ENZYMY

Biokatalizator biorący udział w każdej reakcji chemicznej w każdym żywym organizmie.

• Stanowią największą i najbardziej wyspecjalizowaną grupę związków o charakterze białkowym.

• Są to białka proste lub złożone.

Enzym- swoisty katalizator danej reakcji

Większość reakcji biochemicznych zachodziłaby niezwykle wolno, gdyby nie udział enzymów.

Enzymy nie zmieniają końcowego składu mieszaniny reagującej ani stałej równowagi danej reakcji. Jedynie przyśpieszają osiągnięcie stałej równowagi w reakcji termodynamicznie możliwych

Klasy enzymów

Podstawową klasyfikacją enzymów jest typ i mechanizm katalizowanej przez nie reakcji. Każdy enzym posiada swój kod o postaci: EC XX.XX.XX.XX, GDZIE LITERY X OZNACZAJĄ CYFRY ARABSKIE. Symbol EC zaznacza, że dalsza część kodu to numer międzynarodowym katalogu enzymów (ang. Enzyme Commission, fr. Enzyme Catalogue)

1. Ksodoreduktazy- katalizują reakcje utleniania i redukcji.

2. Transferazy- katalizują reakcje przenoszenia grup funkcyjnych

3. Hydrolizy- katalizują reakcje rozpadu pod wpływem wody (hrydrolizay)

4. Liazy- Katalizują reakcje rozpadu bez udziału cząsteczek wody

5. Izomerazy- katalizują reakcje zmian położenia grup chemicznych chemicznych zachowaniem szkieletu.

6. Ligazy- katalizują reakcje tworzenia wiązań kowalencyjnych.

Kompartmentacja komórkowa enzymów

Enzymy, ich substraty i koenzymy nie występują zazwyczaj jednorodnie w obrębie komórki, lecz w jej określonych przestrzeniach, zwanych kompartmentami

Rozmieszczenie w komórce przykładowych, kluczowych dla jej funkcjonowania enzymów:

• Cytoplazma: aldolaza, izomeraza fosfoheksozowa, dehydrogenza mleczanowi, aminotransferaza alaninowa, dehydrogeneza sorbitolowa.

• Mitochondria: enzym cyklu kresa, oksydazy, dehydrogenaza glutaminianowa, aminotransferaza asparaginowa,

• ER: esterazy, reduktazy, acetylazy, GGTP

• Rybosomy: enzymy syntezy białek, ceruplazmina, cholinesferaza

• Lizosomy: protezy, fosfatazy, kolagenozy

Izoenzymy

Izoenzymy (izozymy) są to fizycznie odmienne formy tej samej aktywności katalitycznej, innymi słowy- białka o odmiennej strukturze, lecz katalizujące przebieg tej samej reakcji.

Poszczególne izoenzymy pojedynczej aktywności mogą występować w różnych kompartmentach subkomórkowych lub nawet w odmiennych typach komórek bądź tkanek, różniąc się dodatkowo powinowactwem do substratów.

Izoenzymy są produktami ekspresji blisko spokrewnionych genów

Centrum katalityczne

Enzymy posiadają zdolność przyłączania substratów miejscowego zwiększania ich stężenia, przez co przyśpieszają przebieg katalizowanej rekcji

Zazwyczaj cząsteczka białka enzymatycznego jest wielokrotnie większa (nawet o kilka rzędów wielkości) od cząsteczki substratu, co sugeruje istnienie ograniczonego obszaru- centrum katalityczne- bezpośrednio wiążącego substrat

Wszystkie formy enzymów, katalizujące określoną reakcję (lub typ reakcji), posiadają jednakową i uniwersalny mechanizm, występujący w całej przyrodzie. Związany jest z tym fakt, że reszty aminokwasowi istotne w procesie katalitycznym, jak również ich najbliższe otoczenie w cząsteczce enzymu, wykazują wysoką konserwatywność, zachowaną i utrwaloną w procesie ewolucji

Koenzymy

Obecność koenzymów wymaga generalnie enzymy katalizujące reakcje redox, przenoszenia grup, izomeryzacji i tworzenia wiązań kowalencyjnych (klasa EC 1,2,5 i6), nie potrzebują ich natomiast enzymy lityczne- hrydrolazy i liazy (EC 3i 4)

Prekursorami wielu koenzymów są witaminy głównie z grupy B. W zależności od przenoszonej grupy, koenzymy dzieli się na:

• Przenoszące proton: NAD(P)+, FMN,FAD,CoQ, kwas liponowy

• Przenoszące inne grupy: fosforany sacharydów, CoA, ,DPT PLP, koenzymy folianowe, biotyna, koenzymy kobalaminowe, kwas liponowy.

