V biologii je aktivním místem oblast enzymu , kde se molekuly substrátu vážou a podléhají chemické reakci . Aktivní místo se skládá z aminokyselinových zbytků , které tvoří přechodné vazby se substrátem ( vazebné místo ) a zbytků, které katalyzují reakci tohoto substrátu (katalytické místo). Přestože aktivní místo zabírá pouze ~ 10-20 % objemu enzymu [1] :19 , je to nejdůležitější část, protože přímo katalyzuje chemickou reakci . Obvykle se aktivní místo skládá ze tří až čtyř aminokyselin, zatímco ostatní aminokyseliny v proteinu jsou nezbytné pro udržení jeho terciární struktury [2] .
Každé aktivní místo se vyvinulo tak, aby optimalizovalo vazbu na specifický substrát a katalyzovalo specifickou reakci, což má za následek vysokou specifitu enzymu. Tato specifičnost je dána uspořádáním aminokyselin v aktivním místě a strukturou substrátů. Někdy se enzymy také potřebují vázat na určité kofaktory , aby mohly plnit svou funkci. Aktivním místem je obvykle drážka nebo kapsa v enzymu, která může být umístěna v hlubokém tunelu uvnitř enzymu [3] nebo na rozhraních rozhraní u multimerních enzymů . Aktivní místo může reakci znovu katalyzovat, protože jeho aminokyselinové zbytky se na konci reakce nemění (mohou se měnit během reakce, ale ke konci se regenerují) [4] . Tohoto procesu je dosaženo snížením aktivační energie reakce, takže více substrátů má dostatek energie k provedení reakce.
Typicky má molekula enzymu pouze dvě aktivní místa a tato aktivní místa odpovídají jednomu konkrétnímu typu substrátu. Aktivní místo obsahuje vazebné místo, které váže substrát a orientuje jej pro katalýzu. Orientace substrátu a těsná blízkost mezi ním a aktivním místem je tak důležitá, že v některých případech může enzym stále správně fungovat, i když všechny jeho ostatní části zmutovaly a ztratily funkci [5] .
Zpočátku je interakce mezi aktivním místem a substrátem nekovalentní a dočasná. Existují čtyři důležité typy interakcí, které udržují substrát ve specifické orientaci a tvoří komplex enzym-substrát (ES komplex): vodíkové vazby , van der Waalsovy interakce , hydrofobní interakce a elektrostatické silové interakce [6] :148 . Distribuce náboje na substrátu a aktivním místě musí být komplementární, což znamená, že všechny kladné a záporné náboje musí být neutralizovány. Jinak je odpudivá síla od sebe odtlačí. Aktivní místo obvykle obsahuje nepolární aminokyseliny, i když někdy lze nalézt i aminokyseliny polární [2] . Vazba substrátu na vazebné místo vyžaduje alespoň tři kontaktní body k dosažení stereo-, regio- a enantioselektivity. Například alkoholdehydrogenáza, která katalyzuje přenos hydridového iontu z ethanolu na NAD +, interaguje se substrátem methylová skupina , hydroxylová skupina a pro- (R) vodík, který bude během reakce odstraněn [6] :149 .
Aby mohly enzymy plnit svou funkci, musí přijmout správný proteinový záhyb ( nativní záhyb ) a terciární strukturu. Pro udržení dané trojrozměrné struktury se proteiny spoléhají na různé typy interakcí mezi svými aminokyselinovými zbytky. Pokud těmto interakcím zabrání například extrémní hodnoty pH, vysoká teplota nebo vysoké koncentrace iontů, enzym denaturuje a ztratí svou katalytickou aktivitu.
Předpokládá se, že těsnější spojení mezi aktivním místem a molekulou substrátu zvyšuje účinnost reakce. Zvyšuje -li se hustota mezi aktivním místem DNA polymerázy a jejím substrátem, zvyšuje se i věrnost, tedy rychlost správné replikace DNA [7] . Většina enzymů má hluboce zakořeněná aktivní místa, ke kterým má substrát přístup pouze prostřednictvím přístupových kanálů [3] .
