8.7.1. În conținutul celular, enzimele nu sunt distribuite aleatoriu, ci strict ordonate. Cu ajutorul membranelor intracelulare, celula este împărțită în compartimente sau compartimente(Figura 8.18). În fiecare dintre ele se desfășoară procese biochimice strict definite și se concentrează enzimele sau complexele polienzimatice corespunzătoare. Iată câteva exemple tipice.

Figura 8.18. Distribuția intracelulară a enzimelor diferitelor căi metabolice.

Lizozomii conțin predominant o varietate de enzime hidrolitice. Aici au loc procesele de scindare a compușilor organici complecși în componentele lor structurale.

Mitocondriile conțin sisteme complexe de enzime redox.

Enzimele pentru activarea aminoacizilor sunt distribuite în hialoplasmă, dar sunt prezente și în nucleu. Hialoplasma conține numeroși metaboloni de glicoliză, combinați structural cu cei ai ciclului pentozei fosfat, ceea ce asigură relația dintre căile dihotomice și apotomice de descompunere a carbohidraților.

În același timp, enzimele care accelerează transferul reziduurilor de aminoacizi la capătul în creștere al lanțului polipeptidic și catalizează unele alte reacții în procesul de biosinteză a proteinelor sunt concentrate în aparatul ribozomal al celulei.

În nucleul celulei sunt localizate în principal nucleotidiltransferazele, accelerând transferul reziduurilor de nucleotide în timpul formării acizilor nucleici.

8.7.2. Distribuția enzimelor în organele subcelulare este studiată după fracționarea preliminară a omogenatelor celulare prin centrifugare de mare viteză, determinându-se conținutul de enzime din fiecare fracție.

Localizarea unei enzime date într-un țesut sau celulă poate fi adesea stabilită in situ prin metode histochimice ("histoenzimologie"). Pentru a face acest lucru, secțiuni subțiri (de la 2 la 10 µm) de țesut înghețat sunt tratate cu o soluție dintr-un substrat căruia îi este specifică această enzimă. În acele locuri în care se află enzima, se formează produsul reacției catalizate de această enzimă. Dacă produsul este colorat și insolubil, acesta rămâne la locul de formare și permite localizarea enzimei. Histoenzimologia oferă o imagine clară și, într-o anumită măsură, fiziologică a distribuției enzimelor.

Sistemele enzimatice ale enzimelor concentrate în structurile intracelulare sunt fin coordonate între ele. Interconectarea reactiilor catalizate de acestea asigura activitatea vitala a celulelor, organelor, tesuturilor si a organismului in ansamblu.

Când se studiază activitatea diferitelor enzime în țesuturile unui corp sănătos, se poate obține o imagine a distribuției lor. Se dovedește că unele enzime sunt larg distribuite în multe țesuturi, dar în concentrații diferite, în timp ce altele sunt foarte active în extractele obținute din unul sau mai multe țesuturi și sunt practic absente în alte țesuturi ale corpului.

Figura 8.19. Activitatea relativă a anumitor enzime în țesuturile umane, exprimată ca procent din activitatea în țesutul cu concentrația maximă a acestei enzime (Moss, Butterworth, 1978).

8.7.3. Conceptul de enzimopatii.În 1908, medicul englez Archibald Garrod a sugerat că cauza unui număr de boli poate fi absența oricăreia dintre enzimele cheie implicate în metabolism. El a introdus conceptul de „erori înnăscute ale metabolismului” (defect congenital al metabolismului). Ulterior, această teorie a fost confirmată de noi date obținute în domeniul biologiei moleculare și al biochimiei patologice.

Informațiile despre secvența de aminoacizi din lanțul polipeptidic al unei proteine ​​sunt înregistrate în secțiunea corespunzătoare a moleculei de ADN sub forma unei secvențe de fragmente de trinucleotide - tripleți sau codoni. Fiecare triplet codifică un anumit aminoacid. Această corespondență se numește cod genetic. Mai mult, unii aminoacizi pot fi codificați cu mai mulți codoni. Există, de asemenea, codoni speciali care sunt semnale pentru începutul sintezei lanțului polipeptidic și terminarea acestuia. Până în prezent, codul genetic a fost complet descifrat. Este universal pentru toate tipurile de organisme vii.