Funkcją enzymów jest:

• Obniżenie energii aktywacji tj. energii niezbędnej do osiągnięcia stanu aktywnego (przejściowego) cząsteczki, gdyż jedynie cząsteczki o podwyższonym poziomie energii swobodnej mogą uczestniczyć w reakcji

• By mogła mieć miejsce kataliza przy udziale enzymu- utworzenie kompleksy enzymu z substratem

• Substrat ulega związaniu w specyficznym rejonie enzymu przy udziale reaktywnych grup substratu reagujących z nim, grup funkcyjnych enzymu

• Grupy funkcyjne enzymu znajdujące się w określonym układzie przestrzennym wzajemnie ze sobą współdziałające w połączeniu substratów nazywamy centrum aktywnym enzymu

• Aminokwasy kontaktowe- odpowiednie ułożenie łańcucha- do siebie zbliżone są te aminokwasy, które delegują swoje grupy funkcyjne do centrum aktywnego. Wśród nich najważniejsze to: cysterna, seryna, kw glutaminowy, lizyna. Histydyna, arginina.

• Centrum aktywne enzymu zajmuje stosunkowo niewielkie objętości tj, mniej niż 1% objętości całego enzymu i znajduje się w zagłębieniu cząsteczki w miejscu niedostępnym dla cząsteczek wody.

• Pomimo, że centrum aktywne tworzy grupy polarne to samo zagłębienie ma charakter polarny tworzone przez takie aminokwasy jak walina, Lucyna i izoleucyna.

Podstawą reakcją enzymatycznej jest utworzenie kompleksu enzym- substrat (ES) enzym może tworzyć się:

A) gdy struktura substratu jest dopasowana do struktury centrum aktywnego enzymu, wówczas mówimy o tzw. teorii klucza i zamka.

B) Struktura enzymu i substratu nie są do końca sztywne i podlegają modyfikacji wynikającej z indukcji dopasowania się enzymu do substratu. Teorię tę nazywamy teorią Koszlanda inaczej teorią indukcyjnego dopasowania

WPŁYW ENZYMU NA SZYBKOŚĆ REAKCJI ENZYMATYCZNEJ

1. Stężenie enzymu- w warunkach nadmiaru substratu szybkość reakcji enzymatycznej jest wprost proporcjonalna do stężenia enzymu i do czasu reakcji.

2. Stężenie substratu - w warunkach niskich stężeń substratu obserwuje się nadmiar enzymu nad substratem (jedynie częściowe wysycenie enzymu susbatrtu). Reakcja przyśpiesza proporcjonalnie do zwiększenia stężenia substratu

Przy dalszym wzroście Stężenia substratu obserwuje się przyrost szybkości reakcji, lecz zależność ta nie jest wprost proporcjonalna. Wynika to z faktu, że coraz większa część cząsteczek enzymu jest wysycona substratem i tylko niektóre cząsteczki enzymu SA wolne i wchodzą po raz pierwszy w reakcje powodując jej przyśpieszenie.

Przy dalszym zwiększeniu stężenia substratu osiąga się, maxymalną szybkość reakcji (Max), przy której wszystkie cząsteczki enzymu są wysycane substratem

W reakcji mogą wejść tylko te cząsteczki, które uwalniają się dając produkt i enzym.

Każdy enzym charakteryzuje się wartością Km., jest to stała Michaelisa- Menten

Jest to takie stężenie substratu, przy którym szybkość reakcji równa się połowie szybkości maxymalną. Wartość Km mówi o powinowactwie enzymu do substratu i im wyższa wartość Km tym niższe powinowactwo i odwrotnie.

Równanie Lineweavera - Burka jest przekształceniem wzoru Michaelisa Menten

Przekształcenie to ma na celu uzyskanie równania o ogólnej postaci linii prostej (y= ax+b)

Wartość Km/Max (a) 1/V (b) są wielkościami stałymi, stąd zależność 1/v (y) od 1/ [S] (x) jest linią prostą, której nachylanie określa zawsze stosunek Km/V (współczynnik regresji a) i która przecina oś y, czyli 1/V) w punkcie wyznaczającym 1/Max.

