **Modificación covalente. El cambio en la actividad enzimática causado por esta modificación se denomina regulación por modificación covalente de la enzima. Las modificaciones valentes más comunes en el cuerpo son la fosforilación y desfosforilación de enzimas. Además, existen acetilación y desacetilación, uridilación y desuridilación, metilación y desmetilación de enzimas. Debido a que la reacción de modificación de valencia es rápida 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: activa e inactiva. La activa se llama fosforilasa a y la inactiva se llama fosforilasa b. Estas dos formas La interconversión es el proceso de fosforilación y. desfosforilación de moléculas enzimáticas (consulte el capítulo sobre metabolismo del azúcar para obtener más detalles)
7. Complejos multienzimáticos y sistemas multienzimáticos
Algunas enzimas del cuerpo interactúan entre sí agregadas. para formar una combinación física, esta combinación se llama complejo multienzimático. Si se desmonta el complejo multienzimático, la actividad catalítica de cada enzima desaparece. Hay muchas enzimas involucradas en la formación de un complejo multienzimático. Por ejemplo, el complejo multienzimático piruvato deshidrogenasa que cataliza la reacción de 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 Compuesto por cuatro enzimas. El producto de la reacción catalizada por la primera enzima del complejo multienzimático se convierte en el sustrato para la acción de la segunda enzima, y esto continúa hasta que se genera el producto final.
Debido a la combinación física, la conformación espacial del complejo multienzimático favorece el rápido progreso de esta operación de flujo. Es una medida eficaz para que los organismos mejoren la eficiencia catalítica enzimática.
Muchas enzimas suelen participar en diversas vías del metabolismo de sustancias en el cuerpo, completando el proceso de reacción en secuencia. Estas enzimas son diferentes de los complejos multienzimáticos y no están relacionadas estructuralmente entre sí. Por eso se le llama sistema multienzimático. Por ejemplo, las 11 enzimas implicadas en la glucólisis están todas presentes en el citosol, formando un sistema multienzimático.
8. Enzimas multifuncionales
En los últimos años se ha descubierto que algunas moléculas enzimáticas tienen múltiples actividades catalíticas. Por ejemplo, la ADN polimerasa I de Escherichia coli es una cadena polipeptídica con una estructura molecular. masa de 109 kDa y tiene actividad catalítica de cadena de ADN, actividad de 3'-5' exonucleasa y 5'-3' exonucleasa, hidrólisis suave con enzima proteolítica para obtener dos péptidos, uno que contiene actividad enzimática 5'-3' exonucleasa, y el otro contiene las actividades de las otras dos enzimas, lo que indica que la molécula de ADN polimerasa de E. coli contiene múltiples centros activos. La ácido graso sintasa de mamíferos está compuesta por 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 catalíticos activos en la molécula de enzima se denominan enzimas multifuncionales o enzimas en tándem. Las enzimas multifuncionales son más ventajosas que 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.
Principios de clasificación y denominación de las enzimas
Para poder estudiar las enzimas de manera más efectiva, se han propuesto varios métodos para clasificar y nombrar las enzimas, pero el método actualmente aceptado es el Comité de Enzimas de la Unión Internacional de Bioquímica Los principales contenidos del sistema recomendado son los siguientes:
Las enzimas se dividen en seis categorías según sus propiedades de reacción:
Oxidoreductasa (oxidorreductasa)
transferasas
hidrolasas
liasas
isomerasas
Enzimas sintéticas (ligasa)
En cada Categoría principal, se divide en varias subcategorías y subsubcategorías basadas en reacciones enzimáticas y propiedades del sustrato más específicas.
Para cada enzima se utiliza tanto la nomenclatura sistemática como la habitual
Nomenclatura convencional
3.
