V hidrolaze so encimi, ki so odgovorni za hidrolizo različne vrste kemijskih vezi v različnih spojin. Med glavnimi vezmi, ki hidrolizirajo, so estrske, glikozidne in peptidne vezi.
V skupini hidrolaz je bilo razvrščenih več kot 200 različnih encimov, razvrščenih v vsaj 13 posameznih sklopov; njihova razvrstitev v bistvu temelji na vrsti kemične spojine, ki služi kot njihov substrat.
Grafično modeliranje strukture hidrolaze z orodji za bioinformatiko (Vir: Jawahar Swaminathan in osebje MSD na Evropskem inštitutu za bioinformatiko prek Wikimedia Commons)
Hidrolaze so bistvene za prebavo hrane v črevesju živali, saj so odgovorne za razgradnjo velikega dela vezi, ki sestavljajo karbonatne strukture hrane, ki jo jedo.
Ti encimi delujejo v vodnem mediju, saj potrebujejo molekule vode okoli sebe, da se dodajo spojinam, ko se molekule cepijo. Z enostavnimi besedami, hidrolaze izvajajo hidrolizno katalizacijo spojin, na katere delujejo.
Na primer, ko hidrolaza pretrga CC-kovalentno vez, sta rezultat ponavadi C-OH skupina in CH skupina.
Struktura
Kot številni encimi so tudi hidrolaze globalarni proteini, organizirani v zapletene strukture, ki se organizirajo skozi intramolekularne interakcije.
Hidrolaze se tako kot vsi encimi vežejo na eno ali več molekul substrata v območju njihove strukture, znanem kot "aktivno mesto". To mesto je žep ali razcep, obkrožen s številnimi ostanki aminokislin, ki olajšajo oprijem ali pritrditev podlage.
Vsaka vrsta hidrolaze je za določen substrat specifična, kar je določeno z njegovo terciarno strukturo in konformacijo aminokislin, ki tvorijo njegovo aktivno mesto. Emil Fischer je to specifičnost na didaktičen način postavil kot nekakšno "ključavnico".
Zdaj je znano, da substrat na splošno povzroči spremembe ali izkrivljanja konformacije encimov in da encimi posledično izkrivljajo strukturo substrata, tako da se "prilega" na njegovo aktivno mesto.
Lastnosti
Vse hidrolaze imajo glavno funkcijo, da prekinejo kemijske vezi med dvema spojinama ali znotraj strukture iste molekule.
Obstajajo hidrolaze, ki pretrgajo skoraj katero koli vrsto vezi: nekatere razgradijo estrske vezi med ogljikovimi hidrati, druge pa peptidne vezi med aminokislinami beljakovin, druge karboksilne vezi itd.
Namen hidrolize kemičnih vezi, kataliziranih z encimom hidrolaze, se močno razlikuje. Na primer, lizocim je odgovoren za hidrolizo kemičnih vezi z namenom zaščite organizma, ki ga sintetizira.
Ta encim razgrajuje vezi, ki vsebujejo spojine v celični steni bakterij, da bi zaščitile človeško telo pred razmnoževanjem bakterij in morebitnimi okužbami.
Nukleaze so encimi "fosfataze", ki imajo sposobnost razgradnje nukleinskih kislin, ki lahko predstavljajo tudi celični obrambni mehanizem pred virusi DNA ali RNA.
Druge hidrolaze, denimo tiste tipa "serinske proteaze", razgradijo peptidne vezi beljakovin v prebavnem traktu, da omogočijo aminokisline v epiteliju prebavil.
Hidrolaze so celo vključene v različne dogodke proizvodnje energije v celičnem metabolizmu, saj fosfataze katalizirajo sproščanje fosfatnih molekul iz visokoenergetskih substratov, kot je piruvat, v glikolizi.
Primeri hidrolaz
Med veliko raznolikostjo hidrolaz, ki so jih ugotovili znanstveniki, so nekatere preučevali z večjim poudarkom kot druge, saj so vključeni v številne procese, ki so bistveni za življenje celic.
