Hydrolases הם אנזימים אשר אחראים hydrolyzing סוגים שונים של קשרים כימיים בתרכובות שונות. בין הקשרים העיקריים הידרוליזים הם קשרי אסטר, גליקוזיד ופפטיד.
בקבוצת ההידרולאזים, יותר מ- 200 אנזימים שונים סווגו, בקבוצה לפחות 13 קבוצות בודדות; הסיווג שלהם מבוסס בעיקרו על סוג התרכובת הכימית המשמשת כמצע שלהם.
דוגמנות גרפית עם כלי ביו-אינפורמטיקה של מבנה הידרוליזה (מקור: ג'ווהאר סוומינתן וצוות MSD במכון האירופי לביואינפורמטיקה באמצעות ויקימדיה Commons)
הידרולאזים חיוניים לעיכול המזון במעיים של בעלי חיים, מכיוון שהם אחראים להפרת חלק גדול מהקשרים המרכיבים את מבני הקרבון של המזון שהם אוכלים.
אנזימים אלה פועלים בתקשורת מימית, מכיוון שהם זקוקים למולקולות מים מסביבם כדי להוסיף לתרכובות ברגע שהמולקולות נסתקות. במילים פשוטות, הידרולזות מבצעות קטליזה הידרוליטית של התרכובות עליהן הן פועלות.
לדוגמא, כאשר הידרולאז מפרק קשר קוולנטי CC, התוצאה היא בדרך כלל קבוצת C-OH וקבוצת CH.
מִבְנֶה
כמו אנזימים רבים, הידרולאזים הם חלבונים כדוריים המאורגנים במבנים מורכבים המארגנים את עצמם באמצעות אינטראקציות אינטרמולקולריות.
הידרולאזים, כמו כל האנזימים, נקשרים למולקולות מצע אחת או יותר באזור המבנה שלהם המכונה "האתר הפעיל". אתר זה הוא כיס או שסע המוקף בשאריות רבות של חומצות אמינו המאפשרות אחיזה או התקשרות של המצע.
כל סוג של הידרולאז ספציפי למצע נתון, אשר נקבע על ידי המבנה השלישוני שלו ועל ידי הקונפורמציה של חומצות האמינו המרכיבות את האתר הפעיל שלו. ייחוד זה הועלה באופן דידקטי על ידי אמיל פישר כסוג של "מנעול ומפתח".
כיום ידוע כי המצע בדרך כלל מעורר שינויים או עיוותים בקונפורמציה של אנזימים וכי האנזימים, בתורם, מעוותים את מבנה המצע כך שהוא "יתאים" לאתר הפעיל שלו.
מאפיינים
לכל ההידרולאזים יש את התפקיד העיקרי של שבירת קשרים כימיים בין שתי תרכובות או בתוך המבנה של אותה מולקולה.
ישנם הידרולאזים כדי לשבור כמעט כל סוג של קשר: יש המפרקים את קשרי האסטר בין פחמימות, ואחרים את קשרי הפפטיד בין חומצות האמינו של חלבונים, ואחרים את הקשרים הקרבוקסיליים וכו '.
מטרת ההידרוליזה של קשרים כימיים המנותזים על ידי אנזים הידרוליזה משתנה במידה ניכרת. ליזוזימים, למשל, אחראים על הידרוליזה של קשרים כימיים במטרה להגן על האורגניזם המסנתז אותו.
אנזים זה מפרק את הקשרים המחזיקים תרכובות יחד בדופן התא של החיידק, על מנת להגן על גוף האדם מפני ריבוי חיידקים וזיהום אפשרי.
גרעינים הם אנזימים "פוספטאז" שיש להם יכולת להשפיל חומצות גרעין, שיכולים גם לייצג מנגנון הגנה סלולרי מפני נגיפי DNA או RNA.
הידרולאזים אחרים, כמו אלו מסוג "סררין פרוטאזות", משפילים את קשרי הפפטיד של חלבונים בדרכי העיכול כדי להפוך את חומצות האמינו להטמעה באפיתל של מערכת העיכול.
ההידרולאזים אף מעורבים באירועים שונים של ייצור אנרגיה בחילוף חומרים של תאים, שכן פוספטאזים מזרזים את שחרורן של מולקולות פוספטים ממצעים בעלי אנרגיה גבוהה כמו פירובט, בגיריקוליזה.
דוגמאות להידרולאזים
בין המגוון הגדול של ההידרולאזים שמדענים זיהו, חלקם נחקרו בדגש רב יותר מאחרים, מכיוון שהם מעורבים בתהליכים רבים החיוניים לחיי התא.
