ENZYMY

Prawie

wszystkie

enzymy

są

białkami,

chociaż

zidentyfikowano cząsteczki RNA aktywne katalitycznie

(rybozymy)

Budowa enzymów

Ze względu na budowę chemiczną rozróżniamy 3 kategorie

enzymów:

•

Enzymy–białka proste

– zbudowane tylko z aminokwasów, grupę

czynną (centrum aktywne) pełnią specyficzne aminokwasy, których
nie można oddzielić od białka bez zniszczenia jego struktury
(pozbawienie działania katalitycznego)

Do enzymów będących białkami prostymi zalicza się większość enzymów
(hydrolaz) przewodu pokarmowego (pepsyna, trypsyna, amylazy).

Budowa enzymów

•

Enzymy-białka złożone zawierające koenzym

(nieaminokwasowe

grupy chemiczne luźno związane z białkiem)

Obie części składowe można łatwo oddzielić (np. za pomocą dializy). Oddzielnie
apoenzym i koenzym nie są czynne katalitycznie, ale po złączeniu ponownie
tworzą aktywny enzym. Koenzym wiąże się z białkiem niekowalencyjnie

•

Enzymy-białka złożone zawierające grupę prostetyczną

(nieaminokwasowe grupy chemiczne trwale (kowalencyjnie) związane z
cząsteczką białkową)

Oddzielenie grupy prostetycznej od białka i ponowne połączenie nie zawsze
prowadzi do zachowania czynności katalitycznej enzymu

Budowa enzymów

Większość enzymów to białka złożone. Składają się z części białkowej i

składnika niebiałkowego – związku zwanego

kofaktorem (koenzymem)

.

Kofaktorami (koenzymami) mogą być jony nieorganiczne (Zn

2+

lub Fe

2+

)

i/lub złożone cząsteczki organiczne.

Koenzym, który jest kowalencyjnie (trwale) związany z enzymem nazywa

się

grupą prostetyczną

.

koenzym + apoenzym = holoenzym

(aktywny katalitycznie enzym)

apoenzym

koenzym

miejsce aktywne

Budowa enzymów

Apoenzym

decyduje o specyficzności substratowej działania enzymu,

ponieważ wykazuje powinowactwo do substratu i w ten sposób określa jaki
związek wejdzie w reakcję.
Te same grupy prostetyczne i koenzymy mogą brać udział w różnych
reakcjach chemicznych, zależnie od białka, z którym są związane.

Koenzym (grupa prostetyczna)

są tylko narzędziem pozwalającym na

przetwarzanie takiego czy innego materiału. Wyznaczają one typ
katalizowanej reakcji np. jakie atomy czy grupy mogą być przenoszone.

W reakcjach biochemicznych koenzym (grupa prostetyczna) przejściowo
zmienia swoją strukturę, ale po ich zakończeniu na skutek wtórnej reakcji
powraca do stanu pierwotnego.

Budowa enzymów

Koenzymy i grupy prostetyczne mają różną budowę. Mogą to być:

•

nukleotydy

•

witaminy

•

związki hemu

•

metale

•

pochodne cukrów i kwasów tłuszczowych

Niemal wszystkie koenzymy mają w swojej budowie nukleotyd. Wiele
koenzymów jest pochodnymi prekursorów witamin. Te nieodzowne do
procesów życiowych substancje w stałych nieznacznych ilościach muszą być
dostarczane w pożywieniu ponieważ większość organizmów nie ma zdolności
do ich samodzielnej syntezy. Niekiedy mogą być wytwarzane z bezpośrednich
prekursorów - prowitamin.

Klasycznymi przykładami koenzymu są NAD

+

i NADP, a grupy

prostetycznej FAD i żelazoporfiryny (hem)

Budowa enzymów

Najistotniejszym elementem budowy enzymów, któremu zawdzięczają aktywność
katalityczną jest miejsce aktywne

Miejsce aktywne (centrum aktywne)

- to region, który wiąże substrat

,

tworzy kompleks ES i przemienia go w produkt. Zajmuje niewielką część
cząsteczki enzymu i stanowi określoną trójwymiarową przestrzeń, utworzoną
przez reszty aminokwasów, które w liniowym łańcuchu polipeptydowym mogą
leżeć daleko od siebie.

Aminokwasy tworzące miejsce aktywne
zawierają dużą liczbę wolnych grup
funkcyjnych.

Miejsce aktywne jest często szczeliną na
powierzchni enzymu lub zagłębieniem w
cząsteczce enzymu, co ułatwia wiązanie
substratu

Dwa modele wiązania substratu przez enzym

Zaproponowano dwa modele wyjaśniające, jak enzym może wiązać swój
substrat.
W

modelu zamka i klucza

(Emil Fisher, 1894) kształt substratu i

aktywnego miejsca enzymu pasują do siebie jak klucz do zamka.
Oba kształty są sztywne, trwałe i pasują do siebie idealnie po odpowiednim
zestawieniu.

