Enzymy - budowa i mechenizmy działania
Niektóre enzymy to białka proste, większość jednak to białka złożone - ptoteidy. Enzymy będące białkami złożonymi składają się z:
- apenzymu - duża cząstka białkowa
- koenzymu - mniejszy składnik niebiałkowy (należący przeważnie do grupy witamin B)
Rolę grup prostetycznych (koenzymu) pełnią wysokocząsteczkowe połączenia organiczne o charakterze nukletydów, w ich skład wchodzą witaminy lub niektóre metale (Cu, Fe, Mo, Co)
W reakcji katalizowanej przez enzym powstaje połączenie substratu i enzymu. Powstaje kompleks aktywny, który ulega dalszym przemianom.
W tworzeniu tego kompleksu bierze udział określony fragment łańcucha peptydowego enzymu zw. centrum aktywnym. W centrum aktywnym występują aminokwasy zawierające w łańcuchu bocznym grupy funkcyjne (np. SH, OH) zdolne do wiązania się z substratem. Nie cała cząsteczka białka uczestniczy w katalizie w równym stopniu, a tylko jej określony fragment(centrum aktywne) cechuje się ona kolejnością występowania określonych aminokwasów i konfiguracją przestrzenną. Zniszczenie centrum aktywnego (inaktywacja enzymu) lub powstanie kopleksu nieaktywnego (inhibitor kompetencyjny) blokuje centrum.
E+S ES E+P
S- substrat
ES - kompleks
P - produkt
Podział enzymów oraz zadania każdej klasy. W zależności od rodzaju katalizowanych reakcji wszystkie enzymy zostały podzielone na 6 klas:
I oksydoreduktazy - należą tu enzymy katalizujące reakcje oksydoredukcyjne, czyli przemiany związano z przeniesieniem protonów, elektronów i tlenu. Koenzymu towarzyszące: NAD, NADP, FAD, ubichinon, k. liponowy, cytochromy. dehydrogenazy, oksydzy, reduktazy, oksygenazy, hydrokylazy,peroksydazy.
II Transferazy - enzymy te katalizują reakcje przenoszenia grup pomiędzy poszczególnymi związkami i zwykle z udziałem specyficznych koenzymów. Przenoszone grupy: amionowa, fosforowa, acylowa, flikozydowa. Przenoszenie odbywa się z udziałem ATP.
III hydrolazy - enzymy te katalizują reakcję hydrolizy, czyli rozkładu wiązań z udziałem cząsteczki wody. esterazy, dikozydazy, peptydazy, aminazy.
IV uazy - enzymy, które zawracalnie lub nieodwracalnie katalizują odłącznie grup od substratu, bez udziału wody. dekarboksulaz, aminokwasów lub ketokwasów, hydratuaz, dezamiuazy
V izoemerazy -enzymy katalizujące reakcje izomeryzacji jak: epimeryzacja, izomeryzacja cis-trans oraz wewnątrzcząsteczkowe przemiany eksydoredukcyjne i przniesienia grup.
VI ligazy - katalizują wytwarzanie wiązań, co jest powiązane z reakcj rozpadu bogatego w energię zw. macroergicznego np. ATP.
Koenzymy - budowa i podział oraz pełnione funcje. Koenzym - drobnocząsteczkowy i ciepłotrwały czynnik niezbędny do zachowania aktywności enzymu; ulega odłaczeniu od enzymu w wyniku dializy. Niebiałkowa część enzymu. Koenzym I jest pochodną kwasu adenylowego - AMP, w sym składzie zawiera amid kwasu nikotynowego - witaminę B2. Koenzymy dzieli się na kilka grup przyjmując za podstawę reakcje w których biorą udział: 1)koenzymy przenoszące protoy i elektrony (współpracujące z oksydoreduktorami):nukleotydy nikotynowe, witamina PP, nukleotydy flawinowe (wit. B2), heminy komórkowe, 2)koenzymy prznoszące grupy czyli współpracujące z transferazami; wyróżnia się spośród nich grupę koenzymów o charakterze trójfosforanów: adenozytrojfosforanu ATP, urydynotrojfosforanu UTP, cytodynotrojfosforanu CTP, koenzym A(CoA-SH), kas pantotenowy, koenzym F, kwas foliowy (wit. B2), biotyna (wit. H), kiamina (B1); 3) koenzymy liaz, izomeraz i ligaz: wit. B1. Charakterystyczną cechą budowy bardzo wielu koenzymów jest obecność w ich strukturze kwasu fosforowego, związanego w nukleotyd, tzn. dołączonego do węgla 5 rybozy.
