Aktiv sida
Inom biologi och biokemi är den aktiva platsen den region av ett enzym där substratmolekyler binder och genomgår en kemisk reaktion . Det aktiva stället består av aminosyrarester som bildar tillfälliga bindningar med substratet ( bindningsställe ) och rester som katalyserar en reaktion av det substratet (katalytiskt ställe). Även om det aktiva stället endast upptar ~10–20% av volymen av ett enzym, är det den viktigaste delen eftersom den direkt katalyserar den kemiska reaktionen . Det består vanligtvis av tre till fyra aminosyror, medan andra aminosyror i proteinet krävs för att bibehålla enzymernas tertiära struktur .
Varje aktiv plats är utvecklad för att optimeras för att binda ett visst substrat och katalysera en viss reaktion, vilket resulterar i hög specificitet . Denna specificitet bestäms av arrangemanget av aminosyror inom det aktiva stället och strukturen av substraten. Ibland behöver enzymer också binda med vissa kofaktorer för att fylla sin funktion. Det aktiva stället är vanligtvis en skåra eller ficka av enzymet som kan placeras i en djup tunnel inuti enzymet, eller mellan gränsytan mellan multimera enzymer . Ett aktivt ställe kan katalysera en reaktion upprepade gånger eftersom rester inte förändras i slutet av reaktionen (de kan förändras under reaktionen, men regenereras i slutet). Denna process uppnås genom att sänka reaktionens aktiveringsenergi , så att fler substrat har tillräckligt med energi för att genomgå reaktion.
Bindande webbplats
Vanligtvis har en enzymmolekyl bara två aktiva platser, och de aktiva platserna passar med en specifik typ av substrat. Ett aktivt ställe innehåller ett bindningsställe som binder substratet och orienterar det för katalys. Orienteringen av substratet och närheten mellan det och det aktiva stället är så viktigt att enzymet i vissa fall fortfarande kan fungera korrekt även om alla andra delar är muterade och förlorar funktion.
Initialt är interaktionen mellan det aktiva stället och substratet icke-kovalent och övergående. Det finns fyra viktiga typer av interaktion som håller substratet i en definierad orientering och bildar ett enzym-substratkomplex (ES-komplex): vätebindningar , van der Waals-interaktioner , hydrofoba interaktioner och elektrostatiska kraftinteraktioner . Laddningsfördelningen på substratet och den aktiva platsen måste vara komplementär, vilket innebär att alla positiva och negativa laddningar måste elimineras. Annars kommer det att finnas en frånstötande kraft som trycker isär dem. Det aktiva stället innehåller vanligtvis opolära aminosyror, även om ibland också polära aminosyror kan förekomma. Bindningen av substrat till bindningsstället kräver minst tre kontaktpunkter för att uppnå stereo-, regio- och enantioselektivitet. Till exempel, alkoholdehydrogenas som katalyserar överföringen av en hydridjon från etanol till NAD + interagerar med substratet metylgrupp , hydroxylgrupp och pro- (R) -väte som kommer att absorberas under reaktionen.
För att kunna utöva sin funktion måste enzymer anta sin korrekta proteinveckning ( native fold ) och tertiära struktur . För att bibehålla denna definierade tredimensionella struktur förlitar sig proteiner på olika typer av interaktioner mellan deras aminosyrarester. Om dessa interaktioner störs, till exempel av extrema pH-värden, hög temperatur eller höga jonkoncentrationer, kommer detta att göra att enzymet denaturerar och förlorar sin katalytiska aktivitet.
En tätare passning mellan ett aktivt ställe och substratmolekylen tros öka effektiviteten av en reaktion. Om tätheten mellan det aktiva stället för DNA-polymeras och dess substrat ökar, kommer troheten, vilket innebär att den korrekta hastigheten för DNA-replikation också att öka. De flesta enzymer har djupt begravda aktiva platser, som kan nås av ett substrat via åtkomstkanaler.