Dwa modele wiązania substratu przez enzym

W

modelu indukowanego dopasowania

(Daniel Koshland, 1958)

związanie substratu indukuje zmianę konformacyjną w aktywnym miejscu
enzymu, tak że jego miejsce aktywne przyjmuje kształt komplementarny do
substratu. Poza tym enzym może zniekształcić substrat wymuszając w nim
konformację podobną do stanu przejściowego.

W rzeczywistości różne enzymy wykazują cechy obu modeli, pewną
komplementarność i pewne zmiany konformacji.

Właściwości enzymów

•

Enzymy mają dużą siłę katalityczną

- są biokatalizatorami, które

przyspieszają reakcje chemiczne (10

6

-10

11

razy)

•

Katalityczne działanie enzymu zachodzi według schematu:

Enzym + Substrat  kompleks Enzym-Substrat  Enzym + Produkt

(stan przejściowy)

E + S  E-S  E + P

•

Enzymy zmniejszają energię aktywacji, zwiększając przez to
szybkość przebiegu reakcji

Aby zaszła reakcja biochemiczna, musi zostać pokonana bariera

energetyczna związana z przekształceniem cząsteczki substratu w stan

przejściowy
Stan przejściowy ma w przebiegu reakcji największą energię swobodną

- H

2

O

Różnica energii swobodnej między substratem a stanem przejściowym
nazywa się

energią aktywacji

- jest to ilość energii niezbędna dla

zapoczątkowania reakcji

Zmiany energii zachodzące podczas przebiegu reakcji biochemicznej

Właściwości enzymów

Właściwości enzymów

•

Cechą

charakterystyczną

enzymów

jest

ich

wysoka

specyficzność pod względem:

•

katalizowanej reakcji

- każdy enzym katalizuje tylko jedną (lub

grupę bardzo podobnych) reakcji

•

substratu, na który działają

(i produktu, który tworzą)

O specyficzności substratowej decydują właściwości i ułożenie przestrzenne
reszt aminokwasów tworzących aktywne miejsce enzymu. Specyficzność
enzymów w stosunku do substratu jest zróżnicowana, zwykle jest znaczna, a
czasami nawet absolutna

Specyficzność niektórych enzymów dotyczy nawet przestrzennej budowy
związku – są enzymy rozpoznające i przekształcające tylko jeden izomer
przestrzenny np. L-aminokwasy, D-cukry (bezwzględna=absolutna swoistość)

Porównanie specyficzności enzymów wobec substratu

Enzymy proteolityczne

(peptydazy) katalizują hydrolizę wiązania

peptydowego, różnią się stopniem specyficzności wobec substratu

•

Subtilopeptydaza

(bakterie) – nie

wyróżnia bocznych łańcuchów
aminokwasów sąsiadujących z
hydrolizowanym wiązaniem peptydowym

•Trypsyna

– większa specyficzność -

rozszczepia wiązania peptydowe, które
znajduja się po karboksylowej stronie
Lys i Arg

• Trombina

(bierze udział w procesie

krzepnięcia krwi) – jeszcze większa
specyficzność – hydrolizuje tylko wiązania
peptydowe występujące pomiędzy
Arg i Gly

Oznaczanie enzymów

Znaczenie biomedyczne (diagnostyka kliniczna):

Pewne

choroby

są

spowodowane

genetycznie

uwarunkowanymi

nieprawidłowościami w syntezie enzymów (wrodzone wady metabolizmu, np.
fenyloketonuria, albinizm)

Pomiar aktywności niektórych enzymów w osoczu jest podstawą diagnozowania
ważnych zaburzeń (zawał serca, wirusowe zapalenie wątroby). Gdy komórki są
uszkodzone (np. przez ograniczenie dopływu krwi lub stan zapalny) pewne
enzymy przechodzą do osocza.

Aktywność enzymu najczęściej wyraża się jako początkową szybkość

(V

o

)

katalizowanej reakcji.

Jednostką

V

o

jest

mikromol/min (μmol x min

-1

)

, można ją też wyrażać w

jednostkach enzymatycznych (U).

Szybkość działania enzymu

Szybkość reakcji – tempo przebiegu reakcji katalizowanej przez enzym,
oznacza przyrost produktu w czasie
Szybkość reakcji podaje się zazwyczaj w czasie zerowym (

V

o

) - jest wtedy

największa, bo nie ma jeszcze produktu

W początkowym etapie przebieg jest
prostoliniowy, co odpowiada szybkiemu
przyrostowi produktu

Wartość V

o

oblicza się kreśląc linię

prostą styczną do początkowego odcinka
krzywej
Nachylenie tej prostej (tg α) ma wartość
V

o

α

Typowy wykres powstawania produktu jako funkcji
czasu dla reakcji katalizowanej enzymatycznie

Czynniki wpływające na aktywność enzymów

• Stężenie substratu

–

przy małych stężeniach substratu ([S]) podwojenie

[S] powoduje podwojenie początkowej szybkości (V

o

).