Jsou navrženy tři modely, jak enzymy zapadají do jejich konkrétního substrátu: model zámku a klíče, model indukovaného přizpůsobení a model konformačního výběru. Poslední dva se vzájemně nevylučují: konformační výběr může být doprovázen změnou tvaru enzymu. Navíc protein nemusí plně sedět žádnému z modelů. Aminokyseliny na vazebném místě ubikvitinu obecně sledují vzorec indukovaného přizpůsobení, zatímco zbytek proteinu obecně sleduje vzorec konformační selekce. Faktory, jako je teplota, pravděpodobně ovlivňují dráhu probíhající během vazby, přičemž se předpokládá, že vyšší teploty zvýší důležitost konformační selekce a sníží význam indukovaného přizpůsobení [8] .
Koncept navrhl chemik 19. století Emil Fischer . Navrhl, že aktivní místo a substrát jsou dvě stabilní struktury, které perfektně pasují bez dalších úprav, stejně jako se vkládá klíč do zámku. Pokud se jeden substrát dokonale naváže na své aktivní místo, budou interakce mezi nimi nejsilnější, což vede k vysoké katalytické účinnosti.
Postupem času se začala projevovat omezení tohoto modelu. Například kompetitivní inhibitor enzymu methylglukosid se dokáže pevně vázat na aktivní místo 4-alfa-glukanotransferázy a dokonale do něj zapadnout. 4-alfa-glukanotransferáza však není aktivní na methylglukosid a nedochází k přenosu glykosylu. Hypotéza zámku a klíče to nemůže vysvětlit, protože předpovídá vysokou účinnost přenosu methylglukosidového glykosylu díky jeho silné vazbě. Kromě kompetitivní inhibice tato teorie nemůže vysvětlit mechanismus účinku nekompetitivních inhibitorů, protože se nevážou na aktivní místo, ale přesto ovlivňují katalytickou aktivitu [9] .
Teorie vazby enzym-substrát Daniela Koshlanda spočívá v tom, že aktivní místo a vazebná část substrátu nejsou zcela komplementární [10] . Model indukovaného lícování je evolucí modelu zámku a klíče a předpokládá, že aktivní místo je flexibilní a mění tvar, dokud není substrát plně spojen. Tento model je podobný, jako když si člověk navléká rukavici: rukavice mění tvar tak, aby seděla na ruce. Enzym má zpočátku konformaci, která přitahuje jeho substrát. Povrch enzymu je pružný a pouze správný katalyzátor může způsobit interakci vedoucí ke katalýze. Jak se substrát váže, může dojít ke konformačním změnám. Poté, co se produkty reakce vzdálí od enzymu, aktivní centrum se vrátí do své původní formy. Tuto hypotézu podporuje pozorování, že celá proteinová doména se může během katalýzy pohybovat o několik nanometrů. Pohyb povrchu proteinu může vytvořit mikroprostředí, které podporuje katalýzu [5] .
Tento model naznačuje, že enzymy existují v různých konformacích, z nichž pouze některé jsou schopné vázat se na substrát. Když je substrát navázán na protein, rovnováha v konformačním souboru se posune směrem k těm, které jsou schopny vázat ligandy (protože enzymy s navázanými substráty jsou odstraněny z rovnováhy mezi volnými konformacemi) [11] .
Elektrostatická interakce : Ve vodném prostředí jsou opačně nabité skupiny v postranních řetězcích aminokyselin v aktivním místě a substrátech k sobě přitahovány, což se nazývá elektrostatická interakce. Například, když se karboxylová kyselina (R-COOH) disociuje na RCOO- a H + ionty , COO- bude přitahovat kladně nabité skupiny, jako je protonovaný guanidinový postranní řetězec argininu .
