Pobierz Klasy enzymów, kinetyka i inhibicja reakcji enzymatycznych, regulacja aktywności enzymatycznej i więcej Prezentacje w PDF z Inżynieria biochemiczna tylko na Docsity! Enzymy Ogólne właściwości Kinetyka i inhibicja reakcji enzymatycznych Regulacja aktywności enzymatycznej Enzymy jako biokatalizatory głównie białka (także RNA – rybozymy, DNA – DNA-zymy) wytwarzane tylko przez żywe komórki (ale mogą działać pozakomórkowo) przyspieszają reakcje biochemiczne, aby zachodziły z dostateczną wydajnością (106-1011 razy) – wysoka efektywność nie zużywają się, nie zmieniają się trwale podczas reakcji działają selektywnie → regulują procesy metaboliczne – wspomagają utrzymanie homeostazy Nazewnictwo enzymów hydrolaza acetylocholiny przyrostek -aza substrat/y katalizowana reakcja oksydoreduktaza alkohol:NAD Nazewnictwo enzymów Numer EC numer przypisany każdemu enzymowi wg zasad klasyfikacji opracowanej przez Komitet Nazewnictwa Międzynarodowej Unii Biochemii i Biologii Molekularnej (ang. International Union of Biochemistry and Molecular Biology, IUBMB), 1984 Enzyme Commission (Komisja Enzymatyczna) lub Enzyme Catalogue XX.XX.XX.XX klasa . podklasa . podpodklasa . nr w podpodklasie 2.6.1.1 2. -. -.- Transferazy 2. 6. -.- Przenoszące grupy azotowe 2. 6. 1.- Transaminazy (aminotransferases) 2.6.1.1 Transaminaza asparaginianowa Klasyfikacja enzymów ze względu na rodzaj katalizowanej reakcji EC 1- Oksydoreduktazy przenoszą ładunki (elektrony i jony H 3 O+ - protony) z cząsteczki substratu na cząsteczkę akceptora (dehydrogenazy, oksydazy) EC 2 – Transferazy przenoszą daną grupę funkcyjną (tiolową, aminową, itp.) z cząsteczki jednej substancji na cząsteczkę innej substancji (transaminazy, kinazy) EC 3 – Hydrolazy powodują rozpad substratu pod wpływem wody (hydroliza) rozczepienie wiązań C-C, C-O, C-N, innych EC 4 – Liazy powodują rozpad substratu bez hydrolizy rozszczepienie wiązań (C-C, C-O, C-N,inne) przez eliminację atomu i wytworzenie wiązania podwójnego) EC 5 – Izomerazy zmieniają wzajemne położenie grup chemicznych bez rozkładu szkieletu związku (geometryczne zmiany w obrębie cząteczki) EC 6 – Ligazy (syntetazy) powodują syntezę (połączenie) różnych cząsteczek; powstają wiązania chemiczne przy udziale energii z ATP Budowa enzymu metalo-β-laktamaza, MβL (model wstęgowy) centrum aktywne = miejsce wiązania + miejsce katalityczne miejsce wiązania substratu miejsce katalityczne (grupa czynna) Specyficzność enzymów Specyficzność substratowa określa, jaki rodzaj substratu ulega przemianie przy udziale danego enzymu zależy od budowy miejsca wiązania Specyficzność działania katalizowanie reakcji tylko jednego typu katalizowanie tylko jednego z wielu możliwych przekształceń danej substancji (cz. białkowa enzymu) zależna od budowy centrum katalitycznego enzym i jego substrat są do siebie geometrycznie dopasowane w taki sposób, że idealnie pasują do siebie jak klucz i zamek model wyjaśnia specyficzność enzymów nie wyjaśnia, w jaki sposób stabilizowany jest stan przejściowy podczas reakcji enzymatycznej Model "klucza i zamka" (Emil Fisher, 1894) NO + NO; —> 2N
ZE
Effective
