Enzymy

Enzymy – wielkocząsteczkowe, w większości białkowe, katalizatory przyspieszające specyficzne reakcje chemiczne poprzez obniżenie ich energii aktywacji.

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 (100000000 -1000000000000 razy) – wysoka efektywność

 nie zużywają się, nie zmieniają się trwale podczas reakcji

 działają selektywnie → regulują procesy metaboliczne – wspomagają utrzymanie homeostazy

 nie zmieniają końcowego składu mieszaniny (odtwarzają się po reakcji)

 nie zmieniają stałej równowagi danej reakcji odwracalnej

 przyspieszają osiągnięcie równowagi w reakcjach termodynamicznie możliwych

 zmieniają mechanizm reakcji – tworzą związki przejściowe

 są nieszkodliwe dla środowiska;

 działają w łagodnych warunkach (pH 5 -8, temperatura 20-40°C);

 są zdolne do katalizowania reakcji z użyciem zarówno substratów naturalnych jak i nienaturalnych in vitro; zarówno w wodzie jak i w rozpuszczalnikach organicznych;

 mogą katalizować szeroki zakres reakcji

Reakcja bez katalizatora: A + B <—-> AB <—-> C + D

Reakcja z katalizatorem: A + B + K<—-> ABK<—-> C +D + K

Klasyfikacja enzymów ze względu na rodzaj katalizowanej reakcji

EC 1- Oksydoreduktazy  przenoszą ładunki (elektrony i jony H3O+ – 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 cząsteczki)

EC 6 – Ligazy (syntetazy)  powodują syntezę (połączenie) różnych cząsteczek; powstają wiązania chemiczne przy udziale energii z ATP

Klasyfikacja enzymów ze względu na budowę chemiczna

enzymy proste

 zbudowane tylko z aminokwasów

 grupa czynna – specyficzne zespoły aminokwasów

 przykłady: proteazy, amylaza, RNaza

enzymy złożone

 złożone z części białkowej (apoenzym) i niebiałkowej (kofaktor) cz. niebiałkowa trwale związana z białkową – grupa prostetyczna

 gr. prostetyczna – integralna część enzymu

 przykłady: katalaza, peroksydaza, oksydaza cytochromowa cz. niebiałkowa luźno związana z białkową – koenzym  obie części dają łatwo się oddzielić

 żadna z nich nie jest czynna katalitycznie

 ponowne połączenie przywraca aktywność

 przykład: dehydrogenazy

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

Model „klucza i zamka” (Fisher)

 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 indukowanego dopasowania (Daniel Koshland)

 pod wpływem przyłączenia substratu enzym przybiera konformację niezbędną do katalizy (jak rękawiczka zakładana na rękę)

 powoduje to zbliżenie i ustawienie w odpowiedniej pozycji substratu i grup czynnych enzymu, a także niekiedy wzrost naprężeń w substracie, co ułatwia rozerwanie określonych wiązań (kataliza przez odkształcanie substratu)

Teoria kinetyczna – teoria zderzeń

Enzymy obniżają energię aktywacji i ułatwiają zajście reakcji.

Stała Michaelisa

Krzywa zawartości enzymu w roztworze przedstawiająca związek pomiędzy stężeniem substratu i szybkości reakcji.

Czynniki wpływające na szybkość reakcji enzymatycznych:

 stężenie substratu

 stężenie produktu

 stężenie enzymu

 temperatura- zwiększenie energii kinetyczne reagujących cząsteczek, zwiększenie ilości cząsteczek o energii wyższej niż bariera energetyczna, zwiększenie częstości zderzeń, wzrost możliwości wytwarzania połączeń, które są mało prawdopodobne w normalnych warunkach, zbyt wysoka temperatura – denaturacja białka enzymatycznego

 pH- 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

 obecność inhibitorów i aktywatorów

Wpływ stężenia substratu na szybkość reakcji enzymatycznej

 zwiększenie liczby cząstek mających dostateczną energię

 zwiększenie prawdopodobieństwa zderzeń ogółem, a przez to zderzeń efektywnych

 wzrost prędkości reakcji mam miejsce do momentu wysycenia wszystkich cząsteczek enzymu

Inhibicja

Inhibicja odwracalna:

kompetycyjna

inhibitor i substrat współzawodniczą o miejsce aktywne cząsteczki enzymu

 związanie przez enzym cząsteczki inhibitora uniemożliwia związanie substratów (i vice versa)  maksymalna szybkość reakcji, Vmax, nie zmienia się

 V max może być osiągnięta poprzez zwiększenie stężenia substratów, które przezwycięży inhibicję

 wraz ze wzrostem stężenia inhibitora rośnie wartość Km

 inhibitor jest strukturalnie bardzo podobny do prawdziwego substratu dla danego enzymu

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

allosteryczna

 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

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!

 inhibitor wiąże się kowalencyjnie (a więc nieodwracalnie) do łańcuchów białkowych enzymu lub tak silnie, że dysocjacja kompleksu EI jest bardzo powolna→ trwałe unieczynnienie enzymu

 chemiczna modyfikacja aminokwasów w enzymie

 nie daje się odwrócić ani przez usuniecie inhibitora ze środowiska, ani przez zwiększenie ilości substratu

 penicylina – inhibitor enzymów zawierających serynę

 aspiryna – inhibitor cyklooksygenazy

 zw. fosforoorganiczne (insektycydy) – inhibitory acetylocholinoesterazy

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

Proenzymy

 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

Źródło: http://biochemia.umed.pl/data/accounts/16fed1c5-1935-4Dfa-896c-2c00900686f4/Studenci/kierunekAnalitykaMedyczna/IIrokBiochemia/Enzymy%20I%202013.pdf