Informacja

Funkcja koenzymów

Funkcja koenzymów



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Czy funkcja koenzymu sprawia, że ​​reakcja przebiega szybciej? Jeśli katalizatory przyspieszają reakcje, a enzymy są katalizatorami, a koenzymy sprawiają, że enzymy działają lepiej, czy to oznacza, że ​​koenzymy po prostu przyspieszają reakcje?


Aby zaszły reakcje chemiczne, cząsteczki muszą zderzać się w odpowiednich warunkach, w tworzeniu których mogą pomóc enzymy. Na przykład, bez obecności odpowiedniego enzymu, cząsteczki glukozy i cząsteczki fosforanu w glukozo-6-fosforanie pozostaną związane. Ale kiedy wprowadzisz enzym hydrolazę, cząsteczki glukozy i fosforanu rozdzielają się.

Typowa masa cząsteczkowa enzymu (całkowita masa atomowa atomów cząsteczki) waha się od około 10 000 do ponad 1 miliona. Niewielka liczba enzymów nie jest w rzeczywistości białkami, ale składa się z małych katalitycznych cząsteczek RNA. Inne enzymy to kompleksy wielobiałkowe, które zawierają wiele pojedynczych podjednostek białkowych.

Podczas gdy wiele enzymów samoczynnie katalizuje reakcje, niektóre wymagają dodatkowych składników niebiałkowych zwanych „kofaktorami”, którymi mogą być jony nieorganiczne, takie jak Fe 2+ , Mg 2+ , Mn 2+ lub Zn 2+ , lub mogą składać się z organicznych lub metali -cząsteczki organiczne znane jako „koenzymy”.


Metabolomika ilościowa oparta na spektrometrii masowej i spektroskopii NMR

Analiza koenzymów i antyoksydantów w pełnej krwi, tkankach i komórkach

Koenzymy takie jak koenzym A, acetylokoenzym A, komórkowe koenzymy redoks: NAD+ (utleniony dinukleotyd nikotynamidoadeninowy), NADH (zredukowany dinukleotyd nikotynamidoadeninowy), NADP+ (utleniony fosforan dinukleotydu nikotynamidoadeninowego) i NADPH (zredukowany fosforan dinukleotydu nikotynamidoadeninowego), koenzymy energetyczne: ATP (adenozynotrifosforan), ADP (adenozynodifosforan) i AMP (adenozynomonofosforan) oraz przeciwutleniacze: GSSG (utleniony glutation) i GSH (zredukowany glutation) mają fundamentalne znaczenie dla funkcjonowania praktycznie wszystkich żywych komórek. Zwiększone zainteresowanie analizą tych molekuł wynika z ich coraz bardziej uświadomionej roli w zdrowiu człowieka, a także w głównych chorobach. Obecnie analiza tych koenzymów w jednym kroku przy użyciu MS jest trudna ze względu na wiele czynników, w tym supresję jonów, fragmentację źródła i różnice mas jednostkowych między wieloma koenzymami. 111 Najważniejszym wyzwaniem, niezwiązanym z metodą analityczną, jest skrajnie niestabilny charakter koenzymów, które wiele koenzymów całkowicie unika wykrycia lub ich poziomy są znacznie osłabione w zależności od zastosowanej procedury zbierania i ekstrakcji. Ostatnie osiągnięcia metodologiczne w zakresie pobierania próbek, przetwarzania i analizy NMR złagodziły te główne wyzwania i umożliwiły jednoetapową analizę w pełnej krwi, tkankach i komórkach 111–114 (ryc. 5). Tożsamość koenzymów i przeciwutleniaczy w tych próbkach została ustalona przez połączenie technik 1D/2D NMR, baz danych przesunięcia chemicznego, pomiarów pH i wreszcie wzbogacenia o autentyczne związki. Co ważne, oprócz koenzymów, nowe metody umożliwiają ilościową analizę ogromnej puli innych metabolitów przy użyciu tych samych widm 1D NMR, bez konieczności przeprowadzania dodatkowych eksperymentów. Jest to ważne, ponieważ na przykład konwencjonalna metabolomika krwi wykorzystuje surowicę lub osocze. Jednak stężenia koenzymów w surowicy lub osoczu są bardzo niskie, podczas gdy ważne koenzymy i przeciwutleniacze są obecne w czerwonych i białych krwinkach, a zatem w krwi pełnej. Opisana metoda może jednocześnie mierzyć koenzymy i przeciwutleniacze, oprócz prawie 70 metabolitów, które, jak wykazano, były oznaczane ilościowo w surowicy/osoczu. 110

