Kataliza enzymatyczna

1. Jak zbudowany jest enzym?

ENZYM - rodzaj białek występujących naturalnie w organizmach żywych, których działanie sprowadza się
do obniżenia energii aktywacji danych reakcji biochemicznych. Enzymy stanowią największą grupę tzw.
biokatalizatorów.
Jeżeli enzym jest białkiem złożonym, to składa się z:
*części białkowej nazywanej apoenzymem
*części niebiałkowej nazywanej koenzymem lub grupą prostetyczną enzymu(trwale) (w zależności od
rodzaju wiązania łączącego ją z apoenzymem)centrum aktywne.

Enzym (holoenzym) dzieli się na część białkową (apoenzym) i niebiałkową (kofektor), która może być
trwale (grupa prostetyczna) lub nietrwale (koenzym) powiązana z holoenzymem

2. Jaki jest mechanizm katalitycznego działania enzymów?

Reakcja katalizowana przez enzym rozpoczyna się od związania substratów przez centrum aktywne i
powstania przejściowego kompleksu enzym – substrat (E – S). Następnie zachodzi właściwa reakcja
połączenia cząsteczki substratów w produkt reakcji albo rozłożenie substratu na mniejsze cząsteczki.
Reakcja kończy się uwolnieniem produktów przez enzym. Cząsteczka enzymu nie zużywa się podczas
reakcji i po uwolnieniu produktów jest gotowa do przyłączenia nowych substratów.

3. Co to jest energia aktywacji?

ENERGIA AKTYWACJI – energia, którą muszą mieć cząsteczki, aby były zdolne do określonej reakcji
chemicznej; energia aktywacji wyraża się zwykle w kilodżulach na mol (kJ/mol) reagujących cząsteczek; im
mniejsza jest energia aktywacji, tym reakcja zachodzi szybciej.

4. Jak odczyn wpływa na aktywność enzymów?

Do utrzymania aktywności katalitycznej enzymy wymagają odpowiedniego odczynu pH środowiska. Dla
większości enzymów optymalne jest pH 5,5 – 7,4. Znane są jednak enzymy, które działają najlepiej w
środowisku kwaśnym (np. pepsyna w pH 1,5 – 2,7) lub zasadowym (trypsyna, chymotrypsyna – pH 8-9).
Środowisko silnie kwaśne i silnie zasadowe z reguły działa na enzymy denaturująco, niszcząc
nieodwracalnie ich aktywność. Niewielkie zmiany pH nie dezaktywują enzymu, ale obniżają szybkość
reakcji, ponieważ wpływając na stopień jonizacji enzymu i substratu, zmieniają warunki tworzenia się
kompleksu enzym – substrat. Dla większości enzymów optymalne jest środowisko obojętne lub słabo
kwaśne.

Białkowa struktura enzymów determinuje szereg i podstawowych właściwości oraz uzależnia ich działanie
od tych samych warunków i czynników, które wpływają na stan fizykochemiczny białek.
*Wartość pH decyduje o stanie jonizacji polarnych grup białka enzymatycznego. Dla każdego enzymu
istnieje odpowiednia wartość pH (optimum), zapewniająca zarówno najodpowiedniejszy stan jonizacji jego
cząsteczki jak też optymalne warunki dla przekształceń chemicznych substratu. Im pH jest odleglejsze od
punktu optymalnego, tym wolniejszy jest przebieg reakcji enzymatycznej. Przy zbyt niskim lub wysokim
pH dochodzić może do denaturacji białka, czyli zaniku jego właściwości (inaktywacja)

5. Wymień klasy enzymów.

*oksydoreduktazy – katalizujące reakcje utleniania i redukcji
*transferazy – katalizujące reakcje przenoszenia grup funkcyjnych
*hydrolazy – katalizujące reakcje hydrolizy, czyli rozpadu wiązań z udziałem wody

*liazy – katalizujące niehydrolityczne rozrywanie wiązań
*izomerazy – katalizujące reakcje izomeryzacji, czyli przegrupowania wewnątrzcząsteczkowego
* ligazy – katalizujące tworzenie wiązań połączone z hydrolizą ATP;

6. Jakie reakcje katalizują enzymy klasy ...........?

Oksydoreduktazy  enzymy, których funkcja katalityczna polega na odszczepieniu atomów wodoru z
odpowiedniego donora (związku oddającego H+) i przenoszeniu ich na odpowiedni akceptor (związek
przyjmujący H+)
Transferazy  enzymy te mają zdolność do przenoszenia pewnych grup atomów (np. grupę metylowa
CH3,karboksylową, acetylowi i inne)
Hydrolazy  klasa obejmująca enzymy katalizujące procesy hydrolizy wiązań estrowych, eterowych i
peptydowych. Hydrolityczne rozbijanie tych wiązań zachodzi z równoczesnym dołączeniem elementów
cząsteczki wody H+ i OH-
Liazy  enzymy rozrywające wiązania: S-C, C-N, C-O, C-S oraz C-halogen.. w odróżnieniu od hydrolaz w
procesie rozszczepienia wiązań przez liazy nie biorą udziału cząsteczki wody.
Ligazy  (syntetazy) katalizują wytwarzanie nowych wiązań kowalencyjnych

7. Co oznacza cząsteczkowość reakcji chemicznej?

CZĄSTECZKOWOŚC REAKCJI – liczba cząsteczek biorących udział w najwolniejszym stadium reakcji.
Cząsteczkowość i rząd reakcji wyznacza się tylko eksperymentalnie nie można obliczyć ich teoretycznie.
Przez cząsteczkowość reakcji rozumiemy także ilość cząsteczek substratów biorących udział w reakcji
elementarnej, ilość cząsteczek, które muszą się spotkać w jednym miejscu i czasie, by reakcja mogła
nastąpić.

8. Co oznacza praktycznie rzędowość reakcji chemicznej?

RZĘDOWOŚĆ REAKCJI CHEMICZNEJ - suma wykładników potęg, w których występują stężenia
reagentów w równaniu opisującym szybkość reakcji chemicznej.
Jest to ilość cząsteczek decydująca o szybkości reakcji.

9. Równanie Michaelisa-Menten i jego interpretacja.

Równanie te opisuje szybkość reakcji enzymatycznej V =

Równanie to pozwala obliczyć kinetyczne parametry reakcji enzymatycznych (Km i Vmax).
Km -> stała Michaellisa odpowiada jakiemu stężeniu substratu [S] przy którym szybkość reakcji V równa
jest połowie szybkości max w Vmax. Stanowi wartość charakterystyczną dla danego enzymu w
odpowiednich warunkach pH i temperatury. Określa powinowactwo dla danego enzymu do substratu
znajdując wartość Km, można tak dopierać stężenia substratu, aby osiągnąć stan nasycenia enzymu
substratem.
Przy niskich stężeniach substratów reakcja jest pierwszego rzędu, natomiast przy wysokich stężeniach
substratów reakcja jest rzędu zerowego.

10. Jakie korzyści wynikają z transformacji Lineweavera-Burka i
równania Michaelisa-Menten?
Transformacja LB polega na linearyzacji równania MM i pozwala ona na proste wyznaczenie stałej

Michaelisa i maksymalnej szybkości reakcji (Vmax) przy określonej ilości enzymu.

Równanie MM opisuje zależność szybkości reakcji od stężenia substratu:

Postać K

m

= [S] jest matematycznym zapisem definicji stałej Michaelisa. Analizując równanie Michaelisa-Menten

można dojść do wniosku, iż przy stałym stężeniu enzymu, szybkość reakcji w pewnych granicach zależy od stęże-
nia substratu, na wykresie zależności szybkości reakcji od stężenia substratu widać że:

•

przy niewielkim stężeniu substratu w stosunku do stężenia enzymu, pojawia się zależność liniowa, między
stężeniem substratu a szybkością reakcji, ta sytuacja odpowiada reakcji kinetycznej pierwszego rzędu opi-
sywanej równaniem v = k[A]

•

w przypadku dużego stężenia substratu, szybkość reakcji zbliża się do jej maksymalnej wartości i stężenie
substratu nie ma wpływu na szybkość reakcji, sytuacja ta odpowiada kinetyce zerowego rzędu opisywanej
równaniem v = k. Tego typu reakcja ma miejsce w przypadku całkowitego wysycenia enzymu substratem.