Vodíková vazba : Vodíková vazba je speciální typ interakce dipól-dipól mezi částečně kladným atomem vodíku a částečně negativním donorem elektronů , které obsahují pár elektronů, jako je kyslík , fluor a dusík . Síla vodíkové vazby závisí na chemické povaze a geometrickém uspořádání každé skupiny.
Van der Waalsova síla: Van der Waalsova síla se tvoří mezi opačně nabitými skupinami kvůli časové nerovnoměrné distribuci elektronů v každé skupině. Pokud jsou všechny elektrony soustředěny na jednom pólu skupiny, bude tento konec záporný a druhý kladný. I když je individuální síla skupiny malá, celkový počet těchto interakcí mezi aktivním místem a substrátem je velký, takže jejich součet může být významný.
Hydrofobní interakce : Nepolární hydrofobní skupiny mají tendenci se ve vodném prostředí shlukovat a pokoušet se uniknout z polárního rozpouštědla. Tyto hydrofobní skupiny mají obvykle dlouhý uhlíkový řetězec a nereagují s molekulami vody. Po rozpuštění ve vodě se molekula proteinu složí do kulovitého tvaru, přičemž hydrofilní skupiny zůstávají na vnější straně, zatímco hydrofobní skupiny klesají hluboko do středu.
Po navázání substrátu na aktivní místo a jeho orientaci může začít katalýza. Aminokyselinové zbytky katalytického místa jsou obvykle velmi blízko vazebnému místu a některé zbytky mohou hrát dvojí roli jak ve vazbě, tak při katalýze. V interakci se substrátem snižují aktivační energii reakce a tím urychlují její průběh. Ke snížení aktivační energie může dojít prostřednictvím různých mechanismů, včetně: přístupu reaktantů, nukleofilní/elektrofilní katalýzy a acidobazické katalýzy.
Během enzymatické katalytické reakce jsou substrát a aktivní místo v těsné blízkosti. Tento přístup má různé cíle. Za prvé, když se substráty navážou do aktivního místa, jeho účinná koncentrace je mnohem vyšší než v roztoku. To znamená, že se také zvyšuje počet molekul substrátu zapojených do reakce. Tento proces také snižuje desolvatační energii potřebnou pro průběh reakce. V roztoku jsou molekuly substrátu obklopeny molekulami rozpouštědla a molekuly enzymů vyžadují energii, aby je nahradily a dostaly se do kontaktu se substrátem. Protože objemné molekuly mohou být vyloučeny z aktivního místa, lze tento energetický výdej minimalizovat. Aktivní místo se dále podílí na reorientaci substrátu, aby se snížila aktivační energie reakce. Vyrovnání substrátu po navázání je ve stavu vysoké energie zablokováno a může pokračovat dalším krokem. Této vazbě navíc napomáhá entropie, protože náklady na energii spojené s reakcí v roztoku jsou do značné míry eliminovány, protože rozpouštědlo nemůže vstoupit do aktivního místa. A konečně, aktivní místo může manipulovat s molekulárním orbitalem substrátu ve vhodné orientaci, aby se snížila aktivační energie [6] :155–8 .
Elektrostatické stavy substrátu a aktivního centra se musí vzájemně doplňovat. Polarizovaný záporně nabitý aminokyselinový postranní řetězec odpuzuje nenabitý substrát. Ale pokud přechodový stav zahrnuje vytvoření iontového centra, pak postranní řetězec vytvoří příznivou interakci.
Mnoho enzymů, včetně serinové proteázy , cysteinové proteázy , proteinkinázy a fosfatázy, se vyvinulo k vytvoření přechodných kovalentních vazeb mezi nimi a jejich substráty, což snižuje aktivační energii a umožňuje průběh reakce. Tento proces lze rozdělit do 2 fází: formování a ničení. Prvním krokem je krok omezující rychlost, zatímco další krok je nutný pro regeneraci intaktního enzymu [6] :158 .
