HYDROLASEN: STRUCTUUR, FUNCTIES, VOORBEELDEN - BIOLOGIE - 2025

De hydrolasen zijn enzymen die verantwoordelijk zijn voor het hydrolyseren van verschillende soorten chemische bindingen in veel verschillende verbindingen. Onder de belangrijkste bindingen die hydrolyseren, zijn ester-, glycosidebindingen en peptidebindingen.

Binnen de groep van hydrolasen zijn meer dan 200 verschillende enzymen geclassificeerd, gegroepeerd in ten minste 13 afzonderlijke sets; hun classificatie is in wezen gebaseerd op het type chemische verbinding dat als substraat dient.

Grafische modellering met bioinformatica-instrumenten van de structuur van een hydrolase (Bron: Jawahar Swaminathan en MSD-personeel van het European Bioinformatics Institute via Wikimedia Commons)

Hydrolasen zijn essentieel voor de vertering van voedsel in de darmen van dieren, omdat ze verantwoordelijk zijn voor het afbreken van een groot deel van de bindingen die de carbonaatstructuren vormen van het voedsel dat ze eten.

Deze enzymen werken in waterige media, omdat ze watermoleculen om zich heen nodig hebben om aan de verbindingen toe te voegen zodra de moleculen zijn gesplitst. In eenvoudige bewoordingen voeren hydrolasen een hydrolytische katalyse uit van de verbindingen waarop ze inwerken.

Wanneer een hydrolase bijvoorbeeld een covalente CC-binding verbreekt, is het resultaat meestal een C-OH-groep en een CH-groep.

Structuur

Zoals veel enzymen zijn hydrolasen globulaire eiwitten die zijn georganiseerd in complexe structuren die zichzelf organiseren door middel van intramoleculaire interacties.

Hydrolasen binden, net als alle enzymen, aan een of meer substraatmoleculen in een gebied van hun structuur dat bekend staat als de "actieve plaats". Deze site is een holte of spleet omgeven door vele aminozuurresten die de grip of hechting van het substraat vergemakkelijken.

Elk type hydrolase is specifiek voor een bepaald substraat, dat wordt bepaald door zijn tertiaire structuur en door de conformatie van de aminozuren waaruit zijn actieve site bestaat. Deze specificiteit werd door Emil Fischer op didactische wijze naar voren gebracht als een soort "slot en sleutel".

Het is nu bekend dat het substraat in het algemeen veranderingen of vervormingen induceert in de conformatie van enzymen en dat de enzymen op hun beurt de structuur van het substraat vervormen om het in zijn actieve plaats te laten "passen".

Kenmerken

Alle hydrolasen hebben de belangrijkste functie van het verbreken van chemische bindingen tussen twee verbindingen of binnen de structuur van hetzelfde molecuul.

Er zijn hydrolasen om bijna elk type binding te verbreken: sommige breken de esterbindingen tussen koolhydraten af, andere de peptidebindingen tussen de aminozuren van eiwitten, andere de carbonzuurbindingen, enz.

Het doel van de hydrolyse van chemische bindingen gekatalyseerd door een hydrolase-enzym varieert aanzienlijk. Lysozym is bijvoorbeeld verantwoordelijk voor de hydrolyse van chemische bindingen met als doel het organisme te beschermen dat het synthetiseert.

Dit enzym breekt de bindingen af ​​die verbindingen in de bacteriële celwand bij elkaar houden, om het menselijk lichaam te beschermen tegen bacteriële proliferatie en mogelijke infectie.

Nucleasen zijn "fosfatasen" enzymen die het vermogen hebben om nucleïnezuren af ​​te breken, die ook een cellulair afweermechanisme kunnen vertegenwoordigen tegen DNA- of RNA-virussen.

Andere hydrolasen, zoals die van het "serineproteasen" -type, breken de peptidebindingen van eiwitten in het spijsverteringskanaal af om aminozuren assimileerbaar te maken in het gastro-intestinale epitheel.

Hydrolasen zijn zelfs betrokken bij verschillende energieproductiegebeurtenissen in het celmetabolisme, aangezien fosfatasen de afgifte van fosfaatmoleculen uit hoogenergetische substraten zoals pyruvaat bij glycolyse katalyseren.

