ENZYMY

ENZYMY

Enzymy to specyficzne białka,

wytwarzane przez żywe komórki

organizmu, które umożliwiają przebieg

tysięcy reakcji chemicznych z

szybkością, wydajnością i

specyficznością trudną do osiągnięcia w

układach sztucznych. Pełnią więc rolę

katalizatorów reakcji. Ponieważ

przyspieszają reakcje co najmniej

milionkrotnie, to przy ich braku

przemiany w komórce zachodzą tak

wolno, że są niezauważalne.

Enzymy mogą być zbudowane z:

Enzymy mogą być zbudowane z:

• samego białka (np. trypsyna,

ureaza, rybonukleaza)

• części białkowej ( apoenzym)
• niebiałkowej (małocząsteczkowe

związki nieorganiczne, atomy metali,
pochodne witamin) tzw. grup
prostetycznych i koenzymów. 

• Niebiałkowe części enzymu

(apoenzym) 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, a także o rodzaju

reakcji, np. dekarboksylację i

transaminację aminokwasów katalizują

enzymy o różnych apoenzymach i tych

samych koenzymach.

Swoistość enzymów

Swoistość enzymów (tj. zdolność działania
na określone substraty oraz zdolność do
katalizowania określonych reakcji) zależy od
rodzaju i sekwencji aminokwasów w
łańcuchu białka, jak również od konformacji
przestrzennej łańcucha polipeptydowego. W
części białkowej enzymu wyodrębnia się
fragment łańcucha polipeptydowego, w
którym zachodzi właściwy akt katalazy - jest
to centrum aktywne. Centrum aktywne to
fragment łańcucha polipeptydowego
(wytworzony przez reszty aminokwasów)
bezpośrednio łączący substrat w czasie
reakcji.

Tak jak wszystkie katalizatory:

enzymy nie zmieniają stanu
równowagi reakcji chemicznej, a
jedynie przyspieszają jego ustalenie.
Zazwyczaj w obecności enzymu
reakcja zachodzi w kierunku takim
samym, w jakim by zachodziła
spontanicznie, jedynie wzrasta jej
szybkość.

Schematyczny wykres zmian energii

swobodnej w czasie reakcji.

Mechanizm działania enzymów

W pierwszym etapie katalazy związek podlegający

przemianom (substrat) łączy się z enzymem za

pośrednictwem centrum aktywnego, tworząc

przejściowy, nietrwały kompleks enzym - substrat. W

dalszej części procesu katalazy następuje rozpad

kompleksu enzym - substrat, towarzyszy temu

wytworzenie się produktów reakcji i zregenerowanie

enzymu do jego pierwotnej postaci.

Ze względu na charakter białkowe, enzymy są bardzo

podatne na wpływ niektórych czynników zewnętrznych,

co wpływa na zmiany szybkości katalizowanych reakcji.

Tak więc, aktywność i szybkość zachodzących reakcji

enzymatycznych uzależniona jest m.in. od:

-stężenia enzymu i substratu

-temperatury

-pH

Wpływ stężenia enzymu i substratu

Zależność szybkości reakcji enzymatycznej od

stężenia substratu ilustruje tzw. krzywa Michaelisa.

Zależy ona od powinowactwa enzymu do substratu ,

którą określa stała Michaelisa-Menten

Km.

W miarę

wzrostu stężenia substratu szybkość reakcji rośnie,

osiągając maksymalną wydajność wtedy gdy

wszystkie cząsteczki enzymu są połączone z

substratem. Tak więc w miarę zwiększania się

stężenia substratu wysycenie centrów aktywnych

enzymu stopniowo wzrasta i przy pełnym wysyceniu

szybkość osiąga swe maksimum. Dalsze zwiększanie

ilości substratu nie powoduje zwiększenia szybkości

reakcji, może nawet ją zmniejszyć nieznacznie.

Krzywa wysycenia dla reakcji enzymatycznej

ukazująca zależność szybkości reakcji (V) od

stężenia substratu ([S])

Wpływ temperatury

Wraz ze wzrostem temperatury zwiększa się szybkość

reakcji enzymatycznej. Jednak po osiągnięciu

optimum dalszy wzrost powoduje spadek szybkości

reakcji. Wysoka temperatura niszczy nieodwracalnie

enzym, ponieważ jest on substancją białkową i wzrost

powyżej optymalnej dla jego działania temperatury

powoduje stopniową denaturację i zanik własności

katalitycznych. Temperatura optymalna dla działania

enzymów jest zależna od ich pochodzenia: dla

enzymów zwierzęcych jest zbliżona do temperatury

ciała (36-40°), dla enzymów roślinnych jej zakres

wynosi 20-30°C. Przy niskich temperaturach

aktywność enzymów ulega zahamowaniu, lecz proces

ten jest odwracalny.