Det finns tre föreslagna modeller för hur enzymer passar deras specifika substrat: lås- och nyckelmodellen , modellen för inducerad passform och den konformationella urvalsmodellen. De två sistnämnda utesluter inte varandra: konformationellt urval kan följas av en förändring i enzymets form. Dessutom kanske ett protein inte helt följer någon av modellerna. Aminosyror vid bindningsstället för ubiquitin följer i allmänhet den inducerade passformsmodellen, medan resten av proteinet i allmänhet ansluter sig till konformationellt urval. Faktorer som temperatur påverkar sannolikt vägen som tas under bindning, med högre temperaturer som förutspås öka vikten av konformationellt urval och minska den för inducerad passform.
Lås och nyckel-hypotes
Detta koncept föreslogs av 1800-talets kemist Emil Fischer . Han föreslog att den aktiva platsen och substratet är två stabila strukturer som passar perfekt utan någon ytterligare modifiering, precis som en nyckel passar in i ett lås. Om ett substrat perfekt binder till sitt aktiva ställe, kommer interaktionerna mellan dem att vara starkast, vilket resulterar i hög katalytisk effektivitet.
Allt eftersom tiden gick började begränsningar för denna modell dyka upp. Till exempel kan den kompetitiva enzymhämmaren metylglukosid binda tätt till det aktiva stället för 4-alfa-glukanotransferas och passar perfekt in i det. Emellertid är 4-alfa-glukanotransferas inte aktivt på metylglukosid och ingen glykosylöverföring sker. Lock and Key-hypotesen kan inte förklara detta, eftersom den skulle förutsäga en hög effektivitet av metylglukosidglykosylöverföring på grund av dess täta bindning. Förutom kompetitiv hämning kan denna teori inte heller förklara verkningsmekanismen för icke-konkurrerande hämmare , eftersom de inte binder till det aktiva stället men ändå påverkar katalytisk aktivitet.
Hypotes om inducerad passform
Daniel Koshlands teori om enzym-substratbindning är att det aktiva stället och bindningsdelen av substratet inte är exakt komplementära. Modellen för inducerad passform är en utveckling av lås-och-nyckel-modellen och antar att en aktiv plats är flexibel och ändrar form tills substratet är helt bundet. Denna modell liknar en person som bär en handske: handsken ändrar form för att passa handen. Enzymet har initialt en konformation som attraherar dess substrat. Enzymytan är flexibel och endast rätt katalysator kan inducera interaktion som leder till katalys. Konformationsförändringar kan då inträffa när substratet binds. Efter reaktionen kommer produkterna att flytta bort från enzymet och det aktiva stället återgår till sin ursprungliga form. Denna hypotes stöds av observationen att hela proteindomänen kan röra sig flera nanometer under katalys. Denna rörelse av proteinytan kan skapa mikromiljöer som gynnar katalysen.
Konformationell urvalshypotes
Denna modell antyder att enzymer existerar i en mängd olika konformationer, av vilka endast några kan binda till ett substrat. När ett substrat är bundet till proteinet skiftar jämvikten i den konformationella ensemblen mot de som kan binda ligander (eftersom enzymer med bundna substrat avlägsnas från jämvikten mellan de fria konformationerna).
Typer av icke-kovalenta interaktioner
Elektrostatisk interaktion : I en vattenhaltig miljö attraherar de motsatt laddade grupperna i aminosyrasidokedjorna inom det aktiva stället och substraten varandra, vilket kallas elektrostatisk interaktion. Till exempel, när en karboxylsyra (R-COOH) dissocierar i RCOO- och H + -joner, kommer COO- att attrahera positivt laddade grupper såsom protonerad guanidinsidokedja av arginin .
Vätebindning : En vätebindning är en specifik typ av dipol-dipol-interaktion mellan en delvis positiv väteatom och en delvis negativ elektrondonator som innehåller ett par elektroner som syre , fluor och kväve . Styrkan hos vätebindningen beror på den kemiska naturen och geometriska arrangemanget för varje grupp.