Rys. 5 . Części typowych widm 1H NMR 800 MHz ekstraktów (A) osocza krwi, (B) pełnej krwi i (C) mysiej tkanki serca. Wskazana jest identyfikacja koenzymów redoks i energii oraz przeciwutleniaczy w ekstrakcie pełnej krwi/tkanki. NAD + , dinukleotyd nikotynamidoadeninowy, utleniony NADH, dinukleotyd nikotynamidoadeninowy, zredukowany NADP + , fosforan dinukleotydu nikotynamidoadeninowego, utleniony NADPH, fosforan dinukleotydu nikotynamidoadeninowego, utleniony ATP, adenozynotrifosforan ADP, difosforan adenozyny AMP, monofosforan adenozyny GSH, glutation, zredukowany GSSG, glutation, utleniony. Notatka: żaden z tych związków nie został wykryty w osoczu krwi.


Rodzaje kofaktora

Witaminy

Witaminy to związki organiczne, które są kofaktorami niezbędnych reakcji biochemicznych. Witaminy zazwyczaj muszą być spożywane w diecie, ponieważ nie mogą być wytwarzane w organizmie.

Wiele witamin to kofaktory, które pomagają enzymom katalizować reakcje, takie jak produkcja ważnych białek. Na przykład witamina C jest kofaktorem produkcji kolagenu tkanki łącznej.

Dlatego ludzie, którzy chorują na szkorbut – poważną formę niedoboru witaminy C – mogą doświadczać problemów z tkanką łączną, w tym osłabienia mięśni, bolesności mięśni, a nawet niewyjaśnionych krwawień, ponieważ tkanki łącznej naczyń krwionośnych nie mogą być zastąpione.

Niedobory witamin są dobrą ilustracją skutków niedoboru kofaktorów. Tak jak istnieje wiele możliwych niedoborów witamin z wieloma różnymi objawami, istnieje wiele różnych kofaktorów, których nasz organizm potrzebuje, aby przeprowadzić różne niezbędne reakcje biochemiczne.

Zapotrzebowanie organizmu na różne kofaktory witaminowe jest również powodem, dla którego dietetycy doradzają ludziom „jedzenie tęczy” – kofaktory wytwarzają wiele kolorów, więc spożywanie owoców i warzyw w szerokiej gamie kolorów pomaga zapewnić, że spożywamy zdrową różnorodność kofaktorów.

Minerały

Podobnie jak witaminy, minerały są substancjami chemicznymi pochodzącymi spoza organizmu, które muszą być spożywane, aby nasze komórki mogły prawidłowo funkcjonować. Różnica polega na tym, że chociaż witaminy są cząsteczkami organicznymi – cząsteczkami zawierającymi węgiel, które często są wytwarzane przez inne żywe organizmy – minerały są substancjami nieorganicznymi, które występują naturalnie i często znajdują się w skałach i glebie.

Minerały często wchodzą do naszej diety z roślin, które wyciągają je z ziemi przez korzenie wraz z wodą. W niektórych rzadkich przypadkach osoby z niedoborami witamin mogą odczuwać potrzebę zjedzenia pewnych rodzajów gleby w celu bezpośredniego uzyskania minerałów z gleby.

Minerały ważne dla zdrowia człowieka obejmują miedź, która jest niezbędna do funkcjonowania niektórych ważnych enzymów wątrobowych rozkładających toksyny, żelazo, które jest niezbędne do funkcjonowania niektórych ważnych enzymów metabolicznych, magnez, który jest niezbędny do funkcjonowania polimerazy DNA i inne enzymy i cynk, który jest również niezbędny dla polimerazy DNA, a także niektóre enzymy wątrobowe.

Podobnie jak w przypadku witamin, może być za dużo dobrego – podczas gdy minerały są niezbędne do funkcjonowania naszego metabolizmu w niewielkich ilościach, przyjmowanie ich w dużych dawkach może spowodować toksyczność i śmierć. Rzeczywiście, przedawkowanie multiwitamin zawierających żelazo jest główną przyczyną śmierci dzieci poniżej 4 roku życia, które mogą pomylić te multiwitaminy ze słodyczami.

Organiczne kofaktory bez witamin

Niektóre kofaktory to substancje organiczne niesklasyfikowane jako enzymy. Niektóre z nich mogą być wytwarzane w naszych własnych ciałach, a więc nie są kwalifikowane jako witaminy.

Organiczne niewitaminowe kofaktory obejmują ATP – niezbędny asystent wielu procesów biochemicznych, który przenosi energię do wielu enzymów, białek transportowych i więcej koenzymu Q, który odgrywa istotną rolę w mitochondrialnym łańcuchu transportowym i hemu, który jest złożonym żelazem- zawierający związek, który jest niezbędny naszym komórkom krwi do przenoszenia tlenu w całym ciele.