Nukleofilní katalýza
Tento proces zahrnuje přenos elektronů z nukleofilu enzymu na substrát za vzniku kovalentní vazby mezi nimi během přechodového stavu. Síla této interakce závisí na dvou aspektech: schopnosti nukleofilní skupiny darovat elektrony a schopnosti elektrofilu je přijímat. První závisí hlavně na zásaditosti (schopnosti darovat elektronové páry) druhu a druhý na jeho pK a . Obě skupiny jsou také ovlivněny svými chemickými vlastnostmi, jako je polarizovatelnost , elektronegativita a ionizační potenciál . Aminokyseliny schopné tvořit nukleofilní činidla - serin , cystein , aspartát a glutamin .
Elektrofilní katalýza
Mechanismus, který je základem tohoto procesu, je přesně stejný jako nukleofilní katalýza, kromě toho, že nyní aminokyseliny v aktivním místě působí jako elektrofily a substráty jako nukleofily . Tato reakce obvykle vyžaduje kofaktory, protože postranní řetězce aminokyselin nejsou dostatečně silné, aby přitahovaly elektrony.
Kovové ionty hrají během reakce několik rolí. Za prvé, mohou se vázat na záporně nabité skupiny substrátu, takže nebudou odpuzovat elektronové páry od nukleofilních skupin aktivního místa. Mohou přitahovat záporně nabité elektrony pro zvýšení elektrofility. Kovové ionty mohou také sloužit jako most mezi aktivním místem a substrátem. Konečně mohou změnit konformační strukturu substrátu ve prospěch reakce [6] :158 .
V některých reakcích mohou protony a hydroxid působit přímo jako kyselina a zásada ve specifické kyselé a specifické alkalické katalýze. Ale častěji skupiny v substrátu a aktivním místě působí jako kyselina a Brønsted-Lowryho báze. Říká se tomu obecná teorie kyselin a obecná teorie zásad. Nejjednodušší způsob, jak je oddělit, je zjistit, zda je reakční rychlost určena koncentracemi celkové kyseliny a zásady. Pokud ano, pak je odpověď obecná. Protože většina enzymů má optimální pH 6 až 7, mají aminokyseliny v postranním řetězci typicky pKa 4 ~ 10. Kandidáti zahrnují aspartát , glutamát , histidin , cystein . Tyto kyseliny a zásady mohou stabilizovat nukleofil nebo elektrofil vytvořený během katalýzy a poskytovat kladné a záporné náboje [6] :164–70 .
Kvantitativní studie enzymatických reakcí často zjistily, že zrychlení rychlosti chemické reakce nelze plně vysvětlit existujícími teoriemi, jako je aproximace, acidobazická katalýza a elektrofilní/nukleofilní katalýza. A zde vzniká zřejmý paradox: při reverzibilní enzymatické reakci, pokud je aktivní místo ideální pro substráty, bude reverzní reakce zpomalena, protože produkty nemohou dokonale zapadnout do aktivního místa. Byl tedy zaveden koncept „konformačního zkreslení“ a tvrdí se, že jak aktivní místo, tak substrát mohou podléhat konformačním změnám, aby se navzájem neustále přizpůsobovaly [6] :170–5 .
Tato teorie je poněkud podobná teorii zámku a klíče, ale v ní je aktivní místo předem naprogramováno tak, aby se dokonale vázalo k substrátu v přechodovém stavu, nikoli v základním stavu. Vytvoření přechodového stavu v roztoku vyžaduje mnoho energie k pohybu molekul rozpouštědla a reakce se zpomaluje. Aktivní místo tedy může vytlačit molekuly rozpouštědla a obklopit substráty, aby se minimalizoval kontraproduktivní účinek způsobený roztokem. Přítomnost nabitých skupin v aktivním místě bude přitahovat substráty a poskytovat elektrostatickou komplementaritu [6] :176–8 .
Ve skutečnosti většina enzymatických mechanismů zahrnuje kombinaci několika různých typů katalýzy.
