Pobierz Enzymy - Notatki - Technologia żywności i więcej Notatki w PDF z Technologia przemysłowa tylko na Docsity!
ENZYMY
Inaczej fermenty (z gr. endzyme , co oznacza wewnątrz zaczynu, kwasu). Białka proste lub złożone produkowane w żywych organizmach i katalizujące przebieg reakcji metabolicznych. Skomplikowane katalizatory organiczne wytwarzane przez żywe komórki. Enzymy biorą udział we wszystkich reakcjach chemicznych ustroju, stąd ich nazwa: biokatalizatory. W budowie chemicznej enzymu wyróżnia się grupę prostetyczną , czyli koferment zwany inaczej koenzymem, który jest stosunkowo prosty chemicznie, oraz tzw. apoferment - bardzo skomplikowane ciało białkowe. Koferment i apoferment w połączeniu tworzą holoferment czyli enzym. Każdy enzym działa wyłącznie na pewną określoną substancję lub na grupę pokrewnych substancji. ZE WZGLĘDU NA DZIAŁANIE enzymy podzielono na trzy grupy:
- hydrolazy , które powodują rozkład złożonych substancji na prostsze, przy czym zostaje przyłączona woda. Do tej grupy należą proteazy , czyli enzymy proteolityczne rozszczepiające białka, lipazy czyli enzymy lipolityczne rozkładające tłuszcze, ureazy rozkładające mocznik na amoniak i dwutlenek węgla;
- dehydrazy odszczepiające wodór, co ma podstawowe znaczenie dla procesów oddychania i fermentacji;
- desmolazy powodujące przerwanie tzw. łańcuchów węglowych, czyli połączeń między atomami węgla w jednej cząsteczce. Do obu ostatnich grup należą enzymy oddechowe, szczególnie ważne w procesie przemiany materii. Materiał ulegający w organizmie utlenianiu i dostarczający mu w tym procesie energii, np. cukier, nie spala się w ustroju bezpośrednio na dwutlenek węgla i wodę, lecz przechodzi przez szereg reakcji, w których pośredniczą coraz inne enzymy, np. dehydraza, oksydaza itd. Enzymy umożliwiają trawienie - proces fizjologiczny występujący u istot cudzożywnych, polegający na rozkładaniu złożonych wielkich cząsteczek (białek, tłuszczy, węglowodanów) na elementy prostsze. Rozbijanie to odbywa się za pomocą enzymów wytwarzanych przez odżywiający się organizm. Odpowiednio do typu związków pokarmowych, odróżnia się: enzymy proteolityczne - rozszczepiające białka, enzymy amylolityczne - rozkładające skrobię i wiele innych węglowodanów oraz enzymy lipolityczne - działające na tłuszcze. Zazwyczaj w organizmie występuje po kilka enzymów z każdej grupy, czynnych w różnych odczynach środowiska, co gwarantuje bardzo dokładny rozkład określonego związku. ROZMIESZCZENIE ENZYMÓW W PRZEWODZIE POKARMOWYM: ptyalina w ślinie - rozkłada skrobię na glikozę działając w środowisku zasadowym, pepsyna w soku żołądkowym - rozkłada białka na albumozy i peptony działając w środowisku kwaśnym w skutek obecności kwasu solnego, trypsyna w dwunastnicy rozkłada cząsteczki białek na aminokwasy w środowisku zasadowym, lipaza rozszczepia tłuszcze na glicerynę i kwasy tłuszczowe, amylaza podejmuje działalność ptyaliny, enzym białkowy - erypsyna w jelicie cienkim (gdzie następuje wchłanianie), rozkłada albumozy i peptony (kontynuacja działalności pepsyny). Od 1961r. obowiązuje podział enzymów - opracowany przez Komisję Enzymową Międzynarodowej Unii Biochemicznej - na sześć klas głównych. Kryterium tego podziału stanowi rodzaj przeprowadzanej reakcji. 1. OKSYDOREDUKTAZY (np. dehydrogenazy, oksydazy) - przenoszą elektrony i protony do odpowiedniego akceptora, enzymy katalizujące reakcje, w których dochodzi do
zmiany stopnia utlenienia, na przykład: dehydrogenaza mleczanowa uczestnicząca w wątrobie w pozbywaniu się szkodliwego kwasu mlekowego i oksydaza L-aminokwasowa bezpośrednio utleniająca aminokwasy w mikrociałkach.
