WYDZIAŁ NAUK O ŻYWNOŚCI I RYBACTWA

CENTRUM BIOIMMOBILIZACJI I INNOWACYJNYCH

MATERIAŁÓW OPAKOWANIOWYCH

ENZYMOLOGIA  

Kierunek:  

Technologia  Żywności    

i  Żywienie  Człowieka  

semestr  I        

Wykład  3  

Nomenklatura,  podział  I  czynniki  

regulujące  kinetykę  procesów  

enzymatycznych

 

Zakres  materiału  ENZYMOLOGIA  

1.  Biochemia,  Autor:  Jeremy  Berg,  Lubert  Stryer,  John  L.  Tymoczko,    

PWN  Warszawa  (2005)  

Rozdziały:  

8.  Enzymy::  podstawowe  pojęcia  i  kinetyka    

9.  Strategie  katalityczne    

10.  Strategie  regulacyjne::  enzymy  i  hemoglobina    

2.  Ćwiczenia  z  enzymologii  i  technik  biochemicznych.  Bartoszewska,  Niziołek,  

Paszowski,  Wydawnictwo  SGGW  

3.  Handbook  of  Food  Enzymology  –  ed.  John  R.  Whitaker  et  al.,  CRC  Press;  (2002)  

4.  Enzymes  in  Food  Technology  -­‐  ROBERT  J.  WHITEHURST,    BARRY  A.    

 LAW,  Editors  Sheffield  Academic  Press  CRC  Press  (2002)    

3.  Food  chemistry  -­‐  Hans-­‐Dieter  Belitz,  Werner  Grosch,  Peter    

 Schieberle,  Springer  (2004)  

Nomenklatura  EC:  
Każdy   enzym   jest   opisany   przez   ciąg   czterech   segmentów   cyfr,   oddzielonych   od   siebie  

kropką,  poprzedzonych  literami  "EC"  (Enzyme  Commission  lub  Enzyme  Catalogue):    
EC  x.xx.xx.xx.  

Pierwsza  cyfra  dzieli  enzymy,  według  mechanizmu  reakcji  przez  nie  katalizowanych  
Następne  liczby  numeru  EC  oddzielone  kropkami  klasyfikują  dany  enzym  odpowiednio  do  
podklasy   i   podpodklasy,   natomiast   ostatnia   liczba   określa   miejsce   enzymu   w  

podpodklasie.  

Nazewnictwo  enzymów  

Nomenklatura  i  systematyka  enzymów  
1961  –pierwsze  podstawowe  zasady  nomenklatury  i  klasyfikacji  enzymów  przez  Komisję  

Enzymatyczną   powołaną   przez   Międzynarodową   Unię   Biochemiczną   i   Biologii  
Molekularnej  (IUBMB)  w  1955r  

1972   Komitet   Nazewnictwa   (ang.   Nomenclature   Commihee)   Międzynarodowej   Unii  

Biochemii   i   Biologii   Molekularnej   w   latach   1956-­‐1972   opracował   dla   enzymów  
nomenklaturę  naukową  –  numer  EC.    

1992  –  Nomenklatura  enzymów  wydana  przez  Komitet  Enzymowy  (NC)  IUBMB  –  pozycja  

książkowa  

Nazewnictwo  zwyczajowe  
W   nazewnictwie   enzymów   zaleca   się   stosowanie   numeru   EC,   jednak   dopuszcza   się  

stosowanie  nazw  zwyczajowych  z  przyrostkiem  -­‐aza,  gdzie  pierwszy  człon  określa  reakcję,  
a  drugi  jej  substrat  

Enzymy  dzieli  się  na  6  grup  (mechanizm  reakcji…):  
EC  1  oksydoreduktazy:  katalizują  reakcje  utleniania  i  redukcji,  
EC  2  transferazy:  przenoszą  grupy  funkcyjne,  
EC  3  hydrolazy:  katalizują  hydrolizę  różnych  wiązań,  
EC  4  liazy:  rozcinają  różne  wiązania  na  drodze  innej  niż  hydroliza  czy  utlenianie,  
EC  5  izomerazy:  katalizują  zmiany  izomeracyjne  cząsteczek,  
EC  6  ligazy:  łączą  cząsteczki  wiązaniami  kowalencyjnymi.  

