Enzymy (3 XI 2008)
Enzymy - biokatalizatory białkowe
Enzymy:
- Proste- złożone tylko z aminokwasów
- Złożone- holoenzymy:
część białkowa(apoenzym) i część niebiałkowa: koenzym LUB grupa prostetyczna
-w apoenzymie zlokalizowana jest specyficzność enzymu wobec substratu
-enzymy- należą do klasy globulin, posiadają IV-rzędową strukturę
-im wyższa jest struktura enzymu, tym mniej jest on podatny na modyfikację
Biokatalizatory niebiałkowe:
-inne mechanizmy reakcji
-np. rybozymy, deoksyrybozymy( czyli czynne katalitycznie RNA i DNA)
Sztuczne enzymy
-wykazują aktywność podobną do enzymów
-są dużo większe od substratów, lecz tylko kilka aminokwasów jest bezpośrednio zaangażowanych w katalizę (=centrum aktywne)
W centrum aktywnym wyróżniamy 2 miejsca: wiążące substrat i katalityczne; związanie substratu przez enzym umożliwia takie ustawienie przestrzenne substratu, że jego fragment podlegający przekształceniu znajdzie się w obszarze działania miejsca katalitycznego
E + S à KOMPEKS ENZYM SUBSTRAT E-S à E + P
enzymy nie zużywają się w katalizowanej przez siebie reakcji!
Kompleks ten powstaje w centrum aktywnym enzymu:
ü Zajmuje on małą część całej cząsteczki enzymu, nieliczne reszty aminokwasowe wchodzą w kontakt z substratem
ü Jest to układ przestrzenny- aminokwasy tworzące centrum aktywne nie leżą obok siebie, zajmują liniowo odległe miejsca, a dopiero pofałdowanie je zbliża
ü Jest to zagłębienie lub szczelina- niedostępna dla cząsteczek H2O, jeśli nie biorą one udziału w reakcji
ü W tworzeniu kompleksu E-S biorą udział słabe wiązania niekowalencyjne o niskiej energii:
- Hydrofobowe
- Jonowe
- Wodorowe (powst. w wyniku wspólnego użytkowania atomu H przez 2 atomy pierwiastka elektroujemnego; wiązania te mogą być mocne- wtedy gdy donor wodoru, wodór i akceptor układają się liniowo, lub słabe- wtedy atomy te układają się pod kątem)
- Van der Waalsa
ü Swoistość wiązania substratu jest uzależniona od precyzyjnego ułożenia i dopasowania wielu atomów centrum aktywnego i substratu
Centrum aktywne jest budowane przez 4 rodzaje aminokwasów:
1. Aminokwasy kontaktowe:
- Są odpowiedzialne za związanie substratu- określają swoistość
- Pierwszy etap procesu katalizy
- Często są to aminokwasy, które w łańcuchach bocznych mają grupy mogące być donorami lub akceptorami protonów. Są to grupy β-karboksylowe asparaginianu, grupy γ-karboksylowe glutaminianu, grupy ε-aminowe lizyny, atomy azotu w pierścieniu imidazolowym histydyny, grupy –OH treoniny, seryny i tyrozyny, grupy –SH cysteiny, np.grupa –COOH pepsyny i NH2 aminotransferazy
2. Aminokwasy pomocnicze:
- Utrzymują substrat w miejscu aktywnym poprzez w. jonowe
3. Aminokwasy współdziałające
- Stanowią pomost dla aminokwasów kontaktowych i pomocniczych nadając odpowiednią konformację centrum aktywnemu
4. Aminokwasy zbędne
- Np. papaina, enolaza- można je odszczepić nie pozbawiając enzymu jego aktywności
Modele miejsca aktywnego:
ü ZAMEK KLUCZ- sztywny model matrycowy
-ten sam układ przestrzenny, substrat pasuje do enzymu
ü 3-PUNKTOWE POŁĄCZENIE
-do związania substratu są potrzebne 3 miejsca do połączenia z enzymem
ü INDUKCYJNE DOPASOWANIE
-enzymy są „elastyczne”, dopasowują się do substratu, zbliżanie substratu do centrum aktywnego zmienia jego konformację, dopasowuje się podczas oddziaływania z substratem
ü KATALIZY POLIFUNKCYJNEJ
-dla reakcji hydrolizy
-ułożenie grupy elektrofilowej i nukleofilowej centrum aktywnego powoduje przesunięcie elektronu podczas hydrolizy wiązania i jego rozerwania z dołączeniem H+ i OH- z wody
ü PUŁAPKI
-odległość wiązań w centrum aktywnym jest większa niż wiązanie substratów, np. arginaza (argininaà mocznik)
Jak działa enzym?
-zwiększa prawdopodobieństwo zderzeń cząsteczek, ukierunkowuje je na odległość wiązania, nie zmienia położenia równowagi, ale przyspiesza ustalanie się stanu równowagi reakcji
-obniża energię aktywacji
WYKRES!