2. TRANSFERAZY (np. aminotransferazy, acetylotransferazy, kinazy) - przenoszące określoną grupę chemiczną (np. aminową, acetylową) z jednego związku do drugiego, czyli katalizujące reakcje przenoszenia grup funkcyjnych z jednej cząsteczki na drugą, na przykład: transaminaza glutaminianowa przenosząca grupę aminową na ketoglutaran przez co powstaje m. in. kwas glutaminowy i syntaza laktozowa przenosząca w gruczołach mlecznych ssaków galaktozę na glukozę przez co powstaje laktoza. 3. HYDROLAZY (np. proteazy, celulaza, inwertaza) - rozkładające substrat hydrolitycznie, z jednoczesnym przyłączeniem cząsteczki wody. Zazwyczaj są to białka proste przeprowadzające reakcje rozpadu z udziałem wody. Enzymy te rozkładają wiązania w cząsteczkach używając wody - (hydroliza wiązań peptydowych, glikozydowych, estrowych), np.: wszystkie enzymy trawienne układu pokarmowego. 4. LIAZY (np. dekarboksylazy aminokwasów) odszczepiające pewne grupy od substratu bez udziału wody, czyli katalizują reakcje rozpadu bez udziału wody, przy czym tworzą się zazwyczaj wiązania podwójne, np.: dekarboksylaza pirogronianowa odpowiedzialna za pgronianu dwutlenku węgla, w wyniku czego powstaje aldehyd octowy (fermentacja alkoholowa). 5. IZOMERAZY - przeprowadzają reakcje przegrupowań wewnątrzcząsteczkowych, czyli przebudowują strukturę cząsteczki bez zmiany jej składu atomowego, np.: izomeraza cytrynianowa katalizująca reakcję przekształcania cytrynianu w izocytrynian (cykl Krebsa). 6. LIGAZY (syntetazy) - katalizujące tworzenie nowych wiązań, czyli łączenie się dwóch cząsteczek (reakcje syntezy). Inną grupę enzymów stanowią ENZYMY RESTRYKCYJNE z grupy endonukleaz, które przecinają nici DNA w miejscu występowania krótkich, kilkunukleotydowych sekwencji, specyficznych dla danego enzymu restrykcyjnego. Występują w komórkach bakteryjnych, gdzie służą do niszczenia obcego DNA, np. bakteriofagowego. Uzyskano już ponad 100 różnych enzymów restrykcyjnych, których nazwy wskazują na źródło ich pochodzenia. Enzymy te znalazły niezwykle szerokie zastosowanie w biologii molekularnej. W inżynierii genetycznej wykorzystuje się enzymy restrykcyjne do cięcia nici DNA. Określone fragmenty DNA otrzymane z dowolnego organizmu w wyniku cięcia enzymami restrykcyjnymi włącza się do niewielkich cząstek DNA mających zdolność autonomicznej replikacji (np. plazmidów lub wirusów). Spełniają one rolę przenośników czyli wektorów, które po wprowadzeniu do komórki gospodarza, np. bakterii, umożliwiają namnażanie się w niej obcych genów i przekazywanie ich komórkom potomnym. Technika ta stwarza teoretycznie nieograniczone możliwości łączenia ze sobą różnych genów, które w komórkach biorcy stanowią matrycę dla syntezy RNA i białek. Pozwala to na dokładne poznanie funkcji ściśle określonych fragmentów DNA i umożliwia produkcję pożądanych białek przez organizmy, które w naturze nie są do tego zdolne.
III Wykrywanie działalności
enzymów
Enzymy to biokatalizatory białkowe, regulujące szybkość przebiegu reakcji
biochemicznych. Enzymy mogą zostać wyodrębnione z komórek i działać niezależnie
od żywych struktur.