Nazewnictwo/klasyfikacja  enzymów  EC  

•  EC1  

oksydoreduktazy

     -­‐  AH

2

 +  B  →  A  +  BH

2

;  

•  EC2  

transferazy

 

 -­‐  AB  +  C  →  A  +  BC;  

•  EC3  

hydrolazy

   

 -­‐  AB  +  H

2

O  →  A  +  B;  

•  EC4  

liazy

 

 

 -­‐  AB  →  A  +  B;  

•  EC5  

izomerazy

   

 -­‐  AB  →  BA;  

•  EC6  

ligazy

 

 

 -­‐  A  +  B  →  AB;  

Enzymy   katalizujące   reakcje   oksydoredukcyjne,   polegające   na   przenoszeniu   elektronów,  
protonów  lub  polegające  na  bezpośrednim  włączaniu  tlenu  do  substratu.  

Klasa  ta  obejmuje  następujące  grupy  enzymów  

•  Dehydrogenazy  –  odwodorowanie,  utlenianie  przenośniki  e

-­‐

 i  H

+

 -­‐  NAD

+

,  FAD  

•  Reduktazy  –  redukcja  przenośniki  e-­‐  i  H+  -­‐  NADP+,  FAD,  ferredoksyna,  cytochromy  
•  Oksydazy  
•  Peroksydazy  

•  Oksygenazy  (a)  i  hydroksylazy  (b)  

Oksydoreduktaza  β-­‐D-­‐glukoza:  tlen  –  nazwa  systematyczna  
Oksydaza  glukozy  –  nazwa  potoczna  

EC1.1.3.4  –  numer  klasyfikacyjny  
4-­‐kolejność  w  podklasie  

3-­‐akceptor:  tlen  
1-­‐utleniana  grupa  w  donorze:  CH-­‐OH  
1-­‐klasa  enzymu  (oksydoreduktaza)  

Zastosowanie  oksydoreduktaz:  

•  Do  usuwania  glukozy  i  tlenu  z  opakowań  
•  Do  stabilizacji  piwa,  win,  soków  
•  Do  odcukrzania  masy  jajowej  przed  suszeniem  

•  Do  oznaczania  ilościowej  glukozy  

1.  OKSYDOREDUKTAZY  

1.  Klasa   ta   obejmuje   enzymy   katalizujące   przeniesienie   grup   chemicznych   pomiędzy  

poszczególnymi  związkami  i  to  zwykle  przy  udziale  specyficznych  koenzymów.  

2.  W  zależności  od  rodzaju  przenoszonych  grup  lub  rodników  wyróżniamy  m.in.:  

-­‐  Aminotransferazy:  przenoszą  grupą  aminową-­‐NH

2

 

-­‐  Fosfotransferazy  (kinazy):  przenoszą  grupy  fosforanowe  z  udziałem  ATP  
-­‐   Metylotransferazy:  przenoszą  grupę-­‐CH

3

 

-­‐   Glikozylotransferazy:  przenoszą  grupy  cukrowe  

-­‐  Acylotransferazy:  przenoszą  grupy  acylowe  2,4,6-­‐węglowe  

6-­‐fosfotransferaza  ATP  -­‐  enzym  katalizujący  przeniesienie  fosforanu  z  ATP    
na  grupę  hydroksylową  przy  6  at.  węgla  

D-­‐heksoza  –  nazwa  systematyczna  
Heksokinaza  –  nazwa  potoczna  

EC  2.7.1.1  –  numer  klasyfikacyjny  
1-­‐  kolejność  w  podklasie  

1-­‐  grupa  akceptorowa:  grupa  alkoholowa  
7-­‐  przenoszona  grupa:  grupa  zawierająca  fosfor  

