Efek molekuler dari aksi enzim. Enzim. Fitur katalisis enzimatik. Struktur dan struktur enzim Reaksi enzimatik menurut jenis “reaksi berurutan”

Setiap reaksi katalitik melibatkan perubahan laju reaksi maju dan mundur karena penurunan energinya. Jika suatu reaksi kimia berlangsung dengan pelepasan energi, maka reaksi tersebut harus dimulai secara spontan. Namun hal ini tidak terjadi karena komponen reaksi harus dipindahkan ke keadaan aktif (transisi). Energi yang diperlukan untuk mengubah molekul yang bereaksi menjadi aktif disebut energi aktivasi.

Keadaan transisi ditandai dengan pembentukan dan pemutusan ikatan kimia secara terus-menerus, dan kesetimbangan termodinamika terjadi antara keadaan transisi dan keadaan dasar. Laju reaksi maju bergantung pada suhu dan perbedaan nilai energi bebas substrat pada keadaan transisi dan dasar. Perbedaan ini disebut energi bebas reaksi.

Pencapaian keadaan transisi media dapat dilakukan dengan dua cara:

• karena transfer energi berlebih ke molekul yang bereaksi (misalnya, karena peningkatan suhu),
• dengan mengurangi energi aktivasi reaksi kimia yang bersangkutan.

Keadaan dasar dan transisi zat yang bereaksi.

Eo, Ek - energi aktivasi reaksi tanpa dan dengan adanya katalis; Dirjen-

perbedaan energi bebas reaksi.

Enzim “membantu” substrat mengadopsi keadaan transisi karena energi pengikatan selama pembentukan kompleks enzim-substrat. Penurunan energi aktivasi selama katalisis enzimatik disebabkan oleh peningkatan jumlah tahapan proses kimia. Induksi sejumlah reaksi antara mengarah pada fakta bahwa penghalang aktivasi awal dipecah menjadi beberapa penghalang yang lebih rendah, yang dapat diatasi oleh molekul yang bereaksi jauh lebih cepat daripada penghalang utama.

Mekanisme reaksi enzimatik dapat direpresentasikan sebagai berikut:

1. hubungan enzim (E) dan substrat (S) dengan pembentukan kompleks enzim-substrat (ES) yang tidak stabil: E + S → E-S;
2. pembentukan keadaan transisi yang diaktifkan: E-S → (ES)*;
3. pelepasan produk reaksi (P) dan regenerasi enzim (E): (ES)* → P + E.

Untuk menjelaskan tingginya efisiensi kerja enzim, beberapa teori mekanisme katalisis enzimatik telah diajukan. Yang paling awal adalah teori E. Fisher (teori “templat” atau “matriks kaku"). Menurut teori ini, enzim adalah suatu struktur kaku, yang pusat aktifnya merupakan “cetakan” substrat. Jika substrat mendekati situs aktif enzim seperti “kunci gembok”, reaksi kimia akan terjadi. Teori ini dengan baik menjelaskan dua jenis spesifisitas substrat enzim - absolut dan stereospesifisitas, tetapi tidak dapat dipertahankan dalam menjelaskan spesifisitas kelompok (relatif) enzim.

Teori "rak". berdasarkan gagasan G.K. Euler, yang mempelajari kerja enzim hidrolitik. Menurut teori ini, enzim berikatan dengan molekul substrat pada dua titik, dan ikatan kimia diregangkan, kerapatan elektron didistribusikan kembali, dan ikatan kimia diputus, disertai dengan penambahan air. Sebelum bergabung dengan enzim, substrat memiliki konfigurasi “santai”. Setelah berikatan dengan pusat aktif, molekul substrat mengalami regangan dan deformasi (terletak di pusat aktif seolah-olah di rak). Semakin panjang ikatan kimia dalam substrat, semakin mudah putus dan semakin rendah energi aktivasi reaksi kimianya.

Belakangan ini telah meluas teori "korespondensi yang diinduksi" oleh D. Koshland, yang memungkinkan labilitas konformasi yang tinggi dari molekul enzim, fleksibilitas dan mobilitas pusat aktif. Substrat menginduksi perubahan konformasi dalam molekul enzim sedemikian rupa sehingga pusat aktif mengambil orientasi spasial yang diperlukan untuk mengikat substrat, yaitu substrat mendekati pusat aktif seperti “tangan ke sarung tangan”.