Realizarea informaţiei conţinute în molecula de ADN include mai multe etape. În primul rând, ARN-ul mesager (ARNm) este sintetizat în nucleul celulei în timpul transcripției și intră în citoplasmă. La rândul său, ARNm servește ca șablon pentru traducere - sinteza lanțurilor polipeptidice pe ribozomi. Astfel, natura bolilor moleculare este determinată de o încălcare a structurii și funcției acizilor nucleici și proteinelor controlate de aceștia.

8.7.4. Deoarece informațiile despre structura tuturor proteinelor dintr-o celulă sunt conținute în secvența nucleotidelor ADN și fiecare aminoacid este determinat de un triplet de nucleotide, o modificare a structurii primare a ADN-ului poate avea în cele din urmă un efect profund asupra proteinei sintetizate. . Astfel de modificări apar din cauza erorilor de replicare a ADN-ului, atunci când o bază azotată este înlocuită cu alta, fie ca urmare a radiațiilor, fie ca urmare a modificării chimice. Toate defectele moștenite care au apărut în acest fel sunt numite mutatii. Ele pot duce la interpretarea greșită a codului și ștergerea (pierderea) unui aminoacid cheie, înlocuirea unui aminoacid cu altul, oprirea prematură a sintezei proteinelor sau adăugarea de secvențe de aminoacizi. Luând în considerare dependența de ambalare spațială a unei proteine ​​de secvența liniară a aminoacizilor din ea, se poate presupune că astfel de defecte pot schimba structura proteinei și, prin urmare, funcția acesteia. Cu toate acestea, multe mutații se găsesc doar în laborator și nu afectează negativ funcția proteinelor. Astfel, punctul cheie este localizarea modificărilor în structura primară. Dacă poziția aminoacidului înlocuit este critică pentru formarea structurii terțiare și formarea situsului catalitic al enzimei, atunci mutația este gravă și se poate manifesta ca o boală.

Consecințele unei deficiențe a unei enzime în lanțul reacțiilor metabolice se pot manifesta în moduri diferite. Presupunem că transformarea compusului Aîn conexiune B catalizează o enzimă E si ce legatura C are loc pe o cale alternativă de transformare (Figura 8.20):

Figura 8.20. Schema căilor alternative de transformări biochimice.

Consecințele deficitului de enzime pot fi următoarele fenomene:

1. insuficiența produsului reacției enzimatice ( B). Ca exemplu, putem indica o scădere a glicemiei în unele forme de glicogenoză;
2. acumulare de materie A), a cărei conversie este catalizată de o enzimă (de exemplu, acidul homogentisic în alcaptonurie). În multe boli de depozitare lizozomale, substanțele care în mod normal suferă hidroliză în lizozomi se acumulează în ele din cauza deficienței uneia dintre enzime;
3. abaterea către o cale alternativă cu formarea unor compuși biologic activi ( C). Acest grup de fenomene include excreția urinară a acizilor fenilpiruvic și fenilactic, care se formează în corpul pacienților cu fenilcetonurie ca urmare a activării căilor auxiliare pentru descompunerea fenilalaninei.

Dacă conversia metabolică în ansamblu este reglementată de principiul feedback-ului produsului final, atunci efectele ultimelor două tipuri de anomalii vor fi mai semnificative. Deci, de exemplu, în porfirii (tulburări congenitale ale sintezei hemului), efectul copleșitor al hemului asupra reacțiilor inițiale de sinteză este eliminat, ceea ce duce la formarea unor cantități excesive de produși intermediari ai căii metabolice, care au un efect toxic asupra celulele pielii și ale sistemului nervos.

