ביוכימיה- חיים

Front 1

תכונות אנזימים

Back 1

1.הכוח הקטליטי: אנזימים מסוגלים לזרז ריאקציות בערך פי מיליון. לדוגמא: חמצון גלוקוז.
2. ספציפיות: האנזימים מאוד ספציפיים בשני מובנים-
א.ספציפיים לריאקציה אותה הם מזרזים.
ב. ספציפיים לגבי הבסובסטראט- החומר עליו האנזים עובד.
כלומר, כל אנזים יכול לזרז מספר מאוד קטן של ריאקציות ויכול לעבוד על מספר קטן של סובסטראטים. הספציפיות של האנזימים באה לידי ביטוי בחוסר של תוצרי לוואי. זאת לעומת ריאקציות כימיות, שאינן יעילות ותמיד מביאות לתוצרי לוואי.

Front 2

ויסות פעולת האנזימים

Back 2

הגוף אינו מעוניין שאנזים יפעל ללא בקרה. לכן, התא מבקר ומווסת את הפעילות של האנזים בעזרת מספר מנגנוני ויסות
בקרת משוב, בקרה ע"י חלבונים רגולטיביים, שינויים קוולנטיים,
Proteolytic Activation
בקרה אלוסטרית

Front 3

בקרת משוב

Back 3

נניח שיש לנו שרשרת של תגובות אנזימתיות, כאשר כל שלב בשרשרת מתרחש ע"י אנזים. אם הריאקציה תתרחש בצורה לא מבוקרת תהיה כמות גדולה מאוד של התוצר הסופי. כדי למנוע זאת, ברגע שיש מספיק מהתוצר, התוצר בעצמו מעכב את השלב הראשון בשרשרת התגובות ואז כל התגובות נעצרות. (בדר"כ התוצר הסופי הוא מעכב את השלב הראשון בשרשרת, אך לא תמיד). ברגע ששרשרת התגובות נעצרת, כמות התוצר הסופי יורדת. הירידה בכמות התוצר הסופי מביאה להפסקה של עיכוב השלב הראשוני. הפסקת העיכוב מביאה להתחדשות פעולת האנזימים ולייצור של התוצר הסופי.

Front 4

בקרה ע"י חלבונים רגולטיביים

Back 4

חלבונים רגולטיביים יודעים לווסת פעילות של אנזימים. דוגמא לכך היא חלבון שנקרא Calmodulin. חלבון זה מסוגל לחוש רמות של סידן בתא. בהיעדר קלציום, ה- Calmodulin נמצא בצורה לא פעילה. כאשר יש נוכחות של רמות מסוימות של סידן בתא, ה- Calmodulin הופך לפעיל. ה- Calmodulin הפעיל משפעל אנזימים מצורה לא פעילה לצורה פעילה. תוצאת בקרה זו היא שהאנזימים המשופעלים ע"י ה- Calmodulin יפעלו רק כאשר יש כמות מסוימת של סידן בתא.

Front 5

שינויים קוולנטיים

Back 5

דוגמא לשינוי קוולנטי המהווה גורם בקרה לפעילות אנזימתית היא זרחון- Phosphorylation.
כאשר חלבון חוצה ממברנה "פוגש" ליגנד (מולקולה קושרת רצפטורים) , מתבצע זרחון בצד הציטופלסמתי של החלבון. במצב זה יש זרחון עצמי (אין צורך באנזים אחר שיזרחן את החלבון). פעולת הזרחון היא למעשה שפעול של החלבונים. זוהי בקרה חשובה מאוד שאחראית לויסות תהליכים רבים וחשובים.

