MECHANIZM KATALIZY

ENZYMATYCZNEJ

ENZYMY

Enzym to

BIOKATALIZATOR

białkowy wytwarzany przez żywe komórki organizmu. Ten

biokatalizator

ma zdolność do obniżania energii aktywacji danej reakcji chemicznej

, co

skutkuje jej przyspieszeniem. Katalizują one reakcje w układach biologicznych.

Enzymy charakteryzują się wysoką specyficznością, zarówno pod względem katalizowanej reakcji,
jak substratów biorących w niej udział.

Wyróżniamy:

1. Enzymy – białka proste

2. Enzymy – białka złożone

np. większość enzymów (hydrolaz) przewodu pokarmowego (pepsyna, trypsyna, amylazy).

Składa się z części białkowej i składnika niebiałkowego, zwanego

KOFAKTOREM

Część

białkowa takiego enzymu jest zwana

APOENZYMEM

, a połączenie apoenzymu z

kofaktorem nosi nazwę

HOLOENZYM

HOLOENZYM

=

KOFAKTOR

+

APOENZYM

 Gdy kofaktor tj. część niebiałkowa jest związana na stale z apoenzymem –
nazywamy ją inaczej

GRUPĄ PROSTETYCZNĄ

 Gdy kofaktor jest nietrwale związany z apoenzymem – jest zwany

KOENZYMEM

ENZYMY

kofaktor

koenzym

Centrum

katalityczne

Apoenzym

HOLOENZYM

Grupy prostetyczne enzymów:

Trwale związane z enzymem (np. miejscem aktywnym
enzymów), często za pomocą wiązań kowalencyjnych
lub koordynacyjnych, i nie opuszczają one swojego
miejsca wiązania w trakcie reakcji

1) Jony metali

(np. Zn, Fe, Cu)

2) Cząsteczki organiczne

, np.:



Mononukleotyd flawinowy (FMN)



Dinukleotyd flawinoadeninowy (FAD)



Pirofosforan tiaminy



Biotyna

Koenzymy:

Luźno związane z właściwym enzymem .
Biorą udział w reakcjach przez oddawanie lub
przyłączanie pewnych reagentów (atomów, grup
atomów lub elektronów)

1) Jony metali

2) Cząsteczki organiczne

, np.:



NAD



Fosforan pirydoksalu (PLP)



Koenzym Q

10



Biotyna

ENZYMY

Enzym + Substrat ↔

kompleks Enzym-Substrat

→ Enzym + Produkt

(stan przejściowy)

E + S ↔

E-S

→ E + P

Katalityczne działanie enzymu zachodzi według schematu:

Dwa modele wiązania substratu przez enzym

MODEL ZAMKA I KLUCZA

MODEL INDUKOWANEGO DOPASOWANIA

Związanie substratu indukuje zmianę konformacyjną w
aktywnym miejscu enzymu, tak że jego miejsce aktywne
przyjmuje kształt komplementarny do substratu.

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.

ENZYMY

ENZYMY

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

ENZYMY

Właściwości enzymów

Cechą charakterystyczną enzymów jest ich wysoka specyficzność pod względem:

1. katalizowanej reakcji

- każdy enzym katalizuje tylko jedną (lub grupę bardzo

podobnych) reakcji

2. 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)

ENZYMY

Czynniki wpływające na aktywność enzymów:

1. Stężenie substratu

2. Stężenie enzymu

3. Temperatura

4. Wartość pH

5. Obecność aktywatorów i inhibitorów

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

0

) - jest wtedy największa, bo nie ma jeszcze

produktu

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

Wartość V

0

oblicza się kreśląc linię prostą

styczną do początkowego odcinka krzywej

ENZYMY

CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA AKTYWNOŚĆ ENZYMÓW

Stężenie substratu

Przy małych stężeniach substratu ([S]) podwojenie [S] powoduje podwojenie

początkowej szybkości (V

0

)

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

0

.

