Do hydrolaz są enzymami, które są odpowiedzialne za hydrolizę różnych rodzajów wiązań chemicznych w wielu różnych związków. Wśród głównych wiązań, które hydrolizują, są wiązania estrowe, glikozydowe i peptydowe.
W grupie hydrolaz sklasyfikowano ponad 200 różnych enzymów, zgrupowanych w co najmniej 13 osobnych zestawach; ich klasyfikacja jest zasadniczo oparta na rodzaju związku chemicznego, który służy jako ich substrat.
Graficzne modelowanie struktury hydrolazy za pomocą narzędzi bioinformatycznych (źródło: Jawahar Swaminathan i pracownicy MSD w European Bioinformatics Institute Via Wikimedia Commons)
Hydrolazy są niezbędne do trawienia pokarmu w jelitach zwierząt, ponieważ są odpowiedzialne za degradację dużej części wiązań tworzących struktury węglowe w jedzeniu, które jedzą.
Enzymy te działają w środowisku wodnym, ponieważ potrzebują otaczających je cząsteczek wody, aby dodać je do związków, gdy cząsteczki zostaną rozszczepione. Mówiąc prościej, hydrolazy dokonują katalizy hydrolitycznej związków, na które oddziałują.
Na przykład, gdy hydrolaza przerywa wiązanie kowalencyjne CC, wynikiem jest zwykle grupa C-OH i grupa CH.
Struktura
Podobnie jak wiele enzymów, hydrolazy są białkami globularnymi zorganizowanymi w złożone struktury, które organizują się poprzez interakcje wewnątrzcząsteczkowe.
Hydrolazy, jak wszystkie enzymy, wiążą się z jedną lub większą liczbą cząsteczek substratu w regionie ich struktury zwanym „miejscem aktywnym”. To miejsce to kieszeń lub szczelina otoczona wieloma resztami aminokwasów, które ułatwiają chwytanie lub mocowanie podłoża.
Każdy rodzaj hydrolazy jest specyficzny dla danego substratu, co jest określane przez jego trzeciorzędową strukturę i konformację aminokwasów tworzących jego miejsce aktywne. Ta specyfika została dydaktycznie podniesiona przez Emila Fischera jako swego rodzaju „zamek i klucz”.
Obecnie wiadomo, że substrat generalnie indukuje zmiany lub zniekształcenia w konformacji enzymów, a enzymy z kolei zniekształcają strukturę substratu, aby „dopasować” go do swojego miejsca aktywnego.
cechy
Wszystkie hydrolazy mają główną funkcję zrywania wiązań chemicznych między dwoma związkami lub w strukturze tej samej cząsteczki.
Istnieją hydrolazy, które przerywają prawie każdy rodzaj wiązania: niektóre degradują wiązania estrowe między węglowodanami, inne wiązania peptydowe między aminokwasami białek, inne wiązania karboksylowe itp.
Cel hydrolizy wiązań chemicznych katalizowanych przez enzym hydrolazę jest bardzo zróżnicowany. Na przykład lizozym jest odpowiedzialny za hydrolizę wiązań chemicznych w celu ochrony organizmu, który go syntetyzuje.
Enzym ten rozbija wiązania, które łączą związki w ścianie komórkowej bakterii, aby chronić organizm ludzki przed proliferacją bakterii i możliwą infekcją.
Nukleazy to „fosfatazy” enzymy, które mają zdolność degradacji kwasów nukleinowych, co może również reprezentować komórkowy mechanizm obronny przeciwko wirusom DNA lub RNA.
Inne hydrolazy, takie jak te typu „proteaz serynowych”, degradują wiązania peptydowe białek w przewodzie pokarmowym, powodując przyswajalność aminokwasów w nabłonku przewodu pokarmowego.
Hydrolazy są nawet zaangażowane w różne zdarzenia związane z produkcją energii w metabolizmie komórkowym, ponieważ fosfatazy katalizują uwalnianie cząsteczek fosforanu z wysokoenergetycznych substratów, takich jak pirogronian, w procesie glikolizy.
Przykłady hydrolaz
Wśród ogromnej różnorodności hydrolaz, które zidentyfikowali naukowcy, niektóre z nich zostały zbadane z większym naciskiem niż inne, ponieważ biorą udział w wielu procesach niezbędnych dla życia komórki.
