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B0. Einführung in enzymatische Mechanismen - Biologie


Wir können das, was wir über die Katalyse durch kleine Moleküle gelernt haben, auf enzymkatalysierte Reaktionen anwenden. ein gut ausgebildeter Chemiker) kann sich ändern:

  1. das Substrat – zum Beispiel das Ändern der Abgangsgruppe oder der Acyl-Substituenten eines hydrolysierbaren Substrats;
  2. der pH-Wert oder die Ionenstärke – die Daten über allgemeine Säuren/Basen im aktiven Zentrum liefern können;
  3. das Enzym - durch chemische Modifikation spezifischer Aminosäuren oder durch ortsspezifische Mutagenese;
  4. das Lösungsmittel - wie im nächsten Kapitelabschnitt besprochen wird.

Wir werden die Mechanismen von drei Enzymen im Detail untersuchen. Für Carboxypeptidase werden wir mögliche Mechanismen für die Abspaltung von C-terminalen hydrophoben Aminosäuren von einem Peptid untersuchen. Für Lysozym werden wir die strukturellen Eigenschaften des Enzyms und der Substrate zusammen mit dem Mechanismus für die Spaltung glykosidischer Bindungen in bakteriellen Peptidoglycan-Zellwänden untersuchen. Für Chymotrypsin werden wir Experimente untersuchen, die das Substrat, den pH-Wert und das Enzym variieren und aus diesen Informationen auf einen Mechanismus schließen, der mit den experimentellen Daten übereinstimmt. Kinetische Analysen können verwendet werden, um Folgendes zu bestimmen:

  • Reihenfolge der Bindung/Dissoziation von Substraten und Produkten
  • Geschwindigkeitskonstanten für einzelne Schritte
  • und Hinweise auf die Natur der im Enzym gefundenen katalytischen Gruppen.

Die Kenntnis der grundlegenden enzymkinetischen Theorie ist in der Enzymanalyse wichtig, um sowohl den grundlegenden enzymatischen Mechanismus zu verstehen als auch eine Methode für die Enzymanalyse auszuwählen. Die zur Messung der Aktivität eines Enzyms ausgewählten Bedingungen wären nicht dieselben wie diejenigen, die zur Messung der Konzentration seines Substrats gewählt wurden. Mehrere Faktoren beeinflussen die Geschwindigkeit, mit der enzymatische Reaktionen ablaufen - Temperatur, pH-Wert, Enzymkonzentration, Substratkonzentration und die Anwesenheit von Inhibitoren oder Aktivatoren.

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Experimentell wurde gezeigt, dass bei konstanter Enzymmenge und anschließender schrittweiser Erhöhung der Substratkonzentration die Reaktionsgeschwindigkeit bis zum Maximum ansteigt. Nach diesem Punkt werden Erhöhungen der Substratkonzentration die Geschwindigkeit (Delta A/Delta T) nicht erhöhen. Dies ist in Abbildung 8 grafisch dargestellt.

Es wird angenommen, dass bei Erreichen dieser maximalen Geschwindigkeit das gesamte verfügbare Enzym in ES, den Enzymsubstratkomplex, umgewandelt wurde. Dieser Punkt im Diagramm wird als Vmax bezeichnet. Unter Verwendung dieser maximalen Geschwindigkeit und Gleichung (7) entwickelte Michaelis eine Reihe mathematischer Ausdrücke, um die Enzymaktivität in Bezug auf die Reaktionsgeschwindigkeit aus messbaren Labordaten zu berechnen.

Die Michaelis-Konstante Km ist definiert als die Substratkonzentration bei 1/2 der maximalen Geschwindigkeit. Dies ist in Abbildung 8 dargestellt. Mit dieser Konstante und der Tatsache, dass Km auch definiert werden kann als:

K +1 , K -1 und K +2 sind die Geschwindigkeitskonstanten aus Gleichung (7). Michaelis hat folgendes entwickelt


Für viele der gebräuchlichsten Enzyme wurden Michaelis-Konstanten bestimmt. Die Größe von Km sagt uns mehrere Dinge über ein bestimmtes Enzym.

  • Ein kleiner Km zeigt an, dass das Enzym nur eine geringe Menge an Substrat benötigt, um gesättigt zu werden. Daher wird die maximale Geschwindigkeit bei relativ niedrigen Substratkonzentrationen erreicht.
  • Ein großer Km zeigt die Notwendigkeit hoher Substratkonzentrationen an, um eine maximale Reaktionsgeschwindigkeit zu erreichen.
  • Das Substrat mit dem niedrigsten Km, auf das das Enzym als Katalysator wirkt, wird häufig als das natürliche Substrat des Enzyms angesehen, obwohl dies nicht für alle Enzyme gilt.

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Diese praxisnahe, aktuelle Übersicht richtet sich an ein breites Spektrum von Bio- und Chemiewissenschaftlern, die sich mit der modernen Enzymologie befassen. Enzyme, Zweite Auflage erklärt die strukturelle Komplexität von Proteinen und Enzymen und die Mechanismen, durch die Enzyme ihre katalytischen Funktionen erfüllen. Das Buch bietet anschauliche Beispiele aus der zeitgenössischen Literatur, um den Leser durch Konzepte und Datenanalyseverfahren zu führen. Klare, gut geschriebene Beschreibungen vereinfachen die komplexe mathematische Behandlung von enzymkinetischen Daten, und zahlreiche Zitate am Ende jedes Kapitels ermöglichen dem Leser den Zugriff auf die Primärliteratur und vertiefende Behandlungen zu bestimmten Themen.

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Bewertungen

". ein einführendes Lehrbuch für Studenten im Hauptstudium oder im Aufbaustudium. Die Abdeckung umfasst chemische Bindungen und Reaktionen, strukturelle Komponenten von Enzymen. " (SciTech-Buchnachrichten, März 2001)

". Um diesen Text mit einem Wort zu beschreiben, würde ich sagen, dass er gründlich ist. Ein guter Text für diejenigen, die sich für Enzymmechanismen und -kinetiken interessieren." (Zeitschrift für Medizinische Chemie, vol. 45, Nr. 235, 2002)


Wie bei den meisten chemischen Reaktionen nimmt die Geschwindigkeit einer enzymkatalysierten Reaktion mit steigender Temperatur zu. Ein Temperaturanstieg von zehn Grad Celsius erhöht die Aktivität der meisten Enzyme um 50 bis 100 %. Variationen der Reaktionstemperatur von nur 1 oder 2 Grad können zu Änderungen von 10 bis 20 % in den Ergebnissen führen. Bei enzymatischen Reaktionen wird dies dadurch erschwert, dass viele Enzyme durch hohe Temperaturen nachteilig beeinflusst werden. Wie in Abbildung 13 gezeigt, steigt die Reaktionsgeschwindigkeit mit der Temperatur bis zu einem maximalen Niveau an und fällt dann bei weiterem Temperaturanstieg abrupt ab. Da die meisten tierischen Enzyme bei Temperaturen über 40°C schnell denaturiert werden, werden die meisten Enzymbestimmungen etwas unterhalb dieser Temperatur durchgeführt.

