SEMINARIUM 3-4
KATALIZA, ENERGIA AKTYWACJI - definicja pojęć.
KATALIZA - jest to zjawisko polegające na zwiększeniu szybkości reakcji chemicznej i/lub skierowaniu reakcji na jedną z kilku możliwych termodynamicznie dróg prowadzących do różnych produktów, w obecności niewielkich ilości substancji zwanych katalizatorami. Substancje te tworząc nietrwałe połączenia przejściowe, nie są jednakże zużywane w reakcji i nie występują w jej równaniu stechiometrycznym. Katalizator nie zmienia przy tym położenia równowagi chemicznej, wpływa jedynie na szybkość dochodzenia układu do tego stanu.
Katalizator definiuje się więc jako substancję, która zwiększa szybkość z jaką reakcja chemiczna osiąga stan równowagi, sama się jednak nie zużywa i której symbol nie występuje w równaniu stechiometrycznym.
ENERGIA AKTYWACJI - jest to najmniejsza ilość energii, którą trzeba dostarczyć 1 molowi substancji, aby 100% cząsteczek uległo aktywacji.
Stan przejściowy - największa energia swobodna ze wszystkich związków w danej reakcji.
ENZYMY A KATALIZATORY NIEORGANICZNE - podobieństwa i różnice.
Enzymy to katalizatory, które zwiększają szybkość przemiany substratów w produkty, a budowa ich po reakcji nie ulega zmianie.
Działalność enzymów pozwala na obniżenie energii aktywacji
same Ne podlegają przemianie (budowa i właściwości są takie same przed i po reakcji)
Enzymy wykazują zdolność przyspieszenia reakcji chemicznej tylko takiej, która jest termodynamicznie możliwa ( tzn. energia substratów musi być większa od energii produktów) - w ich obecności reakcja może zachodzić 106 - 1015 razy szybciej
STRUKTURA:
białka
(RNA) - rybozymy
specyficzne względem substratów i produktów
aktywność podlega regulacji
DZIAŁANIE enzymów polega na:
obniżaniu energii aktywacji
stabilizacji stanu przejściowego
nie zmienia energii substratów i produktów
np. katalazy w reakcji: 2 H2O2 ------ H2O + O2 obniżają energię aktywacji z 75 do 8,4 kJ/mol, prędkość reakcji zwiększa 300 mld razy
ENZYMY KATALIZATORY NIEORGANICZNE
1. to białka (znane są reakcje katalizowane związki nieorganiczne
przez RNA)
2. często do reakcji wymagają dodatkowej
cząsteczki zwanej koenzymem
3. charakteryzują się dużą specyficznością
do substratu
4. obniżają energię aktywacji obniżają energię aktywacji
5.
HOLOENZYM, APOENZYM, KOENZYM, GRUPA PROSTETYCZNA - definicje pojęć, funkcje w katalazie
KOENZYM - drobnocząsteczkowe związki organiczne lub jony nieorganiczne, których obecność w centrum aktywnym jest niezbędna do katalitycznego działania tego enzymu.
a) Określa rodzaj katalizowanej reakcji. Może brać udział w różnych reakcjach chemicznych zależnie od białka z którym jest związany.
b) Koenzymy są składnikami łatwo odszczepialnymi, tworzącymi luźne połączenia z białkiem enzymatycznym
APOENZYM - to część białkowa enzymu.
Decyduje o specyficzności substratowej enzymu czyli jaki substrat ulega przemianie w produkt oraz o kierunku reakcji (ten sam substrat może dawać różne produkty)
HOLOENZYM = APOENZYM + KOENZYM
Koenzym i grupa prostetyczna enzymu decydują najczęściej o rodzaju katalizowanej przez ten enzym reakcji
GRUPA PROSTETYCZNA - jest to niebiałkowy składnik enzymu związany z nim stosunkowo trwale i tworzący z białkiem pozornie niedysocjujące połączenia.
Ich oddzielenie i ponowne połączenie z białkiem nie zawsze prowadzi do odtworzenia katalitycznie czynnego enzymu.
Przykłady:
- pochodne flawinowe - FAD, FMN
dehydrogenaza bursztynianowa, oksydaza ksantynowa, oksydaza aminokwasowi, dehydrogenaza acyloCoA, dehydrogenaza aldehydowa, dehydrogenaza kwasu liponowego.
- żelazoporfiryny
oksydaza ksantynowa, katalaza, peroksydaza
Różnice pomiędzy grupą prostetyczną a koenzymem:
siły wiązania z apoenzymem
Przykłady grup prostetycznych:
- pochodne flawinowe - FAD i FMN (dehydrogenaza bursztynianowa, oksydaza: ksantynowa, aminokwasowa, dehydrogenaza: acyloCoA, aldehydowa, kwasu limonowego
- żelazoporfiryny - oksydaza ksantynowa, katalaza, peroksydaza
Koenzymy są składnikami łatwo odszczepialnymi. Tworzą raczej luźne połączenia z białkiem enzymatycznym. Po oddzieleniu koenzymu od apoenzymu stanowią one jednostki nieczynne katalitycznie, które po ponownym połączeniu z białkiem enzymatycznym tworzą aktywny holoenzym.
Przykłady koenzymów:
- NAD+ i NADP+ - które występują głównie w dehydrogenazach
NAD+ w mleeczanowej, alkoholowej i jabłczanowej
NADP+ - d. glukozo-6-fosforanowej
sposobem regeneracji w reakcji enzymatycznej
ROLA METALI W KATALAZIE ENZYMATYCZNEJ, metaloenzymy a enzymy aktywowane przez metale
METALOENZYMY - zawierają atom metalu
ENZYMY AKTYWOWANE PRZEZ METALE -
IZOENZYMY - definicja, metody rozdziału, znaczenie diagnostyczne
Są to różne formy enzymów katalizujących tą samą reakcję.
Są to cząsteczki kodowane przez różne geny - np.: CPK w mm szkieletowych, sercu i mózgu
Izoenzymy - są to genetycznie uwarunkowane odmiany enzymu, występujące w organizmach tego samego gatunku, katalizujące tą samą reakcję, a różniące się strukturą molekularną i niektórymi parametrami kinetyki enzymatycznej
Zazwyczaj różnią się składem podjednostkowym lub sekwencją aminokwasowi
POCHODZENIE IZOENZYMÓW:
izoenzymy są wytworzone przez różne geny zajmujące różne loci - MULTI LOCI
geny dla danych izoenzymów mogą występować na tym samym chromosomie np.: amylaza (enzym występujący w soku trzustkowym oraz enzym występujący w ślinie jest kodowany przez geny występujący na tym samym chromosomie)
geny izoenzymów są na różnych chromosomach np. dehydrogenaza jabłczanowa, enzym cyklu Krebsa
w obrębie danego allelu występuje duży polimorfizm - czyli loci jest jedno, ale są różne postacie alleliczne genu kodującego dany enzym. Takie enzymy nazywamy ALLELOZYMAMI lub alleloenzymami np.: dehydrogenaza glukozo-6-fosforanowa, kluczowy enzym cyklu pentozowego. Możemy wśród formallelicznych izoenzymatycznych tego enzymu wyselekcjonować, takie formy, których aktywność będzie obniżona - enzym nie będzie pełnił swojej funkcji, a klinicznie będzie się to manifestowało hemolizą czyli rozpadem krwinki czerwonej
Jeśli enzym ma charakter oligomeryczny - każda z podjednostek jest kodowana przez inny gen. W efekcie może być różna asocjacja podjednostek - izoenzymy HYBRYDOWE
Izoenzymy są bardziej charakterystyczne dla danej tkanki, niż całkowita aktywność enzymów
Izoenzymy - zmiana profilu
zależna od rozwoju
np. fosfataza alkaliczna - u dzieci do około 12 roku życia, głównym izoenzymem jest izoenzym kostny. Powyżej 12 roku życia głównym izoenzymem jest izoenzym wątrobowo-żółciowy
zależna od choroby
np. fosfataza alkaliczna
Niespecyficzne tkankowo fosfatazy alkaliczne (pochodzenia kostnego, wątrobowego, nerkowego) są kodowane na chromosomie 1. istnieje drugi rodzaj fosfatazy alkalicznej, który jest kodowany na chromosomie 2 - w warunkach fizjologicznych pojawia się ona wyłącznie w ciąży. W niektórych chorobach nowotworowych pojawiają się izoenzymy, które przypominają izoenzym łożyskowy. Ich główna cecha fizykochemiczna to odporność na temperaturę.
