مرکز فعال یک آنزیم ساده چیست؟ اتصال محل فعال به بستر

هر واکنش آنزیمی با برهمکنش یک سوبسترا، در بیشتر موارد یک مولکول کوچک، با مرکز فعال آنزیم آغاز می شود. مرکز فعال یک آنزیم به عنوان مجموعه ای از بقایای اسید آمینه که به سوبسترا متصل می شود (جذب)، فعال سازی شیمیایی و تبدیل آن درک می شود. مرکز فعال مولکول پروتئین آنزیم دارای یک پیکربندی پیچیده است. این شامل هر دو گروه قطبی (آب دوست) و غیر قطبی (آب گریز) است.

ساختار مرکز فعال آنزیم از دو جزء تشکیل شده است:

1) محل جذب (زیر مرکز، سایت)، مسئول اتصال، تثبیت و جهت گیری بسترها. ویژگی های این مرکز مشخص کننده ویژگی عمل آنزیم است.

2) یک سایت کاتالیزوری (زیر مرکز، سایت)، که تبدیل شیمیایی مولکول های بستر را انجام می دهد و معمولاً از کاتالیز اسید-باز عمومی برای این اهداف استفاده می کند.

بقایای اسید آمینه که مرکز کاتالیزوری آنزیم یک جزئی را تشکیل می دهند در نقاط مختلف یک زنجیره پلی پپتیدی منفرد قرار دارند. بنابراین، مرکز فعال، که ترکیبی منحصر به فرد از چندین باقی مانده اسید آمینه است، در لحظه ای ظاهر می شود که مولکول پروتئین ساختار سوم ذاتی خود را به دست می آورد. رایج ترین بقایای موجود در مراکز فعال آنزیم های تک جزئی عبارتند از سر, خود، سه،ارگ, Cys, Asp, چسب و تایر. تغییر در ساختار سوم آنزیم تحت تأثیر برخی عوامل می تواند منجر به تغییر شکل مرکز فعال و تغییر در فعالیت آنزیمی شود.

مرکز فعال آنزیم های دو جزئی توسط یک جزء غیر پروتئینی - یک کوآنزیم (گروه مصنوعی) و چندین مورد از باقی مانده های اسید آمینه ذکر شده در بالا نشان داده شده است.

یک ویژگی مشخصه آنزیم های پیچیده یا دو جزئی این است که نه بخش پروتئین و نه گروه اضافی به طور جداگانه فعالیت کاتالیزوری قابل توجهی ندارند. فقط مجموعه آنها خواص آنزیمی را نشان می دهد. در این حالت ، پروتئین به شدت فعالیت کاتالیزوری گروه اضافی را افزایش می دهد ، که در حالت آزاد ذاتی آن به میزان بسیار کمی وجود دارد. گروه اضافی بخش پروتئین را تثبیت می کند و آن را کمتر در برابر عوامل دناتوره کننده آسیب پذیر می کند. بنابراین، اگرچه انجام مستقیم عملکرد کاتالیزوری، گروه پروتزی است که مرکز کاتالیزوری را تشکیل می دهد، عمل آن بدون مشارکت قطعات پلی پپتیدی بخش پروتئینی آنزیم غیرقابل تصور است.

در آپوآنزیم ناحیه ای وجود دارد که با ساختار خاصی مشخص می شود که به طور انتخابی به کوآنزیم متصل می شود. این به اصطلاح است دامنه اتصال کوآنزیم; ساختار آن در آپوآنزیم های مختلف که با یک کوآنزیم ترکیب می شوند بسیار شبیه است. اینها، برای مثال، ساختارهای فضایی حوزه های اتصال به نوکلئوتید تعدادی از دهیدروژنازها هستند (شکل 1.5.1).

برنج. 1.5.1. محل فعال گلوکز-6-فسفات دهیدروژناز

روش‌های مطالعه مکان‌های فعال آنزیم‌ها

ایده مرکز فعال در نتیجه تجزیه و تحلیل داده ها در مورد مهار واکنش ها و اصلاح شیمیایی مولکول پروتئین شکل گرفت. مهارکننده های برگشت ناپذیر با تغییر شیمیایی یکی از گروه های دخیل در تبدیل کاتالیزوری سوبسترا، فعالیت کاتالیزوری آنزیم را مسدود می کنند. مهارکننده‌های برگشت‌پذیر، با تشکیل مجموعه‌ای با یک گروه عملکردی از پروتئین، یا تغییر قابل‌توجهی در خواص این گروه (مهارکننده‌های غیررقابتی) ایجاد می‌کنند یا به طور رقابتی جذب (کمپلکس شدن) بستر را در ناحیه کاتالیزوری مسدود می‌کنند. مرکز

بیایید به چند نمونه نگاه کنیم.

سرین پروتئازها و استرازها. گروه فعال کاتالیزوری بسیاری از آنزیم ها گروه هیدروکسیل سرین است. در مرکز فعال، این گروه الکلی نقش یک معرف نوکلئوفیل را در واکنش های جانشینی هسته دوست در طول هیدرولیز استرها، آمیدها و پپتیدها ایفا می کند. نماینده خانواده سرین پروتئاز پروستاگلاندین H-سینتاز است که در متابولیسم اسید آراشیدونیک نقش دارد.

پروستاگلاندین N-سینتاز. آسپرین (اسید استیل سالیسیلیک) یک داروی ضد التهابی غیر استروئیدی است. اثر فیزیولوژیکی دارو با توانایی آن در استیله کردن Ser-514، که بخشی از مرکز جذب آراشیدونیک اسید، یک بستر PNS است، مرتبط است.

برنج. 1.5.2. مسدود کردن گروه هیدروکسیل سرین در محل فعال پروستاگلاندین H-سینتاز

آسپرین به عنوان یک مهار کننده غیرقابل برگشت آنزیم محدود کننده سرعت سنتز پروستاگلاندین عمل می کند. هیدرولیز بعدی پروتئین اصلاح شده و تجزیه و تحلیل محصولات هیدرولیز امکان شناسایی محل اصلاح آنزیم را فراهم کرد.

با وجود این واقعیت که روش اصلاح شیمیایی به فرد امکان می دهد اطلاعات بسیار مهمی در مورد ماهیت مراکز فعال آنزیم ها به دست آورد، معایب خاصی نیز دارد.

