Enzymy

- są katalizatorami zwiększającymi szybkość spontanicznych reakcji chemicznych

- szybkość reakcji enzymatycznej zwiększana jest przez obniżenie energii aktywacji

- szybkość reakcji katalizowanej przez enzymy zależy od stosunku stężeń substratu do enzymu

- każdy enzym wykazuje wysoką specyficzność w stosunku do substratu i reakcji

- niektóre enzymy podlegają regulacji

- szybkość reakcji enzymatycznej (V) mierzona jest ilością moli produktu powstającego w ciągu 1 sekundy

- jednostka enzymu to taka jego ilość, która przekształca się w 1 mikromol substancji w ciągu 1 minuty w optymalnych warunkach

- aktywność właściwa to ilość jednostek enzymu w 1 miligramie białka

- większość znanych enzymów to białka

- chociaż enzymy przyśpieszają reakcję poprzez obniżenie energii aktywacji, niektóre reakcji chemiczne mają tak wysoką energię aktywacji, że ich spontaniczny przebieg jest praktycznie niewidoczny

Budowa enzymów:

Enzymy białkowe:

• Proste

• Złożone

Apoenzym + Kofaktor = Holoenzym

Kofaktory

Koenzymy (grupy prostetyczne) – niskocząsteczkowe związki organiczne

Enzymy – centrum aktywne

• Aminokwasy centrum aktywnego mogą pochodzić z odległych fragmentów łańcucha peptydowego

• Trójwymiarowa struktura centrum aktywnego pasuje do kształtu substratu

• Pierwotne połączenie pomiędzy enzymem i substratem stabilizują wiązania słabe (oddziaływania elektrostatyczne, hydrofobowe, siły van der Waalsa, wiązania wodorowe)

Centrum aktywne:

- dopasowanie enzymu i substratu na kształtu zamka i klucza

Centrum aktywne – kofaktory

- kofaktory zmieniają strukturę enzymu umożliwiające wiązanie substratu

Enzymy – są to białka katalizujące reakcje zachodzące w żywych organizmach, podobnie jak inne katalizatory same nie ulegają zmianie w wyniku reakcji. Charakteryzują się również wysoką specyficznością wobec substratu. Umożliwiają szybkie zachodzenie reakcji warunkach umiarkowanej temperatury i ciśnienia, przyśpieszając co najmniej milionkrotnie.

Budowa enzymów:

- są białkami złożonymi lub rzadziej prostymi

a) złożone: składają się z części białkowej – apoenzymu i składnika niebiałkowego (kofaktor)

* grupa prostetyczna część niebiałkowa jest trwale złączona z apoenzymem (jony metali lub cząsteczki nieorganiczne)

* grupa koenzymu część niebiałkowa jest luźnie połączona, łatwo odłączane (cząsteczki organiczne – witaminy, koenzym A)

Na powierzchni enzymu (w części białkowej) znajduje się miejsce zbudowane z reszt aminokwasów zwane centrum aktywnym. W tym miejscu dochodzi do połączenia się enzymu z reagującymi substancjami – zostaje wytworzony nietrwały kompleks enzym – substrat (E – S). (w tym miejscu przyłącza się substrat i zachodzi reakcja).

Kofaktor (jeśli występuje) zawsze jest częścią centrum aktywnego.

Grupy boczne aminokwasów (kwasowa lub zasadowa) budujących centrum aktywne współdecydują o wiązaniu substratów i przebiegu reakcji enzymatycznej.

HOLOENZYM apoenzym + grupa niebiałkowa

Pojęcie katalizatora i enzymu:

Katalizator: substancja chemiczna, która dodana do układu powoduje zmianę ścieżki kinetycznej reakcji chemiczne, na taką, która ma niższą energię aktywacji, czego efektem jest wzrost szybkości reakcji chemicznej. W trakcie procesów z udziałem katalizatora reakcja chemiczna przebiega drogą o energii mniejszej w stosunku do reakcji bez udziału katalizatora. W trakcie reakcji powstaje dodatkowy kompleks przejściowy katalizator – substrat.

