Monika Kurpas
Gr. AUT2
Biotechnologia
KONSPEKT WYPOWIEDZI
Temat: Budowa enzymów. Ogólne informacje o enzymach.
ENZYMY JAKO BIAŁKA
Z reguły występuje 18 aminokwasów w różnym stosunku ilościowym, z którego nie wynikają żadne prawidłowości dla funkcji katalitycznej. Znacznie bardziej istotna jest sekwencja aminokwasów w łańcuchu peptydowym.
Pierwotna struktura białka ma decydujące znaczenie dla wytworzenia struktury wtórnej i trzeciorzędowej - kolejność i rodzaj aminokwasów w łańcuchu peptydowym determinuje sposób zwinięcia i jego trzeciorzędowe sfałdowania na mocy sił wiązań między atomami i grupami chemicznymi, które wynikają z danej kolejności aminokwasów. Zmiany warunków, a więc pH, rodzaju rozpuszczalnika, rodzaju jonów w roztworze i ich stężenia muszą wpływać na te wiązania, a tym samym i na wewnętrzną budowę cząsteczki białkowej. Istnieje więc duża plastyczność budowy drugo- i trzeciorzędowej przy zupełnej trwałości i nienaruszalności w tych warunkach struktury pierwotnej. Fakty te mają ogromne znaczenie dla wyjaśnienia biologicznych własności białek, przede wszystkim ich aktywności katalitycznej. Zmiana konformacji następuje podczas wiązania substratu z aktywnym centrum enzymu. Zmiany konformacji cząsteczki białkowej mogą mieć istotne znaczenie dla sprowadzenia grup chemicznych, niezbędnych do utworzenia centrum katalitycznego, w niezbędne do tego celu położenie. Koshland proponuje na tej zasadzie tłumaczenie swoistości centrum katalitycznego (teoria wzbudzonego dopasowania). Struktura czwartorzędowa umożliwia regulację funkcji katalitycznej enzymów i ulega zmianom podczas aktu katalizy. Struktura czwartorzędowa zmienia się również podczas dołączania związków drobnocząsteczkowych (ligandów), takich jak: substraty, koenzymy, aktywatory i inhibitory.
ENZYMY JAKO KATALIZATORY
W zasadzie wszystkie enzymy są białkami, aczkolwiek zidentyfikowano pewne RNA czynne katalitycznie.
W nieobecności enzymu reakcja może zachodzić niezwykle wolno, natomiast w jego obecności szybkość reakcji znacznie wzrasta, nawet 107 razy. Reakcje katalizowane przez enzymy zazwyczaj przebiegają we względnie łagodnych warunkach (temperatura poniżej 100ºC, ciśnienie atmosferyczne, obojętne pH) - w porównaniu z warunkami odpowiednich niekatalizowanych reakcji chemicznych. Enzymy są wysoce specyficzne względem substratów, na które działają i produktów, które tworzą. Poza tym aktywność enzymatyczna może być regulowana, zmieniając się w zależności od stężenia substratów lub innych cząsteczek. Enzym katalizujący pierwszy etap szlaku biosyntetycznego jest zazwyczaj hamowany produktem końcowym tego szlaku. Enzymy są również kontrolowane przez białka regulacyjne, które mogą działać stabilizująco lub hamująco, np. kalmodulina - czujnik wapnia w organizmie. Trzecim mechanizmem regulacji aktywności enzymu jest modyfikacja kowalencyjna. Wiele enzymów jest kontrolowanych przez odwracalne dołączenie grup fosforanowych do specyficznych reszt seryny i tyrozyny (fosforylacja).
INHIBICJA ENZYMÓW
W inhibicji nieodwracalnej inhibitor łączy się kowalencyjnie z enzymem lub wiąże się z nim tak silnie, że jego dysocjacja jest bardzo powolna. Inhibicję odwracalną charakteryzuje szybka dysocjacja kompleksu enzym - inhibitor.
Inhibicję kompetencyjną można przezwyciężyć zwiększając stężenie substratu.
Inhibicji niekompetencyjnej nie można przezwyciężyć przez zwiększenie stężenia substratu.
MIEJSCE AKTYWNE
Ukierunkowujący charakter wiązań wodorowych między enzymem i substratem często wymusza wysoki stopień specyficzności. Po przekształceniu substratu początkowo w stan przejściowy, a następnie w produkt, uwolniony enzym może związać kolejną cząsteczkę substratu i rozpocząć nowy cykl katalityczny.