Sem spadajo lizocim, serinske proteaze, fosfataze tipa endonukleaze in glukozidaze ali glikozilaze.
Lizocim
Encimi te vrste razgrajujejo peptidoglikanske plasti celične stene gram-pozitivnih bakterij. To ponavadi povzroči skupno lizo bakterij.
Lizocimi branijo telo živali pred bakterijskimi okužbami in so obilni v telesnih izločkih v tkivih, ki so v stiku z okoljem, kot so solze, slina in sluz.
Lizocim piščančjega jajca je bil prva beljakovinska struktura, ki se je kristalizirala s pomočjo rentgenskih žarkov, ki jo je leta 1965 na londonskem kraljevem inštitutu opravil David Phillips.
Aktivno mesto tega encima je sestavljeno iz peptida Asparagin-Alanin-Metionin-Asparagin-Alanin-Glicin-Asparagin-Alanin-Metionin (NAM-NAG-NAM).
Serinske proteaze
Encimi iz te skupine so odgovorni za hidrolizo peptidnih vezi v peptidih in proteinih. Najpogosteje se preučujeta tripsin in kimotripsin; vendar obstaja veliko različnih vrst serinskih proteaz, ki se razlikujejo glede na substratno specifičnost in njihov mehanizem katalizacije.
Za "serinske proteaze" je značilno, da ima na svojem aktivnem mestu nukleofilna aminokislina serinskega tipa, ki deluje pri pretrganju peptidne vezi med aminokislinami. Serinske proteaze so sposobne tudi pretrgati najrazličnejše estrne vezi.
Grafična shema delovanja serinske proteaze, ki razbija peptidno vez v histidinu aminokisline (Vir: Zephyris na angleškem jeziku Wikipedia Via Wikimedia Commons)
Ti encimi nespecifično režejo peptide in beljakovine. Vendar morajo biti vsi peptidi in proteini, ki jih je treba rezati, pritrjeni na N-koncu peptidne vezi na aktivno mesto encima.
Vsaka serinska proteaza natančno prereže amidno vez, ki tvori med C-končnim koncem aminokisline na karboksilnem koncu in aminokislinskim aminom, ki je proti N-terminalnemu koncu peptida.
Fosfataze tipa nukleaze
Ti encimi katalizirajo cepitev fosfodiesterskih vezi sladkorjev in fosfatov dušikovih baz, ki tvorijo nukleotide. Obstaja veliko različnih vrst teh encimov, saj so specifični za vrsto nukleinske kisline in mesto cepitve.
Grafična shema delovanja endonukleaze, ki hidrolizira fosfodiestersko vez (Vir: J3D3 Via Wikimedia Commons)
Endonukleaze so na področju biotehnologije nepogrešljive, saj omogočajo znanstvenikom, da spreminjajo genome organizmov z rezanjem in nadomeščanjem drobcev genetske informacije skoraj katere koli celice.
Endonukleaze cepijo dušikove baze v treh korakih. Prvi je skozi nukleofilno aminokislino, nato se tvori negativno nabita vmesna struktura, ki privabi fosfatno skupino in končno prekine vez med obema bazama.
Reference
- Davies, G., in Henrissat, B. (1995). Strukture in mehanizmi glikozil hidrolaze. Struktura, 3 (9), 853-859.
- Lehninger, AL, Nelson, DL, Cox, MM in Cox, MM (2005). Lehningerjeva načela biokemije. Macmillan.
- Mathews, AP (1936). Načela biokemije. W. Wood.
- Murray, RK, Granner, DK, Mayes, P. in Rodwell, V. (2009). Harperjeva ilustrirana biokemija. 28 (str. 588). New York: McGraw-Hill.
- Ollis, DL, Cheah, E., Cygler, M., Dijkstra, B., Frolow, F., Franken, SM,… & Sussman, JL (1992). Hidrolazna guba α / β. Protein Engineering, Design and Selection, 5 (3), 197-211.