Download - 04 Enzýmy UvodMet08
Enzýmy
27.10.2008
Enzýmy –katalyzátory reakcií v živých systémoch
• Enzýmy sú proteíny (s výnimkou malej skupiny katalyticky aktívnych RNA molekúl – Nobelova cena za chémiu, r. 1989, Thomas Cech)
• Vyznačujú sa:– Vysokou špecificitou– Vysokou účinnosťou– Schopnosťou podliehať regulácii
Proteín (enzým) musí byť v natívnej konformácii!
Enzýmy –katalyzátory reakcií v živých systémoch
• Kofaktor– Ión kovu (napr. Fe3+, Mn2+,Mg2+, Zn2+)– Koenzým (zložitejšia organická molekula)
• Prostetická skupina –kofaktor viazaný v enzýme pevne, až kovalentne
• Holoenzým – kompletný, katalyticky aktívny enzým s naviazaným kofaktorom
• Apoenzým – proteínová zložka holoenzýmu
Apoenzým (neaktívny)+ kofaktor = holoenzým (aktívny)
Bežné koenzýmy, ktoré slúžia ako prenášače špecifických atómov alebo funkčných skupín
Tiamín (B1)Prenos aldehyduTiamínpyrofosfátKyselina listováPrenos 1C zvyškovTetrahydrofolátPyridoxín (B6)Prenos aminoskupinyPyridoxalfosfátNiacínOxidačno-redukčné reakcieNikotínamidové koenz.
-Prenos acylových skupínKyselina lipoováRiboflavín (B2)Oxidačno-redukčné reakcieFlavínové koenzýmyPantotenátPrenos acylových skupínKoenzým AB12AlkyláciaKobalamínBiotínKarboxyláciaBiotínvitamínsprostredkovaná reakciakoenzým
Klasifikácia enzýmov
Tvorba C-C, C-S, C-O, C-N a fosfoesterových väzieb kondenzačnými reakciami spojenými so štiepením ATP
Ligázy6
Prenos skupín v rámci molekúl tak, aby vznikli izomérne formy
Izomerázy5
Odštiepenie skupín zo substrátu sprevádzané vytvorením dvojitých väzieb, alebo naviazanie skupín na dvojité väzby
Lyázy4Hydrolytické reakcieHydrolázy3
Prenos skupínTransferázy2
Prenos elektrónov (hydridových iónov alebo H atómov)
Oxidoreduktázy1
Typ katalyzovanej reakcieTriedaNo.
Nomenklatúra enzýmov• Triviálny názov: prípona –áza
napr. hexokinázaATP + glukóza → ADP + D-glukóza-6-fosfát
• Systémový názov: presne popisuje substráty a typ reakcie
ATP:glukóza fosfotransferázaE.C.2.7.1.1 (Enzyme Commission)
2. trieda (transferáza)7. podtrieda (fosfotransferáza)
1. akceptor hydroxylová skupina1. akceptor glukóza
Úplný zoznam a popis známych enzýmov udržiava:
Nomenclature Committee of the International Union of Biochemistry and Molecular Biology
www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/enzyme
Ako enzýmy fungujú
?
• Enzým – poskytuje reagujúcim molekulám mikroprostredie
• Substrát- viaže sa do aktívneho miestaenzýmu, vytvorí sa komplex enzým-substrát(ES)
• Aktívne miesto– priestorovo vymedzená časť enzýmu– Obsahuje:
• Katalytické centrum• Väzobné centrum:
– Pre substrát– Pre kofaktor
chymotrypsín
S P
Prechodný stav
Základnýstav
Základnýstav
Reakčná koordináta
Voľn
á en
ergi
a
E + S ES EP E + PE – enzým S – substrátES – komplex enzým-substrátEP – komplex enzým - produkt
S P
Prechodný stav
Reakčná koordináta
Voľn
á en
ergi
a
Enzýmy ovplyvňujú rýchlosť reakcie,nie rovnovážny stav!
E + S ES EP E + PE – enzým S – substrátES – komplex enzým-substrátEP – komplex enzým - produkt
S P
Katalyzátory (vrátane enzýmov) urýchľujú priebeh reakcie znížením aktivačnej energie.
• Katalytická schopnosť enzýmov je daná uvoľnením G (väzobná energia) pri vytváraní mnohopočetných slabých interakcií medzi enzýmom a substrátom
• Slabé interakcie sú optimálne v prechodnom stave; aktívne miesta enzýmov nie sú komplementárne k samotným substrátom, ale k prechodným stavom, ktorým sa substráty premieňajú na produkty počas enzýmovej reakcie
Prechodný stav
Reakčná koordináta
Voľn
á en
ergi
a
b) Enzým komplementárny k substrátu
Magnety
a) Bez enzýmu
Substrát(kovová palička)
Prechodný stav(zohnutá palička)
Produkty(zlomená palička)
c) Enzým komplementárny k prechodnému stavu
Špecificita – schopnosť enzýmu odlíšiť substrát od inej, aj keď veľmi podobnej molekuly
Molekulárne rozpoznávanie prebieha na základe štruktúrnej komplementarity.