Nie ulega trwałej przemianie chemicznej. Katalizator wpływa na przebieg reakcji zmieniając jej mechanizm. Powstaje przejściowy związek chemiczny lub struktura nadcząsteczkowa, która jest nietrwała, dzięki czemu reaguje dalej z wytworzeniem produktu końcowego i odtworzenie wyjściowego katalizatora:

A + K AK (produkt przejściowy)

AK + B AB + K (produkt końcowy + odtworzony katalizator)

Jeśli związek przyśpieszający reakcję zużywa się w jej wyniku nazywany jest inicjatorem.

Enzym: wielkocząsteczkowe, w większości białkowe, katalizatory przyśpieszające specyficzne reakcje chemiczne poprzez obniżenie ich energii aktywacji. Dany enzym katalizuje tylko kilka reakcji spośród wszystkich możliwych dla danych substratów.

Enzymy obniżają energię aktywacji reakcji w ten sposób przyśpieszając przebieg reakcji. Nie zużywają się w trakcie reakcji. Przejawiają znacznie większą specyficzność substratową. Aktywność enzymatyczna może być zatrzymana lub obniżona przez inne cząsteczki – inhibitory. Ich aktywność zależy od temperatury, pH, siły jonów, obecności niektórych jonów.

Energia aktywacji: jest często podawana w przeliczeniu na 1 mol substancji wielkością bariery energetycznej, którą musi pokonać układ reagujących indywidiuum chemicznych (atom, cząsteczka, jon, kompleks) aby doszło do reakcji chemicznej.

Energię aktywacji dla reakcji można wyznaczyć na podstawie równania Arrheniusa, opisującego zależność szybkości reakcji od temperatury:

gdzie:

• k - stała szybkości reakcji

• A - stała dla danej reakcji, zwana też czynnikiem przedwykładniczym

• R - (uniwersalna) stała gazowa

• T - temperatura

Zachodzi więc bezpośredni związek między energią aktywacji i szybkością reakcji: im E_a mniejsze, tym szybkość ta większa. Katalizatory obniżają energię aktywacji przez tworzenie kompleksów przejściowych z substratami. 

Reakcja chemiczna: każdy proces, w wyniku którego pierwotna substancja (substrat) przemienia się w inną substancję (produkt). Aby tak się stało konieczne jest rozerwanie przynajmniej jednego z obecnych w niej wiązań chemicznych pomiędzy atomami lub utworzenie jednego nowego wiązania.

Szybkość reakcji chemicznej: szybkość przebywania lub ubywania reagentu w wyniku przebiegu reakcji chemicznej. Definiuje się jako zmianę liczby moli składnika odniesienia w czasie.

Równowaga reakcji chemicznych: stan, gdy reakcja zachodzi z jednakową szybkością w obu kierunkach, a więc stężenie reagentów nie zmienia się w czasie.

Modele działania enzymów:

1. Model klucza i zamka:

- centrum aktywne enzymu jest dokładnie dopasowane do substratu, idealnie do siebie pasują

2. Model indukowanego dopasowania:

- wiązanie substratu może powodować zmiany kształtu cząsteczki enzymu w celu uzyskania dokładnego dopasowana; enzymy są dość elastyczne strukturalnie, ich centrum aktywne podlega ciągłym zmianom przestrzennym podczas oddziaływania z substratami. Grupy boczne substratu podlegają rearanżacjom przestrzennym, ściśle dopasowując swe pozycje do wiązania substratu, co umożliwia przeprowadzenie katalizy

3. Model trzypunktowego dołączenia:

- do specyficznego związania substratu przez enzym wystarczą tylko trzy miejsca wiązania

- Jeśli substrat może się przyłączyć do miejsca katalitycznego tylko z jednej strony i mogą ze sobą reagować tylko atomy i miejsca komplementarne, cząsteczka substratu może się przyłączyć tylko w jeden sposób. Oznacza to, że symetryczna cząsteczka substratu staje się poniekąd asymetryczna dla wypadku katalizy enzymatycznej.