Úlohou glutathionu (GSH) je odstranit nahromaděné reaktivní formy kyslíku, které mohou poškodit buňky. Během tohoto procesu je jeho thiolový postranní řetězec oxidován a dvě molekuly glutathionu jsou spojeny disulfidovou vazbou za vzniku dimeru (GSSG). Pro regeneraci glutathionu je nutné přerušit disulfidovou vazbu. V lidských buňkách se to děje pomocí glutathionreduktázy (GR).
Glutathionreduktáza je dimer obsahující dvě identické podjednotky. Jako kofaktory jsou vyžadovány jeden NADP a jeden FAD . Aktivní místo je ve spojení mezi dvěma podjednotkami. NADPH se podílí na tvorbě FADH- . V aktivním místě jsou kromě kofaktoru FAD dva cysteinové zbytky, které se používají k přerušení disulfidové vazby během katalytické reakce. NADPH se váže na tři kladně nabité zbytky: Arg-218, His-219 a Arg-224.
Katalytický proces začíná, když je FAD redukován NADPH tak, aby přijal jeden elektron a stal se FADH - . Poté napadá disulfidovou vazbu mezi 2 cysteinovými zbytky a tvoří jednu SH vazbu a jednu S skupinu . Tato skupina S bude působit jako nukleofil, který napadne disulfidovou vazbu v oxidovaném glutathionu (GSSG), rozbije ji a vytvoří komplex cystein-SG. První anion SG je uvolněn a poté přijímá jeden proton ze sousední skupiny SH z prvního monomeru glutathionu. Poté sousední S - skupina napadne disulfidovou vazbu v komplexu cystein-SG a uvolní druhý SG - anion. V roztoku přijímá jeden proton a tvoří druhý monomer glutathionu [1] :137–9 .
Chymotrypsin je serinová endopeptidáza přítomná v pankreatické šťávě , která napomáhá hydrolýze proteinů a peptidů [1] :84–6 . Katalyzuje hydrolýzu peptidových vazeb v L-izomerech tyrosinu , fenylalaninu a tryptofanu . V aktivním místě tohoto enzymu spolupracují tři aminokyselinové zbytky a vytvářejí katalytickou triádu, která tvoří katalytické místo. V chymotrypsinu jsou tyto zbytky Ser-195, His-57 a Asp-102.
Mechanismus účinku chymotrypsinu lze rozdělit do dvou fází. Nejprve Ser-195 nukleofilně napadá uhlík peptidové vazby v substrátu za vzniku tetraedrického meziproduktu. Nukleofilita Ser-195 je zvýšena His-57, který odebírá proton ze Ser-195 a je naopak stabilizován záporně nabitou karboxylátovou skupinou (RCOO- ) v Asp-102. Kromě toho, intermediární tetraedrický oxyanion vytvořený v této fázi je stabilizován vodíkovými vazbami ze Ser-195 a Gly-193.
Ve druhém kroku je skupina R'NH protonována pomocí His-57 za vzniku R'NH2 a zanechává meziprodukt, přičemž zůstává acylovaný Ser-195. His-57 pak opět funguje jako báze k odstranění jednoho protonu z molekuly vody. Výsledný hydroxidový anion nukleofilně napadá komplex acyl-enzym za vzniku druhého tetraedrického oxyaniontového meziproduktu, který je opět stabilizován H-vazbami. Nakonec Ser-195 opustí tetraedrický meziprodukt a přeruší vazbu CO, která spojuje enzym s peptidovým substrátem. Proton je přenesen na Ser-195 přes His-57, takže se všechny tři aminokyseliny vrátí do původního stavu.
Odlučování substrátu je ovlivněno různými faktory. Větší ligandy mají tendenci zůstávat déle v aktivním místě [12] stejně jako ligandy s více rotačními vazbami (ačkoli to může být vedlejší efekt velikosti) [13] . Když je rozpouštědlo odstraněno z aktivního místa, méně "flexibilní" proteiny zůstávají v aktivním místě déle. Štěpení zpomaluje i velké množství vodíkových vazeb odstíněných před rozpouštědlem [12] .