Odznaczają się specyficznością działania, tzn., że dany enzym katalizuje jeden,
określony typ reakcji biochemicznej i działa na ogół na jeden ściśle określony substrat.
konformacyjne białka, dzięki czemu następuje właściwe ułożenie grup
katalitycznych względem grup funkcyjnych i wiązań w cząsteczce substratu;
trójpunktowe przyłączenie substratu (model, albo efekt (teoria) Ogstona):
substrat przyłącza się do powierzchni enzymu w trzech punktach; położenie
cząsteczki substratu wobec enzymu jest jednoznacznie określone, a reakcja
zachodzi tylko w jednym z trzech punktów przyłączenia; wyjaśnia swoistość
przestrzenną enzymów.
Niektóre enzymy wykazują dużą swoistość w stosunku do substratu. Ich działanie jest
często ograniczone tylko do pewnych izomerów; do takich enzymów należą alfa-
glikozydazy i beta-glikozydazy.
Szybkość reakcji enzymatycznej zależy od stężeń molowych enzymu i substratu. Przy
stałym stężeniu substratu szybkość reakcji jest proporcjonalna do stężenia enzymu.
Przy stałym stężeniu enzymu szybkość reakcji jest proporcjonalna do stężenia
substratu. Przy całkowitym nasyceniu enzymu substratem szybkość reakcji jest
maksymalna.
Pewne substancje mogą hamować reakcje enzymatyczne (inhibitory), inne je
przyśpieszać - aktywatory. Na przykład, dla amylazy ślinowej aktywatorem są jony
Cl -^. Aktywatory sprzyjają uformowaniu właściwej konformacji centrum aktywnego,
czyli działają przez efekty allosteryczne. Inhibitorem dla enzymów oddechowych są
cyjanki, wykazujące powinowactwo do układu żelazowo-porfirynowego.
O ilości enzymu sadzi się na podstawie przemian szybkości katalizowanej przez niego
reakcji. Jednostką standardową enzymu stanowi ta jego ilość, która katalizuje
przemianę 1 uM substratu w ciągu l minuty, w temperaturze 30°C, w optymalnym pH
i stężeniu substratu.
Zdolność katalityczną enzymu można wyrazić liczbą obrotów, tzn. liczbą cząsteczek
substratu przekształconych w ciągu 1 minuty przez centrum aktywne.
Szybkość reakcji enzymatycznej wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, jednakże do
pewnej wartości maksymalnej. Maximum to przypada zazwyczaj na 40-50°C.
Aktywność katalityczna enzymów zależy od kwasowości, czyli stężenia jonów
wodorowych w środowisku. W katalizie enzymatycznej uczestniczą grupy funkcyjne
będące w formie jonowej lub niejonowej. W środowisku o wysokim stężeniu jonów
wodorowych grupy aminowe są uprotonowane -NH 3 +, natomiast grupy karboksylowe
istnieją w formie niezjonizowanej - COOH. Enzym wówczas nie jest aktywny. Gdy
stężenie jonów wodorowych sprzyja dysocjacji grup karboksylowych dochodzi do
aktywacji enzymu. Zwiększanie pH przyśpiesza pracę enzymu, ale do pewnego
maximum (optimum pH). Dalsze zwiększenie pH powoduje oddysocjowanie jonów
wodorowych od grup NH 3 +. Na przykład pepsyna jest aktywna przy pH niskim 1,5-2,
a lipaza przy pH około 6.
Enzymy dzielimy na 6 klas:
I Oksydoreduktazy - katalizują procesy oksydo-redukcyjne (przenoszenie elektronów
i protonów na różne akceptory, np. NAD +, NADP +, flawoproteidy).
II Transferazy - katalizują reakcje przenoszenia grup funkcyjnych z cząsteczki donora
do cząsteczki akceptora, np. metylowej -CH 3 (transmetylazy), aminowej -NH 2
(transaminazy), acylowych R-CO-(transacylazy).