11. Na czym polega inhibicja kompetycyjna?

INHIBICJA KOMPETECYJNA - sposób hamowania działania enzymu. Cząsteczka będąca inhibitorem ma
podobną budowę do substratu hamowanego enzymu. Inhibitor wchodzi w centrum aktywne enzymu ,
blokuje centrum aktywne i uniemożliwia łączenie enzymu z substratem.

12. Na czym polega inhibicja niekompetycyjna

INHIBICJA NIEKOMPETECYJNA - mechanizm hamowania aktywności enzymu. Cząsteczka działająca jako
inhibitor nie wchodzi w centrum aktywne enzymu, ale przyłącza się do innego miejsca na cząsteczce
enzymu i hamuje jego działanie.

18. Jednostka aktywności enzymatycznej:

Aktywność enzymatyczną mierzy się w jednostkach enzymatycznych. Jest to taka ilość enzymu, która
przekształca 1 mikromol substratu w ciągu jednostki czasu w warunkach standardowych (25

0

C, pH = 7). Mierzy się

więc ilość enzymów.

19. Liczba obrotów:

Liczba obrotów enzymu – oznacza liczbę cząsteczek substratu przekształconych w produkt reakcji na jednostkę
czasu, w warunkach pełnego wysycenia enzymu substratem.
np. liczba obrotów anhydrazy węglanowej wynosi 600000 obrotów na sekundę; dla większości enzymów jest w
granicach 1 do 10

4

na sekundę.

Jeżeli stężenie miejsc aktywnych [ET] jest znane to szybkość maksymalna – V max – ujawnia liczbę obrotów
enzymu (przy maksymalnym stężeniu enzymu)

V max = k

2

[ET]

gdzie: k

2

– stała katalityczna (wyznacznik aktywności enzymatycznej enzymu) jest liczbą cząsteczek substratu,

przekształconych w reakcji w jednostce czasu przez pojedyncze miejsca katalityczne w warunkach pełnego
wysycenia enzymu substratem.
20. Cechy enzymów

a) duża aktywność katalityczna:
- enzymy przyspieszają reakcje chemiczne co najmniej milionkrotnie. Przy braku enzymów większość reakcji w
układach biologicznych zachodzi tak wolno, że są one nie zauważalne.
b) duża specyficzność działania (są specyficzne dla konkretnego substratu):
- duża specyficzność zarówno pod względem katalizowanej reakcji chemicznej jak i wyboru związków biorących w
niej udział, czyli substratów. Jeden enzym katalizuje na ogół pojedynczą reakcję chemiczną lub grupę ściśle
pokrewnych reakcji (np. reakcją katalizowaną przez enzymy proteolityczne jest hydroliza wiązania peptydowego)
c) aktywność wielu enzymów podlega regulacji:
- niektóre enzymy są syntetyzowane w formie nieczynnych prekursorów, które ulegają aktywacji dopiero w
zgodnym z wymaganiami fizjologicznymi czasie i miejscu;
np. enzym trawienny trypsyna jako czynny pojawia się w jelicie cienkim dopiero w wyniku hydrolizy wiązania
peptydowego w trypsynogenie, który jako prekursor trypsyny jest syntetyzowany w trzustce.
Inny mechanizm kontroli aktywności polega na kowalencyjnym przyłączeniu małej grupy chemicznej do
cząsteczki enzymu (modyfikacje kowalencyjne).
d) przekształcają różne rodzaje energii:
- w wielu reakcjach biologicznych energia substancji reagujących jest przekształcana z dużą wydajnością w inną
formę energii.
np. w fotosyntezie energia świetlna jest zamieniana na energię wiązania chemicznego; w mitochondriach energia
małych cząsteczek pochodzących z pożywienia jest kumulowana w wiązaniach chemicznych ATP.
Te przekształcanie energii przeprowadzane są przez cząsteczki enzymów.
e) nie mają wpływu na równowagę reakcji:
- enzym jest katalizatorem i nie może zmieniać stanu równowagi reakcji chemicznej (enzym zwiększa w dokładnie
jednakowym stopniu szybkość reakcji zachodzącej w obu kierunkach).
f) obniżają energię aktywacji katalizowanych reakcji

–

Aby rozpocząć reakcję potrzebna jest energia aktywacji, której potrzeba mniejszą ilość z użyciem
katalizatora. Enzymy (jako katalizatory) przyspieszają reakcje przez obniżenie energii aktywacji – enzym
obniża barierę aktywacji poprzez stan przejściowy. Stan przejściowy to taki stan substratu, w którym
podatny jest on na przemiany. Im więcej stanów przejściowych, tym większa możliwość, że reakcja zajdzie.

22. Regulacja aktywności enzymatycznej.

•

regulacja aktywności nieczynnych prekursorów – niektóre enzymy są syntetyzowane w formie
nieczynnych prekursorów, które ulegają aktywacji dopiero w zgodnym z wymaganiami fizjologicznymi
czasie i miejscu

•

modyfikacja kowalencyjna – mechanizm regulacji aktywności polegający na kowalencyjnym przyłączeniu
małej grupy chemicznej (np. fosforylowej) do cząsteczki enzymu

•

hamowanie zwrotne – enzym katalizujący pierwszy etap szlaku biosyntetycznego jest inhibowany
produktem końcowym (np. biosynteza izoleucyny)

•

kontrola fizjologiczna (np. synteza laktozy w gruczole mlecznym)

•

inhibicja – zahamowanie aktywności enzymatycznej przez reakcje związku (substratu) z enzymem

23. Kinetyka reakcji enzymatycznej – stała Michaelisa – Menten:

Dla wielu enzymów szybkość katalizy zmienia się ze stężeniem substratu. Przy stałym stężeniu enzymu szybkość
reakcji V prawie liniowo zależy od stężenia substratu [S].
Przy dużych [S] V jest prawie niezależnie od [S]. Kinetyczne własności niektórych enzymów opisuje model
Michaelisa – Menten.
W modelu tym enzym (E) łączy się z substratem [S] tworząc kompleks enzym – substrat (ES); reakcję
charakteryzuje stała szybkość k

1

. Istnieją dwie drogi rozpadu kompleksu ES:

- może on dysocjować do E i S ze stałą szybkością k

2

lub może tworzyć produkt (P) ze stałą szybkością k

3

k

1

k

3

E + S

ES

E + P

k

2

Szybkość (V) tworzenia produktu podaje równanie Michaelisa – Menten:
[S]
V = Vmax
[S] + K

M

gdzie:
V max – szybkość reakcji w warunkach wysycenia enzymu substratu.
K

M

– stała Michaelisa, jest stężeniem substratu, przy którym szybkość reakcji

osiąga połowę wartości

maksymalnej.
k

2

+ k

3

K

M

=

k

1

Znaczenie K

M

:

- K

M

oznacza takie stężenie substratu, przy którym połowa miejsc aktywnych jest obsadzona.

- K

M

wiąże się ze stałymi szybkości, charakterystycznymi dla poszczególnych etapów katalizy.

24. Centrum aktywne enzymu:

-

miejsce aktywne enzymu to obszar, który wiąże substraty oraz dostarcza reszt aminokwasowych,
biorących bezpośredni udział w tworzeniu i zrywaniu wiązań. (Te reszty nazywa się grupami katalicznymi)

-

miejsce aktywne zajmuje stosunkowo małą część całkowitej objętości cząsteczki enzymu.

-

centrum aktywne jest układem przestrzennym, złożonym z grup chemicznych.

