1. Budowa centrum aktywnego enzymu.

2. Modele:
- Fischera
- Koshlanda
- Ogstona

3. Reakcje:
- hydroliza
- utlenianie
- inhibicja

Temat:

Enzymy

to białka o

własnościach katalitycznych,
które posiadają zdolność
zwiększania szybkości reakcji
chemicznej. Obniżają energię
aktywacji, same nie ulegają
żadnym zmianom.

W nieobecności enzymów
reakcja może zachodzić
niezwykle wolno, natomiast
w jego obecności szybkość
reakcji znacznie wzrasta.

Co to są enzymy

Budowa enzymu

Enzymy stanowiące białka złożone składają się z:

- części białkowej- apoenzymu
- składnika niebiałkowego

Jednostkami niebiałkowymi enzymu mogą być:

- kofaktory- jeden lub więcej jonów

nieorganicznych

- koenzymy- złożone cząsteczki organiczne

- grupy prostetyczne-

metal lub koenzym

trwale związany

Całość katalitycznie aktywnego enzymu określa się jako

holoenzym

APOENZYM+ KOENZYM = HOLOENZYM

Centrum aktywne tworzy się przez
przyłączenie substratu do wyróżnionego
miejsca w strukturze enzymu określanego
jako miejsce aktywne.

Centrum aktywne a miejsce
aktywne

Miejsce aktywne charakteryzuje się następującymi
własnościami:

1. Zajmuje stosunkowo małą część całkowitej objętości
cząsteczki enzymu

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)

Enzym - kolor zielony, substrat-
niebieski

3. Miejsce aktywne stanowi zagłębienie w strukturze
enzymu (niszę, szczelinę, kieszeń) dzięki czemu
otoczenie wiązanego substratu ma charakter
hydrofobowy i jest izolowane od wody.

4. W połączeniach substratów z enzymami bierze udział
wiele oddziaływań nie kowalencyjnych jak hydrofobowe,
jonowe, wodorowe czy van der Waalsa.

5. W jego skład wchodzą:

a.) aminokwasy odpowiedzialne za związanie substratu,
określające tym samym swoistość substratową (1-szy
etap procesu katalizy)

b.) aminokwasy uczestniczące w katalizie, tzw. centra
katalityczne określające swoistość reakcji (2-gi etap
procesu katalizy)

Centrum aktywne ludzkiej anhydrazy węglanowej.
W środku atom cynku otoczony przez histydyny
(różowe) i grupę OH (biało-czerwona)

Przykład centrum
aktywnego

Budowa centrum aktywnego

Na podstawie obserwacji dotyczących swoistości
substratowej enzymów Koshland wyróżnił w cząsteczce
enzymu centrum aktywne (centrum katalityczne)
złożone z aminokwasów pełniących różne role w
katalizowanym procesie:

- 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 określoną rolę
w czynności katalitycznej enzymu.

Oprócz aminokwasów tworzących centrum
aktywne w cząsteczce enzymu występują
aminokwasy stabilizujące jego strukturę

przestrzenną

Miejsce aktywne jest niezbędne w

reakcjach przeprowadzonych przez

enzymy

Ogólne równanie reakcji enzymatycznej katalizowanej
przez enzym:

W większości przypadków enzymy są niezwykle
specyficzne wobec swoich substratów. Jak sugerował w
roku 1894 Hermann Emil Fischer, zarówno enzym jak i
jego substraty są do siebie geometrycznie dopasowane w
taki sposób, że idealnie pasują jeden do drugiego jak
"klucz i zamek”. Model ten wyjaśnia specyficzność
enzymów, ale nie wyjaśnia
w jaki sposób stabilizowany jest stan przejściowy podczas
reakcji enzymatycznej.

Model Fischera - teoria „zamka i
klucza”

Specyficzność substratowa -

wiązanie substratu do enzymu

Miejsce aktywne pod względem rozmiaru, kształtu i
właściwości chemicznych jest komplementarne z cząsteczką
substratu. Wykazano jednak że podejście to nie uwzględniało
zmian kształtu cząsteczki enzymu tego typu, niezwykle
precyzyjne dopasowanie obydwu cząsteczek uniemożliwiałoby
wydajne obniżenie energii aktywacji, dlatego powstał drugi
model.

