Visita Wikilingue.com

Enzim

De Wikipedia, l'enciclopèdia lliure

Fitxer:TPI1 structure.png
Estructura de la triosafosfato isomerasa. Conformació en forma de diagrama de cintes envoltat pel model de farciment d'espai de la proteïna. Aquesta proteïna és un eficient enzim involucrat en el procés de transformació de sucreés en energia en les cèl·lules.

Els enzims són molècules de naturalesa proteïca que catalizan reaccions químiques, sempre que sigui termodinàmicament possible (si ben no poden fer que el procés sigui més termodinámicamente favorable). En aquestes reaccions, els enzims actuen sobre unes molèculas denominades substrats, les quals es converteixen en molècules diferents, els productes. Gairebé tots els processos en les cèl·lulas necessiten enzims perquè ocorrin en taxes significatives. A les reaccions intervingudes per enzims les hi denomina reaccions enzimàtiques.

A causa que els enzims són extremadament selectives amb els seus substrats i la seva velocitat creix només amb algunes reaccions d'entre altres possibilitats, el conjunt (set) d'enzims sintetitzats en una cèl·lula determina el metabolisme que ocorre en cada cèl·lula. Al seu torn, aquesta síntesi depèn de la regulació de l'expressió gènica.

Com tots els catalitzadors, els enzims funcionen disminuint l'energia d'activació (ΔG‡) d'una reacció, de manera que s'accelera substancialment la taxa de reacció. Els enzims no alteren el balanç energètic de les reaccions en què intervenen, ni modifiquen, per tant, l'equilibri de la reacció, però aconsegueixen accelerar el procés fins i tot milions de vegades. Una reacció que es produeix sota el control d'un enzim, o d'un catalitzador en general, aconsegueix l'equilibri molt més de pressa que la corresponent reacció no catalizada.

Igual que ocorre amb altres catalitzadors, els enzims no són consumides per les reaccions que elles catalizan, ni alteren el seu equilibri químic. No obstant això, els enzims difereixen d'altres catalitzadors per ser més específiques. Els enzims catalizan al voltant de 4.000 reaccions bioquímiques diferents.[1] No tots els catalitzadors bioquímics són proteïnes, doncs algunes molècules de ARN són capaces de catalizar reaccions (com el fragment 16S dels ribosomas en el qual resideix l'activitat peptidil transferasa).

L'activitat dels enzims pot ser afectada per altres molècules. Els inhibidors enzimàtics són molècules que disminueixen o impedeixen l'activitat dels enzims, mentre que els activadores són molècules que incrementen l'activitat. Així mateix, gran quantitat d'enzims requereixen de cofactorés per a la seva activitat. Moltes drogas o fàrmacs són molècules inhibidores. Igualment, l'activitat és afectada per la temperatura, el pH, la concentració del propi enzim i del substrat i altres factors físic-químics.

Alguns enzims són usats comercialment, per exemple, en la síntesi de antibiòtics i productes domèstics de neteja. A més, àmpliament utilitzades en variats processos industrials, com són la fabricació d'aliments, destinción de jeans o producció de biocombustibles.

Contingut

Etimologia i historia

Eduard Buchner.

Des de finals del segle XVIII i principis del segle XIX, es coneixia la digestió de la carn per les secrecions de l'estómac[2] i la conversió del midó en sucre pels extractes de plantes i la saliva. No obstant això, no havia estat identificat el mecanisme.[3]

Al segle XIX, quan s'estava estudiant la fermentació del sucre en el alcohol amb llevats, Louis Pasteur va arribar a la conclusió que aquesta fermentació era catalizada per una força vital continguda en les cèl·lules del llevat, cridades fermentos, i inicialment es va pensar que solament funcionaven amb organismes vius. Va escriure que "la fermentació de l'alcohol és un acte relacionat amb la vida i l'organització de les cèl·lules dels llevats, i no amb la mort i la putrefacció de les cèl·lules".[4]

En 1878 el fisiólogo Wilhelm Kühne (1837–1900) va encunyar el terme enzim, que ve del grec ενζυμον "en llevat", per descriure aquest procés. La paraula enzim va ser usada després per referir-se a substàncies inertes com el pepsin. D'altra banda, la paraula "fermento" solia referir-se a l'activitat química produïda per organismes vivents.