Menurut teori korespondensi terinduksi, mekanisme interaksi antara enzim dan substrat adalah sebagai berikut:

1. Enzim, berdasarkan prinsip saling melengkapi, mengenali dan “menangkap” molekul substrat. Dalam proses ini, molekul protein dibantu oleh pergerakan termal atom-atomnya;
2. residu asam amino dari pusat aktif digeser dan disesuaikan dengan substrat;
3. kelompok kimia ditambahkan secara kovalen ke situs aktif - katalisis kovalen.

Urutan kejadian pada katalisis enzimatik dapat digambarkan dengan diagram berikut. Pertama, kompleks substrat-enzim terbentuk. Dalam hal ini, terjadi perubahan konformasi molekul enzim dan molekul substrat, yang terakhir ditetapkan di pusat aktif dalam konfigurasi tegang. Ini adalah bagaimana kompleks teraktivasi terbentuk, atau keadaan transisi, adalah struktur antara berenergi tinggi yang kurang stabil secara energetik dibandingkan senyawa dan produk induk. Kontribusi paling penting terhadap efek katalitik keseluruhan dibuat oleh proses stabilisasi keadaan transisi - interaksi antara residu asam amino dari protein dan substrat, yang berada dalam konfigurasi tegang. Perbedaan antara nilai energi bebas reaktan awal dan keadaan transisi sesuai dengan energi bebas aktivasi (ΔG#). Laju reaksi bergantung pada nilai (ΔG#): semakin kecil maka laju reaksi semakin besar, begitu pula sebaliknya. Pada dasarnya, DG mewakili “penghalang energi” yang harus diatasi agar suatu reaksi dapat terjadi. Menstabilkan keadaan transisi akan menurunkan “penghalang” atau energi aktivasi ini. Pada tahap selanjutnya, reaksi kimia itu sendiri terjadi, setelah itu produk yang dihasilkan dilepaskan dari kompleks produk-enzim.

Ada beberapa alasan tingginya aktivitas katalitik enzim, yang mengurangi penghalang energi terhadap reaksi.

1. Enzim dapat mengikat molekul substrat yang bereaksi sedemikian rupa sehingga gugus reaktifnya terletak berdekatan satu sama lain dan dari gugus katalitik enzim (efek persesuaian).

2. Dengan terbentuknya kompleks substrat-enzim, fiksasi substrat dan orientasi optimalnya untuk pemecahan dan pembentukan ikatan kimia tercapai (efek orientasi).

3. Pengikatan substrat menyebabkan hilangnya cangkang hidrasinya (ada pada zat yang terlarut dalam air).

4. Pengaruh korespondensi terinduksi antara substrat dan enzim.

5. Stabilisasi keadaan transisi.

6. Kelompok tertentu dalam molekul enzim dapat menyediakan katalisis asam-basa(transfer proton dalam substrat) dan katalisis nukleofilik(pembentukan ikatan kovalen dengan substrat, yang mengarah pada pembentukan struktur yang lebih reaktif dibandingkan substrat).

Salah satu contoh katalisis asam basa adalah hidrolisis ikatan glikosidik pada molekul murein oleh lisozim. Lisozim adalah enzim yang terdapat dalam sel berbagai hewan dan tumbuhan: dalam cairan air mata, air liur, protein ayam, susu. Lisozim dari telur ayam memiliki berat molekul 14.600 Da, terdiri dari satu rantai polipeptida (129 residu asam amino) dan memiliki 4 jembatan disulfida, yang menjamin stabilitas enzim yang tinggi. Analisis struktur sinar-X terhadap molekul lisozim menunjukkan bahwa ia terdiri dari dua domain yang membentuk “celah” di mana pusat aktif berada. Sepanjang “celah” ini heksosakarida berikatan, dan enzim mempunyai tempat tersendiri untuk mengikat masing-masing enam cincin gula murein (A, B, C, D, E dan F) (Gbr. 6.4).