2-­‐  klasa  enzymu  

2.  TRANSFERAZY  

1.  Enzymy  katalizujące  reakcję  hydrolizy,  czyli  rozkładu  wiązań  z  udziałem  cząsteczki  wody.  
2.  Jest  to  jedna  klasa  enzymów,  która  nie  wymaga  obecności  koenzymów  

3.  W  zależności  od  rodzaju  atakowanych  wiązań  rozróżniamy  hydrolazy  m.in.:    

-­‐   Etsterazy  -­‐  rozkładające  wiązania  estrowe  

-­‐   Lipazy  (hydrolazy  estrów  karboksylowych)  
-­‐   Fosfatazy  (hydrolazy  monoestrów  fosforanowych)  
-­‐   Glikozydazy  -­‐  hydrolizujące  wiązania  glikozydowe  -­‐  np.  amylazy,  celulazy  

-­‐   Peptydazy  -­‐  Hydrolizujące  wiązania  peptydowe  –  np.  trypsyna,  pepsyna,  chymotrypsyna  
-­‐   Amidohydrolazy  -­‐  rozkładające  wiązanie  C-­‐N  inne  niż  peptydowe  np.  w  amidach  

Galaktohydrolaza β-D-galaktozydu – nazwa systematyczna
β-D-galaktozydaza, laktaza – nazwa potoczna

EC  3.2.1.23  
23-­‐kolejność  w  podklasie  

1-­‐hydrolizowane  wiązanie  dokładniej  O-­‐  lub  S-­‐glikozylowe  
2-­‐hydrolizowane  wiązanie:  wiązanie  glikozydowi  

3-­‐klasa  enzymu  

3.  HYDROLAZY  

LAKATAZA  
•  produkcja  mleka  przy  nietolerancji  laktozy,  hydroliza  

laktozy  do  glukozy  i  galaktozy  

•  polepsza  rozpuszczalność,  zmniejsza  koncentrację  

sacharydów  w  produktach  koncentratów  z  mleka  i  
serwatki  (łatwa  produkcja  lodów,  deserów)  

•  glukoza  słodsza  od  laktozy  
•  rozkład  glukozy  przyspiesza  fermentację  mleka  w  

technologii  napojów  fermentowanych,  twarogów,  

serów  

3.  HYDROLAZY  

(cz.  II)  

SACHARAZA  
inwertaza  (sacharaza,  β-­‐fruktofuranozydaza)  

hydrolizuje  wiązanie  α-­‐1,4-­‐glikozydowe  i  powstaje  α-­‐D-­‐glukoza  i  β-­‐D-­‐fruktoza  
•  produkcja  cukru  inwertowanego  

•  otrzymywanie  fruktozy  

Fruktoza:  

•  najlepiej  rozpuszczalna  w  wodzie  –  słodzenie  soków  (nie  krystalizuje  w  czasie  
przechowywania)  

•  higroskopijna  –  zapobiega  utracie  wilgoci  z  żywności,  np.  owoce  kandyzowane  
•  syropy  fruktozowe  (dla  diabetyków)  

Enzymy  katalizujące  odwracalne  lub  nieodwracalne  rozerwanie  różnych  wiązań  bez  udziału  
wody,  przy  czym  z  substratu,  na  który  działa  enzym,  odłączane  są  pewne  grupy  (np.  CO

2

,  

H

2

O,  NH

3

,  aldehydy).

 

Ze  względu  na  rodzaj  rozszczepianych  wiązań  wyróżniamy  m.in.  liazy:

 

-­‐  dekarboksylazy  -­‐  rozrywające  wiązanie  C-­‐C  -­‐–  uwalniają  CO

2

 z  substratów

 

-­‐  aldolazy  –  uwalniają  aldehydy  z  substratu

 

-­‐  dehydratazy  -­‐  działające  na  wiązanie  C-­‐O  –  odłączają  cząsteczkę  wody

 

-­‐  hydratazy  –  przyłączają  i  odłączają  cząsteczkę  wody

 

-­‐  deaminazy  -­‐  rozszczepiające  wiązanie  C-­‐N  –  odłączają  NH

3

 

Do  klasy  tej  należą  SYNTAZY,  które  nie  wymagają  nakładu  energii  do  syntezy  wiązań.