-

specyficzność wiązania zależy od precyzyjnie określonego ułożenia atomów w miejscu aktywnym.
Substrat musi mieć odpowiedni kształt, by mógł pasować do miejsca aktywnego (dotyczy to enzymów o
sztywnej strukturze)

Kształt miejsca aktywnego niektórych enzymów może ulegać modyfikacji na skutek związania substratu
(to tzw. wymuszone dopasowanie).

-

w połączeniach substratów z enzymami w miejscu aktywnym biorą udział stosunkowo słabe siły wiązania.

-

centrum aktywne znajduje się w zagłębieniu powierzchni enzymu.

25. Kompleks enzym – substrat, dowody występowania:

Tworzenie lub zrywanie wiązań chemicznych w obecności enzymu poprzedzone jest powstaniem kompleksu
enzym – substrat (ES).
Substrat ulega związania w miejscu aktywnym enzymu, tworząc kompleks ES, który może się przekształcać,
tworząc produkt (P) lub dysocjować z powrotem do E i S:

k

1

k

2

E + S ES E + P
k

-1

Dowody występowania:

-

kompleksy ES obserwowano bezpośrednio, stosując mikroskopię elektronową i rentgenografię.

-

własności fizyczne enzymu (tj. rozpuszczalność lub stabilność termiczna) często ulegają zmianie na skutek
utworzenia kompleksu ES.

-

w wyniku utworzenia kompleksu ES zmienia się charakterystyka spektralna wielu enzymów.

-

w czasie tworzenia kompleksu ES ujawnia się jego duża stereospecyficzność.

-

kompleks ES można czasem wyizolować w czystej postaci.

-

przy odpowiednio dużych stężeniach substratu wszystkie miejsca katalityczne zostają obsadzone i
szybkość reakcji osiąga swoje maksimum (dalsze zwiększenie stężenia substratu nie powoduje
zwiększenia szybkości reakcji).

26. Mechanizmy katalizy enzymatycznej.

Mechanizmy katalizy enzymatycznej:

a) mechanizm „klucza i zamka” - dotyczy enzymów o strukturze sztywnej. Substrat dokładnie pasuje do enzymu,
musi mieć odpowiedni kształt by mógł związać się z miejscem aktywnym enzymu.
b) deformacja geometryczna – np. mechanizm katalityczny lizozymu. Enzym w procesie wiązania zmusza
substrat do przyjęcia geometrii stanu przejściowego, odpowiadającej jonowi przejściowemu. (Stan przejściowy to
taki stan substratu, w którym podatny jest on na przemiany). Czynnikami sprzyjającymi utworzeniu jonu
przejściowego i przyspieszającymi katalizę są: czynnik elektrostatyczny (obecność ujemnie naładowanej grupy
karboksylowej) i czynnik geometryczny (zmieniona konformacja)
c) indukowane dopasowanie – wiązaniu substratu towarzyszą duże zmiany w strukturze samego enzymu. Np.
mechanizm katalityczny karboksypeptydazy A: sposób wiązania substratu z karboksypeptydazą opracowano na
podstawie badań struktury kompleksu enzymu i glicylotyrozyny. Oddziaływanie z glicylotyrozyna jest identyczne
jak z właściwym substratem. Wiązaniu temu towarzyszą zmiany strukturalne w miejscu aktywnym enzymu.
d)deformacja rozkładu elektronów – w miejscu aktywnym enzymu znajduje się atom cynku (w przypadku
karboksypeptydazy A) i inne grupy chemiczne, które indukują zmiany w rozkładzie elektronów cząsteczki
substratu, czyniąc ją bardziej podatną na hydrolizę.

27. Klasy enzymów.

W układach biologicznych reakcje chemiczne rzadko zachodzą przy braku katalizatora. Katalizatorami są

swoiste białka – enzymy.
Ze względu na rodzaj katalizowanej reakcji wyróżniamy następujące klasy enzymów:

•

oksydoreduktazy – przeprowadzają reakcje redukcji – utleniania

•

transferazy – katalizują wymianę grup chemicznych między związkami; biorą udział w przenoszeniu grup z
jednego substratu na inny

•

hydrolazy – przeprowadzają rozkład związków z przyłączeniem cząsteczki wody

•

liazy – powodują rozszczepienie jednego związku chemicznego na dwa lub połączenie dwóch substancji w
jedną

•

izomerazy – przenoszenie grup wewnątrz cząsteczki substratu, katalizują przekształcenie substratu w
jego izomer

•

ligazy – (synteazy) tworzą wiązania między substratami z użyciem ATP

28. Pro–enzymy (zymogeny)

Zymogeny – to enzymatycznie nieczynne (nieaktywne) prekursory enzymów proteolitycznych. Prekursory

uzyskują pełną aktywność enzymatyczną w wyniku hydrolizy jednego lub kilku wiązań peptydowych, np. włókna
kalogenu powstają z rozpuszczalnego prekursora prokolagenu.

Nieaktywny prekursor jest syntetyzowany w trzustce. Proces trawienia białek w dwunastnicy wymaga

równoczesnego współdziałania kilku enzymów proteolitycznych – w tym samym czasie muszą więc ulegać
aktywacji różne enzymy.

Aktywacja zymogenów odgrywa główna rolę w kontroli procesów krzepnięcia krwi. Przedwczesna

aktywacja zymogenów może prowadzić do śmierci (np. ostre zapalenie trzustki polega na przedwczesnej
aktywacji enzymów trzustki wewnątrz tego narządu).

31. Witaminy/ witaminy rozpuszczalne w tłuszczach

Witaminy to związki organiczne o zróżnicowanej budowie chemicznej, których niewielkie ilości wprowadzone
wraz z pokarmem do organizmu warunkują prawidłowy przebieg procesów życiowych.

Nieodzowność witamin pochodzi stad, ze wchodzą one jako koenzymy (aktywne centrum enzymu) w skład
niektórych ważnych enzymów komórkowych. Witaminy nie mogą być trawione. W razie strawienia byłyby dla
organizmu stracone bezpowrotnie.

Dobowe zapotrzebowanie człowieka na witaminy jest zróżnicowane. Brak witaminy prowadzi do schorzenia
zwanego awitaminozą, nadmiar także bywa szkodliwy i nosi nazwe hiperwitaminozy.
Rośliny potrafią same syntetyzować witaminy, natomiast zwierzęta i człowiek muszą je otrzymywać w postaci
gotowej lub jako prowitaminy. Z prekursorów witamin, czyli prowitamin, organizm zwierzęcy może wytwarzać
witaminę A (pod wpływem enzymów jelitowych) i witaminę D (pod wpływem promieni ultrafioletowych).
Witaminy nie podlegają trawieniu-w razie strawienia byłyby dla organizmu stracone bezpowrotnie dlatego są
bezpośrednio wchłaniane do krwiobiegu przez ścianę jelit. Niektóre, np. z grupy B i K, są syntetyzowane przez
bakterie żyjące w jelicie cienkim i grubym zwierząt i człowieka. Witaminy, podobnie jak enzymy, nie stanowią
źródła energii; kwalifikuje się je do biokatalizatorów. Witaminy dzieli się na:

— rozpuszczalne w tłuszczach — witaminy A, D, E, K,
— rozpuszczalne w wodzie — witaminy Bi

1,

B

2

, B

6

, B

12

, PP, biotyna oraz witamina C.