III Hydrolazy - katalizują rozpad cząsteczek złożonych na prostsze przy udziale H2O;
innymi słowy katalizują przenoszenie grypy funkcyjnej z cząsteczki donora do
cząsteczki wody; w ten sposób dochodzi do hydrolizy wiązań estrowych (esterazy),
eterowych, glikozydowych (glikozydazy), amidowych (amidazy).
IV Liazy - katalizują reakcję addycji wody, amoniaku lub CO 2 do wiązań podwójnych;
katalizują również reakcje odwrotne.
V Izomerazy - przebudowują strukturę cząsteczki bez jej rozkładu; katalizują więc
wewnątrzcząsteczkowe przegrupowanie atomów, czyli izomerię (izomerazy cis, trans).
VI Ligazy - katalizują reakcje łączenia dwóch substratów, w wyniku czego powstają
wiązania C-O, C-S, C-N, C-C. Są to reakcje wymagające nakładu energii ze związków
wysokoenergetycznych, np. ATP, GTP.
Oksydazy fenolowe to miedzioproteiny przenoszące wodór z substratu na tlen, w
wyniku czego obok głównego produktu powstaje woda. Zmienia się przy tym stopień
utlenienia miedzi w enzymie:
2 Cu +^ + 2 H +^ + 1/2 O 2 ---> H 2 O + 2 Cu2+
Utleniają więc fenole do difenoli, a te z kolei do ciemniejących chinonów (o-difenol
do o-dichinonu). Wywołują ciemnienie tkanek roślin uszkodzonych, do których
dociera tlen i światło. U człowieka enzym z tej grupy - tyrozynaza (fenolaza)
katalizuje przemianę DOPA (3,4-dioksyfenyloalaniny) w kierunku indochinonów i
brunatno-czarnej melaniny.
Kwas askorbinowy przeobraża chinon w orto-difenol (reakcja odwrotna) z
wytworzeniem kwasu dehydroaskorbinowego. W ustroju człowieka kwas askorbinowy
bierze udział w hydroksylacji związków aromatycznych, w utlenieniu fenylolalaniny
do p-hydroksyfenylopirogronianu oraz w przemianie kwasu foliowego do folinowego.
Peroksydazy i katalazy
Peroksydazy to hemoproteinowe enzymy oksydoredukcyjne, które przy pomocy
nadtlenku wodoru H 2 O 2 utleniają różne substraty. Występują m.in. w tarczycy i
granulocytach.
W tarczycy (cytoplazma komórek pęcherzyków) peroksydaza utlenia jony jodu do
jodu pierwiastkowego (2 I ---> I 2 + 2 e). Jod pierwiastkowy przenika do koloidu, gdzie
wiąże się z grupami tyrozynowymi zgromadzonej tam tyreoglobuliny.
Natomiast katalazy to hemproteinowe enzymy oksydoredukcyjne, katalizujące rozkład
nadtlenku wodoru do wody i tlenu:
H 2 O 2 + H 2 O 2 ---> 2 H 2 O + O 2
Zapobiegają więc gromadzeniu się toksycznych nadtlenków. Występuje w erytrocytach
oraz w hepatocytach (organelle peroksysomy). W wątrobie nadtlenek wodoru powstaje
w trakcie utleniania kwasu moczowego i D-aminokwasów.