Produkcja energii

Koenzym A w postaci acetylokoenzymu A inicjuje cykl Krebsa, proces chemiczny w organizmie, który prowadzi do produkcji dwutlenku węgla i adenozynotrójfosforanu, zgodnie z opublikowanym online „Virtual Chembook” Charlesa E. Ophardta. przez Elmhurst College. ATP jest ważnym, bogatym w energię związkiem, który zapewnia paliwo i energię potrzebną do syntezy białka i kwasu dezoksyrybonukleinowego, kodu genetycznego potrzebnego do replikacji komórek w organizmie.


Koenzymy

Oprócz wiązania ich substratów, miejsca aktywne wielu enzymów wiążą inne małe cząsteczki, które biorą udział w katalizie. Grupy protetyczne to małe cząsteczki związane z białkami, w których odgrywają krytyczne role funkcjonalne. Na przykład tlen przenoszony przez mioglobinę i hemoglobinę jest związany z hemem, protetyczną grupą tych białek. W wielu przypadkach jony metali (takich jak cynk czy żelazo) są związane z enzymami i odgrywają centralną rolę w procesie katalitycznym. Ponadto w określonych typach reakcji enzymatycznych uczestniczą różne cząsteczki organiczne o małej masie cząsteczkowej. Cząsteczki te nazywane są koenzymami, ponieważ współpracują z enzymami w celu zwiększenia szybkości reakcji. W przeciwieństwie do substratów, koenzymy nie są nieodwracalnie zmieniane przez reakcje, w których biorą udział. Są one raczej poddawane recyklingowi i mogą uczestniczyć w wielu reakcjach enzymatycznych.

Koenzymy służą jako nośniki kilku rodzajów grup chemicznych. Wybitnym przykładem koenzymu jest dinukleotyd nikotynamidoadeninowy (NAD + ), który pełni funkcję nośnika elektronów w reakcjach utleniania-redukcji (rysunek 2.27). NAD + może przyjąć jon wodorowy (H + ) i dwa elektrony (e - ) z jednego podłoża, tworząc NADH. NADH może następnie przekazać te elektrony drugiemu substratowi, ponownie tworząc NAD + . W ten sposób NAD + przenosi elektrony z pierwszego podłoża (które ulega utlenieniu) na drugie (które ulega redukcji).

Rysunek 2.27

Rola NAD+ w reakcjach utleniania-redukcji. (A) Dinukleotyd nikotynamidoadeninowy (NAD+) działa jako nośnik elektronów w reakcjach utleniania-redukcji, przyjmując elektrony (e-) do utworzenia NADH. (B) Na przykład NAD + może przyjmować elektrony z jednego podłoża (więcej.)

Kilka innych koenzymów również działa jako nośniki elektronów, a jeszcze inne biorą udział w przenoszeniu różnych dodatkowych grup chemicznych (np. grup karboksylowych i acylowych Tabela 2.1). Te same koenzymy działają razem z wieloma różnymi enzymami, katalizując przenoszenie określonych grup chemicznych między szeroką gamą substratów. Wiele koenzymów jest blisko spokrewnionych z witaminami, które stanowią część lub całość struktury koenzymu. Witaminy nie są wymagane przez bakterie takie jak E coli ale są niezbędnymi składnikami diety ludzi i innych wyższych zwierząt, które utraciły zdolność do syntezy tych związków.

Tabela 2.1

Przykłady koenzymów i witamin.


6.5 Enzymy

Substancją, która pomaga zajść reakcji chemicznej, jest katalizator, a specjalne cząsteczki, które katalizują reakcje biochemiczne, nazywane są enzymami. Prawie wszystkie enzymy są białkami złożonymi z łańcuchów aminokwasów i pełnią krytyczne zadanie polegające na obniżeniu energii aktywacji reakcji chemicznych wewnątrz komórki. Enzymy robią to poprzez wiązanie się z cząsteczkami reagentów i utrzymywanie ich w taki sposób, aby ułatwić procesy zrywania i tworzenia wiązań chemicznych. Należy pamiętać, że enzymy nie zmieniają ∆G reakcji. Innymi słowy, nie zmieniają się, czy reakcja jest egzergiczna (spontaniczna) czy endergoniczna. Dzieje się tak, ponieważ nie zmieniają one energii swobodnej reagentów lub produktów. Zmniejszają jedynie energię aktywacji wymaganą do osiągnięcia stanu przejściowego (rysunek 6.15).