Front 6

זרחון

Back 6

• האנזימים שאחראים לפוספורילציה נקראים קינזות (הרחבה בהמשך). אלו הם אנזימים שמזרחנים מולקולות אחרות. בתהליך הזרחון, הפוספט הטרמינלי של מולקולות ה- ATP (המולקולת ה- ATP יש 3 פוספטים) עובר לאחת משלושת החומצות Serine, Theronine, Tyrosine. (תהליך הזרחון קורה רק לאחר שקיים כבר חלבון). רק חלבונים בתוך התא, חלבונים תוך תאיים, יכולים לעבור זרחון. תהליך הזרחון לא מתרחש בדם או בנוזלים חוץ תאיים. כלומר, זהו תהליך Intra Cellular. הסיבה לכך היא שמולקולות ATP לא קיימת מחוץ לתא.
• תהליך הזרחון הוא תהליך הפיך, הפוספט יכול לעזוב את החומצה האמינית. המולקולות שמבצעות את התהליך ההפוך נקראות פוספטאזות. בתהליך הדה-זרחון משתחררת מולקולת פוספט אנאורגאנית ( Pi).
• תהליך הזרחון הוא תהליך מאוד חשוב מכיוון שמולקולת פוספט מוסיפה שני מטענים שליליים לחלבון. אותם מטענים מאפשרים לחלבון אינטראקציות אלקטרוסטטיות חדשות. בנוסף, תהליך הזרחון מאפשר יצירת קשרים נוספים ואחרים בתא.
* זה יכול לשנות את אתרי הקשירה של הפוספט ואת הפעילות הקטליטית.
* קבוצת זרחן יכולה ליצור שלושה קשרי מימן מה שיכול לשמש ליצירת קשרים עם חומרים אחרים בתא.
• האנרגיה של קשר הפוספט מאוד גבוהה. כלומר, התא צריך להשקיע הרבה מאוד אנרגיה כדי לזרחן ולכן גם פירוק הקשר משחרר הרבה אנרגיה.
• תהליך הזרחון יכול להתבצע על פני טווחי זמן שונים- קטנים כמו שניות או דקות או שעות. לכן, זהו תהליך מאוד יעיל גם בבקרת תהליכים קצרי טווח וגם ארוכי טווח.
• אמפליפיקציה: מולקולה שעברה זרחון יכולה עכשיו לזרחן מולקלות אחרות. זהו נושא מאוד חשוב שנראה אותו שוב במהלך הקורס.
• לא רק אנזימים עוברים זרחון אלא גם חלבונים אחרים כמו למשל תעלות על פני הממברנה. הרבה פעמים יש צורך בזרחון של תעלה על מנת לפתוח אותה. הזרחון מווסת תהליכים רבים מאוד בתא.

Front 7

קינזות

Back 7

ניתן לחלק את הקינזות לשתי קבוצות עיקריות:
1. Dedicated protein kinases : קינזות שיודעות לזרחן רק חלבון אחד, או מספר מאוד קטן של חלבונים. זוהי קבוצה קטנה יותר של קינזות.
2. Multifunctional kinases: קינזות אלה יודעות לזרחן שורה ארוכה של חלבונים.
השאלה היא איך קינזות אלה יודעות לעשות זאת מבלי לפגוע בספציפיות (כלומר, איך הן לא מזרחנות את כל החלבונים בתא). הסיבה לספציפיות של ה-Multifunctional kinases היא העובדה שהן יודעות לזרחן את חומצת האמינו המתאימה רק כאשר היא נמצאת ברצף מסוים שנקרא Consensus sequence (רצף קונצנזוס).
דוגמה: אנזים שנקרא Protein kinase A. אנזים זה יודע לזרחן Serine או Threonine, אך רק כאשר חומצות אלה נמצאות ברצף: Arg-Arg-X-SER-Z או Arg-Arg-X-THR-Z. זה מגדיר ספציפיות מסוימת של Protein kinase A.

Front 8

Proteolytic Activation

Back 8

זוהי סינתזה של אנזימים בצורתם הלא פעילה. על מנת להביא את האנזים לצורתו הפעילה יש צורך לבצע חיתוך במקום מסוים שנקרא אתר ההפעלה. פרוטאוליזה היא חיתוך של החלבון. כלומר, באתר ההפעלה יש אנזים פרוטאוליטי המבצע את החיתוך והופך את האנזים לפעיל. מנגנון זה מאוד נפוץ במנגנוני עיכול ובאנזימים הקשורים בקרישת הדם. דוגמא לשפעול כזה ניתן למצוא בשפעול האנזים ה- Proinsulin (מעין "קדם" אינסולין, מולקולה שאינה פעילה). מתבצע חיתוך שתוצאתו הוא המולקולה הבשלה והפעילה- Insulin.

Front 9

בקרה אלוסטרית
Allosteric

Back 9

בקרה שמתרחשת רק באנזימים הכוללים שתיים או יותר שרשראות. בקרה אלוסטרית מאוד מקושרת עם מבנה רביעוני. אם סובסטרט נכנס לתוך אחת התת-יחידות זה משנה את המבנה והתפקיד של כל הקומפלקס.

Front 10

נומנקלטורה של אנזימים

Back 10

האנזים מקבל את שם הסובסטראט עליו הם עובדים + הסיומת Ase. דוגמאות:
Urease: אנזים שמפרק Urea.
Phophatase: אנזים שמפרק פוספט.
קיימים אנזימים חריגים, שאינם מקבלים את הסיומת האופיינית, מסיבות היסטוריות. כמו למשל, Trypsin,Pepsin.
כמו כן, יש אנזימים ששמם מסתיים בסיומת –Ase אך ללא שם הסובסטרט. לדוגמה: Catalase שמפרק H2O2 (פרוקסיד).

Front 11

סיווג אנזימים

Back 11

קיימות 6 קבוצות עיקריות
1. Oxidoreductase- Oxidation- reduction reactions.
2. Transferases- Transfer of functional groups.
3. Hydrolases- Hydrolysis reactions.
Lyases- addition of double bond.
Isomerases- Isomerization reactions.
Ligases- Formation of bonds with ATP cleavage.