אלה כוללים ליזוזימים, פרוטאזות סרין, פוספטאזים מסוג אנדונוקליז, וגלוקוזידאזים או גליקוזילאזים.
ליזוזימים
אנזימים מסוג זה מפרקים את שכבות הפפטידוגליקן של דופן התא של חיידקים חיוביים לגרם. בדרך כלל זה בסופו של דבר גורם לליזה מוחלטת של החיידקים.
ליזוזימים מגנים על גוף בעלי החיים מפני זיהומים חיידקיים ושופעים בהפרשות גוף ברקמות שנמצאות במגע עם הסביבה, כמו קרעים, רוק וריר.
ליזוזימים של ביצת עוף היה מבנה החלבון הראשון שהתגבש באמצעות קרני רנטגן. התגבשות זו בוצעה על ידי דייוויד פיליפס, בשנת 1965, במכון המלכותי בלונדון.
האתר הפעיל של אנזים זה מורכב מהפפטיד אספרגין-אלנין-מתיונין-אספרגין-אלנין-גליצין-אספרגין-אלנין-מתיונין (NAM-NAG-NAM).
פרוטאזות לסרין
האנזימים בקבוצה זו אחראים על הידרוליזציה של קשרי הפפטיד בפפטידים וחלבונים. הנחקרים הנפוצים ביותר הם טריפסין וצ'ימוטריפסין; עם זאת, ישנם סוגים רבים ושונים של פרוטאזות סרין, המשתנות ביחס לספציפיות המצע ומנגנון הקטליזה שלהם.
"פרוטאזות הסרין" מאופיינות בכך שיש בהן חומצה אמינית נוקליאופילית מסוג הסרין באתר הפעיל שלה, המתפקדת בפירוק הקשר של הפפטיד בין חומצות אמינו. פרוטאזות סרין מסוגלות גם לשבור מגוון רחב של קשרי אסטר.
שרטוט גרפי של פעולתו של פרוטאז סרין ששובר קשר לפפטיד בחומצה האמינית היסטידין (מקור: צפיריס בשפה האנגלית Wikipedia באמצעות ויקימדיה Commons)
אנזימים אלה חותכים את הפפטידים והחלבונים בצורה לא ספציפית. עם זאת, יש לחבר את כל הפפטידים והחלבונים שיש לחתוך בקצה ה- N של הקשר הפפטיד לאתר הפעיל של האנזים.
כל פרוטאז מסרין חותך במדויק את הקשר האמידי הנוצר בין הקצה הסופי C של חומצת האמינו בקצה הקרבוקסיל לבין החומצה האמינית אמין שנמצאת לכיוון הקצה הטרמינלי של הפפטיד.
פוספטאזים מסוג נוקליז
אנזימים אלה מזרזים את המחשוף של קשרי הפוספודיאסטר של הסוכרים והפוספטים של הבסיסים החנקניים המרכיבים את הנוקלאוטידים. ישנם סוגים רבים ושונים של אנזימים אלו, מכיוון שהם ספציפיים לסוג חומצת הגרעין ולאתר המחשוף.
שרטוט גרפי של פעולת אנדונוקליז הידרוליזציה של קשר פוספודיאסטר (מקור: J3D3 באמצעות ויקימדיה Commons)
חיוניים לאנדונוקליזות בתחום הביוטכנולוגיה, מכיוון שהם מאפשרים למדענים לשנות את הגנום של האורגניזמים על ידי חיתוך והחלפת שברי המידע הגנטי של כמעט כל תא.
אנדונוקליזות מבצעות את המחשוף של בסיסים חנקניים בשלושה שלבים. הראשונה היא דרך חומצת אמינו נוקלאופילית ואז נוצר מבנה ביניים טעון שלילי שמושך את קבוצת הפוספטים ולבסוף מפר את הקשר בין שני הבסיסים.
הפניות
- דייויס, ג 'והנריסאט, ב' (1995). מבנים ומנגנונים של גליקוזיל הידרולאזים. מבנה, 3 (9), 853-859.
- Lehninger, AL, Nelson, DL, Cox, MM, & Cox, MM (2005). עקרונות הלינגר של הביוכימיה. מקמילן.
- Mathews, AP (1936). עקרונות הביוכימיה. וו. ווד.
- מוריי, RK, Granner, DK, Mayes, P., & Rodwell, V. (2009). הביוכימיה המאוירת של הרפר. 28 (עמ '588). ניו יורק: מקגרו היל.
- Ollis, DL, Cheah, E., Cygler, M., Dijkstra, B., Frolow, F., Franken, SM, … & Sussman, JL (1992). קפל α / β הידרולאז. הנדסת חלבונים, תכנון ובחירה, 5 (3), 197-211.