1. Enzymy jako biokatalizatory (definicja )

Enzymy - wielkocząsteczkowe, w większości białkowe katalizatory przyspieszające specyficzne reakcje chemiczne poprzez obniżenie ich energii aktywacji. Niemal wszystkie reakcje chemiczne związane z funkcjonowaniem organizmów żywych (a także wirusów) wymagają współudziału enzymów, by osiągnąć wystarczającą wydajność. Enzymy są wysoce specyficzne wobec substratów i wobec tego dany enzym katalizuje zaledwie kilka reakcji spośród wielu możliwych dla danych substratów. W ten sposób enzymy determinują procesy metaboliczne i biochemiczne związane z funkcjonowaniem organizmów żywych.

2. Wstępne pojęcia termodynamiczne:

Reakcja egzoergiczna - przebiega z uwalnianiem energii, zachodzą spontanicznie w kierunku A+B->C+D tak długo, aż (delta)G osiągnie wartość zerową

Reakcja Endoergiczna - przebiega z pobieraniem energii i nie zachodzi spontanicznie

Reakcja egzotermiczna - reakcja chemiczna, która ma dodatni bilans wymiany ciepła z otoczeniem. Można też powiedzieć, że jest to reakcja, w której ciepło znajduje się po stronie produktów, albo inaczej która emituje ciepło.

Reakcja endotermiczna - reakcja chemiczna, która posiada ujemny bilans wymiany ciepła z otoczeniem. Można też powiedzieć, że jest to reakcja, w której ciepło znajduje się po stronie substratów, albo inaczej która pochłania ciepło z otoczenia.

Reakcja egzoenergetyczna - reakcja chemiczna lub jądrowa, w wyniku której wyzwala się do otoczenia energia w dowolnej postaci. Np. efektem egzoenergetycznej reakcji elektrolitycznej, która zachodzi w ogniwie galwanicznym, jest generowanie energii w postaci siły elektromotorycznej. Reakcji egzoenergetycznej nie należy mylić z reakcją egzotermiczną, która może, lecz nie musi być procesem egzoenergetycznym (nie będzie nim, jeśli praca sił zewnętrznych przewyższy ciepło oddane przez układ do otoczenia, co wynika z pierwszej zasady termodynamiki).

Reakcja endoenergetyczna - reakcja chemiczna, która pochłania energię z otoczenia w dowolnej postaci. Np. efektem endoenergetycznej reakcji elektrolitycznej, która zachodzi w trakcie ładowania ogniwa galwanicznego, jest pobór energii elektrycznej. Reakcji endoenergetycznej nie należy mylić z reakcją endotermiczną, która może, lecz nie musi być procesem endoenergetycznym (nie będzie nim, jeśli praca wykonana przez układ reagujący przewyższy wartość ciepła pobranego przez ten układ z otoczenia; stwierdzenie to jest prostą konsekwencją pierwszej zasady termodynamiki).

Prawo działania mas - Szybkość reakcji chemicznej jest proporcjonalna do efektywnego stężenia wszystkich uczestniczących w niej reagentów.

Jest to fundamentalne prawo, stanowiące podstawę współczesnej kinetyki chemicznej i wszelkich obliczeń uwzględniających fakt występowania równowagi reakcji chemicznych.

Prawo to na poziomie molekularnym wynika z faktu, że szybkość reakcji zależy od liczby efektywnych zderzeń reagujących ze sobą indywiduów chemicznych w jednostce czasu. Fundamentem prawa działania mas jest przyjęcie założenia, że prawdopodobieństwo efektywnego zderzenia się reagujących indywiduów chemicznych nie zależy od tego co działo się z nimi wcześniej, lecz wyłącznie od ich liczby w jednostce objętości i średniej energii kinetycznej ich ruchu.