Van der Waals kraft : Van der Waals kraft bildas mellan motsatt laddade grupper på grund av transient ojämn elektronfördelning i varje grupp. Om alla elektroner är koncentrerade till en pol av gruppen kommer denna ände att vara negativ, medan den andra änden kommer att vara positiv. Även om den individuella kraften är svag, eftersom det totala antalet interaktioner mellan den aktiva platsen och substratet är massiv kommer summan av dem att vara signifikant.
Hydrofob interaktion : Icke-polära hydrofoba grupper tenderar att aggregeras i den vattenhaltiga miljön och försöker lämna polärt lösningsmedel. Dessa hydrofoba grupper har vanligtvis lång kolkedja och reagerar inte med vattenmolekyler. När den löses i vatten kommer en proteinmolekyl att krypa ihop sig till en bollliknande form och lämna hydrofila grupper utanför medan hydrofoba grupper är djupt begravda i mitten.
Katalytisk webbplats
När väl substratet är bundet och orienterat till det aktiva stället kan katalys påbörjas. Resterna av det katalytiska stället är typiskt mycket nära bindningsstället, och vissa rester kan ha dubbla roller i både bindning och katalys.
Katalytiska rester av platsen interagerar med substratet för att sänka aktiveringsenergin för en reaktion och därigenom få den att fortskrida snabbare . De gör detta genom ett antal olika mekanismer inklusive approximation av reaktanterna, nukleofil/elektrofil katalys och syra/bas-katalys. Dessa mekanismer kommer att förklaras nedan.
Mekanismer involverade i den katalytiska processen
Approximation av reaktanten
Under enzymkatalytisk reaktion förs substratet och det aktiva stället samman i omedelbar närhet. Detta tillvägagångssätt har olika syften. För det första, när substrat binder inom det aktiva stället ökar den effektiva koncentrationen av det signifikant än i lösning. Detta innebär att antalet substratmolekyler som är involverade i reaktionen också ökar. Denna process minskar också den upplösningsenergi som krävs för att reaktionen ska inträffa. I lösning är substratmolekyler omgivna av lösningsmedelsmolekyler och energi krävs för att enzymmolekyler ska ersätta dem och komma i kontakt med substratet. Eftersom bulkmolekyler kan uteslutas från det aktiva stället kan denna energiutmatning minimeras. Därefter är det aktiva stället utformat för att omorientera substratet för att reducera aktiveringsenergin för att reaktionen ska inträffa. Inriktningen av substratet, efter bindning, är låst i ett högenergitillstånd och kan fortsätta till nästa steg. Dessutom gynnas denna bindning av entropi eftersom energikostnaden förknippad med lösningsreaktion i stort sett elimineras eftersom lösningsmedel inte kan komma in i det aktiva stället. I slutändan kan det aktiva stället manipulera substratets molekylära orbital till en lämplig orientering för att minska aktiveringsenergin.
De elektrostatiska tillstånden för substrat och aktiv plats måste vara komplementära till varandra. En polariserad negativt laddad aminosyrasidokedja kommer att stöta bort oladdat substrat. Men om övergångstillståndet involverar bildandet av ett joncentrum kommer sidokedjan nu att producera en gynnsam interaktion.
Kovalent katalys
Många enzymer inklusive serinproteas , cysteinproteas , proteinkinas och fosfatas utvecklades för att bilda övergående kovalenta bindningar mellan dem och deras substrat för att sänka aktiveringsenergin och tillåta reaktionen att inträffa. Denna process kan delas in i 2 steg: bildning och nedbrytning. Det förra steget är hastighetsgränssteg medan det senare steget behövs för att regenerera intakt enzym.