Izoenzym Nagao, izoenzym Regan, izoenzym Kasahara. Pojawienie się tych izoenzymów u osoby, która nie jest w ciąży np. u mężczyzny świadczy o przestrojeniu nowotworowym komórki
ZRÓŻNICOWANIE WŁAŚCIWOŚCI IZOENZYMÓW
zmienia się ruchliwość elektroforetyczna - przy czym nie zawsze jest to uchwytne rutynowymi metodami elektroforetycznymi (często wiąże się to tylko ze zmianą ładunku).
zmienia się rozpuszczalność
zmiana odporności na inaktywacje fizykochemiczna (najprostszy sposób inaktywacja cieplna, ale jest to technika dość mało specyficzna)
zmiana wrażliwości na inhibitory (np. L-winian stosowany przy różnicowaniu izoenzymów fosfatazy kwaśnej)
zmienia się aktywność molekularna czyli liczba cząsteczek substratu przekształconych w produkty, w czasie 1 minuty przez 1 cząsteczkę enzymu, w optymalnych warunkach
zmienia się powinowactwo do pewnych substratów - stała Michaelisa
zmienia się zdolność do katalizy reakcji z udziałem analogów substratów
zmienia się antygenowość
Antygenowość zmienia się najczęściej w dwóch przypadkach:
- są to enzymy pochodzące z różnych loci
- lub enzymy zbudowane z różnych podjednostek
Czyli do oceny tych izoenzymów możemy używać metod immunologicznych
METODY ROZDZIAŁU IZOENZYMÓW:
Elektroforeza
elektroforeza wysokonapięciowa
elektroogniskowanie w gradiencie pH
Chromatografia
najczęściej chromatografia powinowactwa
HPLC - chromatografia wysokociśnieniowa
Inaktywacja chemiczna - czyli stosowanie swoistych inhibitorów
Inaktywacja fizyczna - najczęściej cieplna
Właściwości katalityczne
używanie analogów substratów, które są przemieniane tylko przez jedną formę izoenzymu
używanie swoistych inhibitorów, które hamują konkretny izoenzym
metody immunologiczne
Enzymy heterogenne nie będące izoenzymami
- enzymy zmodyfikowane posttranslacyjnie
acylacja - enzym jest inny, ma inną ruchliwość elektoferetyczną
przyłączenie reszty cukrowej - glikacja - ma duże znaczenie, występuje głównie w cukrzycy. W wyniku takiej glikacji szereg enzymów, w tym enzymy antyoksydacyjne jak: dysmutaza ponadtlenkowa, peroksydaza glutationowa tracą swą aktywność. Mają one inną ruchomość elektroforetyczną, inne powinowactwo do substratu, ale nie są izoenzymami (jest to nieprawidłowo zmutowane białko)
Przemiana proenzymu w enzym - proenzym i enzym jest to ten sam enzym, ale raz w formie nieaktywnej, a raz w aktywnej
D-amidacja
Powstawanie mostka disulfitowego - np. t-PA w formie łańcuchowej i dwułańcuchowej - jest to to samo białko enzymatyczne
zmiany w fosforylacji - np. aktywna i nieaktywna fosforylaza (enzym biorący udział w glikogenolizie i glikogenogenezie). Są to różne formy enzymu, ale nie izoenzymy
Asocjacja z innymi białkami - szczególnie lubią asocjować z enzymami immunoglobuliny np. amylaza trzustkowa może połączyć się z Ig i wtedy jej pewne właściwości ulegają zmianie
agregacja molekuł - powstają formy dimeryczne (oligomeryczne)
CENTRA AKTYWNE ENZYMU
centrum aktywne - to miejsce, które wiąże substraty i odpowiada za przebieg reakcji katalizowanej przez enzym
Miejsce aktywne zajmuje stosunkowo małą część całkowitej objętości cząsteczki enzymu
Miejsce aktywne jest układem przestrzennym złożonym z grup chemicznych reszt aminokwasowych, zajmujących różne liniowo odległe pozycje.
Aminokwasy biorące bezpośredni udział w katalizie znajdują się w odległości 0,2 nm od substratu
W tworzeniu miejsca aktywnego uczestniczą przede reszty aminokwasowi, które w łańcuchach bocznych mają grupy mogące być donorami lub akceptorami protonów
Np. grupy β - karboksylowe asparaginianu
grupy γ - karboksylowe glutaminianu
grupy ε - aminowe lizyny
atomy azotu zawarte w pierścieniu imidazolowym histydyny
grupy -OH seryny, treoniny i tyrozyny
grupy -SH cysteiny
TEORIE WIĄZANIA SUBSTRATU PRZEZ ENZYM:
Teoria E. Fischera - zakładała, że substrat pasuje do centrum aktywnego enzymu jak klucz do zamka
Teoria D. E. Koshland - aktualnie dominująca - miejsce aktywne enzymu wytwarza się w chwili kontaktu enzymu z substratem
Centrum aktywne = miejsce aktywne . W jego obszarze wyróżnia się:
miejsce wiązania substratu ( miejsce określające swoistość enzymu)
miejsce katalityczne, gdzie zachodzi reakcja
w przypadku enzymów allosterycznych - miejsce wiążące efektor czyli centrum allosteryczne
Aminokwasy wchodzące w skład centrum aktywnego - z uwagi na funkcję, jaką pełnią - dzieli się
na cztery kategorie:
1. aminokwas lub a m i n o k w a s y b e z p o ś r e d n i o d z i a ł a j ą c e ; w enzymach złożonych ich rolę pełnią koenzymy lub grupy prostetyczne,
2. a m i n o k w a s y w s p o m a g a j ą c e ,
3. aminokwasy kontaktowe , zwane również w i ą ż ą c y m i ,
4. aminokwasy pomocnicze .
Aminokwasy pomocni c ze nie biorą bezpośredniego udziału w katalizie, lecz niezbędne są
do utrzymanie właściwej konformacji przestrzennej pozostałych aminokwasów centrum aktywnego
(można je traktować, jako czynniki strukturotwórcze centrum aktywnego).
Aminokwasy kont aktowe (w i ą ż ą c e ) odpowiedzialne są za rozpoznanie substratu i
„wciągniecie” go do kieszonki centrum aktywnego. Z reguły są zlokalizowane na obrzeżach
kieszonki. Odpowiedzialne są za specyficzność substratową enzymów
CENTRUM KATALITYCZNE - struktura i funkcja
*
MODELE WIĄZANIA SUBSTRATU PRZEZ ENZYM
*
SWOISTOŚĆ ENZYMU WZGLĘDEM KATALIZOWANEJ REAKCJI I WZGLĘDEM SUBSTRATU
*
MECHANIZM KATALAZY ENZYMATYCZNEJ
*
STRUKTURA MOLEKULARNA ENZYMÓW - enzymy mono- i oligomeryczne, przykłady
ENZYMY MONOMERYCZNE - są to enzymy nie mające budowy podjednostkowej. Wyróżniamy wśród nich:
enzymy o budowie pojedynczego łańcucha polipeptydowego np. występujący w ślinie lizozym oraz elastaza, trypsyna, heksokinaza
enzymy posiadające więcej niż jeden łańcuch polipeptydowy np. chymotrypsyna
ENZYMY OLIGOMERYCZNE - czyli enzymy zbudowane z podjednostek, tzn. takie, w których jeden fragment cząsteczki z drugim jest połączony wiązaniami niekowalencyjnymi.
Typy wiązań niekowalencyjnych występujące w cząsteczce enzymów oligomerycznych:
- najważniejsze znaczenie - oddziaływania hydrofobowe
- wiązania jonowe
- wiązania wodorowe
Pod względem budowy podjednostkowej można je podzielić na:
homooligomery
heterooligomery
Podział ten zależny jest od tego czy wszystkie podjednostki maja taką samą budowę, czy różną.
Z budowy podjednostkowej enzymu wynikają dwa podstawowe fakty:
Poprzez dysocjację podjednostek, czyli ich rozerwanie enzym może nie stracić zupełnie swojej aktywności, ale tor tej aktywności może się całkowicie zmienić.
Np. dehydrogenaza aldehydu 3-fosfoglicerynowego (jeden z enzymów glikolizy) w stanie natywnym występuje pod postacią tetrameru i wykazuje wtedy 2 aktywności:
- dehydrogenazy
- esterazy (hydrolaza rozrywająca wiązania estrowe)
Jeśli doprowadzimy ją do dysocjacji czyli powstanie enzym w formie dimerowej, to traci on aktywność dehydrogenazy, ale pozostaje mu jeszcze aktywność esterazy.
Podjednostki enzymu oligomerycznego wykazują zjawisko kooperacji między sobą co nosi nazwę allosterii.
KOMPLEKSY WIELOENZYMOWE - budowa, stopnie organizacji, znaczenie, przykłady
Kompleksy wieloenzymowe - ME = MultiEnzyme Complex - jest to kompleks kilku enzymów, które katalizują reakcje zazwyczaj następujące po sobie. Łączą się one w wyżej zorganizowane struktury.
Celem tych połączeń jest doprowadzenie do sytuacji termodynamicznej korzystnej czyli takiej, w której transfer związków pośrednich następował od jednego enzymu do drugiego bez straty energii.
Przykłady:
kompleks dehydrogenazy pirogronianowej - katalizuje przemianę kwasu pirogrononowego do acetyloCo-A - czyli proces dekarboksylacji oksydacyjnej pirogronianu
Najwyżej zorganizowanymi kompleksami wieloenzymowymi są kompleksy związane z błonami np. kompleks enzymatyczny łańcucha oddechowego związanego z wewnętrzną błoną mitochondrialną. Strata energii reakcji katalizowanych przez ten kompleks jest bardzo mała
kompleks bez tzw. pompy, w którym intermedianty (produkty pośrednie) oddysocjowują od kompleksu. Przykładem jest kompleks enzymatyczny pierwszych trzech reakcji, katalizujący biosyntezę pirymidyn - komplet CAD = MEpyr 1-3. C - oznacza syntetazę karbonoilofosforanową II = CPS II, A - ATC-aza czyli karbanoilotransferaza asparaginowa, trzecim enzymem jest dihydroprotaza.