Front 12

Cofactors

Back 12

Cofactors הם מרכיבים לא חלבוניים שהכרחיים לפעילות הקטליטית של האנזים.
ה- Cofactors יכולים להיות-
1. יון מתכתי.
2. Coenzyme: מולקולה אורגנית, לרוב ויטמין.

* החלבון לבד, שאינו פעיל, נקרא Apoenzyme.
* החלבון + הקואנזים, שהוא אנזים פעיל, נקרא Holoenzyme.

Front 13

פעולת האנזימים

Back 13

א. האנזימים אינם משנים את קבוע שיווי המשקל של הריאקציה: הריאקציה תגיע לאותו שיווי משקל, גם בנוכחות אנזימים וגם בהיעדרם. האנזימים רק מזרזים את נקודת השגת שיווי המשקל. כלומר, בהיעדר אנזים הריאקציה תגיע לשיווי משקל תוך פרק זמן של שעות או ימים. לעומת זאת, בנוכחות אנזים הריאקציה תגיע לשיווי המשקל תוך שניות. אולם, נקודת שיווי המשקל תישאר זהה.

ב. הקטנת מחסום האקטיבציה: האנזימים מסוגלים לזרז את הריאקציה ע"י הקטנת מחסום השפעול. ( ע"י הקטנת דלתא G).
במעבר מהסובסטראט לתוצר התגובה עוברת דרך מצב שנקרא Transition State. מצב ביניים זה הוא מצב מאוד אנרגטי. האנזים מקטין את האנרגיה של ה- Transition State ובכך מזרז את הריאקציה. לכן, בנוכחות אנזים הריאקציה מתקדמת הרבה יותר מהר כי מחסום האקטיבציה הרבה יותר נמוך.
ג. Enzyme-Substrate Complex:
השלב הראשון בכל ריאקציה אנזימתית היא היווצרות קומפלקס בין האנזים לסובסטראט הנקרא Enzyme-Substrate Complex (ES). הסובסטראט נקשר לאנזים על פני אתר מוגדר באנזים הנקרא האתר הפעיל- Active Site.
ד. Michaelis- Meten Model

Front 14

איך אנחנו יודעים שאכן יש היווצרות של קומפלקס אנזים-סובסטרט?

Back 14

ניתן למצוא שתי הוכחות להיווצרות הקומפלקס:
1.הוכחות ישירות: בהסתכלות במיקרוסקופ או ע"י שימוש בקר י רנטגן.
2.הוכחות בלתי ישירות: הריאקציות האנזימתיות תמיד מגיעות למהירות מרבית- Maximal velocity, מכיוון שבשלב מסוים כל האתרים הפעילים באנזימים "תפוסים" ע"י הסובסטראט ועליית ריכוז הסובסטראט לא תוכל עוד לזרז את הריאקציה. לעומתן, ריאקציות שאינן אנזימתית יכולות להתקדם מהר יותר ויותר עם עליית ריכוז המגיבים.

Front 15

תכונות ה- Active Site

Back 15

האתר הפעיל הוא האזור שאליו נקשר הסובסטרט באנזים. אתמול אמרנו שבחלבונים יש משטחים קומפלמנטריים ו-Clefts, וזהו האזור שאליו נקשר הסובסטרט.
האתר הפעיל הוא סוג של שקע שנוצר על-ידי חומצות אמינו שיכולות להגיע גם ממקומות מרוחקים ברצף הליניארי של חומצות אמינו. כלומר, האתר הפעיל לא נוצר בין חומצות אמינו סמוכות בשרשרת
בתוך האתר הפעיל האינטראקציות בין הסובסטרט לאנזים שהן בדרך-כלל חלשות: קשרים אלקטרוסטטיים, קשרי מימן, קשרי ואן-דר-ואלס. בין האנזים לסובסטרט לא נוצר קשר קוולנטי, מפני שזה היה "הורג" את האנזים.
לאנזים ולסובסטרט יש צורות קומפלמנטריות.
אתרים פעילים הם בדרך-כלל הידרופובים, והם תופסים נפח קטן יחסית באנזים.

Front 16

הקשר בין אנזים לסובסטראט

Back 16

ב-120 השנים האחרונות היו תיאוריות שונות שניסו להסביר את הקשר בין אנזים לסובסטרט:
1. התיאוריה הראשונה, שפותחה בסוף המאה ה-19 נקראת Lock and key model. על-פי המודל הזה, עוד לפני שהסובסטרט והאנזים באים במגע אחד עם השני צורותיהם מתאימות אחד לשני. 2. בהמשך, פותח מודל אחר שנקרא Induced fit model. על-פי המודל הזה, האנזים יכול לשנות את צורת האתר הפעיל בעקבות או לאחר הגעת הסובסטרט אליו, וכך האנזים מתאים את האתר הפעיל לסובסטרט.



