Enzymy(budowa, charakterystyka, właściwości, podział, przykłady, kinetyka, budowa centrum aktywnego) model Fischer, Ogstona, Koshlanda.

Enzymy (budowa,

charakterystyka,

właściwości, podział,

przykłady, kinetyka,

budowa centrum

aktywnego) model

Fischer, Ogstona,

Koshlanda.

Czym są enzymy?

• Enzymami nazywamy białka o

właściwościach katalitycznych,
posiadających zdolność zwiększania
szybkości reakcji chemicznych w
komórkach i płynach ustrojowych żywych
organizmów. Dzięki nim zostaje
zmniejszona energia aktywacji w
reakcjach biosyntezy i rozkładu, przy
czym same nie ulegają żadnym
zmianom.

Zasady działania enzymów

Ogólny schemat reakcji enzymatycznych

E + S  ES  E + P

E – enzym; S – substrat; ES – kompleks enzym substrat; P –
produkt;

Zmiany energii w czasie

reakcji

• By przeprowadzić substraty

(S) w stan przejściowy (S*)
potrzeba dużej energii do
pokonania progu aktywacji.
Składniki reakcji w stanie
przejściowym są
konwertowane następnie w
produkty końcowe (P). Enzym
obniża energię aktywacji
reakcji poprzez utworzenie
alternatywnej ścieżki reakcji
ze stanem pośrednim (ES*) o
mniejszej energii oraz
stabilizują go poprzez jego
specyficzne wiązanie.
Zmniejszenie energii
aktywacji zwiększa szybkość
reakcji.

Energia

aktywacji

• Organizmy nasze są stało cieplne, temperatura naszego ciała

wynosi średnio 36,6 stopnia C. Przy tak niskiej temperaturze,

aktywność cząsteczek/atomów jest bardzo niska, na tyle niska,

że nie wystarcza by doszło do pokonania progu

energetycznego reakcji. Enzymy przyśpieszają przebieg reakcji

oraz obniżają energię aktywacji, bez wzrostu temperatury

ciała. Wzrost temperatury zwiększa aktywność enzymów, ale

do pewnego progu, ponieważ powyżej 40 stopni C dochodzi do

denaturacji białka.

• Dlatego enzymy mają podstawowe cechy:
• 1) Zwiększają prawdopodobieństwo zderzeń

Obecność enzymów towarzyszących przemianom

metabolicznym powoduje: zwiększenie

prawdopodobieństwa zderzeń między reagującymi

cząsteczkami, ustawienie substratów względem siebie tak,

by miejsca tworzących się wiązań znalazły się naprzeciw siebie

oraz naprężanie wiązań w reagujących cząsteczkach, co

obniża energię aktywacji i pozwala na powstanie nowych
wiązań i konformacji.

Energia aktywacji

• 2) Zmniejszenie bariery energetycznej
• Inaczej energii aktywacji. Energia aktywacji to

ilość energii, jaką muszą mieć cząsteczki
substratu, aby podczas zderzeń powstał produkt
zachodzącej reakcji. W przeciwnym razie
cząsteczki, które mają wejść w reakcje nie zbliżą
się do siebie, nie pokonają bariery aktywacji i nie
dojdzie do procesu.
Z tego wynika, że podniesienie energii aktywacji
jest niezbędne

Stała Michaelisa

• Stała Michaelisa (Km) to stała opisująca

powinowactwo enzymu do substratu. Jest równa
stosunkowi sumy szybkości rozkładu kompleksu
enzym–substrat do szybkości jego powstawania,
jest więc miarą stabilności tego kompleksu. Duża
wartość Km wskazuje na słabe wiązanie
substratu, a mała – na silne wiązanie substratu.
Wartość Km równa się stężeniu substratu, przy
którym szybkość reakcji jest równa połowie
szybkości maksymalnej.

Oksydoreduktazy

• Enzymy katalizujące reakcje utleniania i redukcji. Oksydoreduktazy

przenoszą ładunki (elektrony i protony) z jednej cząsteczki

(reduktor) na inną (utleniacz), czyli akceptor.

• Schemat reakcji:

• AH2 + B  A + BH2

Przykłady oksydoreduktaz:

• Oksydazy - przenoszą elektrony na cząsteczkę tlenu, np. oksydaza

cytochromowa.;

• hydroperoksydazy;

– peroksydazy - katalizują utlenianie H2 O2 różnych substratów

– katalazy - rozkładają nadtlenek wodoru (znajduje się w

peroksysomach);

• oksygenazy - katalizują proces wbudowania O2 w cząsteczkę, np.

hydroksylaza cholesterolowa.

• hydroksylazy;

• dehydrogenazy.