Im Laufe der Zeit werden Enzyme selbst bei moderaten Temperaturen deaktiviert. Die Lagerung von Enzymen bei 5°C oder darunter ist im Allgemeinen am besten geeignet. Einige Enzyme verlieren beim Einfrieren ihre Aktivität.


Enzyme: Struktur und Eigenschaften (Einführung in die Enzymstruktur und -funktionen)

Es gibt Tausende von chemischen Reaktionen in einem lebenden System. Die chemischen Reaktionen in der Zelle werden von biologischen Katalysatoren, den Enzymen, katalysiert. Fast alle Enzyme sind hochspezialisiert Proteine. (Ausnahme: Ribozyme – Ribozyme sind RNA mit katalytischer Aktivität). Den aktuellen Beitrag werden wir besprechen Eigenschaften von Enzymen. Wir werden auch die Eigenschaften eines Katalysators und das Konzept von Aktivierungsenergie einer Reaktion.

Was sind Katalysatoren?

Ø Der Katalysator sind Substanzen, die die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion beschleunigen.

Ø Der Katalysator wird durch die Reaktion nicht verbraucht oder umgewandelt.

Ø Es wird die Gleichgewichtskonstante der Reaktion nicht ändern.

Ø Katalysatoren ändern nur die Geschwindigkeit, um sich der Gleichgewichtskonstante anzunähern.

Ø Katalysatoren werden nicht in stöchiometrischen Mengen benötigt.

Ø Beispiele: Platin, Palladium etc.

Kurze Geschichte über Enzyme

Ø Die Geschichte der Biochemie ist die Geschichte der Enzymforschung.

Ø Louis Pasteur berichtete, dass die Fermentation von Zucker zu Alkohol durch Hefe katalysiert wird durch „fermentiert”.

Ø Frederick W. Kuhne hat den Begriff geprägt ENZYM für die „Fermente“.

Ø Das erste entdeckte Enzym war Diastase aus Malz von Anselme Payen im Jahr 1833.

Ø Das erste kristallisierte Enzym ist Urease von James Sumner.

Eigenschaften von Enzymen

Ø Die Enzyme haben eine außergewöhnliche katalytische Kraft.

Ø Enzyme beschleunigen Reaktionen bis zu 1014 bis 1020 mal.

Ø Enzyme haben ein hohes Maß an Spezifität für ihre Substrate und Reaktionen.

Ø Sie funktionieren in einer wässrigen Lösung.

Ø Enzyme arbeiten unter milden Temperaturbedingungen und pH.

Ø Enzyme machen Makromoleküle aus einfachen Vorläufern.

Ø Die Enzyme wirken in einer organisierten Reihenfolge.

Ø Sie katalysieren Hunderte von schrittweisen Reaktionen.

Ø Enzyme können Stoffwechselwege regulieren und diese Enzyme sind regulatorische Enzyme.

Ø Bei einigen genetischen Störungen kann ein Mangel an einem oder mehreren Enzymen vorliegen (zB Albinismus).

Ø Enzym reduziert die Aktivierungsenergie der Reaktion.

Aktivierungsenergie

Ø Der Begriff Aktivierungsenergie wurde von Svante Arrhenius (1889) eingeführt.

Ö Definition: „Die minimale Energie, die einem chemischen System zugeführt werden muss, das potenzielle Reaktanten enthält, damit eine chemische Reaktion abläuft“.

Ø Einfach ausgedrückt die minimale Energie, die benötigt wird, um eine chemische Reaktion zu starten.

Ø Damit eine chemische Reaktion mit einer vernünftigen Geschwindigkeit abläuft, sollte eine nennenswerte Anzahl von Molekülen mit einer Energie gleich oder größer als die Aktivierungsenergie vorhanden sein.

Ø Die Aktivierungsenergie einer Reaktion wird bezeichnet als Ea.

Ø Der Ea wird in Einheiten von Kilojoule pro Mol angegeben.

Enzyme Struktur

Ø Alle Enzyme sind Proteine ​​außer Ribozyme. Ribozyme sind spezialisierte RNA-Moleküle mit katalytischer Aktivität.

Ø Die katalytische Aktivität eines Enzyms hängt von der Integrität der nativen Konformation des Enzyms ab.

Ø Die primären, sekundären, tertiären und quartären Strukturen des Proteins sind für seine katalytischen Eigenschaften wesentlich.

Ø Das denaturierte Enzym hat keine katalytische Aktivität.

Ø Die meisten Enzyme bestehen aus mehreren Untereinheiten (mehr als eine Polypeptidkette).

Ø Einige Enzyme benötigen außer ihren Aminosäureresten keine chemischen Gruppen für ihre Aktivität.

Ø Andere Enzyme benötigen für ihre Aktivität zusätzliche chemische Komponenten (eine oder mehrere).

Ø Enzyme sind viel größer als ihre Substrate.

Ø Das kleinste Enzym 4-Oxalocrotonat-Tautomerase besteht aus 62 Aminosäureresten.

Ø Das größte Enzym Fettsäuresynthase besteht aus

Ø Obwohl die meisten Enzyme Tausende von Aminosäuren enthalten, sind nur 2–4 Aminosäuren direkt an der Katalyse beteiligt.

Ø Bindungsstellen im Enzym:

Substratbindungsstelle: die Bereiche eines Enzyms, in denen die Substratbindung stattfindet.

Katalytische Seite: eine oder mehrere Stellen, die sich in der Nähe der Bindungsstelle befinden. Sie führen die Katalyse durch.

Aktive Seite: Bindungsstelle und katalytisches Zentrum werden zusammen als aktives Zentrum bezeichnet.

Cofactor-Site: Zusätzliche Stellen für die Bindung von Cofaktoren.

Allosterische Seite: Zusätzliche Bindungsstellen für allosterische Modulatoren. Allosterische Modulatoren sind an der Regulation der enzymatischen Aktivität beteiligt.

Apoenzym und Holoenzym

Ö Apoenzym (Apoprotein): Der Proteinteil eines Enzyms wird als Apoenzym bezeichnet.

Ö Prothetik Gruppe: Der Nicht-Protein-Teil eines Enzyms wird als prothetische Gruppe bezeichnet.

Ö Holoenzym: Das voll funktionsfähige Apoenzym und die erforderliche prosthetische Gruppe werden zusammen als Holoenzym bezeichnet.

Ø Holoenzym = Apoenzym + Prothetische Gruppe

Cofaktoren und Coenzyme

Ø Die prothetischen Gruppen eines Enzyms sind unterschiedlicher Art und werden grob in zwei Gruppen eingeteilt.

(1). Cofaktoren

(2). Coenzyme

Ö Cofaktoren: Eine nicht proteinhaltige chemische Verbindung in einem Enzym, die an ein Enzym gebunden ist, wird als Cofaktor bezeichnet.

Ø Sie sind fest an das Enzym gebunden.