W kompleksie tym wykryto po raz pierwszy zjawisko umownie nazwane kabałowaniem czyli channelingiem (channeling). Zjawisko to ma polegać na przemieszczaniu się w sposób preferencyjny, bez strat energii intermediantu od jednego enzymu do drugiego.
Czwarty enzym na szlaku biosyntezy pirymidyn jest enzymem wolnym
natomiast dwa kolejne enzymy szlaku biosyntezy pirymidyn tworzą znowu kompleks wieloenzymowy MEpyr 5-6.
Kompleksy wieloenzymowe dotyczą różnych enzymów, które tworzą pewne ugrupowania katalizujące kolejne etapy szlaków metabolicznych
ENDOENZYMY, EKTOENZYMY
*
KINETYKA REAKCJI ENZYMATYCZNEJ - hiperboliczna i niehiperboliczna, sposoby jej przedstawiania, ocena powinowactwa enzym-substrat.
Kinetyka reakcji enzymatycznych - określa szybkość i przebieg reakcji. Jest ważnym czynnikiem umożliwiającym zachowanie homeostazy przez dostosowanie szybkości reakcji enzymatycznych w organizmie do aktualnych warunków środowiska lub bodźców hormonalnych.
Hiperboliczną kinetykę reakcji enzymatycznej obrazuje model Michaelisa - Menten.
Jego założeniem jest, że zawsze się tworzy kompleks E-S jako pośredni etap całego procesu
Równanie Michaelisa - Menten określa zależność szybkości reakcji enzymatycznej od stężenia substratu.
V - prędkość katalizowanej reakcji
Vmax = prędkość max. jaką można byłoby teoretycznie osiągnąć w warunkach optymalnych
[S] - stężenie substratu
KM - stała Michaelisa, równa takiemu stężeniu substratu, przy którym prędkość reakcji jest równa połowie prędkości maksymalnej.
Jeżeli stężenie substratu jest znacznie mniejsze od tego, które jest wymagane do uzyskania połowy szybkości max., to szybkość reakcji zależy od stężenia substratu, bo Vmax i KM są wielkościami stałymi
[S] << KM
Jeżeli [S] jest znacznie większe od KM, to szybkość początkowa V , jest szybkością maksymalną Vmax
V = Vmax
[S] >> KM
Gdy [S] = KM to prędkość początkowa równa się połowie szybkości maksymalnej reakcji
V = ½ Vmax
[S] = KM
CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA SZYBKOŚĆ REAKCJI ENZYMATYCZNEJ
Temperatura
pH
stężenie enzymu
stężenie substratu
aktywatory i inhibitory
REGULACJA ILOŚCI ENZYMU
*
REGULACJA AKTYWNOŚCI ENZYMU
Czynniki wpływające na aktywność enzymu
stężenie substratu
stężenie produktu
stężenie koenzymu
temperatura:
szybkość reakcji rośnie wraz ze wzrostem temperatury ( do pewnego stopnia) - jest to związane ze zwiększeniem energii kinetycznej reagujących cząsteczek
optimum temperatury 30 - 500 C
ograniczona temperatura inaktywacji enzymu ( 700 C)
współczynnik Q10 (określa o ile wzrośnie prędkość reakcji przy wzroście temperatury o 100 C)
Q10
termostabilność i termolabilność - identyfikacja izoenzymu
enzymy bakterii termofilnych (do 1000 C) - polimeraza Taq
pH
optimum pH - szeroki zakres
większość optimum 5 - 8
potencjał red-ox
potencjał poza optimum może wywołać inaktywację
redukcja lub utlenienie wiązań disiarczkowych
stała dielektryczna - siła jonowa
inhibitory
aktywatory
REGULACJA KATALITYCZNEJ SPRAWNOŚCI ENZYMU (wpływ na sprawność katalityczną enzymu), interkonwsersja enzymu. Aktywacja proenzymu, kompartmentalizacja enzymów w organellach komórkowych - mechanizmy, przykłady
Czyli zmiana aktywności enzymu bez zmian jego ilości
regulacja allosteryczna - regulacja aktywności enzymu poprzez wprowadzenie białka allosterycznego
związki pod wpływem, których enzym zyskuje aktywność to kinazy allosteryczne dodatnie (aktywatory allosteryczne)
związki, pod których wpływem traci aktywność to kinazy allosteryczne ujemne (inhibitory allosteryczne)
aktywacja proenzymów (zymogenów); np. enzymy trawienne
Niektóre enzymy, szczególnie proteazy są syntetyzowane pod postacią nieaktywnych proenzymów.
Przejście zymogenu w aktywny enzym wymaga odłączenia fragmentu cząsteczki fragmentu cząsteczki, który hamuje powstawanie lub funkcjonowanie miejsca aktywnego.
W niektórych przypadkach enzym powstały z zymogenu staje się jego aktywatorem proteolitycznym.
Zjawisko aktywacji zymogenu przez aktywną postać enzymu nosi nazwę autoaktywacji lub autokatalizy.
1. Pepsynogen - pepsyna
Pepsyna, enzym powstający w komórkach głównych błony śluzowej żołądka powstaje w postaci nieaktywnego pepsynogenu.
Zawiera on N-końcowy odcinek prekursorowi (44 aminokwasów), który jest usuwany w wyniku hydrolizy.
Proces ten zachodzi spontanicznie pod wpływem pH < 5.
Pepsyna jest białkiem silnie anionowym. W jej centrum aktywnym znajdują się 2 reszty kwasu asparaginowego - jedna grupa β - karboksylowa w postaci COO-, druga COOH.
Odcinek prekursorowi blokuje dostęp do centrum aktywnego (ujemnie naładowane grupy karboksylowe asparaginianu i glutaminianu odcinka prekursorowego wiążą się z dodatnio naładowanymi grupami aminowymi reszt lizyny i argininy nieaktywnej pepsyny). Pod wpływem kwaśnego pH dochodzi do odsłonięcia centrum aktywnego, które hydrolizuje wiązanie peptydowe pomiędzy pepsyną a odcinkiem prekursorowym.
pepsynogen ----------
pepsyna
2. Trypsynogen - trypsyna
Enzym soku trzustkowego, który jest syntetyzowany w postaci nieaktywnego zymogenu, trypsynogenu.
Jego aktywacja zachodzi pod wpływem enzymu proteolitycznego błony śluzowej dwunastnicy - enterokinazy.
Enterokinaza odłącza odcinek prekursorowi 6-cio aminokwasowi, co powoduje zmiany konformacji w obrębie cząsteczki białka enzymatycznego. Powstająca trypsyna jest aktywatorem kolejnych cząsteczek trypsynogenu.
trypsynogen-------
trypsyna
3. Chymotrypsynogen - chymotrypsyna
Chymotrypsynogen białko jednołańcuchowe złożone z 245 reszt
aminokwasowych, którego struktura jest stabilizowana przez 5
wewnątrzcząsteczkowych mostków dwusiarczkowych.
Centrum aktywne enzymu jest utworzone przez reszty
aminokwasowe His-51, ASP-102 i Ser-195.
I-szy etap aktywacji zachodzi pod wpływem trypsyny - hydroliza
wiązania peptydowego pomiędzy 15 i 16 aminokwasem -
powstaje dwułańcuchowa chymotrypsyna π - postać aktywna
enzymu, lecz mało stabilna.
II-gi etap - aukataliza - odłączenie dipeptydu Ser-Arg - powstaje
przejściowo chymotrypsyna δ (białko dwułańcuchowe)
III etap - dalsza proteoliza i odłączenie dipeptydu Thr-Asn -
powstaje trójłańcuchowa stabilna chymotrypsyna.
3 z pośród 5-ciu mostków dwusiarczkowych, stają się mostkami
międzyłąńcuchowymi
chymotrypsynogen----
chymotrypsyna π----
chymotrypsyna δ----
chymotrypsyna
4. Inne proteazy przewodu pokarmowego powstają pod
wpływem ograniczonej proteolizy proenzymów.
Np. pod wpływem trypsyny z odpowiednich zymogenów
powstaje elastaza czy karboksypeptydaza
Kompartmentalizacja - czyli brak możliwości ruchów pomiędzy przedziałami komórkowymi poprzez istnienie struktur błoniastych.
Np.:
a) syntetaza karbanoilofosforanowa II = CPS II znajduje się w cytosolu i jest odpowiedzialna za syntezę pirymidyn. Syntetaza karbanoilofosforanowa I = CPS I znajduje się w mitochondrium i jest odpowiedzialna za cykl mocznikowy. Enzymy te nie mogą zamiennie spełniać swoich funkcji.
Modyfikacje posttranslacyjnie białka enzymatycznego:
interkonwersja enzymu - czyli przyłączenie lub odłączenie reszt fosforanowych
Niektóre białka enzymatyczne są aktywowane przy udziale kinaz białkowych. Źródłem reszt fosforanowych jest ATP, a miejscem ich wiązania grupy -OH reszt seryny, treoniny lub tyrozyny.
Hydrolityczne odłączenie reszt fosforowych (defosforylacja) jest katalizowane przez fosfatazę białkową - inaktywacja enzymu.