היום התיאוריה הזו יותר מקובלת, אם כי ישנם אלמנטים בתיאוריה הראשונית שעדיין נכונים. לפני הגעת הסובסטרט אל האנזים יש מעט התאמה ביניהם אך היא לא מוחלטת, ולאחר הגעת הסובסטרט אל האנזים ההתאמה הופכת להיות מלאה.

Front 17

מודל מיכאליס מנטן

Back 17

המודל מנסה לתאר את התכונות הקינטיות של אנזימים. לא כל האנזימים מתנהגים לפי המודל הזה, אך רבים מהם כן.
ישנו ערך שנקרא KM – קבוע מיכאליס. זהו ריכוז הסובסטרט שנותן 50% מהמהירות המקסימלית של הריאקציה.

שלב 1: בהתחלה, אנזים וסובסטרט יוצרים קומפלקס. הקומפלקס אנזים-סובסטרט נותן את האנזים+התוצר. כלומר, בתום הריאקציה, האנזים מסיים את הריאקציה כפי שהתחיל אותה ולא עובר שום שינוי. הסובסטרט הוא זה שעובר את השינוי והופך לתוצר.




שלב 2: K4 שהופך את E+P ל-ES מבוטל, מאחר שלאחר הריאקציה כמעט אין תוצר שהופך בחזרה לקומפלקס אנזים-סובסטרט.



בשלב הראשוני, היווצרות הקומפלקס היא הרבה יותר מהירה. קצב היצירה של ES מוגדר. קצב הפירוק גם הוא מוגדר. לאחר מכן מתחיל הפיתוח המתמטי:






בסופו של דבר, מגיעים לנוסחת מיכאליס-מנטן. נוסחת מיכאליס-מנטן אומרת:
V=(V_max [S])/([S]+k_m )









כאשר ריכוז הסובסטרט נמוך בהרבה מ-Km, אפשר לבטל את ריכוז הסובסטרט למעלה, ואפשר לקבל את הנוסחה:
V=([S] V_max)/Km

לעומת זאת, כאשר ריכוז הסובסטרט גדול בהרבה מ-Km, מהירות הריאקציה שווה למהירות המקסימלית. המשמעות היא שמתחילת הפעולה המהירות היא המהירות המקסימלית, וגם אם נוסיף עוד סובסטרט היא לא תעלה. הסיבה היא שכל האתרים הפעילים כבר תפוסים ולכן האנזים הוא הגורם המגביל והוספת סובסטרט לא תעזור.

כאשר ריכוז הסובסטרט שווה ל-Km, מהירות הריאקציה היא מחצית המהירות המקסימלית:
V=V_max/2









העקומות של Km ושל המהירות המקסימלית הן היפרבוליות ולכן, כדי להפוך את ההצגה ההיפרבולית להצגה ליניארית משתמשים במשוואה:
1/V=1/V_max +Km/V_max
ערך ה-Km של אנזים תלוי בכמה גורמים סביבתיים, כגון: חומציות (pH), טמפרטורה וגם חוזק יוני.

Front 18

במה תלוי קבוע מיכאליס
Km

Back 18

i. pH: לא כל האנזימים מושפעים מה-pH אך חלקם מושפעים במידה רבה. לדוגמא: Pepsin פעיל בצורה אופטימלית בחומציות שבקיבה. לעומת זאת, ה-pH האופטימלי של Trypsin הפועל במעיים הוא בערך 7. כלומר, יש כאן שני אנזימי עיכול הפועלים בדרגות חומציות שונות. לעומתם, יש אנזימים שאינם רגישים ל- pH בטווח מסוים.
ii. טמפרטורה:
עבור רוב האנזימים בגוף החי הטמפרטורה האופטימאלית היא 37-40 מעלות. מעל לטמפרטורה זו ומתחתיה, הפעילות של האנזים פוחתת. ניתן לראות את השפעת הטמפרטורה גם על הצטברות תוצר. כמות התוצר עולה עם עליית הטמפרטורה עד להגעה לטמפרטורה בה האנזים עובר דנטורציה. כאשר האנזים עובר דנטורציה, קצב הריאקציה יורד וכמות התוצר מפסיקה לעלות.
תופעה זו מתרחשת מכיוון שבטמפרטורות גבוהות האנזימים עוברים דנטורציה.
*הערה: יש אנזימים שכן מסוגלים לפעול בטמפרטורות מאוד גבוהות. אלו הם אנזימים שמקורם בבקטריה תרמופילית.
חוזק יוני

Front 19

דנטורציה

Back 19

דנטורציה (צְמִיתָה, באנגלית: Denaturation מילולית: שלילת המצב הטבעי) היא תהליך שבו משתנה המבנה המרחבי, הטבעי של מולקולה ביולוגית גדולה. המושג מתייחס בדרך כלל לחלבונים או לחומצות גרעין. דנטורציה נגרמת עקב שינוים בסביבה של המולקולה, כגון עלייה בטמפרטורה, שינוי ברמת ה-pH (חומציות או בסיסיות יתר), שינוי בריכוזי יונים, נוכחות של חומרים שונים וכדומה.
בחלבונים, שינוי המבנה המרחבי פוגע בתפקוד החלבון ומוציא אותו מכלל פעולה. דנטורציה המתקיימת במלואה היא בלתי הפיכה בדרך כלל. אם הדנטורציה לא התרחשה במלואה, או שהתרחשה בתנאי מעבדה ייחודיים, גדל הסיכוי שבהסרת הגורמים לדנטורציה יתרחש התהליך ההפוך - רנטורציה, והחלבון ישוב לתפקד לאחר זמן מה.