En vista del continuo descubrimiento de nuevas enzimas y de la confusión en la denominación de las enzimas en el pasado, para evitar el fenómeno de que una enzima tenga varios nombres o diferentes enzimas usen el mismo nombre, la Comisión Internacional de La enzimología ha prescrito un método de denominación sistemático, que incluye la nomenclatura sistemática de enzimas y números de enzimas para 4 clasificaciones numéricas. Por ejemplo, el nombre de la enzima que cataliza la siguiente reacción es
ATP diez D-glucosa ADP diez D-glucosa---6 fosfato
ATP glucosa fosfotransferasa, que cataliza la transferencia de ATP de Una reacción que transfiere un fosfato a glucosa. Sus números de clasificación son E, C, 2, 7, l, 1. E y C representan la Comisión Internacional de Enzimología. El primer número "2" representa la clasificación de la enzima (transferasa), el segundo "7" representa la subcategoría (fosfotransferasa); el tercer "l" representa la subclase (fosfotransferasas con grupo hidroxilo). como aceptor); el cuarto "1" representa el número de clasificación de la enzima en la subclase (con D-glucosa como aceptor del grupo fosfato).
Características y mecanismo de la reacción enzimática
1. Características de la reacción enzimática
(1) La reacción enzimática tiene una alta velocidad catalítica
Las enzimas son catalizadores biológicos altamente eficientes, entre 107 y 1013 veces más eficientes que los catalizadores ordinarios. Las enzimas pueden acelerar las reacciones químicas, pero las enzimas no pueden cambiar el punto de equilibrio de las reacciones químicas. Es decir, las enzimas promueven reacciones directas y al mismo tiempo promueven reacciones inversas en la misma proporción, por lo que la función de las enzimas es acortar el tiempo necesario para alcanzarlas. tiempo de equilibrio, pero la constante de equilibrio permanece sin cambios. Se necesitan varias horas para alcanzar el punto de equilibrio sin enzima, pero puede que solo se necesiten unos segundos para alcanzar el equilibrio con la enzima.
Las enzimas y catalizadores en general aceleran las reacciones químicas reduciendo la energía de activación de las reacciones.
(2) La catálisis enzimática es altamente específica
La especificidad catalítica de una enzima se refleja en su selectividad por el sustrato y en la especificidad de la reacción catalítica. Excepto algunas reacciones químicas espontáneas en el cuerpo, la mayoría de ellas son catalizadas por enzimas específicas. Una enzima puede encontrar su sustrato entre miles de reactivos. Ésta es la especificidad de la enzima. Según la diferencia en el grado de especificidad catalítica enzimática, se divide en tres categorías: especificidad absoluta, especificidad relativa y estereoespecificidad. Una enzima que solo cataliza una reacción con un sustrato se llama especificidad absoluta. Por ejemplo, la ureasa solo puede hidrolizar la urea y descomponerla en dióxido de carbono y amoníaco si una enzima puede catalizar un tipo de compuesto o un tipo de enlace químico para que reaccione; se llama especificidad relativa, por ejemplo, la esterasa no solo puede catalizar la hidrólisis de los triglicéridos, sino también hidrolizar otros enlaces éster. Las enzimas con especificidad estereoisomérica tienen requisitos estrictos sobre la configuración tridimensional de la molécula del sustrato. Por ejemplo, la L-lactato deshidrogenasa solo cataliza la deshidrogenación del L-lactato y no tiene ningún efecto sobre el D-lactato.
(3) Ajustabilidad de la actividad enzimática
La actividad catalítica de algunas enzimas puede verse afectada por muchos factores. Por ejemplo, las enzimas alostéricas están reguladas por agentes alostéricos y algunas enzimas están reguladas. por agentes alostéricos, regulación de la actividad enzimática por hormonas y fluidos neurohumorales a través de segundos mensajeros, regulación del contenido de enzimas intracelulares por inductores o inhibidores (cambiando la tasa de síntesis y descomposición de enzimas), etc.
2. Mecanismo de reacción enzimática
La enzima (E) y el sustrato (S) forman el complejo enzima-sustrato (ES)
Enzima La unión direccional del centro activo al sustrato para formar un complejo ES es el primer paso en la catálisis enzimática. La energía de la unión direccional proviene de una variedad de enlaces no valentes que se forman cuando el grupo funcional del centro activo de la enzima interactúa con el sustrato, como enlaces iónicos, enlaces de hidrógeno, enlaces hidrófobos y fuerzas de van der Waals. La energía que se produce cuando se combinan se llama energía de enlace. No es difícil entender que cada enzima es selectiva al unirse a su propio sustrato.
