Các hydrolase là các enzym có nhiệm vụ thủy phân các loại liên kết hóa học trong nhiều hợp chất khác nhau. Trong số các liên kết chính bị thủy phân là liên kết este, glycosidic và peptit.
Trong nhóm hydrolase, hơn 200 enzym khác nhau đã được phân loại, nhóm thành ít nhất 13 bộ riêng lẻ; sự phân loại của chúng về cơ bản dựa trên loại hợp chất hóa học đóng vai trò là chất nền của chúng.
Mô hình đồ họa bằng các công cụ tin sinh học về cấu trúc của một hydrolase (Nguồn: Jawahar Swaminathan và nhân viên MSD tại Viện Tin học Sinh học Châu Âu, Via Wikimedia Commons)
Hydrolase rất cần thiết cho quá trình tiêu hóa thức ăn trong ruột của động vật, vì chúng chịu trách nhiệm phân hủy một phần lớn các liên kết tạo nên cấu trúc cacbonat của thực phẩm chúng ăn.
Các enzym này hoạt động trong môi trường nước, vì chúng cần các phân tử nước xung quanh chúng để thêm vào các hợp chất sau khi các phân tử bị phân cắt. Nói một cách đơn giản, hydrolase thực hiện xúc tác thủy phân các hợp chất mà chúng tác dụng.
Ví dụ, khi một hydrolase phá vỡ liên kết cộng hóa trị CC, kết quả thường là một nhóm C-OH và một nhóm CH.
Kết cấu
Giống như nhiều enzym, hydrolase là các protein hình cầu được tổ chức thành các cấu trúc phức tạp tự tổ chức thông qua các tương tác nội phân tử.
Hydrolase, giống như tất cả các enzym, liên kết với một hoặc nhiều phân tử cơ chất trong một vùng cấu trúc của chúng được gọi là "vị trí hoạt động". Vị trí này là một túi hoặc khe được bao quanh bởi nhiều gốc axit amin tạo điều kiện thuận lợi cho việc bám hoặc bám của chất nền.
Mỗi loại hydrolase đặc trưng cho một cơ chất nhất định, được xác định bởi cấu trúc bậc ba của nó và bởi cấu trúc của các axit amin tạo nên vị trí hoạt động của nó. Tính cụ thể này đã được Emil Fischer nêu ra một cách chuyên nghiệp như một loại "khóa và chìa khóa".
Hiện nay người ta đã biết rằng chất nền nói chung gây ra những thay đổi hoặc biến dạng trong cấu trúc của các enzym và đến lượt nó, các enzym làm biến dạng cấu trúc của chất nền để làm cho nó "phù hợp" với vị trí hoạt động của nó.
Đặc trưng
Tất cả các hydrolase đều có chức năng chính là phá vỡ liên kết hóa học giữa hai hợp chất hoặc trong cấu trúc của cùng một phân tử.
Có những hydrolase để phá vỡ hầu hết mọi loại liên kết: một số làm suy giảm liên kết este giữa cacbohydrat, một số khác làm suy giảm liên kết peptit giữa các axit amin của protein, một số khác là liên kết cacboxylic, v.v.
Mục đích của quá trình thủy phân các liên kết hóa học được xúc tác bởi enzym hydrolase khác nhau đáng kể. Ví dụ, lysozyme chịu trách nhiệm thủy phân các liên kết hóa học với mục đích bảo vệ sinh vật tổng hợp ra nó.
Enzyme này phá vỡ các liên kết giữ các hợp chất với nhau trong thành tế bào của vi khuẩn, với mục đích bảo vệ cơ thể con người khỏi sự sinh sôi của vi khuẩn và khả năng nhiễm trùng.
Nucleases là các enzyme "phosphatase" có khả năng phân hủy axit nucleic, cũng có thể đại diện cho cơ chế bảo vệ tế bào chống lại virus DNA hoặc RNA.
Các hydrolase khác, chẳng hạn như các loại "serine protease", làm suy giảm các liên kết peptit của protein trong đường tiêu hóa để tạo ra các axit amin có thể đồng hóa trong biểu mô đường tiêu hóa.
Các hydrolase thậm chí còn tham gia vào các sự kiện sản xuất năng lượng khác nhau trong quá trình trao đổi chất của tế bào, vì phosphatase xúc tác việc giải phóng các phân tử photphat từ các chất nền năng lượng cao như pyruvate, trong quá trình đường phân.