 

PRZYKŁAD:

 

karboksyliaza  2-­‐oksokwasów

 

dekarboksylaza  pirogronianowa

 

EC  4.  1.  1.  1.  –  numer  klasyfikacyjny  
1  -­‐  kolejność  w  podklasie

 

1  -­‐  odszczepiana  grupa:  grupa  COO

-­‐

 

 

1  -­‐  rozszczepiane  wiązanie:  wiązanie  C-­‐C

 

4  -­‐  klasa  enzymu

 

4.  LIAZY

 

!

1.  Klasa  enzymów  katalizujących  przekształcenia  wewnątrzcząsteczkowe.    
2.  Może  to  być  przegrupowanie  atomów  bądź  grup.  

3.  Skład  chemiczny  związku  nie  ulega  zmianie.  

Należą  tutaj  enzymy  katalizujące  różne  reakcje  izomeryzacji,  m.in.:  

-­‐  racemazy   i   epimerazy   –   odpowiedzialne   za   zmianę   konfiguracji   przy   węglu  

asymetrycznym  (wzajemne  przekształcenia  konfiguracji  L  i  D  lub  formy  α  i  β)  

-­‐  mutazy  –  odpowiedzialne  za  przemieszczenie  grup  wewnątrz  cząsteczki  
-­‐   izomerazy  cis-­‐trans  –  izomeria  geometryczna  (cis-­‐trans)  

-­‐   izomerazy   odpowiedzialne   za   wewnątrzcząsteczkowe   przemiany   oksydoredukcyjne  

(przesunięcie  atomów  H+)  

PRZYKŁAD:  
ketolo-­‐izomeraza  D-­‐ksylozy  

izomeraza  ksylozowa  (glukozowa)  

EC  5.  3.  1.  5.  –  numer  klasyfikacyjny  

5  -­‐  kolejność  w  podpodklasie  
1  -­‐  przekształcenie:  przemiana  aldoza  –  ketoza  

3  -­‐  typ  przekształcenia:  przegrupowanie  atomów  H  
5  -­‐  klasa  enzymu  

5.  IZOMERAZY

 

!

1.  Enzymy  (pot.  syntetazy)  katalizujące  syntezę  –  powstanie  nowych  wiązań:  C-­‐O,  C-­‐S,  C-­‐N,  C-­‐C.  
2.  Wszystkie  reakcje  katalizowane  przez  ligazy  zachodzą  z  udziałem  ATP  lub  innego  związku  

makroergicznego.  

Syntetazy  katalizujące  dołączenie  do  substratu  CO

2

 –  nazywamy  potocznie  karboksylazami.  

PRZYKŁAD:  

ligaza  octan:  CoA  (AMP)  
syntetaza  acetylo-­‐CoA  

EC  6.  2.  1.  1.  –  numer  klasyfikacyjny  

1  -­‐  kolejność  w  podklasie  
1-­‐  substraty  syntezy:  kwas  -­‐  vol    

2  -­‐  powstające  wiązanie:  C-­‐S  
6  -­‐  klasa  enzymu  

6.  LIGAZY

 

!

Ligaza  DNA  

PORÓWNANIE  KATALIZY  I  BIOKATALIZY  

PORÓWNYWANY

CZYNNIK

BIOKATALIZA

KATALIZA

temperatura

Duże ograniczenie,

potrzeba ścisłego

kontrolowania warunków

Duży zakres temperatur

stosowanych, mniej wrażliwe

na zmiany warunków

pH

wrażliwość na zatrucia

mniejsza

(trucizny, inhibitory)

duża

( zatrucia)

specyficzność

duża

w zależności od procesu

selektywność

duża

w zależności od procesu

żywotność

duża

mniejsza w porównaniu do

biokatalizatorów

możliwość aktywacji

koenzymy, aktywatory

promotory

zakres stężeń reagentów

nieduże

różne

Czynniki  regulujące  szybkość  działania  enzymów  

1.  kinetyczne:
• 

temperatura,  pH,  dyfuzja,  

kształt,  

lepkość  roztworu  

• 

stężenie  substratów  

• 

obecność  enzymatycznych  

aktywatorów  i  enzymatycznych  

inhibitorów    

• 

czynniki  pośrednie:  