Natomiast kinazy białkowe - aktywują enzym
Np.; aktywacja i inaktywacja fosforylazy glikogenowej
Kinaza fosforylazy glikogenowej z udziałem 4 cząsteczek ATP fosforyzuje grupy -OH seryny dwu cząsteczek nieaktywnej fosforylazy b. ufosforylowane cząsteczki asocjują i tworzą aktywną formę fosforylazy a.
Fosfataza białkowa powoduje hydrolityczne odłączenie 4 cząsteczek fosforanu i przejście w formę nieaktywną.
Równowaga pomiędzy fosforylazą nieaktywną i aktywną jest utrzymywana przez układ hormonalny.
Innym przykładem jest kompleks dehydrogenazy pirogronianowej - postać aktywna, niefosforylowana, postać nieaktywna, fosforyzowana.
adenylacja (ATP) - Adenylacja polega na kowalencyjnym przyłączeniu adenozynomonofosforanu (AMP) wiązaniem fosfodiestrowym do grupy hydroksylowej łańcucha bocznego aminokwasu w białku. Reakcja katalizowana jest przez transferazę adenylilową. Przykładem białka ulegającego adenylacji może być syntetaza glutaminianowa. W tym białku enzymatycznym akceptorem AMP jest grupa hydroksylowa specyficznej reszty tyrozynowej, znajdująca się w każdej podjednostce enzymu. Przyłączona wiązaniem fosfodiestrowym reszta AMP, w reakcji odwrotnej, może być usunięta z białka w wyniku fosforolizy, katalizowanej przez ten sam enzym, który przeprowadził adenylację syntetazy glutaminianowej.
ADP-rybozylacja (NAD+) - Proces ADP-rybozylacji może regulować funkcję wielu białek, w tym enzymatycznych
Mono-ADP-rybozylacja polega na przeniesieniu pojedynczej reszty
Adenozynodifosforybozy (ADP-rybozy) na białko akceptorowe w reakcji
Katalizowanej przez mono-ADP-rybozylotransferazę. Donorem grup ADP
rybozy jest dinukleotyd nikotynamidoadeninowy (NAD+). W procesie tym
mogą być modyfikowane białka pozajądrowe komórki, mianowicie czynnik
elongacyjny EF2 procesu translacji lub białko G przez niektóre toksyny
Proces poli-ADP-rybozylacji modyfikuje białka jądrowe, takie jak histony H1,
endonukleazy. Reakcję poli-ADP-rybozylacji katalizuje ADP
rybozylotransferaza polimeryzująca, inaczej zwana syntazą poli(ADPR), która
sprawia, że w modyfikowanym białku znajdują się polimery
adenozynodifosforybozy, czyli poli(ADPR). Modyfikacja ta jest odwracalna,
ADP-rybolyzacja z reguły prowadzi do inaktywacji enzymu.
PODSUMOWANIE - wpływ na sprawność katalityczną enzymu oznacza zmiany aktywności enzymu (wzrost bądź obniżenie) bez zmiany ilości enzymu.
Czyli jeśli zatrzymamy biosyntezę białka w komórce, to:
1. jeśli czynnik modyfikuje aktywność enzymu w drodze w drodze wpływu na sprawność katalityczną enzymu - aktywność enzymu się zmieni
2. jeśli czynnik oddziaływuje poprzez zmianę syntezy białka enzymatycznego - do zmian nie dojdzie wskutek zablokowania syntezy białka enzymatycznego w komórce
Hamowanie odwracalne i nieodwracalne, kompetencyjne i niekompetencyjne, mieszane - definicje, mechanizmy, kinetyka reakcji enzymatycznej z inhibitorem w oparciu o wykres podwójnych odwrotności (L-B)
*
INHIBITORY ENZYMÓW JAKO LEKI m.in. acetylocholinesterazy, cyklooksygenazy, lipooksygenazy, oksydazy ksantynowej, fosfodiesterazy, anhydrazy węglanowej
Agregację trombocytów hamuje:
blokada cyklooksygenazy (COX) - aspiryna
zahamowanie syntazy tromboksanowej - pirmagrel
zablokowanie receptora tromboksanowego - sulotroban
Aspiryna powoduje nieodwracalną acetylację seryny w pozycji 530 cyklooksygenazy. . natomiast zastąpienie seryny alaniną nie zmienia aktywności tego enzymu (wskazuje to, że seryna nie wchodzi w skład centrum aktywnego enzymu). Okres półtrwania kwasu acetylosalicylowego wynosi 20 minut, ale jego działanie na płytki krwi jest nieodwracalne - hamuje agregację płytek, ale nie hamuje adhezji.
Cyklogenaza z płytek krwi jest bardziej podatna na hamowanie przez aspirynę niż cyklogenaza w ścianie naczynia.
Małe dawki hamują wytwarzanie trombosanu w trombocytach. Natomiast duże dawki hamują zarówno syntezę TXA2 jak i PGI2 w endotelium, co sprzyja tworzeniu zakrzepów.
W przeciwieństwie do nieodwracalnego hamowania cyklooksygenazy przez aspirynę niesterydowe leki p/zapalne, takie jak: indometacyna, fenylobutazon, kwas flufenamowy, oksyfenolobutazon, ibuprofen, hamują odwracalnie cyklooksygenazę poprzez współzawodnictwo z substratem czyli kwasem arachidonowym o miejsce aktywne enzymu
Inhibitory konwertazy angiotensyny
- w leczeniu nadciśnienia tętniczego
- captopril, enalopril - rozszerzają tętnice i zmniejszają opory naczyniowe
Inhibitory β- laktamaz (enzymy bakteryjne)
- mają zastosowanie jako antybiotyki
- kwas klawulonowy, sulbaktam, tazobaktam
Inhibitory MAO ( oksydazy monoaminowej)
- leki p/depresyjne
- powodują obniżanie degradacji amin katecholowych oraz indolowych (wpływ noradrenoergiczny i serotoninergiczny
- selegilina (Jumex) - hamuje MAO - ma zastosowanie w leczeniu parkinsinizmu
Inhibitory reduktazy HMG-CoA
- mewastatyna, tymwastatyna, prowastatyna
- lowastatyna - nieaktywny, trójpierścieniowy laktoz z grzybów Monascus ruber, Aspergillus terrens
Inhibitor anhydrazy węglanowej
- acetazolamid (Diuramid) - hamuje anhydrazę węglanową w kanaliku bliższym i dalszym nerki
- powoduje utratę HCO
------- kwasica nieoddechowa
- stosowany jest jako lek moczopędny
- powoduje również obniżanie ciśnienia wewnątrzgałkowego
Inhibitory fosfodiesterazy III (inodylatory)
- zwiększają zawartość cAMP w komórce
- zwiększają kurczliwość mięśnia sercowego
- amrynon, milrynon, enoksymom
- sundonimy: moltyndonima - wzrost aktywności cyklazy guanylowej - wzrost cGMP
= rozszerza naczynia krwionośne żylne i tętnicze
ENZYMY MNEMONICZNE
*
ZJAWISKO KOOPERACJI ENZYMÓW MONO - i OLIGOMERYCZNYCH
*
ALLOSTERIA, CENTRUM ALLOSTERYCZNE - definicje pojęć
centrum allosteryczne -jest to miejsce do którego przyłączają się efektory, czyli drobnocząsteczkowe związki wpływające na aktywność enzymu.
Enzymy, których aktywność może być regulowana w taki sposób nazywa się enzymami allosterycznymi
MODELE ODDZIAŁYWAŃ ALLOSTERYCZNYCH - jednoprzejściowy i sekwencyjny - charakterystyka mechanizmów
Oddziaływania allosteryczne - to oddziaływanie miejsc wiązania substratu znajdujących się na różnych podjednostkach oligomerycznego enzymu.
Dla enzymów allosterycznych wykres zależności szybkości reakcji V os stężenia substratu [S] często przybiera kształt sigmoidalny (enzymów allosterycznych nie obowiązuje kinetyka Michaelisa - Menten)
W enzymach allosterycznych jedno miejsce aktywne enzymu może oddziaływać na drugie miejsce aktywne tej samej cząsteczki enzymu
prowadzi to do kooperatywności wiązania cząsteczek substratu
Aktywność enzymów allosterycznych może być regulowana cząsteczkami, które się wiążą do innych miejsc niż miejsca katalityczne (w podobny sposób jak H2 lub CO2) wpływają na wiązanie tlenu przez hemoglobinę).
MODEL JEDNOPRZEJŚCIOWY - J. Monod, J. Wyman (1965 rok)
Enzym allosteryczny zbudowany z dwu identycznych podjednostek, z których każda może występować z jednej z dwu możliwych konformacji:
R - wykazuje duże powinowactwo do substratu
T - wykazuje małe powinowactwo do substratu
Formy R i T mogą przechodzić jedna w drugą
Podstawowe założenie tego modelu: - obie podjednostki enzymu muszą występować w tej samej konformacji, tak by była zachowana symetria cząsteczki enzymu.