Model klucza i zamka
Kształt substratu i aktywnego miejsca enzymu miałyby pasować do siebie jak klucz do zamka. Oba kształty są uważane za sztywne, utrwalone i idealnie do siebie pasujące po odpowiednim zestawieniu.
Model indukowanego dopasowania
Związanie substratu indukuje zmianę konformacyjną w aktywnym miejscu enzymu. Poza tym enzym może zniekształcić substrat wymuszając w nim konformację podobną do stanu przejściowego.
Różne enzymy wykazują cechy charakterystyczne dla obu modeli, a więc pewną komplementarność i pewne zmiany konformacji.
SPECYFICZNOŚĆ SUBSTRATOWA
Proteazy serynowe - trypsyna, chymotrypsyna oraz elastaza rozszczepiają wiązania peptydowe w substratach białkowych po stronie karboksylowej, odpowiednio - naładowanych dodatnio, aromatycznych i małych bocznych łańcuchów reszt aminokwasów, dzięki komplementarności reszt w aktywnych miejscach enzymów.
Różna specyficzność tych enzymów jest narzucona przez charakter grup aminokwasów w miejscach wiązania substratu, komplementarnych względem substratu, na który działają.
KLASYFIKACJA ENZYMÓW
Niektóre enzymy mają też nazwy nie odnoszące się do ich substratów (nazwy zwyczajowe), np. trypsyna i chymotrypsyna.
KOENZYMY I GRUPY PROSTETYCZNE
Wiele koenzymów pochodzi z prekursorów, jakimi są witaminy pobierane z pokarmem, których niedobór powoduje określone choroby. Szeroko rozpowszechnionymi koenzymami biorącymi udział w reakcjach oksydoredukcyjnych, są: dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy (NAD+), fosforan dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego (NADP+), dinukleotyd flawinoadeninowy (FAD) i mononukleotyd flawinowy (FMN).
Kofaktorami może być jeden lub więcej jonów nieorganicznych, np. Zn2+, lub Fe2+ albo złożona cząsteczka organiczna o nazwie koenzym (np.cukry, nukleotydy, barwniki). Taki metal lub koenzym, który jest kowalencyjnie związany z enzymem, nazywa się grupą prostetyczną (np. hem w hemoglobinie). Pewne koenzymy, takie jak NAD+, są wiązane i uwalniane przez enzym w czasie jego cyklu katalitycznego i dlatego działają one właściwie jako kosubstraty.
OZNACZANIE ENZYMÓW
Szybkość zmiany absorbancji jest proporcjonalna do aktywności enzymu wyrażonej w molach zużytego substratu (lub wytworzonego produktu) w jednostce czasu.
Jeśli więc w przebiegu reakcji zostaje wytworzony NADH lub NADPH, nastapi odpowiedni wzrost absorbancji przy 340 nm (w obszarze ultrafioletu), a jeśli reakcja dotyczy utleniania NADH do NAD+ lub NADPH do NADP+, wystąpi odpowiedni spadek absorbancji, ponieważ te utlenione formy nie absorbują promieniowania przy 340 nm.
IZOENZYMY
Izoenzymy są różnymi formami danego enzymu, które katalizują tę samą reakcję, ale wykazują odmienne właściwości fizyczne lub kinetyczne. (Takie jak punkt izoelektryczny, optimum pH, powinowactwo do substratu lub wrażliwość na inhibitory).
Różne formy izoenzymów danego enzymu pochodzą zazwyczaj z różnych genów i często występują w różnych tkankach ciała. Wzór izoenzymów jest charakterystyczny dla danej tkanki, co ma ogromne znaczenie diagnostyczne w medycynie.
Izoenzymy dehydrogenazy mleczanowej (LDH) można rozdzielić elektroforetycznie, co stanowi na przykład podstawę klinicznej diagnozy zawału mięśnia sercowego. Zawał mięśnia sercowego, żółtaczka zakaźna i choroby mięśni powodują w uszkodzonej tkance śmierć komórek, których zawartość przedostaje się do krwi. Ponieważ LDH jest rozpuszczalnym białkiem cytozolowym, łatwo zostaje w tych warunkach uwolniona do krwi, która normalnie zawiera mało LDH. Dlatego też wzór izozymów LDH we krwi wskazuje, z której tkanki izozymy pochodzą, i można go użyć do postawienia diagnozy, np. zawału mięśnia sercowego, oraz do monitorowania przebiegu leczenia.