Ví dụ về hydrolase
Trong số các hydrolase đa dạng mà các nhà khoa học đã xác định, một số được nghiên cứu chú trọng hơn những loại khác, vì chúng tham gia vào nhiều quá trình cần thiết cho sự sống của tế bào.
Chúng bao gồm lysozyme, serine protease, phosphatase loại endonuclease, và glucosidases hoặc glycosylase.
Lysozyme
Enzyme loại này phá vỡ các lớp peptidoglycan của thành tế bào vi khuẩn gram dương. Điều này thường kết thúc bằng cách ly giải toàn bộ vi khuẩn.
Lysozyme bảo vệ cơ thể động vật khỏi nhiễm trùng do vi khuẩn và có nhiều trong chất tiết của cơ thể ở các mô tiếp xúc với môi trường, chẳng hạn như nước mắt, nước bọt và chất nhầy.
Lysozyme trong trứng gà là cấu trúc protein đầu tiên được kết tinh qua tia X. Sự kết tinh này được thực hiện bởi David Phillips, vào năm 1965, tại Viện Hoàng gia London.
Vị trí hoạt động của enzym này bao gồm peptit Asparagine-Alanine-Methionine-Asparagine-Alanine-Glycine-Asparagine-Alanine-Methionine (NAM-NAG-NAM).
Serine protease
Các enzym trong nhóm này có nhiệm vụ thủy phân các liên kết peptit trong peptit và protein. Thường được nghiên cứu nhất là trypsin và chymotrypsin; tuy nhiên, có nhiều loại serine protease khác nhau, thay đổi tùy theo tính đặc hiệu của cơ chất và cơ chế xúc tác của chúng.
Các "serine protease" được đặc trưng bởi có một axit amin nucleophilic thuộc loại serine ở vị trí hoạt động của chúng, có chức năng phá vỡ liên kết peptit giữa các axit amin. Các protease serine cũng có khả năng phá vỡ nhiều loại liên kết este.
Sơ đồ đồ họa về hoạt động của một protease serine phá vỡ liên kết peptit trong axit amin histidine (Nguồn: Zephyris tại Wikipedia tiếng Anh Via Wikimedia Commons)
Các enzym này cắt các peptit và protein một cách không đặc hiệu. Tuy nhiên, tất cả các peptit và protein được cắt phải được gắn ở đầu tận cùng N của liên kết peptit vào vị trí hoạt động của enzym.
Mỗi protease serine cắt chính xác liên kết amit hình thành giữa đầu tận cùng C của axit amin ở đầu cacboxyl và amin axit amin hướng tới đầu N của peptit.
Phosphatase loại nucleaza
Các enzym này xúc tác sự phân cắt các liên kết photphodiester của đường và photphat của các bazơ nitơ tạo nên các nucleotit. Có nhiều loại enzym khác nhau, vì chúng đặc hiệu cho loại axit nucleic và vị trí phân cắt.
Sơ đồ đồ họa về hoạt động của endonuclease thủy phân liên kết phosphodiester (Nguồn: J3D3 Via Wikimedia Commons)
Endonuclease là không thể thiếu trong lĩnh vực công nghệ sinh học, vì chúng cho phép các nhà khoa học sửa đổi bộ gen của sinh vật bằng cách cắt và thay thế các đoạn thông tin di truyền của hầu hết mọi tế bào.
Các endonucleases thực hiện sự phân cắt các bazơ nitơ theo ba bước. Đầu tiên là thông qua một axit amin nucleophin, sau đó một cấu trúc trung gian tích điện âm được hình thành để thu hút nhóm photphat và cuối cùng phá vỡ liên kết giữa cả hai bazơ.
Người giới thiệu
- Davies, G., & Henrissat, B. (1995). Cấu trúc và cơ chế của glycosyl hydrolase. Cấu trúc, 3 (9), 853-859.
- Lehninger, AL, Nelson, DL, Cox, MM và Cox, MM (2005). Các nguyên tắc của Lehninger về hóa sinh. Macmillan.
- Mathews, AP (1936). Nguyên lý hóa sinh. W. Gỗ.
- Murray, RK, Granner, DK, Mayes, P., & Rodwell, V. (2009). Hóa sinh minh họa của Harper. 28 (tr. 588). New York: McGraw-Hill.
- Ollis, DL, Cheah, E., Cygler, M., Dijkstra, B., Frolow, F., Franken, SM,… & Sussman, JL (1992). Nếp gấp α / β hydrolase. Kỹ thuật Protein, Thiết kế và Lựa chọn, 5 (3), 197-211.