W ten sposób dozwolonymi konformacjami dimeru są RR i TT, natomiast RT jest zakazana
Przy braku substratu obie dozwolone formy opisano symbolami T0 i R0, a L oznacza stosunek ich stężeń w roztworze
R0
T0
W jednoprzejściowym modelu oddziaływań allosterycznych efekty:
homotropowe są zawsze dodatnie (kooperatywne)
heterotropowe mogą być albo dodatnie albo ujemne
Forma RT jest niedozwolona
MODEL SEKWENCYJNY (kolejnych zdarzeń) - D. Koshland jun.
każda podjednostka może występować tylko w dwóch formach konformacyjnych R i T
związanie substratu z daną podjednostką zmienia jej kształt, jednak nie ma to wielkiego wpływu na konformację innych podjednostek w tej cząsteczce enzymu
W modelu sekwencyjnym wiązanie jest kooperatywne wtedy, kiedy powinowactwo RT do substratu jest większe od powinowactwa TT
Różnice modelu sekwencyjnego w stosunku do jednoprzejściowego:
model sekwencyjny nie zakłada równowagi pomiędzy stanami T i R, gdy brak substratu
- przejście konformacyjne od T do R jest wymuszone wiązaniem substratu
zmiana konformacyjna od T do R występuje kolejno w różnych podjednostkach, a nie polega na jednym przejściu konformacyjnym całej cząstki enzymu
forma RT tu jest zasadnicza, a modelu jednoprzejściowym niedozwolona
w modelu jednoprzejściowym zasadniczym warunkiem oddziaływania podjednostek jest symetria cząsteczki enzymu, która musi dlatego być zachowana podczas przejść allosterycznych. W przeciwieństwie do tego model sekwencyjny zakłada możliwość oddziaływania podjednostek znajdujących się w różnych stanach konformacyjnych.
oddziaływania homotropowe mogą być dodatnie lub ujemne - druga cząsteczka substratu może ulegać silniejszemu albo słabszemu wiązaniu niż pierwsza, w zależności od rodzaju odkształceń strukturalnych, wprowadzonych przez związanie pierwszej cząsteczki substratu. W modelu jednoprzejściowym oddziaływania homotropowe są tylko dodatnie.
Dla niektórych białek słuszny jest model jednoprzejściowy, a dla innych sekwencyjny
Dla jeszcze innych białek enzymatycznych żaden z modeli nie jest zadawalający, a założenie, że istnieją tylko dwa stany konformacyjne R i T jest zbyt ograniczone.
KINETYKA ENZYMÓW ALLOSTERYCZNYCH
*
KLINICZNY (diagnostyczny) PODZIAŁ ENZYMÓW wg. RICHTERICHA i HESSA - przykłady enzymów poszczególnych grup, patogeneza obserwowanych zmian enzymatycznych w surowicy krwi.
Podział uwzględnia:
przydatność enzymów w praktyce klinicznej, (dotyczy tylko tych enzymów)
miejsce ich syntezy
pełnioną fizjologiczną funkcję
zmiany aktywności w przebiegu różnych stanów patologicznych
GRUPA A - ENZYMY SEKRECYJNE (wydzielnicze)
Pełnią one swą fizjologiczną rolę na terenie osocza.
Ich stężenie w osoczu jest wysokie i obniża się w przypadku uszkodzenia funkcji narządów, w których powstają.
esteraza choinowa niespecyficzna (butyrylocholinowa)
niektóre czynniki krzepnięcia krwi (proenzymy) - protrombina
czynniki fibrynolizy - plazminogen
lipaza lipoproteinowa HTGL
ceruloplazmina (białko ostrej fazy)
GRUPA B - ENZYMY INDYKATOROWE (wskaźnikowe)
Enzymy te fizjologicznie występują wewnątrzkomórkowo.
Prawidłowo ich stężenie w osoczu jest niskie. Stężenie to wzrasta w wyniku uszkodzenia komórek.
Ze względów dydaktycznych można je podzielić na narządowo swoiste i narządowo nieswoiste.
Narządowo specyficzne
dla wątroby
dehydrogenaza etanolowa
dehydrogenaza sorbitolowa
transferaza ornitynokarbamoilowa
aldolaza fruktozomonofosforanowa
arginaza
dla mięśni poprzecznie prążkowanych
kinaza kreatynowa CK
aldolaza fruktozodifosforanowa
Narządowo niespecyficzne
Enzymy glikolizy
Enzymy cyklu Krebsa
Enzymy cyklu pentozowego
Enzymy przemiany białkowej
- aminotransferaza alaninowa AlAT, GPT
- aminotransferaza asparaginowa AspAT, GOT
GRUPA C - ENZYMY EKSKRECYJNE (wydalnicze)
Enzymy tej grupy fizjologicznie występują w dużej ilości w wydzielinie narządów wydalniczych.
W warunkach fizjologicznych ich stężenie w osoczu jest nieduże. Wzrost ich stężenia w osoczu jest spowodowany upośledzeniem odpływu wydzieliny.
a) enzymy żółci
fosfataza zasadowa (AP)
γ- glutamylotranspeptydaza (GGTP)
leucyloaminopeptydaza ( LAP)
b) enzymy soku trzustkowego
α - amylaza
lipaza
DNA-aza
RNA-aza
trypsyna
chymotrypsyna
c) enzymy ślinianek
α - amylaza
d) enzymy płynu sterczowego
fosfataza kwaśna (AcP)
e) enzymy gruczołów wydzielniczych żołądka
pepsyna
AMINOTRANSFERAZY
Enzymy indykatorowe
Enzymy przemian białkowych
Enzymy narządowo nieswoiste
Katalizują przemianę aminokwasu w α - ketokwas
Koenzymem jest fosforan pirodyksalu - wit B6
Aminotransferaza alaninowa ALAT = GPT - najwięcej w wątrobie
Aminotransferaza asparaginowa AspAT = GOT - najwięcej w m. sercowym
ALAT i AspAT oprócz tego występują w mięśniach, nerkach, trzustce, śledzionie, płucach
Mają 2 postacie izoenzymów:
cytoplazmatyczny (α-globulina, frakcja szybka, wytrącana riwanolem)
- najwcześniej w przypadku uszkodzenia serca
mitochondrialny ( γ i β2- globuliny, frakcja wolna)
Występowanie:
m. sercowy
izoenzymy cytozolowy mitochondrialny
ALAT 20% 80%
AspAT 80% 20%
wątroba
izoenzymy cytozolowy mitochondrialny
AspAT 20% 80%
ALAT 80% 20%
AspAT jest bardziej charakterystyczny dla zawału m. sercowego - 80% w cytosolu
ALAT - bardziej charakterystyczny dla uszkodzeń wątroby (nie oznacza się tego klinicznie!!!)
Wzrost ALAT i AspAT
- zawał m. serca
- zawał mózgu, płuca, nerki, śledziony, jelit
- wirusowe zapalenie wątroby
- toksyczne uszkodzenie wątroby, marskość, nowotwory wątroby
- choroby mięśni (urazy, zapalenia, dystrofie)
- ostre zapalenie pęcherzyka żółciowego i trzustki
- zatrucie ciążowe
- oparzenia
- długotrwałe stosowanie leków: kortykosterydów, erytromycyny, środków antykoncepcyjnych, morfiny, kodeiny, salicylatów, glikozydów nasercowych
Wskaźnik de Ritisa: AspAT/ALAT > 1
- spadek
uszkodzenie hepatocytów
- wzrost po uprzednim spadku
zaawansowane uszkodzenie hepatocytów
- bezwzględne wartości tego wskaźnika słabo korelują ze stopniem uszkodzenia
- AspAT/ALAT > 2
alkoholowe uszkodzenie wątroby (niedobór fosforanu pirodyksalu)
- < 1
miąższowe zapalenie wątroby
- martwica i wirusowe zapalenie wątroby > 1
- prawidłowo 1,5 - 2
FOSFATAZA ALKALICZNA
Optimum pH 7-8
Kofaktor - Zn
* aktywowany przez Mn, Mg, Co
* hamowany przez Be
Udział w osteogenezie (osteoblasty)
Transport fosforanów z jelita
Regulacja stężenia NAD i NADP
Struktura heterogenna (izoenzymy)
Izoenzym wątrobowy
- termostabilny w temperaturze 560 C przez 15 minut
- sekrecja w hepatocytach, nabłonku kanalików żółciowych (enzym wydalniczy)
- marker cholestazy
- barrdziej
Izoenzym kostny
Izoenzym jelitowy
Izoenzym łożyskowy
Izoenzym nerkowy
Izoenzymy nowotworowe (izoenzym Regana, Nagaro)
Norma - 90 IU/l = 140 nkat/l
KLASYFIKACJA i NOMENKLATURA ENZYMÓW wg. MIĘDZYNARODOWEJ UNII BIOCHEMICZNEJ
Klasy enzymów wg klasyfikacji międzynarodowej:
Klasa 1: oksydoreduktazy
- przenoszą ładunki (elektrony i jony H3O+ - protony) z cząsteczki substratu na cząsteczkę akceptora:
AH2 + B → A + BH2;
np. dehydrogenazy, oksydazy
Klasa 2: transferazy
- przenoszą daną grupę funkcyjną (tiolową, aminową, itp.) z cząsteczki jednej substancji na cząsteczkę innej substancji:
AB + C → A + BC;
np. aminotransferazy, acetylkotransferazy, kinazy
Klasa 3: hydrolazy
- powodują rozpad substratu pod wpływem wody (hydroliza); do grupy tej należy wiele enzymów trawiennych:
AB + H2O → A + B;
np. proteazy, celulazy, inwertazy
Klasa 4: liazy
- powodują rozpad substratu bez hydrolizy:
AB → A + B;
np. dekarboksylany aminokwasów
Klasa 5: izomerazy
- zmieniają wzajemne położenie grup chemicznych bez rozkładu szkieletu związku:
AB → BA;
np. fofsogliceromutazy
Klasa 6: ligazy
- powodują syntezę różnych cząsteczek; powstają wiązania chemiczne:
A + B → AB;
np. reakcja syntezy- synteza CoA
Nazwa systematyczna składa się z dwóch części:
pierwsza typ katalizowanej reakcji + Aza
druga wskazuje na substraty biorące udział w katalizowanej reakcji
- w przypadku oksyreduktaz i transferaz uwzględnia się regułę donor-akceptor
- przy transferazach jako przedrostek grupa przenoszona
- ligazy - nazwy cząsteczek ulegają syntezie oraz produkt powstały z rozpadu nukleotydu wysokoenergetycznego (w nawiasie)
- nazwy substratów ulegających dysocjacji elektrolitycznej w dopełniaczu z końcówką -an; gdy dwa substraty - w mianowniku l.poj. i oddziela się dwukropkiem
Np. oligonukleotydylohydrolaza dezoksyrybo-nukleinianu ale N-metylotransferaza S-adenozyna:guanidynooctan, oksydoreduktaza UDPglukoza:NAD
- gdy reakcja obejmuje 2 różne przekształcenia np. deaminację oksydacyjną albo dekarboksylację i równocześnie dehydratację lub przenoszenie nukleotydów połączone z cyklizacją, to drugie przekształcenie jest w nawiasie.