Witamina Rola

w

organizmie

Objawy
awitaminozy

Występowani
e

1

2

3

4

A
akseroft
ol

warunkuje
normalny stan
skóry

i

nabłonków, siat-
kówki oka,
prawidłowy
wzrost; wzmaga
odporność na za-
każenia ropne

ślepota
zmierzchowa (tzw
kurza ślepota),
choroby
śluzówek, gruczo-
łów potowych,
łzowych
zahamowanie
wzrostu

tran, wątroba,
mleko,

masło

prowitamina
(karoten)

w

korzeniach
marchwi, liściach
szpinaku, owo-
cach, w tym
pomidorów

i

papryki

D
kalcyfero
l

prawidłowy
rozwój

kości,

wchłanianie
jonów wapnia

krzywica tracenie
zębów łatwość
złamań kości

tran rybi, jaja.
mleko

jej

prowitaminy w
drożdżach,
nowalijkach i w
tkankach
zwierzęcych

E
tokoferol

prawidłowy
przebieg pro-
cesów
rozmnażania,
przebieg ciąży

choroby gonad
nieprawidłowy
rozwój

ciąży

zwyrodnienie
mięśni

olej lniany, sałata,
kiełki pszenicy
wołowina, jaja,
mleko, wątroba

K
filochino
n

krzepnięcie krwi,
utlenianie
biologiczne

obniżenie
krzepliwości krwi

szpinak, lucerna,
kapusta mięso,
wątroba

C
kwas
askorbin
owy

aktywator wielu
enzymów,
wzmaga
odporność orga-
nizmu,
uczestniczy w
procesach
utleniania
biologicznego

szkorbut (gnilec),
trudne gojenie
ran. obniżenie
odporności orga-
nizmu

owoce porzeczki,
cytryny,
pomarańczy
kapusta kiszona,
ogórki,

liście

pietruszki, sałaty

H
Biotyna
(należy
do grupy

składnik
niektórych en-
zymów; wpływa
na stan skóry i

zapalenie skóry
wypadanie
włosów

mleko, wątroba,
jaja, marchew,
maliny, drożdże

B)

włosów

PP
niacyna
(należy
do grupy
B)

reguluje procesy
biologicznego
utleniania

choroby skóry
(pelagra),
przewodu
pokarmowego,
nerwowego

otręby, drożdże,
nasiona fasoli,
grochu wątroba,
nerki, ryby

B

1

tianina
(należy
do grupy
B)

przemiany
węglowodanów i
tłuszczów,
utlenianie
biologiczne;
warunkuje pra-
widłowy stan
tkanki nerwowej

choroby układu
nerwowego,
serca
beri - beri
zaburzenia
metabolizmu

drożdże, marchew,
pomi-dory, jabłka
mleko,

jaja,

wątroba, mózg,
otręby ryżowe

1

2

3

4

B

2

rybo/la
wina
(należy
do grupy
B)

składnik
enzymów oddy-
chania podnosi
ogólną
odporność
organizmu

choroby oczu,
skóry (łojo-tok,
zajady)
zahamowanie
wzrostu

drożdże wątroba,
nerki, jaja jarzyny
ser biały

B

6

,

(należy
do grupy
B)

składnik
enzymów, regulu-
je przemiany
aminokwasów
bierze udział w
procesach
krwiotwórczych

anemia łojotok
epilepsja
schorzenia skóry
depresja

kiełki pszenicy,
otręby ryżowe,
drożdże mięso,
wątroba, mleko

B

12

kobalam
ina
(należy
do grupy
B)

warunkuje rozwój
i dojrzewanie
erytrocytów

anemia, ogólne
osłabienie

wątroba, mleko
bakterie
(Streptomyces)

32. Kaskady enzymatyczne enzymów ich znaczenie

-(chyba o to chodzi)

Pewne enzymy oscyluja (skłaniają się raz w jedna raz w druga strone, wahac się) miedzy stanem aktywnym

i nieaktywnym. Mogą być one syntetyzowane w postaci nieaktywnych prekursorów, które zostają aktywowane w
czasie i miejscu fizjologicznie właściwym. Przykładem tego typu kontroli, zwanej aktywacją proteolityczną, są
enzymy trawienne. Na przykład, trypsynogen syntetyzowany jest w trzustce, a aktywowany w jelicie cienkim do
formy aktywnej enzymu - trypsyny - przez rozszczepienie wiązania peptydowego. Ten typ kontroli jest także
wielokrotnie używany w sekwencji reakcji enzymatycznych prowadzących do krzepnięcia krwi.
Nieaktywne enzymatycznie prekursory enzymów protolitycznych nazwano zymogenami (proenzymami).

Wiele enzymów jest syntetyzowanych w postaci nieaktywnych prekursorów, które sa nastepnie

aktywowane przez specyficzna hydrolizę jednego lub kilku wiązań peptydowych.

Aktywacja proteolityczna może zachodzić na zewnątrz komórki, ponieważ nie wymaga stałej obecności

źródła energii (ATP). Aktywacja proteolityczna może zajść tylko jeden raz w życiu cząsteczki enzymu.
W układach biologicznych znamy wiele przykładów enzymów i innych białek ulegających aktywacji w wyniku
specyficznej proteolizy. Oto kilka z nich:

1. Enzymy trawienne hydrolizujące białka syntetyzowane są w żołądku i trzustce w postaci zymogenów

Zymogeny żołądka i trzustki:
Miejsce syntezy Zymogen Aktywny enzym
Żołądek pepsynogen pepsyna
Trzustka chymotrypsynogen chymotrypsyna
Trzustka trypsynogen trypsyna

Trzustka prokarboksypeptydaza karboksypeptydaza
Trzustka proelastaza elastaza

2. Krzepnięcie krwi zachodzi dzięki kaskadowemu procesowi aktywacji proteolitycznej, który umożliwia szybką i
wzmocnioną reakcję na uraz.
3. Niektóre hormony białkowe są syntetyzowane w formie nieaktywnych prekursorów. Między innymi insulina
powstaje z proinsuliny w wyniku usunięcia peptydu podczas reakcji proteolitycznej.
4. Włókna kolagenu, białka występującego w skórze i kościach, powstają z rozpuszczalnego prekursora —
prokolagenu.
5. Wiele procesów rozwojowych kontrolowanych jest przez aktywację zymogenów.
Podczas przeobrażenia kijanki w żabę, w ciągu kilku dni duża ilość kolagenu zostaje usunięta z ogona. Przemiana
prokolagenazy w kolagenazę, aktywną proteazę, jest precyzyjnie zsynchronizowana z przebiegiem procesów
przeobrażania. Kokonaza, enzym mający zasadnicze znaczenie w rozwoju owadów, jest syntetyzowana także w
postaci nieaktywnego prekursora .

33. Aktywacja enzymów proteolitycznych przewodu pokarmowego.

Rozpatrzymy mechanizm aktywacji trzech głównych enzymów trawiennych - chymotrypsyny, trypsyny
i pepsyny.

1. Chymotrypsynogen jest aktywowany przez specyficzną hydrolizę jednego wiązania
peptydowego
Chymotrypsyna jest enzymem trawiennym, który hydrolizuje białka w jelicie cienkim. Jej nieaktywny prekursor,
chymotrypsynogen, jest syntetyzowany w trzustce. Miejscem syntezy enzymów i zymogenów są komórki
pęcherzykowe trzustki, gdzie są one następnie przechowywane w postaci ziaren w pęcherzykach błonowych.
Ziarna zymogenu gromadzą się na szczycie komórki pęcherzykowej, skąd na skutek stymulacji hormonalnej lub
pod wpływem impulsu nerwowego są wydzielane do przewodu prowadzącego do dwunastnicy.
Chymotrypsynogen, będący pojedynczym łańcuchem polipeptydowym złożonym z 245 reszt aminokwasów, jest
całkowicie pozbawiony aktywności katalitycznej. Zamiana chymotrypsynogenu w pełni aktywny enzym następuje
w wyniku hydrolitycznego działania trypsyny na wiązanie peptydowe, łączące argininę 15 z leucyną 16. Powstały
wówczas aktywny enzym, nazywany chymotrypsyną π, oddziałuje z innymi cząsteczkami chymotrypsyny π,
prowadząc do ich przekształcenia w formę stabilną, chymotrypsynę λ, a to przez usunięcie dwóch dipeptydów.
Powstałe w ten sposób trzy łańcuchy chymotrypsyny λ są połączone ze sobą dwoma wiązaniami dwusiarczkowymi.
Ponieważ chymotrypsyna λ jest już w pełni aktywna enzymatycznie, dodatkowe cięcia wiązań peptydowych przy
przejściu od formy π do λ są zasadniczo zbyteczne. Cechą procesu aktywacji chymotrypsynogenu jest fakt, że
hydroliza jednego, określonego wiązania peptydowego prowadzi do przekształcenia białka z formy katalitycznie
nieaktywnej w postać w pełni aktywną enzymatycznie.