Ø Cofaktoren können organische Gruppen oder anorganische Gruppen sein.

Ø Anorganische Cofaktoren umfassen Metallionen wie Fe2 + , Mg2 + , Mn2 + , Zn2 + und Eisen-Schwefel-Cluster.

Ø Organischer Cofaktor beinhaltet Flavin und Häm.

Ø Cofaktoren sind für das reibungslose Funktionieren von Enzymen erforderlich.

Ø Einige Enzyme benötigen mehrere Cofaktoren.

Ø Beispiel: Die Pyruvat-Dehydrogenase der Link-Reaktion der Atmung benötigt fünf Kofaktoren. Sie sind:

(2). Locker gebundenes Thiaminpyrophosphat (TPP)

(3). Kovalent gebundenes Lipoamid

(4). Flavin-Adenin-Dinukleotid (FAD)

(5). Co-Substrate (NAD, Coenzym-A und Mg2 + )

Ö Coenzym: Zusätzliche chemische Komponente im Enzym (prothetische Gruppe), bei der es sich um komplexe organische oder metallorganische Moleküle handelt.

Ø Der Hauptunterschied zum Cofaktor besteht darin, dass Coenzyme NICHT fest an das Enzym gebunden.

Ø Coenzyme fungieren als Träger bestimmter funktioneller Gruppen.

Ø Sie transportieren chemische Gruppen von einem Enzym zum anderen

Ø Die meisten Coenzyme werden aus Vitaminen gewonnen.

Ø Co-Enzym wird während der Reaktion aus dem aktiven Zentrum des Enzyms freigesetzt.

Ø Normalerweise werden Coenzyme nach der katalytischen Reaktion chemisch modifiziert.

Ø Somit gelten die Coenzyme als zweites Substrat.

Ø Beispiele für Coenzyme: NADHH + , NADPHH + , ATP

Ø Ein Coenzym ist vielen verschiedenen Enzymen gemeinsam.

Ø Beispiel: Das NADHH + ist ein Coenzym für etwa 700 verschiedene Enzyme im Menschen.

Ø Coenzyme werden kontinuierlich in der Zelle gebildet.

Ø Ihre Konzentration wird in der Zelle konstant gehalten.

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Lipidstoffwechsel in Signalsystemen

Akio Yamakawa , Tadaomi Takenawa , in Methoden der Neurowissenschaften , 1993

Prinzip

Die Enzymaktivität wird durch Messen der Bildung von [ 32 P]PIP aus PI und [γ- 32 P]ATP untersucht. Das gebildete PIP kann bequem mit Chloroform/Methanol/konzentrierter HCl (200:100:1, v/v) extrahiert werden. Zur Abschätzung der Aktivität von Rohenzymen muss jedoch [ 32 P]PIP durch Dünnschichtchromatographie abgetrennt werden, um eine Kontamination mit anderen 32 P-markierten Lipiden zu vermeiden. Die Beteiligung der PI 3-Kinase-Aktivität ist vernachlässigbar, da die PI 3-Kinase-Aktivität in Gegenwart von Detergenzien vermindert wird.


Enzyme: Bedeutung, Mechanismus, Klassifizierung, Faktoren und Bedeutung

Lassen Sie uns eine eingehende Untersuchung der Enzyme durchführen. Nach dem Lesen dieses Artikels erfahren Sie Folgendes: 1. Bedeutung von Enzymen 2. Klassifizierung von Enzymen 3. Mechanismus der Enzymwirkung 4. Faktoren, die die Enzymwirkung beeinflussen 5. Enzymspezifität 6. Enzymhemmung und 7. Diagnostische Bedeutung von Enzymen.

Bedeutung von Enzymen:

Enzyme sind proteinhaltige (und sogar Nukleinsäuren) Biokatalysatoren, die die Geschwindigkeit einer Reaktion verändern (im Allgemeinen erhöhen).

Freie Aktivierungsenergie und Wirkung der Katalyse:

Eine chemische Reaktion wie ein Substrat zu einem Produkt findet statt, wenn eine bestimmte Anzahl von Substratmolekülen zu jedem Zeitpunkt genügend Energie besitzt, um einen aktivierten Zustand zu erreichen, der als “Übergangszustand” bezeichnet wird, in dem die Wahrscheinlichkeit, eine chemische Bindung zu Form das Produkt ist sehr hoch. “Freie Aktivierungsenergie” ist die Energiemenge, die erforderlich ist, um alle Moleküle in einem Grammmol eines Substrats bei einer gegebenen Temperatur in den Übergangszustand zu bringen.

In Gegenwart eines Katalysators verbindet sich das Substrat damit, um einen Übergangszustand mit einer niedrigeren Aktivierungsenergie als die des Substrats allein zu erzeugen. Dies beschleunigt die Reaktion. Sobald das Produkt gebildet ist, kann sich das Enzym (Katalysator) frei mit einem anderen Molekül des Substrats verbinden und den Vorgang wiederholen. Obwohl es eine Änderung der freien Aktivierungsenergie in Gegenwart eines Enzyms gibt, bleibt die gesamte Änderung der freien Energie der Reaktion gleich, ob die Reaktion durch ein Enzym katalysiert wird oder nicht.

Klassifizierung von Enzymen:

Die Klassifizierung von Enzymen basiert auf:

(2) Anwesenheit oder Abwesenheit zu einem bestimmten Zeitpunkt,

(3) Die Regelung des Handelns,

(4) Ort der Handlung und

(5) Ihre klinische Bedeutung.

1. Klassifizierung basierend auf der katalysierten Reaktion:

Enzyme werden grob in sechs Gruppen eingeteilt, basierend auf der Art der katalysierten Reaktion.

(ein) Oxidoreduktasen:

Enzyme, die Oxidations- und Reduktionsreaktionen bewirken.

Ex. Pyruvat + NADH – Laktatdehydrogenase → Laktat + NAD +

Glutaminsäure + NAD – Glutamatdehydrogenase → α-Ketoglutarat + NH3 + NADH

Enzyme, die die Übertragung von Gruppen von einem Substrat auf ein anderes katalysieren, außer Wasserstoff. Ex. Transaminase katalysiert die Übertragung einer Aminogruppe von einer Aminosäure auf eine Ketosäure, um eine neue Ketosäure und eine neue Aminosäure zu bilden.

Ex. (α-Ketoglutarat + Alanin – Alaninaminotransferase → Glutamat + Pyruvat

Aspartat + α-Ketoglutarat —Aspartataminotransferase Oxaloacetat + Glutamat

Enzyme, die unter Wasserzugabe (Hydrolyse) den Bindungsbruch katalysieren. Alle Verdauungsenzyme sind Hydrolasen. Ex. Pepsin, Trypsin, Amylase, Maltase.

Jene Enzyme, die das Aufbrechen einer Verbindung in zwei Substanzen durch einen anderen Mechanismus als die Zugabe von Wasser katalysieren. Das resultierende Produkt weist immer eine Doppelbindung auf.

