A hidrolázok olyan enzimek, amelyek felelősek a különféle kémiai kötések sokféle vegyületben történő hidrolíziséért. A hidrolizálódó fő kötések között szerepelnek az észter-, glikozid- és peptidkötések.
A hidrolázok csoportján belül több mint 200 különféle enzimet osztályoztak, legalább 13 egyedi halmazba csoportosítva; osztályozásuk alapvetően azon kémiai vegyület típusán alapul, amely szubsztrátként szolgál.
A hidroláz szerkezetének grafikus modellezése bioinformatikai eszközökkel (Forrás: Jawahar Swaminathan és az MSD munkatársai az Európai Bioinformatikai Intézetben a Wikimedia Commons segítségével)
A hidrolázok nélkülözhetetlenek az élelmiszerek emésztésében az állatok belekben, mivel felelősek az olyan kötések nagy részének lebontásáért, amelyek képezik az általuk fogyasztott élelmiszer karbonát-szerkezetét.
Ezek az enzimek vizes közegben működnek, mivel vízmolekulákra van szükségük körülöttük, hogy a vegyületekhez hozzáadódjanak, ha a molekulák megbontódnak. Egyszerű szavakkal: a hidrolázok elvégzik azon vegyületek hidrolitikus katalízisét, amelyeken hatnak.
Például, ha egy hidroláz megszakítja a CC kovalens kötést, az eredmény általában C-OH csoport és CH csoport.
Szerkezet
Sok enzimhez hasonlóan a hidrolázok globális fehérjék, amelyek összetett struktúrákba vannak rendezve, amelyek az intramolekuláris kölcsönhatások révén szerveződnek.
A hidrolázok, mint az összes enzim, egy vagy több szubsztrát molekulához kötődnek szerkezetüknek az "aktív hely" néven ismert régiójában. Ez a hely egy zseb vagy hasadék, amelyet sok aminosavmaradék vesz körül, amelyek megkönnyítik a szubsztrátum tapadását vagy rögzítését.
Minden hidroláz típus specifikus egy adott szubsztrátra, amelyet a tercier szerkezete és az aktív helyét alkotó aminosavak konformációja határoz meg. Ezt a sajátosságot didaktikus módon Emil Fischer emelte fel, mint egyfajta "zár és kulcs".
Most már ismert, hogy a szubsztrát általában változásokat vagy torzításokat indukál az enzimek konformációjában, és az enzimek viszont torzítják a szubsztrátum szerkezetét, hogy "illeszkedjen" aktív helyére.
Jellemzők
Valamennyi hidroláz fő feladata a kémiai kötések megbontása két vegyület között vagy ugyanazon molekula szerkezetén belül.
Vannak hidrolázok, amelyek szinte bármilyen kötést megbonthatnak: egyesek lebontják az észterkötéseket a szénhidrátok között, mások lebontják a peptidkötéseket a fehérjék aminosavai között, mások a karboxilkötéseket stb.
A hidroláz enzim által katalizált kémiai kötések hidrolízisének célja jelentősen eltér. A lizozim például felelős a kémiai kötések hidrolíziséért azzal a céllal, hogy megvédje az azt szintetizáló szervezetet.
Ez az enzim lebontja azokat a kötéseket, amelyek a vegyületeket együtt tartják a baktériumsejt falában, hogy megvédjék az emberi testet a baktériumok szaporodásától és a lehetséges fertőzéstől.
A nukleázok "foszfatáz" enzimek, amelyek képesek lebontani a nukleinsavakat, amelyek szintén jelenthetnek sejtvédő mechanizmust a DNS vagy RNS vírusok ellen.
Más hidrolázok, például a "szerin proteázok" típusúak, lebontják a fehérjék peptidkötéseit az emésztőrendszerben, hogy az aminosavak asszimilálhatóvá váljanak a gastrointestinalis hámban.
A hidrolázok még a sejtek anyagcseréjének különböző energiatermelési eseményeiben is részt vesznek, mivel a foszfatázok katalizálják a foszfátmolekulák felszabadulását a nagy energiájú szubsztrátumokból, például a piruvátból, a glikolízis során.