(2) Complementariedad entre el estado de transición de la enzima y el sustrato
Si la enzima solo complementa el sustrato para formar un complejo ES y no puede promover más el sustrato para que entre en la transición estado, entonces la catálisis de la enzima El efecto no puede ocurrir. Esto se debe a que después de que la enzima y el sustrato forman el complejo ES, es necesario formar más enlaces no valentes entre la enzima y las moléculas del sustrato para formar un complejo que sea complementario al estado de transición de la enzima y el sustrato (Figura 4-8). , para completar la acción catalítica de la enzima. De hecho, durante el proceso mencionado anteriormente de generar más enlaces no valentes, las moléculas del sustrato se transforman del estado fundamental original al estado de transición.
Es decir, la molécula sustrato se convierte en una molécula activada, lo que proporciona las condiciones para la disposición combinada de grupos necesarios para que la molécula sustrato lleve a cabo reacciones químicas, la generación instantánea de cargas inestables y otras transformaciones. Por tanto, el estado de transición no es una sustancia química estable, a diferencia de los productos intermedios en el proceso de reacción. En cuanto al estado de transición de una molécula, la probabilidad de que se transforme en un producto (P) o en un sustrato (S) es igual.
Cuando la enzima y el sustrato forman un complejo ES y además forman un estado de transición, este proceso ha liberado más energía de unión. Ahora se sabe que esta parte de la energía de unión puede compensar la energía de activación necesaria para. la activación de parte de las moléculas reactivas, de modo que las moléculas que originalmente estaban por debajo del umbral de energía de activación también se convierten en moléculas activadas, acelerando así la velocidad de las reacciones químicas
(3) Mecanismo de reacción enzimática
1. Efecto de proximidad y disposición direccional
2. Catálisis multielemento
3. Efecto de superficie
Cabe señalar que la reacción catalítica de una enzima es a menudo el efecto combinado de múltiples mecanismos catalíticos, lo cual es una razón importante para la alta eficiencia de las reacciones enzimáticas.
Sección 5 Cinética de reacciones enzimáticas
La cinética de reacciones enzimáticas es el estudio de la velocidad de reacción enzimática y los factores que afectan la velocidad de reacción enzimática. Muchos factores, como la concentración de enzimas, la concentración de sustrato, el pH, la temperatura, los activadores e inhibidores, pueden afectar la velocidad de las reacciones enzimáticas. Al estudiar la influencia de un determinado factor en la velocidad de reacción enzimática, es necesario mantener sin cambios otros factores del sistema catalítico enzimático y mantener condiciones estrictas de velocidad de reacción inicial. Por ejemplo, la velocidad de reacción enzimática es proporcional a la concentración de la enzima. En esta condición, la cantidad de sustrato utilizado en el sistema catalítico enzimático es suficiente para saturar todas las enzimas y los productos generados no son suficientes para afectar la eficiencia catalítica de la enzima. En otras condiciones del sistema de reacción, como el pH, etc., no se produjeron cambios significativos. Los estudios cinéticos pueden proporcionar información valiosa sobre el mecanismo de acción de las enzimas y también pueden ayudar a determinar las condiciones óptimas para la acción de las enzimas. El uso de inhibidores para explorar la composición de grupos funcionales en el centro activo de las enzimas es de gran valor para la investigación sobre la estructura y función de las enzimas e incluso para la investigación práctica clínica.
1. Efecto de la concentración de enzima sobre la velocidad de reacción enzimática
Bajo determinadas condiciones de temperatura y pH, cuando la concentración del sustrato es mucho mayor que la concentración de enzima, la velocidad de reacción de la enzima está relacionada con la velocidad de reacción de la enzima proporcional a la concentración (Figura 4-11)
Es decir, v=K[E] (1) donde v es la velocidad de reacción, K es la constante de velocidad de reacción y [. E] representa la concentración de enzima
2. Efecto de la concentración de sustrato en la velocidad de reacción enzimática
(1) Curva de concentración de sustrato
Cuando la concentración de enzima permanece sin cambios, el efecto de la concentración del sustrato sobre la velocidad de reacción La influencia es una hipérbola rectangular.
(2) Ecuación de Michaelis-Menten
La mayoría de las enzimas del cuerpo muestran la relación mencionada anteriormente entre la concentración de sustrato y la velocidad de reacción, por lo que Michaelis-Menten y Michaelis-Menten se basan en anteriores trabajo, se propone la teoría de que las enzimas y los sustratos forman primero un complejo intermedio, a saber:
K1 K3