U hidrolaze su enzimi koji su odgovorni za hidrolizu razne vrste kemijskih veza u mnogo različitih spojeva. Među glavnim vezama koje hidroliziraju su esterske, glikozidne i peptidne veze.
Unutar skupine hidrolaze razvrstano je više od 200 različitih enzima, grupiranih u najmanje 13 pojedinačnih skupina; njihova klasifikacija se u osnovi temelji na vrsti kemijskog spoja koji služi kao njihov supstrat.
Grafičko modeliranje strukture hidrolaze s alatima bioinformatike (Izvor: Jawahar Swaminathan i osoblje MSD-a u Europskom institutu za bioinformatiku putem Wikimedia Commonsa)
Hidrolaze su neophodne za probavu hrane u crijevima životinja, budući da su odgovorne za razgradnju velikog dijela veza koji čine karbonatne strukture hrane koju jedu.
Ovi enzimi djeluju u vodenom mediju jer im trebaju molekule vode oko njih da se dodaju spojevima nakon što se molekule cijepe. Jednostavnim riječima, hidrolaze provode hidroliznu katalizu spojeva na koje djeluju.
Na primjer, kada hidrolaza razbije CC kovalentnu vezu, rezultat je obično C-OH grupa i CH skupina.
Struktura
Kao i mnogi enzimi, hidrolaze su globularni proteini organizirani u složene strukture koje se organiziraju kroz intramolekularne interakcije.
Hidrolaze se, kao i svi enzimi, vežu na jednu ili više molekula supstrata u području njihove strukture poznatom kao "aktivno mjesto". Ovo je mjesto u džepu ili usjeku okruženo mnogim aminokiselinskim ostacima koji olakšavaju prijanjanje ili pričvršćivanje podloge.
Svaka vrsta hidrolaze specifična je za neki supstrat, što je određeno njegovom tercijarnom strukturom i konformacijom aminokiselina koje čine njegovo aktivno mjesto. Emil Fischer ovu je specifičnost na didaktički način podigao kao svojevrsnu "bravu i ključ".
Sada je poznato da supstrat općenito izaziva promjene ili distorzije u konformaciji enzima i da enzimi zauzvrat iskrivljuju strukturu supstrata kako bi se on "uklapao" u njegovo aktivno mjesto.
Značajke
Sve hidrolaze imaju glavnu funkciju kršenja kemijskih veza između dva spoja ili unutar strukture iste molekule.
Postoje hidrolaze za razbijanje gotovo bilo koje vrste veze: neke razgrađuju esterske veze između ugljikohidrata, druge peptidne veze između aminokiselina proteina, druge karboksilne veze itd.
Svrha hidrolize kemijskih veza kataliziranih enzimom hidrolaze znatno se razlikuje. Primjerice, lizocim je odgovoran za hidrolizu kemijskih veza radi zaštite organizma koji ga sintetizira.
Ovaj enzim razgrađuje veze koje spajaju spojeve u staničnoj stanici bakterija, kako bi se zaštitilo ljudsko tijelo od proliferacije bakterija i moguće infekcije.
Nukleaze su enzimi "fosfataze" koji imaju sposobnost razgradnje nukleinskih kiselina, što također može predstavljati stanični obrambeni mehanizam protiv DNA ili RNA virusa.
Ostale hidrolaze, poput one tipa "serinske proteaze", razgrađuju peptidne veze proteina u probavnom traktu da bi aminokiseline postale dostupne u gastrointestinalnom epitelu.
Hidrolaze su čak uključene u različite događaje proizvodnje energije u staničnom metabolizmu, jer fosfataze kataliziraju oslobađanje molekula fosfata iz visokoenergetskih supstrata, poput piruvata, u glikolizi.
Primjeri hidrolaze
Među velikom raznolikošću hidrolaze koju su znanstvenici identificirali, neke su proučavane s većim naglaskom od drugih, jer su uključene u mnoge procese koji su neophodni za život stanica.