Enzymy mohou využívat kofaktory jako „pomocné molekuly“. Koenzymy označují ty neproteinové molekuly, které se vážou na enzymy, aby jim pomohly dělat jejich práci. Jsou hlavně spojeny s aktivním místem nekovalentními vazbami, jako je vodíková vazba nebo hydrofobní interakce . Někdy mezi nimi ale může vzniknout i kovalentní vazba. Například hem v cytochromu C je spojen s proteinem prostřednictvím thioetherové vazby . V některých případech mohou koenzymy zanechat enzymy po dokončení reakce. Jinak jsou trvale spojeny s enzymem [6] :69 . Koenzym je široký pojem, který zahrnuje kovové ionty, různé vitamíny a ATP . Pokud enzym potřebuje koenzym, aby fungoval sám, nazývá se apoenzym. Ve skutečnosti nemůže sama o sobě správně katalyzovat reakce. Teprve když jeho kofaktor vstoupí a naváže se na aktivní místo a vytvoří holoenzym, funguje správně.
Jedním příkladem koenzymu je flavin . Obsahuje samostatný konjugovaný isoaloxazinový kruhový systém. Flavin má několik redoxních stavů a může být použit v procesech zahrnujících přenos jednoho nebo dvou elektronů. Může fungovat jako akceptor elektronů v reakci, jako je oxidace NAD na NADH, přijmout dva elektrony a vytvořit 1,5-dihydroflavin. Na druhé straně může tvořit semichinon ( volný radikál ) přijetím jednoho elektronu a poté převést na plně redukovanou formu přidáním dalšího elektronu. Tato vlastnost umožňuje jeho použití v procesu jednoelektronové oxidace.
Inhibitory narušují interakci mezi enzymem a substrátem a zpomalují rychlost reakce. Existují různé typy inhibitorů, včetně reverzibilních a ireverzibilních forem.
Kompetitivní inhibitory jsou inhibitory, které se zaměřují pouze na volné molekuly enzymu. Soutěží se substráty o volný akceptor enzymu a jejich vliv lze překonat zvýšením koncentrace substrátu. Mají dva mechanismy účinku. Kompetitivní inhibitory obvykle sdílejí strukturní podobnosti se substráty a/nebo ES komplexem. Díky tomu se mohou vejít do aktivního místa a iniciovat interakce, aby vyplnily prostor enzymů a blokovaly vstup substrátů. Mohou také způsobit dočasné konformační změny v aktivním místě, takže substráty s ním nemohou dokonale zapadnout. Po krátké době kompetitivní inhibitory odpadnou a zanechají enzym nedotčený.
Inhibitory jsou klasifikovány jako nekompetitivní inhibitory, pokud vážou jak volný enzym, tak ES komplex. Protože nesoutěží se substráty o aktivní místo, nelze je překonat pouhým zvýšením koncentrace substrátu. Obvykle se vážou na jiné místo na enzymu a mění trojrozměrnou strukturu aktivního místa tak, aby blokovaly vstup nebo výstup substrátů z enzymu.
Ireverzibilní inhibitory jsou podobné kompetitivním inhibitorům v tom, že se oba vážou na aktivní místo. Ireverzibilní inhibitory však tvoří ireverzibilní kovalentní vazby s aminokyselinovými zbytky v aktivním místě a nikdy nezmizí. Proto je aktivní místo obsazeno a substrát nemůže proniknout. Někdy inhibitor odchází, ale tvar katalytického centra zůstává změněný. Tyto inhibitory obvykle obsahují elektrofilní skupiny, jako jsou halogenové náhražky a epoxidy . Postupem času je stále více enzymů vázáno nevratnými inhibitory a přestávají fungovat.