Voorbeelden van hydrolasen

Onder de grote diversiteit aan hydrolasen die wetenschappers hebben geïdentificeerd, zijn sommige met meer nadruk bestudeerd dan andere, omdat ze betrokken zijn bij veel processen die essentieel zijn voor het celleven.

Deze omvatten lysozym, serineproteasen, endonuclease-type fosfatasen en glucosidasen of glycosylasen.

Lysozyme

Enzymen van dit type breken de peptidoglycaanlagen van de celwand van grampositieve bacteriën af. Dit leidt meestal tot een totale lysis van de bacteriën.

Lysozymen beschermen het lichaam van dieren tegen bacteriële infecties en zijn overvloedig aanwezig in lichaamsafscheidingen in weefsels die in contact komen met de omgeving, zoals tranen, speeksel en slijm.

Het kippenei-lysozym was de eerste eiwitstructuur die werd gekristalliseerd door middel van röntgenstralen Deze kristallisatie werd uitgevoerd door David Phillips, in 1965, bij het Royal Institute of London.

De actieve site van dit enzym is samengesteld uit het peptide Asparagine-Alanine-Methionine-Asparagine-Alanine-Glycine-Asparagine-Alanine-Methionine (NAM-NAG-NAM).

Serine proteasen

De enzymen in deze groep zijn verantwoordelijk voor het hydrolyseren van de peptidebindingen in peptiden en eiwitten. De meest bestudeerde zijn trypsine en chymotrypsine; er zijn echter veel verschillende soorten serineproteasen, die variëren met betrekking tot substraatspecificiteit en hun katalyse-mechanisme.

De "serineproteasen" worden gekenmerkt doordat ze een nucleofiel aminozuur van het serinetype op hun actieve plaats hebben, dat functioneert bij het verbreken van de peptidebinding tussen aminozuren. Serineproteasen zijn ook in staat om een ​​grote verscheidenheid aan esterbindingen te verbreken.

Grafisch schema van de werking van een serineprotease die een peptidebinding verbreekt in het aminozuur histidine (Bron: Zephyris in de Engelse taal Wikipedia Via Wikimedia Commons)

Deze enzymen snijden peptiden en eiwitten niet-specifiek af. Alle peptiden en eiwitten die moeten worden geknipt, moeten echter aan het N-uiteinde van de peptidebinding aan de actieve plaats van het enzym worden gehecht.

Elke serineprotease knipt nauwkeurig de amidebinding die zich vormt tussen het C-terminale uiteinde van het aminozuur aan het carboxyluiteinde en het aminozuuramine dat zich naar het N-terminale uiteinde van het peptide bevindt.

Nuclease-type fosfatasen

Deze enzymen katalyseren de splitsing van de fosfodiësterbindingen van de suikers en de fosfaten van de stikstofhoudende basen waaruit de nucleotiden bestaan. Er zijn veel verschillende soorten van deze enzymen, aangezien ze specifiek zijn voor het nucleïnezuurtype en de splitsingsplaats.

Grafisch schema van de werking van een endonuclease die een fosfodiësterbinding hydrolyseert (Bron: J3D3 via Wikimedia Commons)

Endonucleasen zijn onmisbaar op het gebied van biotechnologie, omdat ze wetenschappers in staat stellen de genomen van organismen te wijzigen door fragmenten van de genetische informatie van bijna elke cel te knippen en te vervangen.

Endonucleasen snijden de stikstofhoudende basen in drie stappen. De eerste is via een nucleofiel aminozuur, daarna wordt een negatief geladen tussenliggende structuur gevormd die de fosfaatgroep aantrekt en uiteindelijk de binding tussen beide basen verbreekt.

Referenties

1. Davies, G., & Henrissat, B. (1995). Structuren en mechanismen van glycosylhydrolasen. Structuur, 3 (9), 853-859.
2. Lehninger, AL, Nelson, DL, Cox, MM en Cox, MM (2005). Lehninger principes van biochemie. Macmillan.
3. Mathews, AP (1936). Principes van biochemie. W. Wood.
4. Murray, RK, Granner, DK, Mayes, P., & Rodwell, V. (2009). Harper's geïllustreerde biochemie. 28 (p.588). New York: McGraw-Hill.
5. Ollis, DL, Cheah, E., Cygler, M., Dijkstra, B., Frolow, F., Franken, SM,… & Sussman, JL (1992). De α / β-hydrolase-vouw. Protein Engineering, Design and Selection, 5 (3), 197-211.