Enzymy a katalizatory nieorganiczne (platyna, kw.siarkowy stężony, Fe, Mg, tlenek glinu)
ü obniżają energię aktywacji( ale enzymy obniżają ją bardziej)
ü środowisko działania katalizatorów nieorganicznych jest homo- i heterogeniczne, a enzymy działają na granicy środowisk wewnątrz i zewnątrzkomórkowego
ü już nawet bardzo mała ilość enzymu jest w stanie przetwarzać substrat
ü enzymy działają w kompleksach wieloenzymatycznych, a kat.nieorganiczne działają pojedynczo
ü wrażliwość-enzymy to białka, odpowiednie pH, niskie ciśnienie
katalizatory nieorganiczne-wymagają często wysokich temperatur, ciśnień, stężeń H+ i OH-
ü enzymy posiadają większą aktywność molekularną- potrafią zmienić więcej substratu niż e. nieorganiczne(większa liczba obrotów)
ü swoistość- enzym katalizuje jedną reakcję
ü sprawność katalityczna-przyspiesza reakcję ok. 106-1012 razy!
ü Enzym wykazuje specyficzność wobec reakcji i stereospecyficzność do określonej budowy konformacyjnej substratu
Np. Specyficzność może być:
- Absolutna – enzym katalizuje tylko 1 reakcję, np. Katalaza(H2O2àH2O i O2), oksydaza glukozowa, ureaza(mocznikà NH3 i CO2)
- Wysoka, np. fosfataza glukozo-6-fosforanowa(glukozo-6-fosforanàglukoza)
- Mała, np. esteraza (wiązanie estrowe), lipaza (dowolny tłuszcz), peptydaza (dowolne białko), wykazują specyficzność grupową
- Niska, np. oksydaza ksantynowa(hipoksantynaàksantynaàkwas moczowy)
Enzymy wykazują specyficzność:
§ Przestrzenną, np. oksydaza L lub D-aminokwasowa, alfa-glikozydaza,β-glikozydaza
§ Grupową; enzymy działają na grupę wspólna, np. związki posiadające gr. OH
Czynniki wpływające na szybkość reakcji enzymatycznej(SKRYPT)
ü Stężenie substratu, wykres!!
ü Stężenie enzymu
ü Temperatura
ü pH
ü siła jonowa
ü obecność aktywatorów i inhibitorów
Aktywatory (skrypt)
Aktywacja:
ü obecność wolnych grup tiolowych –SH- ujawnia się w warunkach beztlenowych
Katepsyny- autoliza komórek
ü zwiększenie lub zmniejszenie efektywności ekspresji genów- biosynteza enzymów
ü regulacja aktywności enzymatycznej alloster. poprzez efektory
Modyfikacja:
ü zymogenowa- poprzez usunięcie inhibitora maskującego,odcinka prekursorowego, np. pepsynogenàpepsyna, gdzie pepsynogen jest nieczynną forma enzymu, tzw. zymogenem
- prekursorowa forma enzymu, zymogen nie wykazuje aktywności katalitycznej
- przykłady: proteazy: pepsynogen i pepsyna, trypsynogen i trypsyna, chymotrypsynogen i chymotrypsyna
- synteza tych enzymów w postaci nieaktywnej ma na celu ochronę komórek i narządów przed samouszkodzeniem, gdyż enzym nie może pełnić swoich funkcji w komórce syntetyzującej
ü kowalencyjna- poprzez fosforylację i defosforylację, np. kinazy białkowe i fosfatazy białkowe (np. fosforylaza glikogenowa jest aktywna po fosforylacji, a synteza glikogenowa aktywna jest po defosforylacji)
- kinazy białkowe aktywują niektóre nieaktywne białka enzymatyczne
- fosforylacja: źródłem reszt fosforanowych jest ATP, miejscem ich wiązania są grupy –OH seryny, treoniny, tyrozyny
- hydrolityczne odłączenie reszt fosforanowych, czyli defosforylacja przez odpowiednią fosfatazę białkową inaktywuje enzym
Rola metali(ksero!)
-Enzymy działające poza komórką wymagają Ca2+, np. enzymy krzepnięcia krwi
INHIBICJA- hamowanie aktywności enzymów:
ü nieodwracalna- zupełna
ü odwracalna- kompetycyjna i niekompetycyjna
ü mieszana
1. INHIBICJA NIEODWRACALNA
Niespecyficzne inaktywatory powodują denaturację białek poprzez:
- czynniki fizyczne
- pH
- temperaturę
- inne czynniki denaturujące
Przykłady inhibicji nieodwracalnej:
- DIPF- diizopropylofluorofosforan, składnik gazów bojowych, hamuje esterazę acetylocholinową, działa na układ nerwowy, uniemożliwia przekazywanie impulsów nerwowych
- Amid kwasu jodooctowego, modyfikuje –SH reszt cysteinylowych, może być stosowany jako czynnik diagnostyczny
- Penicylina- SUBSTRAT SAMOBÓJCA, modyfikuje centrum aktywne peptydylotrafnsferazy glikoproteidów, potrzebnej do budowy szczelnej ściany komórkowej
- Aspiryna- acetyluje serynę c.a. cyklooksygenazy i wpływa na przemiany kwasu arachidonowego- stan zapalny)
- Eflornityna- śpiączka afrykańska
2. INHIBICJA ODWRACALNA
Inhibicja kompetycyjna:
-inhibitor jest podobny strukturalnie do substratu
-wiąże się z enzymem w jego miejscu aktywnym, co powoduje obniżenie jego powinowactwa do substratu, czyli do wzrostu stałej Michaelisa
- wykres z enzymów(L-W)
- jest 100% odwracalna przez zwiększenie stężenia substratu
-prędkość maksymalna reakcji się nie zmienia, lecz osiąga się ją przy wyższym stężeniu substratu
Przykłady:
- Arsenian- analog fosforanu
...
ludi.lg