MECHANIZM KATALIZY
ENZYMATYCZNEJ
ENZYMY
Enzym to BIOKATALIZATOR białkowy wytwarzany przez żywe komórki organizmu. Ten
biokatalizator ma zdolność do obniżania energii aktywacji danej reakcji chemicznej, co
skutkuje jej przyspieszeniem. Katalizują one reakcje w układach biologicznych.
Enzymy charakteryzują się wysoką specyficznością, zarówno pod względem katalizowanej reakcji,
jak substratów biorących w niej udział.
Wyróżniamy:
1. Enzymy  białka proste
np. większość enzymów (hydrolaz) przewodu pokarmowego (pepsyna, trypsyna, amylazy).
2. Enzymy  białka złożone
Składa się z części białkowej i składnika niebiałkowego, zwanego KOFAKTOREM Część
białkowa takiego enzymu jest zwana APOENZYMEM, a połączenie apoenzymu z
kofaktorem nosi nazwÄ™ HOLOENZYM
HOLOENZYM = KOFAKTOR + APOENZYM
Øð Gdy kofaktor tj. część niebiaÅ‚kowa jest zwiÄ…zana na stale z apoenzymem 
nazywamy jÄ… inaczej GRUP
PROSTETYCZN

Øð Gdy kofaktor jest nietrwale zwiÄ…zany z apoenzymem  jest zwany KOENZYMEM
ENZYMY
Centrum
kofaktor katalityczne koenzym
Apoenzym
HOLOENZYM
Grupy prostetyczne enzymów: Koenzymy:
Trwale zwiÄ…zane z enzymem (np. miejscem aktywnym Luz
no związane z właściwym enzymem .
enzymów), często za pomocą wiązań kowalencyjnych Biorą udział w reakcjach przez oddawanie lub
lub koordynacyjnych, i nie opuszczają one swojego przyłączanie pewnych reagentów (atomów, grup
miejsca wiązania w trakcie reakcji atomów lub elektronów)
1) Jony metali (np. Zn, Fe, Cu) 1) Jony metali
2) CzÄ…steczki organiczne, np.: 2) CzÄ…steczki organiczne, np.:
żð Mononukleotyd flawinowy (FMN) żð NAD
żð Dinukleotyd flawinoadeninowy (FAD) żð Fosforan pirydoksalu (PLP)
żð Pirofosforan tiaminy żð Koenzym Q10
żð Biotyna żð Biotyna
ENZYMY
Katalityczne działanie enzymu zachodzi według schematu:
Enzym + Substrat "! kompleks Enzym-Substrat Enzym + Produkt
(stan przejściowy)
E + S "! E-S E + P
Dwa modele wiÄ…zania substratu przez enzym
MODEL INDUKOWANEGO DOPASOWANIA
MODEL ZAMKA I KLUCZA
Kształt substratu i aktywnego miejsca enzymu pasują do
ZwiÄ…zanie substratu indukuje zmianÄ™ konformacyjnÄ… w
siebie jak klucz do zamka. Oba kształty są sztywne, trwałe
aktywnym miejscu enzymu, tak że jego miejsce aktywne
i pasujÄ… do siebie idealnie po odpowiednim zestawieniu.
przyjmuje kształt komplementarny do substratu.
ENZYMY
ENZYMY
Zmiany energii zachodzÄ…ce podczas przebiegu reakcji biochemicznej
Różnica energii swobodnej między substratem a stanem przejściowym nazywa się
ENERGI
AKTYWACJI - jest to ilość energii niezbędna dla zapoczątkowania reakcji
ENZYMY
Właściwości enzymów
Cechą charakterystyczną enzymów jest ich wysoka specyficzność pod względem:
1. katalizowanej reakcji - każdy enzym katalizuje tylko jedną (lub grupę bardzo
podobnych) reakcji
2. substratu, na który działają (i produktu, który tworzą)
O specyficzności substratowej decydują właściwości i ułożenie przestrzenne reszt
aminokwasów tworzących aktywne miejsce enzymu. Specyficzność enzymów w stosunku do
substratu jest zróżnicowana, zwykle jest znaczna, a czasami nawet absolutna
Specyficzność niektórych enzymów dotyczy nawet przestrzennej budowy związku  są enzymy
rozpoznające i przekształcające tylko jeden izomer przestrzenny np. L-aminokwasy, D-cukry
(bezwzględna=absolutna swoistość)
ENZYMY
Szybkość działania enzymu
Szybkość reakcji  tempo przebiegu reakcji katalizowanej przez enzym, oznacza przyrost
produktu w czasie
Szybkość reakcji podaje się zazwyczaj w czasie zerowym (V0) - jest wtedy największa, bo nie ma jeszcze
produktu
W poczÄ…tkowym etapie przebieg jest
prostoliniowy, co odpowiada szybkiemu
przyrostowi produktu
Wartość V0 oblicza się kreśląc linię prostą
stycznÄ… do poczÄ…tkowego odcinka krzywej
Czynniki wpływające na aktywność enzymów:
1. Stężenie substratu
2. Stężenie enzymu
3. Temperatura
4. Wartość pH
5. Obecność aktywatorów i inhibitorów
ENZYMY
CZYNNIKI WPA
YWAJ
CE NA AKTYWNOŚĆ ENZYMÓW
Stężenie substratu
Przy małych stężeniach substratu ([S]) podwojenie [S] powoduje podwojenie
początkowej szybkości (V0)
Przy większych stężeniach substratu enzym ulega
wysyceniu (wszystkie czÄ…steczki enzymu sÄ…
zwiÄ…zane z substratem) i dalszy wzrost [S]
powoduje tylko niewielką zmianę wartości V0.
