E N Z Y M Y

1. Enzymy - biokatalizatory - przyspieszają osiągnięcie stanu równowagi reakcji, których zajście z termodynamicznego punku widzenia jest możliwe. Uczestnicząc w przekształcaniu substratu w produkt same nie zużywają się w trakcie reakcji:

a/ znakomita większość znanych dziś enzymów to białka globularne, część z nich

wymaga współpracy z kofaktorami, którymi są drobnocząsteczkowe związki

organiczne mocno wiązane przez enzym - grupy prostetyczne (1), wiążące się z nim

przejściowo w toku reakcji i pełniące często rolę kosubstratów - koenzymy(2) a

także jony metali(3).

b/ w ostatnich dwudziestu latach odkryto, że niektóre kwasy rybonukleinowe mają

również właściwości katalityczne, nazwano je rybozymami, uczestniczą one jednak

tylko w szeroko pojętym procesie ekspresji genu, nie stwierdzono natomiast udziału

rybozymów w podstawowym metabolizmie, którego przebieg jak i forma życia jaką

znamy nie byłyby możliwe bez udziału typowych enzymów białkowych.

2. Kinetyka reakcji chemicznych i czynniki warunkujące jej przebieg:

a/ definicja szybkości reakcji: v = ± dc/dt ≡ - d[S]/dt = d[P]/dt

b/ równanie kinetyczne - v = k•c₁•c₂• ...c_n : określa zależność szybkości reakcji od

• c - stężeń substratów (krzywa kinetyczna reakcji)

• k - stałej szybkości reakcji - k = A•e^-ΔE/R•T - zależność ta uwzględnia wpływ: T - temperatury (jej wzrost przyspiesza przebieg reakcji chemicznych) oraz ΔE - E_akt - energii aktywacji (konieczna do pokonania bariera energetyczna - m.in. zrywanie wiązań chemicznych - utrudniająca zajście każdej reakcji) - analiza profilu energetycznego reakcji - ΔG - efekt energetyczny reakcji (nie ma związku z szybkością reakcji), E_akt - energia stanu przejściowego, im jest ona niższa tym reakcja biegnie szybciej; rola katalizatora - przyspieszenie przebiegu reakcji przez obniżenie E_akt (w wyrażeniu na stałą szybkości reakcji zawiera się wyjaśnienie wpływu działania katalizatora, nie zmienia on stanu równowagi podyktowanego stałą równowagi reakcji ale przyspiesza jego osiągnięcie przez obniżenie energii aktywacji danego procesu)

ENZYMY jako (BIO)KATALIZATORY obniżają E_akt katalizowanej reakcji

3. Cechy charakteryzujące enzymy jako katalizatory:

a/ sprawność (wydajność) katalityczna - zdolność przyspieszania rzędu 10⁶ - 10¹² razy,

np. reakcja, która w obecności enzymu zwiększającego szybkość 10⁸ razy biegnie 1s

w jego nieobecności musiałaby trwać 10⁸s to znaczy TRZY LATA!!!

b/ swoistość - może być względem substratu, względem reakcji lub względem reakcji i

substratu; enzymy są znacznie bardziej selektywne niż jakiekolwiek inne katalizatory

c/ działanie w łagodnych warunkach - niskie ciśnienie, temperatura i zakres łagodnych

wartości pH (2 - 8, większość aktywna w pH około 7); katalizatory wykonane przez

człowieka wymagają często bardzo wysokich ciśnień, temperatur i stężeń H⁺ lub OH^-

d/ aktywność może ulegać regulacji - istnieje szereg enzymów, które zmieniają

aktywność stosownie do aktualnych potrzeb komórki czy organizmu pod wpływem

czynników środowiskowych (zmiany jakościowe) lub zmienia się ilość enzymu

(zmiany ilościowe)

4. Enzymy - tworzenie kompleksu enzymu z substratem, ES: tak wielką sprawność, wydajność

katalityczną enzymy uzyskują dzięki tworzeniu przejściowego połączenia z substratem tzw.