- Równanie reakcji enzymatycznej i rola enzymów : E+S _____ES -----E+P (przy ___są k i k2, przy ---- k3 ), gdzie k1 k2 k3 to prędkości reakcji ( P- produkt) .Przy udziale enzymów zachodzą procesy chem.; przyspieszają reakcje. 10 okstdoreduktazy – przenoszą elektrony i wodory z substratu na jakiś akceptor; 20 transferazy – przenoszą z jednego związku na drugi określoną grupę chem. 30 hydrolazy – rozkładają substrat na drobne hydrolizy (tu należą enzymy rozszczepiające białka – proteazy, celulozę – celuloza, sacharozę – inwertaza ) 40
do wartości charakterystycznej dla produktów). Stan, w którym następuje osiągnięcie wartości energii potencjalnej charakterystycznej dla produktów (po przegrupowaniu atomów) a kompleks aktywny jeszcze się nie rozpadł, nazywamy stanem przejściowym reakcji. Pod wpływem niewielkiego bodźca, następuje "rozpad" kompleksu aktywnego i utworzenie właściwych produktów. Mechanizm kinetyczny reakcji, opisany tutaj, jest właściwy dla wszystkich reakcji. Katalizatory mogą przyspieszać osiągnięcie stanu równowagi (nie zmieniają wartości stałej równowagi reakcji) poprzez m.in. stabilizację kompleksu aktywnego a także poprzez zmianę mechanizmu reakcji. Tak działają wszystkie katalizatory, w tym i enzymy. Wartość bariery aktywacji (energii aktywacji) jest zdeterminowana rodzajem reakcji (ułożenie atomów i ich rodzaj w kompleksie aktywnym) i nie może być obniżana przez katalizator. Energia aktywacji jest funkcją parametrów intensywnych układu (temperatury, ciśnienia, objętości - tj. parametrów niezależnych od masy układu), stąd podwyższenie temperatury, czy ciśnienia spowoduje przyspieszenie szybkości reakcji. W stałej temperaturze (T=const), ciśnieniu (p=const) i objętości (V=const) katalizatory nie powinny działać! W celu zdemaskowania twierdzenia, że enzymy obniżają energię aktywacji warto przeprowadzić proste doświadczenie:
- Wziąć probówkę, wlać do niej skrobię i roztwór jodu (0,5% roztwór jodu przygotowany poprzez rozpuszczenie jodu w stężonym roztworze jodku potasu). Jak wiadomo, skrobia z jodem tworzy granatowy kompleks. Zmiany barwy roztworu w czasie reakcji pozwolą na obserwowanie "gołym okiem" postępu reakcji.
2.Do probówki dodać śliny (amylazy) lub handlowych preparatów amylaz. Amylazy powodują upłynnienie skrobi i jej rozkład. Najpierw, w miarę ubywania skrobi, roztwór zmienia kolor na bardziej fioletowy (amylodekstryny), potem na czerwony (erytrodekstryny), pomarańczowy (achrodekstryny). W momencie, gdy cała skrobia zostanie rozłożona, roztwór odbarwia się. Probówkę należy umieścić na statywie (próbka kontrolna).
- Do drugiej probówki dodać te same składniki, umieścić w autoklawie (czas eksperymentu nie pozwala na osiągnięcie stanu równowagi), który będzie symulował zmienne warunki ciśnienia i temperatury (temperatura niezbyt wysoka ~ ok.320K)
- Trzecią probówkę, z tymi samymi składnikami, należy umieścić w termostacie (T=const). Stałą objętość roztworu zapewniają ścianki probówki (warunki izochoryczne, przy zaniedbaniu parowania), natomiast brak korka w probówce (kontakt z atmosferą) gwarantuje warunki izobaryczne. Zmianę barwy kontrolować, co pięć minut, przez godzinę. W warunkach izobaryczno- izochoryczno-izotermicznych (w przybliżeniu) energia aktywacji jest dla danej reakcji stała.
Co ciekawe, odbarwienie roztworu zajdzie we wszystkich trzech probówkach. Oznacza to, że działanie enzymów (wszystkich katalizatorów) nie wiąże się ze obniżeniem energii aktywacji, bo w trzeciej probówce dla reakcji rozkładu skrobi, bariera aktywacji została ustalona na stałym poziomie (energia potencjalna układu substratów nie mogła się podnieść poprzez wzrost temperatury, ciśnienia, czy zmniejszenie objętości). Każdy katalizator zmienia mechanizm reakcji. Nowa reakcja (z katalizatorem) może mieć większą barierę aktywacji (kataliza ujemna lub inhibicja) lub mniejszą (kataliza dodatnia) od reakcji wyjściowej. Czasami wartość bariery jest identyczna a jednak reakcja wymaga obecności dodatkowego substratu (słynne ciała "M").
