Enzymy (E)
są katalizatorami, które zmieniają szybkość reakcji, same nie ulegając zmianie
Są wysoce specyficzne, ich aktywność może być regulowana.
Wszystkie znane enzymy są białkami, chociaż zidentyfikowano pewne RNA katalizujące.
W nieobecności enzymu reakcja może zachodzić niezwykle wolno.
Przyspieszają reakcje zestawiając substraty w optymalnej orientacji przestrzennej
Istotą działania enzymu jest stabilizacja stanów przejściowych substratów – czyli tych o najwyższej energii.
Enzym nie zmienia wartości stanu równowagi K – jedynie przyspiesza jego osiągnięcie.
- K =( [C]*[D])/([A]*[B]) (A + B <-> C + D)
Obniżają energię aktywacji.
Nadają reakcji jeden z możliwych kierunków (w obecności określonego enzymu substrat przekształca się w jednym z kierunków np. pirogronian: dehydrogenaza mleczanowa przekształca go w mleczan, dehydrogenaza pirogronianowa – acetylo – S – CoA, karboksylaza pirogronianowa – szczawiooctan, aminotransferaza – alaninę).
Klasyfikacja enzymów ( system nazewnictwa i podział na klasy wprowadzony przez Enzyme Comission)
Oksydoreduktazy – reakcje utleniania i redukcji (np. dehydrogenaza aldehydu 3 – fosfoglicerynowego)
Transferazy – przenoszenie grup funkcyjnych (np. aminotransferaza asparginianowa, heksokinaza)
Hydrolazy – hydroliza – rozszczepienie wiązań przy udziale cząsteczek wody (np. fosfataza kwaśna, trypsyna, beta - amylaza)
Liazy (syntetazy) – rozpad/synteza bez udziału cząsteczek wody – ODWRACALNE (np. funaraza)
Izomerazy – przenoszenie grup funkcyjnych (np. mutaza fosfoglicerynianowa)
Ligazy (syntetazy) – tworzenie wiązań sprzężone z hydrolizą ATP (np. syntetaza glutaminowa)
Miejsce aktywne (M.A.)
region enzymu wiążący substrat, zazwyczaj niewielki, stanowi określoną trójwymiarową przestrzeń utworzoną przez reszty aminokwasów.
Tworzy enzym kompleks enzym – substrat i przekształca do w produkt.
Jest często szczeliną/zagłębieniem na powierzchni cząsteczki enzymu.
Tworzy środowisko w znacznym stopni niepolarne, co ułatwia wiązanie substratu.
Po stworzeniu kompleksu enzym - substrat, katalitycznie czynne reszty w obrębie M.A. działają na cząstkę substratu – przekształcają go początkowo w stan przejściowy – potem zostaje uwolniony do roztworu
Specyficzność substratowa
Właściwości i ułożenie przestrzenne reszt aminokwasowych tworzących M.A. determinują rodzaj cząsteczki, która może zostać związana i stać się substratem dla danego enzymu.
Prędkość /szybkość reakcji enzymatycznej:
- Ilość substratu, przekształconego przez enzym w jednostce czasu – nie mylić z aktywnością enzymu!
- Zależy od wielu czynników:
Temperatura – prędkość reakcji enzymatycznej wzrasta w pewnym przedziale temperatur (0 – 40 st.). Wzrost temperatury o 10o podwaja prędkość reakcji, jednakże wzrost powyżej określonego przedziału obniża prędkość reakcji – następuje denaturacja termiczna białek enzymatycznych. Są od tej reguły wyjątki (gł. Enzymy bakteryjne).
Stężenie jonów wodorowych (pH) – każdy enzym wykazuje swoje optymalne pH, w którym szybkość reakcji enzymatycznej jest największa. Niewielkie odchylenia od optymalnej wartości powodują zmniejszenie szybkości reakcji, duże odchylenia prowadzą do denaturacji enzymu wywołanej przez zmiany stanu jonizacji reszt aminokwasów i zerwaniem niekowalencyjnych oddziaływań.
Stężenie substratu – wzrost stężenia substratu w określonym zakresie powoduje liniowy przyrost prędkości reakcji. Na ogół jedna cząsteczka enzymu przekształca około tysiąc cząsteczek w ciągu sekundy. Czyli przy małych stężeniach substratu podwojenie go prowadzi do podwojenia prędkości reakcji, natomiast przy większych stężeniach enzym ulega wysyceniu, a szybkość dalej nie wzrasta. Stężenie substratu, przy którym V reakcji osiąga połowę wartości maksymalnej, nosi nazwę stałej Michaelisa. Jest ona miarą powinowactwa enzymu do określonego substratu.