Nukleofil katalys : Denna process involverar donation av elektroner från enzymets nukleofil till ett substrat för att bilda en kovalent bindning mellan dem under övergångstillståndet. Styrkan i denna interaktion beror på två aspekter: förmågan hos den nukleofila gruppen att donera elektroner och elektrofilen att acceptera dem. Den förra påverkas huvudsakligen av artens basicitet (förmågan att donera elektronpar) medan den senare beror på dess p Ka . Båda grupperna påverkas också av deras kemiska egenskaper såsom polariserbarhet , elektronegativitet och joniseringspotential . Aminosyror som kan bilda nukleofil inklusive serin , cystein , aspartat och glutamin .
Elektrofil katalys : Mekanismen bakom denna process är exakt densamma som nukleofil katalys förutom att nu aminosyror på det aktiva stället fungerar som elektrofil medan substrat är nukleofiler . Denna reaktion kräver vanligtvis kofaktorer eftersom aminosyrasidokedjorna inte är tillräckligt starka för att attrahera elektroner.
Metalljoner
Metalljoner har flera roller under reaktionen. För det första kan det binda till negativt laddade substratgrupper så att de inte kommer att stöta bort elektronpar från aktiva ställets nukleofila grupper. Det kan attrahera negativt laddade elektroner för att öka elektrofilicitet. Det kan också överbrygga mellan aktiv plats och substrat. Äntligen kan de ändra substratets konformationsstruktur för att gynna reaktionen.
Syra/bas-katalys
I vissa reaktioner kan protoner och hydroxid direkt agera som syra och bas i form av specifik syra- och specifik baskatalys. Men oftare fungerar grupper i substrat och aktiv plats som Brønsted-Lowry-syra och bas. Detta kallas allmän syra- och allmän basteori. Det enklaste sättet att skilja mellan dem är att kontrollera om reaktionshastigheten bestäms av koncentrationerna av den allmänna syran och basen. Om svaret är ja är reaktionen den allmänna typen. Eftersom de flesta enzymer har ett optimalt pH på 6 till 7, har aminosyrorna pK a i sidokedjan vanligtvis ett på 4~10. Kandidater inkluderar aspartat , glutamat , histidin , cystein . Dessa syror och baser kan stabilisera nukleofilen eller elektrofilen som bildas under katalysen genom att tillhandahålla positiva och negativa laddningar.
Konformationsförvrängning
Kvantitativa studier av enzymatiska reaktioner fann ofta att accelerationen av kemisk reaktionshastighet inte helt kan förklaras av existerande teorier som approximation, syra/bas-katalys och elektrofil/nukleofil katalys. Och det finns en uppenbar paradox: i en reversibel enzymatisk reaktion, om det aktiva stället perfekt passar substraten, bakåtreaktionen att bromsas eftersom produkterna inte kan passa perfekt in i det aktiva stället. Så konformationsförvrängning introducerades och hävdar att både aktiv plats och substrat kan genomgå konformationsförändringar för att passa med varandra hela tiden.
Förorganiserad aktiv platskomplementaritet till övergångsläget
Denna teori är lite lik lås- och nyckelteorin, men vid denna tidpunkt är den aktiva platsen förprogrammerad för att binda perfekt till substrat i övergångstillstånd snarare än i grundtillstånd. Bildandet av övergångstillstånd i lösningen kräver en stor mängd energi för att flytta lösningsmedelsmolekyler och reaktionen bromsas. Så det aktiva stället kan ersätta lösningsmedelsmolekyler och omge substraten för att minimera den kontraproduktiva effekten som lösningen utsätter. Närvaron av laddade grupper med det aktiva stället kommer att attrahera substrat och säkerställa elektrostatisk komplementaritet.
Exempel på enzymkatalysmekanismer
I verkligheten involverar de flesta enzymmekanismer en kombination av flera olika typer av katalys.