Front 20

הגדרת פעילות האנזים

Back 20

1. Enzyme Unit: זוהי כמות האנזים שמשנה micromole אחד של סובסטראט לתוצר בדקה אחת, בתנאים ספציפיים.
2. פעילות ספציפית: מס' יחידות אנזים למיליגרם חלבון. הגדרה זו לוקחת בחשבון את המסה של האנזים.
פעילות אנזימטית לא מתייחסת למשקל חלבון, והמושג של פעילות ספציפית נועד לתאר את הניקיון – ה-Purity של האנזים. ככל שיש לנו פעילות ספציפית גבוהה יותר, אנחנו אומרים שיש לנו אנזים שהוא נקי יותר מחומרים אחרים.

Front 21

מעכבי אנזימים

Back 21

מעכבי אנזימים מאפשרים לנו להבין איך ריאקציות אנזימטיות מתרחשות. בנוסף, הם מאפשרים לנו לחקור את המבנה של אנזימים. הם מאפשרים לנו לחקור מסלולים מטבוליים – אם נרצה להבין מסלול מטבולי מסוים בתא, נחסום אנזימים ספציפיים וכך נוכל לאפיין את חומרי הביניים. בהיבט הרפואי, רוב התרופות בעצם מעכבות אנזימים או מזרזות אנזימים. הנושא של מעכבים אנזימטיים חשוב מאוד ברפואה.
ניתן לחלקם לשתי קבוצות, מעכבים הפיכים ובלתי הפיכים.

Front 22

מעכבי אנזימים בלתי הפיכים

Back 22

מעכבים שנקשרים בקשר חזק(=קוולנטי) לאנזים, שכמעט ולא מתפרק. במקום קומפלקס ES (אנזים-סובסטרט) נוצר קומלפקס EI (אנזים-מעכב) שמתפרק לאט מאוד, אם בכלל.
דוגמה למעכב בלתי-הפיך: גז עצבים (מעכב את האנזים Acetylcholinesterase). הוא נקשר אל האנזים בצורה מאוד חזקה. האנזים מפרק את הנוירוטרנסמיטר אצטילכולין שמגיע אל השרירים. אם נמצא גז עצבים, הוא נקשר בצורה בלתי-הפיכה לאצטילכולינאסטרז כך שהוא לא יכול לפרק את האצטילכולין.
דוגמה נוספת למעכב בלתי-הפיך: פניצילין. הפניצילין נקשר בצורה קוולנטית לאנזים Glycoprotein peptidase. כאשר דיברנו על חיידקים, אמרנו שהתא בנוי מממברנה שמחוץ לה קבוצות סוכריות ארוכות: פפטידוגליקנים. האנזים Glycoprotein peptidase אמור לסנתז את השרשראות שמחברות בין שרשראות הפפטידוגליקנים. הפניצילין מבטל או מעכב בצורה בלתי-הפיכה את האנזים הזה, ולכן אין קשרים בין השרשראות האלה, הדופן לא יציבה וחדירה מאוד, ואז יש ליזיס: פיצוץ ופירוק של התא, וגדילת החיידק נפסקת.

Front 23

מעכבי אנזימים הפיכים

Back 23

אלו מעכבים שנקשרים לאנזים אך הקומפלקס שנוצר לא מאוד חזק ויכול לעבור דיסוציאציה. קיימות שתי תתי קבוצות-
1. מעכבים תחרותיים: נקשר לאותו אתר פעיל אליו נקשר הסובסטראט. מעכב תחרותי נכנס לאתר הפעיל כי צורתו מזכירה את צורת הסובסטראט ולכן יכול להיכנס במקום הסובסטראט ולמנוע מהסובסטראט להיכנס לאתר הפעיל. עיכוב זה נקרא תחרותי כי מתקיימת תחרות בין הסובסטראט למעכב התחרותי ומי שינצח הוא מי שהריכוז שלו גבוה יותר. כלומר, ניתן להתגבר על המעכב התחרותי ע"י עודף סובסטראט.