گروه‌های عاملی پروتئین که محل فعال را می‌سازند، می‌توانند توسط زنجیره پلی پپتیدی یا سایر باقیمانده‌های اسید آمینه پوشانده شوند، که باعث می‌شود گروه‌های سایت فعال برای معرف اصلاح‌کننده غیرقابل دسترسی باشند. اصلاح شیمیایی، به عنوان یک قاعده، انتخابی نیست. این منجر به تغییر قابل توجهی در ساختار پروتئین، توسعه فرآیندهای غیرفعال سازی و دناتوره شدن می شود، که می تواند منجر به از دست دادن فعالیت کاتالیزوری توسط آنزیم شود، حتی اگر باقی مانده هایی که در مرکز کاتالیزوری موجود نیستند از نظر شیمیایی اصلاح شده باشند. نتیجه گیری در مورد مشارکت گروه های عاملی خاصی از اسیدهای آمینه در فرآیند کاتالیزوری بر اساس داده های مربوط به اصلاح شیمیایی پروتئین ها را می توان با احتیاط و ملاحظات خاصی انجام داد.

بنابراین، روش اصلاح شیمیایی اجازه به دست آوردن اطلاعات جامع در مورد شرکت کنندگان در عمل کاتالیزوری را نمی دهد.

به طور معمول، این نوع نتیجه گیری نیاز به مطالعات ساختاری مستقل دارد.

اگر اصلاح کننده شیمیایی در ساختار یک بستر خاص یا بازدارنده آنزیم گنجانده شود، وضعیت واضح تر می شود. در این حالت، اصلاح کننده به سمت سایت فعال هدف قرار می گیرد که احتمال واکنش شیمیایی با گروه عملکردی سایت فعال را به طور قابل توجهی افزایش می دهد.

امکانات جدیدی برای شناسایی گروه های موجود در مراکز فعال آنزیم ها با توسعه تکنیک های جهش زایی سایت خاص ظاهر شده است. برای آنزیم هایی که بیان ژن آنها را می توان با استفاده از سازه های مهندسی ژنتیکی مانند پلاسمیدها سازماندهی کرد، مشخص شد که جایگزینی اسیدهای آمینه منفرد در سطح DNA با بیان بعدی و مطالعه خواص کاتالیزوری پروتئین های حاصل امکان پذیر است. این امکان به دست آوردن اطلاعات مهم در مورد مشارکت یک اسید آمینه خاص از یک قطعه معین از یک زنجیره پلی پپتیدی در عمل کاتالیزوری را فراهم می کند. با این حال، حتی در این مورد، مقدار مشخصی احتیاط هنگام تفسیر نتایج ضروری است، زیرا پروتئین ها حاوی تعداد زیادی اسید آمینه هستند که ساختار مرکز فعال را تشکیل می دهند، اما مستقیماً در عمل کاتالیز نقش ندارند.

اطلاعات قطعی در مورد ساختار سایت فعال سایت فعال را می توان با پراش اشعه ایکس (XRD) و طیف سنجی تشدید مغناطیسی هسته ای با وضوح بالا (NMR) به دست آورد. در مورد اول، مطالعه بر روی بلورهای آنزیمی انجام می شود، در مورد دوم، محلول های آنزیمی مورد مطالعه قرار می گیرند. برای شناسایی گروه های درگیر در کاتالیز، معمولاً از تشکیل مجموعه ای از آنزیم ها با بازدارنده ها یا آنالوگ های کمی واکنش پذیر از سوبستراها (به اصطلاح شبه سوبسترا) استفاده می شود.

روش پراش اشعه ایکس برای اولین بار توسط Lipscomb و همکارانش در تجزیه و تحلیل محل فعال کربوکسی پپتیداز A استفاده شد. 1.5.3. ساختار کربنیک انیدراز با توجه به تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس نشان داده شده است.

برنج. 1.5.3. ساختار سوم کربنیک انیدراز با توجه به تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس: الف) نمای کلی از گلبول آنزیم. ب) آرایش فضایی بقایای اسید آمینه

ساختار و خواص هر پروتئین توسط توالی اسیدهای آمینه تعیین می شود. اکنون آشکار شده است که با وجود تنوع زیاد پروتئین ها، برخی از عناصر ساختاری محافظه کار هستند و این عناصر تا حد زیادی عملکرد مولکول پروتئین را تعیین می کنند. این به ویژه برای پروتئین هایی که عملکرد کاتالیزوری را انجام می دهند صادق است. به عنوان مثال، برای هیدرولازها، که حدود یک سوم تمام آنزیم های شناخته شده را تشکیل می دهند (تقریباً 1100 از 3700)، تنها چهار نوع ساختار سایت کاتالیزوری وجود دارد.

برای پاسخ به این سؤالات که چه ساختارهای شیمیایی مرکز کاتالیزوری را تشکیل می دهند، چگونه آمینو اسیدهای واقع در قسمت های مختلف زنجیره پلی پپتیدی یکدیگر را پیدا می کنند و اغلب از یکدیگر دور هستند و ساختار منحصر به فردی را تشکیل می دهند، از روش های بیوانفورماتیک استفاده می شود.

به گفته آنزیم شناسان، در یک ابرخانواده آنزیم ها، محل جذب مسئول ویژگی می تواند با انواع مختلفی از باقی مانده های اسید آمینه مربوط به انواع ساختار سوبستراها نشان داده شود. در عین حال، سایت های کاتالیزوری که تعداد انواع آنها بسیار محدود است، عناصر ساختاری محافظه کارانه (غیر قابل تعویض) هستند. برای تایید این موقعیت، یک رویکرد بیوانفورماتیک بر اساس مقایسه توالی اسیدهای آمینه در پروتئین های ترکیب شده در یک خانواده بزرگ استفاده شد.

چندین خانواده بزرگ از آنزیم های ارائه شده در پایگاه داده HSSP مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند ( www.sander.embl-heidelberg.de/). انتخاب خانواده های آنزیمی بر اساس معیارهای زیر انجام شد:

1) تعداد اعضای خانواده تجزیه و تحلیل شده باید بیش از 100 باشد. این برای اطمینان از قابلیت اطمینان آماری نتایج ضروری است.

2) خانواده هایی از آنزیم های کلاس های مختلف (اکسیدوردوکتازها، هیدرولازها، ایزومرازها و غیره) باید برای تجزیه و تحلیل انتخاب شوند.