Wykres ten nazywany jest wykresem podwójnym odwrotności lub wykresem Lineweavera-Burka. Z jego pomocą można określić Km wykorzystując albo nachylenie krzywej i odcinek na osi y albo odcinek na ujemnej części osi x. Technika podwójnych odwrotności wymaga stosunkowo niewielu punktów dla określenia Km i jest metodą najczęściej używana do wyznaczania Km.

Wpływ enzymu na szybkość reakcji enzymatycznej CD

3. Temperatura- ponieważ enzymy są wiałkami stąd też wraz ze wzrostem temperatury rośnie intensywność denaturacji tych białek, tzn ze wraz ze wzrostem temperatury maleje ilośc cząsteczek biorących udział w reakcji.

4) Wpływ pH- Każdy enzym posiada odpowiednie optimum pH swojego działania. Niewielkie odchylenie od optimum powodują zwolnienie szybkości reakcji. Wynika to stąd, że kony H+ bądź też OH- zmieniają stopień dysocjacji grup funkcyjnych enzymu.

Przy wyższych odchyleniach optimum pH następuje zniszczenie wiązań stabilizujących strukturę przestrzenną enzymu tym samym jego denaturacje.

Wartośc pH dla enzymu może zależeć od miejsca działania tego enzymu (np. pepsyna w soku żołądkowym- pH 2,2 trypsyna w jelicie 7,8) Wartość pH może zależeć od substratu czy też od różnych, kofaktorów uczestniczących w reakcji.

Czynniki hamujące reakcje chemiczne

1. Inaktywatory działające niespecyficznie. Najważniejsze to:

• Wysoka temperatura

• Skrajne odchylenie pH

• Metale ciężkie

• Rozpuszczalniki organiczne (etanol, benzen)

2. Inhibitory- grupa czynników działających specyficznie, czyli określone substraty działają na określone enzymy. Wśród inhibitorów wyróżniamy:

• Inhibitory działające nieodwrotnie- inhibitory działające nieodwracalnie tworzą wiązania kowalencyjne z enzymem i odwrócenie tego zjawiska jest wyjątkowo skomplikowane i wymaga specyficznych zabiegów.

• Inhibitory działające odwracalnie:

- inhibitory współzawodniczące (kompetencyjne)_

-inhibitory niewspółzawodniczące (nie kompetencyjne)

Inhibicja kompetycyjna - Polega na współzawodnictwie pomiędzy substratem i inhibitorem o centrum aktywne enzymu.

Zawsze substrat i inhibitor przyłączone są do centrum aktywnego. Inhibitor musi być strukturalnie podobny do substratu

Stopień zahamowania reakcji zależy od stosunku stężenia inhibitora do stężenia substratu. Inhibicję tę można cofnąć zwiększając stężenie substratu.

Inhibicja niekompetencyjna: Inhibitor może zarówno przyłączyć się do centrum aktywnego jak i w innym miejscu niż centrum aktywne. Zazwyczaj przyłącza się gdzieś indziej. Stopień zahamowania przy tym typie inhibicji zależy wyłącznie od stężenia substratu

Można ją cofnąć jedynie wprowadzając związek o wysokim powinowactwie do inhibitora. Związek ten uwolni enzym od inhibitora sam tworząc z nim połączenie.

ENZYMY ALLOSTERYCZNE (regulowane)

Posiadają oprócz centrum aktywnego drugie centrum tzw. allostryczne.

- Enzymy mogą być zbudowane z jednej podjednostki i wówczas w niej zlokalizowane są obydwa centra.

Lub

- Zbudowane jest, z co najmniej 2 podjednostek gdzie centrum aktywne jest umieszczone w podjednostce katalitycznej, centrum allosteryczne w podjednostce regulatorowej.

- Przyłącza efektora allosterycznego (od centrum allosterycznego). Następuje zmiana struktury wtórnej biała zwłaszcza 3-cio i 4-to rzędowej.

Zmiana struktury wtórnej w podjednostce regulatorowej pośrednio oddziaływają na strukturę podjednostki katalitycznej zmieniając centrum aktywne. Ten typ regulacji ma miejsce zarówno przy hamowaniu jak i aktywacji enzymów.