2. מעכבים לא תחרותיים: לא נקשר לאתר הפעיל אלא נקשר לאזור אחר על פני האנזים (אזור שנקרא הרבה פעמים אתר רגולטורי). המעכב נקשר לאתר מוגדר וברגע שהוא נקשר הוא משנה את המבנה המרחבי של האנזים, משנה את צורת האתר הפעיל ולכן הסובסטראט אינו יכול להיקשר יותר לאנזים. זהו עיכוב לא תחרותי מכיוון שלא ניתן להתגבר עליו ע"י הוספת סובסטראט. הדרך להתגבר על המעכב היא פשוט להסיר אותו.

Front 24

מעכבים בהצגה גרפית

Back 24

ניתן לראות ע"פ תיאור גרפי, האם הריאקציה מתרחשת בנוכחות מעכב והאם מדובר בעיכוב תחרותי או לא תחרותי-
כאשר מדובר במעכב תחרותי, אין שינוי במהירות המקסימלית אך ה- km משתנה. המשמעות היא שכאשר יש מעכב תחרותי, יש צורך בהרבה יותר סובסטראט על מנת להגיע למהירות המקסימלית.
לעומת זאת, אם מדובר במעכב לא תחרותי, יש שינוי במהירות המקסימלית, אבל km לא משתנה. המשמעות היא שבנכוחות מעכב לא תחרותי, המהירות המקסימלית תקטן. כלומר, יעילות הריאקציה יורדת בצורה משמעותית.

Front 25

אנזימים אלוסטריים

Back 25

אנזימים שמורכבים משתי תת-יחידות ויותר. לעומת אנזימים שעובדים לפי מיכאליס-מנטן, שהגרף שלהם הוא היפרבולי, העקומה של אנזימים אלוסטריים היא סיגמואידלית.








ברגע שסובסטרט נקשר לאתר הפעיל של אחת מתת-היחידות במולקולה, זה משנה את צורת כלל המולקולה וגם את צורת האתרים הפעילים הנוספים. כל אחד מהאתרים הפעילים בתת-יחידות מסוגל לקשור סובסטרט.

יש כמה מודלים שמנסים להסביר את תופעת האלוסטריות, או הקואופרטיביות: עזרה הדדית בין תת-יחידות השונות באנזים:

ישנו אנזים שמורכב משתי תת-יחידות, שבכל אחת מהן אתר פעיל. כל אחד מאתרים אלה יכול לקשור סובסטרט, אבל כל אחת מתת-היחידות יכולה להימצא באחת משתי צורות – T או R. בצורת T תת-היחידה בזיקה נמוכה לקשירת הסובסטרט, ובצורת R (Relaxed) תת-היחידה בזיקה גבוהה לקשירתו. כאשר סובסטרט נקשר לאחת מתת-היחידות, היא הופכת מצורת T לצורת R.
זוהי צורה של בקרה שנרחיב עליה בהקשר של המוגלובין. (ללמוד לבד את המשך השקופיות בנושא)
Allosteric activators: יכולים להגדיל את יכולת הקשירה של סובסטרטים לאנזים.
מתאימים לצורת ה-R
: Allosteric inhibitors מפחיתים את יכולת הקשירה של סובסטרט לאנזים.
מתאימים לצורת ה-T

Front 26

מודלים של אלוסטריות

Back 26

א. Simple Sequential Model: מודל עקבי שמתאר אנזים שמורכב משתי תת יחידות. בכל אחת מתת היחידות יש אתר פעיל וכל אחד מהם מסוגל לקשור סובסטראט.
כל אחת מהיחידות יכולה להימצא במצב T או R. מצב T מציג אפיניות נמוכה לסובסטראט ולכן לא קושר סובסטראט. לעומת זאת, צורת הR - כן יכולה לקשור את הסובסטראט.
כדי לשפעל את האנזים מהמצב הלא פעיל, יש להוסיף מולקולה אחת של סובסטראט הנקשר לאחת מתת היחידות והיא הופכת מצורת ה- T לצורת ה- R.
על פי המודל הזה, יש צורך להוסיף סובסראט נוסף על מנת להגיע לצורה הפעילה.
ב. Concerted Model: על פי מודל זה, מספיק שמולקולה אחת של סובסטראט מגיעה, כל היחידות משנות את צורתן ומתקבל אנזים פעיל.

*תרופות רבות משתמשות כמשפעלים אלוסטריים או כמעכבים אלוסטריים.

Front 27

Cyclic Adenosine monophosphate (cyclic AMP)

Back 27

Cyclic AMP הוא סוג של מתווך תוך-תאי. הוא חשוב בתוך התא לאלמנטים של תיווך. cAMP נוצר בתוך התא על-ידי ציקליזציה של מולקולת ה-ATP: המולקולה סוגרת על עצמה, יש חיבור של שני פוספטים ואז ה-ATP הופך ל-Cyclic AMP. האנזים שהופך ATP ל-cAMP הוא Adenylate cyclase. וזה קורה בעקבות גירוי הורמונלי.
cAMP נקשר ל-Protein kinase A וגורם לשפעולו. במושגים של אלוסטריות, מתייחסים ל-cAMP כאל Allosteric activator. שם נוסף ל-Protein kinase A הוא cAMP-dependent protein kinase.
בעקבות קשירת רצפטור מסוים (נקרא G-alpha) משוחרר Adenylate cyclase, שהופך את ה-ATP ל-cAMP, שנקשר אל Protein kinase A ומשפעל אותו.