Väzba substrátu do aktívneho miesta prostredníctvom slabých interakcií.
Enzým: dihydrofolátreduktázaSustrát 1: NADP+
Substrát 2: tetrahydrofolát
Mechanizmus účinku enzýmov
enzýmkomplex
enzým-substrát
aktívne miesto
12
3 12
3
12
3
substrát
• 1. Teória komplementarity („zámku a kľúča“), E. Fischer, 1894
komplexenzým-substrátenzým
substrát
12
3 12
3
12
3
Mechanizmus účinku enzýmov
• 2. Teória indukovaného prispôsobenia („ruka v rukavici“), D. Koshland, 1958
Hexokináza
Hexokináza - Glc
Vplyv reakčných podmienok na rýchlosť reakcie (reakčná kinetika)
Rýchlosť reakcie závisí od:• A) množstva enzýmu • B) koncentrácie substrátov • C) fyzikálno-chemických vlastností
prostredia• D) prítomnosti efektorov (aktivátorov a
inhibítorov)
B) Závislosť rýchlosti enzýmovej reakcie od množstva substrátu
V0 =Vmax [S]
Km + [S]
Michaelisova-Mentenovejrovnica
Lineweaverova-Burkovatransformácia
1V0
Km= +
Vmax [S]
1Vmax
Čo to je Km?
• Km predstavuje koncentráciu substrátu, pri ktorej sa V0 rovná polovičnej hodnote Vmax
• Dá sa experimentálne stanoviť a závisí od prostredia – pH, teploty, prítomnosti efektorov
• Charakterizuje katalytické vlastnosti enzýmu vzhľadom k príslušnému substrátu
• Čím je hodnota Km nižšia, tým je afinita enzýmu k danému substrátu vyššia
Jednotka enzýmovej aktivity –katal
Definícia (SI):
• 1 katal je také množstvo enzýmu, ktoré katalyzuje premenu 1 molu substrátu za 1 sekundu
Špecifická aktivita= počet katalovkg bielkoviny
C) Závislosť rýchlosti enzýmovej reakcie od fyzikálno-chemických vlastností prostredia
Vplyv teploty
C) Závislosť rýchlosti enzýmovej reakcie od fyzikálno-chemických vlastností prostredia
Vplyv pH
Vplyv inhibítorov:• Ireverzibilné inhibítory – viažu sa s enzýmom
pevne, často kovalentne• Reverzibilné inhibítory – interagujú s enzýmom
prostredníctvom nekovalentných interakcií– Kompetetívne– Nekompetetívne
D) Závislosť rýchlosti enzýmovej reakcie od prítomnosti aktivátorov a inhibítorov
Kompetetívna inhibícia
Nekompetetívna inhibícia
Regulácia aktivity enzýmov
• Mechanizmus spätnej väzbyE1 E2 E3 E4 E5
A→B →C →D →E →F
• Alosterická modifikácia• Kovalentná modifikácia• Proteolytické štiepenie
Alosterická modifikácia substrát+ modulátor
Menej aktívny enzým
Aktívnejší enzým
Aktívny komplex enzým-substrát
Kovalentná modifikácia
-fosforylácia-adenylácia-uridylácia-ADP-ribozylácia-metylácia
fosforyláza kináza
fosforyláza fosfatáza
Zymogény (proenzýmy) –aktivujú sa proteolytickým štiepením (nevratná aktivácia!)
Úvod do štúdia metabolizmu
Termodynamické zákony
• 1. Zákon termodynamický:Celkové množstvo energie vo vesmíre je
konštantné, menia sa len formy energie.
slnečné svetlo molekula chlorofylu
excitovaná molekula chlorofylu
elektromagnetická (svetelná) energia energia chemickej väzby
Termodynamické zákony• 1. Zákon termodynamický:Celkové množstvo energie vo vesmíre je
konštantné, menia sa len formy energie.