Aktywność enzymatyczna i swoistość substratowa

Reagenty chemiczne, z którymi wiąże się enzym, są substratami enzymu. W zależności od konkretnej reakcji chemicznej może być jedno lub więcej substratów. W niektórych reakcjach substrat będący jednym reagentem rozkłada się na wiele produktów. W innych dwa substraty mogą się łączyć, tworząc jedną większą cząsteczkę. Dwa reagenty mogą również wejść do reakcji, oba ulegną modyfikacji i opuszczą reakcję jako dwa produkty. Miejsce w enzymie, w którym wiąże się substrat, nazywa się miejscem aktywnym enzymu. Witryna aktywna to miejsce, w którym dzieje się „akcja”. Ponieważ enzymy są białkami, istnieje unikalna kombinacja reszt aminokwasowych (zwanych również łańcuchami bocznymi lub grupami R) w miejscu aktywnym. Każda pozostałość charakteryzuje się innymi właściwościami. Pozostałości mogą być duże lub małe, słabo kwaśne lub zasadowe, hydrofilowe lub hydrofobowe, naładowane dodatnio lub ujemnie lub obojętne. Unikalna kombinacja reszt aminokwasowych, ich pozycji, sekwencji, struktur i właściwości tworzy bardzo specyficzne środowisko chemiczne w miejscu aktywnym. To specyficzne środowisko jest odpowiednie do wiązania się, choć krótko, z określonym podłożem chemicznym (lub podłożami). Ze względu na to podobne do układanki dopasowanie między enzymem a jego substratami (które dostosowuje się, aby znaleźć najlepsze dopasowanie między stanem przejściowym a miejscem aktywnym), enzymy są znane ze swojej specyficzności. „Najlepsze dopasowanie” wynika z kształtu i przyciągania grupy funkcyjnej aminokwasu do substratu. Dla każdego substratu istnieje specjalnie dobrany enzym, a zatem dla każdej reakcji chemicznej istnieje również elastyczność.

Fakt, że obiekty aktywne są tak doskonale przystosowane do zapewnienia określonych warunków środowiskowych, oznacza również, że podlegają one wpływom lokalnego środowiska. Prawdą jest, że zwiększenie temperatury otoczenia na ogół zwiększa szybkość reakcji, katalizowanej enzymatycznie lub w inny sposób. Jednak zwiększenie lub zmniejszenie temperatury poza optymalny zakres może wpływać na wiązania chemiczne w miejscu aktywnym w taki sposób, że są one mniej odpowiednie do wiązania substratów. Wysokie temperatury ostatecznie doprowadzą do denaturacji enzymów, podobnie jak innych cząsteczek biologicznych, w procesie, który zmienia naturalne właściwości substancji. Podobnie pH lokalnego środowiska może również wpływać na funkcję enzymu. Reszty aminokwasowe miejsca aktywnego mają swoje własne właściwości kwasowe lub zasadowe, które są optymalne dla katalizy. Te pozostałości są wrażliwe na zmiany pH, które mogą zaburzać wiązanie cząsteczek substratu. Enzymy działają najlepiej w określonym zakresie pH i, podobnie jak w przypadku temperatury, ekstremalne wartości pH (kwaśne lub zasadowe) środowiska mogą powodować denaturację enzymów.

Indukowane dopasowanie i funkcja enzymatyczna

Przez wiele lat naukowcy sądzili, że wiązanie enzym-substrat odbywa się w prosty sposób „zamek i klucz”. Model ten zapewniał, że enzym i substrat idealnie do siebie pasują w jednym natychmiastowym kroku. Jednak obecne badania wspierają bardziej wyrafinowany pogląd zwany dopasowaniem indukowanym (rysunek 6.16). Model indukowanego dopasowania rozszerza model „zamek i klucz”, opisując bardziej dynamiczną interakcję między enzymem a substratem. Gdy enzym i substrat spotykają się, ich interakcja powoduje łagodne przesunięcie w strukturze enzymu, które potwierdza idealny układ wiązania między enzymem a stanem przejściowym substratu. To idealne wiązanie maksymalizuje zdolność enzymu do katalizowania jego reakcji.

Link do nauki

Zobacz animację indukowanego dopasowania na tej stronie.

Kiedy enzym wiąże swój substrat, powstaje kompleks enzym-substrat. Kompleks ten obniża energię aktywacji reakcji i promuje jej szybki postęp na jeden z wielu sposobów. Na podstawowym poziomie enzymy promują reakcje chemiczne, które obejmują więcej niż jeden substrat, łącząc substraty w optymalnej orientacji. Właściwy region (atomy i wiązania) jednej cząsteczki zestawia się z odpowiednim regionem drugiej cząsteczki, z którą musi reagować. Innym sposobem, w jaki enzymy promują reakcję swoich substratów, jest tworzenie optymalnego środowiska w miejscu aktywnym, aby reakcja zaszła. Niektóre reakcje chemiczne mogą przebiegać najlepiej w lekko kwaśnym lub niepolarnym środowisku. Właściwości chemiczne, które wynikają ze szczególnego ułożenia reszt aminokwasowych w miejscu aktywnym, tworzą idealne środowisko dla reakcji specyficznych substratów enzymu.