Efektory allosteryczne (drobnocząsteczkowe metabolity łączące się z białkiem enzymatycznym i modyfikujące jego strukturę IV rz., niekiedy III rz.) – dzielą się na dodatnie, czyli aktywatory allosteryczne i ujemne, inhibitory allosteryczne. Aktywator sprawia, iż prędkość maksymalna reakcji zostaje osiągnięta przy niższym stężeniu substratu, inhibitor działa w sposób odwrotny.
Inhibicja enzymów:
Inhibicja nieodwracalna
Wiąże się ściśle, często kowalencyjnie z resztami aminokwasów M.A. enzymu.
Trwale inaktywuje enzym (np.penicylina, diizopropylofluorofosforan – DIPF, amid kwasu jodooctowego)
Inhibicja odwracalna:
Inhibitory kompetycyjne
- podobne pod względem strukturalnym do substratu
- wiąże się z enzymem w jego M.A.
- wzrasta stała Michaelisa
- odwracalna poprzez zwiększenie stężenia substratu w reagującym układzie
- prędkość maksymalna nie zmienia się, ale jest osiągana przy wyższym stężeniu substratu (przykład inhibitora: kwas malonowy względem kwasu bursztynowego, malonian jest analogiem bursztynianu – ale ma krótszy łańcuch)
Inhibitory niekompetycyjne
- nie jest podobny do substratu
- wiąże się z enzymem poza jego M.A.
- zniekształca cząsteczkę enzymu w sposób, który skutkuje zmniejszeniem jego aktywności katalitycznej
- nie zmienia powinowactwa enzymu do substratu – stała Michaelisa nie ulega zmianie, ale obniża prędkość maksymalną reakcji
- inhibicji nie można odwrócić przez zwiększenie stężenia substratu
- może wiązać się z kompleksem substrat – enzym, ponieważ nie konkuruje z substratem o M.A. – substrat jest związany, ale jego przekształcenie przebiega wolniej
Regulacja aktywności enzymatycznej:
- Aktywność białek enzymatycznych podlega ścisłej regulacji.
Aktywacja proteolityczna
Zymogeny/proenzymy ( w tym proteazy) – enzymy wytwarzane w postaci nieaktywnej, nie wykazującej zdolności katalitycznych.
Przejście zymogenu w postać aktywną wymaga odłączenia fragmentu (odcinka prekursorowego) cząsteczki, który hamuje M.A.
W niektórych przypadkach zymogen staje się substratem dla powstałego z niego enzymu.
Przykłady : główne proteinazy przewodu pokarmowego, kaskada krzepnięcia krwi, apoptoza komórki.
Wiązanie i odłączanie białek regulacyjnych
Niektóre enzymy o strukturze IV rz. mają podjednostki katalityczne i regulacyjne
Białka regulacyjne kontrolują aktywność tych enzymów.
Wywierają hamujący wpływ na aktywność podjednostek katalitycznych.
Aktywacja enzymu polega na dysocjacji kompleksu podjednostek i uwolnieniu jednostek katalitycznych.
Przykład: aktywacja kinazy białkowej A.
Fosforylacja i defosforylacja białka enzymatycznego
Procesem kierują kinazy (przenoszą reszty fosforanowe z ATP) i fosfatazy białkowe (odłączają reszty fosforanowe od białek w postaci fosforanu nieorganicznego).
Efekty reakcji są różnokierunkowe.
Regulacja allosteryczna
Naturalne inhibitory ( na przykładzie trypsyny)
Hamują aktywność niektórych proteinaz.
Działanie trypsyny hamuje trzustkowy inhibitor trypsyny.
Trzustkowy inhibitor jest polipeptydem o małej masie cząsteczkowej (6 kDa).
Wiąże się trwale z M.A. trypsyny.
Sprzężenie zwrotne
Ciągi reakcji enzymatycznych prowadzących do biosyntezy lub rozpadu metabolitów.
Enzym a przekształca substrat A w produkt B, który jest substratem enzymu b, który przekształca go w produkt C itd.
Enzym katalizujący wcześniejszy etap biosyntezy jest hamowany przez produkt końcowy danego ciągu reakcji.
Przykład : biosynteza cholesterolu, biosynteza nukleotydów pirymidynowych.
Tworzenie kompleksów wieloenzymatycznych
Stworzone z enzymów wiążących się ze sobą
Przyspiesza przebieg procesów metabolicznych.
Przykłady:
- Dehydrogenaza pirogronianowa – trzy enzymy uczestniczące w oksydacyjnej karboksylacji pirogronianu do acetylo – S – CoA.
- Dehydrogenaza alfa – ketoglutaranowa – trzy enzymy uczestniczące w oksydacyjnej dekarboksylacji alfa – ketoglutaranu do bursztynylo ~ S – CoA.
- enzymy oddechowe – zlokalizowane w mitochondriach i tworzące pięć kompleksów.