1. Budowa i funkcje enzymów:

a) budowa centrum aktywnego i allosterycznego,

- Częścią enzymu uczestniczącą w wiązaniu substratu i przeprowadzaniu reakcji jest centrum aktywne; znajduje się ono w szczelinach i bruzdach apoenzymu biokatalizatora i zajmuje stosunkowo niewielki fragment jego cząsteczki. Do centrum aktywnego enzymu przyłącza się substrat bądź substraty, tu również znajduje się miejsce wiązania kofaktora. Centrum aktywne to przestrzenny układ kilku reszt aminokwasowych charakterystycznych dla danego enzymu. Konformacja substratu musi być przestrzennie dopasowana do konformacji centrum aktywnego enzymu. Dopasowanie strukturalne substratu i enzymu (jego centrum aktywnego) porównuje się do zależności, jaka zachodzi między kluczem i zamkiem lub ręką i rękawiczką. Jest to bardzo precyzyjne, a zarazem elastyczne dopasowanie strukturalne dwóch oddziałujących składników.

W białku centrum aktywne stanowi grupa aminokwasów, które leżą blisko siebie w trójwymiarowej cząsteczce, choć często są od siebie bardzo oddalone w sekwencji. Częstymi aminokwasami centrum aktywnego są aminokwasy zasadowe oraz kwasowe. Aminokwasy z niepolarnym (hydrofobowym) łańcuchem bocznym bardzo rzadko wchodzą w skład centrum aktywnego, ponieważ taki łańcuch boczny wchodzi w niewiele reakcji.

- W niektórych enzymach oprócz centrum aktywnego w apoenzymie znajduje się centrum allosteryczne, do którego przyłączają się drobnocząsteczkowe związki, tzw. efektory, wpływające na aktywność enzymów.

b) wpływ enzymu na energię aktywacji reakcji.

Energia aktywacji, najmniejsza energia, jaką muszą posiadać cząsteczki substratów, by wskutek zderzenia tych cząsteczek, mogła zajść reakcja chemiczna. W przypadku reakcji, do których stosuje się prawo Arrheniusa, wyznaczana jest poprzez pomiar stałych szybkości reakcji w różnych temperaturach.

W teorii stanów przejściowych definiowana jest jako różnica energii przejściowego kompleksu aktywnego substratów i energii substratów przed reakcją.
W większości pozostałych reakcji energie aktywacji zawierają się w przedziale 50 - 300 kJ·mol-1.

Zmniejszenie energii aktywacji za pomocą katalizatora znacznie zwiększa szybkość reakcji, zwiększenie energii aktywacji za pomocą inhibitora – obniża szybkość reakcji.

1. Nazewnictwo i klasyfikacja enzymów:

a) nazwy systematyczne i potoczne,

nazwa potoczna – zwykle krótkie, tworzone od nazw substratów (amylaza, arginaza, lipaza, ureaza, pepsyna, trypsyna)

nazwa systematyczna

- identyfikuje enzym i określa jego działanie

- zgodna z zaleceniami Międzynarodowej Unii Biochemicznej z 1964 r.

Nazwa systematyczna - dwuczęściowa

- pierwsza część: nazwa katalizowanej reakcji + końcówka „aza” (oksydoreduktaza, transferaza, hydrolaza, liaza, izomeraza, ligaza/syntetaza)

- druga część: nazwa substratu w dopełniaczu liczby pojedynczej (np. hydrolaza acetylocholiny) lub jeżeli w reakcji uczestniczą 2 substraty podaje się nazwy obydwu substratów w mianowniku liczby pojedynczej rozdzielone dwukropkiem (np. oksydoreduktaza alkohol : NAD)

b) klasyfikacja międzynarodowa (EC) z przykładowymi reakcjami,

Numer międzynarodowej klasyfikacji (EC) składa się z 4 członów oddzielonych kropkami:

-człon I – oznacza numer klasy, do której należy enzym:

-człon II – oznacza podklasę

-człon III – oznacza pod-podklasę

-człon IV – oznacza kolejny numer w jego pod-podklasie

Przykład 1/ EC 2.6.1.1

Nazwa systematyczna:

aminotransferaza L-asparaginian : 2-oksoglutaran

Nazwa potoczna:

aminotransferaza asparaginianowa

Katalizowana reakcja:

L-asparaginian + 2-oksoglutaran <-> szczawiooctan + L-glutaminian

Przykład 2/ EC 1.1.1.1 oznacza dehydrogenazę alkoholową

c) witaminowe prekursory koenzymów.