Przykładem oksydoreduktazy jest

dehydrogenaza alkoholowa

CH3CH2OH + NAD+ ↔ CH3CHO + NADH + H+

Dehydrogenaza alkoholowa katalizuje powyższą przemianę

w obu kierunkach. W miejscu aktywnym enzymu znajduje się

jon cynku Zn2+. W procesie utlenienia alkoholu do aldehydu

uczestniczy koenzym (kofaktor), którym jest dinukleotyd

nikotynoamidoadeninowy NAD.

Duże ilości dehydrogenazy alkoholowej, zlokalizowane w

wątrobie i żołądku, odtruwają około jednego mocnego drinka na

godzinę. Alkohol jest przekształcany do aldehydu octowego,

jeszcze bardziej toksycznego związku, który jest szybko

zmieniany w octan lub inne związki, które mogą być łatwo i

szybko utylizowane przez komórkę.

Transferazy

• Enzymy, które katalizują reakcję przeniesienia grupy

chemicznej (np. tiolowej (SH2), aminowej, metylowej czy

fosforanowej) lub atomu z jednej cząsteczki (donora) na

drugą (akceptora).

• Schemat reakcji:

AB + C  A + BC

• ( w zależności od grupy chemicznej, przenoszonej przez

dany enzym; )

Transferazy

Rodzaje transferaz:

• przenoszące fragmenty jednowęglowe np. metylotransferazy;

• przenoszące fragmenty cząsteczek z grupami aldehydowymi

lub ketonowymi np. transketolazy;

• Acylotransferazy - przenosza grupy acylowe, np.

glukozylotransferaza, aminoacylotransferazy;

• Glukozylotransferazy - przenoszące reszty cukrowe np..

Heksozylotransferazy;

• przenoszące grupy alkilowe lub arylowe (z wyjątkiem

metylowych) ;

• Aminotransferazy - przenoszą grupę aminową NH2, np.

aminotransferaza glicynowa. Fosfotransferazy - przenoszące

reszty fosforanowe;

• przenoszące grupy zawierające siarkę np..

Sulfurotransferazy ;

• Selenotransferazy - przenoszące grupy zawierające selen.

Przykładem transferaz jest

kinaza

• Enzymy, które katalizuja reakcję przeniesienia grupy

fosforanowej ze związku wysokoenergetycznego

(takiego jak ATP) na właściwą docelową cząsteczkę i

jest to reakcja fosforylacji;

• Odwrotnym procesem do fosforylacji jest

defosforylacja, katalizowana przez fosfatazy.

Kolejnym przykładem

transferazy jest

aminotransferaza

asparaginowa

• Przenosi grupy aminowe z aminokwasów na α-

ketokwasy;

• wzrost aktywności AspAT może być przyczyną

m.in. zatrucia alkoholem etylowym (ostre stany
upojenia alkoholowego), mononuklozy zakaźnej,
chorób wątroby, zapalenia trzustki.

α-ketokwas+ kwas asparaginowy

AspATkwas szczawiooctowy + α-aminokwas

Hydrolazy

• 1. Esterazy

• - przekształcają ester w kwas i alkohol,

np.lipaza, fosfataza.

• 2. Peptydazy

• - działają na peptydy, np.

aminopeptydaza

• 3. Hydrolazy związków glikozylowych

• - rozkładają związki cukrowe, np. alfa-

amylaza.

Hydrolazy

• Hydrolazy rozcinają wiązanie chemiczne w procesie hydrolizy

• Schemat reakcji:

AB + H2O AH + BOH;

• nie posiadają koenzymów;

• Wiele enzymów trawiennych zaliczamy do grupy hydrolaz jednym z

nich jest trypsyna, należąca do grupy peptydaz, wytwarzana przez

część zewnątrz wydzielniczą trzustki. Katalizuje hydrolizę wiązań

peptydowych, od C-końca, w których grupy karbonylowe należą do

argininy. Rozkłada białka do aminokwasów . Największą wydajność

trypsyna wykazuje przy pH równym 8.

• Natomiast lipazy triacyloglicerolowe katalizują hydrolizę

nierozpuszczalnych w wodzie triacylogliceroli (zwanych dawniej

triglicerydami). Reakcja ta zachodzi na granicy międzyfazowej wody,

(czyli fazy, w której rozpuszczone są lipazy) z lipidami, (czyli fazy

substratu) i prowadzi do powstania kwasów tłuszczowych,

diacylogliceroli (DAG), monoacylogliceroli (MAG) i glicerolu.

Inne przykłady hydrolaz

• proteazy

– rozcinają białka (np. trypsyna );

• nukleazy

-rozcinają kwasy nukleinowe (np.

rybonukleazy, DNAzy);

• glikozylazy

-- rozcinają węglowodany

– amylaza
– amyloglukozydaza ;

• inwertazy

- rozcinają wiązanie β-glikozydowe

sacharozy;

• fosfatazy

- katalizują defosforylację estrów

fosforanowych, np. nukleotydów;

• lipazy

- rozcinają tłuszcze.