Teoria kinetyczna – teoria zderzeń 1. reakcja może zajść tylko wtedy, gdy reagujące cząsteczki się zderzają 2. dla każdej reakcji istnieje bariera energetyczna, która musi być przekroczona, aby zaszła reakcja 3. reagujące cząsteczki muszą mieć dostateczną ilość energii, aby przekroczyć tę barierę Wszystko, co zwiększa energię lub częstość zderzeń substratów, zwiększa szybkość reakcji. Enzymy jako biokatalizatory Enzymy zmieniają szybkość reakcji poprzez: • lokalne zwiększanie stężenia substratu i utrzymania substratów w konformacji, która sprzyja specyficznym reakcjom chemicznym • dostarczenie reszt aminokwasowych, których grupy funkcyjne odgrywają specyficzną rolę w katalizie • obniżenie energii aktywacji dla tworzenia stanów przejściowych Kinetyka reakcji enzymatcznej opisuje mechanizmy wiązania substratów przez enzymy oraz ich przekształcania w produkty kinetyka Michaelisa-Menten - dwuetapowy przebieg reakcji katalizowanej przez enzymy substraty wiążą się odwracalnie z enzymem, tworząc ze stałą szybkości k1, kompleks enzym-substrat (ES) kompleks ES może się rozpaść na dwa różne sposoby. Może dysocjować do E i S ze stałą szybkości k-1 lub może dojść do chemicznej zmiany substratów i uwolnienia produktów ze stałą szybkości k2, przy czym zakłada się, że produkt reakcji nie może ulec powrotnemu przekształceniu w wyjściowy substrat. Szybkść reakcji
0.35
0.30
0.25 1
0.20
0.15 7
0.10
0.05 1
0.00
Model Michaelisa-Menten
l
I
I
| V max * [S]
I KNNEE
Km K T [S]
I
I
|
1000 2000 3000 4000
Stężenie substratu
Czynniki wpływające na szybkość reakcji enzymatycznych zwiększają energię kinetyczna reagujących cząsteczek obniżają barierę energetyczną zwiększają częstość zderzeń stężenie substratu stężenie produktu stężenie enzymu temperatura pH obecność inhibitorów i aktywatorów Wpływ pH na szybkość reakcji enzymatycznej optymalne wartości zwykle w przedziale 5,0 – 9,0 zmiana ładunków elektrycznych grup dysocjujących lub zwiększenie/zmniejszenie liczby wiązań jonowych wewnąrz- i międzyłańcuchowych → zmiana układ łańcucha zmiana ładunków elektrycznych w cząsteczkach substratów denaturacja białka enzymatycznego przy dużych i małych wartościach pH kwasica, zasadowica – zmiana aktywności enzymów organizmu Inhibicja Inhibicja odwracalna: kompetycyjna niekompetycyjna akompetycyjna Inhibicja nieodwracalna - cząsteczki inhibitora wiążą się z enzymem trwale (np. kowalencyjnie), co doprowadza do sytuacji zablokowania aktywności danej cząsteczki enzymu na stałe Zjawisko hamowania aktywności enzymów przez różnego rodzaju związki (inhibitory) Mechanizm kontrolny dla procesów fizjologicznych! Inhibicja kompetycyjna (współzawodnicząca)
Substrat
Miejsce
aktywne
Enzym
Enzym wiąże się
z substratem
Inhibitor
Miejsce
aktywne
>
Enzym
Enzym wiąże się
z inhibitorem
zg
e»
Enzym uwalnia produkty
<AD
e»
Inhibitor blokuje miejsce aktywne
uniemożliwiając wiązanie substratu
Inhibicja kompetycyjna (współzawodnicząca) Glikol etylenowy – składnik płynów niezamarzających do chłodnic silników Etanol inhibitor kompetycyjny dla dehydrogenazy alkoholowej stos. w zatruciach glikolem HO OH ethylene glycol Alcohol dehydrogenase HO O glycoaldehyde O OH HO glycolic acid O OH O glyoxylic acid O OHO HO oxalic acid Inhibicja niekompetycyjna
Enzym wiąże się
Substrat z substratem Enzym uwalnia W
produkty
3 Miejsce g
aktywne
Enzym 46 -
Enzym wiąże się
z inhibitorem
Substrat
Miejsce E7> Niezależnie od
aktywne kolejności
wiązania substratu
i inhibitora,
a m w
powstaje
Enzym nieaktywny
y Gy w kompleks 4
enzym - inhibitor -
substrat
enzymatyczny:
mnistor_BRE]
Enzym wiąże się
z substratem