Chymotrypsynogen (nieaktywny)

trypsyna
Chymotrypsyna π (aktywna)

chymotrypsyna

dwa dipeptydy

Chymotrypsyna λ (aktywna)

łańcuch A łańcuch B łańcuch C

Aktywacja proteolityczna chymotrypsygenu. Trzy łańcuchy chymotrypsyny λ polaczone są dwoma
międzyłańcuchowymi wiązaniami dwusiarczkowymi ( łancuch A z łańcuchem łańcuch, i B z C).

2. W procesie aktywacji trypsynogenu następuje uporządkowanie rejonu o rozluźnionej strukturze
W procesie aktywacji trypsynogenu,cztery rozfałdowane odcinki polipeptydu, podlegają zasadniczej zmianie
konformacyjnej. Odcinki te, nazywane rejonem aktywacji, mają w zymogenie całkowicie rozluźnioną strukturę,
natomiast w trypsynie przyjmują konformację wysoce uporządkowaną. Dziura oksyanionu w trypsynogenie jest zbyt
odległa od histydyny, aby uczestniczyć w tworzeniu tetraedrycznego stanu przejściowego.

1 245

1 15

16 245

1 13

149 245

16 146

Proces trawienia białek w dwunastnicy wymaga równoczesnego współdziałania kilku enzymów

proteolitycznych. Zatem różne zymogeny muszą ulegać aktywacji w tym samym czasie. Skoordynowana kontrola
tych procesów dokonuje się z udziałem trypsyny, która jest wspólnym aktywatorem wszystkich zymogenów trzustki
— trypsynogenu, chymotrypsynogenu, proelastazy i prokarboksypeptydazy. Jak dochodzi do powstania trypsyny?
Komórki wyścielające dwunastnicę wytwarzają enzym enterokinazę, która po wniknięciu trypsynogenu do
dwunastnicy hydrolizuje jedyne występujące w jego sekwencji wiązanie peptydowe między lizyną i izoleucyną.
Powstała w ten sposób niewielka ilość trypsyny aktywuje dalsze cząsteczki trypsynogenu i innych zymogenów.
Zatem powstanie trypsyny z udziałem enterokinazy stanowi zasadniczy etap w procesie aktywacji.

3. Aktywna pepsyna powstaje w wyniku autokatalitycznej reakcji hydrolizy pepsynogenu, zachodzącej w
środowisku kwasowym
Pepsyna katalizuje rozkład białek w silnie kwasowym środowisku żołądka (optymalna aktywność w pH 2). Pepsyna
zawiera w swoim miejscu aktywnym dwie reszty asparaginianu; jedną w postaci niezjonizowanej (COOH), drugą w
postaci zjonizowanej (COO~). W części końca N cząsteczki pepsynogenu (zymogenu) znajduje się odcinek
prekursorowy złożony z 44 reszt aminokwasowych, usuwany proteolitycznie podczas tworzenia pepsyny. Proces
ten, jednoznaczny z aktywacją pepsynogenu, zachodzi spontanicznie poniżej pH 5. Decydujące znaczenie dla jego
przebiegu ma hydroliza wiązania peptydowego między leucyną 16 i izoleucyną 17, które znajduje się w odcinku
prekursorowym. Aktywacja jest wewnątrzcząsteczkowa.

Odcinek prekursorowy jest silnie zasadowy, natomiast pepsyna ma charakter silnie kwasowy. W cząs -

teczce pepsynogenu miejsce aktywne jest całkowicie uformowane, jednakże w pH neutralnym dostęp do niego
jest zablokowany przez reszty aminokwasowe należące do odcinka prekursorowego (zasadowego). Sześć
łańcuchów bocznych lizyny i argininy z odcinka prekursorowego tworzy wiązania jonowe z karboksylowymi
łańcuchami bocznymi glutaminianu i asparaginianu z części cząsteczki zymogenu tworzącej pepsynę. Co
najważniejsze, łańcuch boczny lizyny odcinka prekursorowego oddziałuje elektrostatycznie z dwoma resztami
asparaginianu w miejscu aktywnym.

Zmniejszenie pH powoduje zerwanie wiązań jonowych między odcinkiem prekursorowym i częścią

cząsteczki pepsynogenu, która tworzy pepsynę. Wywołane w ten sposób zmiany konformacyjne prowadzą do
wyeksponowania miejsca aktywnego, które hydrolizuje wiązanie peptydowe między odcinkiem prekursorowym i
pozostałą częścią cząsteczki pepsynogenu.

34. Chymotrypsyna

Chymotrypsyna, jest enzymem trawiennym ssaków. Funkcja chymotrypsyny polega na prowadzeniu hydrolizy
białek w jelicie cienkim. Enzym ten działa wybiórczo na wiązania peptydowe po karboksylowej stronie
aromatycznych łańcuchów bocznych tyrozyny, tryptofanu i fenyloalaniny oraz dużych reszt hydrofobowych, takich
jak metionina. Dodatkowe znaczenie chymotrypsyny wynika z jej przynależności do ważnej rodziny białek
nazywanych proteazami serynowymi.
Chymotrypsyna składa się z trzech łańcuchów polipeptydowych połączonych dwoma międzyłańcuchowymi
wiązaniami dwusiarczkowymi. Syntetyzowana jest w formie pojedynczego łańcucha polipeptydowego, który
stanowi nieaktywny prekursor nazywany chymotrypsynogenem.
Ma ona strukturę upakowaną w kształcie elipsy. Kilka fragmentów cząsteczki chymotrypsyny przybiera
konformację antyrównoległej struktury β a nieliczne — konformację λ helisy. Wszystkie naładowane grupy, z
wyjątkiem trzech, które pełnią decydującą rolę w katalizie, znajdują się na powierzchni cząsteczki enzymu.

40.

Inhibitory enzymów

Inhibitor - Cząsteczka hamująca działanie enzymu / unieczynnienie enzymu /; enzym przestaje działać w wyniku
nieodwracalnej reakcji chemicznej związanej z enzymem.
Rodzaje inhibicji:
Inhibicja niekompetycyjna - Mechanizm hamowania aktywności enzymu. Cząsteczka działająca jako inhibitor nie
wchodzi w centrum aktywne enzymu, ale przyłącza się do innego miejsca na cząsteczce enzymu i hamuje jego
działanie.
Inhibicja kompetycyjna - Sposób hamowania działania enzymu. Cząsteczka będąca inhibitorem ma podobną
budowę do substratu hamowanego enzymu. Inhibitor wchodzi w centrum aktywne enzymu, blokuje centrum
aktywne i uniemożliwia łączenie enzymu z substratem.

Inhibicja enzymów może być procesem odwracalnym lub nieodwracalnym. W inhibicji

nieodwracalnej inhibitor łączy się kowalencyjnie z enzymem lub łączy się tak silnie, że jego dysocjacja jest bardzo
powolna. Enzym przestaje działać poprzez nieodwracalną reakcję chemiczną; np.: działanie gazów paraliżujących
układ nerwowy, polega na zatruciu enzymu – acetylocholinoesterazy – pełniącego ważną rolę w
przekazywaniu impulsów nerwowych.

40. Inhibitory enzymów

Inhibitory enzymów to substancje hamujące działanie enzymów. Enzymy mogą ulegać inhibicji przez

specyficzne cząstki. W wyniku inhibicji enzym przestaje działać przez nieodwracalne reakcje chemiczne związku z
enzymem.
Inhibitory enzymów mogą być:

•

nieodwracalne – inhibitor łączy się kowalencyjnie z enzymem lub tak silnie, że jego dysocjacja jest bardzo
powolna.

