1. Kinetyka reakcji enzymatycznej
KINETYKA REAKCJI ENZYMATYCZNEJ
Kinetyka enzymów opisuje mechnizmy wiązania substratów przez enzymy oraz przekształcenia w produkty.
W reakcji katalizowanej enzymatycznie następuje związanie substratu do centrum aktywnego enzymu z utworzeniem przejściowego kompleksu enzym-substrat. W tym czasie dochodzi do naprężenia wiązań w substracie. Substrat zostaje przetworzony, powstaje produkt, natomista cząsteczka enzymu zostaje uwodniona z kompleksu, po czym powraca do postaci pierwotnej, z której gotowa jest do utworzenia kompleksu z kolejną cząsteczką enzymu.
2. Mechanizm działania enzymów
Mechanizm działania enzymów – mechanizm katalizy
Pierwszym etapem katalizy jest wytworzenie kompleksu enzym substrat ES.
W połączeniach substratów z enzymami biorą udział stosunkowo słabe siły ( oddziaływanie elektrostatyczne, wiązania wodorowe, siły Van der Waalsa, oddziaływania hydrofobowe).
Po utworzeniu kompleksu enzym – substrat katalitycznie czynne reszty w obrębie miejsca aktywnego enzymu działają na cząsteczkę substratu tak aby przekształcić go, początkowo w stan przejściowy ( stan przejściowy jest niestabilna formą chemiczną, prowadzącą od substratu do produktu. Stan przejściowy ma największą energię swobodną ze wszystkich związków na drodze reakcji.) a następnie w produkt który zostaje uwolniony do roztworu. Enzym wówczas znów jest wolny i może związać kolejną cząsteczkę substratu i rozpocząć katalizę.
Istnieją dwa modele wyjaśniające jak enzymy mogą wiązać swój substrat.
I. model klucza i zamka
Zaproponowany przez Emilia Fischera z 1894r. Mówi on że kształt miejsca aktywnego wolnego enzymu jest komplementarny do kształtu substratu
schemat modelu klucza
II. model indukowanego dopasowania.
Zaproponowany przez Daniela E. Koshlanda Jr. Mówi on ,że związanie substratu indukuje zmianę konformacyjną w miejscu aktywnym enzymu, pyzatym enzym może zniekształcać substrat wymuszając na nim konformację podobną do stanu przejściowego. Przykładem może być związanie glukozy z heksokinazą.
Schemat modelu indukowanego dopasowania
Model indukowanego dopasowania to samo chyba co model wymuszonego dopasowania podany na wykładzie
(związanie substratu pociąga za sobą zmianę kształtu enzymu. Kształt miejsca aktywnego staje się komplementarny do kształtu substratu.)
Enzymy powodują że zwiększa się ilość „zderzeń”
Kataliza przez zwiększenie liczby efektywnych zderzeń, ułatwia ona orientację przestrzenną substratów.
Schematu nie potrafię wrysować, przerysujcie go odręcznie sobie z zeszytów bo był na wykładzie pokazywany, lub jak ktoś ma zdolności niech go wrysuje w wersje elektroniczną J
Kataliza dzięki polarnym lub niepolarnym właściwością centrum aktywnego
Ze schematem ta sama sprawa
3. Regulacja reakcji enzymatycznej
REGULACJA REAKCJI ENZYMATYCZNEJ:
a) temperatura - wzrost temperatury powoduje wzrost szybkości reakcji enzymatycznych. W temperaturze 37-40'C dochodzi do spadku reakcji enzymatycznej zwiazanej z denaturacją termiczną białka enzymatycznego. Optimum ok. 38'C jest typowe dla większości białek.
b) pH środowiska - jest różne dla różnych enzymów, np kwaśne dla pepsyny, obojętne dla amylazy ślinowej, zasadowe dla trypsyny.
c) stężenie substratu - stężenie enzymu jest stałe a zmienia się tylko stężenie substratu. Szybkość reakcji rośnie wraz ze wzrostem stężenia substratu, osiągając przy pewnym stężeniu maksymalny poziom.
d) inhibitory - hamują bądź spowalniają aktywność enzymów.
4. Specyficzność działania enzymów
Większość reakcji zachodzących w komórkach jest regulowana przez enzymy. Ich cechą charakterystyczną jest swoistość czyli zdolność do katalizowania ograniczonej liczby reakcji chemicznych.
Swoistość kierunku działania Polega na zdolności enzymu do katalizowania tylko jednej reakcji z możliwych reakcji jakim może podlegać substrat. Jeżeli substrat może przekształcać się w różne produkty każda z reakcji jest katalizowana prze inny enzym.