Stała równowagi chemicznej - współczynnik opisujący stan równowagi odwracalnych reakcji chemicznych. Stała ta jest równa ilorazowi reakcji w stanie doskonałej równowagi, t.j. w sytuacji gdy szybkość reakcji w stronę od substratów do produktów i od produktów do substratów jest dokładnie taka sama.
Zgodnie z prawem działania mas Guldberga-Waagego, dla reakcji:

mA + nB = pC + qD

wyrażenie na stałą równowagi ma postać:

gdzie nawiasy kwadratowe oznaczają stężenia molowe w przypadku roztworów lub molowe ciśnienia cząstkowe w przypadku gazów w stanie idealnej równowagi.
Energia swobodna - w termodynamice, część energii układu fizycznego, która może być przekształcona w pracę. W szczególności do energii swobodnej zaliczamy:

• energię swobodną Helmholtza - część energii całkowitej układu, która może być zamieniona na pracę w procesie o stałej temperaturze,

• entalpię swobodną - część energii całkowitej układu, która może być zamieniona na pracę w procesie o stałej temperaturze i ciśnieniu.

Energia aktywacji jest - podawaną często w przeliczeniu na 1 mol substancji - wielkością bariery energetycznej (w skali mikroskopowej - bariera potencjału), którą musi pokonać układ reagujących indywiduów chemicznych, aby doszło do reakcji chemicznej.
Energię aktywacji dla reakcji można wyznaczyć na podstawie równania Arrheniusa, znając szybkość reakcji w różnych temperaturach:

gdzie:

• k - stała szybkości reakcji

• A - stała dla danej reakcji, zwana też czynnikiem przedwykładniczym

• R - (uniwersalna) stała gazowa

• T - temperatura

Zachodzi więc bezpośredni związek między energią aktywacji i szybkością reakcji: im E_a mniejsze, tym szybkość ta większa. Katalizatory obniżają energię aktywacji przez tworzenie kompleksów przejściowych z substratami. Oprócz tego energia ta jest zależna od wielu czynników.

Entropia - termodynamiczna funkcja stanu, określająca kierunek przebiegu procesów spontanicznych (samorzutnych) w odosobnionym układzie termodynamicznym. Entropia jest miarą stopnia nieuporządkowania układu. Jest wielkością ekstensywną^[1]. Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, jeżeli układ termodynamiczny przechodzi od jednego stanu równowagi do drugiego, bez udziału czynników zewnętrznych (a więc spontanicznie), to jego entropia zawsze rośnie. Pojęcie entropii wprowadził niemiecki uczony Rudolf Clausius.

Entalpia - termodynamiczna funkcja stanu, określająca kierunek przebiegu procesów spontanicznych (samorzutnych) w odosobnionym układzie termodynamicznym. Entropia jest miarą stopnia nieuporządkowania układu. Jest wielkością ekstensywną^[1]. Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, jeżeli układ termodynamiczny przechodzi od jednego stanu równowagi do drugiego, bez udziału czynników zewnętrznych (a więc spontanicznie), to jego entropia zawsze rośnie. Pojęcie entropii wprowadził niemiecki uczony Rudolf Clausius.

3. Mechanizm katalizy enzymatycznej na przykładzie lizozymu

Polega na hydrolizie wiązania b-1,4-glikozydowych między cząst NAM (kw N-acetylomuzaminowy) a NAG (acetyloglukozamina) - po prostu zaszczepienie glikozydów muzaminowych występujących w otoczkach bakterii; Atom tlenu z wiązania glikozydowego zostaje przy NAG, a NAM otrzymuje OH z cząsteczki wody. Proces przebiega zgodnie z mechanizmem substytucji nukleofilowej, biegnącej z utworzeniem karbokationu płaskiej trójkątnej strukturze a atomem C1 w NAM - hybrydyzacja sp3 - tylko takie okdształcenie pierścienia glukopitanozowego pozwala na aktywność katalityczna lizozymu w jego miejscu aktywnym. pH=5 ;Bakterie gram ujemne - bardziej odporne

4. Specyficzność katalizy enzymatycznej:

· specyficzność działania - każdy enzym katalizuje ściśle określoną reakcję chemiczną, dotyczącą określonego substratu i określonych warunków

· specyficzność wobec substratu:

• absolutna - enzym może przekształcać tylko 1 związek jako substrat

• grupowa - enzym może przekształcić kilka związków jako substraty

• stechiometryczna - specyficzność stosunku do szeregu L lub D, so izomerii cis lub trans, do wiązania alfa lub beta, do miejsca ataku (miejsce wiązania rozkładowego)

5. Podział i nomenklatura enzymów

6. Izoenzymy i heteroenzymy

Izoenzymy - fizycznie odmienne formy o tej samej aktywności katalitycznej. Mogą występować w różnych tkankach tego samego organizmu w różnych typach komórek lub w subkomórkowych kompartymentach. Mogą różnić się ciężarem cząsteczkowym i ruchlowościa elektroforetyczną. Oznaczanie izoenzymów ma znaczenie diagnostyczne - mogą być charakterystyczne narządowo.