czynniki  allosteryczne,  

sprzężenie  zwrotne,  przemiana  

proenzymu  w  enzym  

2.  strukturalne:
• 

powiązanie  enzymów  z  

określonymi  strukturami  i  ich  

rozgraniczenie  błonami  

wewnątrzkomórkowymi    

• 

regulowany  transport  przez  

błony  komórkowe  i  

cytoplazmatyczne  

• 

szybkość  odprowadzania  

produktów  

1.  Kinetyka  –  badanie  szybkości,  z  jaką  przebiega  reakcja  oraz  czynników  wpływających  na  

tą  czynność  reakcji.  Nie  zajmuje  się  naturą  chemiczną  zmian.  

2.  Kinetyczny  opis  aktywności  enzymów  jest  konieczny  do  zrozumienia  działania  enzymów.  

Czynniki:  

-­‐   stężenie  enzymów  i  substratu  
-­‐   występowanie  i  stężenie  kofaktorów,  inhibitorów  i  aktywatorów  
-­‐   temperatura  
-­‐   stężenie  H

+

 (pH)  

-­‐  oddziaływania  allosteryczne,  modyfikacje  kowalencyjne,  aktywacja  proteolityczna  

KINETYKA  REAKCJI  ENZYMATYCZNYCH  

Wpływ  stężenia  enzymu  na  szybkość  reakcji  enzymatycznej  

[E]  

V  

Zależność  wprost  proporcjonalna  

2x  większe  stężenie  E  =>  2x  szybsza  reakcje  

ALE  

Substrat  w  nadmiarze!  

1.  Oznaczanie  aktywności  enzymatycznej  wykonuje  się  na  początku  reakcji  enzymatycznej,  

ponieważ  może  dojść  do:  

-­‐  hamowania  aktywności  enzymatycznej  produktem  na  drodze  hamowania  zwrotnego,  
-­‐  enaturacji  białka  enzymatycznego.  

KINETYKA  REAKCJI  ENZYMATYCZNYCH  

Wpływ  temperatury  

 

 

                             Działa  na  cząsteczki  S  i  E.  ↑  temp.  =>  ↑  en.  kinetycznej  cz.  S  

 Cząsteczki  substratu  szybciej  się  poruszają,  zderzają  się  

częściej,  więcej  z  nich  może  osiągnąć  stan  przejściowy.  

1.  W  pewnym  momencie  osiągnięta  zostaje  temp.  optymalna  dla  działania  enzymu.  
2.  Temperatura  optymalna  –  temperatura,  przy  której  szybkość  reakcji  enzymatycznej  biegnie  z  

maksymalną  szybkością,  a  nie  ma  miejsca  jeszcze  denaturacja  białka  enzymatycznego.  

3.  Zbyt  wysoka  temperatura  powoduje  drgania  w  cząsteczkach  enzymu  i  dochodzi  do  rozerwania  

wiązań  w  enzymie.  

[°C]  

V  

Reguła  van  Hoffa  
Wzrost  temperatury  o  10°C  powoduje:  

-­‐  2-­‐3-­‐krotny  wzrost  szybkości  reakcji  nieenzymatycznej  
-­‐  1-­‐2-­‐krotny  wzrost  szybkości  reakcji  enzymatycznej  

„Opvmum  temperatury”  zależy  od  czasu  przyjętego  do  obliczenia  szybkości  reakcji.  

Termostabilność  enzymu  możemy  określić  podając  najwyższą  temperaturę,  w  której  jeszcze  

nie  dochodzi  do  termicznej  inaktywacji  enzymu.  

Badanie  wpływu  temperatury  na  aktywność  enzymu:  

-­‐  przygotowuje  się  mieszaninę  reakcyjną  S  +  E,  pH,  bufor;  mieszaninę  przenosi  się  do  

określonej  temperatury  i  reakcja  enzymatyczna  zachodzi  właśnie  w  takiej  określonej  

temperaturze,  następnie  zatrzymujemy  reakcję  i  mierzymy  szybkość  reakcji  enzymatycznej.  