En 1897 Eduard Buchner va començar a estudiar l'habilitat dels extractes de llevat per fermentar sucre malgrat l'absència de cèl·lules vivents de llevat. En una sèrie d'experiments a la Universitat Humboldt de Berlín, va trobar que el sucre era fermentada inclusivament quan no hi havia elements vius en els cultius de cèl·lules de llevats.[5] Va cridar a l'enzim que causa la fermentació de la sacarosa, “zimasa”.[6] En 1907 va rebre el Premi Nobel de Química "per les seves investigacions bioquímiques i l'haver descobert la fermentació lliure de cèl·lules". Seguint l'exemple de Buchner, els enzims són usualment nomenades d'acord a la reacció que produeixen. Normalment, el sufix "-rosteix" és agregat al nom del substrat (p. ex., la lactasa és l'enzim que degrada lactosa) o al tipus de reacció (p. ex., el ADN polimerasa forma polímers de ADN).

Després d'haver mostrat que els enzims poden funcionar fora d'una cèl·lula viva, el proper pas era determinar la seva naturalesa bioquímica. En molts dels treballs inicials es va notar que l'activitat enzimàtica estava associada amb proteïnes, però alguns científics (com el premi Nobel Richard Willstätter) argumentaven que les proteïnes eren simplement el transport per als veritables enzims i que les proteïnes per se no eren capaces de realitzar catàlisis." No obstant això, en 1926, James B. Sumner va demostrar que l'enzim ureasa era una proteïna pura i la va cristal·litzar. Summer va fer el mateix amb l'enzim catalasa en 1937. La conclusió que les proteïnes pures podien ser enzims va ser definitivament provada per John Howard Northrop i Wendell Meredith Stanley, els qui van treballar en diversos enzims digestius com la pepsina (1930), la tripsina i la quimotripsina. Aquests tres científics van rebre el Premi Nobel de Química en 1946.[7]

El descobriment que els enzims podien ser cristal·litzades permetia que les seves estructures anessin resoltes mitjançant tècniques de cristal·lografia i difracció de rajos X. Això es va dur a terme en primer lloc amb la lisozima, un enzim oposat en les llàgrimes, la saliva i els ous, capaços de digerir la paret d'alguns bacteris. L'estructura va ser resolta per un grup liderat per David Chilton Phillips i publicat en 1965.[8] Aquesta estructura d'alta resolució de lisozimas, va marcar el començament en el camp de la biologia estructural i l'esforç per entendre com els enzims treballen a un nivell molecular.

Estructures i mecanismes

Fitxer:Carbonic anhydrase.png
Diagrama de cintes que representa l'estructura d'una anhidrasa carbònica de tipus II. L'esfera grisa representa al cofactor zinc, situat en el centre actiu.

Els enzims són generalment proteïnes globulars que poden presentar grandàries molt variables, des de 62 aminoàcids com en el cas del monòmer de la 4-oxalocrotonato tautomerasa,[9] fins als 2.500 presents en la sintasa d'àcids grassos.[10]

Les activitats dels enzims vénen determinades per la seva estructura tridimensional.[11] Gairebé tots els enzims són molt més grans que els substrats sobre els quals actuen, i solament una petita part de l'enzim (al voltant de 3 a 4 aminoàcids) estan directament involucrats en la catàlisi.[12] La regió que conté aquests residus encarregats de catalizar la reacció és coneguda com a centre actiu. Els enzims també poden contenir llocs amb la capacitat d'unir cofactorés, necessaris de vegades en el procés de catàlisi, o d'unir petites molècules, com els substrats o productes (directes o indirectes) de la reacció catalizada. Aquestes unions poden incrementar o disminuir l'activitat enzimàtica, donant lloc així a una regulació per retroalimentació.

Igual que les altres proteïnes, els enzims es componen d'una cadena lineal d'aminoàcids que es pleguen durant el procés de traducció per donar lloc a una estructura terciària tridimensional de l'enzim, susceptible de presentar activitat. Cada seqüència d'aminoàcids és única i per tant dóna lloc a una estructura única, amb propietats úniques. En ocasions, proteïnes individuals poden unir-se a altres proteïnes per formar complexos, en el que es denomina estructura quaternària de les proteïnes.

La majoria dels enzims, igual que la resta de les proteïnes, poden ser desnaturalitzades si es veuen sotmeses agents desnaturalizantes com la calor, els pHs extrems o certs compostos com el SDS. Aquests agents destrueixen l'estructura terciària de les proteïnes de forma reversible o irreversible, depenent de l'enzim i de la condició.