3) در صورت امکان، آنزیم هایی انتخاب شوند که ساختار مراکز فعال برای آنها ایجاد شده باشد و مکانیسم کاتالیز با درجه بالایی از اطمینان مطالعه شده باشد.

تجزیه و تحلیل نشان داد که در زنجیره پلی پپتیدی اکثر موقعیت های اسید آمینه بسیار متغیر هستند، به این معنی که عملکرد آنزیم به موقعیتی که یک اسید آمینه خاص اشغال می کند بستگی ندارد. در عین حال، موقعیت های اسید آمینه وجود دارد که نسبتاً کمی هستند. این موقعیت ها و آمینو اسیدهای مربوط به آنها را حفظ شده می گویند. آنها نقش ویژه ای در عملکرد آنزیم دارند. این اسیدهای آمینه چیست و چه نقشی دارند؟

تجزیه و تحلیل بیوانفورماتیک آنزیم های همه کلاس ها نشان داد که بیشترین اسید آمینه حفاظت شده گلیسین است. با توجه به درجه محافظه کاری، اسیدهای آمینه به ترتیب زیر مرتب می شوند: گلیسین > آسپارتیک اسید > سیستئین > پرولین > هیستیدین > آرژنین > اسید گلوتامیک. اینها مهمترین اسیدهای آمینه در کاتالیز آنزیم هستند. گلیسین و آسپارتیک اسید با هم تقریباً 50٪ از تمام اسیدهای آمینه حفاظت شده را تشکیل می دهند. رایج ترین عناصر حفظ شده در ساختار آنزیم ها عبارتند از گلیسین، اسید آسپارتیک، سیستئین، پرولین و هیستیدین. این اسیدهای آمینه تقریباً 70٪ از کل عناصر حفاظت شده را تشکیل می دهند. متیونین و ایزولوسین تقریباً هرگز محافظه کار نیستند.

به نوبه خود، محافظه کارترین اسیدهای آمینه را می توان به دو گروه اساساً متفاوت تقسیم کرد:

1) آمینو اسیدهای دخیل در فعال سازی مولکول های سوبسترا به عنوان اسید و باز (اسید آسپارتیک و هیستیدین).

2) اسیدهای آمینه که هندسه مرکز فعال (گلیسین، سیستئین، پرولین) را تشکیل می دهند.

بنابراین، تجزیه و تحلیل آماری نشان داد که عملکرد کاتالیزوری آنزیم و معماری مرکز فعال توسط بخش کوچک اما مشخصی از اسیدهای آمینه که موقعیت‌های کاملاً ثابتی را در زنجیره پلی پپتیدی اشغال می‌کنند، تشکیل می‌شوند. اسیدهای آمینه حفاظت شده یا اسیدها یا بازها (عوامل الکتروفیل و هسته دوست) هستند که محل کاتالیزوری را تشکیل می دهند یا آمینو اسیدهای مهم سازنده ساختار که ساختار پروتئین را به عنوان یک کل تشکیل می دهند.

عملکرد کاتالیزوری توسط اسید آسپارتیک، هیستیدین، آرژنین و اسید گلوتامیک انجام می شود. اسیدهای آمینه سازنده ساختار عبارتند از گلیسین، سیستئین و پرولین. گلایسین و پرولین که به زنجیره اجازه چرخش می دهند ضروری هستند تا مرکز فعال توسط آمینو اسیدهای واقع در قسمت های مختلف زنجیره پلی پپتیدی تشکیل شود. و سیستئین برای تثبیت ترکیب مورد نیاز زنجیره پلی پپتیدی ضروری است.

طبیعت مراکز فعال آنزیم ها را از تعداد محدودی از اجزا تشکیل داده است. بیشتر مراکز فعال آنزیم های همه طبقات از اسیدهای آسپارتیک و گلوتامیک، هیستیدین و آرژنین و چندین یون فلزی تشکیل شده اند. در نتیجه، تعداد انواع مراکز کاتالیزوری کم است. به عنوان مثال، برای هیدرولازها، که حدود یک سوم تمام آنزیم های شناخته شده را تشکیل می دهند، تنها چهار نوع ساختار اصلی را می توان شناسایی کرد. طبیعت به طور فعال از ترکیبات مؤثر گروه های کاتالیزوری، مشخصه برخی واکنش ها، برای سازماندهی مراکز کاتالیزوری انواع دیگر واکنش ها استفاده می کند.

زنجیره پلی پپتیدی سازماندهی گروه های کاتالیزوری را در مراکز فعال تضمین می کند. همانطور که مشخص است، واکنش های سه مولکولی و واکنش های مرتبه بالاتر عملاً در محلول حذف می شوند. در فرآیندهای آنزیمی، واکنش شامل چهار (یا پنج) باقی مانده از اسیدهای آمینه مختلف است که در یک زنجیره پلی پپتیدی سازماندهی شده اند. کاتالیز آنزیمی از عوامل شیمیایی قوی استفاده نمی کند. اجزای تشکیل دهنده مراکز فعال اسیدها و بازهای نسبتا ضعیف هستند. با این حال، آنها به خوبی در فضا سازماندهی شده اند و در نتیجه بسیار موثر هستند.

نمونه هایی از سایت های فعال برخی از آنزیم ها

اجازه دهید در مورد آنزیم های کلاس هیدرولاز صحبت کنیم، که برای اکثر آنها گروه های تشکیل دهنده مراکز فعال کاتالیزوری شناسایی شده اند، و ایده های معقولی در مورد تعامل این گروه ها در مکانیسم چرخه کاتالیزوری ایجاد شده است.

بر اساس ساختار مراکز فعال و مکانیسم اثر، هیدرولازها را می توان به 4 نوع اصلی تقسیم کرد.

1. هیدرولازهای حاوی آسپارتیک یا گلوتامیک اسید در مرکز فعال (نوع لیزوزیم-پپسین).

2. هیدرولازهای حاوی یک گروه هیدروکسیل سرین، ترئونین یا سیستئین در مرکز فعال و یک زنجیره انتقال پروتون که این گروه را فعال می کند (نوع کیموتریپسین). هیدرولازهایی که از گروه ایمیدازول هیستیدین به طور مستقیم برای فعال کردن آب (نوعی ریبونوکلئاز پانکراس) استفاده می کنند.