Ex. Fructose-1-6-diphosphat – ALDOLASE → Glyceraldehyd-3-phosphat + DHAP

Enzyme, die die Umwandlung optischer und geometrischer Isomere ineinander katalysieren.

Ex. Glyceraldehyd-3-phosphat – ISOMERASE → Dihydroxyacetonphosphat

Diese Enzyme katalysieren die Vereinigung zweier Verbindungen. Dies ist immer ein energieaufwendiger Prozess (aktiver Prozess).

Ex. Pyruvat + CO2 + ATP – Pyruvat-Carboxylase Oxaloacetat + ADP + Pi

2. Klassifizierung basierend auf der Anwesenheit oder Abwesenheit zu einem bestimmten Zeitpunkt:

Zwei Typen werden identifiziert:

(ein) Induzierbare Enzyme:

Diese Enzyme werden von der Zelle synthetisiert, wann immer sie benötigt werden. Die Synthese dieser Enzyme erfordert normalerweise einen Induktor.

Ex. Invertase, HMG-CoA-Reduktase, p-Galactosidase und am Harnstoffzyklus beteiligte Enzyme.

(B) Konstitutive Enzyme:

Enzyme, die unabhängig von Induktoren ständig in normalen Mengen im Körper vorhanden sind.

3. Einstufung basierend auf der Regulierung der Enzymwirkung:

Es gibt zwei Arten:

(ein) Regulatorische Enzyme:

Die Wirkung dieser Enzyme wird abhängig vom Zustand der Zelle reguliert. Die Wirkung regulatorischer Enzyme wird entweder durch einen Modulator an einer anderen Stelle als dem aktiven Zentrum, der sogenannten “allosterischen Stelle”, verstärkt oder verringert.

Ex. Phosphofructokinase (PFK) und Glutamatdehydrogenase.

(B) Nicht-regulatorische Enzyme:

Die Wirkung dieser Enzyme wird nicht reguliert.

Ex. Succinat-Dehydrogenase.

4. Klassifizierung nach dem Ort der Handlung:

Je nach den beiden Wirkungsstätten werden sie unterteilt in:

(a) Intrazelluläre Enzyme:

Enzyme, die von der Zelle produziert werden und innerhalb derselben Zelle wirken, werden als intrazelluläre Enzyme bezeichnet.

Ex. Alle Enzyme der Glykolyse und des TCA-Zyklus.

(b) Extrazelluläre Enzyme:

Enzyme, die von einer Zelle produziert werden, aber außerhalb dieser Zelle unabhängig von ihr wirken. Ex, Alle Verdauungsenzyme, nämlich. Trypsin, Pankreaslipase etc.

5. Klassifizierung basierend auf ihrer klinischen Bedeutung:

(ein) Funktionelle Plasmaenzyme:

Enzyme sind im Plasma in beträchtlich hoher Konzentration vorhanden und aufgrund der Anwesenheit ihres Substrats Plasma im Plasma funktionell.

Ex. Serumlipase, Blutgerinnungsenzyme.

(B) Nicht funktionelle Plasmaenzyme:

Enzyme sind im Plasma in vernachlässigbarer Konzentration vorhanden und haben keine Funktion im Plasma, da ihr Substrat darin fehlt. Nichtfunktionelle Plasmaenzyme sind von diagnostischer Bedeutung.

Enzyme werden von der Enzymnomenklaturkommission vierstellig benannt, wobei die

1. Ziffer bezieht sich auf die Hauptklassifikation

2. Ziffer bezieht sich auf Unterklassifizierung

3. Ziffer bezieht sich auf Unter-Unterklassifizierung

4. Ziffer bezieht sich auf das jeweilige Enzym

Ex. 2.7.3.2 ist Adenosintriphosphat-Kreatin-Phosphotransferase (Kreatinkinase).

Mechanismus der Enzymwirkung:

Ein Enzym (oder Protein) sollte in seiner nativen Konformation vorliegen, um biologisch aktiv zu sein. Die dreidimensionale Konformation von Enzymen hat eine bestimmte Stelle, an der das Substrat bindet und auf sie einwirkt, diese Stelle wird als aktive Stelle bezeichnet.

Das aktive Zentrum ist in zwei spezifische Bereiche unterteilt:

(1) Bindungsstelle – wo das Substrat bindet und

(2) Katalytische Stelle – wo die Enzymkatalyse stattfindet.

Die am aktiven Zentrum vorhandenen Aminosäuren sind Tyrosin, Histidin, Cystein, Glutaminsäure, Asparaginsäure, Lysin und Serin. In der Aldolase ist Lysin am aktiven Zentrum vorhanden. In der Carboxypeptidase sind am aktiven Zentrum zwei Tyrosinreste vorhanden. Ribonuklease hat zwei Histidine am aktiven Zentrum. Michaelis und Menten begründeten die Theorie der Kombination von Enzym mit Substrat, um den Enzym-Substrat-Komplex zu bilden. Demnach verbindet sich das Enzym mit dem Substrat, auf das es einwirkt, zu einem Enzym-Substrat-Komplex. Dann wird dieses Enzym freigesetzt und das Substrat in das Reaktionsprodukt zerlegt.

E [Enzym] + S [Substrat] → ES [Enzym-Substrat-Komplex] → E + Produkt

Der ES-Komplex wird auch als ‘Michaelis-Menten-Komplex’ bezeichnet.

Enzyme beschleunigen die Geschwindigkeit der chemischen Reaktion durch vier Hauptmechanismen, nämlich.

1. Nähe und Orientierung:

Das Enzym bindet so an das Substrat, dass sich die anfällige Bindung in unmittelbarer Nähe zur katalytischen Gruppe befindet und auch genau darauf ausgerichtet ist, was zur Katalyse führt.

2. Dehnungs- und Verzerrungs- oder induziertes Fit-Modell:

Die Bindung des Substrats induziert eine Konformationsänderung im Enzymmolekül, die die Form des aktiven Zentrums verzerrt und auch das gebundene Substrat verzerrt, wodurch die Katalyse bewirkt wird. Die Bindung des Substrats an das Enzym bewirkt eine Veränderung der Tertiär- oder Quartärstruktur des Enzymmoleküls, die das Enzym destabilisiert. Um Stabilität zu erreichen, verzerrt das Enzym das Substrat und bildet dabei das Reaktionsprodukt.

3. Allgemeine Säure-Base-Katalyse:

Das aktive Zentrum des Enzyms hat Aminosäuren, die gute Protonendonatoren oder Protonenakzeptoren sind, was zu einer Säure-Base-Katalyse des Substrats führt.

4. Kovalente Katalyse:

Einige Enzyme reagieren mit ihren Substraten zu sehr instabilen, kovalent verbundenen Enzym-Substrat-Komplexen, die weiter zu den Produkten reagieren.