Inhibicja niekompetycyjna inhibitor wiąże się do wolnego enzymu, jednak nigdy do jego miejsca aktywnego → brak konkurencji z substratem kompleksy enzym-inhibitor (EI) i enzym-inhibitor-substrat (EIS) są enzymatycznie nieaktywne wiązanie inhibitora całkowicie niezależne od substratu → wartość Km ł pozostaje stała, wartość Vmax maleje 1/v0 1/Vmax -1/KM 1/[S] Kompartmentacja fizyczne rozdzielenie przeciwstawnych szlaków metabolicznych w obrębie komórki: biosyteza kw. tłuszczowych – cytozol utlenianie kw. tłuszczowych – mitochodrium w organizmie: niektóre szlaki tylko w wyspecjalizowanych typach komórek kompartmentacja chemiczna przeciwstawne szlaki biegną poprzez inne metabolity pośrednie – rozdzielenie molekuł przeznaczonych do szlaku katabolicznego i anabolicznego Regulacja przez sprzężenie zwrotne produkt hamuje proces enzymatyczny, w którym powstał zwykle dotyczy szlaków syntezy (etapu imitującego) hamowany jest początkowy etap syntezy inhibitor: ostatnia mała cząsteczka przed utworzeniem związku wielkocząsteczkowego Hamowanie przez sprzężenie zwrotne produkt powoduje represję genu kodującego dany enzym nie wpływa na jego aktywność katalityczną, ale na jego ilość przykład: cholesterol i reduktaza HMG-CoA Efektory allosteryczne zwykle nie podobne od substratów czy koenzymów danego enzymu łączą się z miejscem allosterycznym („inna przestrzeń”) powodują zmiany konformacyjne w białku enzymatycznym (podjednostki z którą się łączą) → zmiana powinowactwa innych podjednostek do substratu enzymy allosteryczne nie dają się opisać kinetyką M-M → krzywa sigmoidalna Modyfikacje kowalencyjne odwracalne zmiany struktury cząsteczki enzymu przebiega po zakończeniu translacji modyfikacje kowalencyjne - dodawanie dodatkowych grup funkcyjnych: fosforylacja glikozylacja ADP-rybozylacja metylacja zmiana właściwości funkcjonalnych białek (zmiana konfrmacji, ładunku) zmiana sprawności katalitycznej, powinowactwa do substratu, wewnątrzkomórkowej lokalizacji, regulacji przez ligandy allosteryczne w momencie fizjologicznego zapotrzebowania proenzym (zymogen) nieaktywny prekursor enzymu do uaktywnienia wymaga jedno- lub kilkustopniowej proteolizy – powstanie centrum katalitycznego (odcięcie fragmentu, przecięcie łańcucha polipeptydowego → zmiana konformacji) przykłady: pepsynogen (→ pepsyna) trypsynogen (→ trypsyna) proinsulina (→ insulina) prokolagen (→ kolagen) czynniki krzepnięcia i fibrynolizy możliwe szybkie zaktywowanie w momencie zapotrzebowania ochrona tkanek produkujące proenzymy przed samostrawieniem Ograniczona proteoliza - proenzymy Enzymy wielofunkcyjne i kompleksy wieloenzymowe Enzym wielofuncyjny jeden łańcuch polipeptydowy posiadający co najmniej dwie różne aktywności katalityczne i dwa miejsca aktywne Przykład: syntaza kw. tłuszczowych – 3 domeny (1- transferaza acetylowa, syntaza ß- ketoacylowa, transferaza malonylowa; 2- reduktaza ketoacylowa, dehydrataza, reduktaza enoilowa, 3- tioesteraza) Kompleks wieloenzymowy układ kilku białek eznymatycznych o różnych aktywnościach katalitycznych połaczone niekowalencyjnie Przykład: synataza kw. tłuszczowych u E.coli (α6β6) Intemediaty przenoszone bezpośrednio z jednego miejsca aktywnego na drugie bez rozpraszania składników reakcji (reagujące cząsteczki nie ulegają rozcieńczeniu w cytozolu, nie muszą odnajdywać się w przypadkowym procesie dyfuzji) Oddzielenie intermediatów od innych substancji – ochrona przed reakcjami współzaodniczącymi