Molekul murein tertahan di situs aktif lisozim terutama karena ikatan hidrogen dan interaksi hidrofobik. Di dekat tempat hidrolisis ikatan glikosidik, terdapat 2 residu asam amino dari pusat aktif: asam glutamat, menempati posisi ke-35 dalam polipeptida, dan asam aspartat, posisi ke-52 dalam polipeptida (Gbr. 6.5) .

Rantai samping residu ini terletak pada permukaan berlawanan dari “celah” di dekat ikatan glikosidik yang diserang—pada jarak sekitar 0,3 nm. Residu glutamat berada dalam lingkungan non-polar dan tidak terionisasi, dan residu aspartat berada dalam lingkungan polar; gugus karboksilnya terdeprotonasi dan berpartisipasi sebagai akseptor hidrogen dalam jaringan ikatan hidrogen yang kompleks.

Proses hidrolisis dilakukan sebagai berikut. Gugus karboksil terprotonasi dari residu Glu-35 memberikan protonnya ke atom oksigen glikosidik, yang menyebabkan putusnya ikatan antara atom oksigen ini dan atom C 1 dari cincin gula yang terletak di situs D (tahap katalisis asam umum ). Hasilnya, terbentuk produk yang mencakup cincin gula yang terletak di daerah E dan F, yang dapat dilepaskan dari kompleks dengan enzim. Konformasi cincin gula yang terletak di wilayah D terdistorsi sehingga menjadi konformasi setengah kursi, di mana lima dari enam atom pembentuk cincin gula praktis terletak pada bidang yang sama. Struktur ini sesuai dengan konformasi keadaan transisi. Dalam hal ini, atom C1 ternyata bermuatan positif dan produk antara disebut ion karbonium (karbokation). Energi bebas keadaan transisi berkurang karena stabilisasi ion karbonium oleh gugus karboksil terdeprotonasi dari residu Asp-52 (Gbr. 6.5).

Pada tahap selanjutnya, molekul air memasuki reaksi dan menggantikan residu disakarida yang berdifusi dari daerah pusat aktif. Proton molekul air menjadi Glu-35, dan ion hidroksil (OH -) menjadi atom C 1 dari ion karbonium (tahap katalisis basa umum). Akibatnya, fragmen kedua dari polisakarida yang terpecah menjadi produk reaksi (konformasi kursi) dan meninggalkan daerah pusat aktif, dan enzim kembali ke keadaan semula dan siap untuk melakukan reaksi pembelahan disakarida berikutnya (Gbr. 6.5) .

Sifat-sifat enzim

Saat mengkarakterisasi sifat-sifat enzim, pertama-tama kita menggunakan konsep “aktivitas”. Aktivitas enzim dipahami sebagai jumlah enzim yang mengkatalisis konversi sejumlah substrat per satuan waktu. Untuk menyatakan aktivitas sediaan enzim, digunakan dua satuan alternatif: internasional (E) dan “katal” (kat). Satuan internasional aktivitas enzim diambil sebagai jumlah enzim yang mengkatalisis konversi 1 mol substrat menjadi produk dalam 1 menit dalam kondisi standar (biasanya optimal). Satu katal menunjukkan jumlah enzim yang mengkatalisis konversi 1 mol substrat dalam 1 detik. 1 kucing=6*10 7 E.

Seringkali sediaan enzim dicirikan oleh aktivitas spesifik, yang mencerminkan tingkat pemurnian enzim. Aktivitas spesifik adalah jumlah unit aktivitas enzim per 1 mg protein.

Aktivitas enzim sangat bergantung pada kondisi eksternal, di antaranya suhu dan pH lingkungan sangat penting. Peningkatan suhu dalam kisaran 0-50° C biasanya menyebabkan peningkatan aktivitas enzimatik secara bertahap, yang berhubungan dengan percepatan pembentukan kompleks substrat-enzim dan semua peristiwa katalitik berikutnya. Namun peningkatan suhu lebih lanjut biasanya disertai dengan peningkatan jumlah enzim yang tidak aktif akibat denaturasi bagian proteinnya, yang dinyatakan dengan penurunan aktivitas. Setiap enzim dikarakterisasi suhu optimal- nilai suhu di mana aktivitas terbesarnya dicatat. Lebih sering, untuk enzim yang berasal dari tumbuhan, suhu optimum terletak pada kisaran 50-60 ° C, dan untuk enzim hewani - antara 40 dan 50 ° C. Enzim bakteri termofilik dicirikan oleh suhu optimum yang sangat tinggi.