Np. oksyreduktaza L-aminokwas:NAD(deaminująca)
karboksy-liaza ATP: 5-pirofosfomewalonian (dehydrująca)
nukleotydo-2-transferaza rybonukleinianu (cyklinizująca)
- podstawniki w substratach - kolejne liczby arabskie począwszy od atomu węgla przy grupie funkcyjnej
Np. aminotransferaza L-alanina: 2-oksoglutaran
- litery alfabetu greckiego zarezerwowane są dla określania konfiguracji oraz wyjątkowo dla β-alaniny lub δ-laktonu
W klasyfikacji systematycznej oznacza się enzymy wg. kodu cyfrowego:
I-sza cyfra - przynależność do jednej z 6 grup:
1. oksyreduktazy
2. transferazy
3. hydrolazy
4. liazy
5. izomerazy
6. ligazy czyli syntetazy
II-ga liczba - określa podklasę w danej grupie systematycznej
III-cia - określa przynależność danego enzymu do podpodklasy
IV-ta - konkretnie dany enzym w ramach podpodklasy
CHARAKTERYSTYKA KLASY OKSYDOREDUKTAZ - katalizowane reakcje, koenzymy, przydatność diagnostyczna, przykłady enzymów
* oksyreduktazy - reakcje redox
oddziaływanie na wiązanie = CH-OH
= CH-O
= CH=CH-
= CH-NH2
reakcje oksydo-redukcji - przenoszenie elektronów i protonów (atomów wodoru) lub bezpośrednie włączenie tlenu do substratu
potocznie: dehydrogenaza
reduktaza
transhydrogenaza
oksydaza
peroksydaza
Dehydrogenaza - donor (dawca) atomów wodoru
Reduktaza - akceptor (biorca) wodoru
Bezpośrednimi biorcami wodoru - koenzymy nikotynamidowe NAD
Ostatecznym akceptorem wodoru (poprzez układ ox-red) - tlen
Donorami wodoru - zredukowane koenzymy nikotynamidowe (z reguły NADP)
enzym nie ulega zmianie, a koenzym jest dawcą lub biorcą.
Przenoszą wodór z jednego substratu na drugi.
Transdehydrogenazy - jony wodorowe przenoszone z jednego układu nikotynamidowego na drugi np.
NADP NAD
Oksydazy - akceptorem wodoru ze zredukowanego substratu jest bezpośrednio tlen
½ H2 ½ O2
A H2O
Produktem jest woda lub H2O2
Peroksydazy - akceptorem wodoru jest nadtlenek wodoru
H2O2 + AH2 2H2O + A
Oksygenazy - katalizują włączanie tlenu cząsteczkowego do jednego substratu
A + O2 AO2
Hydroksylazy - w obecności tlenu cząsteczkowego równoczesne utlenianie dwóch odrębnych substratów - jeden atom tlenu włączany jest do substratu, a drugi z atomami wodoru drugiego substratu tworzy wodę
O2 + A AO + 1/2O2
H-B + ½ O2 B + H2O
OKSYDOREDUKTAZY
Działające na grupę CH-OH donora
Oksydoreduktaza alkohol : NAD
dehydrogenaza alkoholowa
- przekształca alkohol w aldehyd
Koenzym: NAD+ NADH + H+
R-CH2OH R-C-O
1.1.1.8. Oksydoreduktaza L-glicero-3-fosforan : NAD
dehydrogenaza glicero-3-fosforanowa
Koenzym NAD+ NADH + H+
L-glicero-3-fosforan fosfodihydroksyaceton
Oksydoreduktaza L-mleczan : NAD
dehydrogenaza mleczanowa (LDH)
Koenzym : NAD+ NADH + H+
Kwas mlekowy kwas pirogronowy
Oksydoreduktaza L- jabłczan : NAD
dehydrogenaza jabłczanowa
Koenzym: NAD+ NADH + H+
Kwas L-jabłkowy kwas szczawiooctowy
Oksyreduktaza L- jabłczan : NAD (dekarboksylująca)
dehydrogenaza jabłczanowa (dekarboksylująca)
Koenzym: NAD+ NADH + H+
Kwas jabłkowy kwas pirogronowy + CO2
Działające na grupę aldehydową lub ketonową donora
z NAD lub NADP jako akceptorem
Oksydoreduktaza aldehyd 3-fosfoglicerynowy : NAD (fosforylująca)
dehydrogenaza aldehydu fosfoglicerynowego
dehydrogenaza triozofosforanowa
NAD+ NADH + H+
Aldehyd 3-fosfoglicerynowy kwas 1,3-difosfoglicerynowy + H3PO4
1.2.3 z tlenem jako akceptorem
Oksydoreduktaza ksantyna : tlen
Oksydaza ksantynowa - białko flawinowe zawierające molibden
- utlenia też hipoksantynę
H2O, O2
Ksantyna kwas moczowy
z liponianem jako akceptorem
Oksydoreduktaza bursztynian : liponian (acetylująca akceptor)
Dehydrogenaza pirogronianowa
wit. B1, wit. PP, - CO2
kwas pirogronowy + kwas liponowy kwas 6-S-acetyloliponowy
1.3. Działające na grupę CH-CH donora
z tlenem jako akceptorem
z innymi akceptorami
1.3.99.1 Oksyreduktaza bursztynian : (akceptor)
Dehydrogenaza bursztynianowa - białko flawinowe
Akceptor zredukowany akceptor
Kwas bursztynowy kwas fumarowy
1.4 Działające na grupę CH-NH2 donora
1.4.1 z NAD lub NADP jako akceptorem
Oksydoreduktaza L-glutamina : NAD(P) (deaminująca)
Dehydrogenaza glutaminowa
NAD(P) NAD(P)H
Kwas glutaminowy kwas 2-oksyglutarowy
1.4.3 z tlenem jako akceptorem
1.4.3.4 Oksyreduktaza monoamina : tlen (deaminująca)
Oksydaza monoaminowa MAO
- białko zawierające miedź Cu
+ H2O + O2
Amina I-rzędowa aldehyd
1.5 Działające na grupę C-NH donora
1.5.1 z NAD lub NADP jako akceptorem
1.6 Działające na zredukowany NAD lub zredukowany NADP jako donor
1.6.1 z NAD lub NADP jako akceptorem
1.6.1.1 Oksydoreduktaza zredukowany NADP : NAD
Transdehydrogenaza NAD(P)
NAD NADH
NADPH NADP
Działające na inne związki azotowe jako donory
Działające na grupy siarkowe donorów
z chinonem lub związkiem pokrewnym jako akceptorem
1.8.5.1. Oksydoreduktaza glutation :dehedroaskorbinian
Dehydrogenaza glutationowa
Kwas dehydro-askorbinowy kwas askorbinowy
2 glutation glutation
Forma zredukowana formy utlenionej
Działające na grupy hemowe jako donory
z tlenem jako akceptorem
1.9.3.1 Oksydoreduktaza ferrocytochrom c : tlen
Oksydaza cytochromowi
4 ferrocytochrom c + O2 4 ferricytochrom c + 2 H2O
1.11 Działające na nadtlenek wodoru jako akceptor
1.11.1.6 Oksydoreduktaza nadtlenek wodoru : nadtlenek wodoru
Katalaza
- białko hemowe
Oksydoreduktaza donor : nadtlenek wodoru
Peroksydaza
- białko hemowe
Donor + H2O2 utleniony donor + 2H2O
1.13 Działające na jeden donor z włączeniem tlenu (oksygenazy)
1.13.1.12 Oksydoreduktaza tryptofan : tlen
Oksygenaza tryptofanowa
- białko żelazowe
