W - 2 25-02-2009

Modele swoistego wiązania substratu

Pierwszy etap katalizy to utworzenie kompleksu ES, jednak cechą enzymów jest wybiórczość w stosunku do substratów.

1. model klucza i zamka, inaczej tzw. „sztywnej struktury” (Fisher, 1890)

Jeżeli wystąpi symetria w budowie cząsteczki substratu to hipoteza Fishera nie wyklucza przypadkowości w dopasowaniu się substratu przodem lub tyłem.

2. model wymuszonego/wzbudzonego dopasowania (koshland, 1958

Model poparty badaniami z zastosowaniem metodą krystalografii rentgenowskiej. Komplementarny względem substratu kształt miejsca aktywnego pojawia się dopiero po związaniu substratu. (zmiana konformacyjna heksokinazy indukowana związaniem substratu)

3. Model trójpunktowego przyłączania substratu (hipoteza Ogstona, 1948)

• Substrat przyłącza się do powierzchni enzymu w co najmniej 3 punktach

• Reakcja zachodzi tylko w jednym z trzech punktów przyłączenia

• Enzym może odróżnić jeden z dwóch identycznych podstawników w symetrycznie zbudowanej cząsteczce wytwarzając tylko jeden rodzaj enencjomeru

Gdy cząsteczka substratu o podstawnikach ABC łaczy się z 3 komplementarnymi grupami na asymetrycznej powierzchni enzymu to 2 atomy. A nie są już równoważne i substrat ma tylko jeden możliwy sposób przyłączenia.

Specyficzność katalizy enzymatycznej

1. Specyficzność w stosunku do substratu (specyficzność substratowa)

• Zdolność do wiązania tylko określonych substratów i katalizowania reakcji z ich udziałem

• Jest uwarunkowana głównie budową centrum aktywnego (konfiguracją przestrzenną grup wiążących substrat) i jego zdolnością do konformacyjnego dopasowania do substratu

1. specyficzność absolutna - np. ureaza oksydaza glukozowa

2. specyficzność grupowa - atakowana jest 1 grupa funkcyjna w grupie: pokrewnych związków np. heksokinaza (aldoheksozy - glukozę, mannozę), oksydaza aminokwasowi, dehydrogenaza alkoholowa (różne alkohole - metanol, etanol, butanol), lipaza (estry glicerolu i In. Alkoholi)

3. stereospecyficzność (s. stereochemiczna) względem tylko jednego … izomerów optycznych, względem:

- szeregu konfiguracyjnego L i D np. oksydaza glukozowa (6-D-glukoza)

- izomerów geometrycznych cis i trans np. hydroliza jabłczanowa (fumaran-cis nie malenia-trans)

- wiązań α- i β- glikozydowych np. α - glikozydaza (maltoza, nie celuloza)

d) specyficzność względem położenia rozkładanego wiązania: egzo- i endoprotezy, egzo- i Endo- amylazy

e) specyficzność względem długości łańcucha węglowego w substracie

Niektóre enzymy wykazujące specyficzność w stosunku do określonego typu reakcji mają mniejsze wymagania co do typu substratu.

Lipazy - hydrolizują wiązanie estrowe w dowolnych tłuszczach, ale też mogą rozkładać estry innych alkoholi niż glicerol

Proteazy - katalizują specyficznie rozpad określonego rodzaju wiązań peptydowych w dowolnym białku

Warunki zajścia reakcji chemicznej

Teoria zderzeń

Cząsteczki mogą reagować ze sobą tylko jeśli wejdą w kontakt jedna z drugą, czyli dojdzie do ich zderzenia

Nie wszystkie zderzające się cząsteczki reagują.

Czynniki które zwiększą szybkość i siłę zderzeń np. zwiększenie stężenia reagentów lub temperatury (wzrost energii kinetycznej) zwiększają szybkość reakcji.