Ketergantungan aktivitas enzim pada nilai pH lingkungan juga rumit. Setiap enzim dikarakterisasi pH optimal lingkungan di mana ia menunjukkan aktivitas maksimum. Ketika Anda menjauh dari kondisi optimal ini ke satu arah atau yang lain, aktivitas enzimatik menurun. Hal ini dijelaskan oleh perubahan keadaan pusat aktif enzim (penurunan atau peningkatan ionisasi gugus fungsi), serta struktur tersier seluruh molekul protein, yang bergantung pada rasio kationik dan anionik. pusat di dalamnya. Kebanyakan enzim mempunyai pH optimum pada kisaran netral. Namun ada enzim yang menunjukkan aktivitas maksimum pada pH 1,5 (pepsin) atau 9,5 (arginase).

Aktivitas enzim dapat mengalami fluktuasi yang signifikan tergantung pada paparan penghambat(zat yang mengurangi aktivitas) dan aktivator(zat yang meningkatkan aktivitas). Peran inhibitor dan aktivator dapat dimainkan oleh kation logam, beberapa anion, pembawa gugus fosfat, padanan pereduksi, protein spesifik, produk antara dan akhir metabolisme, dll. Zat-zat ini dapat masuk ke dalam sel dari luar atau diproduksi di dalamnya. . Dalam kasus terakhir, mereka berbicara tentang pengaturan aktivitas enzim - bagian integral dari pengaturan metabolisme secara keseluruhan.

Zat yang mempengaruhi aktivitas enzim dapat berikatan dengan pusat aktif dan alosterik enzim, serta di luar pusat tersebut. Contoh khusus dari fenomena tersebut akan dibahas pada Bab 7-19.Untuk menggeneralisasi beberapa pola penghambatan aktivitas enzim, perlu dicatat bahwa fenomena ini dalam banyak kasus terbagi menjadi dua jenis - reversibel dan ireversibel. Selama penghambatan reversibel tidak ada perubahan yang dilakukan pada molekul enzim setelah disosiasi dengan inhibitor. Contohnya adalah tindakan analog substrat, yang dapat mengikat situs aktif enzim, mencegah enzim berinteraksi dengan substrat sebenarnya. Namun, peningkatan konsentrasi substrat menyebabkan “perpindahan” inhibitor dari situs aktif, dan laju reaksi yang dikatalisis dipulihkan ( hambatan kompetitif). Kasus lain dari penghambatan reversibel adalah pengikatan inhibitor ke kelompok prostetik enzim, atau apoenzim, di luar pusat aktif. Misalnya interaksi enzim dengan ion logam berat yang menempel pada gugus sulfhidril residu asam amino enzim, interaksi protein-protein atau modifikasi kovalen enzim. Penghambatan aktivitas ini disebut tidak kompetitif.

Penghambatan yang tidak dapat diubah dalam banyak kasus hal ini didasarkan pada menghubungkan apa yang disebut “ substrat bunuh diri» dengan situs aktif enzim. Dalam hal ini terbentuk ikatan kovalen antara substrat dan enzim, yang terurai sangat lambat dan enzim tidak mampu menjalankan fungsinya dalam waktu yang lama. Contoh “substrat bunuh diri” adalah antibiotik penisilin (Bab 18, Gambar 18.1).

Karena enzim dicirikan oleh kekhususan kerjanya, enzim diklasifikasikan menurut jenis reaksi yang dikatalisisnya. Menurut klasifikasi yang diterima saat ini, enzim dikelompokkan menjadi 6 kelas:

1. Oksidoreduktase (reaksi redoks).

2. Transferase (reaksi perpindahan gugus fungsi antar substrat).

3. Hidrolase (reaksi hidrolisis, akseptor gugus yang ditransfer adalah molekul air).

4. Liase (reaksi eliminasi gugus secara nonhidrolitik).

5. Isomerase (reaksi isomerisasi).

6. Ligase, atau sintetase (reaksi sintesis akibat energi pembelahan nukleosida trifosfat, paling sering ATP).

Nomor kelas enzim yang bersangkutan ditetapkan dalam penomoran kodenya (sandi). Kode enzim terdiri dari empat angka yang dipisahkan oleh titik yang menunjukkan kelas enzim, subkelas, subsubkelas dan nomor seri pada subkelas tersebut.