Model Fischera - teoria ”zamka i
klucza” cd

Model indukcyjnego dopasowania -
teoria Koshlanda

Podczas łączenia się cząsteczki substratu z centrum
aktywnym dochodzi do nieznacznych zmian
konformacji cząsteczek, w efekcie czego powstają
naprężenia wiązań w obrębie cząsteczki, przez co
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.

W tym modelu związanie substratu pociąga za
sobą zmianę kształtu enzymu. Kształt miejsca
aktywnego staje się komplementarny do kształtu
substratu dopiero po związaniu substratu.

Model indukcyjnego dopasowania-teoria
Koshlanda

Trójpunktowe przyłączenie substratu. Substrat przyłącza się
do powierzchni enzymu w trzech punktach, położenie
cząsteczki substratu wobec enzymu jest jednoznacznie
określone, a reakcja zachodzi tylko w jednym z trzech
punktów przyłączenia, model ten wyjaśnia swoistość
przestrzenną enzymów.

Model Ogstona

Atomy w cząsteczce
substratu (S) łącząc się z
komplementarnymi
miejscami na cząsteczce
enzymu (E) mają tylko
jeden możliwy sposób
połączenia.

04/19/09

Template copyright 2005 www.brainybetty.com

15

Hydroliza

Reakcja chemiczna polegająca na rozpadzie cząstek
związku chemicznego na dwa lub więcej mniejszych
fragmentów w reakcji z wodą lub parą wodną.
W przypadku soli jonowych przez hydrolizę rozumie się
zbiór wtórnych reakcji jonów powstałych w wyniku
solwolizy tej soli, które niekiedy prowadzą do zmiany pH
środowiska.

04/19/09

Template copyright 2005 www.brainybetty.com

16

Reakcja hydrolizy:

• Zazwyczaj, reakcja hydrolizy przebiega wg ogólnego

schematu:

– A-B + H2O → H-B + A-OH

choć są też możliwe bardziej złożone mechanizmy tej reakcji,

np:

– A-B + 2 H2O → A-OH + B-OH + H2

które zdarzają się w fazie gazowej w wysokiej temperaturze lub

w warunkach elektrolizy.

• Hydroliza jest procesem odwrotnym do kondensacji

hydrolitycznej - tj. reakcji łączenia dwóch lub więcej

cząsteczek z wydzieleniem cząsteczek wody.

• Wiele reakcji hydrolizy ma charakter odwracalny, przy czym

kierunek reakcji zależy od jej warunków:

Np. hydroliza estrów:

– RCOOR' + H2O → RCOOH + R'OH

wymaga dostarczania do układu reakcyjnego odpowiedniej ilości

wody, przy jej deficycie zaczyna zachodzić reakcja kondensacji

dopiero co powstałego kwasu (RCOOH) i alkoholu (R'OH),

która jest w gruncie rzeczy tą samą reakcją, tylko zapisaną

odwrotnie:

– RCOOH + R'OH → RCOOR' + H2O

04/19/09

Template copyright 2005 www.brainybetty.com

17

Hydroliza soli

Hydrolizą nazywamy reakcję jonów z cząsteczkami
wody
w wyniku której następuje rozkład cząsteczki wody z
uwolnieniem jonu wodorowego lub hydroksylowego.
Następuje zatem zakwaszenie lub alkalizacja
roztworu wodnego.

Reakcja hydrolizy kationów jest
wynikiem silnego oddziaływania
wolnych par elektronowych
cząsteczki wody z dodatnio
naładowanym kationem.
Oddziaływanie to jest tym silniejsze
im większa jest gęstość ładunku
dodatniego na powierzchni kationu.
Dużą gęstość będą posiadały małe
kationy o dużym ładunku, na
przykład kation glinu. Z dwóch
kationów żelaza II i III kation żelaza
III będzie łatwiej ulegał hydrolizie
niż kation żelaza II. Kation ten
posiada bowiem większą gęstość
ładunku.