Koenzym to uczestnicząca w reakcji enzymatycznej niebiałkowa część enzymu nietrwale związana z częścią białkową (apoenzymem). Bierze udział w przenoszeniu elektronów, protonów lub grup atomów w trakcie katalizowanej reakcji. Wśród koenzymów wymienić można:

 ATP(adenozynotrifosforan), 

NAD (dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy), 

NADP (fosforan dinukleotydu niktynoamidoadeninowego),

 FMN (mononukleotyd flawinowy), 

FAD (dinukleotyd flawinoadeninowy),

CoA (koenzym A), 

CoQ (koenzym Q) oraz wiele innych.

Wiele z nich wykazuje pokrewieństwo do witamin. Koenzymy ulegają zużyciu podczas zachodzących z ich udziałem reakcji enzymatycznych, dlatego do organizmu dostarczane muszą być prekursory koenzymów, często w postaci witamin.

Połączenie apoenzymu z grupą prostetyczną nazywa się holoenzymem.

d) Wyróżniamy 6 klas:

1. Oksydoreduktazy – reakcje oksydoredykcyjne: dehydrogenazy, oksygenazy, peroksydazy, reduktazy, monooksygenazy, dioksygenazy. Koenzymami tej klasy enzymów są: NAD, NADP, FNM, FAD (wychwytywanie określonych jonów, elektronów)

2. Transferazy – przenoszą rodnik bądź określoną grupę funkcyjną z jednego związku na drugi. To, co przenoszą determinuje ich nazwę: aminotransferazy, metylotransferazy, formylotransferazy itd. Koenzymy: CoA (koenzym acylotransferaz, przenosi grupy acylowe), difosforan tiaminy (przenosi aldehydy z ketozwiązków , bierze udział w dekarboksylacji oksydacyjnego 2-oksokwasów), fosforan pirydoksalu (fosforyzowana forma witaminy B6), kwas tetrahydrofoliowy THFA, koenzym formylotransferaz, hydroksyformylotransferaz; przenosi fragmenty jednowęglowe), biotyna (koenzym karboksyfransferaz, przenosi CO2 przy udziale ATP), fosforany nukleozydów (nukleotydy wysokoenergetyczne): ATP, GTP, CTP, UTP, koenzymy fosfotransferaz (kinaz) przenoszą reszty fosforanowe.

3. Hydrolazy – jedyna klasa enzymów nie posiadająca koenzymów (są to białka proste). Hydrolazy katalizują rozbicie wiązań chemicznych z udziałem wody. Nazwy tych enzymów tworzymy w zależności od tego, na jakie wiązania działają: peptydazy, esterazy, glikozydazy itd. Do tej klasy enzymów zaliczamy także nukleazy, w tym enzymy restrykcyjne, które przecinają w określonych pozycjach łańcuchy kwasów nukleinowych

4. Liazy – katalizują rozbicie wiązań z udziałem węgla takich jak C-C, C-O, C-N, C-S. Powodują one uwalnianie z substratów, na które działają substancji drobnocząsteczkowych np. CO2, H2O. W odróżnieniu od hydrolaz nie wymagają one do swego działania środowiska wodnego. Mają koenzymy, ale nie są to koenzymy przypisane do tej klasy. Są to Witamina B1, biotyna, ATP itd.

5. Izomerazy (mini transferazy) – katalizują one przekształcenia wewnątrzcząsteczkowe: epimerazy, izomerazy cis trans, mutazy. Głównym koenzymem tej klasy jest witamina B12.

