Unele molecule foarte asemănătoare cu substratul unei enzime pot fi legate de situsul activ, dar nu pot reacționa. Astfel de molecule acoperă situsul activ și astfel împiedică legarea substratului propriu-zis la situs. Această inhibare a acțiunii enzimei este de natură competitivă, deoarece molecula inhibitorului concurează de fapt cu substratul pentru situsul activ. Inhibitorul sulfanilamidei, de exemplu, este suficient de similar cu un substrat (acid p-aminobenzoic) al unei enzime implicate în metabolismul acidului folic pe care îl leagă de enzimă, dar nu poate reacționa. Acoperă situl activ și previne legarea acidului p-aminobenzoic. Această enzimă este esențială în anumite bacterii cauzatoare de boli, dar nu este esențială pentru oameni; prin urmare, cantități mari de sulfanilamidă distrug microorganismul, dar nu dăunează oamenilor. Inhibitori precum sulfanilamida sunt numiți antimetaboliți. Sulfanilamida și compuși similari care distrug un agent patogen fără a-i afecta gazda sunt utilizate pe scară largă în chimioterapie.

britannica

Unii inhibitori împiedică sau blochează acțiunea enzimatică prin reacția cu grupuri la locul activ. Fluorofosfatul diizopropil gazos nervos, de exemplu, reacționează cu serina la locul activ al acetilcolinesterazei pentru a forma o legătură covalentă. Molecula de gaz nervos implicată în formarea legăturilor împiedică situl activ să lege substratul, acetilcolina, blocând astfel cataliza și acțiunea nervoasă. Acidul iodoacetic blochează în mod similar o enzimă cheie în acțiunea musculară prin formarea unei grupări voluminoase pe aminoacidul cisteină, care se găsește la locul activ al enzimei. Acest proces se numește inhibiție ireversibilă.

Unii inhibitori modifică aminoacizii, în afară de cei de la situsul activ, rezultând pierderea activității enzimatice. Inhibitorul provoacă modificări ale formei situsului activ. Unii aminoacizi, în afară de cei de la situsul activ, pot fi însă modificați fără a afecta structura situsului activ; în aceste cazuri, acțiunea enzimatică nu este afectată.

Astfel de modificări chimice sunt paralele cu mutații naturale. Bolile moștenite rezultă frecvent dintr-o modificare a unui aminoacid la locul activ al unei enzime, făcând astfel enzima defectă. În unele cazuri, o modificare a aminoacizilor modifică forma situsului activ în măsura în care acesta nu mai poate reacționa; astfel de boli sunt de obicei fatale. Cu toate acestea, la altele se formează o enzimă parțial defectă, iar un individ poate fi foarte bolnav, dar poate trăi.

Efectele temperaturii

Enzimele funcționează cel mai eficient într-un interval de temperatură fiziologică. Deoarece enzimele sunt molecule de proteine, ele pot fi distruse de temperaturi ridicate. Un exemplu de astfel de distrugere, denumită denaturarea proteinelor, este coagularea laptelui la fierbere. Creșterea temperaturii are două efecte asupra unei enzime: în primul rând, viteza reacției crește oarecum, deoarece viteza reacțiilor chimice tinde să crească odată cu temperatura; și, în al doilea rând, enzima este din ce în ce mai denaturată. Creșterea temperaturii crește astfel rata metabolică numai într-un interval limitat. Dacă temperatura devine prea ridicată, denaturarea enzimei distruge viața. Temperaturile scăzute modifică și formele enzimelor. Cu enzimele sensibile la frig, schimbarea determină pierderea activității. Atât frigul cât și căldura excesivă sunt, prin urmare, dăunătoare enzimelor.

Gradul de aciditate sau basicitate al unei soluții, care este exprimat ca pH, afectează și enzimele. Pe măsură ce aciditatea unei soluții se schimbă - adică, pH-ul este modificat - apare un punct de aciditate optimă, la care enzima acționează cel mai eficient. Deși acest pH optim variază în funcție de temperatură și este influențat de alți constituenți ai soluției care conține enzima, este o proprietate caracteristică a enzimelor. Deoarece enzimele sunt sensibile la schimbările de aciditate, majoritatea sistemelor vii sunt foarte tamponate; adică au mecanisme care le permit să mențină o aciditate constantă. Acest nivel de aciditate, sau pH, este de aproximativ 7 în majoritatea organismelor. Unele bacterii funcționează în condiții de aciditate moderată sau bazice; iar enzima digestivă pepsină acționează în mediul acid al stomacului.