| Příklad | Váže aktivní centrum? | Zpomaluje to reakci? | |
|---|---|---|---|
| Kompetitivní reverzibilní inhibitor | inhibitory HIV proteázy | Ano | Ano |
| Nekompetitivní reverzibilní inhibitor | Těžké kovy jako olovo a rtuť | Ne | Ano |
| ireverzibilní inhibitor | Kyanid | Ano | Ano |
Inhibitory HIV proteázy se používají k léčbě pacientů infikovaných virem AIDS tím, že brání replikaci jeho DNA . Proteázu HIV používá virus ke štěpení polyproteinu Gag-Pol na 3 menší proteiny, které jsou zodpovědné za sestavení, balení a zrání virionu. Tento enzym se zaměřuje na specifické místo štěpení fenylalaninu a prolinu v cílovém proteinu [14] . Pokud je HIV proteáza vypnutá, virionová částice ztratí funkci a nebude schopna infikovat pacienty. Protože je nezbytný pro replikaci viru a u zdravých jedinců chybí, je ideálním cílem pro vývoj léků.
HIV proteáza patří do rodiny aspartátových proteáz a má podobný mechanismus. Nejprve aspartátový zbytek aktivuje molekulu vody a přemění ji na nukleofil . Poté napadá karbonylovou skupinu v peptidové vazbě (NH-CO) za vzniku tetraedrického meziproduktu. Atom dusíku v meziproduktu přijme proton za vzniku amidové skupiny a následným přeskupením se přeruší vazba mezi ním a meziproduktem a vytvoří se dva produkty [15] .
Inhibitory typicky obsahují nehydrolyzovatelné hydroxyethylenové nebo hydroxyethylaminové skupiny, napodobující tetraedrický meziprodukt. Protože mají podobnou strukturu a elektrostatické uspořádání jako přechodový stav substrátů, mohou se stále vejít do aktivního místa, ale nemohou být zničeny, takže nemůže dojít k hydrolýze.
Strychnin je neurotoxin , který způsobuje smrt tím, že ovlivňuje nervy, které řídí svalovou kontrakci a způsobují dýchací potíže. Impuls je přenášen mezi synapsemi prostřednictvím neurotransmiteru zvaného acetylcholin . Vstupuje do synapse mezi nervovými buňkami a váže se na receptory na postsynaptické buňce. Poté je generován akční potenciál a přenášen přes postsynaptickou buňku k zahájení nového cyklu.
Glycin může inhibovat aktivitu neurotransmiterových receptorů, takže ke spuštění akčního potenciálu je zapotřebí více acetylcholinesterázy. To zajišťuje, že tvorba nervových impulsů je přísně kontrolována. Tato kontrola je však narušena přidáním strychninu. Inhibuje glycinové receptory ( chloridový kanál ) a mnohem nižší koncentrace neurotransmiteru může spustit akční potenciál. Nervy nyní neustále přenášejí signály a způsobují nadměrné stahování svalů, což vede k dušení a smrti [16] .
Diisopropylfluorfosfát (DIFP) je ireverzibilní inhibitor, který blokuje působení serinové proteázy . Když se naváže na enzym, dojde k nukleofilní substituční reakci , při které se uvolní jedna molekula fluorovodíku. OH skupina na aktivním místě působí jako nukleofil, útočí na fosfor v DIFP, tvoří tetraedrický meziprodukt a uvolňuje proton. Poté se vazba PF přeruší, jeden elektron se přenese na atom F a ten opustí mezisloučeninu ve formě aniontu F - . Spojí se s protonem v roztoku za vzniku jedné molekuly HF. Mezi aktivním místem a DIFP se vytvoří kovalentní vazba, takže serinový postranní řetězec již není pro substrát dostupný [17] .
