důležité termíny enzymologie - univerzita...
Post on 21-Jan-2020
2 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Charakteristika enzymů
• biokatalyzátory umožňující průběh chemických reakcí v živých organismech – tj. za mírných podmínek – poměrně nízké teploty,
atmosférický tlak, hodnoty pH blízké 7 – bez enzymů by reakce probíhaly stokrát až milionkrát
pomaleji – při reakcích se nespotřebovávají
• snižují hodnotu aktivační energie reakce – Ea = minimální energie potřebná k převedení látky do
stavu schopného chemické reakce (přiblížení molekul, zeslabení starých vazeb a vytvoření předpokladu pro vznik nových)
Charakteristika enzymů II
– vytvoření jednoho nebo několika přechodných stavů mezi substrátem a enzymem, z nichž každý má podstatně nižší hodnotu aktivační energie (dosažitelnou i za mírných podmínek)
Charakteristika enzymů III
• zvyšují rychlost reakce
– v = úbytek koncentrace reaktantů nebo přírůstek koncentrace produktů za jednotku času (mol/l/s)
• neovlivňují chemickou rovnováhu
– pouze zkracují čas nutný k jejímu dosažení
• snadno regulovatelné – viz dále
Struktura enzymů • globulární bílkoviny, často obsahující ještě
nebílkovinnou složku – výjimku tvoří některé druhy RNA s katalytickou funkcí
(ribozymy)
• dělení – jednoduché
• čisté bílkoviny – např. hydrolázy (pepsin, trypsin…)
– složené • bílkovinná část (apoenzym) • nebílkovinná část (kofaktor)
– koenzym » vázán pouze slabými vazebnými interakcemi – větš. deriváty
vitaminů – prostetická skupina
» kovalentní vazba – ionty kovů, hem, FAD…
• aktivní komplex apoenzym + kofaktor = holoenzym
Aktivní místo (centrum) enzymu • místo na enzymu, do kterého se váže substrát
– téměř vždy pouze slabými vazebnými interakcemi (kovalentní vazba vzácná)
– vazebné skupiny – spojení se substrátem – obvykle nepolární – katalytické skupiny – vlastní katalýza – obvykle polární
• teorie zámku a klíče – substrát je klíč, který zapadne jen do správného zámku (enzymu s
vhodným tvarem aktivního centra)
• teorie indukovaného přizpůsobení – novější – substrát je do jisté míry schopen měnit konformaci enzymu – tvar substrátu se někdy přizpůsobuje enzymu
Enzymy s kvarterní strukturou
• enzymy složené z několika podjednotek spojených slabými vazebnými interakcemi – podjednotky se mohou vzájemně ovlivňovat
• různá specifičnost podjednotek – mohou vázat rozdílné substráty – katalytické podjednotky
• zajišťují samotnou katalýzu
– regulační podjednotky • vazba aktivátorů, inhibitorů
• např. synthasa mastných kyselin – jeden polypeptidický řetězec složený ze 2 podjednotek
schopný katalyzovat všechny kroky syntézy MK
Specifita enzymů • substrátová
– závisí hlavně na bílkovinné části – absolutní – jen jeden substrát – vzácná - např. ureasa – relativní – častější – více substrátů s různou afinitou
• substráty s podobnou strukturou – např. členové jedné homologické řady
• např. alkoholdehydrogenasa
• kinetická – závisí hlavně na koenzymu, některé parametry však
ovlivňuje i bílkovinná část (např. redoxní potenciál enzymu)
– určuje typ reakce • u aminokyseliny může podle typu koenzymu dojít k oxidační