Nauczyłeś się, że energia aktywacji wymagana do wielu reakcji obejmuje energię zaangażowaną w manipulowanie lub lekkie wykrzywianie wiązań chemicznych, aby mogły one łatwo pękać i umożliwić innym reformowanie się. Działanie enzymatyczne może wspomóc ten proces. Kompleks enzym-substrat może obniżyć energię aktywacji poprzez wykrzywienie cząsteczek substratu w taki sposób, aby ułatwić zerwanie wiązań, pomagając osiągnąć stan przejściowy. Wreszcie, enzymy mogą również obniżać energie aktywacji, biorąc udział w samej reakcji chemicznej. Reszty aminokwasowe mogą dostarczać pewne jony lub grupy chemiczne, które faktycznie tworzą wiązania kowalencyjne z cząsteczkami substratu, jako niezbędny etap procesu reakcji. W takich przypadkach należy pamiętać, że enzym zawsze powróci do swojego pierwotnego stanu po zakończeniu reakcji. Jedną z charakterystycznych właściwości enzymów jest to, że ostatecznie pozostają niezmienione w wyniku katalizowanych przez nie reakcji. Gdy enzym zakończy katalizowanie reakcji, uwalnia swój produkt(y).

Kontrola metabolizmu poprzez regulację enzymów

Idealnym byłoby mieć scenariusz, w którym wszystkie enzymy zakodowane w genomie organizmu istniały w obfitych ilościach i działały optymalnie we wszystkich warunkach komórkowych, we wszystkich komórkach, przez cały czas. W rzeczywistości jest to dalekie od przypadku. Różnorodne mechanizmy zapewniają, że tak się nie stanie. Potrzeby i warunki komórkowe różnią się w zależności od komórki i zmieniają się w poszczególnych komórkach w czasie. Wymagane enzymy i zapotrzebowanie energetyczne komórek żołądka różnią się od komórek magazynujących tłuszcz, komórek skóry, komórek krwi i komórek nerwowych. Co więcej, komórka trawienna pracuje znacznie ciężej, przetwarzając i rozkładając składniki odżywcze w czasie, który następuje bezpośrednio po posiłku, w porównaniu z wieloma godzinami po posiłku. Ponieważ te wymagania i warunki komórkowe różnią się, tak samo zmieniają się ilości i funkcjonalność różnych enzymów.

Ponieważ szybkość reakcji biochemicznych jest kontrolowana przez energię aktywacji, a enzymy obniżają i determinują energie aktywacji reakcji chemicznych, względne ilości i funkcjonowanie różnych enzymów w komórce ostatecznie określają, które reakcje będą przebiegać i w jakim tempie. Ta determinacja jest ściśle kontrolowana. W niektórych środowiskach komórkowych aktywność enzymów jest częściowo kontrolowana przez czynniki środowiskowe, takie jak pH i temperatura. Istnieją inne mechanizmy, dzięki którym komórki kontrolują aktywność enzymów i określają szybkość, z jaką zachodzą różne reakcje biochemiczne.

Regulacja enzymów przez cząsteczki

Enzymy można regulować w sposób, który promuje lub zmniejsza ich aktywność. Istnieje wiele różnych rodzajów cząsteczek, które hamują lub promują działanie enzymów i istnieją różne mechanizmy, które to umożliwiają. Na przykład w niektórych przypadkach hamowania enzymu cząsteczka inhibitora jest na tyle podobna do substratu, że może wiązać się z miejscem aktywnym i po prostu blokować wiązanie substratu. Kiedy tak się dzieje, enzym jest hamowany przez kompetycyjne hamowanie, ponieważ cząsteczka inhibitora konkuruje z substratem o wiązanie miejsca aktywnego (rysunek 6.17). Z drugiej strony, w hamowaniu niekompetycyjnym, cząsteczka inhibitora wiąże się z enzymem w miejscu innym niż miejsce allosteryczne i nadal udaje się zablokować wiązanie substratu z miejscem aktywnym.