3. هیدرولازهایی که از کمپلکس های Zn 2+ یا Co 2+ برای فعال کردن آب و بستر استفاده می کنند (نوع آلکالین فسفاتاز، کربوکسی پپتیداز A).

4. هیدرولازهایی که از یون های Mg 2+ یا Mn 2+ برای فعال کردن آب و بستر (نوع پیروفسفاتاز) استفاده می کنند.

کیموتریپسین. مرکز فعال شامل Ser-195، His-57، Asp-102 است.

برنج. 1.5.4. ساختار کیموتریپسین

لاکتات دهیدروژناز.این یک دهیدروژناز وابسته به NAD+ است. اکسیداسیون برگشت پذیر مولکول های آلی را انجام می دهد، در حالی که کوآنزیم به عنوان دهنده (پذیرنده) یون هیدرید عمل می کند. گروه های فعال کاتالیزوری آنزیم با Arg-165، His-194، Arg-105 نشان داده می شوند. همه این آمینو اسیدها حفظ می شوند. اسید لاکتیک یا پیروویک توسط بار مثبت Arg-168 به محل فعال ثابت می شود. شرکت کنندگان در فرآیند کاتالیزوری، زنجیره انتقال پروتون His-194-Asp-165 و Arg-105 هستند.

برنج. 1.5.5. ساختار لاکتات دهیدروژناز

(الف) نمایش شماتیک تترامر و (ب) - زیر واحد منفرد. (ج) مدل NAD + -binding ناحیه. حلقه نیکوتین آمید NAD+ بین زنجیره های d و e و حلقه آدنین بین زنجیره های a و b متصل می شود.

در شکل 1.5.6. انواع احتمالی پیوندهای دخیل در افزودن NAD+ به محل فعال LDH آورده شده است.

برنج. 1.5.6. اتصال NAD+ توسط لاکتات دهیدروژناز

خطوط نشان داده شده به صورت نقطه - پیوندهای هیدروژنی، خطوط متقاطع - برهمکنش های الکترواستاتیکی، باقی مانده اسیدهای آمینه در جعبه ها - برهمکنش های آبگریز

تریوسفسفات ایزومراز. گروه های مهم کاتالیستی مرکز فعال آنزیم با Glu-165 و His-95 نشان داده می شوند.

برنج. 1.5.7. ساختار زیرواحد ایزومراز تریوسفسفات مخمر

گلیسین، سیستئین و پرولین به عنوان آمینو اسیدهای سازنده ساختار

با توجه به ویژگی های ساختار آن، گلیسین در اعمال شیمیایی فعال شدن مولکول ها در چرخه کاتالیزوری شرکت نمی کند. بدون جایگزینی در اتم آلفا کربن، گلیسین فاقد عملکرد شیمیایی مشخصی است. با این حال، وجود گلیسین در ساختار پروتئین بسیار مهم است. بنابراین، جایگزینی محل خاص گلیسین در موقعیت های محافظه کارانه با هر یک از اسیدهای آمینه، به عنوان یک قاعده، منجر به از دست دادن کامل (یا کاهش قابل توجه) فعالیت آنزیم می شود.

ظاهرا گلیسین در موقعیت های حفاظت شده به دلایل زیر مهم است.

1. گلیسین به عنوان یک اسید آمینه منحصربه‌فرد با سهولت‌ترین چرخش در اطراف پیوندهای C-N و C-C زنجیره پلی‌پپتیدی، می‌تواند نقش یک نقطه گره را ایفا کند و توانایی تغییر جهت زنجیره پلی پپتیدی را در طول "مجموعه" فراهم کند. باقی مانده اسید آمینه به مرکز فعال. بنابراین، وجود گلایسین های محافظه کار توضیح پارادوکس ساختاری کاتالیز آنزیمی را ممکن می سازد، زمانی که مراکز فعال یکسان از زنجیره های پلی پپتیدی کاملاً متفاوت "مجموعه" می شوند. وجه مشترک این زنجیره ها وجود گلیسین در موقعیت های محافظه کارانه و امکان تثبیت ساختار مونتاژ شده است، به عنوان مثال، به دلیل پیوندهای دی سولفیدی (سیستئین نیز درجه بالایی از حفظ را نشان می دهد، جایگاه سوم را در رتبه بندی محافظه کاری اشغال می کند). .

2. گلایسین در موقعیت های محافظه کارانه می تواند نقش "لولا" ساختاری را ایفا کند، که امکان "مونتاژ" مرکز فعال و تحرک ساختاری شناخته شده را فراهم می کند. این با این واقعیت تأیید می شود که در بسیاری از موارد گلیسین را می توان در موقعیت های محافظه کارانه در نزدیکی گروه های فعال کاتالیزوری یافت. به عنوان مثال، نقوش زیر برای هیدرولازهای خانواده های مختلف حفظ شده است: Asp-215-X-Gly-217 (پپسین). Asp-170-Xaa-Xaa-Gly-173 (ترمولیز); Gly-173-Xaa-Ser-177 (تریپسین); His-76-Gly-77، Ser-153-Xaa-Gly-155، Gly-175-Xaa-Asp-177 (لیپاز). در اینجا Haa یک اسید آمینه دلخواه است. اسیدهای آمینه Asp، His، Ser موجود در این آنزیم ها در ساختار مراکز فعال قرار می گیرند.

تبدیل بستر اولیه به محصولات نهایی در کاتالیز آنزیمی شامل مشارکت تعداد زیادی واسطه با ساختاری متفاوت از بستر اصلی است. گلایسین‌های سایت فعال می‌توانند نقش عناصر «آرام‌دهنده» را ایفا کنند و به‌صورت ساختاری، محل فعال را برای عمل ابتدایی بعدی تنظیم کنند.

سیستئین و پرولین نقش بسزایی در شکل گیری معماری مرکز فعال دارند (به ترتیب جایگاه های سوم و چهارم در رتبه بندی اسیدهای آمینه محافظه کارانه). پرولین یک اسید آمینه منحصر به فرد است که زنجیره پلی پپتیدی را باز می کند. نقش سیستئین این است که ترکیب لازم مرکز فعال، متشکل از بخش های مختلف زنجیره پلی پپتیدی، توسط یک پیوند شیمیایی به شکل یک پل دی سولفید ثابت می شود. برای بسیاری از آنزیم ها، این شکل گیری معماری سایت فعال را تکمیل می کند.