6. Ligazy (syntetazy) – katalizują syntezę nowych wiązań m. in. karboksylazy(dołączenie CO2 w syntezie kwasów tłuszczowych, gdzie Ac-CoA przekształca się w malonylo?? CoA, beta oksydacja kwasów tłuszczowych o nieparzystej liczbie atomów węgla, gdzie dochodzi do przekształcenia propionylo-CoA w metylomalonylo-CoA a następnie w sukcynylo-CoA; inicjacja biosyntezy mocznika – powstawanie karbamoilofosforanu. Karboksylazy czerpią CO2 z różnego rodzaju przemian, z których jest on uwalniany (endogenny dwutlenek węgla). Najczęściej uwalniany jest w procesie dekarboksylacji oksydacyjnej a źródłem CO2 jest m.in. cykl pentozo fosforanowy (utlenianie glukozy w warunkach tlenowych).

1. Podział enzymów ze względu na budowę chemiczną:

Enzymy to białka proste lub złożone, katalizujące szereg reakcji biochemicznych w organizmach. Działalność enzymów polega na obniżaniu energii aktywacji oraz zmianie szybkości reakcji biochemicznych. Enzymy nie przesuwają stanu równowagi katalizowanej reakcji.

Ze względu na budowę enzymy można podzielić na proste i złożone.

Białka proste – amylaza, ureaza, aldolaza, RNaza

białka złożone zawierające nieaminokwasowe grupy trwale chemicznie związane z cząsteczką enzymu (grupa prostetyczna np. hem, FAD) – oksydaza cytochromowa, katalaza, peroksydaza.

Białka złożone zawierające nieaminokwasowe grupy luźno związane z cząsteczką enzymu (koenzymy np. NAD⁺, NADP⁺)) – dehydrogenazy

apoenzym + koenzym -> holoenzym (aktywny enzym)

1. Specyficzność i selektywność enzymatyczna (model Fishera i Koshlanda).

Model dopasowania Fishera - teoria, według której cząsteczka substratu pasuje przestrzennie do centrum aktywnego enzymu tak, jak klucz do zamka. Kształt miejsca aktywnego jest komplementarny do kształtu substratu substratu.

Model dopasowania Koshlanda – teoria "ręki i rękawiczki”, przyjmuje indukcyjne, wzajemne dopasowanie się substratu i enzymu. Komplementarny względem substratu kształt miejsca aktywnego pojawia się dopiero po związaniu substratu. Jest to proces indukowanego dopasowania.

1. Czynniki wpływające na szybkość reakcji enzymatycznej:

a) stężenie substratu (graficzne przedstawienie),

W reakcji chemicznej etapem determinującym szybkość reakcji chemicznej jest rozpad kompleksu enzym- substrat (ES) z uwolnieniem produktu. Prędkość uwalniania produktu zależy liniowo od stężenia kompleksu. Z kolei st. tego kompleksu zależy od st. substratu. Enzym, którego całkowita ilość jest stała, może występować w 2 formach: jako wolny enzym (E) albo jako kompleks ES.I więcej substratu, tym szybciej następuje wiązanie wolnego enzymu w kompleks ES, a więc tym większe jest st. tego ostatniego. Kiedy cały enzym jest związany w kompleks ES, dalsze zwiększanie st. substratu nie prowadzi do zwiększenia ilości tego kompleksu ze względu na ograniczoną ilość cząsteczek enzymu. Ze względu na to iż szybkość reakcji enzymatycznej jest proporcjonalna do stężenia ES, także ta szybkość nie może dalej rosnąć. Mówimy, iż w takiej sytuacji enzym, jest nasycony substratem. Szybkość jest niezależna od stężenia substratu .

b) temperatura (graficzne przedstawienie),

Zgodnie z regułą van’t Hoffa szybkość reakcji wzrasta 2-3 razy prze wzroście temperatury o 10 C w związku ze wzrostem energii kinetycznej cząsteczek. Jest to zależność proporcjonalna która osiąga wartość maksymalną dla danego enzymu tzw. Temp optymalną. W temperaturach wyższych od optymalnej zaczyna się denaturacja białka enzymatycznego i aktywność enzymu spada.