Stężenie enzymu

Gdy wszystkie cząsteczki enzymu mają związany substrat, podwojenie

stężenia enzymu powoduje podwojenie V

0

ENZYMY

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

ENZYMY

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

ENZYMY

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

ENZYMY

CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA AKTYWNOŚĆ ENZYMÓW

Jeżeli substrat i inhibitor konkurują ze sobą o to samo miejsce wiązania w enzymie
(kompetycja o centrum aktywne)

INHIBICJA KOMPETYCYJNA

Enzym

Enzym

Substrat

Substrat

Inhibitor
kompetycyjny

Wzrost

stężenia

substratu

Odwracalnie

związany

inhibitor

Duże stężenie substratu wypiera inhibitor

ENZYMY

CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA AKTYWNOŚĆ ENZYMÓW

INHIBICJA NIEKOMPETYCYJNA

Jeżeli inhibitor reaguje z ważną dla aktywności enzymu grupą, nie przeszkadzając przy
tym wiązaniu substratu

REAKCJA

INHIBICJA

substrat

enzym

enzym

centrum
aktywne

inhibitor

centrum
aktywne

Inhibitory niekompetycyjne mogą działać nieodwracalnie
modyfikując funkcyjne grupy enzymu w centrum aktywnym

„

Substraty samobójcze

” – wiążą się z centrum aktywnym,

następnie po reakcji ich produkt tworzy wiązanie
kowalencyjne z centrum aktywnym; np. penicylina

ENZYMY

CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA AKTYWNOŚĆ ENZYMÓW

INHIBICJA AKOMPETYCYJNA

Jeżeli inhibitor nie może się wiązać do wolnego enzymu, a jedynie do kompleksu
enzym-substrat (ES), tworząc kompleks enzym-inhibitor-substrat (EIS)

Ten typ inhibicji jest dość rzadki i może dotyczyć
niektórych enzymów wielopodjednostkowych

ENZYMY

CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA AKTYWNOŚĆ ENZYMÓW

INHIBICJA ALLOSTERYCZNA

Jeżeli inhibitor wiąże się w innym miejscu niż centrum aktywne w wyniku czego
dochodzi do zmian konformacyjnych enzymu

inhibitor

substrat

produkt

Ten typ inhibicji występuje praktycznie tylko w
przypadku enzymów wielopodjednostkowych

ENZYMY

KONTROLA AKTYWNOŚCI ENZYMATYCZNEJ

EFEKTY ALLOSTERYCZNE

Centrum
allosteryczne

Substrat

Centrum

aktywne

Allosteryczny
aktywator

Zniekształcone

centrum

aktywne

Centrum

aktywne

Substrat

Centrum
allosteryczne

Allosteryczny

inhibitor

Zniekształcone centrum

aktywne

Enzym

ALLOSTERYCZNA
INHIBICJA

ALLOSTERYCZNA
AKTYWACJA

Efektem działania efektorów
allosterycznych jest zmiana
powinowactwa enzymu do substratu

ENZYMY

KONTROLA AKTYWNOŚCI ENZYMATYCZNEJ

SPRZĘŻENIE ZWROTNE

ENZYM 1

ENZYM 2

ENZYM 3

Inhibicja

zwrotna

Intermediat A

Intermediat B

Produkt

końcowy

Centrum
allosteryczne

Substrat

Otwarcie
szlaku

Zamknięcie

szlaku

Przyłączenie

produktu

końcowego

(inhibitor

allosteryczny)

Końcowy produkt powstały w danym
szlaku metabolicznym może stać się
inhibitorem dla enzymu
odpowiedzialnego za przebieg
pierwszego etapu tego szlaku.

Kiedy stężenie produktu końcowego
osiąga odpowiednio wysoki poziom
aktywność enzymu zostaje zahamowana

.

Gdy stężenie produktu końcowego
zmniejszy się enzym odzyskuje swoją
aktywność, co prowadzi do ponownego
rozpoczęcia biosyntezy

.

Taka regulacja jest formą

ujemnego sprzężenia zwrotnego

ENZYMY

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 większej
liczby wiązań peptydowych

PRZYKŁAD

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.

Chymotrypsyna

Chymotrypsynogen

Proelastaza

Elastaza

Lipaza

Prolipaza

Karboksypeptydaza

Prokarboksypeptydaza

Trypsyna

Trypsynogen

Enteropeptydaza

WEJŚCIE

Sygnał zewnątrzkomórkowy

WYJŚCIE

Fosforylacja

Fosforylacja
wtórna

Kinaza 1

Kinaza 2

Kinaza 3

Kinaza 4

WEJŚCIE SYGNAŁU

WYJŚCIE SYGNAŁU

Enzym
nieaktywny

Enzym

aktywny

FOSFATAZA
BIAŁKOWA

KINAZA

BIAŁKOWA

ENZYMY

KONTROLA AKTYWNOŚCI ENZYMATYCZNEJ

ODWRACALNE MODYFIKACJE KOWALENCYJNE

Aktywność wielu enzymów jest zmieniana przez odwracalne dołączanie grupy

fosforanowej do specyficznych reszt seryny i treoniny

KINAZY

–

katalizują dołączenie grup fosforanowych

FOSFATAZY

–

katalizują usuwanie tych grup w drodze hydrolizy

Cykl (

fosforylacja

/

defosforylacja

) jest systemem

włączającym lub wyłączającym szlak metaboliczny w
zależności od potrzeb komórki

Kaskada
sygnałowa

ENZYMY

KLASYFIKACJA I NOMENKLATURA ENZYMÓW

Początkowo nazwy enzymów tworzono przez dodanie końcówki

-aza

do nazwy

substratu, na który działają, np.:



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

MIĘDZYNARODOWY KOD

ENZYMATYCZNY.

