ГІДРОЛАЗИ: СТРУКТУРА, ФУНКЦІЇ, ПРИКЛАДИ - БІОЛОГІЯ - 2025

У гідролази представляє собою ферменти, які відповідають за гідроліз різних типів хімічних зв'язків в багатьох різних з'єднаннях. Серед основних зв'язків, які гідролізуються, є ефірні, глікозидні та пептидні зв’язки.

У межах групи гідролаз було класифіковано понад 200 різних ферментів, згрупованих у щонайменше 13 окремих наборів; їх класифікація по суті заснована на типі хімічної сполуки, яка служить їх субстратом.

Графічне моделювання за допомогою інструментів біоінформатики структури гідролази (Джерело: Джавахар Свамінафан та співробітники MSD Європейського інституту біоінформатики через Вікімедіа Commons)

Гідролази необхідні для перетравлення їжі в кишечнику тварин, оскільки вони відповідають за деградацію значної частини зв’язків, що складають вуглецеві структури їжі, яку вони їдять.

Ці ферменти працюють у водному середовищі, оскільки їм потрібні молекули води навколо них, щоб додати до сполук, коли молекули будуть розщеплені. Простими словами, гідролази здійснюють гідролітичний каталіз сполук, на які вони діють.

Наприклад, коли гідролаза розриває CC-ковалентну зв'язок, результатом зазвичай є C-OH-група та CH-група.

Будова

Як і багато ферментів, гідролази - це кульові білки, організовані в складні структури, що організовуються за допомогою внутрішньомолекулярних взаємодій.

Гідролази, як і всі ферменти, зв'язуються з однією або декількома молекулами субстрату в області їх структури, відомої як "активний сайт". Цей сайт являє собою кишеню або щілину, оточену багатьма амінокислотними залишками, які полегшують зчеплення або прикріплення субстрату.

Кожен тип гідролази специфічний для даного субстрату, що визначається його третинною структурою та конформацією амінокислот, що складають його активний ділянку. Ця специфіка дидактично піднята Емілем Фішером як своєрідний «замок».

Зараз відомо, що субстрат, як правило, індукує зміни або спотворення конформації ферментів і що ферменти, в свою чергу, спотворюють структуру субстрату, щоб зробити його «придатним» у його активному місці.

Особливості

Всі гідролази виконують основну функцію розриву хімічних зв’язків між двома сполуками або всередині структури однієї молекули.

Існують гідролази для розриву майже будь-якого типу зв’язку: одні погіршують ефірні зв’язки між вуглеводами, інші - пептидні зв’язки між амінокислотами білків, інші - карбонові зв’язки тощо.

Призначення гідролізу хімічних зв’язків, каталізованих ферментом гідролази, значно відрізняється. Наприклад, лізоцим відповідає за гідроліз хімічних зв’язків з метою захисту організму, який його синтезує.

Цей фермент розщеплює зв’язки, які утримують сполуки в клітинній стінці бактерій, щоб захистити організм людини від проліферації бактерій та можливої ​​інфекції.

Нуклеази - це ферменти "фосфатази", які мають здатність до руйнування нуклеїнових кислот, які також можуть являти собою механізм захисту клітин проти вірусів ДНК або РНК.

Інші гідролази, наприклад, типу "серинові протеази", руйнують пептидні зв'язки білків у травному тракті, щоб амінокислоти засвоювалися в епітелії шлунково-кишкового тракту.

Гідролази навіть беруть участь у різних подіях вироблення енергії в клітинному метаболізмі, оскільки фосфатази каталізують вивільнення молекул фосфату з високоенергетичних субстратів, таких як піруват, при гліколізі.

Приклади гідролаз

Серед великого різноманіття гідролаз, які вчені визначили, деякі були вивчені з більшим акцентом, ніж інші, оскільки вони беруть участь у багатьох процесах, важливих для життєдіяльності клітин.