Sztuczne podwyższanie temp ma zastosowania w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym do zahamowania działania lub zniszczenia enzymów własnych surowca i enzymów bakteryjnych. Przykładem takich działań jest np. pasteryzacja.

c) pH (graficzne przedstawienie),

Dla każdego enzymu istniej optymalne pH, w którym wykazuje on maksymalną aktywność. pH wpływa zarówno na ładunek enzymu, jak i substratu, jest więc zrozumiałe, że enzym będzie wykazywał największą aktywność przy takim pH, przy którym enzym i substrat będą miały ładunki różniące się znakiem – im silniejsze, tym większa możliwość podstawienia kompleksu ES (enzym-substrat). Niewielkie zmiany pH zmniejszają już aktywność enzymu; powstaje zmieniony ukł. Ładunków, a tym samym inny układ przestrzenny. Duże ochylenia od wartości optymalnej prowadzą do denaturacji samego białka enzymatycznego. Zmiany pH wykraczające poza optimum pH powodują zmiany konformacji enzymu. (Konformacja -układ przestrzenny całej cząsteczki mogący ulegać zmianom, bez zrywania wiązań chemicznych) Większość enzymów zwierzęcych działa w środowisku lekko kwaśnym i obojętnym.)

Przykłady enzymów działających w środowisku:

Kwaśnym	Zasadowym
Pepsyna (optimum pH 1,2-2,5)	Lipaza trzustkowa (pH 7,8–8,0)
Amylaza słodowa (ph 4,5)	Lipaza wątrobowa (pH 8,3)
Karboksylaza drożdżowa (ph 4,8)	Trypsyna (pH 8-10)

d) obecność aktywatorów i inhibitorów (przykłady).

INHIBITORY:

Wśród inhibitorów reakcji enzymatycznych wyróżniamy 2 podstawowe rodzaje: kompetycyjne(współzawodnicze) i niekompetycyjne( niewspózawodnicze. Są to subst. wyst. naturalnie w organizmie lub wprowadzane do niego z zewnątrz. Inhibitory wspózawodnicze wykazują podobieństwo strukturalna do substratu, a inhibitory niewspózawodnicze są reprezentowane przez substancej nie podobne strukturalnie do substratu. Przy dużych stężeniach substratu działanie inhibitora może być zniesione ponieważ duże stężenie substratu będzie z powodzeniem współzawodniczyć z cząsteczką inhibitora o wiązanie w miejscu aktywnym enzymu. Inhibitor wiąże się odwracalnie w innym miejscu enzymu nie jego miejsce aktywne co powoduje zmianę przestrzennego kształtu enzymu co prowadzi do zmniejszenia aktywności katalitycznej.

Inhibicja kompetycyjna Zgodnie z nazwą jest to współzawodniczenie między inhibitorem a substratem o centrum aktywne enzymu. Inhibitor posiada strukturę podobną do substratu a kompleks El (enzym-inhibitor) nie jest zdolny do dalszej przemiany. Typowym przykładem jest hamowanie kompetycyjne przemiany bursztynianu do fumaranu, katalizowanej przez dehydrogenazę bursztynianową. Inhibitorami kopetycyjnymi mogą być niekiedy produkty działania enzymów, nagromadzające się w znacznych ilościach w komórce. Wiele różnorodnych środków leczniczych, niektóre pestycydy, antybiotyki, antywitaminy działają często jaki inhibitory kompetycyjne reakcji enzymatycznych.

Inhibicja niekompetycyjna - hamowanie niewspółzawodnicze, czyli nie polega na współzawodnictwie substratu i inhibitora o centrum aktywne enzymu. Hamowanie niewspółzawodnicze zależy od stężenia inhibitora, niezależnie od stężenia substratu w środowisku reakcji. Inhibitor może się łączyć z zarówno wolnym enzymem jak i z kompleksem ES. Jest to typ inhibicji odwracalnej enzymów.

Aktywatory enzymów :Aktywatory- są to substancje zwiększające szybkość reakcji enzymatycznej lub zwiększające powinowactwo enzymu do substratu.

Grupy aktywatorów enzymów.

-wiele enzymów zwłaszcza proteolitycznych tworzy się w postaci nieczynnych proenzymów (np. trombina z protrombiny). Jest tu kaskadowy mechanizm aktywacji enzymu krzepnięcia krwi. Pepsynogen w pepsynę, trypsynogen w trypsynę.

-aktywacja może nastąpić w obecności wolnych grup SH, które ujawniają się w warunkach beztlenowych.

