Enzymologia

  

  

B

A

D

C

RT

G

G

o

ln









o

G



A + B = C + D

Gdzie:

- standardowa zmiana energii swobodnej
R – stała gazowa
T – temperatura
[A], [B], [C], [D] – molowe stężenia składników
reakcji

  

  

B

A

D

C

K 

W stanie równowagi

  

  

B

A

D

C

RT

G

o

ln

0







  

  

B

A

D

C

RT

G

o

ln







K

RT

G

o

ln







0



G

Stała równowagi K



G











RT

G

e

v

k

Energia aktywacji

- to różnica energii swobodnej
między stanem przejściowym a substratem. Minimalna
energia jaką musi posiadać substrat, aby mógł przereagować.

Stan przejściowy – stan o maksymalnej energii na wykresie
postępu reakcji. Dla reakcji enzymatycznych stanem
przejściowym jest kompleks enzym-substrat ES.

Stałą szybkości opisujemy wówczas równaniem:

Oddziaływania Enzym-

Substrat

H

2

N

CH

C

CH

2

OH

O

CH

2

CH

2

NH

C

NH

2

NH

Arg

H

2

N

CH

C

CH

2

OH

O

CH

2

CH

2

CH

2

NH

2

Lys

H

2

N

CH

C

CH

2

OH

O

N

NH

His

H

2

N

CH

C

CH

2

OH

O

CH

2

CH

2

CH

2

NH

2

H

2

N

CH

C

CH

2

OH

O

CH

2

CH

2

CH

2

NH

3

pH 7,4

Aminokwasy zasadowe

Aminokwasy zasadowe

H

2

N

CH

C

CH

2

OH

O

CH

2

C

OH

O

Glu

H

2

N

CH

C

CH

2

OH

O

CH

2

C

O

O

pH 7,4

Aminokwasy kwasowe

C

O

O

NMe3

H

2

C

H

2

C

O

C

H

3

C

O

Wiązanie jonowe

10-15 kcal/mol

R

C

O

–

O

CH3

O

R









C-X
(X= O,N, S, Cl, Br...)

C=O

+

NH

3

-R ( np. zasadowy aminokwas)

Oddziaływania dipol-dipol ( -1 kcal/mol)

Oddziaływania dipol-dipol

Oddziaływania jon-dipol

Oddziaływania jon-dipol ( -4kcal/mol do -7
kcal/mol)
C-X
(X= O,N, S, Cl, Br...)

C=O

+

NH

3

-R ( np. zasadowy

aminokwas

)

Wiązania wodorowe

Wiązania wodorowe ( -3 kcal/mol
do –7kcal/mol)
X-H .....Y
X: O, S, N, P,
Y: C=O; S=O; NO

2

O

C

H

O

O

H

H

2

N

CH

C

CH

3

OH

O

Oddziaływania hydrofobowe

Natura efektu:

Orientacja wody wokół niepolarnego łańcucha

oznacza wyższą energię układu

Zbliżenie niepolarnych podstawników

wymusza asocjację cząsteczek wody Oznacza

wzrost entropii układu

Następuje zmniejszenie energii swobodnej

takiego układu

Oznacza to stabilizację układu

Oddziaływanie CH2..... CH2 to około 0,7

kcal/mol

R

R

10x (-0,7)= -7 kcal

Oddziaływania dyspersyjne

Oddziaływania międzycząsteczkowe dipol....dipol indukowany
( G0 około – 0,5 kcal/mol

R

R



































H

3

C

O

O

H

3

C

O

Ph

O

H

3

C

O

C

O

O

CH

3

V1

O

OPh

O

O

O

O

O

V2

V2/V1= 2,3 x10

6

Zawartość aminokwasów w centrum aktywnym enzymu

Ser

OH

7,8% (zawartość)

4% (centrum aktywne)

Lys

NH2

7

9

Thr

OH

6.5

3

Asp

COOH 4,8

15

Glu

COOH 4,8

11

Arg

NH2

3.8

11

Tyr

OH

3,4

5

Cys

SH

3,4

6

His

-N-

2,2

18

Met

SMe

1,6

1

Trp

1,2

-N-

1

3. EFEKTY WPŁYWAJĄCE NA

3. EFEKTY WPŁYWAJĄCE NA

SZYKOŚĆ REAKCJI

SZYKOŚĆ REAKCJI

ENZYMATYCZNEJ

ENZYMATYCZNEJ

 Kataliza wewnątrzcząsteczkowa

 Efekty konformacyjne

 Kataliza wielosubstratowa

 Kataliza kowalencyjna

 Kataliza kwasowo – zasadowa

 Wpływ rozpuszczalnika

 Działanie sił elektrostatycznych

 Wiązania wodorowe

 Wpływ sił hydrofobowych

 Efekt koordynacyjny

a

) Przykłady katalizy dwucząsteczkowej

Kataliza przez zbliżenie reagujących

Kataliza przez zbliżenie reagujących

cząsteczek – kataliza

cząsteczek – kataliza

wewnątrzcząsteczkowa

wewnątrzcząsteczkowa

O

2

N

O

O

N

H

N

N

N

O

H

2

O

N

H

N

OH

O

OH

O

2

N

Wnioski:

Wnioski:

Wzrost szybkości reakcji
wewnątrzcząsteczkowych w
porównaniu do reakcji, do
których zainicjowania wymagane
jest zderzenie dwóch lub więcej
cząsteczek.
Efekt katalizy
wewnątrzcząsteczkowej zależy od
długości i budowy fragmentu
łączącego dwie grupy; największy
efekt katalityczny w przypadku
produktu z sześcioczłonowym
pierścieniem.
Maksymalne przyspieszenie
reakcji: 103.