بنابراین، مرکز فعال متشکل از تعدادی گروه عملکردی است که به روشی خاص در فضا جهت گیری می کنند. در میان آنها، بین گروه هایی که بخشی از سایت کاتالیزوری مرکز فعال هستند و گروه هایی که سایتی را تشکیل می دهند که میل خاصی را ایجاد می کنند، تمایز قائل می شوند. اتصال یک سوبسترا توسط یک آنزیم به اصطلاح محل تماس یا "لنگر" است. این تقسیم کاملاً دلخواه است، زیرا فعل و انفعالات در محل تماس آنزیم در طول تشکیل کمپلکس آنزیم-سوبسترا تأثیر قابل توجهی بر سرعت و جهت تحولات در محل کاتالیزوری دارد.

محل فعال یک آنزیم، محلی است که به سوبستراها (و یک گروه مصنوعی، در صورت وجود) متصل می شود و حاوی بقایای اسید آمینه است که مستقیماً در تشکیل یا شکستن پیوندهای شیمیایی دخیل هستند. این گونه باقیمانده ها گروه های کاتالیزوری نامیده می شوند. با وجود تنوع بسیار زیاد در ساختار آنزیم ها، ویژگی و مکانیسم عمل کاتالیزوری آنها، هنوز می توان تعدادی از تعمیم ها را در مورد خواص مراکز فعال انجام داد.

1. محل فعال بخش نسبتاً کمی از حجم کل آنزیم را تشکیل می دهد. بیشتر بقایای اسید آمینه موجود در مولکول آنزیم با سوبسترا در تماس نیستند. یک راز باقی می ماند

برنج. 6.9. سرعت یک واکنش آنزیمی به عنوان تابعی از غلظت سوبسترا.

برنج. 6.10. برهمکنش سوبستراها با آنزیم ها بر اساس مدل قفل کلید. محل فعال آنزیم خود از نظر شکل مکمل سوبسترا است.

چرا اندازه آنزیم ها اینقدر بزرگ است. تقریباً همه آنزیم ها حاوی بیش از 100 باقیمانده اسید آمینه و دارای جرم بیش از 10 کیلو دالتون و قطر بیش از 25 A هستند.

2. مرکز فعال یک سازند سه بعدی است. به عبارت دیگر، این یک نقطه، نه یک خط یا حتی یک صفحه، بلکه یک ساختار سه بعدی پیچیده است که تشکیل آن شامل گروه های متعلق به بخش های مختلف دنباله خطی اسیدهای آمینه است. در واقع، همانطور که قبلاً با مثال هموگلوبین و میوگلوبین دیدیم، برهمکنش بین باقیمانده‌های اسید آمینه که در یک توالی خطی از هم فاصله دارند، اغلب قوی‌تر از برهم‌کنش بین باقی‌مانده‌های اسید آمینه همسایه (در دنباله) است. در لیزوزیم، آنزیمی که در فصل بعدی به تفصیل آن را بررسی خواهیم کرد، گروه‌های اصلی محل فعال با بقایای اسید آمینه که موقعیت‌های 35، 52، 62، 63 و 101 را در یک توالی خطی از 129 اسید آمینه اشغال می‌کنند، نشان داده می‌شوند.

3. سوبستراها نسبتاً ضعیف به آنزیم ها متصل می شوند. ثابت‌های تعادل کمپلکس‌ها معمولاً از تا متغیر است که مربوط به انرژی‌های برهمکنش آزاد از - 3 تا - 12 کیلوکالری در مول است. بیایید این مقادیر را با قدرت پیوندهای کووالانسی، از 50 تا - 110 کیلوکالری در مول مقایسه کنیم.

4. مرکز فعال شکل یک فرورفتگی یا شکاف باریک دارد. در تمام آنزیم‌های دارای ساختار مورد مطالعه، اتصال بسترها در یک فرورفتگی یا شکافی که دسترسی به آب وجود ندارد، اتفاق می‌افتد، مگر در مواردی که آب یکی از مواد واکنش‌دهنده باشد. این فرورفتگی حاوی چندین باقی مانده اسید آمینه قطبی است که برای اتصال و کاتالیز لازم است. ماهیت غیرقطبی کل منطقه به طور کلی به نفع اتصال بستر است. بعلاوه، شکل شکاف مانند محل فعال، ریزمحیطی را ایجاد می کند که در آن بقایای قطبی منفرد خواص ویژه ای را به دست می آورند که برای کاتالیز ضروری است.

5. اختصاصی بودن اتصال به آرایش دقیق اتم ها در مرکز فعال بستگی دارد. بستر فقط در صورتی وارد سایت فعال می شود که از نظر شکل با آن مطابقت داشته باشد. در سال 1890، امیل فیشر از مقایسه یک کلید و یک قفل استفاده کرد (شکل 6.10)، که اساساً درست و درک بسیار مثمر ثمری از ویژگی های کلیشه ای کاتالیزور بود. با این حال، همانطور که کار اخیر نشان داده است، مراکز فعال برخی از آنزیم ها ساختار سفت و سختی ندارند. در این آنزیم ها شکل محل فعال مکمل شکل سوبسترا می شود

برنج. 6.11. برهمکنش سوبستراها با آنزیم ها بر اساس مدل برازش القایی. هنگامی که سوبسترا متصل می شود، شکل آنزیم تغییر می کند. مرکز فعال آنزیم تنها پس از افزودن سوبسترا به شکل مکمل آن می شود.

برنج. 6.12. نموداری از سرعت واکنش V به عنوان تابعی از غلظت سوبسترا برای آنزیمی که از سینتیک Michaelis-Menten تبعیت می کند (Kmax حداکثر سرعت است، ثابت Michaelis است).

فقط پس از اتصال زیرلایه این فرآیند تشخیص پویا، القای مکاتبات نامیده می شود (شکل 6.11). علاوه بر این، برخی از آنزیم ها ترجیحاً سوبسترا را به شکل تنش ("تحریف") مرتبط با حالت گذار متصل می کنند.