Glutationreduktas
Rollen för glutation (GSH) är att avlägsna ackumulerade reaktiva syreämnen som kan skada celler. Under denna process oxideras dess tiolsidokedja och två glutationmolekyler är sammankopplade med en disulfidbindning för att bilda en dimer ( GSSG). För att regenerera glutation måste disulfidbindningen brytas. I mänskliga celler görs detta av glutationreduktas (GR).
Glutationreduktas är en dimer som innehåller två identiska subenheter. Det kräver en NADP och en FAD som kofaktorer . Den aktiva platsen är belägen i länken mellan två underenheter. NADPH är involverad i genereringen av FADH-. I det aktiva stället finns det två cysteinrester förutom FAD-kofaktorn och används för att bryta disulfidbindningen under den katalytiska reaktionen. NADPH är bunden av tre positivt laddade rester: Arg-218, His-219 och Arg-224.
Den katalytiska processen startar när FAD reduceras med NADPH för att acceptera en elektron och från FADH − . Den angriper sedan disulfidbindningen som bildas mellan 2 cysteinrester och bildar en SH-bindning och en enda S- grupp . Denna S - grupp kommer att fungera som en nukleofil för att attackera disulfidbindningen i det oxiderade glutation (GSSG), bryta det och bilda ett cystein-SG-komplex. Den första SG - anjonen frigörs och tar sedan emot en proton från intilliggande SH-grupp och från den första glutationmonomeren. Därefter angriper den intilliggande S - gruppen disulfidbindning i cystein-SG-komplex och frigör den andra SG - anjonen. Den tar emot en proton i lösning och bildar den andra glutationmonomeren.
Kymotrypsin
Kymotrypsin är ett serinendopeptidas som finns i bukspottkörteljuice och hjälper till att hydrolysen av proteiner och peptider . Det katalyserar hydrolysen av peptidbindningar i L-isomerer av tyrosin , fenylalanin och tryptofan . I det aktiva stället för detta enzym arbetar tre aminosyrarester tillsammans för att bilda en katalytisk triad som utgör det katalytiska stället. I kymotrypsin är dessa rester Ser-195, His-57 och Asp-102.
Mekanismen för kymotrypsin kan delas in i två faser. Först angriper Ser-195 nukleofilt peptidbindningskolet i substratet för att bilda en tetraedrisk mellanprodukt. Nukleofilicitet för Ser-195 förstärks av His-57, som abstraherar en proton från Ser-195 och stabiliseras i sin tur av den negativt laddade karboxylatgruppen (RCOO - ) i Asp-102. Vidare stabiliseras den tetraedriska oxianjon -mellanprodukten som genereras i detta steg av vätebindningar från Ser-195 och Gly-193.
I det andra steget protoneras R'NH-gruppen av His-57 för att bilda R'NH 2 och lämnar mellanprodukten och lämnar den acylerade Ser-195 efter sig. His-57 fungerar sedan som en bas igen för att abstrahera en proton från en vattenmolekyl. Den resulterande hydroxidanjonen angriper nukleofilt acyl-enzymkomplexet för att bilda en andra tetraedrisk oxianjonmellanprodukt, som återigen stabiliseras av H-bindningar. Till slut lämnar Ser-195 den tetraedriska mellanprodukten och bryter CO-bindningen som kopplade enzymet till peptidsubstratet. En proton överförs till Ser-195 genom His-57, så att alla tre aminosyrorna återgår till sitt ursprungliga tillstånd.
Obindande
Avbindning av underlaget påverkas av olika faktorer. Större ligander stannar i allmänhet längre på det aktiva stället, liksom de med mer roterbara bindningar (även om detta kan vara en bieffekt av storlek). När lösningsmedlet utesluts från det aktiva stället resulterar mindre flexibla proteiner i längre uppehållstider . Fler vätebindningar som skyddas från lösningsmedlet minskar också obindningen.