-jony niektórych metali jak jony magnezu czy potasu stabilizując strukturę enzymu lub ułatwiając wiązanie cząsteczek substratu (np. tworzenie mostków magnezowych dla grup fosforanowych).

Aktywacja niektórych enzymów może wymagać obecności i przyłączenia reszty kwasu fosforowego do grupy OH takich aminokwasów jak seryna, treonina, tyrozyna, tworząc fosforoenzymy.

1. Pojęcia:

a) proenzym- nieaktywny prekursor enzymu, wymagający do uaktywnienia jakiejś nieodwracalnej zmiany (np. proteolizy fragmentu cząsteczki przesłaniającej centrum aktywne enzymu). Przykładami proenzymów są:

-pepsynogen

-trypsynogen,

-chymotrypsynogen

-prokarboksypeptydaza A i B

-proelastaza

heteroenzymy– różne formy molekularne tego samego enzymu występujące u różnych gatunków

izoenzymy- różne formy molekularne tego samego enzymu, uwarunkowane genetycznie, katalizujące tę samą reakcję chemiczną, występujące w różnych narządach bądź tkankach tego samego organizmy. Izoenzymy różnią się właściwościami fizykochemicznymi (ruchliwość elektroforetyczna – diagnostyka, optimum pH, pI, wrażliwość na inhibitory itp.)

b) apoenzym-  białkowe części enzymu, które po połączeniu z odpowiednimi koenzymami lub grupami prostetycznymi tworzą holoenzymy. Z reguły dopiero holoenzym jest w pełni funkcjonalnym enzymem, bowiem koenzymy odgrywają kluczową rolę w mechanizmie reakcji enzymatycznej. Apoenzym decyduje o swoistości enzymu oraz często o rodzaju reakcji jaką enzym jest zdolny katalizować.

Koenzym-substancje, które są niezbędne do aktywności enzymu i same współdziałają w katalizowanej reakcji.Reakcja enzymu z substancjami niebiałkowymi.Część niebiałkowa enzymu nietrwale połączona z apoenzymem.Do koenzymów zalicza się np. NAD,NADP, niektóre witaminy: K, B₁.

holoenzymy- cząsteczka enzymu będącego białkiem złożonym. Składa się z części białkowej - apoenzymu i części niebiałkowej - kofaktora (koenzym lub grupa prostetyczna). Dopiero gdy obydwie te części są ze sobą połączone, enzym stanowi funkcjonalną całość - holoenzym. 

c) grupa prostetyczna- część niebiałkowa. Pojęcia tego używa się w odniesieniu do białek złożonych, a zwłaszcza enzymów, określając składnik związany z białkiem / apoenzymem. Grupa prostetyczna jest trwale połączona z częścią białkową. Może to być np. jon metalu lub grupa hemowa.

koenzym substancje, które są niezbędne do aktywności enzymu i same współdziałają w katalizowanej reakcji. Reakcja enzymu z substancjami niebiałkowymi. Część niebiałkowa enzymu nietrwale połączona z apoenzymem.Do koenzymów zalicza się np.NAD,NADP, niektóre witaminy: K, B₁.

Enzymy to białka o własnościach katalitycznych, które posiadają zdolność zwiększania szybkości reakcji chemicznej. Obniżają energię aktywacji, same jednak nie ulegają przemianie, dlatego nie zużywają się bezpośrednio w wyniku reakcji. Większość enzymów składa się z:

-części białkowej, czyli apoenzymu,

-części niebiałkowej, czyli grupy prostetycznej lub koenzymu.

Koenzym to uczestnicząca w reakcji enzymatycznej niebiałkowa część enzymu nietrwale związana z częścią białkową (apoenzymem). Bierze udział w przenoszeniu elektronów, protonów lub grup atomów w trakcie katalizowanej reakcji. Wśród koenzymów wymienić można:

 ATP(adenozynotrifosforan), 

NAD (dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy), 

NADP (fosforan dinukleotydu niktynoamidoadeninowego),

 FMN (mononukleotyd flawinowy), 

FAD (dinukleotyd flawinoadeninowy),

CoA (koenzym A), 

CoQ (koenzym Q) 

oraz wiele innych.