• Stężenie enzymu

– gdy wszystkie cząsteczki enzymu mają związany

substrat, podwojenie stężenia enzymu powoduje podwojenie Vo

Przy większych stężeniach
substratu enzym ulega wysyceniu
(wszystkie cząsteczki enzymu są
związane z substratem) i dalszy
wzrost [S] powoduje tylko
niewielką zmianę wartości V

o

.

Czynniki wpływające na aktywność enzymów

• Temperatura

- niewielki wzrost temperatury powoduje wzrost szybkości

reakcji enzymatycznej (zwiększa się energia termiczna cząsteczek substratu,

łatwiej pokonać energię aktywacji)

Ale dalszy wzrost temperatury prowadzi do

denaturacji

(rozfałdowania)

enzymu - zrywanie wiązań stabilizujących trójwymiarową strukturę enzymu,

nawet małe zmiany mogą zmieniać strukturę miejsca aktywnego i w efekcie

prowadzić do spadku aktywności katalitycznej

Dla wielu enzymów ssaków

optimum termiczne przypada na

około 37

o

C

Są też organizmy, których enzymy

przystosowały się do działania w

zarówno wyższych jak i niższych

temperaturach

Czynniki wpływające na aktywność enzymów

• Wartość pH

– każdy enzym ma optymalne pH działania, przy którym

szybkość katalizowanej przez niego reakcji jest maksymalna.
Małe odchylenia pH od wartości optymalnej powodują spadek aktywności –
zmiany jonizacji grup w miejscu aktywnym
Większe odchylenia pH prowadzą do denaturacji białka enzymatycznego

Enzym 1 - Optymalne pH = 7,2
Enzym 2 – Optymalne pH = 5,5

Czynniki wpływające na aktywność enzymów

• Obecność aktywatorów i inhibitorów

Aktywator

-

cząsteczka działająca na enzym w kierunku zwiększenia jego

szybkości katalitycznej (jony nieorganiczne, np. Mg, Ca, Zn, Cl)

Enzymy mogą ulegać inhibicji (hamowanie aktywności) przez różne cząsteczki

.

Inhibitor

-

cząsteczka działająca na enzym w kierunku zmniejszenia jego

szybkości katalitycznej

Inhibitorami enzymów mogą być

– metabolity komórkowe (naturalna metaboliczna kontrola odpowiedniego

szlaku)

– substancje obce dla organizmu (toksyny, leki)

Czynniki wpływające na aktywność enzymów

Obecność aktywatorów i inhibitorów, cd:

Rozróżnia się dwa główne typy inhibicji enzymów

•

nieodwracalną

– inhibitor wiąże się w miejscu aktywnym lub w jego

pobliżu i inaktywuje enzym na stałe

– diizopropylofluorofosforan (DIPF) - składnik gazów bojowych
– penicylina - hamuje enzym obecny w ścianie komórek bakteryjnych)

•

odwracalną

•

kompetycyjną

•

niekompetycyjną

Czynniki wpływające na aktywność enzymów

• Inhibitor kompetycyjny

– strukturalnie podobny do substratu danego

enzymu. Współzawodniczy z cząsteczkami substratu o wiązanie się z miejscem
aktywnym

• Inhibitor niekompetycyjny

– wiąże się w innym miejscu enzymu niż

jego miejsce aktywne i powoduje zmianę przestrzennego kształtu –
zmniejszenie aktywności katalitycznej

Mechanizmy kontroli aktywności

enzymatycznej

Aktywność wielu enzymów podlega regulacji:

•

Regulacja przez sprzężenie zwrotne

– enzym katalizujący pierwszy

etap szlaku biosyntetycznego jest hamowany przez produkt końcowy (Z) tego
szlaku.
Kiedy stężenie Z osiąga odpowiednio wysoki poziom aktywność enzymu
zostaje zahamowana. Gdy stężenie Z zmniejszy się enzym odzyskuje swoją
aktywność, co prowadzi do ponownego rozpoczęcia biosyntezy Z.