Kofaktorer
Enzymer kan använda kofaktorer som "hjälparmolekyler". Koenzymer hänvisas till de icke-proteinmolekyler som binder med enzymer för att hjälpa dem att utföra sina jobb. Oftast är de anslutna till det aktiva stället genom icke-kovalenta bindningar såsom vätebindning eller hydrofob interaktion . Men ibland kan också en kovalent bindning bildas mellan dem. Till exempel hemen i cytokrom C bunden till proteinet genom tioesterbindning . I vissa tillfällen kan koenzymer lämna enzymer efter att reaktionen är klar. Annars binder de permanent till enzymet. Koenzym är ett brett begrepp som inkluderar metalljoner, olika vitaminer och ATP . Om ett enzym behöver koenzym för att fungera, kallas det ett apoenzym. Faktum är att den ensam inte kan katalysera reaktioner ordentligt. Först när dess kofaktor kommer in och binder till det aktiva stället för att bilda holoenzym fungerar det korrekt.
Ett exempel på koenzymet är Flavin . Den innehåller ett distinkt konjugerat isoalloxazinringsystem. Flavin har flera redoxtillstånd och kan användas i processer som involverar överföring av en eller två elektroner. Det kan fungera som en elektronacceptor i reaktion, som oxidation av NAD till NADH, för att acceptera två elektroner och bilda 1,5-dihydroflavin. Å andra sidan kan den bilda semikinon ( fri radikal ) genom att acceptera en elektron och sedan omvandlas till helt reducerad form genom att lägga till en extra elektron. Denna egenskap gör att den kan användas i en elektronoxidationsprocess.
Inhibitorer
Inhibitorer stör interaktionen mellan enzym och substrat, vilket saktar ner hastigheten för en reaktion. Det finns olika typer av inhibitorer, inklusive både reversibla och irreversibla former.
Konkurrerande hämmare är hämmare som endast riktar sig mot fria enzymmolekyler. De konkurrerar med substrat om fri enzymacceptor och kan övervinnas genom att öka substratkoncentrationen. De har två mekanismer. Konkurrerande inhibitorer har vanligtvis strukturella likheter med substraten och eller ES-komplexet. Som ett resultat kan de passa in i den aktiva platsen och utlösa gynnsamma interaktioner för att fylla ut utrymmet och blockera substrat från att komma in. De kan också inducera övergående konformationsförändringar i det aktiva stället så att substrat inte kan passa perfekt med det. Efter en kort tidsperiod kommer konkurrerande inhibitorer att falla av och lämna enzymet intakt.
Inhibitorer klassificeras som icke-kompetitiva hämmare när de binder både fritt enzym och ES-komplex. Eftersom de inte konkurrerar med substrat om det aktiva stället, kan de inte övervinnas genom att helt enkelt öka substratkoncentrationen. De binder vanligtvis till ett annat ställe på enzymet och ändrar den 3-dimensionella strukturen av det aktiva stället för att blockera substrat från att komma in i eller lämna enzymet.
Irreversibla inhibitorer liknar kompetitiva inhibitorer eftersom de båda binder till det aktiva stället. Men irreversibla inhibitorer bildar irreversibla kovalenta bindningar med aminosyraresterna i det aktiva stället och lämnar aldrig. Därför är den aktiva platsen upptagen och substratet kan inte komma in. Ibland kommer inhibitorn att lämna men det katalytiska stället förändras permanent i form. Dessa inhibitorer innehåller vanligtvis elektrofila grupper som halogensubstitut och epoxider . Allt eftersom tiden går binds fler och fler enzymer av irreversibla inhibitorer och kan inte längre fungera.