System ten dzieli wszystkie enzymy na 6 głównych klas,

opartych na typie katalizowanej reakcji.

ENZYMY

KLASYFIKACJA I NOMENKLATURA ENZYMÓW

Numer

klasy

Nazwa klasy

Typ katalizowanej reakcji

Przykład enzymu

1

OKSYDOREDUKTAZY Reakcje utlenienia – redukcji

(Przenoszenie elektronów)

Dehydrogenaza
mleczanowa

2

TRANSFERAZY

Przenoszenie grup funkcyjnych

Heksokinaza
Aminotransferaza
alaninowa

3

HYDROLAZY

Reakcje hydrolizy
(rozpad przy udziale H

2

O)

Trypsyna

4

LIAZY

Reakcje powstawania i zaniku
wiązań podwójnych (eliminacja i
addycja)

Dekarboksylaza
Fumaraza

5

IZOMERAZY

Wewnątrzcząsteczkowe
przekształcenia

Izomeraza fosfotriozowa

6

LIGAZY

(SYNTETAZY)

Tworzenie wiązań sprzężone z
hydrolizą ATP

Karboksylaza

ENZYMY

KLASYFIKACJA I NOMENKLATURA ENZYMÓW

MIĘDZYNARODOWY KOD ENZYMATYCZNY

składa się z dwu liter i czterech liczb

oddzielonych kropkami. Jego schemat wygląda następująco:

EC a.b.c.d.

Symbol

EC

(enzyme code) oznacza, że liczby po nim dotyczą międzynarodowego kodu

enzymatycznego.

 Liczba

a

określa numer klasy enzymu

 Liczba

b

-

numer podklasy w obrębie tej klasy

 Liczba

c

-

oznacza numer podpodklasy w obrębie podpodklasy

 Liczba

d

-

oznacza numer enzymu w obrębie wymienionej wcześniej popodpodklasy

Na przykład

dehydrogenaza mleczanowama

numer kodowy

EC1.1.1.27

.

ENZYMY

ZASTOSOWANIE ENZYMÓW W MEDYCYNIE

Enzymy jako markery chorób

Aktywność niektórych enzymów zmienia się w przebiegu różnych chorób, np.

 aktywność

aminotransferaz

w osoczu krwi rośnie w przebiegu zawału mięśnia sercowego

Enzymy służą jako leki

Terapii genowej

Enzymy jako odczynniki

Pewne enzymy służą jako odczynniki w praktyce laboratoryjnej do oznaczania poziomu
metabolitów ustrojowych np.



Ureaza

może być zastosowana do oznaczania mocznika



Lipaza

– enzym hydrolizujący tłuszcze, jest użyteczna w leczeniu niedomogi wydzielniczej trzustki

Za pomocą

nukleaz

można wycinać wadliwe skonstruowane odcinki DNA, a powstałe ubytki

wypełniać odpowiednimi fragmentami pochodzących z komórek zdrowych.

Zespalanie fragmentów DNA jest możliwe dzięki

ligazom DNA

.

Stwarza to możliwość naprawy uszkodzonego genu i otwiera perspektywę rozwoju nowej dziedziny
medycyny, określanej mianem

TERAPII GENOWEJ

.

ENZYMY

INNE ZASTOSOWANIE ENZYMÓW

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

spożywczym

farmaceutycznym

chemicznym

tekstylnym

Obecnie enzymy produkowane są na skalę przemysłową, głównie z zastosowaniem

mikroorganizmów modyfikowanych genetycznie

 produkcja serów, pieczywa, piwa, wina, soków, zmiękczanie mięsa

 produkcja antybiotyków, witamin

 produkcja proszków do prania, papieru, biopaliw

Enzymy (głównie mikroorganizmów) są wykorzystywane w wielu

procesach

biotechnologicznych

i

ochronie środowiska

(przy oczyszczaniu ścieków)