Especificitat

Els enzims solen ser molt específiques tant del tipus de reacció que catalizan com del substrat involucrat en la reacció. La forma, la càrrega i les característiques hidrofílicas/hidrofòbiques dels enzims i els substrats són els responsables d'aquesta especificitat. Els enzims també poden mostrar un elevat grau de estereoespecificidad, regioselectividad i quimioselectividad.[13]

Algunes d'aquests enzims que mostren una elevada especificitat i precisió en la seva activitat són aquelles involucrades en la replicació i expressió del genoma. Aquests enzims tenen eficients sistemes de comprovació i correcció d'errors, com en el cas de la ADN polimerasa, que cataliza una reacció de replicació en un primer pas, per comprovar posteriorment si el producte obtingut és el correcte.[14] Aquest procés, que té lloc en dos passos, dóna com resultat una mitjana de taxa d'error increïblement baixa, entorn d'1 error cada 100 milions de reaccions en determinades polimerases de mamífers.[15] Aquest tipus de mecanismes de comprovació també han estat observats en la ARN polimerasa,[16] en l'ARNt aminoacil sintetasa[17] i en els ribosomas.[18]

Aquells enzims que produeixen metabòlits secundaris són denominades promíscues, ja que poden actuar sobre una gran varietat de substrats. Per això, s'ha suggerit que aquesta àmplia especificitat de substrat podria ser clau en l'evolució i disseny de noves rutes biosintéticas.[19]

Model de la "clau-pany"

Els enzims són molt específiques, això va ser suggerit per Emil Fisher en 1894. Amb base en els seus resultats va deduir que ambdues molècules (enzim i substrat) posseeixen complementarietat geomètrica, les formes de la qual encaixen exactament una amb una altra.[20] Això és citat comunament com "la clau-pany", referint-se a l'enzim com una espècie de pany i al substrat com una clau que encaixa de forma perfecta en el pany. No obstant això, si ben aquest model explica l'especificitat dels enzims, falla en explicar l'estabilització del estat de transició que els enzims aconsegueixen.

Model de l'encaix induït

En 1958 Daniel Koshland suggereix una modificació al model de la clau-pany: els enzims són estructures bastant flexibles, el lloc actiu pot ser reformat per la interacció amb el substrat.[21] Com a resultat d'això, la cadena aminoacídica que compon el lloc actiu és modelada en posicions precises que permet a l'enzim dur a terme la seva funció catalítica. En alguns casos, com en les glicosidasas, el substrat canvia lleugerament de forma per entrar en el lloc actiu.[22]Aquest model és també denominat guant-rajo comparant així aquesta unió enzim-substrat amb una mà i un guant.[23]

Modulació alostérica

Els canvis alostéricos (zones de l'enzim diferents al lloc actiu) permeten un canvi estructural de la proteïna en resposta a la unió d'efectors. La modulació pot ser directa, quan l'efector s'uneix directament a llocs d'unió en l'enzim, o indirecta, on l'efector s'uneix a una altra proteïna o a una subunidad proteíca que interactua amb l'enzim alostérica i que influencia l'activitat catalítica.


Classificació

Existeix una classificació normalitzada amb 6 categories principals depenent de la reacció que catalice l'enzim. Cada enzim està classificat mitjançant el seu nombre EC.

Oxidorreductasas

Catalizan reaccions d'oxidorreducción o redox. Precisen la col·laboració de les coenzimas d'oxidorreducción (NAD+, NADP+, FAD) que accepten o cedeixen els electrons corresponents; després de l'acció catalítica, aquestes coenzimas queden modificades en el seu grau d'oxidació, per la qual cosa han de ser transformades abans de tornar a efectuar la reacció catalítica.

Exemples: deshidrogenasas, peroxidasas.

Transferasas

Transfereixen grups actius (obtinguts de la ruptura de certes molècules) a unes altres substancies receptores. Solen actuar en processos d'interconversión de monosacàrids, aminoàcids, etc.

Exemples: transaminasas, quinasas.

Hidrolasas

Verifiquen reaccions de hidròlisis amb la consegüent obtenció de monòmers a partir de polímers. Actuen en la digestió dels aliments, prèviament a altres fases de la seva degradació. La paraula hidròlisi es deriva de hidro 'aigua' i lisis 'dissolució'.

Exemples: glucosidasas, lipasas, esterasas.

Isomerasas

Actuen sobre determinades molècules obtenint d'elles les seves isòmers de funció o de posició, és a dir, catalizan la racemizacion i canvis de posició d'un grup en determinada molècula obtenint formes isoméricas . Solen actuar en processos d'interconversión.

Exemple: epimerasas (mutasa).

Liasas

Catalizan reaccions en les quals s'eliminen grups (H2O, CO2 i NH3) per formar un doble enllaç o afegir-se a un doble enllaç, capaços de catalizar la reducció en un substrat. El substrat és una molècula, la qual, s'uneix al lloc actiu de l'enzim per a la formació del complex enzim-substrat. El mateix, per acció de l'enzim, és transformat en producte i és alliberat del lloc actiu, quedant lliure per rebre un altre substrat.