LANGKAH-LANGKAH KATALIS ENZIM

1. Pembentukan kompleks enzim-substrat

Enzim mempunyai spesifisitas yang tinggi dan hal ini memungkinkan untuk mengajukan hipotesis yang menyatakan bahwa pusat aktif enzim saling melengkapi dengan substrat, yaitu. menyamakannya dengan “kunci gembok”. Setelah substrat "kunci" berinteraksi dengan pusat aktif "kunci", terjadi transformasi kimiawi substrat menjadi produk.

Belakangan, versi lain dari hipotesis ini diajukan - pusat aktif adalah struktur yang fleksibel dalam kaitannya dengan substrat. Substrat, berinteraksi dengan pusat aktif enzim, menyebabkan perubahan konformasi, yang mengarah pada pembentukan kompleks enzim-substrat. Pada saat yang sama, substrat juga mengubah konformasinya, yang menjamin efisiensi reaksi enzimatik yang lebih tinggi.

2. Urutan kejadian selama katalisis enzimatik

A. tahap mendekati dan mengarahkan substrat relatif terhadap pusat aktif enzim

B. pembentukan kompleks enzim-substrat

V. deformasi substrat dan pembentukan kompleks produk enzim yang tidak stabil

d.penguraian kompleks produk-enzim dengan keluarnya produk-produk reaksi dari pusat aktif enzim dan pelepasan enzim

3. Peran situs aktif dalam katalisis enzimatik

Hanya sebagian kecil enzim yang bersentuhan dengan substrat, dari 5 hingga 10 residu asam amino, membentuk pusat aktif enzim. Residu asam amino yang tersisa memastikan konformasi molekul enzim yang benar untuk reaksi kimia yang optimal. Di situs aktif enzim, substrat disusun sedemikian rupa sehingga gugus fungsi substrat yang terlibat dalam reaksi berada berdekatan satu sama lain. Susunan substrat ini mengurangi energi aktivasi, yang menentukan efisiensi katalitik enzim.

Ada 2 mekanisme utama katalisis enzimatik:

1. katalisis asam basa

2. katalisis kovalen

Konsep katalisis asam basa menjelaskan aktivitas enzimatik melalui partisipasi gugus asam (donor proton) dan/atau gugus basa (akseptor proton) dalam suatu reaksi kimia. Residu asam amino yang membentuk pusat aktif memiliki gugus fungsi yang menunjukkan sifat asam dan basa. Ini adalah sistein, tirosin, serin, lisin, asam glutamat, asam aspartat dan histidin.

Contoh katalisis asam basa adalah oksidasi alkohol menggunakan enzim alkohol dehidrogenase.

Katalisis kovalen didasarkan pada serangan gugus “-” dan “+” dari pusat aktif enzim oleh molekul substrat dengan pembentukan ikatan kovalen antara substrat dan koenzim. Contohnya adalah pengaruh serin protease (pripsin, kemotripsin) pada hidrolisis ikatan peptida selama pencernaan protein. Ikatan kovalen terbentuk antara substrat dan residu asam amino serin dari situs aktif enzim.

Katalisis adalah proses percepatan suatu reaksi kimia di bawah pengaruh katalis yang berpartisipasi aktif di dalamnya, tetapi pada akhir reaksi kimianya tetap tidak berubah. Katalis mempercepat pembentukan keseimbangan kimia antara bahan awal dan produk reaksi. Energi yang diperlukan untuk memulai suatu reaksi kimia disebut energi aktivasi. Hal ini diperlukan agar molekul-molekul yang ikut serta dalam reaksi dapat memasuki keadaan reaktif (aktif). Mekanisme kerja enzim ditujukan untuk menurunkan energi aktivasi. Hal ini dicapai dengan membagi reaksi menjadi langkah atau tahapan terpisah melalui partisipasi enzim itu sendiri. Setiap tahap baru memiliki energi aktivasi yang lebih rendah. Pembagian reaksi menjadi beberapa tahap menjadi mungkin karena pembentukan kompleks enzim dengan zat awal, yang disebut substrat ( S). Kompleks seperti ini disebut kompleks enzim-substrat ( ITU). Kompleks ini kemudian dibelah untuk membentuk produk reaksi (P) dan enzim yang tidak berubah ( E).