لایه(S) ماده ای است که تبدیل شیمیایی آن به محصول (P) توسط آنزیم (E) کاتالیز می شود. آن قسمت از سطح یک مولکول آنزیم که مستقیماً با یک مولکول سوبسترا در تعامل است نامیده می شود. محل فعال آنزیم . مرکز فعال آنزیم از بقایای اسید آمینه واقع در قسمت های مختلف زنجیره پلی پپتیدی یا زنجیره های پلی پپتیدی مختلف که از نظر مکانی نزدیک به هم هستند تشکیل می شود. شکل گرفت در سطح ساختار سوم پروتئین آنزیم. در محدوده آن وجود دارد:

• سایت جذب (مرکز)،
• سایت کاتالیزوری (مرکز).

علاوه بر این، مکان های عملکردی ویژه در خارج از مرکز فعال آنزیم رخ می دهد. هر یک از آنها با اصطلاح مشخص شده است مرکز آلوستریک.

مرکز کاتالیزوری- این ناحیه (منطقه) مرکز فعال آنزیم است که مستقیماً در تحولات شیمیایی بستر نقش دارد. این به دلیل رادیکال های دو، گاهی اوقات سه اسید آمینه، در مکان های مختلف در زنجیره پلی پپتیدی آنزیم، اما به دلیل خم شدن این زنجیره به یکدیگر نزدیک است، تشکیل می شود. اگر آنزیم یک پروتئین پیچیده باشد، گروه پروتزی مولکول آنزیم (کوآنزیم) اغلب در تشکیل مرکز کاتالیزوری شرکت می کند. عملکرد کوآنزیمتمام ویتامین های محلول در آب و ویتامین K محلول در چربی را تامین می کند.

مرکز جذب- این محل مرکز فعال مولکول آنزیم است که در آن جذب (پیوند) مولکول سوبسترا اتفاق می افتد. در حال شکل گیری استیک، دو، اغلب سه رادیکال اسید آمینه که معمولاً در نزدیکی مرکز کاتالیزوری قرار دارند. عملکرد اصلی آن- اتصال یک مولکول بستر و انتقال این مولکول به مرکز کاتالیزوری در راحت ترین موقعیت (برای مرکز کاتالیزوری). این جذب فقط به دلیل انواع ضعیف پیوندها اتفاق می افتد و بنابراین برگشت پذیر است. با شکل گیری این ارتباطات، بازآرایی ساختاری مرکز جذب، که منجر به نزدیکی بیشتر سوبسترا و مرکز فعال آنزیم می شود، مطابقت دقیق تری بین پیکربندی های فضایی آنها. واضح است که این ساختار مرکز جذب است که تعیین می کند ویژگی سوبسترای آنزیمییعنی الزامات یک آنزیم برای یک مولکول شیمیایی تا بتواند به بستر مناسبی برای آن تبدیل شود.

مراکز آلوستریکبخش هایی از مولکول آنزیم در خارج از مرکز فعال آن هستند که می توانند با انواع پیوندهای ضعیف (که به معنای برگشت پذیر است) با یک یا آن ماده (لیگاند) متصل شوند. علاوه بر این، چنین اتصالی منجر به بازآرایی ساختاری مولکول آنزیم می‌شود که تا مرکز فعال گسترش می‌یابد و کار آن را تسهیل یا پیچیده می‌کند (کاهش سرعت). بر این اساس، چنین موادی نامیده می شوند فعال کننده های آلوستریک یا مهارکننده های آلوستریک این آنزیم. اصطلاح "آلوستریک" (یعنی "دارای ساختار فضایی متفاوت") به این دلیل ظاهر شد که این اثرگذارها، در پیکربندی فضایی خود، به هیچ وجه شبیه مولکول بستر یک آنزیم نیستند (و بنابراین نمی توانند به آنزیم متصل شوند. مرکز فعال آنزیم). نتیجه گیری شد که مرکز آلوستریک از نظر ساختار مشابه مرکز فعال آنزیم نیست. مراکز آلوستریک در همه آنزیم ها یافت نمی شود. آنها در آنزیم هایی وجود دارند که کار آنها می تواند تحت تأثیر هورمون ها، واسطه ها و سایر مواد فعال بیولوژیکی تغییر کند.

خواص اساسی آنزیم ها به عنوان کاتالیزورهای بیولوژیکی:

• تأثیر بر سرعت یک واکنش شیمیایی: آنزیم ها سرعت یک واکنش شیمیایی را بدون مصرف افزایش می دهند.
• ویژگی عملکرد آنزیم. 2-3 هزار واکنش در سلول های بدن انجام می شود که هر کدام توسط آنزیم خاصی کاتالیز می شوند. ویژگی عملکرد آنزیم توانایی تسریع روند یک واکنش خاص بدون تأثیر بر سرعت واکنش های دیگر، حتی واکنش های بسیار مشابه است. تمیز دادن مطلق- هنگامی که آنزیم تنها یک واکنش خاص (آرژیناز - برش آرژنین) را کاتالیز می کند. نسبت فامیلی(گروه ویژه) - یک آنزیم کلاس خاصی از واکنش ها را کاتالیز می کند (به عنوان مثال، برش هیدرولیتیک) یا واکنش هایی که شامل یک کلاس خاص از مواد است. ویژگی آنزیم ها به دلیل توالی اسید آمینه منحصر به فرد آنها است که ترکیب مرکز فعالی را که با اجزای واکنش در تعامل است را تعیین می کند.
• فعالیت آنزیمی- توانایی تسریع سرعت واکنش به درجات مختلف. فعالیت در واحدهای فعالیت بین المللی بیان می شود - (IU) مقدار آنزیمی که تبدیل 1 میکرومولار سوبسترا را در 1 دقیقه کاتالیز می کند. فعالیت در درجه اول به دما بستگی دارد. با کاهش دما، حرکت براونی کاهش می یابد، سرعت انتشار کاهش می یابد و در نتیجه فرآیند تشکیل کمپلکس بین آنزیم و اجزای واکنش (سوبستراها) کند می شود. اگر دما از 40+ تا 50+ درجه سانتیگراد بالاتر رود، مولکول آنزیم که یک پروتئین است، تحت فرآیند دناتوره شدن قرار می گیرد. در این حالت سرعت واکنش شیمیایی به میزان قابل توجهی کاهش می یابد.

همه ما در مورد آنزیم ها شنیده ایم، اما بعید است که هر یک از ما به طور کامل بدانیم این مواد دقیقا چگونه کار می کنند و چرا به آنها نیاز دارند. این مقاله به شما در درک ساختار و عملکردها به طور کلی و مراکز فعال آنها به طور خاص کمک می کند.