Flexibilitate enzimatică și control alosteric

Teoria adaptării induse

Ipoteza blocării cheii (a se vedea mai sus Natura reacțiilor catalizate de enzime) nu ține cont în totalitate de acțiunea enzimatică; adică, anumite proprietăți ale enzimelor nu pot fi explicate de relația simplă dintre enzimă și substrat propusă de ipoteza blocării cheii. O teorie numită teorie a ajustării induse păstrează ideea cheie-blocare a unei potriviri a substratului la situl activ, dar postulează în plus că substratul trebuie să facă mai mult decât să se încadreze pur și simplu în forma deja preformată a unui sit activ. Mai degrabă, afirmă teoria, legarea substratului la enzimă trebuie să provoace o schimbare a formei enzimei care are ca rezultat alinierea corectă a grupurilor catalitice pe suprafața sa. Acest concept a fost asemănat cu potrivirea unei mâini într-o mănușă, mâna (substratul) inducând o schimbare a formei mănușii (enzimă). Deși unele enzime par să funcționeze în conformitate cu vechea ipoteză de blocare a cheii, cel mai aparent funcționează în conformitate cu teoria inducerii.

De obicei, substratul se apropie de suprafața enzimei și induce o schimbare a formei sale care are ca rezultat alinierea corectă a grupurilor catalitice. În cazul enzimei digestive carboxipeptidază, de exemplu, legarea substratului determină o moleculă de tirozină la locul activ să se deplaseze cu până la 15 angstromi. Grupurile catalitice de la locul activ reacționează cu substratul pentru a forma produse. Produsele se separă de suprafața enzimei, iar enzima este capabilă să repete secvența. Moleculele nesubstrate care sunt prea voluminoase sau prea mici modifică forma enzimei, astfel încât să apară o nealiniere a grupărilor catalitice; astfel de molecule nu sunt capabile să reacționeze chiar dacă sunt atrase de situl activ.

Teoria adaptării induse explică o serie de proprietăți anormale ale enzimelor. Un exemplu este „inhibarea necompetitivă”, în care un compus inhibă reacția unei enzime, dar nu împiedică legarea substratului. În acest caz, compusul inhibitor atrage gruparea de legare, astfel încât gruparea catalitică este prea departe de substrat pentru a reacționa. Situl la care inhibitorul se leagă de enzimă nu este situsul activ și se numește situs alosteric. Inhibitorul modifică forma situsului activ pentru a preveni cataliza fără a preveni legarea substratului.

Un inhibitor poate distorsiona, de asemenea, locul activ prin afectarea grupului de legare esențial; ca urmare, enzima nu mai poate atrage substratul. O așa-numită moleculă activatoare afectează situsul activ, astfel încât o moleculă nesubstrat este aliniată în mod corespunzător și, prin urmare, poate reacționa cu enzima. Astfel de activatori pot afecta atât grupurile de legare, cât și grupurile catalitice la locul activ.

Flexibilitatea enzimatică este extrem de importantă, deoarece oferă un mecanism de reglare a activității enzimatice. Orientarea la locul activ poate fi întreruptă prin legarea unui inhibitor la un alt sit decât site-ul activ. Mai mult, enzima poate fi activată de molecule care induc o aliniere adecvată a situsului activ pentru un substrat care singur nu poate induce această aliniere.

După cum sa menționat mai sus, siturile care leagă inhibitori și activatori sunt numite site-uri alosterice pentru a le distinge de site-urile active. Siturile alosterice sunt de fapt site-uri de reglare capabile să activeze sau să inhibe activitatea enzimatică prin influențarea formei enzimei. Când activatorul sau inhibitorul se disociază de enzimă, acesta revine la forma sa normală. Astfel, flexibilitatea structurii proteinei permite funcționarea unui sistem de control simplu, reversibil, similar cu un termostat.

Tipuri de control alosteric

Controlul alosteric poate funcționa în mai multe moduri; două exemple servesc pentru a ilustra unele efecte generale. O cale care constă din zece enzime este implicată în sinteza aminoacidului histidină. Când o celulă conține suficientă histidină, sinteza se oprește - o mișcare economică adecvată de celulă. Sinteza este oprită de inhibarea primei enzime din cale de către produs, histidina. Inhibarea unei enzime de către un produs se numește inhibare de feedback; adică, un produs eliminat din mai multe etape dintr-o enzimă inițială îi blochează acțiunea. Inhibarea feedback-ului are loc în multe căi ale tuturor ființelor vii.