Mechanizm działania koenzymów. Polega ona na tym, że wiążą się one stechiometrycznie z substratem za pośrednictwem określonej jego grupy oraz z białkiem enzymowym. Następnie w obrębie wszystkich trzech połączonych składników dokonuje się odpowiednie przegrupowanie elektronów, umożliwiające określoną przemianę substratu. Np. w reakcji przeniesienia protonów i elektronów z jednego związku na inny może uczestniczyć jeden lub dwa enzymy; w drugim przypadku mamy do czynienia z tzw. sprzężeniem koenzymatycznym. Przykładem takiego sprzężenia może być powiązanie z udziałem koenzymu I (NAD), dwóch następujących po sobie reakcji.
Krzywa Michaelisa-Menten. Przy stałym stężeniu enzymu szybkość reakcji enzymatycznej w pewnych granicach zależy od stężenia substratu. Przy bardzo niskim stężeniu substratu stosunku do stężenia enzymu, przyrost szybkości reakcji wraz ze zrostem stężenia substratu jest wprost proporcjonalny do niego (zależność liniowa) i odpowiada kinetyce pierwszego rzędu. Przy bardzo wysokim stężeniu substratu szybkość reakcji ma wartość maksymalną i niezależną od dalszego zwiększania jego stężenia. Przy niskim stężeniu substratu aktywne centra cząteczek enzymu nie są w pełni wysycone i enzym "pracuje" z niepełną szybkością. W miarę zwiększania się stężenia substratu wysycenie centrów aktywnych enzymu wzrasta stopniowo i wreszcie przy pełnym wysyceniu szybkość osiąga swe maksimum. W tym stanie dalszy wzrost stężenia enzymu nie może już powodować zwiększenia szybkości reakcji, gdyż enzym pracuje przy użyciu wszystkch swych aktywnych centrów, czyli przy pełnym wykorzystniu swej mocy przerobowej. W celu dokonania katalizy musi nastąpić przejściowe połączenie między enzymem i substratem i jego rozpad z uwonieniem enzymu i produktów.
Enzymy allosteryczne i wielosubstratowe- E allost- często enzymy wyst w pobliżu centrum aktywności, posiadają inne miejsca w których mogą się łączyć. Enzym zbudowany jest z kilku podjednostek. Czynnik alostatyczny wywołuje dodatkową role regulatorowi centrum aktywnego. A wiec substancja z jedną podjednostką dzieki zmianą kształtu tej jednostki ułatwia powiazanie z drugą i trzecią podjednostką są to enzymy allosteryczne. Składają się z 2,3 i wiecej podjednostek. Zjawisko allosterii wystepuje zarówno przy hamowaniu i aktywacji. Dopiero po przyłączeniu elektronu do centrum allosterycznego następuje zmiana konformacji cząsteczki cząsteczki ułatwiająca lub umożliwiająca połączenie substratu do centrum aktywnego i dalsze reakcje. E wielosubstratowe- to wiekszość enzymów, mogą one wykorzystywać w charakterze substratu określone grupy podobnych do siebie substancji.