تاریخچه تحقیق

در سال 1833، شیمیدان فرانسوی Anselm Payen خواص آنزیم آمیلاز را شناسایی و توصیف کرد.

چند سال بعد، لویی پاستور، با مطالعه تبدیل شکر به الکل با مشارکت مخمر، پیشنهاد کرد که این فرآیند به دلیل مواد شیمیایی تشکیل دهنده مخمر رخ می دهد.

در پایان قرن نوزدهم، فیزیولوژیست Willi Kühne برای اولین بار اصطلاح "آنزیم" را ابداع کرد.

در سال 1897، ادوارد بوشنر آلمانی، zymase را که یک کمپلکس آنزیمی است که واکنش تبدیل ساکارز به الکل اتیلیک را کاتالیز می کند، جدا و توصیف کرد. در طبیعت، زیماز به مقدار زیاد در مخمر یافت می شود.

دقیقاً مشخص نیست که چه زمانی و چه کسی مرکز فعال آنزیم را کشف کرده است. این کشف به ادوارد بوشنر شیمیدان برنده جایزه نوبل، جیمز سامنر زیست شناس آمریکایی و سایر دانشمندان مشهوری که بر روی مطالعه کاتالیز آنزیمی کار می کردند نسبت داده می شود.

اطلاعات کلی در مورد آنزیم ها

به یاد بیاوریم که آنزیم ها مواد پروتئینی هستند که عملکرد کاتالیزورهای واکنش های شیمیایی در موجودات زنده را انجام می دهند. مناطقی در آنزیم وجود دارد که مستقیماً در این امر شرکت نمی کنند.

در اینجا به برخی از خواص آنزیم ها اشاره می کنیم:

1) کارایی مقدار کمی کاتالیزور برای سرعت بخشیدن به یک واکنش شیمیایی 106 برابر کافی است.

2) ویژگی. یک آنزیم یک کاتالیزور جهانی برای هر واکنشی در یک سلول نیست. برای آنزیم‌ها، ویژگی عمل بیان می‌شود: هر آنزیم تنها یک یا چند واکنش را با سوبستراهای مشابه (معرف‌های اولیه) کاتالیز می‌کند، اما برای معرف‌هایی با ماهیت شیمیایی متفاوت، همان آنزیم ممکن است بی‌فایده باشد. برهمکنش با بسترهای مناسب و تسریع بیشتر واکنش توسط مرکز فعال آنزیم فراهم می شود.

3) فعالیت متغیر. فعالیت آنزیم ها در سلول به طور مداوم از کم به زیاد تغییر می کند.

4) غلظت برخی از آنزیم ها در سلول ثابت نیست و بسته به شرایط خارجی می تواند متفاوت باشد. در زیست شناسی، چنین آنزیم هایی القایی نامیده می شوند.

طبقه بندی آنزیم ها

آنزیم ها با توجه به ساختارشان معمولا به ساده و پیچیده تقسیم می شوند. ساده‌ها منحصراً از بقایای اسید آمینه تشکیل شده‌اند، در حالی که آن‌های پیچیده حاوی یک گروه غیر پروتئینی هستند. انواع پیچیده را کوآنزیم می نامند.

با توجه به نوع واکنش هایی که کاتالیز می کنند، آنزیم ها به موارد زیر تقسیم می شوند:

1) اکسیدرودوکتازها (واکنش های ردوکس را کاتالیز می کنند).

2) ترانسفرازها (گروه های جداگانه اتم ها را انتقال می دهند).

3) لیازها (تجزیه پیوندهای شیمیایی).

4) لیپازها (با استفاده از انرژی ATP در واکنش ها پیوند ایجاد می کنند).

5) ایزومرازها (در واکنش های تبدیل متقابل ایزومرها شرکت می کنند).

6) هیدرولازها (واکنش های شیمیایی را با شکست هیدرولیتیک پیوندها کاتالیز می کنند).

ساختار آنزیمی

آنزیم یک ساختار سه بعدی پیچیده است که عمدتاً از بقایای اسید آمینه تشکیل شده است. همچنین یک گروه مصنوعی وجود دارد - یک جزء غیر پروتئینی مرتبط با باقی مانده اسیدهای آمینه.

آنزیم ها عمدتاً پروتئین های کروی هستند که می توانند در کمپلکس های پیچیده ترکیب شوند. مانند سایر مواد پروتئینی، آنزیم ها با افزایش دما یا تحت تأثیر معرف های شیمیایی خاص، دنیشن می شوند. در طول دناتوره سازی، ساختار سوم آنزیم و بر این اساس، خواص مرکز فعال آنزیم ها تغییر می کند. در نتیجه فعالیت آنزیم به شدت کاهش می یابد.

بستری که کاتالیز می شود معمولاً بسیار کوچکتر از خود آنزیم است. ساده ترین آنزیم از شصت باقی مانده اسید آمینه تشکیل شده است و مرکز فعال آن تنها از دو مورد تشکیل شده است.

آنزیم هایی وجود دارد که محل کاتالیزوری آنها توسط اسیدهای آمینه نشان داده نمی شود، بلکه توسط یک گروه مصنوعی با منشا آلی یا (بیشتر) معدنی - یک کوفاکتور - نشان داده می شود.

مفهوم مرکز فعال

فقط بخش کوچکی از آنزیم به طور مستقیم در واکنش های شیمیایی دخالت دارد. این قسمت از آنزیم مرکز فعال نامیده می شود. محل فعال یک آنزیم یک لیپید، چندین باقی مانده اسید آمینه یا یک گروه مصنوعی است که به سوبسترا متصل شده و واکنش را کاتالیز می کند. بقایای اسید آمینه مرکز فعال می تواند متعلق به هر اسید آمینه باشد - قطبی، غیر قطبی، باردار، معطر، بدون بار.

محل فعال یک آنزیم (این یک لیپید، اسیدهای آمینه یا سایر موادی است که می تواند با معرف ها تعامل داشته باشد) مهمترین بخش آنزیم بدون آن است، این مواد بی فایده خواهند بود.

به طور معمول، یک مولکول آنزیم تنها یک مکان فعال دارد که به یک یا چند معرف مشابه متصل می شود. بقایای اسید آمینه محل فعال، پیوندهای هیدروژنی، آبگریز یا کووالانسی را تشکیل می دهند و یک کمپلکس آنزیم-سوبسترا را تشکیل می دهند.