Heteroenzymy -

7. Jednostki enzymatyczne

• jednostka standardowa (U) - taka ilość enzymu która katalizuje przemianę 1 mikromola substratu w ciągu 1 minuty w optymalnych warunkach

• katal (kat) - taka aktywność enzymu, która przekształca 1 mol substratu w ciągu 1 sek.

• Aktywność właściwa - liczba U pezypadjąca na 1 mg białka, określa stopień czystości preparatów enzymatycznych

8. Typy budowy centrów aktywnych

-miejsce wiązania substratu - grupy pomocnicze (kontaktowe)

-miejsce katalityczne - grupy katalityczne

9. Kinetyka enzymatyczna - zajmuje się zagadnieniami związanymi z szybkościa i mechanizmem reakcji; szybkość reakcji V mierzymy zmianą stężenia c reagujących substancji w jednostce czasu.

10. Co to jest i o czym stanowi stała Michaelisa?

Jest to takie stężenie , przy którym szybkość reakcji równa się połowie szybkości maksymalnej. Jest wartościa charakterystyczna dla każdego enzymi w odpowiednich warunkach pH i temperatury. Określa powinowactwo enzymu do substratu.

11. Wpływ różnych czynników na aktywność enzymu i szybkość reakcji

enzymatycznej:

· temperatura- wzrost temp o 10 stopni podwaja prędkość reakcji;

· optimum pH,

· stężenie enzymu,

· stężenie substratu,

· aktywatory - jony niektórych metali, związki wielkocząsteczkowe o charakterze białkowym, drobnocząsteczkowe połączenia org usuwające wpływ związków hamujących; inhibitory - kompetycyjne, niekompetycyjne, akompetycyjne

12. Typy hamowań enzymatycznych

13. Koenzymy a grupy prostetyczne - koenzym jest związany z apoenzymem luźnymi wiązaniami, natomiast grupa prostetyczna mocnymi.

Koenzymy sa przenosnikami dostarczajacymi substraty dla enzymu. Nie tworza trwalych wiazan z enzymem. Np. koenzym A, koenzym Q.

Grupy prostetyczne sa niebialkowymi czasteczkami trwale zwiazanymi z bialkiem przez wiazania kowalencyjne. Moga brac udzial w reakcjach enzymatycznych wiazac sie czasowo z substratem. Np. hem, cynk, magnez.

14. Koenzymy witaminowe i ich udział w przemianach

15. Budowa, podział i funkcja koenzymów:

1. koenzymy przenoszące wodór

· dinukleotyd nikotynamidoadeninowy (NAD) - wzór

· fosforan dinukleotydu nikotynamidoadeninowego (NADP) - wzór

· mononukleotyd flawinowy (FMN) - wzór

· dinukleotyd flawinoadeninowy (FAD) - wzór

· koenzym Q

· kwas liponowy

2. koenzymy przenoszące grupy atomów:

· adenozynotrifosforan (ATP) - wzór

· cytydynodifosforan (CDP) - wzór

· urydynodifosforan (UDP) - wzór

· aktywny siarczan PAPS

· S-adenozynometionina (aktywny metyl)

· biotyna - wzór

· koenzym A - wzór

· pirofosforan tiaminy

· fosforan pirydoksalu - wzór

· kwas tetrahydrofoliowy FH4

16. Enzymy o znaczeniu diagnostycznym (sekrecyjne, ekskrecyjne,

wskaźnikowe)

sekrecyjne - wydzielane do łożyska naczyniowego (cholinesteraza, proteza układu krzepnięcia i fibrynolizy)

eksrecyjne - wydzielane np. do światła przewodu pokarmowego (amylaza, lipaza)

wskaźnikowe - wewnątrzkomórkowe- ich aktywność rośnie w czasie uszkodzenia komórek (AST,ALT,LDH,CK)

---