E + SITUE + P

Jadi, enzim adalah biokatalis yang, dengan membentuk kompleks enzim-substrat, memecah reaksi menjadi beberapa tahap dengan energi aktivasi yang lebih rendah dan dengan demikian meningkatkan laju reaksi secara tajam.

4. Sifat-sifat enzim.

Semua enzim bersifat protein.

Enzim mempunyai berat molekul yang tinggi.

Mereka sangat larut dalam air dan, ketika dilarutkan, membentuk larutan koloid.

Semua enzim bersifat termolabil, mis. tindakan optimal 35 – 45 o C

Berdasarkan sifat kimianya, mereka adalah elektrolit amfoter.

Enzim sangat spesifik sehubungan dengan substrat.

Enzim memerlukan nilai pH yang ditentukan secara ketat untuk kerjanya (pepsin 1,5 - 2,5).

Enzim memiliki aktivitas katalitik yang tinggi (mempercepat laju reaksi sebesar 10 6 – 10 11 kali).

Semua enzim mampu mengalami denaturasi bila terkena asam kuat, basa, alkohol, dan garam logam berat.

Kekhususan kerja enzim:

Berdasarkan spesifisitas kerjanya, enzim dibagi menjadi dua kelompok: spesifisitas absolut dan spesifisitas relatif.

Kekhususan relatif diamati ketika suatu enzim mengkatalisis satu jenis reaksi dengan lebih dari satu substrat yang mirip struktur. Misalnya, pepsin memecah semua protein yang berasal dari hewan. Enzim tersebut bekerja pada jenis ikatan kimia tertentu, dalam hal ini ikatan peptida. Kerja enzim ini meluas ke sejumlah besar substrat, yang memungkinkan tubuh bertahan dengan sejumlah kecil enzim pencernaan.

Kekhususan mutlak memanifestasikan dirinya ketika enzim hanya bekerja pada satu zat dan hanya mengkatalisis transformasi tertentu dari zat ini. Misalnya, sukrase hanya memecah sukrosa.

Reversibilitas tindakan:

Beberapa enzim dapat mengkatalisis reaksi maju dan mundur. Misalnya laktat dehidrogenase, enzim yang mengkatalisis oksidasi laktat menjadi piruvat dan reduksi piruvat menjadi laktat.

Urutan kejadian pada katalisis enzimatik dapat digambarkan dengan diagram berikut. Pertama, kompleks substrat-enzim terbentuk. Dalam hal ini, terjadi perubahan konformasi molekul enzim dan molekul substrat, yang terakhir ditetapkan di pusat aktif dalam konfigurasi tegang. Ini adalah bagaimana kompleks teraktivasi terbentuk, atau keadaan transisi, adalah struktur antara berenergi tinggi yang kurang stabil secara energetik dibandingkan senyawa dan produk induk. Kontribusi paling penting terhadap efek katalitik keseluruhan dibuat oleh proses stabilisasi keadaan transisi - interaksi antara residu asam amino dari protein dan substrat, yang berada dalam konfigurasi tegang. Perbedaan antara nilai energi bebas reaktan awal dan keadaan transisi sesuai dengan energi bebas aktivasi (ΔG#). Laju reaksi bergantung pada nilai (ΔG#): semakin kecil maka laju reaksi semakin besar, begitu pula sebaliknya. Pada dasarnya, DG mewakili “penghalang energi” yang harus diatasi agar suatu reaksi dapat terjadi. Menstabilkan keadaan transisi akan menurunkan “penghalang” atau energi aktivasi ini. Pada tahap selanjutnya, reaksi kimia itu sendiri terjadi, setelah itu produk yang dihasilkan dilepaskan dari kompleks produk-enzim.

Ada beberapa alasan tingginya aktivitas katalitik enzim, yang mengurangi penghalang energi terhadap reaksi.

1. Enzim dapat mengikat molekul substrat yang bereaksi sedemikian rupa sehingga gugus reaktifnya terletak berdekatan satu sama lain dan dari gugus katalitik enzim (efek persesuaian).