deaminaci, transaminaci, dekarboxylaci… • skupina proteas štěpí vždy peptidovou vazbu, ale na různém
místě
• stereospecifita – enzym napadá pouze jeden určitý stereoizomer – D-
monosacharidy, L-aminokyseliny… – substrát se musí specificky vázat alespoň na tři různá
místa, druhý stereoizomer toho schopen není
Izoenzymy • katalyzují stejnou reakci, ale liší se svými fyzikálně-
chemickými vlastnostmi – rozdílná afinita k substrátu – odlišné pH optimum, citlivost k denaturaci, citlivost k
inhibitorům…
• nacházejí se v různých kompartmentech nebo tkáních • pravé izoenzymy
– kódované různými geny
• izoformy – vznikají různou posttranslační modifikací
Druhy enzymů
• intracelulární – pro vlastní potřebu buňky
• extracelulární – pro katalýzu reakcí probíhajících mimo buňku, kterou
byly vytvořeny
– často syntetizovány v neaktivní formě jako proenzymy (zymogeny) • faktory krevního srážení se aktivují až parciální proteolýzou
• pepsin se aktivuje až při nízkém pH (HCl v žaludeční šťávě)
• trypsin aktivuje až enteropeptidáza na kartáčovém lemu tenkého střeva
Názvosloví enzymů
• systematický název – přesný popis katalyzované reakce
• doporučený název – jednodušší než systematický, obvykle označení substrátu a
typu reakce + koncovka –áza - např. alaninaminotransferáza)
• triviální název – některé historické názvy – koncovka –in – např. pepsin
EC klasifikace
• každý enzym má svůj čtyřciferný číselný kód – třída, podtřída, podpodtřída, pořadové číslo v
oficiálním seznamu
• 6 tříd podle typu katalyzované reakce – EC1.x.x.x – oxidoreduktázy
– EC2.x.x.x – transferázy
– EC3.x.x.x – hydrolázy
– EC4.x.x.x – lyázy (syntázy)
– EC5.x.x.x – izomerázy
– EC6.x.x.x – ligázy (syntetázy)
Oxidoreduktázy • katalyzují redoxní reakce • přenášejí vodík nebo kyslík nebo pouze elektrony z jedné
látky na druhou – dehydrogenáza
• katalyzuje odebrání vodíku ze substrátu (H nebo H-), který je tak oxidován
• desaturáza – HC2-CH2- → -CH=CH- (metabolismus MK)
– reduktáza • katalyzuje přenos vodíku na substrát, tj. redukci substrátu
– oxidáza • katalyzují přenos elektronů ze substrátu na kyslík
– peroxidáza • oxidace různých látek za přítomnosti H2O2, který funguje jako akceptor
vodíku, resp. jako zdroj kyslíku a mění se tak na vodu
– oxygenáza • zabudovává atom (monooxygenáza = hydroxyláza) nebo molekulu
kyslíku (dioxygenáza) do substrátu
Kofaktory oxidoreduktáz • NAD+/NADH+H+
NADP+/NADPH+H+ – koenzym, přenos H++2e- – prekurzorem je vit. B3 (niacin) – NADH+H+ přenáší redukční ekvivalenty z katabolických
metabolických drah do dýchacího řetězce; NADPH+H+
funguje jako redukční činidlo při biosyntézách
Pi
Kofaktory oxidoreduktáz II • FMN/FMNH2 (flavinmononukleotid) FAD/FADH2 (flavinadenindinukleotid)
– prostetická skupina, přenos 2H+ + 2e- – prekurzorem je vit. B2 (riboflavin) – funkčně srovnatelné, součást tzv. flavoproteinů - přenos
redukčních ekvivalentů z katabolických drah do dýchacího řetězce a další redoxní procesy (FADH2), dýchací řetězec (FMNH2)
Kofaktory oxidoreduktáz III
• ubichinon/ubichinol (CoQ/CoQH2)
– koenzym, přenos 2H+ + 2e-
– z části syntetizován, z části přijímán potravou