Faktoren, die die Enzymwirkung beeinflussen:

Die Faktoren, die die Geschwindigkeit der enzymkatalysierten Reaktion beeinflussen, sind:

3. Substratkonzentration

5. Konzentration der Produkte

1. Einfluss der Temperatur:

Wenn alle anderen Parameter konstant gehalten werden (d. h. auf ihrem optimalen Niveau), dann steigt die Geschwindigkeit der Enzymreaktion mit steigender Temperatur langsam an, bis sie ein Maximum erreicht. Ein weiterer Temperaturanstieg denaturiert das Protein, was zu einer Abnahme der Enzymwirkung führt und ein weiterer Temperaturanstieg kann das Protein vollständig zerstören.

Als optimale Temperatur wird die Temperatur bezeichnet, bei der die Enzymaktivität maximal ist. Die meisten Enzyme sind bei 0 °C bis 4 °C völlig inaktiv, ihre Aktivität beginnt bei 10 °C und steigt langsam an, bis sie bei ihrer optimalen Temperatur ihre maximale Kapazität erreicht. Die meisten Enzyme im menschlichen Körper haben ihr Temperaturoptimum zwischen 37 °C und 40 °C.

Oberhalb dieser Temperatur werden die Enzyme weniger aktiv und können bei höheren Temperaturen ihre Aktivität vollständig verlieren. Bei Fieber erhöht die Temperaturerhöhung die Stoffwechselaktivität aufgrund der Zunahme der enzymatischen Wirkung. Ein Absinken der Temperatur führt zu einer Hypothermie, die bei Organtransplantationen und Operationen am offenen Herzen beobachtet wird.

Leben existiert jedoch in sehr kalten Regionen und auch in heißen Quellen, was darauf hinweist, dass das gleiche Enzym, das in menschlichen Zellen existiert, beispielsweise die Enzyme der Glykolyse und des TCA-Zyklus, ihre optimalen Temperaturen bei extremen Temperaturen haben.

Somit existieren Kältebakterien mit einer optimalen Temperatur ihrer Enzyme nahe 4°C. Ebenso haben Bakterien, die in heißen Quellen überleben, die Enzyme mit ihren optimalen Temperaturen nahe hundert Grad Celsius ex. die optimale Temperatur der Taq-Polymerase beträgt 72 °C.

Vant Hoffs-Koeffizient:

Es ist der Koeffizient, der erklärt, dass bei jedem Temperaturanstieg um 10 °C die Enzymaktivität um das Zweifache ansteigt, bis die optimale Temperatur erreicht ist.

2. Einfluss des pH-Wertes:

Wenn alle anderen Parameter konstant gehalten werden, nimmt die Geschwindigkeit einer enzymkatalysierten Reaktion zu, bis sie den optimalen pH-Wert erreicht, und nimmt dann mit weiterem Anstieg/Abnahme des pH-Werts ab. Die Aktivität ist für die meisten Enzyme bei einem biologischen pH-Wert von 7,4 maximal. Der optimale pH-Wert für Pepsin beträgt 1,5, für saure Phosphatase 4,5 und für alkalische Phosphatase 9,8.

3. Einfluss der Substratkonzentration:

Wenn alle anderen Parameter einschließlich der Enzymkonzentration konstant gehalten werden, nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit mit zunehmender Substratkonzentration stetig zu, bis das Enzym mit dem Substrat gesättigt ist. In diesem Stadium nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit nicht zu und bleibt konstant. Wenn ein Diagramm mit Geschwindigkeit gegen Substratkonzentration aufgetragen wird, ergibt sich eine hyperbolische Kurve.

Dies liegt daran, dass sich die Substratmoleküle mit zunehmender Substratkonzentration mit allen verfügbaren Enzymmolekülen an ihren aktiven Zentren verbinden, bis keine aktiven Zentren mehr verfügbar sind. Somit füllt das Substrat in diesem Stadium die Stellen nur wieder auf, wenn die Produkte freigesetzt werden, und kann die Reaktionsgeschwindigkeit nicht erhöhen.

Km ist definiert als die Substratkonzentration, bei der die Geschwindigkeit der enzymkatalysierten Reaktion die Hälfte der maximalen Geschwindigkeit beträgt.

ich. Ein hoher Km Wert zeigt eine schwache Bindung zwischen dem Enzym und dem Substrat an.

ii. Niedriger Km weist auf eine starke Bindung hin.

Einschränkungen der Michaelis-Menten-Gleichung:

ich. Diese Gleichung ermöglicht die Berechnung des ungefähren Wertes der maximalen Geschwindigkeit und nicht des genauen Wertes.

ii. Dies gilt für Enzyme, die nur das aktive Zentrum und nicht das allosterische Zentrum haben.

iii. Es berechnet die Km für Monosubstratreaktionen und nicht für Multisubstratreaktionen.

NS. Es wird verwendet, um die Geschwindigkeit von nicht-regulatorischen Enzymen zu kennen, aber nicht von regulatorischen Enzymen.

Um die obigen Beschränkungen zu überwinden, wird ein Linienweber-Burke-Diagramm gezeichnet, um eine Beziehung zwischen den Kehrwerten der Substratkonzentration und der Geschwindigkeit herzustellen.

Linienweber-Burke Grundstück:

Durch Umkehren der Michaelis-Menten-Gleichung erhalten wir

Mit dieser Gleichung können wir genau berechnen:

ich. Die Geschwindigkeit jeder enzymkatalysierten Reaktion.

ii. Die Reaktionsgeschwindigkeit, wenn mehr als ein Substrat vorhanden ist.

iii. Die Geschwindigkeit aller Enzyme.

Regulatorische Enzyme ergeben eine sigmoide Kurve und nicht-regulierende Enzyme ergeben eine hyperbolische Kurve.

4. Wirkung der Enzymkonzentration:

Mit steigender Enzymkonzentration nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit in Gegenwart eines Substratüberschusses stetig zu, während die anderen Faktoren konstant gehalten werden. Es entsteht eine lineare Kurve.

5. Wirkung von Produkten:

Wenn das Produkt mehr in der Reaktionsmischung vorhanden ist, nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit aufgrund der Rückkopplungshemmung ab.

6. Wirkung von Licht:

Die Aktivitätsgeschwindigkeit verschiedener Enzyme ändert sich bei verschiedenen Wellenlängen des Lichts, z. blaues Licht verstärkt die Aktivität der Speichel-Amylase, während U.V. Licht verringert die Geschwindigkeit.

7. Wirkung von Ionen:

Die Anwesenheit oder Abwesenheit bestimmter Ionen erhöht oder verringert die Aktivität von Enzymen, z. Pepsinogen wird in Gegenwart von H + -Ionen in Pepsin umgewandelt. Kinasen wirken in Gegenwart von Mg +2 -Ionen.

Enzymspezifität:

Enzyme sind in ihrer Reaktion sehr spezifisch. Sie wirken entweder auf ein bestimmtes Substrat oder katalysieren eine bestimmte Reaktion.