2. Dengan terbentuknya kompleks substrat-enzim, fiksasi substrat dan orientasi optimalnya untuk pemecahan dan pembentukan ikatan kimia tercapai (efek orientasi).

3. Pengikatan substrat menyebabkan hilangnya cangkang hidrasinya (ada pada zat yang terlarut dalam air).

4. Pengaruh korespondensi terinduksi antara substrat dan enzim.

5. Stabilisasi keadaan transisi.

6. Kelompok tertentu dalam molekul enzim dapat menyediakan katalisis asam-basa(transfer proton dalam substrat) dan katalisis nukleofilik(pembentukan ikatan kovalen dengan substrat, yang mengarah pada pembentukan struktur yang lebih reaktif dibandingkan substrat).

Salah satu contoh katalisis asam basa adalah hidrolisis ikatan glikosidik pada molekul murein oleh lisozim. Lisozim adalah enzim yang terdapat dalam sel berbagai hewan dan tumbuhan: dalam cairan air mata, air liur, protein ayam, susu. Lisozim dari telur ayam memiliki berat molekul 14.600 Da, terdiri dari satu rantai polipeptida (129 residu asam amino) dan memiliki 4 jembatan disulfida, yang menjamin stabilitas enzim yang tinggi. Analisis struktur sinar-X terhadap molekul lisozim menunjukkan bahwa ia terdiri dari dua domain yang membentuk “celah” di mana pusat aktif berada. Sepanjang “celah” ini heksosakarida berikatan, dan enzim mempunyai tempat tersendiri untuk mengikat masing-masing enam cincin gula murein (A, B, C, D, E dan F) (Gbr. 6.4).

Molekul murein tertahan di situs aktif lisozim terutama karena ikatan hidrogen dan interaksi hidrofobik. Di dekat tempat hidrolisis ikatan glikosidik, terdapat 2 residu asam amino dari pusat aktif: asam glutamat, menempati posisi ke-35 dalam polipeptida, dan asam aspartat, posisi ke-52 dalam polipeptida (Gbr. 6.5) .

Rantai samping residu ini terletak pada permukaan berlawanan dari “celah” di dekat ikatan glikosidik yang diserang—pada jarak sekitar 0,3 nm. Residu glutamat berada dalam lingkungan non-polar dan tidak terionisasi, dan residu aspartat berada dalam lingkungan polar; gugus karboksilnya terdeprotonasi dan berpartisipasi sebagai akseptor hidrogen dalam jaringan ikatan hidrogen yang kompleks.

Proses hidrolisis dilakukan sebagai berikut. Gugus karboksil terprotonasi dari residu Glu-35 memberikan protonnya ke atom oksigen glikosidik, yang menyebabkan putusnya ikatan antara atom oksigen ini dan atom C 1 dari cincin gula yang terletak di situs D (tahap katalisis asam umum ). Hasilnya, terbentuk produk yang mencakup cincin gula yang terletak di daerah E dan F, yang dapat dilepaskan dari kompleks dengan enzim. Konformasi cincin gula yang terletak di wilayah D terdistorsi sehingga menjadi konformasi setengah kursi, di mana lima dari enam atom pembentuk cincin gula praktis terletak pada bidang yang sama. Struktur ini sesuai dengan konformasi keadaan transisi. Dalam hal ini, atom C1 ternyata bermuatan positif dan produk antara disebut ion karbonium (karbokation). Energi bebas keadaan transisi berkurang karena stabilisasi ion karbonium oleh gugus karboksil terdeprotonasi dari residu Asp-52 (Gbr. 6.5).

Pada tahap selanjutnya, molekul air memasuki reaksi dan menggantikan residu disakarida yang berdifusi dari daerah pusat aktif. Proton molekul air menjadi Glu-35, dan ion hidroksil (OH -) menjadi atom C 1 dari ion karbonium (tahap katalisis basa umum). Akibatnya, fragmen kedua dari polisakarida yang terpecah menjadi produk reaksi (konformasi kursi) dan meninggalkan daerah pusat aktif, dan enzim kembali ke keadaan semula dan siap untuk melakukan reaksi pembelahan disakarida berikutnya (Gbr. 6.5) .