Niektóre cząsteczki inhibitora wiążą się z enzymami w miejscu, w którym ich wiązanie indukuje zmianę konformacyjną, która zmniejsza powinowactwo enzymu do jego substratu. Ten rodzaj hamowania nazywa się hamowaniem allosterycznym (ryc. 6.18). Większość enzymów regulowanych allosterycznie składa się z więcej niż jednego polipeptydu, co oznacza, że ​​mają więcej niż jedną podjednostkę białkową. Kiedy inhibitor allosteryczny wiąże się z enzymem, wszystkie miejsca aktywne na podjednostkach białka ulegają nieznacznej zmianie, tak że wiążą swoje substraty z mniejszą wydajnością. Istnieją zarówno aktywatory allosteryczne, jak i inhibitory. Aktywatory allosteryczne wiążą się z miejscami na enzymie z dala od miejsca aktywnego, indukując zmianę konformacyjną, która zwiększa powinowactwo miejsca(-a) aktywnego(-ych) enzymu do jego substratu(-ów).

Codzienne połączenie

Odkrywanie leków poprzez poszukiwanie inhibitorów kluczowych enzymów w określonych szlakach

Enzymy są kluczowymi składnikami szlaków metabolicznych. Zrozumienie, jak działają enzymy i jak można je regulować, jest kluczową zasadą rozwoju wielu leków farmaceutycznych (rysunek 6.19) dostępnych obecnie na rynku. Biolodzy zajmujący się tą dziedziną współpracują z innymi naukowcami, zazwyczaj chemikami, przy projektowaniu leków.

Weźmy na przykład statyny — tak nazywa się grupę leków obniżających poziom cholesterolu. Związki te są zasadniczo inhibitorami enzymu reduktazy HMG-CoA. Reduktaza HMG-CoA to enzym, który syntetyzuje cholesterol z lipidów w organizmie. Hamując ten enzym, można obniżyć poziom cholesterolu syntetyzowanego w organizmie. Podobnie acetaminofen, popularnie sprzedawany pod marką Tylenol, jest inhibitorem enzymu cyklooksygenazy. Chociaż skutecznie łagodzi gorączkę i stany zapalne (ból), jego mechanizm działania wciąż nie jest do końca poznany.

Jak powstają leki? Jednym z pierwszych wyzwań w opracowywaniu leków jest identyfikacja konkretnej cząsteczki, na którą lek ma działać. W przypadku statyn celem leku jest reduktaza HMG-CoA. Cele leków są identyfikowane poprzez żmudne badania laboratoryjne. Samo zidentyfikowanie celu nie wystarczy, naukowcy muszą również wiedzieć, jak cel działa w komórce i jakie reakcje zachodzą w przypadku choroby. Po zidentyfikowaniu celu i ścieżki rozpoczyna się właściwy proces projektowania leku. Na tym etapie chemicy i biolodzy współpracują ze sobą, aby zaprojektować i zsyntetyzować cząsteczki, które mogą blokować lub aktywować określoną reakcję. To jednak dopiero początek: zarówno jeśli, jak i kiedy prototyp leku z powodzeniem spełnia swoją funkcję, musi przejść wiele testów, od eksperymentów in vitro po badania kliniczne, zanim uzyska aprobatę FDA na rynek.

Wiele enzymów nie działa optymalnie, a nawet w ogóle, chyba że są związane z innymi specyficznymi, niebiałkowymi cząsteczkami pomocniczymi, tymczasowo przez wiązania jonowe lub wodorowe lub na stałe przez silniejsze wiązania kowalencyjne. Dwa rodzaje cząsteczek pomocniczych to kofaktory i koenzymy. Wiązanie się z tymi cząsteczkami promuje optymalną konformację i funkcję ich odpowiednich enzymów. Kofaktorami są jony nieorganiczne, takie jak żelazo (Fe++) i magnez (Mg++). Jednym z przykładów enzymu, który wymaga jonu metalu jako kofaktora, jest enzym budujący cząsteczki DNA, polimeraza DNA, która do działania wymaga związanego jonu cynku (Zn++). Koenzymy to organiczne cząsteczki pomocnicze o podstawowej strukturze atomowej składającej się z węgla i wodoru, które są niezbędne do działania enzymów. Najczęstszymi źródłami koenzymów są witaminy w diecie (rysunek 6.20). Niektóre witaminy są prekursorami koenzymów, a inne działają bezpośrednio jako koenzymy. Witamina C jest koenzymem wielu enzymów biorących udział w budowie ważnego składnika tkanki łącznej, kolagenu. Ważnym etapem rozkładu glukozy w celu uzyskania energii jest kataliza przez wieloenzymowy kompleks zwany dehydrogenazą pirogronianową. Dehydrogenaza pirogronianowa to kompleks kilku enzymów, który w rzeczywistości wymaga jednego kofaktora (jonu magnezu) i pięciu różnych koenzymów organicznych do katalizowania swojej specyficznej reakcji chemicznej. Dlatego funkcja enzymów jest częściowo regulowana przez obfitość różnych kofaktorów i koenzymów, które są dostarczane głównie z diety większości organizmów.