KINETYKA  REAKCJI  ENZYMATYCZNYCH  

Równanie  Arrheniusa  

KINETYKA  REAKCJI  ENZYMATYCZNYCH  

Termostabilność  celulaz    
–  różne  mikroorganizmy  

Badanie  termostabilności  białka:  

-­‐  Badanie  temperatury,  w  której  enzym  zachowuje  aktywność.  
-­‐  Białko  enzymatyczne  poddaje  się  traktowaniu  różnymi  temperaturami  –  badamy,  jak  ten  

enzym  zachowuje  się  w  różnych  temperaturach.  

-­‐  Białko  enzymatyczne  przenosi  się  do  temperatury  optymalnej  i  dodaje  pozostałe  składniki  

reakcyjne.  

-­‐  Reakcja  enzymatyczna  biegnie  w  temperaturze  optymalnej.  

 pH  środowiska  wpływa  na:  
wiązanie  substratu  przez  E,  aktywność  katalityczną  E,  stan  jonizacji  substratu,  zmiany  w  

strukturze  przestrzennej  E.  

pH  wpływa  na  stopień  zdysocjowania  (uprotonowania):  
-­‐  grup  funkcyjnych  centrum  aktywnego,  
-­‐  grup  funkcyjnych,  które  uczestniczą  w  katalizie,  
-­‐  grup  funkcyjnych  substratu,  które  uczestniczą  w  wiązaniu  do  enzymu,  
-­‐  grup  funkcyjnych  leżących  w  pobliżu  centrum  aktywnego,  które  decydują  o  konformacji  

tego  centrum  aktywnego.  

Optymalne  pH  działania  –  wartość  pH,  przy  której  szybkość  katalizowanej  reakcji  jest  

maksymalna.  

Krzywe  zależności  v/pH  mogą  być  też  prostoliniowe.  

Niewielkie  odchylenie  pH  od  wartości  optymalnych  powoduje  nagły  spadek  szybkości  

reakcji  enzymatycznej.  

Kinetyka  reakcji  enzymatycznych  -­‐  wpływ  pH  

 Optymalne  pH  reakcji  jest  
 różne  dla  różnych  enzymów.    

Dla  większości  mieści  się  w  granicach  odczynu  

obojętnego  (pH  6-­‐9).  

 pepsyna  –  1,8  

proteinaza  kwaśna  –  3,5  

trypsyna  –  8    

arginaza  –  10  

Kinetyka  reakcji  enzymatycznych  –  optymalne  pH  

Kinetyka  reakcji  enzymatycznych  

-­‐  wpływ  pH  

Kinetyka  reakcji  enzymatycznych    

–  wpływ  podstawowych  czynników  

WPŁYW  ŚRODOWISKA  NA  SZYBKOŚĆ  REAKCJI  

STĘŻENIE  SOLI  

Inne  czynniki  
• 

szybkość  dyfuzji  –    

jest  odwrotnie  proporcjonalna  od  wielkości  cząsteczek  

 (dla  wody  w  temp.  25

0

C  wynosi  2,27  10

-­‐5

 cm/s),  

• 

kształt  i  wielkość  cząsteczek,  

• 

lepkość  roztworu.  

Działanie  czynników  regulujących  potencjał  oksydoredukcyjny  środowiska  

 -­‐  aktywacja  enzymów  zawierających  w  centrum  

   katalitycznym  wolne  grupy  hydrosulfidowe  –SH  

-­‐  aktywatory:  substancje  o  niskim  potencjale  

   oksydoredukcyjnym  (reduktory)  zwykle  zawierające  

   grupy  –SH,  np.:  cysteina,  glutavon,  merkaptoetanol  

 -­‐  enzymy:  papaina,  dehydrogenaza  alkoholowa  i  inne  

Kinetyka  reakcji  enzymatycznych    

wpływ  innych  czynników