До них відносяться лізоцим, серинові протеази, фосфатази типу ендонуклеази та глюкозидази або глікозилази.

Лізоцим

Ферменти цього типу руйнують пептидогліканні шари клітинної стінки грампозитивних бактерій. Зазвичай це призводить до повного лізису бактерій.

Лізоцими захищають організм тварин від бактеріальних інфекцій і рясно виділяються з організму в тканинах, які контактують з навколишнім середовищем, наприклад, сльозами, слиною і слизом.

Лізоцим курячого яйця був першою білковою структурою, що кристалізувалася за допомогою рентгенівських променів. Ця кристалізація була здійснена Девідом Філліпсом у 1965 році в Лондонському королівському інституті.

Активний сайт цього ферменту складається з пептиду Аспарагін-Аланін-Метіонін-Аспарагін-Аланін-Гліцин-Аспарагіну-Аланін-Метіоніну (NAM-NAG-NAM).

Серинові протеази

Ферменти цієї групи відповідають за гідролізацію пептидних зв'язків у пептидах та білках. Найчастіше вивчаються трипсин і хімотрипсин; однак існує багато різних типів серинових протеаз, які залежать від специфічності субстрату та механізму їх каталізу.

"Серинові протеази" характеризуються наявністю нуклеофільної амінокислоти серинового типу на своєму активному ділянці, яка функціонує при розриві пептидної зв'язку між амінокислотами. Серинові протеази також здатні порушити широкий спектр ефірних зв'язків.

Графічна схема дії серинової протеази, що розриває пептидний зв’язок в амінокислоті гістидину (Джерело: Зефіріс в англійській мові Wikipedia Via Wikimedia Commons)

Ці ферменти неспецифічно розрізають пептиди та білки. Однак усі пептиди та білки, що підлягають розрізуванню, повинні бути приєднані на N-кінці пептидної зв’язки до активного сайту ферменту.

Кожна серинова протеаза точно розрізає амідну зв’язок, який утворюється між С-кінцевим кінцем амінокислоти на карбоксильному кінці та амінокислотним аміном, що знаходиться до N-кінцевого кінця пептиду.

Фосфатази нуклеазного типу

Ці ферменти каталізують розщеплення фосфодіефірних зв'язків цукрів і фосфатів азотистих основ, що складають нуклеотиди. Існує багато різних типів цих ферментів, оскільки вони специфічні для типу нуклеїнової кислоти та місця розщеплення.

Графічна схема дії ендонуклеази, гідролізуючої фосфодіефірну зв'язок (Джерело: J3D3 Via Wikimedia Commons)

Ендонуклеази незамінні в галузі біотехнологій, оскільки дозволяють вченим модифікувати геноми організмів шляхом вирізання та заміни фрагментів генетичної інформації майже будь-якої клітини.

Ендонуклеази проводять розщеплення азотистих основ у три етапи. Перший відбувається через нуклеофільну амінокислоту, потім утворюється проміжна структура з негативним зарядом, яка притягує фосфатну групу і остаточно розриває зв’язок між обома основами.

Список літератури

1. Девіс, Г. та Генріссат, Б. (1995). Структури та механізми глікозильних гідролаз. Будова, 3 (9), 853-859.
2. Lehninger, AL, Nelson, DL, Cox, MM, & Cox, MM (2005). Принципи біохімії Ленінгера. Макміллан.
3. Метьюз, А. П. (1936). Принципи біохімії. В. Вуд.
4. Murray, RK, Granner, DK, Mayes, P., & Rodwell, V. (2009). Ілюстрована біохімія Харпера. 28 (с. 588). Нью-Йорк: McGraw-Hill.
5. Ollis, DL, Cheah, E., Cygler, M., Dijkstra, B., Frolow, F., Franken, SM,… & Sussman, JL (1992). Складка α / β гідролази. Білкова інженерія, проектування та відбір, 5 (3), 197-211.