Factorii de mediu pot spori sau chiar determina complet manifestările clinice ale unor tulburări metabolice congenitale. De exemplu, mulți pacienți cu deficit de glucoză-6-fosfat dehidrogenază nu dezvoltă boală decât după ce au luat medicamente precum primachina. În absența contactului cu drogurile, astfel de oameni dau impresia că sunt sănătoși.

8.7.5. Deficiența enzimatică este de obicei apreciată indirect de o creștere a concentrației substanței inițiale, care în mod normal suferă transformări sub acțiunea acestei enzime (de exemplu, fenilalanina în fenilcetonurie). Determinarea directă a activității unor astfel de enzime se efectuează numai în centre specializate, dar dacă este posibil, diagnosticul trebuie confirmat prin această metodă. Diagnosticul prenatal (antenatal) al unor tulburări metabolice congenitale este posibil prin examinarea celulelor lichidului amniotic obținute în stadiile incipiente ale sarcinii și cultivate in vitro.

Unele tulburări metabolice înnăscute pot fi tratate prin administrarea metabolitului lipsă în organism sau prin limitarea aportului de precursori ai proceselor metabolice afectate în tractul gastrointestinal. Produsele acumulate (de exemplu, fierul din hemocromatoză) pot fi uneori îndepărtate.

8.7.1. În conținutul celular, enzimele nu sunt distribuite aleatoriu, ci strict ordonate. Cu ajutorul membranelor intracelulare, celula este împărțită în compartimente sau compartimente(Figura 8.18). În fiecare dintre ele se desfășoară procese biochimice strict definite și se concentrează enzimele sau complexele polienzimatice corespunzătoare. Iată câteva exemple tipice.

Figura 8.18. Distribuția intracelulară a enzimelor diferitelor căi metabolice.

Lizozomii conțin predominant o varietate de enzime hidrolitice. Aici au loc procesele de scindare a compușilor organici complecși în componentele lor structurale.

Mitocondriile conțin sisteme complexe de enzime redox.

Enzimele pentru activarea aminoacizilor sunt distribuite în hialoplasmă, dar sunt prezente și în nucleu. Hialoplasma conține numeroși metaboloni de glicoliză, combinați structural cu cei ai ciclului pentozei fosfat, ceea ce asigură relația dintre căile dihotomice și apotomice de descompunere a carbohidraților.

În același timp, enzimele care accelerează transferul reziduurilor de aminoacizi la capătul în creștere al lanțului polipeptidic și catalizează unele alte reacții în procesul de biosinteză a proteinelor sunt concentrate în aparatul ribozomal al celulei.

În nucleul celulei sunt localizate în principal nucleotidiltransferazele, accelerând transferul reziduurilor de nucleotide în timpul formării acizilor nucleici.

8.7.2. Distribuția enzimelor în organele subcelulare este studiată după fracționarea preliminară a omogenatelor celulare prin centrifugare de mare viteză, determinându-se conținutul de enzime din fiecare fracție.

Localizarea unei enzime date într-un țesut sau celulă poate fi adesea stabilită in situ prin metode histochimice ("histoenzimologie"). Pentru a face acest lucru, secțiuni subțiri (de la 2 la 10 µm) de țesut înghețat sunt tratate cu o soluție dintr-un substrat căruia îi este specifică această enzimă. În acele locuri în care se află enzima, se formează produsul reacției catalizate de această enzimă. Dacă produsul este colorat și insolubil, acesta rămâne la locul de formare și permite localizarea enzimei. Histoenzimologia oferă o imagine clară și, într-o anumită măsură, fiziologică a distribuției enzimelor.

Sistemele enzimatice ale enzimelor concentrate în structurile intracelulare sunt fin coordonate între ele. Interconectarea reactiilor catalizate de acestea asigura activitatea vitala a celulelor, organelor, tesuturilor si a organismului in ansamblu.

Când se studiază activitatea diferitelor enzime în țesuturile unui corp sănătos, se poate obține o imagine a distribuției lor. Se dovedește că unele enzime sunt larg distribuite în multe țesuturi, dar în concentrații diferite, în timp ce altele sunt foarte active în extractele obținute din unul sau mai multe țesuturi și sunt practic absente în alte țesuturi ale corpului.

