Enzymy katalizatory biologiczne

Transkrypt

1 Enzymy katalizatory biologiczne

2 Kataliza zjawisko polegające na obniżeniu energii aktywacji reakcji i zwiększeniu szybkości reakcji chemicznej i/lub skierowaniu reakcji na jedną z termodynamicznie możliwych dróg prowadzące do różnych produktów, w obecności niewielkich ilości substancji zwanych katalizatorami. KATALIZA heterogeniczna homogeniczna enzymatyczna Katalizator substancja obniżająca energię aktywacji reakcji, oddziaływuje chemicznie z substratami reakcji, tworzy nietrwałe połączenia przejściowe, nie jest zużywana w reakcji i nie występuje w równaniu stechiometrycznym

3 Enzymy- wielkocząsteczkowe, w większości białkowe, biokatalizatory przyspieszające specyficzne reakcje chemiczne Enzymy nie zmieniają końcowego składu mieszaniny reagującej ani stałej równowagi Jedynie przyspieszają osiągnięcie stałej równowagi w reakcjach termodynamicznie możliwych H 2 O 2 +H 2 O 2 katalaza O 2 + 2H 2 O

4 ROLA ENZMÓW Zwiększenie lokalnego stężenia substratów Tworzenie kompleksów multienzymatycznych Zabezpieczenie odpowiedniej orientacji przestrzennej substratom Stabilizacja stanów przejściowych, czyli obniżenie energii swobodnej aktywacji

5 Rys. obniżenie energii aktywacji

6 Rys porównania szybkości zdarzeń

7 Budowa enzymu jon metalu białko apoenzym kofaktor koenzym Jony metali Zn 2+ - anhydraza węglanowa Mg 2+ - fosfatazy Mn 2+ - fosfotransferazy Cu +/2+, Mo 2+ - oksydoreduktazy Fe 2+/3+, Ca 2+ - amylazy Koenzymy alifatyczne - glutation aromatyczne - ubichinony heterocykliczne - pochodne witaminy B 1 nukleotydy i nukleozydy - NAD +, NADP + żelazowo-porfirynowe cytochromy

8 Struktura enzymu na przykładzie plastocyjaniny Jon miedzi związany koordynacyjnie poprzez atomy azotu

9 lizozym

10

11 Zamek-klucz

12

13

14

15

16

17

18 Inhibicja emzymatyczna

19

20

21

22

23 Rodzaje inhibicji enzymów kompetycyjna inhibitor reaguje z wolną formą enzymu, w wyniku czego nie jest możliwe przyłączenie substratu do enzymu związanego z inhibitorem (rys. a), niekompetycyjna inhibitor reaguje z kompleksem enzym-substrat (ES), zmieniając jego aktywność, ale nie zmieniając powinowactwa enzymu do substratu (rys. b), mieszana (połączona kompetycyjna i niekompetycyjna) inhibitor może wiązać się zarówno z wolnym enzymem, jak i z kompleksem ES (rys. c). a) b) c) W.Bednarski, J.Fiedurek, Podstawy biotechnologii przemysłowej, WNT, Warszawa, 2007.

24

25

26 Klasyfikacja enzymów 1. OKSYDOREDUKTAZY - reakcje red-ox 2. TRANSFERAZY - przenoszenie grup funkcyjnych 3. HYDROLAZY - reakcje hydrolizy 4. LIAZY - przyłączanie do podwójnych wiązań 5. IZOMERAZY - reakcje izomeryzacji 6. LIGAZY (SYNTETAZY)- tworzenie wiązań z równoczesnym oderwaniem grup fosforanowych z ATP

27 Oznaczanie enzymów (na przykładzie dehydrogenazy alkoholowej: i lipazy: ) Dehydrogenaza alkoholowa (nazwa potoczna) Oksydoreduktaza alkoholu:nad + (nazwa systematyczna) 1. (pierwsza cyfra) oznacza oksydoreduktazę 1. (druga cyfra) oznacza enzym działający na ugrupowanie CH-OH 1. (trzecia cyfra) oznacza, że przenośnikiem elektronów jest NAD + : CH 3 CH 2 OH + NAD + CH 3 CHO + NADH + H + 1. (czwarta cyfra) oznacza pierwszy enzym w tej grupie

28 Lipaza 3. (pierwsza cyfra) - oznacza hydrolazę 1. (druga cyfra) - oznacza, że enzym działa na wiązanie estrowe, czyli katalizuje hydrolizę tłuszczów, podczas której tworzą się kwasy tłuszczowe 1. (trzecia cyfra) - oznacza, że enzym działa na estry kwasów karboksylowych 3. (czwarta cyfra) - oznacza trzeci enzym w tej grupie