- Atomy lub grupy atomów w cząsteczce substratu (S) łącząc się z komplementarnymi miejscami na cząsteczce enzymu (E) (przedstawione jako miejsca na płaszczyźnie), mają tylko jeden możliwy sposób połączenia. Reakcja może ograniczyć się do atomów związanych w miejscach a i b, nawet jeśli atomy (bądź grupy atomów) 1 i 4 są takie same.

- jeśli reakcja obejmuje zawsze jedną grupę karboksylową w konkretnym miejscu, wówczas reagować będzie zawsze ta sama grupa karboksylowa

Swoistość enzymów:

- większość enzymów przeprowadza tylko jeden typ reakcji na jednym typie substratu (zasada jeden enzym – jedna reakcja)

Specyficzność kierunkowa rodzaj katalizowanej reakcji chemicznej

Specyficzność substratowa wobec związków (substratów)

a) Swoistość względem substratu (substratowa) – enzymy działają tylko na określone substraty, może być względna lub bezwzględna:

- bezwzględna – enzymy działają tylko na jeden substrat, a nawet tylko na jeden z jego izomerów

- względna (grupowa) – enzym przekształca grupę podobnych związków

b) Swoistość względem katalizowanej reakcji (kierunkowa) - określony enzym katalizuje na ogół pojedynczą reakcję lub grupę ściśle spokrewnionych przemian chemicznych. Wybiera tylko jedną reakcję spośród wszystkich możliwych.

Czynniki wpływające na aktywność enzymów:

1. Temperatura: szybkość reakcji rośnie wraz z temperaturą, optimum zależne od typu enzymu i organizmu; zbyt niska temperatura powoduje zmniejszenie aktywności enzymu, natomiast zbyt wysoka (50 – 70s) zwykle prowadzi do denaturacji enzymu (nieodwracalna)

2. pH (odczyn środowiska): różne enzymy mają różne optymalne pH; jego wartość zależy przede wszystkim od typu reakcji i standardowego miejsca jej przeprowadzania (dla pepsyn: 1,5-3,0; dla trypsyn ok. 8)

3. Stężenie soli: różne optimum dla różnych enzymów

4. Obecność inhibitorów: łączą się z enzymem, blokując lub zmieniając kształt (konformacja) centrum aktywnego unieczynniają enzym

5. Obecność aktywatorów: łączą się z enzymem zmieniając konformację centrum aktywnego umożliwia to zachodzenie reakcji

Klasyfikacja enzymów:

1. Oksydoreduktazy:

- katalizują reakcje oksydacyjno – redukcyjne: przenoszą elektrony i protony lub włączają tlen do substratu (reakcja redox)

- przenoszą elektrony i atomy wodoru między cząsteczkami reduktora i utleniacza

- posiadają koenzymy działające jako związki pośrednie w reakcji

2. Transferazy:

- enzymy przenoszące rodniki lub grupy z jednego związku na inny albo wymieniające rodniki lub grupę jednego związku na wodór lub tlen z drugiego związku

- reakcja przeniesienia grupy chemicznej (np. tiolowej, aminowe, metylowej) lub atomu z jednej cząsteczki (donora) na drugą (akceptora) AB + C A + BC

3. Hydrolazy:

- katalizują rozbicie wiązań kowalencyjnych przy udziale wody

- zachodzi hydroliza

- wiele enzymów trawiennych

- nie posiadają koenzymów (niebiałkowe składniki enzymów)

AB + H2O A-H + B-OH

4. Liazy:

- katalizują rozbicie różnych wiązań (C-C, C-O, C-N, C-S) nie w drodze hydrolitycznej

- z substratu uwalniane są związki drobnocząsteczkowe jak CO₂, H₂O, aldehydy dwu lub trójwęglowe, NH₃

- odwracalne lub nieodwracalne odszczepienie grup bez udziału wody

5. Izomerazy:

- katalizują przekształcania wewnątrzcząsteczkowe

- przekształcenie się jednego izomeru w drugi

6. Ligazy:

- katalizują syntezę nowych wiązań (C-O, C-S, C-N, C-C)

- do reakcji zużywana jest energia pochodząca z rozbicia wiązania pirofosforanowego w ATP

- katalizują powstanie nowych wiązań między cząsteczkami (zużycie energii z hydrolizy atp)

Teoria Michaelisa – Menten

• konieczność wytworzenia odwracalnego kompleksu między enzymem i substratem. Kompleks ten podlega przemianie nieodwracalnej do produktu z uwolnieniem enzymów.