Wpływ odczyny (pH)

Każdy enzym charakteryzuje się optymalnym pH, przy

którym wykazuje największą aktywność. Silnie kwaśne

czy zasadowe środowisko (skrajne wartości pH) z reguły

działają denaturująco na enzymy, które są białkami,

niszcząc nieodwracalnie ich aktywność. Niewielkie

odchylenie od wartości optymalnej nie powoduje

denaturacji, ale obniża szybkość katalizowanej reakcji.

Wpływ pH wiąże się ze zmiana stopnia dysocjacji samego

enzymu (dysocjacja grup -NH2 i -COOH obecnych w

łańcuchu polipeptydowym i głównie w centrum

aktywnym) - co wpływa negatywnie na powstanie

kompleksu enzym - substrat. Optimum pH dla większości

enzymów występuje przy wartościach bliskich odczynu

obojętnego lub słabo kwaśnego. Są jednak enzymy, które

przejawiają aktywność jedynie w środowisku kwaśnym

(pepsyna pH 1,5-2,2) lub środowisku zasadowym

(trypsyna pH 8-9).

Inhibicja

Inhibicja

Aktywność wielu enzymów może

być hamowana przez różne typy

inhibitorów. Inhibicja taka może

być odwracalna lub nieodwracalna.

Ostatnia ma miejsce wtedy, gdy

cząsteczki inhibitora wiążą się z

enzymem trwale (np.

kowalencyjnie), co doprowadza do

sytuacji zablokowania aktywności

danej cząsteczki enzymu na stałe.

Typy inhibicji

Typy inhibicji

1)

Inhibicja nieodwracalna- inhibitor łączy się z enzymem

kowalencyjnie lub wiąże się z nim tak silnie, że jego dysocjacja jest

bardzo powolna np. hamowanie aktywności acetylocholinoesterazy

– enzymu zaangażowanego w przekazywanie impulsów

nerwowych-przez gazy paraliżujące.

2)

Inhibicja odwracalna- charakteryzuje ją szybka dysocjacja

kompleksu enzym-inhibitor

•

Inhibicja kompetycyjna (współzawodnicząca)- polega na obecności

cząsteczek- inhibitorów o podobnej strukturze chemicznej co

właściwy dla danego enzymu substrat. Jeśli cząsteczek substratu

jest mało, centra aktywne enzymów zablokowane są przez

inhibitor, jeśli stężenie substratu wzrośnie, będzie on konkurował z

inhibitorem o centra aktywne i wypierał go.

•

Inhibicja niekompetycyjna (niewspółzawodnicząca) polega ona na

oddziaływaniu inhibitora z obszarem enzymu innym niż jego

centrum aktywne. Wskutek tego zmienia się kształt cząsteczki

enzymu, co wpływa na zmniejszenie się jego aktywności

katalitycznej. Zatem wiązanie inhibitora i substratu może

zachodzić jednocześnie.

Mechanizmy łączenia się

enzymu z substratem:

1) zasada zamka i klucza (teoria

Fischera): enzym posiada określone
miejsce, które pod względem rozmiaru,
kształtu i właściwości chemicznych jest
komplementarne z cząsteczką substratu;

Model indukowanego dopasowania
się enzymu (teoria Koshlanda):
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;

Trójpunktowe
przyłączenie substratu
(model, albo efekt (teoria)
Ogstona): 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; wyjaśnia
swoistość przestrzenną
enzymów.

ZE WZGLĘDU NA DZIAŁANIE enzymy podzielono na

ZE WZGLĘDU NA DZIAŁANIE enzymy podzielono na

trzy grupy:

trzy grupy:
    1. hydrolazy, które powodują rozkład złożonych
substancji na prostsze, przy czym zostaje przyłączona
woda. Do tej grupy należą proteazy, czyli enzymy
proteolityczne rozszczepiające białka, lipazy czyli
enzymy lipolityczne rozkładające tłuszcze, ureazy
rozkładające mocznik na amoniak i dwutlenek węgla;

    2. dehydrazy odszczepiające wodór, co ma
podstawowe znaczenie dla procesów oddychania i
fermentacji;

    3. desmolazy powodujące przerwanie tzw.
łańcuchów węglowych, czyli połączeń między
atomami węgla w jednej cząsteczce.

Podział enzymów ze względu na rodzaj katalizowanej

reakcji:

•

oksydoreduktazy - przenoszą ładunki (elektrony i jony

H3O+ - protony) z cząsteczki substratu na cząsteczkę

akceptora,

•

transferazy - przenoszą daną grupę funkcyjną

(tiolową, aminową, itp.) z cząsteczki jednej substancji

na cząsteczkę innej substancji,

•

hydrolazy - powodują rozpad substratu pod wpływem

wody (hydroliza); do grupy tej należy wiele enzymów

trawiennych,

•

liazy - powodują rozpad substratu bez hydrolizy,

•

izomerazy - zmieniają wzajemne położenie grup

chemicznych bez rozkładu szkieletu związku,

•

ligazy - powodują syntezę różnych cząsteczek.