Figura 8.19. Activitatea relativă a anumitor enzime în țesuturile umane, exprimată ca procent din activitatea în țesutul cu concentrația maximă a acestei enzime (Moss, Butterworth, 1978).

8.7.3. Conceptul de enzimopatii.În 1908, medicul englez Archibald Garrod a sugerat că cauza unui număr de boli poate fi absența oricăreia dintre enzimele cheie implicate în metabolism. El a introdus conceptul de „erori înnăscute ale metabolismului” (defect congenital al metabolismului). Ulterior, această teorie a fost confirmată de noi date obținute în domeniul biologiei moleculare și al biochimiei patologice.

Informațiile despre secvența de aminoacizi din lanțul polipeptidic al unei proteine ​​sunt înregistrate în secțiunea corespunzătoare a moleculei de ADN sub forma unei secvențe de fragmente de trinucleotide - tripleți sau codoni. Fiecare triplet codifică un anumit aminoacid. Această corespondență se numește cod genetic. Mai mult, unii aminoacizi pot fi codificați cu mai mulți codoni. Există, de asemenea, codoni speciali care sunt semnale pentru începutul sintezei lanțului polipeptidic și terminarea acestuia. Până în prezent, codul genetic a fost complet descifrat. Este universal pentru toate tipurile de organisme vii.

Realizarea informaţiei conţinute în molecula de ADN include mai multe etape. În primul rând, ARN-ul mesager (ARNm) este sintetizat în nucleul celulei în timpul transcripției și intră în citoplasmă. La rândul său, ARNm servește ca șablon pentru traducere - sinteza lanțurilor polipeptidice pe ribozomi. Astfel, natura bolilor moleculare este determinată de o încălcare a structurii și funcției acizilor nucleici și proteinelor controlate de aceștia.

8.7.4. Deoarece informațiile despre structura tuturor proteinelor dintr-o celulă sunt conținute în secvența nucleotidelor ADN și fiecare aminoacid este determinat de un triplet de nucleotide, o modificare a structurii primare a ADN-ului poate avea în cele din urmă un efect profund asupra proteinei sintetizate. . Astfel de modificări apar din cauza erorilor de replicare a ADN-ului, atunci când o bază azotată este înlocuită cu alta, fie ca urmare a radiațiilor, fie ca urmare a modificării chimice. Toate defectele moștenite care au apărut în acest fel sunt numite mutatii. Ele pot duce la interpretarea greșită a codului și ștergerea (pierderea) unui aminoacid cheie, înlocuirea unui aminoacid cu altul, oprirea prematură a sintezei proteinelor sau adăugarea de secvențe de aminoacizi. Luând în considerare dependența de ambalare spațială a unei proteine ​​de secvența liniară a aminoacizilor din ea, se poate presupune că astfel de defecte pot schimba structura proteinei și, prin urmare, funcția acesteia. Cu toate acestea, multe mutații se găsesc doar în laborator și nu afectează negativ funcția proteinelor. Astfel, punctul cheie este localizarea modificărilor în structura primară. Dacă poziția aminoacidului înlocuit este critică pentru formarea structurii terțiare și formarea situsului catalitic al enzimei, atunci mutația este gravă și se poate manifesta ca o boală.

Consecințele unei deficiențe a unei enzime în lanțul reacțiilor metabolice se pot manifesta în moduri diferite. Presupunem că transformarea compusului Aîn conexiune B catalizează o enzimă E si ce legatura C are loc pe o cale alternativă de transformare (Figura 8.20):

Figura 8.20. Schema căilor alternative de transformări biochimice.