29 Rola enzymu obniżenie energii aktywacji i przyspieszenie procesu biochemicznego H 2 O + CO 2 HCO H cząsteczek CO 2 / s (10 7 razy szybciej niż reakcja nie katalizowana)

30 Właściwości enzymu Enzym obniża energię aktywacji reakcji i zwiększa jej prędkość: np. reakcja H 2 O + CO 2 HCO H + katalizowana przez karboksylazę zachodzi z prędkością 10 5 cząsteczek / sek, czyli 10 7 razy szybciej niż reakcja nie katalizowana. Enzymy charakteryzują się wysoką specyficznością względem substratu (czasami absolutną) i względem katalizowanej reakcji chemicznej. Reakcja katalizowana zachodzi w miejscu zwanym miejscem aktywnym enzymu czyli w obszarze, który wiąże substrat. Oddziaływanie enzymu i substratu sprzyja tworzeniu stanu przejściowego o obniżonej energii swobodnej.

31 Ogólna charakterystyka miejsca aktywnego enzymu miejsce aktywne to szczelina lub zagłębienie utworzone przez grupy pochodzące z różnych części łańcucha aminokwasowego, miejsce aktywne zajmuje stosunkowo małą część całkowitej objętości cząsteczki enzymu, wiązanie substratu z enzymem zachodzi dzięki wielu słabym oddziaływaniom takim jak wiązanie elektrostatyczne, wodorowe, siły van der Waalsa, interakcje hydrofobowe, specyficzność wiązania zależy od precyzyjnego, określonego ułożenia atomów w miejscu aktywnym - substrat musi mieć odpowiedni kształt, pasujący do miejsca aktywnego: model klucza i zamka, model indukowanego dopasowania enzymu z substratem.

32 Wielopoziomowa regulacja działania enzymów regulacja ekspresji genu kodującego dany enzym, kontrola aktywności enzymatycznej poprzez umiejscowienie grup współpracujących ze sobą enzymów w określonych miejscach komórki, regulacja zmiany aktywności enzymu przez pewne cząsteczki, (cząsteczka inna niż substrat wiąże się w specjalnym miejscu regulatorowym, odmiennym od miejsca aktywnego, zmieniając szybkość przekształcania substratu w produkt).

33 Sprzężenie zwrotne: inhibicja pierwszego enzymu w szlaku metabolicznym przez odwracalne wiązanie produktu końcowego

34 Schemat allosterycznych oddziaływań między enzymem i substratem Przyłączenie cząsteczki w jednym miejscu enzymu prowadzi do zmian konformacyjnych przenoszonych w odległe miejsca cząsteczki enzymu. Konformacje te różnią się aktywnością.

35 Funkcje enzymu stwarzają odpowiednie warunki reakcji: wiążą w sposób specyficzny substraty, zwiększają ich lokalne stężenie, zabezpieczają ich odpowiednią orientację, tworzą kompleksy multienzymatyczne, przyspieszają reakcje stabilizując stany przejściowe przez obniżenie energii swobodnej aktywacji, enzymy allosteryczne biorą udział w przekazywaniu informacji i pełnią funkcje regulatorowe, przekształcają jeden rodzaj energii w drugi (np.atpaza).

36 Zastosowanie enzymów syntezy antybiotyków, leków steroidowych, aminokwasów, biotransformacje: przemysł spożywczy (procesy fermentacyjne), przemysł chemiczny, przemysł włókienniczy (półprodukty do produkcji tworzyw sztucznych), analityka medyczna, rolnictwo (pasze, środki ochrony roślin).

37 Kinetyka reakcji enzymatycznych Równanie Michaelisa - Menten E S k1 k2 ES k3 E P V k3 ES

38 W stanie równowagi: E S k k ES k1 2 3 k k ES 1 E S k 2 3 k 2 k k 1 3 K M ES E S 1 K M

39 Gdy [E]<< [S] to [S]=[S] całk i [E]=[E] całk [ES] ES S E ES 1 k M ES E calk calk S S K M V k 3 E calk S S K M dla [S] << K M V V max K M S dla [S] >> K M V=V max

40

41

42 Zależność początkowej szybkości reakcji enzymatycznej od stężenia substratu

43

44

45 Równanie Lineweavera Burke a Wyznaczanie stałych K M i V

46 Wartości K M niektórych enzymów enzym substrat K M (μm) β-galaktozydaza laktoza 4000 anhydraza węglanowa CO karboksylaza pirogronianowa pirogronian HCO 3 - ATP syntetaza arginylo-trna arginina trna L.Streyer, Biochemia, PWN Warszawa, 2000.

47

48

49

50