Liazy

1. Dekarboksylazy

- usuwają dwutlenek węgla z grupy
-COOH, np. dekarboksylaza
pirogronianowa.

2. Hydratazy (hydroliazy)
- przyłączają lub odrywają wodę bez
rozpadu innych wiązań, np. hydrataza
fumaranowa.

Liazy

Klasa enzymów katalizujących reakcje

tworzenia lub rozpadu podwójnych wiązań
między C i C, C i N, C i S, C i O, P i O lub C i
Cl wskutek niehydrolitycznego odłączania
rodników lub przyłączania do podwójnych
wiązań; np. dekarboksylazy, hydroliazy.

Wiele enzymów z tej klasy może

przeprowadzać reakcję w obu kierunkach,
czyli rozrywać wiązania lub je tworzyć.

Izomerazy

• Enzymy przebudowujące strukturę

cząsteczki, bez zmiany jej składu
atomowego (reakcje przegrupowań
wewnątrzcząsteczkowych). Przenoszą
w obrębie cząsteczki pojedyncze
atomy lub całe ich grupy.

• Schemat reakcji:

AB → BA.

Przykład

izomeraza

glukozofosforanowa

• Izomeraza glukozofosforanowa – Izomeraza

glukozofosforanowa katalizuje odwracalną

reakcję izomeryzacji glukozo-6-fosforanu

do fruktozo-6-fosforanu. Podczas reakcji

przeprowadzanej przez ten enzym,

pierścień substratu otwiera się wskutek

protonacji (substrat przechodzi wtedy do

formy liniowej). Po zakończeniu reakcji

postać liniowa produktu ulega z powrotem

cyklizacji. Bierze udział w glikolizie.

Ligazy

• Inaczej syntetazy – enzymy

katalizujące powstawanie wiązań

pomiędzy cząsteczkami, zużywając

do tego energię pochodzącą z

hydrolizy ATP.

• Schemat reakcji:

A + B  AB

Ligaza DNA

Ligaza DNA katalizuje tworzenie

wiązań fosfodiestrowych fragmentów
DNA, zakończonych lepkimi końcami,
bądź fragmentów zakończonych
tepymi końcami, jednak ta ligacja
zachodzi z mniejszą wydajnością.

Podział enzymów ze

względu na budowę:

• enzymy będące białkami prostymi, które są

zbudowane tylko z aminokwasów, np.: amylaza,

ureaza;

• enzymy będące białkami złożonymi, zawierają

trwale związany nieaminokwasowy koenzym

(grupę prostetyczną) np. katalaza, oksydaza

cytochromowa;

• enzymy będące białkami złożonymi, lecz grupy

nieaminokwasowe są luźno związane z cząsteczką

białka, których nie można traktować jako

integralnej części enzymu np. izmoerazy,

transferazy.

Budowa enzymów

Enzymy, które stanowią białka złożone (grupy 2 i 3) składają się

    - części białkowej- apoenzymu
    - składnika niebiałkowego
     Jednostkami niebiałkowymi enzymu mogą być:
    - kofaktory - jeden lub więcej jonów nieorganicznych
    - koenzymy - złożone cząsteczki organiczne,
    - grupy prostetyczne -

niebiałkowe związki chemiczne

(sacharydy, atomy metali lub koenzym trwale związany,

Niebiałkowe części enzymu pełnią w reakcjach enzymatycznych

funkcję przenośników elektronów, określonych atomów lub

ugrupowań chemicznych z jednego metabolitu na drugi.

Część białkowa jest czynna tylko w połączeniu ze składnikiem

niebiałkowym – koenzymem i decyduje o swoistości enzymu.

KOENZYM+APOENZYM=HOLOENZYM AKTYWNY

Holoenzymem nazywamy całość katalitycznie aktywnego

enzymu

Czym jest miejsce aktywne?

• Miejsce aktywne enzymu to wyróżnione

miejsce w strukturze enzymu, który wiąże
substrat, (tworząc centrum aktywne) i
przemienia go w produkt …

Miejsce aktywne charakteryzuje się

następującymi własnościami:

1.Zajmuje stosunkowo małą część całkowitej objętości cząsteczki enzymu

• Kolor zielony – enzym

• Kolor niebieski – substrat

• 2. Jest trójwymiarową strukturą, którą często tworzą bardzo odległe

sekwencyjnie aminokwasy (np. chymotrypsyna)

• a.) istnieją centra aktywne przygotowane na przyjęcie danego

substratu - aprioryczne dopasowanie (np. lizozym, chymotrypsyna)

• b.) centra aktywne innych enzymów tworzą się w trakcie wiązania

substratu - indukowane dopasowanie (np. karboksypeptydaza A)

3.Miejsce aktywne zagłębienia w strukturze enzymu, gdzie

tworzy się środowisko niepolarne (jest oddzielane od wody),
które ułatwia wiązanie z substratem.