CHARAKTERYSTYKA KLASY TRANSFERAZ - katalizowane reakcje, koenzymy, przydatność diagnostyczna, przykłady enzymów
* transferazy - przeniesienie:
grupy Cl
grupy aldehydowej lub ketonowej
grup arylowych
grup glikosylowych
przenoszenie rodnika lub grupy z jednego związku na drugi lub wymiana rodnika lub grupy z atomem wodoru albo innego związku
W zależności od rodzaju przenoszonych grup dzielimy je na:
metylotransferazy = transmetylazy
hydroksymetylotransferazy = transhydroksymetylazy
formylotransferazy = transformylazy
karbamoilotransferazy = transkarbamoilazy
formininotransferazy
karboksylotransferazy = transkarboksylazy
amidynotransferazy = transaminazy
transketolazy
transaldolazy
acylotransferazy np. acetylotransferazy
aminoacylotransferazy
glikozylotransferazy np. glukozylotransferazy, galaktozylotransferazy
transferazy przenoszące grupy alkilowe np. dwumetyloallilotransferazy
aminotransferazy = transaminazy
kinazy = fosfotransferazy
nukleotydylotransferazy
sulftransferazy
Koenzymy transferaz:
- koenzym A
- tetrahydrofolian
- fosforan pirydoksalu
- biotyna
- nukleozydotrójfosforan
- dwufosfotiamina
- pirofosforan tiaminy
2. Transferazy
2.1 przenoszące grupy jednowęglowe
2.1.1 metylotransferazy
hydroksymetylotransferazy, formylotransferazy oraz transferazy podobnych grup
karboksylotransferazy i karbomolilotransferazy
karbamolilotransferaza karbamolilofosforan : L-asparaginian
karbamoilotransferaza asparaginowa
karbamoilofosforan + kwas asparaginowy
kwas karbamoiloasparaginowy
amidynotransferazy (transamidynazy)
przenoszące ugrupowania aldehydowe lub ketonowe
glikoaldehydotransferaza sedoheptulozo-7-fosforan : aldehyd-D-3-
fosfoglicerynowy
transketolaza = transferaza glikoaldehydowa
- wymaga pirofosforanu tiaminy
Sedoheptulozo-7-P + aldehyd 3-P-glicerynowy
rybozo -5-P + ksylulozo -5-P
acylotransferazy
glikozylotransferazy
2.4.1.1 glukozylotransferaza α - 1,4-glukan : ortofosforan
Fosforylaza glikogenowa
1-galaktozylotransferaza UDP galaktoza : D glukoza
Galaktozylotransferaza UDP galaktoza-glukoza
UDP-galaktoza + glukoza
laktoza + UDP
przenoszące grupy alkilowe lub pokrewne
przenoszące grupy zawierające azot
2.6.1 aminotrasferazy - transaminazy
2.6.1.1. Aminotransferaza L-asparaginian : 2-oksoglutaran
Aminotransferaza asparaginowa AspAT
- zawiera fosforan pirydoksalu
Kwas asparaginowy + kwas 2-oksyglutarowy
kwas szczawiooctowy +
kwas glutaminowy
2.7. przenoszące grupy zawierające fosfor
fosfotransferazy z grupą alkoholową jako akceptorem
6-fosfotransferaza ATP : D-glukoza
Glukokinaza
Glukoza + ATP
glukozo-6-P + ADP
Fosfotransferaza ATP : białko
Kinaza białkowa
ATP + białko
ADP + białko ufosforylowane
Fosfotransferaza ATP : pirogronian
Kinaza pirogronianowa
- jako donory mogą także działać: UTP, GTP, CTP, ITP. I dezoksyATP
Kwas pirogronowy + ATP
ADP + kwas fosfoenolopirogronowy
fosfotransferazy z grupą karboksylową jako akceptorem
fosfotransferazy z grupą zawierającą azot jako akceptor
Fosfotransferaza ATP : kreatyna
Kinaza kreatynowa CPK
ATP + kreatyna
ADP + fosfokreatyna
fosfotransferazy z grupą fosforanową jako akceptorem
pirofosfotransferazy
Pirofosfotransferaza ATP : tiamina
Pirofosfokinaza tiaminowa
Tiamina + ATP
AMP + pirofosforan tiaminy (DPT)
nukleotydulotransferazy
transferazy innych podstawionych grup fosforowych
Przenoszące grupy zawierające siarkę
sulfotransferazy
2.8.3 CoA-transferazy
CHARAKTERYSTYKA KLASY HYDROLAZ - katalizowane reakcje, koenzymy, przydatność diagnostyczna, podział proteaz, naturalne inhibitory, enzymy hydrolityczne przewodu pokarmowego, przykłady enzymów
* hydroksylazy - reakcje hydrolizy
* rozbijają związki złożone na proste na drodze hydrolizy
* brak koenzymów!!!!!!!!!
3. Hydrolazy
3.1 Działające na wiązania estrowe
Hydrolaza estrów glicerolowych
Lipaza
triacyloglicerol + H2O
2,3-diacyloglicerol + R-COOH
Fosfohydrolaza monoestrów fosforanowych
Fosfataza alkaliczna
- odłącza grupę P
Fosfohydrolaza monoestrów fosforanowych
Fosfataza kwaśna
- ma małą specyficzność
R-CH2-O-P + H2O
R-CH2-OH + H3PO4
Fosfohydrolaza D-glukozo-6-fosforanu
Glukozo-6-fosfataza
Glukozo-6-P + H2O
D-glukoza + H3PO4
Cholinofosfohydrolaza fosfatydylocholiny
Fosfolipaza C
Fosfatydylocholina + H2O
2,2-diacyloglicerol + cholinofosforan
Działające na związki glikozydowi
3.2.1.1 4-glukanohydrolaza α -1,4-glukanu
α - amylaza
Działające na wiązania eterowe
Działające na wiązania peptydowe
Hydrolazy peptydylopeptydów
Pepsyna
- wiązania peptydowe między resztami aminokwasów
aromatycznych lub dwukarboksylowych z innymi aminokwasami
Trypsyna
- peptydy, amidy, estry w miejscu wiązań grup karboksylowych
aminokwasów aromatycznych
Trombina
- peptydy, amidy, estry L-argininy
- przekształca fibrynogen w fibrynę
Renina
- przekształca angiotensynogen w angiotensynę
Działające na wiązania C-N różne od peptydowych
Aminohydrolaza L-glutaminy
Glutaminaza
Glutamina + H2O
kwas glutaminowy + NH3
Aminohydrolaza mocznika
Ureaza
Mocznik + H2O
CO2 + 2 NH3
Aminohydrolaza L-argininy
Arginaza
Arginina + H2O
ornityna + mocznik
Działające na wiązania bezwodników kwasowych
Działające na wiązania C-C
Działające na wiązania halogenków
Działające na wiązania P-N
CHARAKTERYSTYKA KLASY LIAZ - katalizowane reakcje, koenzymy, przydatność diagnostyczna, przykłady enzymów
liazy - addycja do podwójnego wiązania
Enzymy katalizujące reakcję eliminacji podwójnego wiązania. Rozbijają one niehydrolityczne wiązania C-C, C-O, C-N, C-S, usuwając substrat lub dołączając pewne grupy.