Stężenie enzymu
Gdy wszystkie czÄ…steczki enzymu majÄ… zwiÄ…zany substrat, podwojenie
stężenia enzymu powoduje podwojenie V0
ENZYMY
CZYNNIKI WPA
YWAJ
CE NA AKTYWNOŚĆ ENZYMÓW
Temperatura
Niewielki wzrost temperatury powoduje wzrost szybkości reakcji enzymatycznej
(zwiększa się energia termiczna cząsteczek substratu, łatwiej pokonać energię aktywacji)
Ale dalszy wzrost temperatury prowadzi do DENATURACJI (rozfałdowania) enzymu - zrywanie
wiązań stabilizujących trójwymiarową strukturę enzymu, nawet małe zmiany mogą zmieniać
strukturę miejsca aktywnego i w efekcie prowadzić do spadku aktywności katalitycznej
Dla wielu enzymów ssaków optimum
termiczne przypada na około 37oC
Są też organizmy, których enzymy
przystosowały się do działania w zarówno
wyższych jak i niższych temperaturach
ENZYMY
CZYNNIKI WPA
YWAJ
CE NA AKTYWNOŚĆ ENZYMÓW
Wartość pH
Każdy enzym ma optymalne pH działania, przy którym szybkość katalizowanej
przez niego reakcji jest maksymalna
Małe odchylenia pH od wartości optymalnej
powodują spadek aktywności 
zmiany jonizacji grup w miejscu aktywnym
Większe odchylenia pH prowadzą do denaturacji
białka enzymatycznego
ENZYMY
CZYNNIKI WPA
YWAJ
CE NA AKTYWNOŚĆ ENZYMÓW
Obecność aktywatorów i inhibitorów
AKTYWATOR - cząsteczka działająca na enzym w kierunku zwiększenia jego
szybkości katalitycznej (jony nieorganiczne, np. Mg, Ca, Zn, Cl)
Enzymy mogą ulegać inhibicji (hamowanie aktywności) przez różne cząsteczki.
INHIBITOR - cząsteczka działająca na enzym w kierunku zmniejszenia jego
szybkości katalitycznej
ENZYMY
CZYNNIKI WPA
YWAJ
CE NA AKTYWNOŚĆ ENZYMÓW
INHIBICJA KOMPETYCYJNA
Jeżeli substrat i inhibitor konkurują ze sobą o to samo miejsce wiązania w enzymie
(kompetycja o centrum aktywne)
Substrat
Inhibitor
kompetycyjny
Enzym
Odwracalnie
Substrat
zwiÄ…zany
inhibitor
Wzrost
stężenia
substratu
Enzym
Duże stężenie substratu wypiera inhibitor
ENZYMY
CZYNNIKI WPA
YWAJ
CE NA AKTYWNOŚĆ ENZYMÓW
INHIBICJA NIEKOMPETYCYJNA
Jeżeli inhibitor reaguje z ważną dla aktywności enzymu grupą, nie przeszkadzając przy
tym wiÄ…zaniu substratu
REAKCJA
substrat
centrum
aktywne
enzym
INHIBICJA
centrum
enzym aktywne
inhibitor
Inhibitory niekompetycyjne mogą działać nieodwracalnie
modyfikujÄ…c funkcyjne grupy enzymu w centrum aktywnym
 Substraty samobójcze  wiążą się z centrum aktywnym,
następnie po reakcji ich produkt tworzy wiązanie
kowalencyjne z centrum aktywnym; np. penicylina
ENZYMY
CZYNNIKI WPA
YWAJ
CE NA AKTYWNOŚĆ ENZYMÓW
INHIBICJA AKOMPETYCYJNA
Jeżeli inhibitor nie może się wiązać do wolnego enzymu, a jedynie do kompleksu
enzym-substrat (ES), tworzÄ…c kompleks enzym-inhibitor-substrat (EIS)
Ten typ inhibicji jest dość rzadki i może dotyczyć
niektórych enzymów wielopodjednostkowych
ENZYMY
CZYNNIKI WPA
YWAJ
CE NA AKTYWNOŚĆ ENZYMÓW
INHIBICJA ALLOSTERYCZNA
Jeżeli inhibitor wiąże się w innym miejscu niż centrum aktywne w wyniku czego
dochodzi do zmian konformacyjnych enzymu
inhibitor
produkt
substrat
Ten typ inhibicji występuje praktycznie tylko w
przypadku enzymów wielopodjednostkowych