Kontrola aktywności enzymatycznej

•

Enzymy allosteryczne

– mają często więcej niż jedno miejsce

aktywne, które to miejsca kooperatywnie wiążą cząsteczki substratu.
Dzięki temu związanie substratu w jednym miejscu aktywnym indukuje
w enzymie zmianę konformacyjną zmieniającą powinowactwo do
substratu w innych miejscach aktywnych

•

Enzymy allosteryczne są często białkami złożonymi z wielu podjednostek,
z których każda ma miejsce aktywne

•

Enzymy allosteryczne mogą być kontrolowane przez aktywatory lub
inhibitory, które wiążą się do miejsc innych niż miejsca aktywne,
powodując przez to zmianę konformacji miejsca aktywnego, co zmienia
szybkość działania enzymu

Kontrola aktywności enzymatycznej

•

Odwracalne modyfikacje kowalencyjne

– aktywność wielu

enzymów jest zmieniana przez odwracalne dołączanie grupy fosforanowej

do specyficznych reszt seryny i treoniny

•

Specyficzne enzymy, o nazwie

kinazy

katalizują dołączenie grup

fosforanowych, natomiast

fosfatazy

katalizują usuwanie tych grup w

drodze hydrolizy

•

Dodawanie i usuwanie grupy fosforanowej powoduje zmiany w

trzeciorzędowej

strukturze

enzymu

co

zmienia

jego

aktywność

katalityczną
Ufosforylowana forma enzymu może być albo mniej, albo bardziej

aktywna w porównaniu z jego formą defosforylowaną

•

Cykl

(fosforylacja/defosforylacja)

działa

jako

szybki

odwracalny

przełącznik włączający lub wyłączający szlak metaboliczny w zależności

od potrzeb komórki

Kontrola aktywności enzymatycznej

•

Aktywacja proteolityczna

– pewne enzymy są syntetyzowane jako

większe, nieaktywne formy prekursorowe o nazwie proenzymy lub
zymogeny

•

Aktywacja zymogenów polega na nieodwracalnej hydrolizie jednego lub
więcej wiązań peptydowych

•

Enzym trawienny (trypsyna) powstaje w trzustce jako zymogen
(trypsynogen), a dopiero w jelicie cienkim ulega aktywacji przez
rozszczepienie

specyficznych

wiązań

peptydowych

przez

enzym

enteropeptydazę, który jest wytwarzany tylko w jelicie

Aktywacja zymogenu

Klasyfikacja i nomenklatura enzymów

Początkowo nazwy enzymów tworzono przez dodanie końcówki

-aza

do nazwy substratu, na który działają:

• amylazy

- enzymy rozkładające wielocukier skrobię

• lipazy

- enzymy rozkładające tłuszcze

• proteinazy (proteazy)

- enzymy rozkładające białka

Pewne enzymy (np. trawienne) mają nazwy zwyczajowe - trypsyna, pepsyna

W celu ujednolicenia nazw enzymów opracowano system nazewnictwa

enzymów, uzgodniony międzynarodowo
(Enzyme Commission - EC)

System ten dzieli wszystkie enzymy na 6 głównych klas, opartych na typie

katalizowanej reakcji:

Klasyfikacja i nomenklatura enzymów

Numer

klasy

Nazwa klasy

Typ katalizowanej reakcji

Przykład

enzymu

1

Oksydoreduktazy

Przenoszenie elektronów

dehydrogenaza

2

Transferazy

Przenoszenie grup funkcyjnych

heksokinaza

3

Hydrolazy

Reakcje hydrolizy

(rozpad przy udziale H2O)

trypsyna

4

Liazy

Rozszczepianie wiązań C-C, C-O, C-N

(często tworzenie podwójnego

wiązania)

dekarboksylaza

5

Izomerazy

Przenoszenie grup w obrębie cząsteczki

izomeraza

6

Ligazy (syntetazy)

Tworzenie wiązań sprzężone z

hydrolizą ATP

karboksylaza

Klasyfikacja i nomenklatura

enzymów

Każdy enzym ma numer międzynarodowej klasyfikacji składający się z

czterech liczb oddzielonych od siebie kropkami

trypsyna

ma numer

(EC) 3.4.21.4

chymotrypsyna (EC) 3.4.21.1

Pierwsza liczba (3) oznacza klasę (hydrolaza)
Druga liczba (4) – podklasę (proteaza, która hydrolizuje wiązanie peptydowe)
Trzecia liczna (21) - pod-podklasę (proteaza serynowa)
Czwarta liczba (1 ) - kolejny numer enzymu przypisany do tej pod-podklasy

Każdy enzym ma też przypisaną mu nazwę systematyczną, np.

lipaza

to

Hydrolaza estrów glicerolowych

Wykorzystanie enzymów

Enzymy są wytwarzane wyłącznie przez żywe komórki, ale mogą działać poza
komórkami

Wiele enzymów wykorzystuje się na skalę przemysłową m.in. w: przemyśle

•

spożywczym (produkcja serów, pieczywa)

•

farmaceutycznym (produkcja antybiotyków, witamin)

•

chemicznym (produkcja proszków do prania)

•

tekstylnym

Enzymy (głównie mikroorganizmów) są wykorzystywane w wielu procesach
biotechnologicznych i ochronie środowiska (przy oczyszczaniu ścieków)

Dziękuję za uwagę