Specyficzność substratowaOznacza możliwość wyboru przez dany enzym jednego lub grupy strukturalnie podobnych związków z którymi wchodzi w kompleks zdolny do dalszych reakcji. Właściwość ta wynika z „dopasowania” struktury substratu do kształtu centrum aktywnego enzymu.
Enzymy mogą wykazywać z zależności od sposobu i mechanizmu „dobierania” substratów specyficzność grupową i absolutną, w odniesieniu do typu reakcji, oraz specyficzność stereochemiczną .
specyficzność grupowa -wykazuje ją większość enzymów ,czyli mogą one wykorzystywać w charakterze substratu określoną grupę podobnych do siebie substancji.
Specyficzność absolutna – dla enzymu istnieje tylko jeden ściśle określony substrat.
Specyficzność stereochemiczna- względem form L i D, izomerów geometrycznych, położenia wiązania w cząsteczce substratu, ustawienia przestrzennego koenzymu, a także asymetrii kompleksu ES w przypadku symetrycznych substratów
Za właściwości katalityczne każdego substratu odpowiada jego miejsce aktywne.
5. Mechanizm allosteryczny reakcji aktywności enzymów.
Większość znanych enzymów to białka o zróżnicowanej wielkości, od kilkudziesięciu aminokwasów w łańcuchu i monomerycznej budowie (na przykład tautomeraza 4-oksokrotonianu (4-OT) zbudowana jest z 62 aminokwasów), do ponad 2500 w zwierzęcej syntazie kwasów tłuszczowych. Aktywność enzymów jest determinowana ich strukturą czwartorzędową (ułożeniem przestrzennym)[23]. Enzymy są zazwyczaj dużo większe od substratów, które przerabiają, ale z kolei zwykle tylko kilka kluczowych aminokwasów jest bezpośrednio zaangażowanych w katalizę[24]. Region, który bezpośrednio wiąże się i oddziałuje z substratem oraz zawiera kluczowe do przebiegu reakcji reszty aminokwasowe, nazywany jest miejscem aktywnym (centrum aktywnym). Prócz niego enzymy mogą zawierać miejsca wiązania kofaktorów – niezbędnych do aktywności enzymatycznej lub jej regulacji (patrz: Kofaktory, grupy prostetyczne i koenzymy). Enzymy mogą także zawierać dodatkowe miejsca wiązania małych cząsteczek, na przykład pośrednich lub bezpośrednich produktów czy substratów szlaków metabolicznych obsługiwanych przez enzym, które związane mogą dodatkowo regulować aktywność enzymu na zasadzie sprzężenia zwrotnego[25][26].
Jak każde białko, enzymy są syntezowane jako długie łańcuchy aminokwasowe, które następnie zwijają się i przybierają odpowiednią strukturę przestrzenną. Indywidualne, zwinięte łańcuchy białkowe, mogą także asocjować w większe kompleksy. Takie enzymy nazywa się wtedy multimerycznymi (wielopodjednostkowymi). W przypadku asocjacji kilku takich samych peptydów (podjednostek) mówi się o homomerach (np. homodimer – kompleks złożony z dwóch jednakowych peptydów), a gdy asocjują różne jakościowo podjednostki, o heteromerach (np. heteropentamer – kompleks pięciu różnych łańcuchów peptydowych).
Asocjacja podjednostek enzymów może być wymagana by dopełnić nawzajem swoje funkcje, by w ogóle móc katalizować reakcję biochemiczną, lub by obsługiwać wielokrotność tej samej reakcji czy cały ich szereg (odcinek szlaku metabolicznego).
Mechanizmy
Enzymy mogą na kilka różnych sposobów zmniejszać swobodną energię aktywacji Gibbsa (ΔG‡):
· Obniżanie energii aktywacji przez tworzenie środowiska, w którym następuje stabilizacja stanu przejściowego (np. zniekształcenie cząsteczki substratu – dzieje się to przez utrwalenie konformacji stanu przejściowego pomiędzy substratem, a produktem oraz zniekształcenie przez enzym wiązań w cząsteczce substratu, dzięki czemu zmniejsza się suma energii wymaganej do zakończenia przejścia).
· Obniżanie energii stanu przejściowego przez likwidację niekorzystnych energetycznie oddziaływań ze środowiskiem, i ich zamianę na korzystne energetycznie oddziaływania z centrum aktywnym (np. oddziaływania elektrostatyczne ładunków o przeciwnych znakach).
· Wykorzystanie alternatywnego szlaku przejścia, np. tymczasowa reakcja substratu do pośredniego kompleksu enzym-substrat (ES), która nie byłaby możliwa w nieobecności enzymu.
· Zmniejszanie entropii reakcji poprzez usytuowanie dostarczanych razem substratów w poprawnej orientacji, niezbędnej do zajścia reakcji. Rozpatrując energetykę reakcji enzymatycznej pod kątem jedynie zmiany entalpii (ΔH‡), efekt ten jest zwykle pomijany. Wiąże się to z faktem, że ma on miejsce tylko dla stanu podstawowego reakcji (substraty), a jego wpływ na właściwą katalizę jest znikomo mały[42][43].