Niskie stężenia - kilka zderzeń

Wysokie stężenia - dużo zderzeń

Teoria stanu przejściowego

Każda reakcja chemiczna przebiega przez etap utworzenia niestabilnej formy pośredniej tzw. Stanu przejściowego o podwyższonym poziomie energii swobodnej w stosunku do substratów i produktów. Czas trwania 10^-13s

Najmniejsza ilość energii swobodnej wyrażona w kJ/mol jaka jest potrzebna do osiągnięcia przez cząsteczki substratu stanu przejściowego to energia swobodna aktywacji Gibbsa (∆G±)

Enzymy obniżają energię aktywacji

Zmiany energetyczne zachodzące podczas przebiegu reakcji biochemicznej niekatalizowanej i katalizowanej enzymatycznie

Strategie kataliczne enzymów

Enzymy działają według jednej lub kilku następujących strategii

1. Kataliza kowalencyjna - przyspieszenie reakcji następuje poprzez przejściowe utworzenie wiązania kowalencyjnego międy substratem a katalizatorem

Zwykle w miescu aktywnym enzymu znajduje się silny nukleofil bogaty w e^- (gr. OH, NH₂, SH, COOH), który atakuje elektrofilowy fragment substratu (np. atom C) tworząc wiązanie kowalencyjne, następnie kowalencyjny produkt pośredni jest atakowany przez drobnocząsteczkowy nukleofil np. H₂O dając produkt reakcj np. chymotrypsyna papaina - hydroliza wiązania peptydowego

2. Ogólna kataliza kwasowo-zasadowa

Grupy funkcyjne w centrum aktywnym enzymu mogą służyć jak kwas (NH₂⁺, COOH) lub zasada (NH₂, COO^-), poprzez oddanie protonu lub jego przyjęcie umożliwiają rozerwanie wiązań w substracie i stabilizację stanu przejściowego

Ogólna kwasowa kataliza - proces w którym częściowe przeniesienie protonu z kwasu Bronsteda (E) obniża energię swobodną stanu przejściowego (energia aktywacji)

Ogólna zasadowa kataliza - przyłączenie protonu przez zasadę Bronsteda (E) obniża energię swobodną

Niektóre reakcje mogą podlegać obu procesom równocześnie

3. Kataliza z udziałem jonów metali

Blisko 1/3 reakcji enzymatycznych wymaga obecności jonów metali

2 klasy wymagających jonów metali:

a) metaloenzymy - zawierają silnie związany jon metalu Fe2+, Fe3+, Cu2+, Zn2+, Mn2+, Co3+

b) E aktywowane metalem luźno wiążą jon metalu z roztworu zwykle Na+, K+, Mg2+, Ca2+

4. (brak slajdów)

5. Kataliza przez zbliżenie i ukierunkowanie

- Zwiększenie prawdopodobieństwa zderzeń cząsteczek reagujących ze sobą poprzez zagęszczenie ich na powierzchni katalizatora

- zbliżenie i ukierunkowanie przestrzenne reagujących ze sobą grup funkcyjnych E i S tak, ze odpowiednie orbitale będą zachodzić na siebie co zwiększy prawdopodobieństwo utworzenia stanu przejściowego - tzw. Sterowanie orbitalami

6. Kataliza przez uprzywilejowane wiązanie stanu przejściowego

Enzymy powodują zmiany konformacyjne w substracie. Naprężają (rozciągają) substraty w kierunku geometrii stanu przejściowego przy pomocy miejsc wiążących do których S nie pasuje (tzw. Koło tortur)

Enzymy wiążą stan przejściowy silniej niż substraty i produkty. Im silniej E wiąże stan przejściowy w stosunku do S tym reakcja zachodzi szybciej.

Dobry substrat powinien zatem wykazywać wysokie powinowactwo do enzymu po aktywacji do stanu przejściowego, mniej ważne dla wydajności katalitycznej jakie jest jego powinowactwo do enzymu przed przekształceniem go w stan przejściowy.

Nomenklatura i systematyka enzymów

1961 -pierwsze podstawowe zasady nomenklatury i klasyfikacji enzymów przez Komisję Enzymatyczną powołaną przez Międzynarodową Unię Biochemiczną i Biologii Molekularnej (IUBMB) powołaną w 1955r

1992 - Nomenklatura enzymów wydana przez Komitet Enzymowy (NC) IUBMB - pozycja książkowa

Podstawowe zasady klasyfikacji i nazewnictwa

1. Klasyfikacja enzymów opiera się na typie katalizowanej reakcji

2. Każdy enzym ma nazwę systematyczną i potoczną

Nazwa systematyczna jest dwuczłonowa

- część pierwsza o końcówce -aza mówi o typie katalizowanej reakcji

- część druga wskazuje na substrat(y)