Controlul alosteric poate fi realizat și de activatori. Hormonul adrenalină (epinefrină) acționează în acest fel. Când este nevoie de energie, adrenalina este eliberată și activează, prin activare alosterică, enzima adenil ciclază. Această enzimă catalizează o reacție în care compusul adenozin monofosfat ciclic (AMP ciclic) este format din ATP. AMP ciclic acționează la rândul său ca un activator alosteric al enzimelor care accelerează metabolismul carbohidraților pentru a produce energie. Acest tip de reglare alosterică este, de asemenea, răspândit în sistemele biologice. Astfel, o combinație de activare și inhibare alosterică permite producerea de energie sau materiale atunci când acestea sunt necesare și oprește producția atunci când alimentarea este adecvată.

Controlul alosteric este o metodă rapidă de reglare a produselor necesare continuu de ființele vii. Cu toate acestea, unele celule nu au nevoie de anumite enzime și ar fi risipitor ca celula să le sintetizeze. În acest caz, anumite molecule, numite represoare, împiedică sinteza enzimelor inutile. Represorii sunt proteine ​​care se leagă de ADN și împiedică primul pas al procesului, rezultând în sinteza proteinelor. Dacă anumiți metaboliți sunt adăugați la celulele care au nevoie de o enzimă, apare sinteza enzimatică - adică este indusă. Adăugarea de galactoză la un mediu de creștere care conține bacterii Escherichia coli, de exemplu, induce sinteza enzimei beta-galactozidază. Astfel, bacteriile pot sintetiza această enzimă de metabolizare a galactozei atunci când este nevoie și pot preveni sinteza acesteia atunci când nu este. Modul în care sinteza enzimelor este indusă sau reprimată în sistemele mamiferelor este mai puțin înțeleasă, dar se crede că este similară.

Diferite tipuri de celule din organismele complexe au enzime diferite, chiar dacă au același conținut de ADN. Enzimele sintetizate de fapt sunt cele necesare într-o anumită celulă și variază nu numai pentru diferite tipuri de celule - de exemplu, celulele nervoase, musculare, oculare și ale pielii - ci și pentru diferite specii.

Într-o enzimă formată din mai multe subunități, sau lanțuri, modificarea formei unui lanț ca urmare a influenței fie a unei molecule de substrat, fie a inhibitorilor sau activatorilor alosterici poate schimba forma unui lanț vecin. Ca rezultat, legarea unei a doua molecule de substrat are loc într-un mod diferit de legarea primei, iar a treia este diferită de a doua. Acest fenomen, numit cooperativitate, este caracteristic enzimelor alosterice. Cooperativitatea este reflectată de o curbă sigmoidă, în comparație cu curba hiperbolică a lui Michaelis-Menten. O enzimă a mai multor subunități care prezintă cooperare este mult mai sensibilă la mecanismele de control decât este o enzimă a unei subunități și, prin urmare, a unui site activ.

Primul exemplu de cooperare a fost observat în hemoglobină, care nu este o enzimă, dar se comportă ca una în multe feluri. Absorbția oxigenului în plămâni și depunerea acestuia în țesuturi este mult mai eficientă, deoarece subunitățile hemoglobinei prezintă cooperativitate pozitivă, așa-numita deoarece prima moleculă de substrat facilitează legarea următoarei.

Cooperativitatea negativă, în care legarea unei molecule face mai puțin ușoară legarea următoarei, apare și în viețuitoare. Cooperativitatea negativă face o enzimă mai puțin sensibilă la fluctuațiile concentrațiilor de metaboliți și poate fi importantă pentru enzimele care trebuie să fie prezente în celulă la niveluri relativ constante de activitate.

Unele enzime sunt agregate strâns asociate ale mai multor unități enzimatice; sistemul piruvat dehidrogenazei, de exemplu, conține cinci enzime diferite, are o greutate moleculară totală de 4.000.000 și este format din patru tipuri diferite de lanțuri. Aparent, enzimele din celule pot fi organizate prin formarea de unități complexe, prin absorbția pe peretele celular sau prin izolarea membranelor în compartimente speciale. Deoarece o cale implică modificarea treptată a compușilor chimici, agregările enzimelor într-o cale dată facilitează funcționarea lor într-un mod similar cu o linie de asamblare industrială.