Modulacja allosteryczna
Niektóre enzymy, to enzymy allosteryczne, zmieniające swoją konformację w odpowiedzi na związanie efektora (inhibitora lub aktywatora). Modulacja taka może być bezpośrednia; gdy efektor sam wiąże się z enzymem, lub pośrednia; gdy efektor wiąże się z innym białkiem, lub podjednostką białka, która oddziałuje z enzymem, zmieniając jego aktywność katalityczną[53][54].
regulacja allosteryczna polega na odwracalnej zmianie kinetyki reakcji enzymatycznej pod wpływem związku (ligandu), który może przyłączać się do enzymu w miejscu innym niż substrat, nazwanym centrum allosterycznym; ligand taki powoduje zmiany konformacyjne enzymu podlegającego regulacji, która może polegać na inhibicji lub indukcji (aktywność enzymu wzrasta po przyłączeniu ligandu do centrum allosterycznego).
Koenzym to uczestnicząca w reakcji enzymatycznej niebiałkowa część enzymu nietrwale związana z częścią białkową (apoenzymem). Bierze udział w przenoszeniu elektronów, protonów lub grup atomów w trakcie katalizowanej reakcji. Wśród koenzymów wymienić można: ATP (adenozynotrifosforan), NAD (dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy), NADP (fosforan dinukleotydu niktynoamidoadeninowego), FMN (mononukleotyd flawinowy), FAD (dinukleotyd flawinoadeninowy), CoA (koenzym A), CoQ (koenzym Q) oraz wiele innych. Wiele z nich wykazuje pokrewieństwo do witamin. Koenzymy ulegają zużyciu podczas zachodzących z ich udziałem reakcji enzymatycznych, dlatego do organizmu dostarczane muszą być prekursory koenzymów, często w postaci witamin.
Na aktywność enzymów wpływają różne czynniki: * Temperatura. Wzrost temperatury o każde 10°C zwiększa szybkość reakcji enzymatycznych mniej więcej dwukrotnie. Jednak odbywa się to wyłącznie do poziomu temperatury powodującego denaturację białka, czyli zazwyczaj do 40 - 45°C. Denaturacja białka enzymatycznego powoduje trwałą utratę zdolności katalitycznej. Obniżanie temperatury zmniejsza szybkość reakcji biochemicznych, ale nawet zamrożenie enzymu nie powoduje trwałego utracenia jego aktywności; ponowne ogrzanie przywraca zdolność katalityczną enzymu.
* pH. Większość enzymów komórkowych najszybciej działa w środowisku zbliżonym do obojętnego, czyli w pH około 7. Natomiast enzymy działające pozakomórkowo, w świetle przewodu pokarmowego, charakteryzują się znacznym zróżnicowaniem optymalnych warunków kwasowości środowiska. Wpływ pH na aktywność enzymów tłumaczy się tym, że są one białkami, a liczba dodatnich i ujemnych ładunków cząsteczki białka i ukształtowanie powierzchni cząsteczki są zależne od kwasowości środowiska. * Stężenie enzymu i substratu. W stałej temperaturze, w stałym pH i przy nadmiarze substratu szybkość reakcji chemicznej jest wprost proporcjonalna do stężenia enzymu. W przypadku gdy temperatura, pH i stężenie enzymu są utrzymane na stałym poziomie, szybkość reakcji chemicznej początkowo wzrasta, w miarę zwiększania się stężenia substratu, do pewnej wartości, a następnie ustala się na jednakowym poziomie. Dochodzi do tego w momencie, gdy wszystkie cząsteczki enzymu są połączone z substratem, tworząc kompleksy E-S. Wykres zależności szybkości reakcji od stężenia substratu nosi nazwę krzywej Michaelisa. * Inhibitory. W środowisku komórkowym występują różne substancje niskocząsteczkowe, które przyłączając się do enzymu powodują zmianę struktury przestrzennej enzymu, uniemożliwiając tworzenie kompleksów E-S (substancje te mogą również działać jako aktywatory). Istnieją też przypadki, gdy związek chemiczny, mając podobną budowę do substratu, konkuruje z nim o związanie się z centrum aktywnym enzymu. Jeżeli inhibitor występuje w dostatecznie dużym stężeniu, to może całkowicie zablokować reakcję (przyłączenie substratu). Z kolei zwiększenie stężenia substratu może spowodować wyparcie inhibitora. Odwracalna inhibicja enzymów odgrywa ważną rolę w regulacji metabolizmu. * Aktywatory. Pod wpływem różnych substancji, np. jonów, może nastąpić taka zmiana kształtu cząsteczki enzymu, która jest korzystna dla przebiegu katalizy enzymatycznej. Odbywa się to na skutek przyłączenia aktywatora do centrum aktywnego i polepszenia w ten sposób wiązania substratu.