Kompartmentalizacja enzymatyczna

W komórkach eukariotycznych cząsteczki, takie jak enzymy, są zwykle podzielone na różne organelle. Pozwala to na kolejny poziom regulacji aktywności enzymów. Enzymy wymagane tylko w niektórych procesach komórkowych mogą być przechowywane oddzielnie wraz z ich substratami, co pozwala na bardziej wydajne reakcje chemiczne. Przykładami tego rodzaju regulacji enzymów, opartej na lokalizacji i bliskości, są enzymy zaangażowane w późniejsze etapy oddychania komórkowego, które mają miejsce wyłącznie w mitochondriach, oraz enzymy zaangażowane w trawienie resztek komórkowych i obcych materiałów znajdujących się w lizosomach.

Hamowanie sprzężenia zwrotnego w szlakach metabolicznych

Cząsteczki mogą regulować działanie enzymów na wiele sposobów. Pozostaje jednak główne pytanie: czym są te cząsteczki i skąd pochodzą? Niektóre z nich to kofaktory i koenzymy, jony i cząsteczki organiczne, jak już się nauczyłeś. Jakie inne cząsteczki w komórce zapewniają regulację enzymatyczną, taką jak modulacja allosteryczna oraz hamowanie kompetycyjne i niekonkurencyjne? Odpowiedź brzmi, że te role może pełnić wiele różnych molekuł. Niektóre z tych cząsteczek obejmują leki farmaceutyczne i niefarmaceutyczne, toksyny i trucizny ze środowiska. Być może najważniejszymi źródłami cząsteczek regulatorowych enzymów, w odniesieniu do metabolizmu komórkowego, są same produkty komórkowych reakcji metabolicznych. W najbardziej wydajny i elegancki sposób komórki wyewoluowały, aby wykorzystywać produkty swoich własnych reakcji do hamowania aktywności enzymów przez sprzężenie zwrotne. Hamowanie sprzężenia zwrotnego polega na wykorzystaniu produktu reakcji do regulowania jego własnej dalszej produkcji (rysunek 6.21). Komórka reaguje na obfitość określonych produktów spowalniając produkcję podczas reakcji anabolicznych lub katabolicznych. Takie produkty reakcji mogą hamować enzymy katalizujące ich wytwarzanie poprzez mechanizmy opisane powyżej.

Produkcja zarówno aminokwasów, jak i nukleotydów jest kontrolowana przez hamowanie zwrotne. Dodatkowo ATP jest allosterycznym regulatorem niektórych enzymów biorących udział w katabolicznym rozpadzie cukru, procesie, który wytwarza ATP. W ten sposób, gdy ATP jest obfite, komórka może zapobiec jego dalszej produkcji. Pamiętaj, że ATP jest niestabilną cząsteczką, która może spontanicznie dysocjować w ADP. Gdyby w komórce było zbyt dużo ATP, znaczna jego część zostałaby zmarnowana. Z drugiej strony, ADP służy jako pozytywny regulator allosteryczny (aktywator allosteryczny) dla niektórych z tych samych enzymów, które są hamowane przez ATP. Tak więc, gdy względne poziomy ADP są wysokie w porównaniu z ATP, komórka jest pobudzana do wytwarzania większej ilości ATP poprzez katabolizm cukru.


Enzym: właściwości, klasyfikacja i funkcje

Enzym jest substancją, która działa jak biologiczny katalizator organiczny w celu wzmocnienia reakcji chemicznych. Enzymy są wytwarzane przez komórki, ale obecność komórki nie jest niezbędna do ich aktywności. Wszystkie enzymy są z natury białkami. Wiele enzymów to białka proste i nie wymagają do działania żadnego dodatkowego czynnika. Niektóre enzymy są syntetyzowane w nieaktywnej postaci zwanej zymogenami lub proenzymami, takimi jak trypsynogen, chymotrypsynogen i pepsynogen.

Niektóre enzymy do swojej aktywności wymagają dodatkowych czynników oprócz cząsteczki białka. Dla takich środków stosuje się ogólny kofaktor. Są one podzielone na trzy grupy takie jak:

Grupa prostatyczna to niebiałkowa część cząsteczki enzymu, która pozostaje ściśle związana z białkiem enzymu. Koenzym reprezentuje termostabilną niebiałkową część enzymu, którą można łatwo oddzielić od białka enzymu. Usunięcie koenzymu prowadzi do utraty mocy katalitycznej enzymu. Część białkowa takiego enzymu nazywana jest apoenzymem, a apoenzym wraz z jego koenzymem nazywany jest holoenzymem.​

Dinukleotyd nikotynamidoadeninowy (NAD) jest syntetyzowany z witaminy niacyny i pirofosforanu tiaminy (TPF, syntetyzowany z witaminy B1) są przykładem takich koenzymów. Aktywator jonów metali – duża liczba enzymów wymaga do aktywacji kationów metali jedno- lub dwuwartościowych, takich jak K+, Mn++, Mg++, Ca++ i Zn++.