Jednym ze sposób regulacji aktywności enzymów opartym na efekcie allostercznym jest sprzężenie zwrotne.

Końcowy produkt ciągu reakcji jest efektorem allostercznym enzymu katalizującego pierwszą reakcję lub jedną z początkowych- efektor negatywny

Związek będący substratem, który gromadzi się w nadmiernych ilościach może być efektorem allostercznym pozytywnym dla wielu reakcji, które zaangażowane są w jego rozkład.

Wiele białek jest syntetyzowanych w postaci nieaktywnych prekursorów określanych jako POBIAŁKA

W przypadku, gdy białka te są enzymami ich pobiałka nazywane są PROENZYMAMI lub ZYMOGENAMI

Przekształcenie pobiałek w aktywne białka następuje w wyniku jedno lub kilkustopniowej swoistej proteolizy.

WIELE PROTEAZ WYDZIELA SIĘ W POSTACI NIEAKTYWNYCH PROENZYMÓW, CZYLI ZYMOGENÓW

Białka syntetyzowane w formie pobiałek są:

• Insulina (pobiałka=proinsulina)

• Enzymy trawienne: pepsyna, trypsyna chymotrypsyna (odpowiednie pobiałka, = pepsynogen, trypsynogen, chymotrypsynogen).

Jaka jest przyczyna syntezy niektórych białek w formie nieaktywnej?

Podczas gdy jedne biała są wykorzystywane organizmie stale, inne (np. enzymy krzepnięcia krwi i fibrynolizy) tylko czasami, ale wówczas enzymy te są potrzebne natychmiast.

Istniejące, proenzymy umożliwiają szybkie uruchomienie aktywnych form w momencie zapotrzebowania fizjologicznego.

Synteza de novo niezbędnych danym momencie białek, mogłaby przebiegać niewystarczająco szybko w stosunku do potrzeb organizmu indukowanych czynnikami chorobotwórczymi, np. utrata krwi.

Również sam proces wydzielania mógłby być zbyt wolny w stosunku do potrzeb.

Ponad 25% wszystkich enzymów zawiera silnie związany jon metalu, który jest niezbędny do ich aktywności.

W katalizie enzymatycznej funkcjonują trójskładnikowe kompleksy zawierając metal

• Enz-S-M kompleks z mostkiem utworzonym przez substrat

• M-Enz-S kompleks z mostkiem utworzonym przez enzym

• Enz-M-S kompleks z mostkiem utworzonym przez metal

AKTYWNOŚC KATALITYCZNA ENZYMÓW może być regulowana w różny sposób:

• Kompartmentacja enzymów- umiejscowienie swoistych procesów metabolicznych w cytozolu lub organellach komórkowych umożliwia ich niezależną regulację.

• Stężenie substratów, koenzymów, kationów może regulować aktywność enzymów

• Aktywność określonych enzymów regulują efektory allosteryczne

Aktywność katalityczna pewnych kluczowych w nadym szlaku metabolicznym enzymów- enzymów regulatorowych- jest modulowana za pomocą małocząsteczkowych efektorów allosterycznych, które na ogół nie wykazują podobieństwa do substratów lub koenzymów danego enzymu.

REGULACJA KLUCZOWYCH ENZYMÓW SSAKÓW MOŻE POLEGAĆ NA ICH ODWRACALNYCH MODYFIKACJACH KOWALENCYJNYCH (fosforyalcja lub defosforyalacja).

Fosforyzacji ulega swoista reszta Ser lub rzadziej Tyr z utworzeniem odpowiednio O- fosfoserynowej lub O- fosfo tyrozynowej pochodnej.

Mimo, że znamy mogą zawierać wiele reszt Ser lub Tyr, fosforylacji ma charakter wybiórczy i dotyczy tylko niektórych nich

Fosforyalcja defosforylacji katalizują odpowiednie Kinazy i fosfatazy białek

Regulacja przez fosforylację i defosforylacje zużywa ATP

Regulacja aktywności enzymów ssaków wyniku fosforylacji i defosforylacji obejmuje wiele białek oraz ATP lub inne trifosforany nukleozydów, a także jest bezpośrednio kontrolowana przez układ hormonalny i nerwowy

Regulacja aktywności enzymu w wyniku modyfikacji kowalencyjnej, polegającej na fosforylacji i defosforylacji.

---