– přenašeč redukčních ekvivalentů v dýchacím řetězci
Kofaktory oxidoreduktáz IV • kyselina lipoová
– prostetická skupina, přenos 2H+ + 2e-
– vnitromolekulový disulfidický můstek → redukce na dithiol
– účastní se hlavně oxidativní dekarboxylace α-ketokyselin (součást např. pyruvátdehydrogenázového komplexu)
Kofaktory oxidoreduktáz V
• hem
– prostetická skupina, přenos e- (Fe2+↔Fe3+)
– několik tříd hemů (a,b,c) lišící se substituenty
– dýchací řetězec, monooxygenázy, peroxidázy
Transferázy
• katalyzují přenos funkčních skupin mezi donory a akceptory – skupinatransferáza (např. aminotransferáza) – kináza = fosfotransferáza
• přenáší fosfátovou skupinu z makroergní molekuly (např. ATP) na substrát
– fosforyláza • přenáší fosfátovou skupinu na organickou látku – obvykle se
fosforylázou myslí glykogenfosforyláza, která využívá volný fosfát k štěpení vazeb v glykogenu (→Glc-1-P)
– transketoláza • přenášejí dvouuhlíkaté zbytky, pentózový cyklus
– transaldoláza • přenášejí tříuhlíkaté zbytky, pentózový cyklus
Kofaktory transferáz
• koenzym A (CoA)
– přenáší acylové zbytky, thioesterová vazba
– prekurzorem je vit. B5 (kyselina pantothenová)
– metabolismus živin
Kofaktory transferáz II
• thiamindifosfát (TPP)
– přenáší hydroxyalkylové zbytky
– prekurzorem je vit.B1 (thiamin)
– účastní se oxidativní dekarboxylace α-ketokyselin , součást transketoláz
Kofaktory transferáz III
• pyridoxalfosfát
– přenáší aminoskupiny
– prekurzorem je vit. B6 (pyridoxin)
– metabolismus aminokyselin (transaminace, dekarboxylace…); glykogenfosforyláza
Kofaktory transferáz VI
• tetrahydrofolát – přenos jednouhlíkatých zbytků v různých oxidačních
stavech
– prekurzorem je kyselina listová
– syntéza nukleotidů, metabolismus některých aminokyselin
Kofaktory transferáz VII
• nukleosidfosfáty (ATP, GTP…)
– přenos fosfátu (Pi)
– endergonické reakce
• 3-fosfoadenosin-5-fosfosulfát (PAPS)
– přenos sulfátu (SO42-)
– syntéza GAG, biotransformační reakce
Hydrolázy
• katalyzují hydrolytické reakce – štěpí substráty za vstupu vody – esteráza
• štěpí esterovou vazbu • R1-CO-O-R2 → R1-COOH + HO-R2
– fosfodiesteráza • štěpí fosfodiesterovou vazbu
→ R1OH + Pi-R2
– fosfatáza • odštěpuje fosfát • Pi-O-R → Pi + HO-R
– peptidázy, glykosidázy, lipázy…
Lyázy
• katalyzují nehydrolytické štěpení vazeb v substrátu
• jestliže lyasa katalyzuje reakce ve smyslu syntézy, nazývá se syntáza
• přidávají nebo odebírají malou molekulu do/ze substrátu – hydratázy
• adice vody • -CH=CH- + H2O → -CH(OH)-CH2-
– dehydratázy • eliminace vody
– dekarboxylázy • koenzymem dekarboxyláz bývá pyridoxalfosfát
Izomerázy
• katalyzují izomerační reakce
– cis-trans izomerázy
– epimerázy
• epimerizace monosaridů (epimer se liší konfigurací na jednom uhlíku )
– mutázy
• změna polohy fosfátové skupiny v molekule
Ligázy
• katalyzují silně endergonní slučování dvou molekul za současné spotřeby energie (hydrolýza ATP)
– příklady:
• pyruvátkarboxyláza
• acetyl-CoA karboxyláza
– koenzymem obou karboxyláz biotin
• glutaminsyntetáza
Určete třídu enzymu
• aspartátaminotransferáza (AST) – transferáza
• alkalická fosfatáza (ALP) – hydroláza
• kreatinkináza (CK) – transferáza