ENZYMY
KONTROLA AKTYWNOÅšCI ENZYMATYCZNEJ
EFEKTY ALLOSTERYCZNE
Substrat
Centrum
Zniekształcone centrum
aktywne ALLOSTERYCZNA
Enzym
aktywne
INHIBICJA
Centrum
Allosteryczny
allosteryczne
inhibitor
Efektem działania efektorów
allosterycznych jest zmiana
powinowactwa enzymu do substratu
Zniekształcone
Substrat
centrum
aktywne
Centrum
ALLOSTERYCZNA
aktywne
AKTYWACJA
Allosteryczny
Centrum
aktywator
allosteryczne
ENZYMY
KONTROLA AKTYWNOÅšCI ENZYMATYCZNEJ
SPRZ
ŻENIE ZWROTNE
Substrat
Końcowy produkt powstały w danym
Zamknięcie Otwarcie
szlaku metabolicznym może stać się
ENZYM 1
szlaku szlaku
inhibitorem dla enzymu
odpowiedzialnego za przebieg
Przyłączenie
produktu pierwszego etapu tego szlaku.
Centrum
końcowego
allosteryczne
(inhibitor
allosteryczny)
Kiedy stężenie produktu końcowego
osiÄ…ga odpowiednio wysoki poziom
Inhibicja
aktywność enzymu zostaje zahamowana.
Intermediat A
zwrotna
Gdy stężenie produktu końcowego
zmniejszy siÄ™ enzym odzyskuje swojÄ…
ENZYM 2
aktywność, co prowadzi do ponownego
rozpoczęcia biosyntezy.
Intermediat B
Taka regulacja jest formÄ…
Produkt
ujemnego sprzężenia zwrotnego
końcowy
ENZYM 3
ENZYMY
KONTROLA AKTYWNOÅšCI ENZYMATYCZNEJ
AKTYWACJA PROTEOLITYCZNA
Pewne enzymy są syntetyzowane jako większe, nieaktywne formy prekursorowe
o nazwie PROENZYMY lub ZYMOGENY
Aktywacja zymogenów polega na nieodwracalnej hydrolizie jednego lub większej
liczby wiązań peptydowych
PRZYKA
AD
Enzym trawienny (trypsyna) powstaje w
trzustce jako zymogen (trypsynogen), a
Enteropeptydaza
dopiero w jelicie cienkim ulega aktywacji
przez rozszczepienie specyficznych wiązań
peptydowych przez enzym enteropeptydazÄ™,
który jest wytwarzany tylko w jelicie.
Trypsynogen Trypsyna
Proelastaza Elastaza Prolipaza Lipaza
Chymotrypsynogen Chymotrypsyna Prokarboksypeptydaza Karboksypeptydaza
ENZYMY
KONTROLA AKTYWNOÅšCI ENZYMATYCZNEJ
ODWRACALNE MODYFIKACJE KOWALENCYJNE
Aktywność wielu enzymów jest zmieniana przez odwracalne dołączanie grupy
fosforanowej do specyficznych reszt seryny i treoniny
KINAZY  katalizują dołączenie grup fosforanowych
Kaskada
sygnałowa
FOSFATAZY  katalizujÄ… usuwanie tych grup w drodze hydrolizy
WEJÅšCIE
Sygnał zewnątrzkomórkowy
Cykl (fosforylacja/defosforylacja) jest systemem
włączającym lub wyłączającym szlak metaboliczny w
zależności od potrzeb komórki
WEJÅšCIE SYGNAA
U
Enzym
Fosforylacja
KINAZA
nieaktywny
BIAA
KOWA
Kinaza 1 Kinaza 2
FOSFATAZA
Fosforylacja
BIAA
KOWA
Enzym Kinaza 3 wtórna
aktywny
WYJÅšCIE SYGNAA
U
WYJÅšCIE
Kinaza 4
ENZYMY
KLASYFIKACJA I NOMENKLATURA ENZYMÓW
Początkowo nazwy enzymów tworzono przez dodanie końcówki -aza do nazwy
substratu, na który działają, np.:
Øð amylazy- enzymy rozkÅ‚adajÄ…ce wielocukier skrobiÄ™
Øð lipazy - enzymy rozkÅ‚adajÄ…ce tÅ‚uszcze
Øð proteinazy (proteazy) - enzymy rozkÅ‚adajÄ…ce biaÅ‚ka
Pewne enzymy (np. trawienne) majÄ… nazwy zwyczajowe - trypsyna, pepsyna
W celu ujednolicenia nazw enzymów opracowano MI
DZYNARODOWY KOD
ENZYMATYCZNY. System ten dzieli wszystkie enzymy na 6 głównych klas,
opartych na typie katalizowanej reakcji.