• Krzywa Michaelisa – Menten powinowactwo enzymów do substratów, stężenie substratu, przy którym szybkość reakcji jest równa połowie szybkości maksymalnej (STAŁA Michaelisa)

Im mniejsza wartość K_M tym enzym ma większe powinowactwo do substratu:

V_max – maksymalna prędkość reakcji K_M – stała Michaelisa

Na stała Michaelisa wpływa:

- rodzaj i stężenie substratu

- pH

- temperatura

- siła jonowa

STAŁA Km NIE ZALEZY OD STĘŻENIA ENZYMU

Inhibicja reakcji enzymatycznej

- może być odwracalna lub nieodwracalna.

- Ostatnia ma miejsce wtedy, gdy cząsteczki inhibitora wiążą się z enzymem trwale (np. kowalencyjnie), co doprowadza do sytuacji zablokowania aktywności danej cząsteczki enzymu na stałe

Typy:

a) kompetencyjna:

• Inhibitor ma strukturę przynajmniej częściowo podobną do substratu

• Łączy się z centrum aktywnym, unieczynniając enzym

• Współzawodniczy z właściwym substratem przy wiązaniu do centrum aktywnego

• Siła inhibicji zależy od względnego stężenia substratu i inhibitora

• Kompleks enzym – inhibitor jest enzymatycznie nieaktywny

• Poprzez regulację stężenia inhibitora możliwa jest kontrola szybkości reakcji

b) niekompetencyjna:

• Inhibitor jest zwykle nie podobny do substratu

• Łączy się z enzymem poza centrum aktywnym, zmieniając jego konformację (kształt przestrzenny) i unieczynniając ją

• Nie współzawodniczy z właściwym substratem o centrum aktywne enzymu

• Siła inhibicji nie jest zależna od stężenia substratu

• Wiąże się odwralcalnie

Enzymy allosteryczne:

- mają więcej niż jedno miejsce aktywne (kooperatywnie wiąże cząsteczki substratu) związanie substratu w jednym miejscu aktywnym powoduje w enzymie zmianę konformacyją, zmieniając powinowactwo do substratu w innym miejscach aktywnych

- może występować w formie białka złożone z wielu podjednostek (każda ma miejsce aktywne)

- mogą być kontrolowane przez aktywatory i inhibatory wiążą się do innych miejsc niż miejsca aktywne i zmieniają szybkość aktywności enzymatycznej

Jednostki enzymatyczne (U, kat), aktywność enzymatyczna (aktywność właściwa i molekularna).

Aktywność enzymatyczna (enzymu) – prędkość reakcji mierzona w ściśle określonych warunkach. Jest wyrażana w katalch i U.

Aktywność właściwa: wyrażona liczbą jednostek enzymatycznych w odniesieniu do 1 mg białka preparatu enzymatycznego. Wzrasta w miarę oczyszczania enzymu.

Aktywność molekularna: gdy masa cząsteczkowa enzymu jest nieznana. Jest to liczba jednostek aktywności enzymu przypadająca na 1 mikromol enzymu.

Jednostki:

a) KATAL (kat) – aktywność enzymu przekształcająca 1 mol substratu w czasie 1 s, w tem 30s w optymalnym pH dla danego enzymu, przy pełnym wysyceniu enzymu substratem)

1 katal = 60000000 U, U=16,67 kat

b) U (unit, międzynarodowa jednostka enzymatyczna) - aktywność enzymu przekształcającego 1 mikromol substratu w czasie 1 min, w tem 30s i optymalnym pH,