Konformacja i zbliżenie grup

OH

OH

O

O

OH

OH

O

O

O

O

O

O

O

O

2,0*10

3

1,8*10

4

Wnioski:

Wnioski:

•

Wzrost szybkości reakcji uzyskuje się przez

optymalne ułożenie w przestrzeni reagujących
ze sobą grup – efekt sferyczny (orientacyjny).

• Wzrost szybkości reakcji uzyskuje się na
skutek zmniejszenia naprężenia w obrębie
reagującej cząsteczki podczas przejścia od
stanu podstawowego do przejściowego.

• Maksymalne przyspieszenie reakcji: 10

10

.

Kataliza kowalencyjna

Kataliza kowalencyjna

k

1

k

2

R X

W

X

R

R

W

Y

Y

W

Kataliza kowalencyjna polega na reakcji katalizatora
z substratem, a następnie na rozpadzie powstałego w
ten sposób produktu pośredniego pod wpływem
drugiego substratu, co w wyniku daje produkt reakcji i
uwalanie katalizator.

Wyróżniamy dwa typy katalizy:

 katalizę pierwszego typu

Reakcja katalizowana

Reakcja niekatalizowana

R X

k

R

Y

Y

X

a) Przykład reakcji katalizowanej

O

2

N

N

H

N

N

N

O

H

2

O

N

H

N

OH

O

2

N

O

O

OH

O

k

1

k

2

R X

W

R

R

W

Y

Y

W

X

X

R

W

Y

k

3

Kataliza 2-go rodzaju

Reakcja niekatalizowana

R X

k

R

Y

Y

X

b)Przykład reakcji katalizowanej

O

O

O

H

O

k

CO

2

WNIOSKI:

WNIOSKI:

• Im mocniej związany jest substrat z enzymem,

tym wolniej może zachodzić sama reakcja.

• Stosunek ładunków elektrycznych jonów

wchodzących w skład pary jonowej wpływa na
wartość pK.

• Siły jonowe biorą udział w stabilizacji lub

destabilizacji stanu przejściowego reakcji.

• Siły elektrostatyczne mogą powodować

przyspieszenie reakcji nawet rzędu 10

3

.

WIĄZANIE WODOROWE

WIĄZANIE WODOROWE

O

H

H

H

O

+ OH

OH

H

H

H +

O

O

O

H

O

H

O

+ OH

OH

H

O

H

+

O

O

1

31,6

WNIOSKI

WNIOSKI

• Nie mają dużego wpływu na siłę wiązania

cząsteczki substratu z enzymem.

• Odpowiedni układ przestrzenny wiązań

wodorowych warunkuje specyficzność wiązania i

pozwala na odpowiednie usytuowanie cząsteczki w

centrum aktywnym enzymu.

• W większość przypadków oprócz efektu wiązań

wodorowych może występować efekt katalizy

kwasowo – zasadowej.

• Efektywność wiązań wodorowych wzrasta w

rozpuszczalnikach nie solwatujących substratu.

• Występowanie wiązań wodorowych może

powodować przyspieszenie reakcji nawet rzędu

10

4

.

SIŁY HYDROFOBOWE

SIŁY HYDROFOBOWE

O

O

O

O

O

O

O

O

O

N

HN

1

N

HN

128

NH

2

4200

WNIOSKI

WNIOSKI

• Hydrofobowość zależy od powierzchnie kontaktu

oddziałujących ze sobą cząsteczek

• Siły hydrofobowe pełnią istotną rolę w wiązaniu

substratu z enzymem.

• Siły hydrofobowe powodują przyspieszenie reakcji

od 10 do 20 razy.

Kataliza kowalencyjna

Kataliza nukleofilowa:

Reakcja centrum nukleofilowego enzymu z centrum

elektrofilowym substratu ( Tetraedryczny stan przejściowy)

Odejście grupy dobrze odchodzącej i utworzenie produktu

pośredniego

Atak nukleofila ( np. jon OH- ) i utworzenie produktu reakcji

Grupy nukleofilowe enzymów:

OH Seryna

Imidazol

Histydyna

Aminowa

Lizyna

CO2-

Asparaginian, glutaminian

Przykłady: reakcje hydrolizy estrów, amidów

Zalety reakcji katalizowanej przez enzymy:

Reakcja jednocząsteczkowa, wewnątrzcząsteczkowa

Korzystna entropowo

Grupy nukleofilowe enzymu ( SH, OH) są bardzo reaktywnymi

nukleofilami

Związek pośredni jest bardziej reaktywny od substratu

O

O

OR

O

OH

OR

O

O

-ROH

OOC

H-OH

HOOC

OOC

O

HOOC

O

OH

Reakcja hydrolizy estrów działaniem
lipazy

Zalety reakcji katalizowanej przez enzymy:

Reakcja jednocząsteczkowa, wewnątrzcząsteczkowa

Korzystna entropowo

Grupy nukleofilowe enzymu ( SH, OH) są bardzo reaktywnymi

nukleofilami

Związek pośredni jest bardziej reaktywny od substratu

O

O

OR

O

OH

OR

O

O

-ROH

OOC

H-OH

HOOC

OOC

O

HOOC

O

OH

Reakcja hydrolizy estrów
działaniem lipazy

Ogólna kataliza kwasowo-zasadowa

Hydroliza estru

CH3-COOEt + HOH = CH3-COOH + EtOH

Kat: zasady, kwasy np. OH- , H+

Jednoczesna enzymatyczna kataliza kwasowa i zasadowa

R

O

H

O

H

O

H

B

BH

H

Jednoczesna enzymatyczna kataliza kwasowa i
zasadowa

R

O

H

O

Ser

O

H

N

N

H

C

O

O

Asp

His

Przekazywanie ładunku w czasie aktywacji seryny (charge-relay
system)

Deprotonizacja histydyny przez grupę karboksylową kwasu

asparaginowego

Usunięcie protonu z grupy hydroksylowej seryny

Atak utworzonego jonu alkoksylowego ( reaktywny

nukleofil) na centrum elektrofilowe

Kataliza
elektrostatyczna

R

C

NHR

O

O

His

Ser

H

2

N

CH

C

CH

2

OH

O

OH

H

2

N

CH

C

CH

2

OH

O

N

NH

2

His

Ser

Naprężenie i odkształcenie

Wiązanie substratu indukuje zmianę konformacji (E i S)

Grupy funkcyjne substratu przyjmują właściwą orientację wobec

aktywnych grup funkcyjnych enzymu

Pojawia się naprężenie w substracie ( destabilizacja substratu)

Wartość G# obniża się z uwagi na uwolnienie naprężenia

Leki

Leki. Inaktywacja i hamowanie działania enzymu.
Inhibitor- spowalnia lub blokuje reakcję katalizowana prze enzym
Inaktywator- nieodwracalnie wiąże się z enzymem
Enzym........Lek
E

Związek (i) Związek (k)
a) zmniejszone stężenie (i) .... choroba
np. Kwas 4-aminomasłowy (i).......Padaczka
Terapia:

zwiększenie koncentracji kwasu w płynie mózgowym

hamowanie działania enzymu (aminotransferaza 4-aminobutanowa)
b) nadmiar (k).......choroba

np. kwas moczowy......skaza moczanowa
Terapia: hamowanie działania enzymu katalizującego tworzenie kwasu

( oksydaza ksantynowa katalizuje konwersję ksantyny do

Kwasu moczowego)

c) Związek (k)... metabolit niezbędny w procesie rozwoju komórki bakterii, wirusa

Chemioterapia: blokowanie enzymu hamuje wzrost i replikację komórek
Np. hamowanie działania racemazy alaninowej...blokowanie syntezy

Peptydoglikanów....utrudniona synteza ściany bakteryjnej

Kompetencyjne inhibitory

odwracalne

Sulfonamidy

NH

2

H

2

N

N

N

SO

2

NH

2

prontosil

SO

2

NH

2

H

2

N

sulfanilamid

Mechanizm
działania

N

N

N

H

N

H

2

N

OH

O

P

2

E

H

2

N

COO

N

N

N

H

N

H

2

N

OH

H

N

COO

Kwas
dihydrofoliowy

E- syntetaza dihydropteranowa

Kwas dihydrofoliowy Tetrahydrofolian synteza puryn
DNA

Mechanizm
działania

H

2

N

C

O

–

O

H

2

N

S

O

–

O

NR

H

2

N

S

O

O

NH

R

H

2

N

S

O

-

N

R

O

var

H

2

N

S

O

O

NH

R

H

2

N

S

O

-

N

R

O

var

R:

N

S

SULFATIAZOL

N

N

SULFADIAZYNA

N

N

OCH

3

H

3

CO

SULFAMETOKSYNA

1 tydzien

O

N

CH

3

SULFAMETOKSAZOL

Kwas foliowy

Tetrahydrofolian

Kwas 4-Amino-

benzoesowy

Puryny

DNA

SULFAMETOKSAZOL

TRIMETOPRIM

N

N

H

2

N

CH

2

OCH

3

OCH

3

OCH

3

NH

2

TRIMETOPRIM

Białka transportujące

komórki ssaków

bakterie

Kwas foliowy

+

-

Enzymy syntezujące

-

+

Kwas foliowy

Proleki

PRONTOSIL

SUKCYNYLOSULFOTIAZOL