Dementsprechend gibt es zwei Arten von Enzymspezifität:

1. Reaktionsspezifität:

Diese Enzyme sind spezifisch für die Art der Reaktion, die sie katalysieren, unabhängig davon, auf welchem ​​Substrat sie wirken. Somit bewirken unterschiedliche Enzyme unterschiedliche Reaktionen auf demselben Substrat, d. h. Enzyme sind spezifisch für eine bestimmte Reaktion, egal um welches Substrat es sich handeln mag. Aminosäuren werden sowohl durch Aminosäureoxidase, die die Aminosäuren zu Ketosäuren oxidiert, als auch durch Decarboxylase, die Kohlendioxid aus ihnen entfernt, eingewirkt.

2. Substratspezifität:

Diese Enzyme sind spezifisch für das Substrat, auf das sie wirken. Dies wird weiter wie folgt klassifiziert.

(ein) Absolute Besonderheit:

Diese Enzyme sind hochspezifisch und wirken nur auf ein bestimmtes Substrat und auf kein anderes Substrat. Ex. Urease, Katalase, Aspartase.

(B) Relative Spezifität:

Diese Enzyme wirken auf eine bestimmte Bindung. Ex. D-Aminosäureoxidase.

(C) Gruppenspezifität:

Diese Enzyme wirken nur auf eine bestimmte Gruppe.

Ist ein proteolytisches Enzym, das auf Peptidbindungen einwirkt, die von aromatischen Aminosäuren wie Tyrosin, Tryptophan und Phenylalanin beigesteuert werden.

Ist spezifisch für basische Aminosäuren. Daher spaltet es Peptidbindungen, die von Lysin und Arginin beigesteuert werden.

Wirkt auf die Peptidbindung in der Nähe des freien Aminoendes.

Spezifisch für freie Carboxylgruppe.

Spezifisch für α-1 → 4 glykosidische Bindungen.

(D) Stereo-Spezifität:

Diese Enzyme wirken auf ein bestimmtes Stereoisomer.

ich. Succinat-Dehydrogenase:

Ist spezifisch für das Stereoisomer Fumarat, d. h. die cis-Form der Doppelbindung.

Ist spezifisch für β-glycosidische Bindung.

iii. L-Aminosäureoxidasen:

Wirken nur auf L-Aminosäuren und nicht auf D-Aminosäuren.

Sie sind nicht proteinhaltige, hitzestabile, dialysierbare organische Verbindungen mit niedrigem Molekulargewicht, die für die Wirkung von Enzymen benötigt werden. Im Allgemeinen wirken Vitamine als Coenzyme, z. Biotin, Pyridoxin usw. Enzym zusammen mit einem Coenzym ist als ‘Holoenzym’ bekannt und das ohne Coenzym ist ein ‘Apoenzym’. Apoenzym (Protein) + Co-Enzym (Nicht-Protein) → Holoenzym (aktives Enzymprotein).

Holoenzym kann eine organische oder anorganische Verbindung (Metallionen) oder beides enthalten. Wenn organische Substanzen mit Enzymen vorhanden sind, werden sie als ‘Co-Enzyme’ bezeichnet und wenn anorganische Substanzen mit den Enzymen wirken, werden sie als ‘Co-Faktoren’ bezeichnet (Mg, Mn, Zn, Co, Se , etc.).

Die Rolle von Coenzymen ist:

(i) Sie wirken als Co-Substrat oder zweites Substrat z. Pyruvat + NADH → Laktat + NAD + . NADH fungiert als Coenzym oder zweites Substrat,

(ii) Sie helfen bei der Übertragung von Gruppen, entweder Wasserstoff oder anderen Gruppen als Wasserstoff, und

(iii) Die spezifische Aktivität eines Coenzyms ist die Anzahl der Einheiten von Coenzym, die in einem Milligramm Enzymprotein vorhanden sind.

Enzymeinheit oder Aktivität:

Eine Einheit der Enzymaktivität ist die Enzymmenge, die 1,0 (J.M. des Substrats pro Minute bei 25 °C in die Produkte umwandelt.

Spezifische Aktivität eines Enzyms:

Es ist definiert als die Anzahl der Enzymeinheiten pro Milligramm des Proteins.

Enzymumsatzzahl:

Die Anzahl der Substratmoleküle, die pro Minute (Einheitszeit) von einem einzelnen Enzym umgewandelt werden, wird als Enzymumsatzzahl bezeichnet. Carboanhydrase hat mit 36.000.000 die höchste Umsatzzahl.

Reaktion erster und zweiter Ordnung:

Eine Reaktion, bei der nur ein Substrat vorhanden ist, wird als Reaktion 1. Ordnung bezeichnet. Eine Reaktion, an der zwei Substrate zu einem Produkt beteiligt sind, wird als Reaktion 2. Ordnung bezeichnet, auch als Bi-Substrat-Reaktion bekannt. Dies beinhaltet entweder eine einfache Verdrängung (dh beide Substrate binden gleichzeitig an zwei aktive Zentren des Enzyms) oder eine doppelte Verdrängung (Ping-Pong-Verdrängung, wobei zu einem bestimmten Zeitpunkt nur ein Substrat an das aktive Zentrum des Enzyms bindet, sobald dieses freigesetzt wird das andere Substrat bindet).

Die inaktive Form eines Enzyms wird als Zymogen oder Proenzym bezeichnet. Pepsinogen und Trypsinogen sind die Zymogene von Pepsin bzw. Trypsin.

Ribonukleinsäuren, die eine enzymähnliche Reaktion katalysieren, werden als Ribozyme bezeichnet. These ribozymes help in the processing of the newly transcribed RNA ex. small nuclear RNA (SnRNA) and hetero-nuclear RNA (hnRNA).

Enzymhemmung:

Alteration in the enzyme activity by specific substances other than non-specific substances like pH, temperature etc. is called enzyme inhibition.

There are two types of enzyme inhibitions:

1. Irreversible Enzyme Inhibition:

The activity of the enzyme is inhibited by covalent binding of the inhibitor at the active site. The enzyme inhibitor bond cannot be dissociated, so it is permanent and irreversible i.e. it cannot be reversed.

ich. Aldolase is inhibited permanently by iodoacetate.

ii. Di-isopropylflurophosphate (DFP), a component of nerve gas, inhibits most of the digestive enzymes permanently in human beings. Hence it is very poisonous.

iii. Para chloromercuric benzoate (PCMB) inhibits the enzymes hexokinase and urease irreversibly.

NS. Organic reagents like alkaloid reagents inhibit enzymes irreversibly.

2. Reversible Enzyme Inhibition:

The inhibitors bind reversibly to the enzyme and so it is not permanent. The inhibition can be reversed by various mechanisms.

(a) Competitive enzyme inhibition:

It is a type of reversible inhibition in which there is competition between substrate and inhibitor for the active site of an enzyme because of the structural similarity. All non-regulatory enzymes show competitive inhibition. Clinically competitive enzyme inhibition is of great importance since most of the drugs act by competitive inhibition.

(i) The enzyme succinate dehydrogenase’s (SDH) substrate is succinic acid and the competitive inhibitors are oxalic acid, mallonic acid and glutaric acid. Among these, mallonic acid is the most potent competitive inhibitor of SDH.