Inhibitorem nieodwracalnym jest np.diizopropylofluorofosforan. Związek ten reaguje z seryna w centrum
aktywnym enzymu powodując jego unieczynnienie.
Inhibitory denaturujące cząsteczkę białka – np. mocznik, sole metali ciężkich, temperatura
Inhibitory samobójcze – np. penicylina

•

odwracalne – charakteryzuje je szybkie osiągnięcie stanu równowagi przez układ enzym-inhibitor,
Inhibitory te hamują aktywność enzymatyczną, jednak po usunięciu cząsteczki hamującej można
przywrócić aktywność.

Inhibitory odwracalne dzielimy na:
-

kompetycyjne (konkurencyjne) – cząstka podobna do substratu tworzy kompleks z enzymem, ale nie jest
przekształcana do produktu. Wiązanie substratu i inhibitora wzajemnie się wykluczają. Inhibitor
kompetencyjny zmniejsza szybkość reakcji przez zmniejszenie liczby cząstek enzymu wiążących substrat.

-

niekompetycyjne - reagują w innym centrum niż centrum aktywne, tak że połączenia enzymu z substratem
nie mogą mieć miejsca. Inhibitor i substrat mogą jednocześnie wiązać się z cząsteczką enzymu. Działalność
inhibitora niekompetycyjnego polega na zmniejszeniu liczby obrotów enzymu.

•

allosteryczne – gdy jedno miejsce aktywne enzymu może oddziaływać na drugie miejsce aktywne tej
samej cząsteczki enzymu

43.

INHIBITORY KOMPETENCYJNE / konkurencyjne / – cząsteczka, która jest podobna do substratu, tworzy
kompleks z enzymem, ale nie jest przekształcona do produktu; enzym jest w pełni aktywny.

Inhibicję odwracalną charakteryzuje szybka dysocjacja kompleksu enzym-inhibitor. Najprostszym

przykładem i.o. jest i. kompetencyjna, w której enzym może wiązać substrat (tworząc kompleks ES) lub inhibitor
(tworząc kompleks EI), ale nie oba na raz (ESI). Inhibitor kompetencyjny podobny jest do substratu i wiąże się w
miejscu aktywnym enzymu, zapobiegając wiązaniu substratu z tym miejscem.
Inhibitor kompetencyjny zmniejsza szybkość katalizy przez zmniejszanie liczby cząstek enzymu wiążących
substrat. Inhibicję kompetencyjną można przezwyciężyć przez zwiększanie stężenia substratu.

W inhibicji niekompetencyjnej, która jest także odwracalna, inhibiotor i substrat mogą się jednocześnie wiązać z
cząsteczką enzymu. Oznacza to, że ich miejsca wiązania nie zachodzą na siebie. Działanie INHIBITORA
NIEKOMPETECYJNEGO polega na zmniejszeniu liczby obrotów enzymu, nie na zmniejszeniu liczby cząsteczek
enzymu wiążących substrat. Inhibicji niekompetencyjnej nie można przezwyciężyć przez zwiększenie stężenia
substratu

41.

Inhibitory samobójcze

/Przykłady inhibitorów samobójczych: Penicylina; Tosylo-l-phenyloalanino-chlorometylo-keton TPCK /

Penicylina hamuje wzrost bakterii, jednak w środowisku hipertonicznym bakterie podatne na działanie

penicyliny mogą rosnąć w jej obecności – komórki w tym środowisku /protoplasty/ pozbawione są ścian
komórkowych.

Penicylina przeszkadza w syntezie komórkowych ścian bakterii, blokuje ostatni etap biosyntezy

bakteryjnych ścian komórkowych, tzn.

reakcję tworzenia wiązań poprzecznych między różnymi łańcuchami

peptydoglikanu

/Peptydoglikan to makrocząsteczka budująca ścianę komórkową, zbudowana z liniowych łańcuchów
usieciowanych przez krótkie peptydy/

Podczas formowania ściany komórkowej, reakcja usieciowania poprzez

wiązania

poprzeczne,

katalizowana jest przez transpeptydazę glikopeptydową. Penicylina hamuje transpeptydazę
glikopeptydową;

łatwo jest przyjmowana przez aktywne miejsca transpeptydazy, następnie penicylina

tworzy wiązanie kowalencyjne z seryną w miejscu aktywnym enzymu. Taki penicyloiloenzym już nie działa, a
transpeptydaza zostaje nieodwracalnie zahamowana

Penicylina jest efektywnym inhibitorem transpept ydaz y, z powodu:

-

silnej reaktywności pierścienia, który ma prawdopodobnie strukturę podobną do struktury stanu

przejściowego normalnego substratu, który w tym właśnie stanie silnie oddziałuje z enzymem;
podsumowując:

dla trasnspeptydazy penicylina jest analogiem stanu przejściowego.

42.

Inhibitory allosteryczne

W

enzymach allosterycznych związanie substratu do jednego miejsca aktywnego może zmienić właściwości
drugiego miejsca aktywnego tej samej cząsteczki enzymu.

tabele
Pomiary szybkości katalizy przy różnych stężeniach substratu i inhibitora pozwalają odróżnić i. kompetencyjną od
niekompetencyjnej

43.

Rodzaj inhibicji – niekompetencyjna

W przypadku inhibicji niekompetencyjnej rozcieńczenie inhibitora z substratami nie ma znaczenia, bo substrat nie

konkuruje z inhibitorem, wiąże się w innym miejscu, wielkość cząsteczki nie ulega zmianie.

Efekt reakcji zależy od liczby cząstek enzymów
Stężenie substratu niezależne jest od prędkości
Inhibitor niekompetencyjny nie wpływa na K

M

, natomiast zmniejsza wartość Vmax

80. RODZAJ INHIBICJI – kompetencyjna / rysunek na tej samej zasadzie wg tabeli /

W przypadku inhibicji kompetencyjnej można efekt inhibitorów wyeliminować stosując nadmiar substratu.
Brak wpływu inhibitora kompetencyjnego na Vmax reakcji enzymatycznej

W obecności i przy braku inhibitora kompetencyjnego Vmax pozostaje niezmienione, natomiast zwiększeniu
ulega wartość K

M

44.

Analogi stanu przejściowego

Skutecznym rodzajem inhibicji kompetencyjnej jest inhibicja typu analogów stanu przejściowego.

A  B  C D E

Substancja E nie jest podobna do substancji A albo B / inhibicja I reakcji przemiany A w B /

Enzym obniża barierę aktywacji poprzez stabilizację substratów w postaci stanu przejściowego; stabilizuje stany
przejściowe – im większe stężenie substratów w stanie przejściowym, tym większe prawdopodobieństwo, że
reakcja zajdzie.

Związki będące analogami stanów przejściowych są doskonałymi inhibitorami kompetencyjnymi.

Przeciwciała katalityczne – są enzymami – przekształcają substrat w produkt.

Możliwości katalityczne białek wynikają z faktu, że są one zdolne do wiązania cząsteczki biologicznej i

stabilizacji jej stanu przejściowego.

Enzymy wykazują aktywność katalityczną w odpowiednim czasie i miejscu.

Reakcja chemiczna, w której z substratu S tworzony jest produkt P przechodzi przez stan przejściowy,

który ma energię swobodną wyższą niż S i P.

K

±

V

( substrat ) S  S

±

 P ( produkt )

Stan przejściowy

/ ± - podwójny znak plus oznacza termodynamiczną jakość stanu przejściowego /

Stan przejściowy występuje najrzadziej w całym przebiegu reakcji, z powodu swej najwyższej wolnej energii.

Związki przypominające stan przejściowy katalizowanej reakcji określano jako analogi stanu przejściowego i są
one silnymi inhibitorami enzymów.

Drogą syntezy związków, które przypominają bardziej stan przejściowy niż sam substrat, można otrzymać silne i
specyficzne inhibitory enzymów. Siła, z jaką analogi stanu przejściowego działają jako inhibitory, jest
potwierdzeniem katalizy, którą jest selektywne wiązanie stanu przejściowego.