• 2. Zákon termodynamický:Spontánny tok energie smeruje od energie
vysokej kvality k menej kvalitným formám alebo
Vo všetkých spontánnych procesoch entropia vzrastá
„spontánna reakcia“ v čase
organizovaná snaha vyžadujúca dodanie energie
Proteíny v plášti vírusu
Mikrotubuly – priečny rez chvostíkom spermie
Povrchové kontúry peľového zrnka Motýlie krídlo
Kvet slnečnice
Jednoduchá termodynamická analýza živej bunky
zvýšená neusporiadanosť
zvýšená usporiadanosť
more látky bunka
Zdroje energie v živých organizmoch
• A) Svetelná energia – fototrofy (rastliny, niektoré baktérie)
• B) Chemická energia – chemotrofy (živočíchy, nefotosyntetizujúce organizmy)
Chemická energia, entalpia (H) – energia chemickej väzby
Voľná (Gibbsova) energia (G) – tá časť energie uložená v štruktúre molekúl, ktorá sa môže premeniť na užitočnú prácu
• ∆G<0 exergonická reakcia (energia sa uvoľní)
• ∆G>0 endergonická reakcia (energia sa spotrebuje)
• ∆G= ∆H - T ∆S• ∆H <0 exotermická reakcia• ∆H >0 endotermická reakcia
» ∆S >0 zvýšila sa entropia» ∆S < 0 znížila sa entropia
∆G<0 podmienka samovoľnosti reakcie
•∆G= ∆H - T ∆S•∆H ≅0 •∆S >0
∆G <0
samovoľný dej
Priebeh endergonických reakcií sa dá zabezpečiť spriahnutím s exergonickými reakciami prostredníctvom aktivovaných
prenášačov energie.
KATABOLIZMUS ANABOLIZMUS
energeticky výhodnáreakcia
energeticky nevýhodná
reakciaaktivované prenášačové molekuly
molekula potravy molekula vyžadovaná bunkou
oxidovanámolekula potravy
dostupná molekula v bunke
ENERGIA
ENERGIA
ENERGIA
Kinetická energia sa premieňa len na teplo
Časť kinetickej energie sa využíva na zdvíhanie vedra s vodou a len menšia časť sa premieňa na teplo
Potenciálna energia uložená vo zdvihnutom vedre sa môže premeniť na kinetickú a poháňať rôzne stroje založené na využití hydraulického tlaku
Prenášače energie sú schopné:
• Pri procesoch uvoľňujúcich energiu zachytiťa vo svojej štruktúre uložiť časť tejto energie
• Pri svojom rozpade opäť uvoľniť energiuzachytenú vo svojej štruktúre a odovzdať ju v endergonickom deji
Univerzálny prenášač energie v biologických systémoch:
ATP (adenozíntrifosfát)
energia použiteľná pre bunkovú prácu a pre chemickú syntézu
O P O P O P O CH2
O O O
O O O- - --
ribóza
adenín
O P O P O CH2
O O
O O- -
ribóza
adenín
O
O-- -O P O -+
energia zo slnka alebo z potravy
ATP
ADPanorganickýfosfát
fosfoanhydridové väzby
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
glukóza-6-fosfátglycerol-3-fosfát
1,3-bisfosfoglycerátfosfoenolpyruvát
ATP
fosfokreatín~P
~P~P
PP
fosfozlúčeninys vysokým
obsahom energie
fosfozlúčeninys nízkym
obsahom energie∆G
°´hy
drol
ýzy
(kJ/
mol
)
• Metabolizmus – súbor chemických transformácií v bunke alebo v organizme, ktoré sa uskutočňujú prostredníctvom enzýmovo-katalyzovaných reakcií organizovaných do metabolických dráh– Energetická aj stavebná
funkcia
• Metabolity-medziproduktymetabolických dráh
• Metabolické dráhy – Katabolické– Anabolické
Energetické vzťahy medzi katabolickými a anabolickými dráhami
chemickáenergia
koncové produkty s nízkym
obsahom energieCO2 H2O NH3
katabolizmus
makromolekuly bunky
bielkoviny, polysacharidylipidy, nukleové kyseliny
ADP + PiNAD+
NADP+
FAD
ATPNADH
NADPHFADH2
prekurzorové molekulyaminokyseliny, sacharidymastné kyselinydusíkaté bázy
anabolizmus
živiny s vysokýmobsahom energie
cukry, tuky, bielkoviny
Bunky získavajú energiu oxidáciou organických molekúl
• Oxidácia je strata elektrónov• Redukcia je prijímanie elektrónov
OIL RIG(oxidation is loss) (reduction is gain)
Fe2+ Fe3+ Cl Cl-e- e-
+ + + +
Tvorba polárnej
kovalentnej väzby e-
e- e-e-
tu je čiastočný kladný náboj (δ+)
tu je čiastočný záporný náboj (δ-)daný nadbytkom elektrónov
+
atóm 1 atóm 2 molekula
metán
metanol
formaldehyd
kyselina mravčia
oxid uhličitý
β-oxidáciamastných kyselín glykolýza
rozklad aminokyselín
Stupeň 2
mastné kyselinya glycerol
glukóza a iné monosacharidy
aminokyseliny
lipidy sacharidy bielkovinyStupeň 1
acetyl-CoA
pyruvát
NADH FADH2
NH4+
citrátový cyklus
Stupeň 3 CO2
dýchací reťazecATP H2O
O2Stupeň 4 ADP + Pi