(ii) Folic acid, a vitamin for human beings has para-amino benzoic acid (PABA) as one of its components. Whereas it is not a vitamin for microorganisms i.e., they cannot utilize preformed folic acid from external source, instead they synthesize their own folic acid from aba. Sulpha drugs contain para-amino sulphonate which is structurally similar to PABA and hence competes for the enzyme active site of folic acid synthesis in microorganisms. If excess dose of sulpha drug is given, it results in inhibition of folic acid synthesis thus acting as an antibiotic. Human beings are not affected, because they do not synthesize folic acid.

(iii) Methanol is acted upon by the enzyme alcohol dehydrogenase forming formaldehyde which is highly poisonous. If ethanol if given to methanol intoxicated patients then ethanol competitively binds to alcohol dehydrogenase thereby preventing formation of formaldehyde.

(iv) Allopurinol is the competitive inhibitor of the enzyme xanthine oxidase whose substrate is hypoxanthine. Allopurinol prevents the formation of uric acid by competitive inhibition because it has structural similarity to hypoxanthine. This principle is used in the treatment of gout i.e. abnormal accumulation of uric acid crystals in the joint causing inflammation.

(v) Glaucoma is a condition in which there is accumulation of fluid in the lens resulting in enlargement of eye. This can be treated with ‘acetazolamide’ which inhibits the enzyme carbonic anhydrase competitively. This prevents water formation and subsequent release of more water through the urine.

(b) Non-competitive enzyme inhibition:

It is shown by regulatory enzymes, also called allosteric enzymes.

These are the enzymes that contain a site other than the active site which is called ‘allosteric site’. The action of some enzymes is regulated by ‘effectors’ which can bind reversibly to the enzyme molecule at specific sites other than the substrate binding site called the modulator site or the allosteric site.

There is no competition between substrate and inhibitor for the active site since the inhibitor or modulator binds at the modulator site or allosteric site. If the binding of the effector causes inhibition of the enzyme action then it is called a negative effector and the process is called ‘allosteric inhibition’.

If the enzyme reaction is activated by a modulator then it is called a positive modulator or effector and the process is called ‘allosteric activation’.

Ex. Phosphofructo kinase (PFK) is an allosteric enzyme of the glycolytic pathway.

The positive modulators of this enzyme are AMP and ADP.

The negative modulators of PFK are ATP and citrate.

These are substances (generally proteinacious in nature) that inhibit most of the digestive enzymes, ex. certain roundworms and hookworms survive in the intestine by secreting anti enzymes. Uncooked rice contains certain proteins that act as anti enzymes.

Reversible covalent modification:

Enzyme activity can be regulated by reversible covalent modification.

It is regulated by cyclic inter-conversion of enzyme into two forms:

The inter-conversion is brought about by a ‘converting enzyme’. The process of activation and inactivation of the enzyme is generally brought about by covalent phosphorylation or de-phosphorylation of the target enzyme. For example hormones like epinephrine, glucagon etc. bind to the hormone receptor site on the cell membrane and activate the enzyme adenyl cyclase, which in turn converts ATP to cyclic AMP (cAMP). This cAMP converts inactive protein kinase to active protein kinase (‘a’ form). This protein kinase phosphorylates many enzymes in the cell, some of which become active and yet some others become inactive.

The inactive phosphorylase (‘b’ form) gets converted to active phosphorylase (‘a’ form) upon phosphorylation and affects the breakdown of glycogen to glucose. On the other hand glycogen synthase becomes inactive upon phosphorylation thereby inhibiting the formation of glycogen.

Diagnostic Importance of Enzymes:

Enzymes were classified into two groups based upon their clinical importance as ‘functional plasma enzymes’ i.e., those enzymes present in the plasma in considerably high amounts and are functional in the plasma due to the presence of their substrate in it.

Ex. serum lipase, blood clotting enzymes, and ‘non-­functional plasma enzymes’ i.e., those enzymes that are present in the plasma in negligible amounts and have no function in the plasma due to the absence of their substrate in it. Non-functional plasma enzymes are of diagnostic importance.

The non-functional plasma enzymes are present in higher concentration in tissues and very low concentration in the plasma i.e. in trace amounts, but their concentration in plasma increases immediately following tissue injury or destruction.

If there is tissue damage leading to cell rupture then the enzymes present in that tissue leaks into the blood leading to the increase in the concentration of these enzymes in the plasma. Increase in the level of non-functional plasma enzymes in the blood, indicates the disorder to the tissue where they exist. Different enzymes exist in different tissues in varying levels. Damage to a specific tissue releases a particular enzyme. Therefore estimation of enzymes in the plasma has a diagnostic importance.

The non-functional plasma enzymes include lactate dehydrogenase (LDH), creatine phosphokinase (CPK), alanine amino transferase (ALT) or serum glutamate pyruvate transaminase (SGPT), aspartate transaminase (AST) or serum glutamate oxaloacetate transaminase (SGOT), sorbitol dehydrogenase, alkaline phosphatase, acid phosphatase, amylase, pancreatic lipase etc.

However functional plasma enzymes are already in higher concentration in the plasma, hence their decrease in the concentration in the plasma indicates malfunction of the organ where they are synthesized ex. blood clotting enzymes are synthesized in the liver hence decrease in their concentration indicates liver dysfunction.

Anyway an immediate assessment of the liver function cannot be made by this assessment because by the time the enzyme concentration in the plasma decreases (may take 4 to 5 days), the liver must have regained its normal vitality.

Diagnosis of Myocardial Infarction using Enzyme Assay:

There are three main enzymes that are used in the diagnosis of myocardial infarction (1) Lactate dehydrogenase (LDH) (2) Creatine phosphokinase (CPK)—marker enzyme and (3) Transaminase (AST or SGOT).

(1) Lactate dehydrogenase (LDH):

LDH catalyses the inter conversion of pyruvate to lactate, a very important reaction of anaerobic glycolysis. Glycolysis occurs in each and every cell, in some cells it is always anaerobic (RBC) whereas in others it is aerobic sometimes and anaerobic at some other time (muscle tissue, liver, kidney etc.).

In other words LDH is present in each and every cell of the body. Therefore damage to any of the tissues of the body results in release of LDH into the plasma. Hence it becomes a difficult task to trace out the organ from which it has leaked.

However LDH exists in five isoenzyme forms i.e. multiple forms of the same enzyme (These enzymes bring about the same reaction but exhibit different physical characters like molecular weight, charge, electrophoretic mobility, Km and isoelectric pH). The polypeptides in LDH are designated as ‘H chain’ and ‘M chain’.

All the isoenzyme forms of LDH are tetramer i.e. has four polypeptides in the following combinations:

(e) M4 or LDH5—Liver and skeletal muscle

All these isomers have been successfully separated on Sodium Dodecyl Sulphate Polyacryl Amide Gel Electrophoresis (SDS-PAGE) and their banding pattern from the plasma is established as under—

LDH1 oder H4 is predominantly present in the cardiac muscle, whereas the isoenzyme form LDH5 or M4 is more abundant in the skeletal muscle. These two enzymes have different Km values and Km is indirectly proportional to affinity (Km a 1/affinity).

