Enzymy katalizatory biologiczne
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
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
ROLA ENZMÓW Zwiększenie lokalnego stężenia substratów Tworzenie kompleksów multienzymatycznych Zabezpieczenie odpowiedniej orientacji przestrzennej substratom Stabilizacja stanów przejściowych, czyli obniżenie energii swobodnej aktywacji
Rys. obniżenie energii aktywacji
Rys porównania szybkości zdarzeń
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
Struktura enzymu na przykładzie plastocyjaniny Jon miedzi związany koordynacyjnie poprzez atomy azotu
lizozym
Zamek-klucz
Inhibicja emzymatyczna
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.
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
Oznaczanie enzymów (na przykładzie dehydrogenazy alkoholowej: 1.1.1.1 i lipazy: 3.1.1.3.) 1.1.1.1. 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
3.1.1.3. 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
Rola enzymu obniżenie energii aktywacji i przyspieszenie procesu biochemicznego H 2 O + CO 2 HCO 3 - + H + 10 5 cząsteczek CO 2 / s (10 7 razy szybciej niż reakcja nie katalizowana)
Właściwości enzymu Enzym obniża energię aktywacji reakcji i zwiększa jej prędkość: np. reakcja H 2 O + CO 2 HCO 3 - + 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.
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.
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).
Sprzężenie zwrotne: inhibicja pierwszego enzymu w szlaku metabolicznym przez odwracalne wiązanie produktu końcowego
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.
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).
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).
Kinetyka reakcji enzymatycznych Równanie Michaelisa - Menten E S k1 k2 ES k3 E P V k3 ES
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
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
Zależność początkowej szybkości reakcji enzymatycznej od stężenia substratu
Równanie Lineweavera Burke a Wyznaczanie stałych K M i V
Wartości K M niektórych enzymów enzym substrat K M (μm) β-galaktozydaza laktoza 4000 anhydraza węglanowa CO 2 8000 karboksylaza pirogronianowa pirogronian HCO 3 - ATP 400 1000 60 syntetaza arginylo-trna arginina trna 3 0.4 L.Streyer, Biochemia, PWN Warszawa, 2000.