• laktátdehydrogenáza (LD) – oxidoreduktáza
• alaninaminotransferáza (ALT) – transferáza
• lipáza (LPS) – hydroláza
Rychlost enzymově katalyzovaných reakcí – aktivita enzymu
• udává schopnost enzymu přeměnit substrát za jednotku času
• katal(kat) = přeměna 1 mol substrátu za 1 s
– v medicíně se běžně používají μkat a nkat
• mezinárodní jednotka: U = přeměna 1 μmol substrátu za 1 min
• 1 katal = 6.107 U
Faktory ovlivňující rychlost enzymatických reakcí
• teplota
– zvyšuje počet molekul schopných reakce
• vyšší kinetická energie částic
• vyšší počet srážek
• více molekul překoná Ea
– pro každý enzym však existuje teplotní limit, pak nastává denaturace bílkovinné složky a ztráta katalytické aktivity
Faktory ovlivňující rychlost enzymatických reakcí II
• pH – závisí na něm disociace funkčních skupin enzymu a
substrátu – každý enzym má svoje pH optimum
• většinou v rozmezí pH 5-9
– extrémní hodnoty pH způsobí denaturaci enzymu a ztrátu jeho katalytické aktivity
Faktory ovlivňující rychlost enzymatických reakcí III
• množství substrátu a afinita enzymu k substrátu
– S + E ↔ ES ↔ P + E
– s rostoucí koncentrací substrátu roste rychlost reakce k maximální hodnotě (vmax), dokud není enzym substrátem plně nasycen
Rovnice Michaelis-Mentenové
• v – rychlost reakce
• vmax – maximální rychlost reakce při úplném nasycení enzymu substrátem
• [S] – koncentrace substrátu
• KM – Michaelisova konstanta – koncentrace substrátu, při které je rychlost rovna ½ vmax
– informuje o afinitě substrátu k enzymu (jak snadno se substrát váže do aktivního místa enzymu) • nepřímá úměra
– běžné enzymy mají hodnotu KM v rozmezí 10-3-10-7 mol/l
Faktory ovlivňující rychlost enzymatických reakcí IV
• počet molekul enzymu – s rostoucí koncentrací enzymu se rychlost reakce
zvyšuje • pro počáteční rychlosti platí přímá úměra (dokud je rychlost
zpětné přeměny P na ES zanedbatelná)
– regulace • kompartmentace
– v různých kompartmentech odlišný počet molekul enzymu
• změna absolutní koncentrace enzymu – indukce nebo represe exprese genu kódujícího daný enzym –
transkripční faktor
– trvá déle než se projeví (hodiny, dny)
• modulace aktivity již nesyntetizovaného enzymu – aktivace /inhibice např. fosforylací/defosforylací; odbourání
enzymu…
Faktory ovlivňující rychlost enzymatických reakcí V
• přítomnost aktivátoru – aktivuje neaktivní proenzymy
– parciální proteolýza • odštěpí se část molekuly proenzymu → aktivní enzym
– alosterická aktivace • nutná přítomnost alosterického centra
• navázání aktivátoru do alosterického centra způsobí příznivou deformaci aktivního centra → umožní navázání substrátu
• křivka alosterických enzymů je sigmoidální
• přítomnost inhibitoru
Inhibice enzymů
• kompetitivní – inhibitor má podobnou strukturu
jako přirozený substrát, váže se do aktivního centra enzymu
– inhibitor „soutěží“ se substrátem o aktivní centrum
– přítomnost kompetitivního inhibitoru zvyšuje KM → snižuje afinitu enzymu k substrátu
– zvýšenou koncentrací substrátu lze inhibitor vytěsnit (rychlost vmax se nemění)
– např. inhibice alkoholdehydrogenázy methanolem
Inhibice enzymů