4. W połączeniach substratów z enzymami występują liczne
słabe oddziaływania niekowalencyjne jak hydrofobowe, jonowe,
wodorowe czy van der Waalsa, odziaływania elektrostatyczne.

5. W jego skład wchodzą:
a.) aminokwasy, które są odpowiedzialne za związanie
substratu, określające tym samym swoistość substratową (1-
szy etap procesu katalizy) ;
b.) aminokwasy, które uczestniczą w katalizie, tzw. centra
katalityczne określające swoistość reakcji (2-gi etap procesu
katalizy)

Przykład centrum

aktywnego

Model miejsca aktywnego ludzkiej anhydrazy weglanowej.

Widoczne trzy (na różowo) histydyny i jedna grupa
hydroksylowa (biało-czerwona) otaczające jon cynku (kolor
niebieski), będący kofaktorem tego enzymu.

Modele dopasowania

występujące w kompleksie

enzym - substrat

• Teoria Fischera

• Model Koshlanda

• Efekt Ogstona

Rola aminokwasów w

centrum aktywnym

• Koshland podczas obserwacji dotyczących

swoistości substratowej enzymów, wyróżnił miejsce

złożone z aminokwasów, które pełnią różne funkcje

w katalizowanym procesie. Miejsce to nosi nazwę

centrum aktywnego.

• -aminokwasy kontaktowe, których jeden lub więcej

atomów znajduje się w odległości ok. 0,2nm od

substratu

• -aminokwasy pomocnicze, które nie stykając się z

substratem pełnią określona role w czynności

katalitycznej enzymu.

• Oprócz aminokwasów tworzących centrum aktywne

w cząsteczce enzymu występują także aminokwasy

stabilizujące jego strukturę przestrzenną.

Model Fischera - teoria ”klucza i

zamka”

• W roku 1894 Hermann Emil Fischer, stwierdził, że

enzym i jego substraty są do siebie geometrycznie
dopasowane w ten sposób, że idealnie pasują
jeden do drugiego jak "klucz do zameka”. Model
ten wyjaśnia specyficzność enzymów, ale nie
wyjaśnia w jaki sposób stabilizowany jest stan
przejściowy podczas reakcji enzymatycznej.

Model Fischera

• Miejsce aktywne jest komplementarne z

cząsteczką substratu pod względem
rozmiaru, kształtu i właściwości chemicznych.
Ale udowodniono, że podejście to nie
uwzględniało zmian kształtu cząsteczki
enzymu tego typu, niezwykle precyzyjne
dopasowanie obydwu cząsteczek
uniemożliwiałoby wydajne obniżenie energii
aktywacji. Spowodowało to, powstanie
drugiego modelu, zaproponowanego przez
Koshlanda.

Model indukcyjnego dopasowania (rękawiczki

do dłoni) - Koshlanda

W 1958 roku Daniel Koskland zmodyfikował teorię Fischera,

wyjaśniając, że w trakcie łączenia się cząsteczki substratu z centrum
aktywnym mają miejsce nieznaczne zmiany konformacji cząsteczek
(ponieważ substrat nie tyle wiąże się do niezmiennego strukturalnie
miejsca aktywnego, ale grupy funkcyjne aminokwasów tworzących
miejsce aktywne znalazły się w najbardziej korzystnym położeniu w
stosunku do określonych miejsc reaktywnych substratu, więc
podlegają rearanżacjom przestrzennym, ściśle dopasowując swe
pozycje do wiązanego substratu), co skutkuje postawaniem naprężeń
wiązań w obrębie cząsteczki, dzięki temu obniża się energia reakcji
katalitycznej. Obszar katalityczny enzymu jest elastyczny, obecność
substratu indukuje zmiany konformacyjne białka, dzięki czemu
następuje właściwe ułożenie grup katalitycznych względem grup
funkcyjnych i wiązań w cząsteczce substratu.

Teoria dopuszcza również zmianę układu przestrzennego grup

reaktywnych substratu prowadzącą do ich kontaktu z określonymi
strefami enzymu.

Model dopasowania

„rękawiczki do dłoni”

Model Koshlanda

mówi o tym, że
związanie substratu z
enzymem, skutkuje
zmianę kształtu
enzymu, czyli kształt
miejsca aktywnego
staje się
komplementarny do
kształtu substratu
dopiero po związaniu
substratu.