kompleks enzym

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
Enzymy jako biokatalizatory
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




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
Nazewnictwo enzymów
Nazwy powszechnie używane:

oksydaza ksantynowa – (substrat)

lipaza (gr. lípos – tłuszcz)

rybonukleaza trzustkowa – (źródło)

lipaza wrażliwa na hormon – (regulacja)

proteaza cysteinowa (mech. działania)


pepsyna (gr. pepsis – trawienie) - (funkcja w
organizmie)
lizozym (od lizujących właściwości wobec bakterii)
Nazewnictwo enzymów
hydrolaza acetylocholiny
katalizowana reakcja
przyrostek -aza
oksydoreduktaza alkohol:NAD
substrat/y
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 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 cząteczki)
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
Budowa enzymu
substrat - H2O2
centrum
aktywne
substrat
centrum
aktywne
Centrum aktywne
zgrupowanie wlaściwych reszt aa (często z odległych łańcuchów
polipeptydowych) o odpowiednim ułożeniu przestrzennym
decyduje o właściwościach katalitycznych enzymu
determinuje wysoką sprawność katalityczną
odpowiada za specyficzność reakcji
Budowa enzymu
miejsce
wiązania
substratu
miejsce
katalityczne
(grupa
czynna)
metalo-β-laktamaza, MβL (model wstęgowy)
centrum aktywne = miejsce wiązania + miejsce katalityczne
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" (Emil Fisher, 1894)

enzym i jego substrat są do siebie
geometrycznie dopasowane w taki sposób, że
idealnie pasują do siebie jak klucz i zamek
specyficzność enzymów

model wyjaśnia

nie wyjaśnia, w jaki sposób stabilizowany jest stan
przejściowy podczas reakcji enzymatycznej
Model indukowanego dopasowania
(Daniel Koshland, 1958)

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)
Model "trzypunktowego dołączenia"
(Alexander G. Ogston, 1948)

enzymy reagują z tylko jedną odmianą
stereoizomeryczna danego
substratu

połaczenie enzymu z substratem musi zachodzić co
najmniej w 3 miejscach

nawet symetryczna cząsteczka staję się „asymetryczną” dla
centrum aktywnego – możliwe jest tylko jedno „właściwe”
położenie substratu

STEREOSPECYFICZOŚĆ
NO + NO3
2 NO2
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



Enzymy ustawiają substrat w przestrzeni w sposób najbardziej
sprzyjający zajściu reakcji
Zapewniają ścisłą orientację przestrzenna reagujących cząsteczek
(eliminowana jest przypadkowość sposobu ich zetknięcia)
Zwiększają bliskość substratów i ich lokalne stężenie
Teoria kinetyczna – teoria zderzeń
Enzymy obniżają energię aktywacji i ułatwiają zajście reakcji.
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.
Model Michaelisa-Menten
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 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
Wpływ temperaurty
na szybkość reakcji enzymatycznej

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

gorączka, hipotermia – zmiana aktywności enzymów organizmu
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
Zjawisko hamowania aktywności enzymów przez różnego rodzaju związki (inhibitory)
Mechanizm kontrolny dla procesów fizjologicznych!


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
Inhibicja kompetycyjna (współzawodnicząca)
Inhibicja kompetycyjna (współzawodnicząca)


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
1/v0
1/Vmax
-1/KM
Inhibicja kompetycyjna (współzawodnicząca)

inhibitor jest strukturalnie bardzo podobny do prawdziwego substratu dla
danego enzymu

przykład: metotreksat – inhibitor kompetycyjny reduktazy dihydrofolianu
(dihydrofolian → tetrahydrofolian)
kwas foliowy (koenzym)
metotreksat
Inhibicja kompetycyjna (współzawodnicząca)

Glikol etylenowy – składnik płynów
niezamarzających do chłodnic silników

Etanol

inhibitor kompetycyjny dla
dehydrogenazy alkoholowej

stos. w zatruciach glikolem
A
l
c
o
h
o
l
d
e
h
y
d
r
o
g
e
n
a
s
e
H
O
O
H
O
H
O
H
O
O
O
O
O
H
H
O
O
H
e
t
h
y
l
e
n
e
g
l
y
c
o
l
g
l
y
c
o
a
l
d
e
h
y
d
e
g
l
y
c
o
l
i
c
a
c
i
d
O
g
l
y
o
x
y
l
i
c
a
c
i
d
O
O
H
o
x
a
l
i
c
a
c
i
d
Inhibicja niekompetycyjna
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/KM
1/Vmax
1/[S]
Inhibitory nieodwracalne - „trucizny” enzymów
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
Kontrola (regulacja) aktywności enzymatycznej
Wpływ na ilość:

regulacja syntezy enzymów (indukcja lub represja genu kodującego białko
enzymu) i degradacji (półokres rozpadu białka t ½)
Wpływ na rozmieszczenie przestrzenne:

kompartmentacja
Wpływ na aktywność katalityczną:

przez sprzężenie zwrotne (hamowanie)

przez efektory allosteryczne (enzymy allosteryczne - regulatorowe)

przez zmianę struktury enzymu


odwracalne modyfikacje kowalencyjne (fosforylacja, defosforylacja),

aktywacja proteolityczna (proenzymy = zymogeny)
kompleksy (układy) wieloenzymowe
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
Efektory allosteryczne
inhibitory
aktywatory
Efektory allosteryczne
+ ATP



Karbamoilotransferaza
asparaginianowa (ATCaza)
katalizuje pierwszą reakcje na szlaku
syntezy pirymidyn
złożona z 5 podjednostek – 3
regulatorowe i 2 katalityczne
no effector
- CTP
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
Ograniczona proteoliza - 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
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 ßketoacylowa, 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