Consecințele deficitului de enzime pot fi următoarele fenomene:

1. insuficiența produsului reacției enzimatice ( B). Ca exemplu, putem indica o scădere a glicemiei în unele forme de glicogenoză;
2. acumulare de materie A), a cărei conversie este catalizată de o enzimă (de exemplu, acidul homogentisic în alcaptonurie). În multe boli de depozitare lizozomale, substanțele care în mod normal suferă hidroliză în lizozomi se acumulează în ele din cauza deficienței uneia dintre enzime;
3. abaterea către o cale alternativă cu formarea unor compuși biologic activi ( C). Acest grup de fenomene include excreția urinară a acizilor fenilpiruvic și fenilactic, care se formează în corpul pacienților cu fenilcetonurie ca urmare a activării căilor auxiliare pentru descompunerea fenilalaninei.

Dacă conversia metabolică în ansamblu este reglementată de principiul feedback-ului produsului final, atunci efectele ultimelor două tipuri de anomalii vor fi mai semnificative. Deci, de exemplu, în porfirii (tulburări congenitale ale sintezei hemului), efectul copleșitor al hemului asupra reacțiilor inițiale de sinteză este eliminat, ceea ce duce la formarea unor cantități excesive de produși intermediari ai căii metabolice, care au un efect toxic asupra celulele pielii și ale sistemului nervos.

Factorii de mediu pot spori sau chiar determina complet manifestările clinice ale unor tulburări metabolice congenitale. De exemplu, mulți pacienți cu deficit de glucoză-6-fosfat dehidrogenază nu dezvoltă boală decât după ce au luat medicamente precum primachina. În absența contactului cu drogurile, astfel de oameni dau impresia că sunt sănătoși.

8.7.5. Deficiența enzimatică este de obicei apreciată indirect de o creștere a concentrației substanței inițiale, care în mod normal suferă transformări sub acțiunea acestei enzime (de exemplu, fenilalanina în fenilcetonurie). Determinarea directă a activității unor astfel de enzime se efectuează numai în centre specializate, dar dacă este posibil, diagnosticul trebuie confirmat prin această metodă. Diagnosticul prenatal (antenatal) al unor tulburări metabolice congenitale este posibil prin examinarea celulelor lichidului amniotic obținute în stadiile incipiente ale sarcinii și cultivate in vitro.

Unele tulburări metabolice înnăscute pot fi tratate prin administrarea metabolitului lipsă în organism sau prin limitarea aportului de precursori ai proceselor metabolice afectate în tractul gastrointestinal. Produsele acumulate (de exemplu, fierul din hemocromatoză) pot fi uneori îndepărtate.

Chimie biologică Lelevich Vladimir Valeryanovich

Locul activ al enzimei

Locul activ al enzimei

Partea moleculei de enzimă care interacționează în mod specific cu substratul se numește situs activ. Centrul activ este o combinație unică de reziduuri de aminoacizi din molecula de enzimă, care asigură interacțiunea directă a acesteia cu molecula substrat și este direct implicată în actul de cataliză. În enzimele complexe, centrul activ include și un cofactor. În centrul activ, se disting în mod convențional un situ catalitic, care intră direct în interacțiune chimică cu substratul și un loc de legare, care oferă afinitate specifică pentru substrat și formarea complexului său cu enzima.

Proprietățile situsurilor active ale enzimelor:

1. Centrul activ reprezintă o parte relativ mică din volumul total al enzimei.

2. Centrul activ are forma unei depresiuni înguste sau a unei fante în globul enzimatic.

3. Centrul activ este o formațiune tridimensională, la formarea căreia participă grupuri funcționale de aminoacizi liniar distanță unul de celălalt.

4. Substraturile se leagă relativ slab de locul activ.

5. Specificitatea legării substratului depinde de un aranjament strict definit de atomi și grupări funcționale în situsul activ.

Unele enzime de reglare au un alt centru numit alosteric sau de reglare. Este separat spațial de site-ul activ.

Un centru alosteric este o secțiune a unei molecule de enzimă cu care se leagă anumite substanțe cu greutate moleculară mică (regulatori alosterici), ale căror molecule nu sunt similare ca structură cu substratul. Atașarea regulatorului la centrul alosteric duce la o modificare a structurii terțiare și cuaternare a moleculei enzimatice și, în consecință, la conformarea centrului activ, determinând o scădere sau creștere a activității enzimatice.