Cząsteczka enzymu oprócz centrum aktywnego zawiera również centrum allosteryczne . Gdy przyłączy się do tego centrum allosterycznego jakaś cząsteczka i uaktywnie dany enzym ( sprawi , że centrum aktywne danego enzymu będzie w stanie przyłączyć do siebie substrat ) wtedy ta cząsteczka zwana jest aktywatorem. Jednak gdy dana cząsteczka przyłączając się do danego centrum allosterycznego spowoduje odkształcenie centrum aktywnego w taki sposób, że nie jest w stanie ono przyłączyć danego substratu to wtedy ta cząstka zwana jest inhibitorem. Hamuje ona proces metaboliczny . Te procesy to regulacja allosteryczna .
Allosteria - (allos - inny; steros - przestrzeń) - zmiana powinowactwa chemicznego białka do cząsteczek (np. enzymów do substratów lub białek przenośnikowych do ich ładunku), przez zmianę struktury przestrzennej. Efekty allosteryczne odgrywają istotna rolę w regulacji aktywności enzymatycznej.
6. Budowa enzymów
Enzymy to białka o własnościach katalitycznych, które posiadają zdolność zwiększania szybkości reakcji chemicznej. Obniżają energię aktywacji,( minimalna wartość energii, która jest niezbędna do zajścia danej reakcji chemicznej. Energia aktywacji może być dostarczona do układu z zewnątrz, np. w postaci ciepła, energii promieniowania lub energii elektrycznej). same jednak nie ulegają przemianie, dlatego nie zużywają się bezpośrednio w wyniku reakcji.
Większość enzymów składa się z:
o części białkowej, czyli apoenzymu,( część białkowa enzymu, zawiera tzw. centrum aktywne, w którym cząsteczki substratu ulegają przemianie w cząsteczki produktu. Wraz z koenzymem (bądź grupą prostetyczną) stanowi holoenzym - kompletny, gotowy do działania enzym.)
o części niebiałkowej, czyli grupy prostetycznej lub koenzymu.( część niebiałkowa enzymu nietrwale połączona z apoenzymem. Do koenzymów zalicza się np. NAD, NADP, niektóre witaminy: K, B1.)
· Szybkość reakcji zależy od:
· -PH optymalne bliskie obojętnego 6-9 znane są jednak optymalnego działania w środowisku kwasnym lub zasadowym) i potencjał oksydacyjno redukujący
· -temperatura
· - stężenie enzymu, substratu kofaktorów (koenzymów i aktywatorów) inhibitorów
Mechanizm katalizy – mechanizm działania enzymu
Pierwszym etapem katalizy jest utworzenie kompleksu ENZYM SUPSTRAT. W połączeniu substratów z enzymami biorą udział stosunkowo słabe wiązania. Model klucza i zamka tłumaczy oddziaływanie enzymu z substratem. Kształt miejsca aktywnego wolnego enzymu jest komplementarny do kształtu substratu. Model wymuszonego dopasowania tłumaczy oddziaływanie substratu z enzymem. Kształt miejsca aktywnego staje się komplementarny do kształtu substratu dopiero po związaniu substratu
7. Inhibijca kompetycyjna i niekompetycyjna enzymu
1.Inhibitor- związek chemiczny powodujący zahamowanie, bądź spowolnienie reakcji chemicznej. Proces ten to inhibicja. Inhibitor powoduje zarówno spowolnienie lub zatrzymanie reakcji niekatalizowanej, jak również obniża aktywność katalizatora w reakcji katalizowanej. Odwrotnym działaniem do inhibitora charakteryzuje się katalizator.
- Inhibicja kompetycyjna- współzawodnictwo inhibitora z substratem o miejsce aktywne enzymu. Przy dużych stężeniach substratu inhibitor zostaje usunięty przez substrat. Inhibitor wiąże się tutaj w miejscu aktywnym.
- Inhibicja niekompetycujna- typ inhibicji odwracalnej enzymów. Hamowanie niekompetycyjne zachodzi wtedy, gdy inhibitor nie jest strukturalnie podobny do substratu i nie współzawodniczy z nim o centrum aktywne enzymu. Inhibitor blokuje częściowo centrum aktywne hamując przebieg reakcji enzymatycznej, pomimo tego substrat może być wiązany.
8. Klasy enzymów
klasy enzymów, klasyfikacja enzymów w zależności od rodzaju katalizowanej reakcji na sześć klas:
1) oksydoreduktazy – katalizujące reakcje utleniania i redukcji,
2)...
Ochroniacze1991