Mechanizm reakcji niekatalizowanej
A + B ↔ [AB]# → Pp → Produkt gdzie A, B to substraty, [AB]# kompleks aktywny, Pp produkt przejściowy
Mechanizm reakcji katalizowanej
A + kat ↔ [A-kat]
[A-kat] + B ↔ [A-kat-B]#
[A-kat-B]# → Pp → Produkt + kat, gdzie kat- katalizator, [A-kat-B]# - kompleks aktywny
Enzymy są niczym więcej, jak tylko katalizatorami, białkowymi katalizatorami. Wykazują, więc mechanizm działania taki sam, jak wszelkie inne katalizatory. Przykład: Najpierw substrat, np. mocznik zbliża się do centrum aktywnego enzymu ureazy. Centrum aktywne stanowi miejsce, które wiąże substraty i jest odpowiedzialne za przebieg reakcji katalitycznej. Enzym łączy się tylko z substratem o odpowiedniej konformacji przestrzennej (analogia „klucz pasuje tylko do odpowiedniego zamka”), wskutek tego tworzy się, znany z lekcji biologii kompleks ES (enzym substrat), odpowiada on w przybliżeniu kompleksowi aktywnemu i stanowi przejściowemu reakcji (kinetyka chemiczna). Kompleks ten rozpada się na enzym i produkt (ditlenek węgla i amoniak). Często, w zapisie sumarycznej reakcji, nie uwzględnia się roli enzymu. Warto jednak pamiętać, że stanowi on substrat reakcji! Reakcja katalityczna ma, zatem inny mechanizm, niż reakcja przebiegająca bez udziału enzymu. Działanie enzymu nie wiąże się, więc w żaden sposób z rzekomym obniżeniem energii aktywacji. Pomimo, że na kierunkach przyrodniczych często nie prowadzi się zajęć z chemii fizycznej, lub chociaż biofizyki (względnie kończą się zaliczeniem na ocenę), to w najnowszych podręcznikach biochemii nie spotyka się już raczej twierdzeń o obniżaniu energii aktywacji przez enzymy.
Przykład:
mocznik + ureaza → kompleks ES powstaje kompleks enzym-substrat (ureaza-mocznik)
ES → amoniak + ditlenek węgla + ureaza
[edytuj] Budowa i działanie
Jeżeli enzym jest białkiem złożonym, to składa się z:
- części białkowej nazywanej apoenzymem
- części niebiałkowej nazywanej koenzymem lub grupą prostetyczną enzymu (w zależności od rodzaju wiązania łączącego ją z apoenzymem). Grupa prostetyczna jest trwale związana z enzymem.
Enzym składający się z obu wymienionych części określany jest mianem holoenzymu. (apoenzym + koenzym = holoenzym lub apoferment+koferment=holoferment)
[edytuj] Specyficzność
Działanie enzymów charakteryzuje się specyficznością - katalizuje tylko określony substrat lub określony typ reakcji chemicznej.
[edytuj] Model "klucza i zamka"
W 1894 roku Emil Fischer zasugerował, że zarówno miejsce aktywne enzymu jak i substrat posiadają specyficzne, komplementarne względem siebie kształty. Model ten często przyrównuje się do "klucza i zamka". Enzym łączy się z substratem tworząc nietrwały kompleks enzym-substrat. Model ten tłumaczy specyficzność enzymu względem substratu, jednak nie wyjaśnia w jaki sposób stabilizowany jest stan przejściowy.
[edytuj] Model indukowanego dopasowania
W 1958 roku Daniel Koshland zmodyfikował model "klucza i zamka". Enzymy są strukturami giętkimi, w związku z czym możliwa jest modyfikacja kształtu enzymu w wyniku interakcji z substratem. Łańcuchy boczne aminokwasów tworzące miejsce aktywne enzymu mogą przemieszczać się w jego obrębie dopasowując się do kształtu specyficznego subtratu. W przeciwieństwie do modelu "klucza i zamka", ten model wyjaśnia specyficzność enzymów oraz sposób stabilizacji stanu przejściowego.