Tu se ubrajaju lizocim, serinske proteaze, fosfataze tipa endonukleaze i glukozidaze ili glikozilaze.
lizozim
Enzimi ove vrste razgrađuju peptidoglikanske slojeve stanične stijenke gram-pozitivnih bakterija. To obično uzrokuje potpunu lizu bakterija.
Lizozimi brane tijelo životinja od bakterijskih infekcija i obiluju tjelesnim izlučevinama u tkivima koja su u kontaktu s okolinom, poput suza, sline i sluzi.
Lizocim pilećih jajašaca bio je prva struktura proteina kristalizirana pomoću rendgenskih zraka, a ovu kristalizaciju izvršio je David Phillips 1965. godine u Kraljevskom institutu u Londonu.
Aktivno mjesto ovog enzima sastoji se od peptida Asparagin-Alanin-Metionin-Asparagin-Alanin-Glicin-Asparagin-Alanin-Metionin (NAM-NAG-NAM).
Serinske proteaze
Enzimi iz ove skupine odgovorni su za hidrolizu peptidnih veza u peptidima i proteinima. Najčešće se proučavaju tripsin i kimotripsin; međutim, postoji mnogo različitih vrsta serinskih proteaza, koje se razlikuju s obzirom na specifičnost supstrata i njihov mehanizam katalize.
"Serinske proteaze" karakterizirane su postojanjem nukleofilne aminokiseline serinskog tipa na svom aktivnom mjestu, koje djeluje na raspad peptidne veze između aminokiselina. Serinske proteaze također su sposobne razbiti razne esterske veze.
Grafička shema djelovanja serinske proteaze koja razbija peptidnu vezu u histidinu aminokiseline (Izvor: Zephyris na engleskom jeziku Wikipedia Via Wikimedia Commons)
Ovi enzimi nespecifično režu peptide i proteine. Međutim, svi peptidi i proteini koje treba razrezati moraju biti vezani na N-kraju peptidne veze na aktivno mjesto enzima.
Svaka serinska proteaza precizno presiječe amidnu vezu koja tvori između C-krajnjeg kraja aminokiseline na karboksilnom kraju i amin aminokiseline koji je prema N-terminalnom kraju peptida.
Nukleusne fosfataze
Ti enzimi kataliziraju cijepanje fosfodiesterskih veza šećera i fosfata dušičnih baza koje čine nukleotide. Postoji mnogo različitih vrsta ovih enzima jer su specifične za vrstu nukleinske kiseline i mjesto cijepanja.
Grafička shema djelovanja endonukleaze koja hidrolizira fosfodiestersku vezu (Izvor: J3D3 Via Wikimedia Commons)
Endonukleaze su neophodne u području biotehnologije, jer omogućuju znanstvenicima modificiranje genoma organizma rezanjem i zamjenom fragmenata genetske informacije gotovo bilo koje stanice.
Endonukleaze cijepaju dušične baze u tri koraka. Prvo je putem nukleofilne aminokiseline, zatim se stvara intermedijarna struktura s negativnim nabojem koja privlači fosfatnu skupinu i na kraju prekida vezu između obje baze.
Reference
- Davies, G. i Henrissat, B. (1995). Struktura i mehanizmi glikozil hidrolaze. Struktura, 3 (9), 853-859.
- Lehninger, AL, Nelson, DL, Cox, MM, & Cox, MM (2005). Lehningerovi principi biokemije. Macmillan.
- Mathews, AP (1936). Načela biokemije. W. Wood.
- Murray, RK, Granner, DK, Mayes, P. i Rodwell, V. (2009). Harperova ilustrirana biokemija. 28 (str. 588). New York: McGraw-Hill.
- Ollis, DL, Cheah, E., Cygler, M., Dijkstra, B., Frolow, F., Franken, SM,… & Sussman, JL (1992). Nabor α / β hidrolaze. Proteinski inženjering, dizajn i izbor, 5 (3), 197-211.