Wiadomo, że enzymy wpływają na szybkość reakcji biochemicznych na kilka sposobów. W wielu przypadkach koenzym najpierw reaguje z substratem, tworząc nowy związek. W następnym etapie tak utworzony związek pośredni przechodzi drugą zmianę, w której enzym jest uwalniany w swojej pierwotnej postaci, a substrat w zmienionej postaci zwanej produktem.


Kontrola metabolizmu poprzez regulację enzymów

Idealnym byłoby mieć scenariusz, w którym wszystkie enzymy zakodowane w genomie organizmu istniały w obfitych ilościach i działały optymalnie we wszystkich warunkach komórkowych, we wszystkich komórkach, przez cały czas. W rzeczywistości jest to dalekie od przypadku. Różnorodne mechanizmy zapewniają, że tak się nie stanie. Potrzeby i warunki komórkowe różnią się w zależności od komórki i zmieniają się w poszczególnych komórkach w czasie. Wymagane enzymy i zapotrzebowanie energetyczne komórek żołądka różnią się od komórek magazynujących tłuszcz, komórek skóry, komórek krwi i komórek nerwowych. Co więcej, komórka trawienna pracuje znacznie ciężej, przetwarzając i rozkładając składniki odżywcze w czasie, który następuje bezpośrednio po posiłku, w porównaniu z wieloma godzinami po posiłku. Ponieważ te wymagania i warunki komórkowe różnią się, tak samo zmieniają się ilości i funkcjonalność różnych enzymów.

Ponieważ szybkość reakcji biochemicznych jest kontrolowana przez energię aktywacji, a enzymy obniżają i determinują energie aktywacji reakcji chemicznych, względne ilości i funkcjonowanie różnych enzymów w komórce ostatecznie określają, które reakcje będą przebiegać i w jakim tempie. Ta determinacja jest ściśle kontrolowana. W niektórych środowiskach komórkowych aktywność enzymów jest częściowo kontrolowana przez czynniki środowiskowe, takie jak pH i temperatura. Istnieją inne mechanizmy, dzięki którym komórki kontrolują aktywność enzymów i określają szybkość, z jaką zachodzą różne reakcje biochemiczne.


Biotechnologie rolnicze i pokrewne

Paul A. Spagnuolo , . Matthew Tcheng, w Comprehensive Biotechnology (wydanie trzecie), 2019

4.44.7 Koenzym Q10

Koenzym Q10 (CoQ10) lub ubichinon to endogenny, mitochondrialny związek składający się z pierścienia chinonowego z łańcuchem bocznym 10 jednostek izoprenowych. 42 CoQ10 bierze udział w kilku procesach biologicznych, w tym homeostazie redoks i metabolizmie. 42 Suplementacja egzogennym CoQ10 jest powszechnie dostępna tam, gdzie została wprowadzona na rynek w celu wspierania zdrowia układu krążenia i mięśni. 43 Oznaczanie CoQ10 (w postaci utlenionej) jest powszechnie wykonywane za pomocą międzylaboratoryjnej metody zwalidowanej przez AOAC. Metoda ta wykorzystuje RP-HPLC w połączeniu z detekcją UV przy 275 nm do wykrywania CoQ10 w surowcach i gotowych suplementach diety. 44 Ekstrakcję materiałów można przeprowadzić przy użyciu mieszaniny acetonitryl-tetrahydrofuran-woda, a następnie potraktować chlorkiem żelazowym, aby zapewnić pełne utlenienie CoQ10. 44,45 Chociaż metoda zwalidowana przez AOAC wykorzystuje kolumnę C18 i detektor UV do separacji i identyfikacji w pełni utlenionego CoQ10, alternatywne badanie wykazało sukces z kolumną C8 i detekcją DAD. 45 Jednakże, biorąc pod uwagę wysoką hydrofobowość CoQ10, bardziej odpowiednie są kolumny C18. Zaproponowano alternatywę dla HPLC-UV, wykorzystującą spektrometrię bliskiej podczerwieni z transformacją Fouriera (FT-NIR). Ta metoda nie wymaga wstępnego traktowania próbki i stwierdzono, że pozwala dokładnie określić ilościowo poziomy CoQ10 w kilku suplementach diety w połączeniu z modelem regresji częściowej najmniejszych kwadratów. 46


Obejrzyj wideo: Редан на лодке В чём Суть? Размышления из опыта. (Sierpień 2022).