| Exempel | Binder aktiv sida? | Minskar reaktionshastigheten? | |
|---|---|---|---|
| Konkurrenskraftig reversibel inhibitor | HIV-proteashämmare | Ja | Ja |
| Icke-konkurrenskraftig reversibel inhibitor | Tungmetaller som bly och kvicksilver | Nej | Ja |
| Irreversibel inhibitor | Cyanid | Ja | Ja |
Exempel på kompetitiva och irreversibla enzymhämmare
Kompetitiv hämmare: HIV-proteashämmare
HIV-proteashämmare används för att behandla patienter med AIDS- virus genom att förhindra dess DNA-replikation . HIV-proteas används av viruset för att klyva Gag-Pol-polyprotein till 3 mindre proteiner som är ansvariga för virionsammansättning, förpackning och mognad. Detta enzym riktar sig mot det specifika för fenylalanin - prolin i målproteinet. Om HIV-proteas stängs av kommer virionpartikeln att förlora funktion och kan inte infektera patienter. Eftersom det är väsentligt i viral replikation och saknas hos friska människor, är det ett idealiskt mål för läkemedelsutveckling.
HIV-proteas tillhör familjen asparaginprotein och har en liknande mekanism. För det första aspartatresten en vattenmolekyl och förvandlar den till en nukleofil . Sedan attackerar den karbonylgruppen inom peptidbindningen (NH-CO) för att bilda en tetraedrisk mellanprodukt. Kväveatomen i mellanprodukten tar emot en proton, bildar en amidgrupp och efterföljande omarrangemang leder till att bindningen mellan den och mellanprodukten bryts ner och bildar två produkter.
Inhibitorer innehåller vanligtvis en icke-hydrolyserbar hydroxietylen- eller hydroxietylamingrupper som efterliknar den tetraedriska mellanprodukten. Eftersom de delar en liknande struktur och elektrostatiskt arrangemang till övergångstillståndet för substrat kan de fortfarande passa in i det aktiva stället men kan inte brytas ner, så hydrolys kan inte inträffa.
Icke-kompetitiv hämmare: Strychnine
Strychnin är ett neurotoxin som orsakar dödsfall genom att påverka nerver som kontrollerar muskelsammandragning och orsakar andningssvårigheter. Impulsen överförs mellan synapsen genom en signalsubstans som kallas acetylkolin . Det släpps ut i synapsen mellan nervceller och binder till receptorer i den postsynaptiska cellen. Sedan genereras en aktionspotential och överförs genom den postsynaptiska cellen för att starta en ny cykel.
Glycin kan hämma aktiviteten hos neurotransmittorreceptorer, så det krävs en större mängd acetylkolinesteras för att utlösa en aktionspotential. Detta säkerställer att genereringen av nervimpulser är noggrant kontrollerad. Denna kontroll bryts dock ner när stryknin tillsätts. Det hämmar glycinreceptorer (en kloridkanal ) och en mycket lägre nivå av neurotransmittorkoncentration kan utlösa en aktionspotential. Nerver sänder nu ständigt signaler och orsakar överdriven muskelsammandragning, vilket leder till kvävning och död.
Irreversibel inhibitor: Diisopropylfluorofosfat
Diisopropylfluorofosfat (DIFP) är en irreversibel hämmare som blockerar verkan av serinproteas . När det binder till enzymet uppstår en nukleofil substitutionsreaktion och frigör en vätefluoridmolekyl . OH-gruppen i det aktiva stället fungerar som en nukleofil för att attackera fosforn i DIFP och bilda en tetraedrisk mellanprodukt och frigöra en proton. Sedan bryts PF-bindningen, en elektron överförs till F-atomen och den lämnar mellanprodukten som F − anjon . Den kombineras med en proton i lösning för att bilda en HF-molekyl. En kovalent bindning bildas mellan det aktiva stället och DIFP, så serinsidokedjan är inte längre tillgänglig för substratet.