ENZYMY
KLASYFIKACJA I NOMENKLATURA ENZYMÓW
Numer Nazwa klasy Typ katalizowanej reakcji Przykład enzymu
klasy
OKSYDOREDUKTAZY Reakcje utlenienia  redukcji Dehydrogenaza
1
(Przenoszenie elektronów) mleczanowa
TRANSFERAZY Przenoszenie grup funkcyjnych Heksokinaza
2
Aminotransferaza
alaninowa
HYDROLAZY Reakcje hydrolizy Trypsyna
3
(rozpad przy udziale H2O)
LIAZY Reakcje powstawania i zaniku Dekarboksylaza
4
wiązań podwójnych (eliminacja i Fumaraza
addycja)
IZOMERAZY WewnÄ…trzczÄ…steczkowe Izomeraza fosfotriozowa
5
przekształcenia
LIGAZY Tworzenie wiązań sprzężone z Karboksylaza
6
(SYNTETAZY) hydrolizÄ… ATP
ENZYMY
KLASYFIKACJA I NOMENKLATURA ENZYMÓW
MI
DZYNARODOWY KOD ENZYMATYCZNY składa się z dwu liter i czterech liczb
oddzielonych kropkami. Jego schemat wygląda następująco:
EC a.b.c.d.
Symbol EC (enzyme code) oznacza, że liczby po nim dotyczą międzynarodowego kodu
enzymatycznego.
żð Liczba a okreÅ›la numer klasy enzymu
żð Liczba b - numer podklasy w obrÄ™bie tej klasy
żð Liczba c - oznacza numer podpodklasy w obrÄ™bie podpodklasy
żð Liczba d - oznacza numer enzymu w obrÄ™bie wymienionej wczeÅ›niej popodpodklasy
Na przykład dehydrogenaza mleczanowama numer kodowy EC1.1.1.27.
ENZYMY
ZASTOSOWANIE ENZYMÓW W MEDYCYNIE
Enzymy jako markery chorób
Aktywność niektórych enzymów zmienia się w przebiegu różnych chorób, np.
Øð aktywność aminotransferaz w osoczu krwi roÅ›nie w przebiegu zawaÅ‚u mięśnia sercowego
Enzymy służą jako leki
Øð Lipaza  enzym hydrolizujÄ…cy tÅ‚uszcze, jest użyteczna w leczeniu niedomogi wydzielniczej trzustki
Enzymy jako odczynniki
Pewne enzymy służą jako odczynniki w praktyce laboratoryjnej do oznaczania poziomu
metabolitów ustrojowych np.
Øð Ureaza może być zastosowana do oznaczania mocznika
Terapii genowej
Za pomocą nukleaz można wycinać wadliwe skonstruowane odcinki DNA, a powstałe ubytki
wypełniać odpowiednimi fragmentami pochodzących z komórek zdrowych.
Zespalanie fragmentów DNA jest możliwe dzięki ligazom DNA.
Stwarza to możliwość naprawy uszkodzonego genu i otwiera perspektywę rozwoju nowej dziedziny
medycyny, określanej mianem TERAPII GENOWEJ.
ENZYMY
INNE ZASTOSOWANIE ENZYMÓW
Wiele enzymów wykorzystuje się na skalę przemysłową m.in. w: przemyśle
spożywczym
Øð produkcja serów, pieczywa, piwa, wina, soków, zmiÄ™kczanie miÄ™sa
farmaceutycznym
Øð produkcja antybiotyków, witamin
chemicznym
Øð produkcja proszków do prania, papieru, biopaliw
tekstylnym
Enzymy (głównie mikroorganizmów) są wykorzystywane w wielu procesach
biotechnologicznych i ochronie środowiska (przy oczyszczaniu ścieków)
Obecnie enzymy produkowane są na skalę przemysłową, głównie z zastosowaniem
mikroorganizmów modyfikowanych genetycznie