Front 28

מנגנון חיבור ה ב
cAMP
לאנזים וכתוצאה מכך זרחון

Back 28

Protein kinase A הוא אנזים שמורכב מארבע תת-יחידות. שתי תת-יחידות הן היחידות הקטליטיות. שתי תת-היחידות הנוספות הן יחידות רגולטוריות. כאשר Protein kinase A יוצר את הקומפלקס הזה הוא לא פעיל. כאשר רצפטור מסוים שופעל על-ידי הורמון ו-cAMP נוצר, הוא נקשר לאתרים ספציפיים רגולטוריים בתת-היחידות הרגולטוריות. בעקבות קשירת ב-cAMP הקומפלקס של ארבע תת-היחידות מתפרק והיחידות הקטליטיות משתחררות והופכות לפעילות. למעשה, האתרים הפעילים של היחידות הקטליטיות היו חסומים על-ידי היחידות הרגולטוריות, ובעקבות קשירת ה-cAMP לאתרים הרגולטוריים ביחידות הרגולטוריות החסימה הוסרה וכעת היחידות הקטליטיות יכולות לזרחן חומרים אחרים על גבי שיירי Serine או Threonine (באותו רצף קונצנזוס שפורט קודם).
תהליך הזרחון מאפשר תקשורת ומעבר אינפורמציה תוך תאית שמאפשרת התרחשות של מגוון רחב של פעילויות בתא. למשל, חלבון מסוים יכול להעביר אינפורמציה לחלבון אחר הנמצא בגרעין. למעשה, יש מעין מפלים של זרחון המעבירים אינפורמציה.
*כל תהליכי הזרחון הם תהליכים הפיכים!
ה-cAMP מאוד חשוב בתהליכים רבים בגוף (אולי החשוב מהם הוא פעילותו במערכת העצבים).

Front 29

Proteolitic Enzymes

Back 29

אלו הם אנזימים שמפרקים חלבונים, מתחלקים לשתי תת קבוצות עיקריות-
1. Exopeptidases: זוהי קבוצה של אנזימים שמעכלים חלבונים ע"י עיכול חומצת אמינו אחת אחרי השנייה, כשהם מתחילים מקצה השרשרת.
2. Endopeptidases: זוהי הקבוצה הגדולה ביותר, אנזימים אלו מפרקים חלבונים באתרים פנימיים בשרשרת, לא חייבים להתחיל מקצה השרשרת. אנזימים אלו "מכירים" קשרים ספציפיים בשרשרת וחותכים קשרים פפטידים מסוימים בתוך המולקולה.
חיתוך פרוטאוליטי של קשר פפטידי, מאפשר שפעול של אנזימים שנוצרים כחומרים מקדימים לא פעילים (Inactive precursors) הנקראים Proenzymes או Zymogens.

Front 30

נומנקלטורה של פרקורסורים

Back 30

שמה של צורת הקדם אנזים, הלא פעילה, היא בעלת סיומת ogen או קידומת Pro

Front 31

מאפייני הבקרה ע"י חיתוך פרוטאוליטי

Back 31

א. אינו מוגבל לאזור התוך תאי: מכיוון שבחיתוך פרוטאוליטי אין צורך ב- ATP, בקרה מסוג זה יכולה להתרחש מחוץ לתאים ואינה מוגבלת לאזור התוך תאי. למשל, מיצי עיכול במערכת העיכול פועלים במנגנון זה.
ב. תהליך בלתי הפיך: להבדיל מזרחון, תהליך השפעול ע"י חיתוך פרוטאוליטי הוא תהליך בלתי הפיך. כלומר, ברגע שמולקולה פרו-אנזימתית נחתכת ונותנת את הצורה הפעילה אין אפשרות ליצירה מחדש של הקדם אנזים. למשל, אין אפשרות למולקולה בשלה של אינסולין לחזור להיות המולקולה המקדימה, זהו תהליך חד כיווני.

Front 32

דוגמאות לשפעול חלבונים ע"י פרוטאוליזה

Back 32

אנזימי עיכול (בקיבה ובלבלב), בקרישת הדם, בהורמונים שונים (כמו אינסולין, אבל לא רק). לא רק חלבונים רגולטוריים נוצרים כפרקורסורים: גם קולגן, שהוא חלבון סטרוקטוראלי, נוצר כפרקורסור שנקרא Procollagen. צורת ה-Procollagen היא מסיסה, ולאחר שנחתך ממנע מקטע היא הופכת לסיב הקולגן, שלאחר מכן עובר קומפלקס עם עוד שני סיבים.