Példák a hidrolázokra
A hidrolázok sokfélesége között, amelyeket a tudósok azonosítottak, néhányat nagyobb hangsúlyozással tanulmányoztak, mint másokat, mivel sok a sejt életéhez nélkülözhetetlen folyamatban vesznek részt.
Ide tartoznak a lizozim, a szerin-proteázok, az endonukleáz típusú foszfatázok és a glükozidázok vagy a glikozilázok.
A lizozim
Az ilyen enzimek lebontják a gram-pozitív baktériumok sejtfalának peptidoglikán rétegeit. Ez általában a baktériumok teljes lízisét eredményezi.
A lizozimok megvédik az állatok testét a bakteriális fertőzésektől, és bőségesek a környezettel érintkező szövetekben, például könnyekben, nyálban és nyálkahártyában.
A csirketojás lizozim volt az első olyan fehérjeszerkezet, amely röntgenfelületen kristályosodott, és ezt a kristályosítást David Phillips végezte 1965-ben a londoni Királyi Intézetben.
Ennek az enzimnek az aktív helyét az aszparagin-alanin-metionin-aszparagin-alanin-glicin-aszparagin-alanin-metionin (NAM-NAG-NAM) peptid alkotja.
Szerin proteázok
Az ebbe a csoportba tartozó enzimek felelősek a peptidek és fehérjék peptidkötéseinek hidrolíziséért. A leggyakrabban vizsgált tripszint és kimotripszint; azonban számos különféle szerin-proteáz létezik, amelyek a szubsztrát-specifitástól és katalizációs mechanizmusuktól függően változnak.
A "szerin-proteázok" jellemzője, hogy aktív helyükben szerin típusú nukleofil aminosavak vannak, amelyek az aminosavak közötti peptidkötés megszakításában működnek. A szerin-proteázok az észterkötések széles skáláját is képesek megbontani.
A hisztidin aminosavban peptidkötést megszakító szerinproteáz hatásának grafikus vázlata (Forrás: Zephyris az angol nyelvű Wikipedia-ban, a Wikimedia Commons-on keresztül)
Ezek az enzimek nem specifikusan vágják le a peptideket és a fehérjéket. Azonban az összes vágni kívánt peptidet és fehérjét a peptidkötés N-terminálisán az enzim aktív helyéhez kell kapcsolni.
Mindegyik szerin-proteáz pontosan elvágja az amidkötést, amely a karboxil-végű aminosav C-terminális vége és a peptid N-terminális vége felé vezető aminosav-amin között képződik.
Nukleáz típusú foszfatázok
Ezek az enzimek katalizálják a cukrok foszfodiészter kötéseinek és a nukleotidokat alkotó nitrogénbázisok foszfátok hasítását. Ezen enzimek sokféle típusa létezik, mivel specifikusak a nukleinsav-típusra és a hasítási helyre.
A foszfodiészter kötést hidrolizáló endonukleáz hatásának grafikus vázlata (Forrás: J3D3, a Wikimedia Commons segítségével)
Az endonukleázok nélkülözhetetlenek a biotechnológia területén, mivel lehetővé teszik a tudósok számára, hogy módosítsák a szervezetek genomjait szinte bármely sejt genetikai információjának fragmentumainak levágásával és cseréjével.
Az endonukleázok a nitrogénbázisok hasítását három lépésben hajtják végre. Az első egy nukleofil aminosavon keresztül történik, majd egy negatív töltésű közbenső szerkezet alakul ki, amely vonzza a foszfátcsoportot, és végül megszakítja a két bázis közötti kötődést.
Irodalom
- Davies, G. és Henrissat, B. (1995). A glikozil-hidrolázok szerkezete és mechanizmusai. Szerkezet, 3 (9), 853-859.
- Lehninger, AL, Nelson, DL, Cox, MM, & Cox, MM (2005). A biokémia Lehninger alapelvei. Macmillan.
- Mathews, AP (1936). A biokémia alapelvei. W. Wood.
- Murray, RK, Granner, DK, Mayes, P. és Rodwell, V. (2009). Harper illusztrált biokémiája. 28. (588. o.) New York: McGraw-Hill.
- Ollis, DL, Cheah, E., Cygler, M., Dijkstra, B., Frolow, F., Franken, SM,… és Sussman, JL (1992). Az α / β hidroláz-redő. Protein Engineering, Design and Selection, 5 (3), 197–211.