04/19/09

Template copyright 2005 www.brainybetty.com

18

Hydroliza soli cd:

Podobnie siła
oddziaływania
anionów
z cząsteczkami
wody będzie
zależała od siły
oddziaływania
wolnych par
elektronowych
anionu
z atomem wodoru
cząsteczki wody

04/19/09

Template copyright 2005 www.brainybetty.com

19

Reakcje hydrolizy soli:

• Sól słabego kwasu i mocnej zasady :

Jest to hydroliza anionowa. Odczyn wodnego roztworu

takiej soli jest zasadowy

•

Sól mocnego kwasu i słabej zasady:

                                                                                   
                               

Jest to hydroliza kationowa. Odczyn wodnego

roztworu
takiej soli jest kwasowy.

04/19/09

Template copyright 2005 www.brainybetty.com

20

Reakcje hydrolizy soli cd:

• - sól słabego kwasu i słabej zasady, np.

Jest to hydroliza kationowo-anionowa.
Odczyn wodnego roztworu takiej soli jest albo
obojętny, albo słabo kwasowy (kwaśny), albo
słabo zasadowy,
w zależności od tego, który z produktów tej
reakcji jest lepiej zdysocjowany.

Sole mocnych kwasów i mocnych zasad nie
ulegają hydrolizie. Ich odczyn w roztworach
wodnych jest obojętny.

04/19/09

Template copyright 2005 www.brainybetty.com

21

UTLENIANIE  - Jest to reakcja chemiczna połączenia z
tlenem. Podczas utleniania powstają nowe substancje.
Reakcja utleniania jest wykorzystywana przez
organizmy żywe do np. rozłożenia substancji
odżywczych. Ma to miejsce podczas oddychania
tlenowego, gdy tlen łączy się z glukozą i towarzyszy
temu uwalnianie energii.

04/19/09

Template copyright 2005 www.brainybetty.com

22

Co o jest utlenienie?

• Utlenienie to reakcja chemiczna, w której

atom przechodzi z niższego na wyższy stopien

utlenienia (oddaje elektrony).

• Nazwa ta ma charakter bardzo umowny, gdyż

w praktyce, każdej reakcji utlenienia musi

towarzyszyć jakaś reakcja redukcji. Łącznie

takie procesy nazywa się reakcjami redoks.

• W praktyce, daną reakcję nazywa się

utlenieniem, gdy struktura głównego

substratu i głównego produktu różnią się

tylko tym, że jedna niewielka grupa lub

pojedynczy atom zwiększył w jej wyniku swój

stopień utlenienia, kosztem redukcji prostego

związku zwanego w tym przypadku środkiem

utleniającym.

04/19/09

Template copyright 2005 www.brainybetty.com

23

Reakcje:

• Reakcja w środowisku

kwaśnym. Miedź z
rozcieńczonym kwasem
azotowym. Oczywiście
miedź, ze względu na
swą małą reaktywność
w reakcji z kwasem nie
może wyprzeć wodoru .

Cu + NO

3

-

+ H

+

 

       Cu

+2

+ NO + H

2

O

3Cu + 2NO

3

-

+ 8H

+

         3Cu

+2

+ 2NO +

4H

2

O

04/19/09

Template copyright 2005 www.brainybetty.com

24

Reakcje cd:

• Reakcja w środowisku obojętnym. środowisko reakcji

jest obojętne, do substratów możemy dodawać tylko wodę

MnSO

4

+ Na

2

CO

3

+ KNO

3

 

       Na

2

MnO

4

+ KNO

2

+ Na

2

SO

4

+

CO

2

2MnSO

4

+ 4Na

2

CO

3

+ 4KNO

3

            2Na

2

MnO

4

+ 2KNO

2

+4 Na

2

SO

4

+ 4CO

2

04/19/09

Template copyright 2005 www.brainybetty.com

25

Reakcje cd:

Reakcja w środowisku zasadowym.