Obejmują one lizozym, proteazy serynowe, fosfatazy typu endonukleaz i glukozydazy lub glikozylazy.
Lizozym
Enzymy tego typu rozkładają peptydoglikanowe warstwy ściany komórkowej bakterii Gram-dodatnich. Zwykle kończy się to całkowitą lizą bakterii.
Lizozymy chronią organizm zwierząt przed infekcjami bakteryjnymi i są bogate w wydzieliny organizmu w tkankach mających kontakt ze środowiskiem, takich jak łzy, ślina i śluz.
Lizozym z jaj kurzych był pierwszą strukturą białkową, która uległa krystalizacji z promieni X. Krystalizację tę przeprowadził David Phillips w 1965 roku w Royal Institute of London.
Miejsce aktywne tego enzymu składa się z peptydu asparagina-alanina-metionina-asparagina-alanina-glicyna-asparagina-alanina-metionina (NAM-NAG-NAM).
Proteazy serynowe
Enzymy z tej grupy są odpowiedzialne za hydrolizę wiązań peptydowych w peptydach i białkach. Najczęściej badanymi są trypsyna i chymotrypsyna; jednak istnieje wiele różnych typów proteaz serynowych, które różnią się pod względem specyficzności substratowej i mechanizmu ich katalizy.
„Proteazy serynowe” charakteryzują się tym, że w miejscu aktywnym znajdują się nukleofilowe aminokwasy typu seryny, które uczestniczą w rozkładaniu wiązania peptydowego między aminokwasami. Proteazy serynowe są również zdolne do rozrywania wielu różnych wiązań estrowych.
Schemat graficzny działania proteazy serynowej zrywającej wiązanie peptydowe w aminokwasie histydynie (źródło: Zephyris w angielskiej Wikipedii Via Wikimedia Commons)
Enzymy te niespecyficznie tną peptydy i białka. Jednak wszystkie peptydy i białka, które mają być cięte, muszą być przyłączone na N-końcu wiązania peptydowego do aktywnego miejsca enzymu.
Każda proteaza serynowa precyzyjnie przecina wiązanie amidowe, które tworzy się między C-końcem aminokwasu na końcu karboksylowym a aminokwasem aminowym, który znajduje się w kierunku N-końca peptydu.
Fosfatazy typu nukleazy
Enzymy te katalizują rozszczepienie wiązań fosfodiestrowych cukrów i fosforanów zasad azotowych, które tworzą nukleotydy. Istnieje wiele różnych typów tych enzymów, ponieważ są one specyficzne dla typu kwasu nukleinowego i miejsca rozszczepienia.
Graficzny schemat działania endonukleazy hydrolizującej wiązanie fosfodiestrowe (źródło: J3D3 Via Wikimedia Commons)
Endonukleazy są niezbędne w dziedzinie biotechnologii, ponieważ pozwalają naukowcom modyfikować genomy organizmów poprzez wycinanie i zastępowanie fragmentów informacji genetycznej niemal każdej komórki.
Endonukleazy przeprowadzają rozszczepianie zasad azotowych w trzech etapach. Pierwsza przebiega przez nukleofilowy aminokwas, następnie tworzy się ujemnie naładowana struktura pośrednia, która przyciąga grupę fosforanową i ostatecznie przerywa wiązanie między obiema zasadami.
Bibliografia
- Davies, G. i Henrissat, B. (1995). Struktury i mechanizmy hydrolaz glikozylowych. Struktura, 3 (9), 853-859.
- Lehninger, AL, Nelson, DL, Cox, MM i Cox, MM (2005). Zasady Lehningera biochemii. Macmillan.
- Mathews, AP (1936). Zasady biochemii. W. Wood.
- Murray, RK, Granner, DK, Mayes, P. i Rodwell, V. (2009). Ilustrowana biochemia Harpera. 28 (str. 588). Nowy Jork: McGraw-Hill.
- Ollis, DL, Cheah, E., Cygler, M., Dijkstra, B., Frolow, F., Franken, SM,… & Sussman, JL (1992). Krotność hydrolazy α / β. Inżynieria białek, projektowanie i wybór, 5 (3), 197-211.