Znaczenie analogów stanu przejściowego:

-

pozwalają one na wgląd w mechanizmy katalityczne

-

mogą służyć jako silne i specyficzne inhibitory enzymów

-

mogą być użyte jako immunogeny do wytwarzania wielu nowych katalizatorów

65. Enzymy (nukleazy) restrykcyjne.

Enzymy restrykcyjne (restryktazy) występują w komórkach bakteryjnych. Ich obecność w danej bakterii

ogranicza wzrost pewnych wirusów bakteryjnych, zwanych bakteriofagami. Należą one do grupy endonukleaz,
które przecinają DNA w swoistych sekwencjach w obrębie cząsteczki. Enzymy restrykcyjne stanowią część
systemu obronnego bakterii, który chroni je przed atakiem wirusów.

Enzymy restrykcyjne umożliwiają rozcinanie DNA w specyficznych miejscach. Restryktazy rozpoznają

specyficzne sekwencje i rozcinają DNA pozostawiając w miejscu rozcięcia tępe jego końce. Końce fragmentów
restrykcyjnych DNA można połączyć za pomocą ligazy, uzyskując w ten sposób nowe zrekombinowane cząsteczki
DNA.

Enzymy restrykcyjne izoluje się z bakterii, gdzie ich rola polega na ochronie komórki gospodarza przed

infekcją wirusową. Dotychczas wyizolowano ponad 100 enzymów restrykcyjnych. Ich trójliterowe nazwy pochodzą
od nazw gatunków bakterii, z których zostały wyizolowane. Pierwsza litera nazwy enzymu pochodzi od pierwszej
litery nazwy rodzaju bakterii, a następne dwie od nazwy gatunku. Każdy z nich jest oznaczony dodatkowo cyfrą

rzymską. (np. EcoRI był pierwszym enzymem izolowanym z Escherichia coli).

Fragmenty DNA (nazywane fragmentami restrykcyjnymi) powstające po rozcięciu cząsteczki DNA

enzymem restrykcyjnym można rozdzielić metodą elektroforezy żelowej. Elektroforeza w żelu
poliakryloamidowym umożliwia rozdział małych fragmentów; do rozdziału większych fragmentów jest potrzebny
żel agarozowy. Po elektroforezie, DNA można w żelu uwidocznić przez wybarwienie go bromkiem etydyny, który
wiąże się z DNA i silnie fluoryzuje, emitując jasnopomarańczowe światło.

Schemat przedstawiający rozmieszczenie miejsc rozcięcia DNA przez różne enzymy restrykcyjne nazywa

się mapą restrykcyjną danej cząsteczki DNA. Mapy takie umożliwiają porównanie cząsteczek DNA bez
konieczności określania ich sekwencji nukleotydowych.

Aktywność enzymów w zależności od warunków środowiska.

Chatakterystyczną cechą wszystkich enzymów jest ich specyficzność względem substratu oraz aktywność
kinetyczna. Przyspieszają reakcje chemiczne poprzez obniżenie energii aktywacji około milionkrotnie przez co
możliwe jest zachodzenie procesów które w normalnych warunkach byłyby niezauważalne. Wpływają jednak tylko
na te procesy które są termodynamicznie możliwe przyspieszając osiągniecie równowagi termodynamicznej do
której jak wiemy dąży każda reakcja. Ogólny schemat reakcji katalizowanej przez enzym wygląda następująco:
E+S->ES-> E+P

Zdolność katalityczna enzymu, czyli jego aktywność określa wzrost szybkości reakcji w ścisle określonych

warunkach. Zwykle oznacza zmianę stężenia produktu lub substratu reakcji w jednostce czasu. Jednostką
aktywności enzymatycznej w układzie SI jest katal. Odpowiada on aktywności enzymu, przy której jest on zdolny
przekształcić 1 mol substratu w produkt w czasie 1 sekundy w temperaturze 30C i pozostałych warunkach
optymalnych. Jednak powszechnie używana jednostką jest międzynarodowa jednostka aktywności enzymu IU.
Określa ilość enzymu potrzebnego do przekształcenia 1M substratu w produkt w czasie 1 minuty w warunkach
optymalnych.

Aktywność enzymów jest ściśle zależna od panujących warunków środowiska w którym zachodzi reakcja.

Na szybkość reakcji wpływ mają takie czynniki jak:

Temperatura
pH
Siła jonowa
Stężenie substratu
Stężenie enzymu
Obecność aktywatorów
Obecność inhibitorów

Wpływ temperatury na aktywność enzymów.

Jak wiadomo z reguły Van’t Hoffa, podwyższenie temperatury o 10C powoduje dwu lub nawet trzykrotny

wzrost szybkości większości reakcji chemicznych. Ta sama reguła obowiązuje w przypadku enzymów, jednak tylko
w granicach temperatury poza którą następuje denaturacja białka i utrata zdolności katalitycznych. W związku z
tym przy temperaturze 0-30C następuje wyłącznie wzrost aktywności enzymu, zgodnie z regułą Van’t Hoffa. Przy
dalszym wzroście temperatury szybkość reakcji nadal się zwiększa jednak następuje denaturacja białka enzymu
poprzez zrywanie wiązań niekowalencyjnych, głównie wodorowych. Następnie denaturacja postępuje tak szybko,
że enzym traci swoje właściwości katalityczne a szybkość reakcji gwałtownie maleje.

Enzym wykazuje najwyższą aktywność w temperaturze zwanej temperaturą optymalną. Za taką uznaje się

tą, przy której szybkość reakcji jest najwyższa i jednocześnie nie następuje proces denaturacji. Optimum jest
różne dla różnych enzymów i zależy od ich pochodzenia. Dla enzymów zwierzęcych jest to temperatura bliska
temperatury ciała. Dla enzymów pochodzenia roślinnego i bakteryjnego występuje duże zróżnicowanie, nawet do
90C. Ważny jest również fakt, że dla niskich temperatur, czyli około 0C aktywność enzymów jest niska,
natomiast wykazują dużą trwałość.

Istnieją enzymy inaktywujące dzialanie wysokiej temperatury, cechuje je wysoka termostabilność. Określa

się ją jako najwyższą temperaturę, w której nie zachodzi termiczna inaktywacja białka.
Przykład: Polimeraza Taq wykorzystywana w PCR występuje u bakterii żyjących w gorących źródłach a więc
przystosowana jest do optymalnej pracy w wysokich temperaturach.

Wpływ odczynu środowiska na aktywność enzymów.
Każdy enzym największą aktywność wykazuje przy optymalnym pH. Wówczas szybkość katalizowanej reakcji jest
najwyższa. Wpływ pH na białka zależy od wielkości zmiany jego wartości optymalnej. Skrajne wartości pH
wpływaja denaturująco i powodują nieodwracalne zahamowanie ich działania. Niewielkie odchylenia od wartości
optymalnej obniżają aktywność enzymów, ponieważ wpływają na stopień jonizacji substratu i enzymu oraz
zmieniają warunki tworzenia kompleksu enzym-substrat.
(wpływ na stężenie jonów wodorowych na dysocjujące grupy aminowe i karboksylowe występujące w resztach
aminokwasowych łańcucha peptydowego, a zwłaszcza w bezpośrednim sąsiedztwie centrum aktywnego enzymu.
Zmiana stopnia dysocjacji tych grup pod wpływem zmiany pH roztworu powoduje zmianę układu ładunków, a tym
samym struktury trzeciorzędowej białka, co może zmniejszych aktywność enzymu. Z drugiej strony grupy
funkcyjne centrum aktywnego są w różnym stopniu wysycone protonami, a tylko jedna z form ma największe
powinowadztwo do substratu.).

Zmiana pH wpływa na stopień uprotonowania grup centrum aktywnego oraz szybkość reakcji.