MnO

4

-

+ Mn

+2

+ OH

-

 

        MnO

2

+ H

2

O

 

      

                        

                          
2MnO

4

-

+ 3Mn

+2

+ 4OH

-

            5MnO

2

+ 2H

2

O

04/19/09

Template copyright 2005 www.brainybetty.com

26

Środki utleniające:

• Nadtlenki
• Kwasy utleniające (np. Kwas azotowy)
• Nadmanganiany KMnO4 i Chlorany
• Chromiany K2CrO4 (barwa żółta),

DichromianyK2Cr2O7 (barwa

pomarańczowa)

• Ozon
• Gazowy fluor, chlor, brom i jod

04/19/09

Template copyright 2005 www.brainybetty.com

27

Inhibicja

• KOMPETYCYJNA

W inhibicji kompetycyjnej inhibitor i substrat współzawodniczą o

miejsce aktywne cząsteczki enzymu. Związanie przez enzym

cząsteczki inhibitora uniemożliwia zatem związanie substratów i

kompleks enzym-inhibitor (EI) jest enzymatycznie nieaktywny.

Zazwyczaj inhibitor kompetycyjny jest strukturalnie bardzo

podobny do prawdziwego substratu dla określonego enzymu. Na

przykład metotreksat jest inhibitorem kompetycyjnym dla enzymu

reduktazy dihydrofolianu, który katalizuje redukcję dihydrafolianu

do tetrahydrofolianu i obie substancje są strukturalnie bardzo

zbliżone. Przyłączenie inhibitora uniemożliwia związanie

substratu i odwrotnie, dzięki czemu poprzez regulację stężenia

inhibitora możliwa jest kontrola szybkości reakcji.

04/19/09

Template copyright 2005 www.brainybetty.com

28

• AKOMPETYCYJNA

W inhibicji akompetycyjnej inhibitor nie może się wiązać

do wolnego enzymu, a jedynie do kompleksu enzym-

substrat (ES), tworząc kompleks enzym-inhibitor-substrat

(EIS). Ponieważ w takiej sytuacji zmniejszone jest stężenie

kompleksu ES, zwiększa to pozorne powinowactwo

enzymu do substratu, zatem wartość Km jest mniejsza.

Utworzony kompleks EIS jest enzymatycznie nieaktywny i

reakcja nie może być kontynuowana, dopóki miejsce

aktywne enzymu nie zostanie zwolnione, co obniża Vmax

w porównaniu do reakcji nieinhibowanej. Ten typ inhibicji

jest dość rzadki i może dotyczyć niektórych enzymów

multimerycznych (wielopodjednostkowych).

Inhibicja

04/19/09

Template copyright 2005 www.brainybetty.com

29

Inhibicja

• NIEKOMPETYCYJNA

Inhibitory niekompetycyjne mogą się wiązać do wolnego

enzymu, jednak nigdy do jego miejsca aktywnego, wobec

tego nie konkurują

z substratami, które także mogą się przyłączyć do

powstałego kompleksu. Oba możliwe kompleksy, enzym-

inhibitor (EI) i enzym-inhibitor-substrat (EIS) są

enzymatycznie nieaktywne. Ponieważ wiązanie

inhibitora jest całkowicie niezależne od substratu, co

oznacza, że większe stężenie substratu nie wpływa na

obniżenie oddziaływań z inhibitorem (w przeciwieństwie

do inhibicji kompetycyjnej), zatem zmienia się tylko

wartość Vmax a wartość Km pozostaje stała.

04/19/09

Template copyright 2005 www.brainybetty.com

30

Przedstawiamy wpływ stężenia substratu i inhibitora na

szybkość reakcji enzymatycznej [mg*min/ml]. Przy
obliczeniach przyjęto wartości wyznaczone dla procesów
enzymatycznej degradacji skrobi. Przyjęto także, że
stężenie enzymu we wszystkich przykładach jest jednakowe
i wynosi 0.05 mg/ml.