• nekompetitivní – inhibitor není strukturně podobný
substrátu, váže se mimo aktivní místo
– navázání inhibitoru deformuje aktivní centrum enzymu
– dochází ke snížení vmax (snížila se koncentrace molekul enzymu schopných katalýzy)
– nelze potlačit zvýšenou koncentrací substrátu (KM se nemění)
– vratná pouze pokud se inhibitor neváže na enzym kovalentně
– např. sarin (nervový jed) nevratně inhibuje acetylcholinesterázu
Principy regulace enzymové aktivity v metabolických drahách
• regulace zpětnou vazbou – meziprodukt nebo konečný produkt metabolické dráhy
inhibuje jednu z prvních reakcí • např. palmitoyl-CoA inhibuje Ac-CoA karboxylázu
• zkřížená regulace – meziprodukt jedné metabolické dráhy ovlivňuje jinou
metabolickou dráhu • např. malonyl-CoA inhibuje karnitinový přenašeč a tím i degradaci
MK – zabezpečuje, aby současně neprobíhala degradace i syntéza
• regulace krokem vpřed – meziprodukt ovlivňuje jeden z následujících enzymů
metabolické dráhy • např. jeden z prvních produktů v syntéze nukleotidů aktivuje
následující enzymy – zajišťuje, aby dráha proběhla celá
Enzymy jako markery poškození určité tkáně
• při poškození tkáně se enzymy uvolní do extracelulárního prostředí
• jejich aktivitu lze měřit v krvi
• aktivita je mírou poškození tkáně, která je pro enzym specifická
• játra a žlučové cesty – ALT (alaninaminotransferáza)
• katalyzuje přenos aminoskupiny z alaninu na 2-oxoglutarát
• cytosolický enzym
• zvýšená hladina při poškození buněčné membrány (při malém poškození) - např. u akutní virové hepatitidy, akutním toxickém poškození jater nebo po předávkování alkoholem
Enzymy jako markery poškození určité tkáně II
– AST (aspartátaminotransferáza) • katalyzuje přenos aminoskupiny z aspartátu na 2-oxoglutarát • převážně mitochondriální enzym • signalizuje vážnější poškození, AST vyšší než ALT svědčí o nekróze
buněk
– GMT (gamaglutamyltransferáza) • katalyzuje přenos γ-glutamylu z glutathionu na AMK a umožňuje
transport AMK přes buněčnou membránu do cytosolu • indikátor hepatobiliárního poškození, zvláště u chronických stavů a při
cholestase (nejvyšší hodnoty při obstrukci žlučových cest) • je nejcitlivějším ukazatelem poškození jater alkoholem, značí také
metastatické procesy v játrech, u virové hepatitidy v rekonvalescenci (hodnocení průběhu)
– ALP (alkalická fosfatáza) • katalyzuje hydrolýzu fosfátových esterů při alkalickém pH • zvýšená při hepatobiliárních onemocněních (obstrukce, abscesy,
metastázy)
Enzymy jako markery poškození určité tkáně II
• srdeční sval
– CK (kreatinkináza) - izoenzym CK-MB - cytoplazmatický enzym, katalyzuje fosforylaci kreatinu na kreatinfosfát pomocí ATP
– AST, LDH (laktátdehydrogenáza) – pouze historický význam
• pankreas: pankreatická amyláza (stoupá při akutní pankreatitidě) a lipáza
• kosterní sval: CK - izoenzym CK-MM
Otázky k procvičení
• Fosfatáza katalyzuje hydrolýzu esterové vazby – ANO
• KM se udává v jednotkách rychlosti reakce (mol.s-1) – NE
• O kompetitivní inhibici jde, pokud substrát s inhibitorem soutěží o aktivní centrum enzymu – ANO
• Nekompetitivní inhibici lze snížit zvýšením koncentrace substrátu – NE
top related