Reakcje mogą także przebiegać w kierunku odwrotnym (przyłączenia reagentów do podwójnego wiązania) i wtedy liazy działają jako syntazy
Koenzymy: wit B12, fosforan pirydoksalu, dwufosfotiamina, nukleozydotrójfosforan (NTP)
4. Liazy
4.1 Liazy wiązania C-C
Liazy wiązania C-O
hydro-liaza L-jabłczanu
hydrataza fumarowa
kwas jabłkowy
kwas fumarowy + H2O
Hydro-liaza L-seryny (deaminująca)
Dehydrataza serynowa
- białko zawierające fosforan pirydoksalu
seryna - H2O
kwas aminoakrylowy
kwas iminopropionowy + H2O
kwas pirogronowy + NH3
Liazy wiązania C-N
4.4 Liazy wiazania C-S
4.4.1.1 Siarkowodoro-liaza L-cysteiny (deaminująca)
Desulfhydrataza cysteinowa
Cysteina - H2S + H2)
kwas pirogronowy + NH3
CHARAKTERYSTYKA KLASY IZOMERAZ - katalizowane reakcje, koenzymy, przydatność diagnostyczna, przykłady enzymów
* izomerazy - przegrupowanie wewnątrzcząsteczkowe
5. Izomerazy
5.1 Racemazy i epimerazy
4-epimeraza UDPglukozy
Epimeraza UDP glukozowa
UDPglukoza
UDPgalaktoza
Izomerazy cis-trans
Oksydoreduktazy wewnątrzcząsteczkowe ( redukcja jednej grupy, a utlenienie innej)
5.3.1.1 Ketolo-izomeraza D-gliceroaldehydo-3-fosforanu
Izomeraza triozofosforanowa
Aldehyd 3-fosfo-glicerynowy
fosfodihydroksyaceton
Ketoizomeraza D-glukozo-6-fosforanu
Izomeraza glukozofosforanowa
Glukozo-6-P
fruktozo-6-P
Transferazy wewnątrzcząsteczkowe
5.4.2.1 2,3-fosfomutaza D-fosfoglicerynianu
Fosfomutaza fosfoglicerynowa
kwas 3-P-glicerynowy
kwas 2-P-glicerynowy
CHARAKTERYSTYKA KLASY LIGAZ - katalizowane reakcje, koenzymy, przydatność diagnostyczna, przykłady enzymów
katalizują syntezę wiązań związaną z rozbiciem wiązania pirofosforanowego w ATP lub innych nukleotydach wysokoenergetycznych ( aby uzyskać energię)
6. Ligazy (Syntetazy)
6.1 Wytwarzające wiązanie C-O
6.1.1.9 - 12 Ligazy L-aminokwas : tRNA (AMP)
Syntetazy aminoacylo-tRNA
aminokwas + tRNA + ATP
aminoacylo-tRNA + AMP + PP
Wytwarzające wiązanie C-S
6.2.1.2 Ligaza kwas : CoA (AMP)
Syntetaza acylo-CoA
R-COOH + HS-CoA + ATP
acylo-CoA + AMP + PP
Wytwarzające wiązanie C-N
6.3.1.2 Ligaza L-glutaminian : amoniak (ADP)
Syntetaza glutaminowa
kwas glutaminowy + NH3 + ATP
glutamina + ADP + P
Wytwarzające wiązanie C-C
6.4.1.1 Ligaza pirogronian : dwutlenek węgla (ADP)
Karboksylaza pirogronianowa
kwas pirogronowy + CO2 + H2O + ATP
kwas szczawiooctowy + ADP + P
6.4.1.2 Ligaza acetylo-CoA : dwutlenek węgla (ADP)
Karboksylaza acetylo-CoA
acetylo-CoA + CO2 + H2O + ATP
malonylo-CoA + ADP + P
Wyjaśnić różnice w pojęciach - syntaza a syntetaza, hydrolaza a hydroksylaza
METODY INSTRUMENTALNE OZNACZANIA AKTYWNOŚCI ENZYMÓW - wady, zalety, zastosowanie
*
SPOSOBY OCENY ILOŚCI ENZYMÓW - metody dwupunktowe i kinetyczne
Badając aktywność enzymów oznaczamy ilość zużytego substratu lub wytworzonego produktu, w ściśle określonych standardowych warunkach, w czasie inkubacji.
Czas zero - to zmieszanie substratu z enzymem
METODY DWUPUNKTOWE (czyli metody punktu końcowego)
Po zmieszaniu substratu z enzymem po określonym czasie (zależnym od metody) przerywa się reakcję i oznacza się stężenie substratu lub produktu.
W metodach dwupunktowych tak ustala się warunki reakcji, aby zapewnić stałą szybkość reakcji podczas całego czasu trwania inkubacji.
W czasie trwania reakcji zachodzą zmiany - zmniejsza się stężenie substratu a zwiększa stężenie produktu.
Tylko tzw. szybkość początkowa reakcji (szybkość liniowa) jest proporcjonalna do ilości enzymu.
Ilość przereagowanego substratu zależy od ilości enzymu.
Ale należy bezwzględnie przestrzegać warunków danej metody!!!
METODY KINETYCZNE
Oparte są na stałym pomiarze (co 15,30 lub 60 sekund) ubytku substratu lub przyroście produktu.
Najczęściej wykorzystywane są właściwości optyczne dwunukleotydów nikotynamidoadeninowych (NAD i NADP).
W postaci utlenionej związki te mają pasmo absorpcji przy długości fali 260 nm (obecność adeniny), a w postaci zredukowanej powstaje dodatkowe maksimum absorpcji przy długości fali 340 nm.
Przy długości fali 340 nm można mierzyć przyrost formy zredukowanej (absorbancja rośnie) lub powstawanie formy utlenionej (absorbancja maleje)
Innym przykładem jest oznaczanie aktywności γ - glutamylotranspeptydazy (GGTP), gdzie substratem jest γ - glutamylo-4-nitroanilid. Z substratu powstaje 4-nitroanilina o żółtym zabarwieniu, którą możemy mierzyć.
Ilość uwolnionej 4-nitroaniliny jest ~ do ilości enzymu.
SPOSOBY WYRAŻANIA AKTYWNOŚCI ENZYMÓW
*
JEDNOSTKI AKTYWNOŚCI ENZYMATYCZNEJ - definicje i ich przeliczanie: katal, jednostka międzynarodowa
Miarą aktywności enzymu jest szybkość reakcji enzymatycznej, wyrażona jako ubytek substratu lub przyrost produktu w jednostce czasu.
U lub IU - międzynarodowa jednostka standardowa enzymu (unit) - jest to ilość enzymu, która katalizuje przemianę 1 mikromola substratu (lub 1 μmola odpowiednich grup chemicznych) w ciągu 1 minuty, w temperaturze 300 C, w optymalnych warunkach reakcji przy stężeniu substratu gwarantującym pełne wysycenie enzymu
* Mianem jednostki standardowej enzymu jest μmol/min.
* Gdy substratem jest związek (białko, wielocukier), w którym więcej niż jedno wiązanie podlega reakcji - określenie „1 mol substratu” zastępuje się wyrażeniem „1 mol odpowiednich grup chemicznych”. Wówczas za miarę szybkości reakcji przyjmuje się liczbę rozłożonych wiązań, a nie liczbę całkowicie rozłożonych cząsteczek
Katal - jednostka aktywności enzymatycznej - jest to aktywność, która przekształca 1 mol substratów w czasie 1 sekundy w optymalnych warunkach reakcji przy stężeniu substratu gwarantującym pełne wysycenie enzymu Mianem katala jest mol/s
μkat = 10-6 kat
nkat (nanokat) = 10-9 kat
pkat (pikokat) = 10-12 kat
1 kat = 1mol/s = 60 mol/min = 60
IU
1 IU =
W metodzie Bodańsky'ego oznaczania aktywności fosfataz jednostką aktywności fosfataz jest tzw. J. Bodańsky'ego - jest to ilość uwolnionego fosforu z β - glicerofosforanu sodu, przez fosfatazę znajdującą się w 100 ml surowicy w ciągu 1 godziny inkubacji w temp. 370 C w pH 8,6 dla fosfatazy zasadowej i pH 5,0 dla fosfatazy kwaśnej.
J Bodańsky'ego =
W metodzie Kinga-Amstronga oznaczania aktywności fosfataz jednostką aktywności fosfataz jest tzw. J. K-A - jest to ilość mg fenolu uwolnionego z fenylofosforanu dwusodowego przez fosfatazę znajdującą się w 100 ml surowicy w temperaturze 370 C w ciągu 15 min inkubacji w pH 8,6 dla fosfatazy zasadowej oraz w ciągu 60 min inkubacji w pH 4,9 dla fosfatazy kwaśniej
Fosfataza zasadowa : J.K-A =
Fosfataza kwaśna: J.K-A =
Definicja jednostki umownej np. dla oznaczania aktywności amylazy metodą Caraway'a
Jednostka aktywności amylaza w metodzie Caraway'a - to taka aktywność enzymu, która hydrolizuje 10 mg skrobi w ciągu 30 min do stopnia, w którym zanika reakcja z jodem.
Aktywność wyraża się w jednostkach w odniesieniu do 100 ml materiału badanego.
Aktywność amylazy w danym materiale wynosi 1j/100 ml, jeżeli enzym zawarty w 100 ml zhydrolizuje 10 mg skrobi w ciągu 30 min.
Przyjęto zasadę (w celu ujednolicenia warunków reakcji), że absorbancja próby badanej nie może być mniejsza niż 50% absorbancji próby kontrolnej ( mierzymy ubytek substratu).
STĘŻENIE AKTYWNOŚCI, AKTYWNOŚĆ WŁAŚCIWA, AKTYWNOŚĆ MOLEKULARNA (molarna) - definicje pojęć
Stężenie aktywności enzymatycznej - jest to oznaczona aktywność enzymu w płynach biologicznych przeliczona na 1000 cm3 roztworu
Aktywność właściwa - jest to liczba jednostek standartowych przypadająca na 1 miligram białka (IU/mg) lub jest to liczba mikrokatali przypadajaca na 1 kg białka (μkat/kg) Określa stopień czystości preparatów enzymatycznych.
Aktywność molekularna - jest to liczba cząsteczek substratu przekształconych w produkty, w czasie 1 minuty przez 1 cząsteczkę enzymu, w optymalnych warunkach. Określa reaktywność enzymu
Aktywność molarna (odpowiednik aktywności molekularnej) - katal na mol enzymu (kat/mol)
Aktywność centrum katalitycznego kcat - używana jest w przypadku enzymów zawierających kilka centrów katalitycznych - odpowiada ona aktywności molekularnej podzielonej przez liczbę centrów aktywnych w enzymie.
METODY IZOLOWANIA i OCZYSZCZANIA ENZYMÓW z MATERIAŁU BIOLOGICZNEGO
*
ZASTOSOWANIE ENZYMÓW w BIOTECHNOLOGII
*
ENZYMY JAKO LEKI
*
UKŁAD KRZEPNIĘCIA KRWI i FIBRYNOLIZY
*
UKŁAD DOPEŁNIACZA
*
34