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