Exemples: descarboxilasas, liasas.

Ligasas

Realitzen la degradació o síntesi dels enllaços denominats "forts" mitjançant a l'acoblament a substàncies d'alt valor energètic (com el ATP).

Exemples: sintetasas, carboxilasas.

Activadores

Alguns enzims necessiten per a la seva activitat ions inorgànics específics que reben el nom d'activadores. Els activadores que es necessiten amb més freqüència són els ions de ferro, coure, manganès, magnesi, cobalt i zinc. D'ordinari, només un ion funciona amb un determinat enzim, però en certs casos es poden substituir certs ions per uns altres, persistint una activitat enzimàtica satisfactòria.

Inhibidors

Les molècules que regulen l'activitat enzimàtica inhibint la seva activitat poden classificar-se en reversibles i irreversibles. Les irreversibles s'uneixen covalentemente a l'enzim i són útils en farmacologia (penicil·lina, aspirina).

Les reversibles poden classificar-se, al seu torn, en competitives i no competitives. Les competitives modifiquen la Km de l'enzim ja que s'uneixen al centre actiu d'aquest i impedeixen la unió amb el substrat (es necessitarà més per activar els enzims). Les no competitives, s'uneixen a un altre lloc de l'enzim, modificant la Vmáx. (velocitat en què es forma producte per unitat de temps) ja que en unir-se, l'enzim queda inactivada.

Aplicacions industrials

Els enzims són utilitzats en la indústria química i en altres aplicacions industrials on es requereix l'ús de catalitzadors molt especialitzats. Una de les aplicacions industrials en les quals s'usen enzims és en la indústria dels detergents biològics, ja que aquests en la seva majoria contenen enzims tals com la amilasa, la lipasa i en alguns casos la cel·lulosa, que d'acord a un ús específic ajuden a eliminar la gran majoria de taques i imperfeccions en algunes pells. No obstant això, els enzims en general estan limitades en el nombre de reaccions que han evolucionat a catàlisis i també per la seva falta d'estabilitat en solvents orgànics i a altes temperatures. Conseqüentment, la enginyeria de les proteïnes és un àrea d'investigació activa que involucra intents de crear nous enzims amb noves propietats, ja sigui per disseny racional o per evolució in vitro.[24][25]