W przypadku oksydoreduktaz i transferaz uwzględnia z reguły donor i akceptor, w przypadku ligaz także produkt rozpadu zw. Makrogenicznego

Dopuszczalne są nazwy potoczne, skrócone pod warunkiem że określają w sposób jednoznaczny działanie enzymu i jego substrat

W nazwach potocznych Ne można łączyć przyrostka -aza z nazwą substratu (wyj. Niektóre enzymy z klasy hydrolaz)

3. W klasyfikacji systematycznej enzymy oznacza się wg. Kodu liczbowego czterema arabskimi oddzielonymi kropkami poprzedzonymi literami EC.

1. OKSYDOREDUKTAZY

Enzymy katalizujące reakcje oksydoredukcyjne, polegające na przenoszeniu elektronów, protonów lub polegające na bezpośrednim włączaniu tlenu do substratu.

Klasa ta obejmuje następujące grupy enzymów

• Dehydrogenazy - odwodorowanie, utlenianie przenośniki e^- i H⁺ - NAD⁺, FAD

• Reduktazy - redukcja przenośniki e^- i H⁺ - NADP⁺, FAD, ferredoksyna, cytochromy

• Oksydazy

• Peroksydazy

• Oksygenazy (a) i hydroksylazy (b)

Oksydoreduktaza β-D-glukoza: tlen - nazwa systematyczna

Oksydaza glukozy - nazwa potoczna

EC1.1.3.4 - numer klasyfikacyjny

4-kolejność w podklasie

3-akceptor:tlen

1-utleniana grupa w donorze: CH-OH

1-klasa enzymu

Zastosowanie oksydoreduktaz:

• Do usuwania glukozy i tlenu z paczkowanej żywności

• Do stabilizacji piwa, win, soków

• Do ocukrzania masy jajowej przed suszeniem

• Do oznaczania ilościowej glukozy

2. TRANSFERAZY

Klasa ta obejmuje enzymy katalizujące przeniesienie grup chem. Pomiędzy poszczególnymi związkami i to zwykle pry udziale specyficznych koenzymów.

W zależności od rodzaju przenoszonych grup lub rodników wyróżniamy m.in.:

• Aminotransferazy: przenoszą grupą aminową-NH₂

• Fosfotransferazy (kinazy): przenoszą grupy fosforanowe z udziałem ATP

• Metylotransferazy: przenoszą grupę-CH₃

• Glikozylotransferazy: przenoszą grupy cukrowe

• Acylotransferazy: przenoszą grupy acylowe 2,4,6-węglowe

6-fosfotransferaza ATP: D-heksoza - nazwa systematyczna

Heksokinaza - nazwa potoczna

EC 2.7.1.1 - numer klasyfikacyjny

1-kolejność w podklasie

1-grupa akceptorowa: grupa alkoholowa

7-przenoszona grupa: grupa zawierająca fosfor

2-klasa enzymu

3. HYDROLAZY

Enzymy katalizujące reakcję hydrolizy, czyli rozkładu wiązań z udziałem cząsteczki wody

Jest to jedna klasa enzymów, która nie wymaga obecności koenzymów

W zależności od rodzaju atakowanych wiązań rozróżniamy hydrolazy m.in.:

• Rozkładające wiązania estrowe - esterazy

• Lipazy (hydrolazy estrów karboksylowych)

• Fosfatazy (hydrolazy monoestrów fosforanowych)

• Hydrolizujące wiązania glikozydowe - glikozydazy (np. amylazy, celulazy)

• Hydrolizujące wiązania peptydowe - peptydazy (np. trypsyna, pepsyna, chymotrypsyna)

• Rozkładające wiązanie C-N inne niż peptydowe np. w amidach - amidohydrolazy

Galaktohydrolaza β-D-galaktozydu - nazwa systematyczna

Β-D-galaktozydaza, laktaza - nazwa potoczna

EC 3.2.1.23

23-kolejność w podklasie

1-hydrolizowane wiązanie dokładniej O- lub S-glikozylowe

2-hydrolizowane wiązanie: wiązanie glikozydowi

3-klasa enzymu

---