Front 33

משפחות של אנזימים פרוטאוליטים

Back 33

הסיבה לחלוקה לקבוצות השונות של אנזימים פרוטאוליטים היא שבכל משפחה יש באתר הפעיל שייר שחשוב לתפקיד.
Serine proteases, Aspartic proteases, Cysteine proteases, Metallo proteases.

Front 34

Serine Proteases

Back 34

בכל האנזימים השייכים למשפחה זו יש שייר Serine באתר הפעיל ולכן מנגנון הפעולה של האנזימים האלו דומה. המשפחה כוללת אנזימי עיכול, אנזים המשתתף בתהליך קרישת הדם.
א. Thrombin: הופך פיברינוגן לצורה הפעילה-Fibrin . ה- Fibrin הפעיל גורם ליצירת קרישי דם.
ב.TPA : הופך Plasminogen ל- Plasmin. ה- Plasmin הפעיל מפרק קרישי דם. (ולכן, ניתן לאנשים אחרי התקף לב)
ג. Urokinase: ה- Urokinase נוצר ע"י תאי גידול סרטניים.
נמצא בחלל החוץ תאי ויוצר את ה- Plasmin הפעיל. ה- Plasmin באזור החוץ תאי, יכול לעכל את מרכיבי הדבק החוץ תאי. בנוסף, ה- Plasmin יכול לשפעל Collagenase שמפרק קולגן בבסיס הממברנות של העורקים. וכך מאפשר לתאים הסרטניים לצאת וליצור את הגרורות.
ד. אנזימי העיכול- Trypsin, Chymotrypsin, Elastase:
- Trypsin, הנוצר מקדם אנזים הנקרא Protrypsin חותך קשרים פפטידיים בצד הקרבונילי של חומצות האמינו Arginine/ Lysine.
- Chymotrypsin חותך קשרים פפטידיים בצד הקרבונילי של שיירים ארומתיים.
- Elastase, פחות ספציפי מהשניים הקודמים. חותך קשרים פפטידיים בצד הקרבונילי של שיירים קטנים נייטרלים.

Front 35

ממה נובע ההבדל בין האנזימים

Back 35

*צורת האתר הפעיל היא שמאפשרת לאנזימים דומים כל כך (כי הם מאותה משפחה) להיות ספציפיים ולחתוך קשרים מסוימים בלבד. (פירוט על צורת האתר הפעיל של כל אחד בשקופית 74).
במקרה של טריפסין, מתברר שבאתר הפעיל שלו יש Aspartate בעמדה 189 שמאפשר כניסה של השיירים Lysine ו-Arginine שהם טעונים חיובים. בכימוטריפסין, האתר הפעיל שלו מורכב כך שהוא יכול לקלוט שיירים ארומטיים. האתר הפעיל של האלסטז יותר קטן.

Front 36

Aspartic Proteases

Back 36

בכל האנזימים השייכים למשפחה זאת יש שייר Aspartate באתר הפעיל.
א. Pepsin: ה-pH האופטימלי שלו הוא חומצי (2-3) הנמצא בקיבה.
ב. Renin: מסונתז בכליה. היצירה שלו לא מתרחשת כל הזמן, אלא מבוקרת ומתרחשת כאשר יש ירידה בלחץ הדם. ה- Renin משפעל חלבון שנקרא Angiotensinogen. כתוצאה מחיתוך של החלבון מתקבל פפטיד הנקרא Angiotensin I. אנזים נוסף, שנקרא ACE משפעל את Angiotensin I והופך אותו ל- Angiotensin II הנקשר לרצפטורים. בעקבות קשירה זו, דפנות העורקים מתכווצים ויש עלייה של לחץ הדם. מסלול זה משמש מטרות טיפוליות לטיפול בלחץ הדם. אחת התרופות שפותחו במטרה להוריד את לחץ הדם הן מעקבי ACE שלא מאפשר ללחץ הדם לעלות. תרופה אחרת היא למעשה חסמים של הרצפטורים של ה- Angiotensin II.
ג. HIV Protease:
נגיף ה- HIV הוא נגיף שבנוי ממולקולה אחת של Messenger RNA. ה- mRNA עובר תרגום ונותן חלבון מאוד ארוך שנקרא Poliprotein. כאשר הנגיף נמצא בתא מארח, אותו Poliprotein נחתך למספר חלבונים. כל אחד מהחלבונים משתתף באספקט מסוים של מחזור החיים של הנגיף. התברר, כי אחד החלבונים P11 (protease) חותך את עצמו החוצה (במנגנון שעדיים אינו ברור) מהחלבון הארוך, נחתך שוב ומשחרר את כל החלבונים האחרים. מעכבים לאותו HIV Protease הם גישה טיפולית כנגד איידס. קיימים היום הרבה מעכבים כאלו. כך, אין יצירה של כל החלבונים האחרים ואז מחזור החיים של הנגיף נפסק.
ד. Chymosin.
ה.Cathepsin D .