kompleksu ES; pozwala to na pokonanie barier termodynamicznych i fizykochemicznych

utrudniających zajście reakcji a mianowicie:

a/ rozproszenia i ruchliwości cząsteczek substratów oraz znacznej przypadkowości

zderzeń w sensie kontaktu reaktywnych ugrupowań substratów (niska efektywność

zderzeń) - enzym „porządkuje” stan substratu(ów) pokonując te efekty entropowe

b/ uwodnienia substratu co w przypadku reakcji biegnących w środowisku wodnym jest

zjawiskiem powszechnym - enzym lokując substrat(y) w obszarze o charakterze

hydrofobowym pozbawia go(je) płaszcza wodnego odsłaniając na działanie swoich

aktywnych grup

c/ stabilności utrwalonej struktury substratu - enzym wytwarza w substracie napięcia,

naprężenia, odkształcenia co powoduje labilizację, osłabienie wiązań, które mają

ulec zerwaniu

5. Enzym wiąże się z substratem w kompleks ES w wyniku zaistnienia wielu odwracalnych, słabych oddziaływań rzędu ułamków do kilku kilokalorii wywołując efekt energetyczny, energię wiązania ES wielkości kilku do kilkunastu kilokalorii; część tej energii, uwalnianej w trakcie tworzenia ES wykorzystywana jest np. do wywołania naprężeń, napięć w substracie służąc w ten sposób m.in. zmniejszeniu energii aktywacji danej reakcji (obliczenie oparte na zależności podanej w punkcie 2b pozwala wykazać, ze obniżenie aktywacji o 15-20 kcal/mol zwiększa stałą szybkości reakcji (k) a tym samym szybkość reakcji (v) ~10¹⁴ razy!)

5. Enzym - centrum aktywne - kompleks ES tworzy się przez przyłączenie substratu do wyróżnionego miejsca w strukturze enzymu określanego jako miejsce aktywne, które charakteryzuje się następującymi własnościami:

a/ obejmuje niewielką część całkowitej objętości enzymu

b/ jest trójwymiarową strukturą, którą często tworzą bardzo odległe sekwencyjnie

aminokwasy (np. chymotrypsyna)

• istnieją centra aktywne jakby przygotowane na przyjęcie danego substratu - aprioryczne dopasowanie (np. lizozym, chymotrypsyna)

• centra aktywne innych enzymów tworzą się w trakcie wiązania substratu - indukowane dopasowanie (np. karboksypeptydaza A)

c/ stanowi zagłębienie w strukturze enzymu (niszę, szczelinę, kieszeń) dzięki czemu

otoczenie wiązanego substratu ma charakter hydrofobowy i jest mniej lub

bardziej izolowane od wody

d/ substrat wiązany jest poprzez wiele oddziaływań nie kowalencyjnych jak

hydrofobowe, jonowe, wodorowe czy van der Waalsa a swoistość wiązania substratu

uzależniona jest w efekcie od precyzyjnego ułożenia i dopasowania wielu atomów

centrum aktywnego i substratu

e/ w jego skład wchodzą:

• aminokwasy odpowiedzialne za związanie substratu, określające tym samym swoistość substratową (1-szy etap procesu katalizy) oraz

• aminokwasy uczestniczące w katalizie, tzw. centra katalityczne określające swoistość reakcji (2-gi etap procesu katalizy)

7. Kompleks enzym-substrat - dowody na istnienie:

a/ zmiany właściwości fizykochemicznych enzymu w tym m.in. rozpuszczalności czy

widma pochłaniania promieniowania elektromagnetycznego po związaniu substratu

b/ badania rentgenograficzne pozwalają czasami obserwować inne formy krystaliczne

samego enzymu i jego kompleksu z substratem lub analogiem substratu

c/ w przypadku dużych struktur można niekiedy oglądać połączenie enzymu z

substratem w mikroskopie elektronowym

d/ kinetyka reakcji enzymatycznych również potwierdza tworzenie się kompleksu ES