The skeletal muscle enzyme M4 has low Km value for pyruvate and hence greater affinity for pyruvate resulting in high rate of conversion of pyruvate to lactate. The cardiac isoenzyme LDH1 oder H4 has high Km value for pyruvate hence lesser affinity for pyruvate, therefore low rate of conversion of pyruvate to lactate. Thus the concentration of H4 or LDH1 isoenzyme form of lactate dehydrogenase increases in the plasma during myocardial infarction. The peak levels of LDH are maintained in the plasma for 6 days following the attack, after which it starts receding in its concentration.

(2) Creatine phosphokinase (CPK):

This is known as the marker enzyme for the diagnosis of myocardial infarction or heart attack, because this is the first enzyme to increase within a short time in the blood plasma following a heart attack. CPK is an enzyme that catalyses the conversion of creatine to creatine phosphate, a high energy compound that works to supply energy during muscle contraction. Therefore this enzyme is present only in a few tissues like the cardiac muscle, skeletal muscle and the brain.

CPK also exists in various isoenzyme forms. It has two polypeptides ‘B’ & ‘M’ that form dimers in the following combinations to give rise to three isoenzymes of CPK.

MB — Predominant in cardiac muscle

MM — Predominant in skeletal muscle

Thus estimation of the isoenzyme MB is indicative of heart attack. CPK maintains a higher concentration in the plasma for 1-2 days. The concentration of CPK after the first attack is 10 times more than the normal and if another attack occurs within a day or two the concentration further increases to 100 fold and a third attack within a short span of time raises the level of CPK to 300 fold which is lethal concentration.

Among the two transaminases, aspartyl transaminase (AST or SGOT) increases in the plasma following an attack and the higher levels are seen in 4 to 5 days following an attack.


About the book

Beschreibung

Biotechnology of Microbial Enzymes: Production, Biocatalysis and Industrial Applications provides a complete survey of the latest innovations on microbial enzymes, highlighting biotechnological advances in their production and purification along with information on successful applications as biocatalysts in several chemical and industrial processes under mild and green conditions.

Applications of microbial enzymes in food, feed, and pharmaceutical industries are given particular emphasis. The application of recombinant DNA technology within industrial fermentation and the production of enzymes over the last 20 years have produced a host of useful chemical and biochemical substances. The power of these technologies results in novel transformations, better enzymes, a wide variety of applications, and the unprecedented development of biocatalysts through the ongoing integration of molecular biology methodology, all of which is covered insightfully and in-depth within the book.

Biotechnology of Microbial Enzymes: Production, Biocatalysis and Industrial Applications provides a complete survey of the latest innovations on microbial enzymes, highlighting biotechnological advances in their production and purification along with information on successful applications as biocatalysts in several chemical and industrial processes under mild and green conditions.

Applications of microbial enzymes in food, feed, and pharmaceutical industries are given particular emphasis. The application of recombinant DNA technology within industrial fermentation and the production of enzymes over the last 20 years have produced a host of useful chemical and biochemical substances. The power of these technologies results in novel transformations, better enzymes, a wide variety of applications, and the unprecedented development of biocatalysts through the ongoing integration of molecular biology methodology, all of which is covered insightfully and in-depth within the book.


(2). Group specificity:

It is also called moderate specificity. Here the enzyme is specific to a bond and groups surrounding the bonds. Group specificity is more than that of bond specificity. Endopeptidases and exopeptidases (two general classes of proteinases) are classical examples for group specificity.

(1). Pepsin, a digestive enzyme of stomach produced by chief cells, can hydrolyze a peptide bond in which the amino group is contributed by an aromatic amino acid such as phenyl alanine, tyrosine and tryptophan. .

.

(2). Trypsin, a serine protease of digestive system, can hydrolyze a peptide bond in which amino group is contributed by any basic amino acid such as lysine, arginine and histidine.

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(3). Chymotrypsin, a digestive enzyme component of pancreatic juice, can hydrolyze a peptide bond in which the carboxyl group is contributed by any aromatic amino acid (phenylalanine, tyrosine and tryptophan)

.

Ähnlich, Aminopeptidase und Carboxypeptidase can hydrolyze any peptide bond of a protein from N-terminal and C-terminal respectively.

.

(3). Substrate specificity

Substrate specificity is also called as absolute specificity, since here the specificity is very high. Enzymes showing substrate specificity are specific only to one substrate and one reaction.

Example: Enzyme lactase can only hydrolyze the β-1-4 glycosidic bond of lactose to yield galactose and glucose. Similarly, Maltase can only act on the α-1-4 glycosidic linkage of two glucose molecules in maltose. .

(4). Optical specificity

Optical specificity of enzyme is also called as stereo-specificity. Here the enzyme is specific not only to substrate but also to its optical configuration. Optical specificity of enzyme is considered as the highest specificity shown by any class of enzyme in the living world.

Example: L-amino acid oxidase acts only on L-amino acids, similarly D-amino acid oxidase acts only on D-amino acids. Another good example for optical or stereo specificity of enzyme is the action of amylases. α-glycosidic bonds of starch and glycogen are hydrolyzed only by α-glycosidase (α-amylase). Similarly β-glycosidic bonds of cellulose are hydrolyzed only by β-glycosidase (β-amylase). Starch, glycogen and cellulose are the polymer of glucose molecules joined by 1-4 glycosidic linkages. In starch and glycogen, the connecting bond is α-1-4, where as in cellulose it is β-1-4. Saliva of mammals contain α-amylase enzyme for hydrolyzing starch to release glucose as a source of metabolic energy. Mammals cannot use cellulose as a glucose source because cellulose cannot be hydrolyzed by stereo specific α-amylase which acts only on α-1-4 glycosidic linkage of starch and glycogen.

.

(5). Geometrical specificity

In geometrical specificity, single enzyme can act on different substrates having similar molecular geometry and hence here specificity is very less. Example: Alcohol dehydrogenase can oxidize both ethanol and methanol to yield corresponding aldehydes since both these alcohols have similar molecular geometry.

.

(6). Co-factor specificity

Co-factors are non-protein part of enzyme required for the functioning of some enzymes. Enzyme which requires co-factors for their activity shows co-factor specificity. Only correct combination of substrate and co-factor allows enzymatic reaction. In the absence of specific co-factor, the enzyme will be inactive even if there are plenty of substrates. .

Enzyme specificity: Selectivity of enzyme to their substrate
Different types:

1. Bond specificity – specific to bonds
2. Group specificity – specific to bonds and groups surrounding the bonds
3. Substrate specificity – specific to only one substrate and reaction
4. Stereo specificity – specific to substrate and its optical conformation
5. Geometrical specificity – substrates having similar molecular geometry
6. Co-factor specificity – specific to exact substrate, co-factor combination

Different types of specificity and be arranged ascending based on its specificity:

Geometric specificity < Bond specificity < Group specificity < Substrate specificity < Co-factor specificity < Stereo specificity

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