Optimum pH enzymów jest związane z odczynem środowiska ich naturalnego występowania. Dla

większości zakres zbliżony jest do odczynu obojętnego lub słabo kwaśnego(6-9). Znamy jednak wiele przykładów
takich enzymów, których optimum działania występuje w środowisku kwaśnym lub zasadowym. Na przykład
pepsyna (enzym występujący w żołądku, enzym trawienny) optimum pH ma około2,0, proteinaza kwaśna() 3,5,
arginaza () 10 a trypsyna() 8-11. Ponadto enzymy mogą mieć tóżne wartości optimum pH dla różnych substratów
jak na przykład w przypadku pepsyny, która dla syntetycznego peptydu wykazuje optimum pH 2,8.

Wpływ stężenia substratu na aktywność enzymów.

Dla wielu enzymów aktywność katalityczna zmienia się wraz ze zmiana stężenia substratu. Zależność ta

została opisana przez Michaelisa i Menten..Ich teoria, jako podstawa rozważań kinetycznych zakłada:

konieczność wytwarzania odwracalnego kompleksu enzym-substrat
Kompleks ten może rozpadać się w dwojaki sposób: na enzym i produkt lub enzym i substrat reakcji
Niemożliwa jest reakcja odwrotna, to znaczy przemiana produktu w substrat.

Szybkość reakcji katalizowanej przez enzymy podlegające kinetyce Michaelisa-Menten zależy od stężenia
substratu. Przy niskim stężeniu substratu szybkość reakcji wzrasta proporcjonalnie do wzrostu jego stężenia.
Jednak przy wysokim stężeniu substratu enzym ulega wysyceniu w związku z czym dalszy wzrost stężenia
substratu powoduje tylko niewielkie zwiększenie szybkości reakcji ponieważ wszystkie cząstki enzymu posiadają
związany substrat.
Maksymalna szybkość reakcji zostaje osiągnięta przy takim stężeniu substratu, gdy wszystkie centra aktywne są
wysycone substratem.
Szybkość reakcji enzymatycznej opisuje równanie Michaelisa-Menten
V=(Vmax x S)/ Km x S
Gdzie: Km – stała Michaelisa, równa takiemu stężeniu substratu [S], przy którym szybkość reakcji V jest połową
szybkości maksymalnej Vmax i opisywana równaniem:
Km=(k2+k3)/k1
gdzie: k1 – stała szybkosci tworzenia kompleksu enzym-substrat
k2 – stała szybkosci rozpadu kompleksu enzym substrat w kierunku uwolnienia
substratu
k3 – stała szybkosci rozpadu kompleksu enzym-substrat z wytworzeniem produktu
Stała Michaelisa-Menten jest wartością charakterystyczna dla enzymu w określonych wartościach pH i
temperatury.
Znając wartość Km możemy dobrać tak stężenie substratu aby uzyskać stan nasycenia enzymu.

Wpływ aktywatorów i inhibitorów na aktywność enzymów.

Enzymy moga podlegac zarówno inhibicji, jak i aktywacji przez róne specyficzne czasteczki lub jony. Ma to

szczególnie istotne znaczenie dla kontroli fizjologicznej ich działania w układach biologicznych. W ten sam sposób
działa również wiele leków i czynników toksycznych.
Jak już wspomniano, aktywnosc enzymu w organizmie podlega kontroli
fizjologicznej. Niektóre z enzymów sa syntezowane w postaci nieczynnych prekursorów i ulegaja aktywacji w
pożadanym czasie oraz miejscu, np. enzym trawienny – trypsyna wydzielana jest w trzustce jako trypsynogen, a
jako czynny enzym pojawia sie w jelicie cienkim dopiero po hydrolizie wiazania peptydowego, która powoduje
odczepienie krótkiego peptydu i przejscie proenzymy w forme aktywna.
Enzymy moga również podlegac modyfikacji kowalencyjnej. Aktywnosc jest
wówczas regulowana przez przyłaczenie małej grupy chemicznej do czasteczki enzymu, np. w wyniku fosforylacji,
adenylacji czy rybozylacji.
Wiekszosc enzymów wymaga dla zachowania swojej aktywnosci aktywatorów.
Aktywatorami nazywamy zwiazki niskoczasteczkowe, których obecnosc w miejscu katalizy enzymatycznej
przyspiesza przebieg reakcji. Aktywatorami enzymów moga byc jony metali (np. Mn2+, Co2+, Zn2+), aniony
współdziałajace z białkami (np. Cl-), a także związki regulujace potencjał oksydoredukcyjny srodowiska, od których
zależy budowa centrów aktywnych.
Inhibitory sa substancjami hamujacymi działanie enzymów. Inhibicja czasteczki
enzymu może zachodzic pod wpływem małych czasteczek lub jonów, zarówno
nieodwracalnie jak i odwracalnie.
W inhibicji nieodwracalnej inhibitor wiaże sie kowalencyjnie z enzymem tak silnie, że jego dysocjacja jest bardzo
powolna (np. działanie gazów paraliżujacych na układ nerwowy). Te inhibitory nazywane sa czesto „truciznami
enzymów”, ponieważ powoduja chemiczna modyfikacje aminokwasów enzymu. Najczesciej brak jest
podobienstwa pomiedzy inhibitorem i substratem, ale jeżeli takie podobienstwo wystepuje, wówczas związanie
substratu przez enzym działa na enzym ochronnie.
W inhibicji odwracalnej szybko osiagany jest układ enzym-inhibitor. Podstawowe
typy odwracalnej inhibicji, to:

Inhibicja kompetycyjna, kiedy inhibitor jest podobny do substratu i wiae sie

w miejscu aktywnym enzymu, blokujac wiazanie substratu. Wówczas inhibitor
współzawodniczy z enzymem o centrum aktywne. Czesto taki typ inhibicji
wystepuje, gdy produkt reakcji jest podobny do substratu. Wówczas reakcja

enzymatyczna hamowana jest przez produkt (zjawisko sprzężenia zwrotnego).

Inhibicja niekompetycyjna, kiedy inhibitor wiąże sie z czasteczka enzymu

w innym miejscu niż centrum aktywne enzymu. Wtedy nastepuje zmiana
konformacji enzymu, która pociaga za soba zmiane konformacji centrum
aktywnego. Aktywatory i inhibitory maja szczególne znaczenie dla podniesienia szybkości katalizy prowadzonej
przez enzymy allosteryczne. W czasteczce takich enzymów poza centrum aktywnym wystepuje również centrum
regulatorowe, ulokowane najczesciej na innej podjednostce białka. Przyłaczenie do tego centrum efektora (tj.
aktywatora lub inhibitora) powoduje gwałtowna zmiane szybkosci katalizy. Proces aktywacji badz inhibicji takiego
enzymu jest procesem odwracalnym. Enzymy takie katalizuja kluczowe reakcje szlaków metabolicznych i nie
podlegaja kinetyce Michaelisa-Menten.

Kinetyke allosterycznych enzymów opisuje model sigmoidalny. Szybkosc reakcji katalizowana przez enzym

allosteryczny przed zwiazaniem efektora jest bardzo niska i zmienia sie nieznacznie w zależnosci od steżenia
substratu. Zwiazanie aktywatora powoduje gwałtowny wzrost szybkosci reakcji, aż do poziomu pełnego
wysycenia enzymu substratem. Natomiast zwiazanie inhibitora powoduje jeszcze wieksze opóznienie uwalniania
produktu z kompleksu przejsciowego. Charakterystyczne dla tych enzymów jest wystepowanie zjawiska
pozytywnej kooperacji, czyli ułatwienie wiazania czasteczek substratu do kolejnych centrów aktywnych wskutek
zmian konformacyjnych, jakie wywołane zostały w białku poprzez przyłaczenie pierwszej czasteczki substratu.

Wsród czynników, które wpływaja na szybkosc reakcji enzymatycznej należy
dodatkowo wyróżnic grupe inaktywatorów, czyli czynniki, które doprowadzaja do
niespecyficznego i nieodwracalnego hamowania enzymu poprzez jego denaturacje. Należa do nich zarówno
czynniki chemiczne (np. niektóre rozpuszczalniki organiczne czy steżone roztwory soli metali cieżkich), jak i
czynniki fizyczne (np. promieniowanie jonizujace lub ultradzwieki).