Identifikace aktivních míst je kritická v procesu objevování léků. Trojrozměrná struktura enzymu je analyzována, aby se určily aminokyselinové zbytky aktivního místa a vyvinuly se léky, které se do nich vejdou. Proteolytické enzymy jsou cílem některých léků, jako jsou inhibitory proteáz, mezi které patří léky na AIDS a hypertenzi [18] . Tyto inhibitory proteázy se vážou na aktivní místo enzymu a blokují interakci s přirozenými substráty [19] . Důležitým faktorem při vývoji léčiva je síla vazby mezi aktivním místem a inhibitorem enzymu [20] . Pokud se enzym nalezený v bakteriích výrazně liší od lidského enzymu, pak je možné vyvinout inhibitor proti této konkrétní bakterii, aniž by došlo k poškození lidského enzymu. Pokud je jeden typ enzymu přítomen pouze v jednom typu organismu, lze jeho inhibitor použít k jejich usmrcení.
Aktivní místa lze zmapovat a pomoci tak při vývoji nových léků, jako jsou inhibitory enzymů. To zahrnuje popis velikosti aktivního místa, počtu a vlastností dílčích míst, jako jsou podrobnosti o vazebné interakci [18] . Moderní databázová technologie nazvaná CPASS (Protein Active Site Structure Comparison) však umožňuje detailnější porovnání aktivních míst a nalezení strukturních podobností pomocí softwaru [21] .
| Příklad | Mechanismus působení | |
|---|---|---|
| Antibakteriální činidlo | penicilin | Bakteriální buněčná stěna se skládá z peptidoglykanu . Během bakteriálního růstu je stávající síťování peptidoglykanového vlákna narušeno, takže nový monomer buněčné stěny může být integrován do buněčné stěny. Penicilin působí tak, že inhibuje transpeptidázu, která je nezbytná pro zesíťování, takže buněčná stěna je oslabena a prasklá v důsledku tlaku turgoru . |
| antifungální činidlo | Azol | Ergosterol je sterol , který tvoří povrchovou membránu hub . Azol může potlačit svou biosyntézu inhibicí lanosterol-14-alfa-demethylázy, takže se nevytváří nový ergosterol a v buňce se hromadí škodlivý 14-alfa-lanosterol. Kromě toho může azol vytvářet reaktivní formy kyslíku . |
| Antivirová látka | saquinavir | HIV proteáza je nutná ke štěpení polyproteinu Gag-Pol na 3 samostatné proteiny, aby mohly správně fungovat a zahájit proces balení viru. Inhibitory HIV proteázy, jako je saquinavir, jej inhibují, takže nelze získat novou zralou virovou částici. |
| Insekticidy | fysostigmin | V nervovém systému zvířat je acetylcholinesteráza nezbytná k rozkladu neurotransmiteru acetylcholinu na acetát a cholin . Fysostigmin se váže na jeho aktivní místo a potlačuje ho, takže impulsní signál nemůže být přenášen podél nervů. To vede ke smrti hmyzu, protože ztratí kontrolu nad prací svalů a srdce. |
| herbicidy | Cyklohexandion | Cyklohexandion se zaměřuje na acetyl-CoA karboxylázu, která se účastní prvního kroku syntézy tuků: ATP-dependentní karboxylace acetyl-CoA na malonyl-CoA. Lipidy hrají důležitou roli ve složení buněčné membrány. |
Alosterické místo je místo na enzymu, nespojené s jeho aktivním místem, které se může vázat na efektorovou molekulu. Tato interakce je dalším mechanismem regulace enzymů. Alosterická modifikace se obvykle vyskytuje u proteinů s více než jednou podjednotkou. Alosterické interakce jsou často přítomny v metabolických drahách a jsou užitečné v tom, že umožňují, aby jeden reakční krok reguloval další krok [19] . Umožňují enzymu mít řadu dalších molekulárních interakcí kromě vysoce specifického aktivního místa [19] .
| Enzymy | |
|---|---|
| Aktivita | |
| Nařízení | |
| Klasifikace | |
| Typy |
|