Rola aktywatorów i koenzymów w reakcjach enzymatycznych. Większość enzymów wymaga dla pełnej aktywności różnego rodzaju czynników chemicznych przyspiesszających lub w ogóle umożliwiających działanie, są to aktywatory. Klasyfikujemy je w trzy grupy: 1) czynniki powodujące przeksztalcenie nieaktywnej formy enzymu (proenzymu lub zymogenu) w formę aktywną. W tym celu musi nastąpić odłączenie od cząstki proenzymu blokującego pepydu, co dokonuje się z udziałem innego enzymu proteolicznego. Np. przy przekształcaniu trypsogenu w trypsynę bierze udział enzym-enteropeprydaza lub sama trypsyna (samoaktywacja); 2) czynniki regulujące potencjał oksydoredukcyny środowiska, co ma znaczenie zwłaszcza dla aktywacji enzymów, wymagających do swego działania wolnych grup tiolowych - SH; 3) drobnocząsteczkowe związki współdziałające z białkiem enzymu, zwane ogólnie kafaktorami. Kafaktorami mogą być koenzymy grupy prostetyczne oraz jony metali i niektóre aniony nieorganiczne. Koenzym jest drobnocząsteczkową częścią niebiałkową enzymu. Mechanizm jeg działania polega na tym, że wiąże się on stechometrycznie z substratem za pośrednictwem określonej jego grupy oraz z białkiem enzymowym. Następnie w obrębie trzech połączonych składników, dokonuje się odpowiednie przegrupowanie elektronów, umożliwiające określoną przemianę substratu. Np. w reakcji przeniesienia protonów i elektronów z jednego związku na inny może uczestniczyć jeden lub dwa enzymy i w drugim przypadku mamy do czynienia z tzw. sprzężeniem koenzymatycznym. Np. reakcja uatlenienia Beta-D-glukopiranozy do laktonu kwasu glukonowego, katalizowana przez enzym oksydczą glukozową, współdziałający z FAD. Atomy wodoru odłączone od glukozy są przekazywane za pośrednictwem FAD współdziałającego z białkiem enzymu, na tlen cząsteczkowy, w wyniku czego tworzy się nadtlenek wodoru H2O2.
Kientyka reakcji enzymatycznej. Enzymy przyspieszają reakcje wyłącznie możliwe termodynamicznie. Enzym przeprowadza tylko reakcje możliwe. Enzym obniża energię aktywacji niezbędną do przeprowadzenia reakcji. Katalaza (K2-O2) - woda utleniona:K2-O2 katalaza> H2O2
Mechanizm działania enzymu: enzym tworzy z substratem kompleks - enzym-substrat, natępnie rozpada się na produkt i enzym. Na szybkość reakcji enzymatycznej wpływa: - stężenie substratu i enzymu,- temperatura,- pH większość enzymów działa w pH obojętnym (6-7),- stężenia soli, - potencjału oksydoredukcynego, -obecności w roztworze różnego rodzaju substancji hamujących i aktywujących.
Centrum aktywne enzymu
W wyniku katlizy zostaje utworzony kompleks ES. Połączenie to następuje przy udziale reaktywnych grup substratu oraz zdolnych do reagowania z nimi grup funkcyjnych występujących w rodnikach wielu aminokwasów białka enzymu. Grupy funkcyjne aminokwasów znajdują się w określonym układzie przestrzennym i wzajemnie ze sobą współdziałają w przyłączaniu substratu. Szczególny układ tych grup jest nazywany centrum aktywnym. Grupy funkcyjne biorące udział w funkcji centrum aktywnego, mogą pochodzić od aminokwasów sąsiadujących ze sobą w łańcuchu peptydowym, albo od znacznie od siebie oddalonych w kolejności, a sąsiadujących na skutek określonego powyginania łańcucha w przestrzeni, bądź od aminokwasów znajdujących się w odrębnych łańcuchach. Centrum aktywne jest to szczególny fragment w cząsteczce białka enzymu, biorący bezpośredni udział w katalizowanej reakcji.
Inhibicja enzymatyczna i jej mechanizm. Inhibitory - grupa czynników chemicznych, działających odwracalnie - modyfikująco na określony fragment cząsteczki enzymu, co powoduje obniżenie szybkości reakcji. Inhibicja polega na tym, że określona substancja (inhibitor) może się łączyć z jednym ze składników uczestniczących reakcji enzymtycznej lub inny sposób blokować jej spółdziałanie. Do elementów tych należą: enzym, substrat, koenzym i często dodatkowy kofaktor, a ich współdziałanie polega na wzajemnym powiązaniu w ściśle określony układ przestrzenny. Zjawisko inhibicji dzieli się w zależności od mechanizmu działania na współzawodniczące i niewspółzawodzniczące. - Hasmowaie współzawodniczące (kompetencyjne) - jeżeli w środku reakcji znajduje się substancja o podobnych kształtach do substratu; - enzymem poza jego centrum aktywnym i zmienia konformacje całego enzymu.