ساختار سایت فعال

محل فعال آنزیم های ساده و پیچیده یک پاکت یا شکاف است. این ساختار محل فعال آنزیم باید از نظر الکترواستاتیکی و هندسی با بستر مطابقت داشته باشد، زیرا تغییر ساختار سوم آنزیم می تواند مکان فعال را تغییر دهد.

محل اتصال و کاتالیزور بخش هایی از مرکز فعال آنزیم هستند. بدیهی است که مرکز اتصال، بستر را برای سازگاری "آزمایش" می کند و به آن متصل می شود و مرکز کاتالیزوری مستقیماً در واکنش دخالت دارد.

اتصال محل فعال به بستر

به منظور توضیح چگونگی اتصال محل فعال آنزیم به یک معرف خاص، چندین نظریه ارائه شده است. محبوب ترین آنها نظریه فیشر است که به عنوان نظریه "قفل و کلید" نیز شناخته می شود. فیشر پیشنهاد کرد که آنزیمی وجود دارد که از نظر خواص فیزیکوشیمیایی برای هر بستر مناسب است. پس از تشکیل کمپلکس آنزیم-سوبسترا، هیچ تغییری رخ نمی دهد.

دانشمند آمریکایی دیگر، دانیل کوشلند، نظریه فیشر را با این فرض تکمیل کرد که مرکز فعال آنزیم می تواند ساختار خود را تا زمانی که با یک بستر خاص سازگار شود تغییر دهد.

سینتیک واکنش های آنزیمی

ویژگی های دوره واکنش های آنزیمی توسط شاخه جداگانه ای از بیوشیمی - سینتیک آنزیمی مورد مطالعه قرار می گیرد. این علم به بررسی ویژگی‌های واکنش‌ها در غلظت‌های مختلف آنزیم‌ها و سوبستراها در داخل سلول و همچنین ویژگی‌های مرکز فعال آنزیم‌ها بسته به تغییرات در پارامترهای فیزیکی و شیمیایی محیط می‌پردازد.

سینتیک آنزیم با مفاهیمی مانند سرعت واکنش، انرژی فعال‌سازی، سد فعال‌سازی، فعالیت مولکولی، فعالیت خاص و غیره عمل می‌کند. اجازه دهید برخی از این مفاهیم را در نظر بگیریم.

برای اینکه یک واکنش بیولوژیکی رخ دهد، باید مقداری انرژی به واکنش دهنده ها منتقل شود. این انرژی را انرژی فعال سازی می نامند.

افزودن آنزیم به معرف ها به شما امکان می دهد برخی از موادی را که بدون مشارکت آنزیم ها واکنش نشان نمی دهند کاهش دهید، زیرا انرژی فعال سازی بسیار زیاد است. تعادل واکنش با افزودن آنزیم تغییر نمی کند.

سرعت واکنش مقدار محصول واکنش است که در واحد زمان ظاهر یا ناپدید می شود.

وابستگی سرعت واکنش به غلظت بستر با یک کمیت فیزیکی بدون بعد مشخص می شود - ثابت Michaelis.

فعالیت مولکولی تعداد مولکول های بستر تبدیل شده توسط یک مولکول آنزیم در واحد زمان است.

1. مرکز فعال- نسبتاً کوچک است طرح،واقع در یک فرورفتگی آبگریز باریک (ترک) روی سطح مولکول آنزیم، به طور مستقیم در کاتالیز نقش دارند.

2. مراکز فعال آنزیم ها در سطح ساختار سوم تشکیل می شوند.

3. کاتالیز آنزیمی مستلزم سازماندهی فضایی دقیق مجموعه های بزرگ ساخته شده از بقایای اسید آمینه و گروه های جانبی آنها است. چنین مجموعه هایی مراکز فعال و تنظیم کننده (آلوستریک) آنزیم ها را تشکیل می دهند.

4. مرکز فعال به جز بخش کاتالیزوری،شامل می شود اتصال به بسترناحیه ای که مسئول اتصال مکمل خاص سوبسترا و تشکیل کمپلکس آنزیم-سوبسترا (ES) است. محل فعال یک آنزیم اغلب شامل یک مکان یا دامنه برای اتصال کوفاکتور است.

مثال 1.مراکز فعال آنزیم ها در سطح ساختار سوم تشکیل می شوند.

پروتئازهای سرین در طبیعت گسترده هستند و همراه با آنزیم‌های پروتئولیتیک کلاس‌های دیگر (آسپارتیل، سیستئین و متالوپروتئینازها)، تجزیه پروتئین (کاتابولیسم) و تعدادی واکنش‌های پروتئولیز محدود را فراهم می‌کنند که اهمیت تنظیمی برای زندگی سلولی دارند.

که دردر پروتئازهای سرین مختلف، این اسیدهای آمینه می توانند مکان های مختلفی را در زنجیره پپتیدی آنزیم اشغال کنند، اما در طول تا شدن زنجیره پلی پپتیدی نزدیک تر می شوند و مکان نسبی آنها در فضا به شدت حفظ می شود (شکل 2.3).

5. مرکز فعال را نمی توان با مرزهای کاملاً مشخص مشخص کرد، زیرا هر یک از اجزای آن به طریقی با سایر بخش های مولکول آنزیم برهم کنش می کنند. تأثیر ریزمحیط می تواند بسیار قابل توجه باشد: - اجزای مرکز فعال، از جمله عوامل کمکی، با گروه های همسایه آنزیم، که ویژگی های شیمیایی گروه های عاملی را اصلاح می کند،درگیر در کاتالیزور؛

6. ساختار مرکز فعال مشخص کننده ویژگی عمل آنزیم ها است. بیشتر آنزیم ها هم به طبیعت و هم به مسیر تبدیل سوبسترا بسیار خاص هستند.

7. اختصاصی بودن سوبسترا به دلیل مکمل بودن ساختار مرکز اتصال بستر آنزیم به ساختار سوبسترا است (شکل 2.4).

همانطور که شکل 2.4، محل اتصال بستر با توجه به فرممربوط به سوبسترا است (مطابقات هندسی) علاوه بر این، پیوندهای خاص (آب گریز، یونی و هیدروژنی) بین بقایای اسید آمینه مرکز فعال آنزیم و سوبسترا تشکیل می شود. نصب شده است الکترونیکییا شیمیاییمکاتبات