Vegeu també

Referències

  1. ↑ Bairoch A. (2000). «The ENZYME database in 2000» Vol. 28. pàg. 304-305. PMID 10592255.
  2. ↑ de Réaumur, RAF (1752). «Observations sud la digestion donis oiseaux» Vol. 1752. pàg. 266, 461.
  3. ↑ Williams, H. S. (1904) A History of Science: in Five Volumes. Volume IV: Modern Development of the Chemical and Biological Sciences Harper and Brothers (New York)
  4. ↑ Dubos J. (1951). «Louis Pasteur: Free Llanci of Science, Gollancz. Quoted in Manchester K. L. (1995) Louis Pasteur (1822–1895)--chance and the prepared mind.» Vol. 13. pàg. 511-515. PMID 8595136.
  5. ↑ Nobel Laureate Biography of Eduard Buchner at nobelprize.org
  6. ↑ Text of Eduard Buchner's 1907 Nobel lecture at nobelprize.org
  7. ↑ 1946 Nobel prize for Chemistry laureates at nobelprize.org
  8. ↑ Blake CC, Koenig DF, Mair GA, North AC, Phillips DC, Sarma VR. (1965). «Structure of hen egg-white lysozyme. A three-dimensional Fourier synthesis at 2 Àngstrom resolution.» Vol. 22. pàg. 757-761. PMID 5891407.
  9. ↑ Chen LH, Kenyon GL, Curtin F, Harayama S, Bembenek EM, Hajipour G, Whitman CP (1992). «4-Oxalocrotonate tautomerase, an enzyme composed of 62 amino acid residues per monomer» J. Biol. Chem.. Vol. 267. pàg. 17716-21. PMID 1339435.
  10. ↑ Smith S (1994). «The animal fatty acid synthase: one gene, one polypeptide, seven enzymes» Vol. 8. pàg. 1248–59. PMID 8001737.
  11. ↑ Anfinsen C.B. (1973). «Principles that Govern the Folding of Protein Chains» pàg. 223-230. PMID 4124164.
  12. ↑ The Catalytic Site Atles at The European Bioinformatics Institute
  13. ↑ Jaeger KE, Eggert T. (2004). «Enantioselective biocatalysis optimized by directed evolution.» Curr Opin Biotechnol.. Vol. 15(4). pàg. 305-313. PMID 15358000.
  14. ↑ Shevelev IV, Hubscher O. (2002). «The 3' 5' exonucleases.» Nat Rev Mol Cell Biol.. Vol. 3. pàg. 364-376. PMID 11988770.
  15. ↑ Berg J., Tymoczko J. and Stryer L. (2002) Biochemistry. W. H. Freeman and Company ISBN 0-7167-4955-6
  16. ↑ Zenkin N, Yuzenkova I, Severinov K. (2006). «Transcript-assisted transcriptional proofreading.» Science.. Vol. 313. pàg. 518-520. PMID 16873663.
  17. ↑ Ibba M, Soll D. (2000). «Aminoacyl-tRNA synthesis.» Annu Rev Biochem.. Vol. 69. pàg. 617-650. PMID 10966471.
  18. ↑ Rodnina MV, Wintermeyer W. (2001). «Fidelity of aminoacyl-tRNA selection on the ribosome: kinetic and structural mechanisms.» Annu Rev Biochem.. Vol. 70. pàg. 415-435. PMID 11395413.
  19. ↑ Firn, Richard. «The Screening Hypothesis - a new explanation of secondary product diversity and function». Consultat el 11 de setembre de 2006.
  20. ↑ Fischer I. (1894). «Einfluss der Configuration auf die Wirkung der Enzyme» Ber. Dt. Chem. Ges.. Vol. 27. pàg. 2985-2993.
  21. ↑ Koshland D. I. (1958). «Application of a Theory of Enzyme Specificity to Protein Synthesis» Proc. Natl. Acad. Sci.. Vol. 44. pàg. 98-104. PMID 16590179.
  22. ↑ Vasella A, Davies GJ, Bohm M. (2002). «Glycosidase mechanisms.» Curr Opin Chem Biol.. Vol. 6. pàg. 619-629. PMID 12413546.
  23. ↑ Plantilla:Http://www.wikiteka.com/apuntes/enzimas-2
  24. ↑ Renugopalakrishnan V, Garduno-Juarez R, Narasimhan G, Verma CS, Wei X, Li P. (2005). «Rational design of thermally stable proteins: relevance to bionanotechnology.» J Nanosci Nanotechnol.. Vol. 5. pàg. 1759-1767. PMID 16433409.
  25. ↑ Hult K, Berglund P. (2003). «Engineered enzymes for improved organic synthesis.» Vol. 14. pàg. 395-400. PMID 12943848.

Lectures suplementàries

Etimologia i història

Estructura i mecanismes dels enzims

  • Fersht, A. Structure and Mechanism in Protein Science: A Guide to Enzyme Catalysis and Protein Folding. W. H. Freeman, 1998 ISBN 0-7167-3268-8
  • Walsh, C., Enzymatic Reaction Mechanisms. W. H. Freeman and Company. 1979. ISBN 0-7167-0070-0
  • Page, M. I., and Williams, A. (Eds.), 1987. Enzyme Mechanisms. Royal Society of Chemistry. ISBN 0-85186-947-5
  • M.V. Volkenshtein, R.R. Dogonadze, A.K. Madumarov, Z.D. Urushadze, Yu.I. Kharkats. Theory of Enzyme Catalysis.- Molekuliarnaya Biologia, (1972), 431-439 (en rus, sumari en anglès)
  • Warshel, A., Computer Modeling of Chemical Reactions in enzymes and Solutions John Wiley & Sons Inc. 1991. ISBN 0-471-18440-3

Termodinàmica

Cinètica i inhibició

  • Athel Cornish-Bowden, Fundamentals of Enzyme Kinetics. (3rd edition), Portland Press (2004), ISBN 1-85578-158-1.
  • Irwin H. Segel, Enzyme Kinetics: Behavior and Analysis of Rapid Equilibrium and Steady-State Enzyme Systems. Wiley-Interscience; New Ed edition (1993), ISBN 0-471-30309-7.
  • John W. Baynes, Medical Biochemistry, Elsevier-Mosby; 2th Edition (2005), ISBN 0-7234-3341-0, p. 57.

Funció i control dels enzims en les cèl·lules

Convencions per assignar noms a enzims

  • Enzyme Nomenclature, Recommendations for enzyme names from the Nomenclature Committee of the International Union of Biochemistry and Molecular Biology.

Aplicacions industrials

Enllaços externs

Commons



ckb:ئەنزیمdóna:Enzymaneu:Enzimel seu:Énzimvaig veure:Enzym

Obtingut de «http://ca.wikilingue.com/es/Enzim»