I drogupptäckten
Identifiering av aktiva platser är avgörande i processen för upptäckt av läkemedel . Enzymets 3D-struktur analyseras för att identifiera rester av det aktiva stället och designa läkemedel som kan passa in i dem. Proteolytiska enzymer är måltavlor för vissa läkemedel, såsom proteashämmare, som inkluderar läkemedel mot AIDS och högt blodtryck. Dessa proteashämmare binder till ett enzyms aktiva ställe och blockerar interaktion med naturliga substrat. En viktig faktor i läkemedelsdesign är styrkan av bindning mellan det aktiva stället och en enzyminhibitor. Om enzymet som finns i bakterier skiljer sig väsentligt från det mänskliga enzymet kan en hämmare utformas mot just den bakterien utan att skada det mänskliga enzymet. Om en sorts enzym bara finns i en sorts organism, kan dess inhibitor användas för att specifikt utplåna dem.
Aktiva platser kan kartläggas för att underlätta utformningen av nya läkemedel såsom enzymhämmare. Detta involverar beskrivningen av storleken på ett aktivt ställe och antalet och egenskaperna hos underställen, såsom detaljer om bindningsinteraktionen. Modern databasteknik som kallas CPASS (Comparison of Protein Active Site Structures) tillåter dock jämförelse av aktiva platser mer i detalj och upptäckt av strukturella likheter med hjälp av programvara.
Applicering av enzyminhibitorer
| Exempel | Handlingsmekanism | |
|---|---|---|
| Antibakteriellt medel | Penicillin | Den bakteriella cellväggen består av peptidoglykan . Under bakterietillväxt bryts den nuvarande tvärbindningen av peptidoglykanfiber, så ny cellväggsmonomer kan integreras i cellväggen. Penicillin verkar genom att hämma transpeptidaset som är nödvändigt för bildandet av tvärbindningar, så cellväggen försvagas och kommer att spricka upp på grund av turgortrycket . |
| Antisvampmedel | Azole | Ergosterol är en sterol som bildar svamparnas cellytemembran . Azol kan hämma dess biosyntes genom att hämma Lanosterol 14 alfa-demetylas , så ingen ny ergosterol produceras och skadlig 14α-lanosterol ackumuleras i cellen. Dessutom kan azol generera reaktiva syreämnen . |
| Antiviralt medel | Saquinavir | HIV-proteas behövs för att klyva Gag-Pol-polyprotein till 3 individuella proteiner så att de kan fungera korrekt och starta en viral packningsprocess. HIV-proteashämmare som Saquinavir hämmar det så inga nya mogna virala partiklar kan skapas. |
| Insekticider | Fysiostigmin | I djurens nervsystem krävs acetylkolinesteras för att bryta ner signalsubstansen acetylkolin till acetat och kolin . Fysiostigmin binder till sitt aktiva ställe och hämmar det, så impulssignaler kan inte överföras via nerver. Detta resulterar i att insekter dör eftersom de tappar kontrollen över muskel- och hjärtfunktionen. |
| Herbicider | Cyklohexandion | Cyklohexandion riktar sig mot Acetyl-CoA-karboxylaset som är involverat i det första steget av fettsyntesen: ATP-beroende karboxylering av acetyl-CoA till malonyl-CoA . Lipider är viktiga för att bygga upp cellmembranet. |
Allosteriska webbplatser
Ett allosteriskt ställe är ett ställe på ett enzym, som inte är relaterat till dess aktiva ställe, som kan binda en effektormolekyl. Denna interaktion är en annan mekanism för enzymreglering. Allosterisk modifiering sker vanligtvis i proteiner med mer än en subenhet. Allosteriska interaktioner är ofta närvarande i metabola vägar och är fördelaktiga genom att de tillåter ett steg i en reaktion att reglera ett annat steg. De tillåter ett enzym att ha en rad molekylära interaktioner, andra än det mycket specifika aktiva stället.
Se även
Vidare läsning
- Alan Fersht, Structure and Mechanism in Protein Science: A Guide to Enzyme Catalysis and Protein Folding. WH Freeman, 1998. ISBN 0-7167-3268-8
- Bugg, T. Introduktion till enzym- och koenzymkemi. (2:a upplagan), Blackwell Publishing Limited, 2004. ISBN 1-4051-1452-5 .