ENZYMY:
Biokatalizatory biorące udział w każdej reakcji chemicznej w każdym żywym organizmie. Enzymy stanowią największą i najbardziej wyspecjalizowaną grupę związków o charakterze białkowym. Mogą one być białkami prostymi lub złożonymi. Część białkowa enzymów nazywana jest apoenzymami i w niej zlokalizowane jest zdolność do rozpoznawania właściwego substratu. Częścią niebiałkową (jeśli istnieje) mogą być odpowiednie koenzymy, jony różnych metali, które mają duży wpływ na typ katalizowanych reakcji. Czasem część niebiałkowa jest bardzo silnie (nawet trwale) związana z apoenzymem. Wówczas nazywamy ją grupą prostetyczną, lecz najczęściej część niebiałkowa ulega oddysocjowaniu, i po reakcji nazywamy ją typowym koenzymem. Główną funkcją enzymów jest obniżenie energii aktywacji, tj. energii niezbędnej do osiągnięcia stanu aktywnego (przejściowego) cząsteczki, gdyż jedynie cząsteczki o podwyższonym poziomie energii swobodnej mogą uczestniczyć w reakcji. Enzymy zmniejszając barierę energetyczną umożliwiają przejście bezwładności chemicznej cząsteczki. Aby mogła mieć miejsce kataliza przy udziale enzymu niezbędne jest utworzenie kompleksy enzymu z substratem. Substrat ulega związaniu w specyficznym rejonie enzymu przy udziale reaktywnych grup substratu oraz reagujących z nim gr. funkcyjnych enzymu. Gr. funkcyjne enzymu znajdujące się w określonym układzie przestrzennym wzajemnie ze sobą współdziałające w połączeniu substratu nazywamy centrum aktywnym enzymu. Grupy te najczęściej pochodzą od aminokwasów znacznie od siebie oddalonych w łańcuchu polipeptydowym, lecz dzięki odpowiedniemu przestawnemu ułożeniu łańcucha są do siebie zbliżone te aminokwasy, które delegują swoje gr. funkcyjne do centrum aktywnego. Te aminokwasy nazywamy kontaktowymi. Wśród nich najważniejsze to: cysteina, seryna, kw. glutaminowy, lizyna, histydyna, arginina. Centrum aktywne enzymu zajmuje stosunkowo niewielką objętość, tj. miej niż 1% objętości całego enzymu i znajduje się w zagłębieniu cząsteczki w miejscu niedostępnym dla cząsteczek wody. Pomimo, że centrum aktywne tworzą gr. polarnych to samo zagłębienie ma charakter apolarny tworzone przez takie aminokwasy jak walina, leucyna i izoleucyna.

Podstawą reakcji enzymatycznej jest utworzenie kompleksu enzym - substrat (ES). Kompleks może tworzyć się:
a) Gdy struktura substratu jest dopasowana do struktury centrum aktywnego enzymu, wówczas mówimy o tzw. teorii klucza i zamka.
b) Wiadomo, że struktury enzymu i substratu nie są do końca sztywne i podlegają modyfikacji wynikającej z indukcyjnego dopasowania się enzymu do substratu. Teorię tę nazywamy teorią Koszlanda inaczej teorią indukcyjnego dopasowania się (kompleks ES)
I. Wpływ enzymu na szybkość reakcji enzymatycznej
1) Stężenie enzymu - w warunkach nadmiaru substratu szybkość reakcji enzymatycznej jest wprost proporcjonalna do stężenia enzymu i do czasu reakcji.
2) Stężenie substratu - w warunkach niskich stężeń substratu obserwuje się nadmiar enzymu nad substratem (jedynie częściowe wysycenie enzymu substratem). Reakcja przyśpiesza proporcjonalnie do zwiększonego stężenia substratu. Przy dalszym wzroście stężenia substratu obserwuje się przyrost szybkości reakcji, lecz zależność ta nie jest już wprost proporcjonalna. Wynika to z faktu, że coraz większa część cząsteczek enzymu jest wysycona substratem i tylko niektóre cząsteczki enzymu są wolne i wchodzą po raz pierwszy w reakcję powodując jej przyśpieszenie. Przy dalszym zwiększeniu stężenia substratu osiąga się maxymalną szybkość reakcji (Vmax), przy której wszystkie cząsteczki enzymu są wysycone substratem. W reakcję mogą wejść tylko te cząsteczki, które uwalniają się dając produkt i enzym. Każdy enzym charakteryzuje się wartością Km. Km jest to stała Michaelisa-Menten. Jest to takie stężenie substratu, przy którym szybkość reakcji równa się połowie szybkości maxymalnej. Wartość Km mówi o powinowactwie enzymu do substratu i im wyższa wartość Km tym niższe powinowactwo i odwrotnie.
3) Temperatura - ponieważ enzymy są białkami stąd też wraz ze wzrostem temperatury rośnie intensywność denaturacji tych białek, tzn. że wraz ze wzrostem temperatury maleje ilość cząsteczek biorących udział w reakcji. Z drugiej strony reakcje enzymatyczne podlegają tym samym prawom, co inne reakcje chemiczne np. prawu Van`t Hoffa. Prawo Van`t Hoffa mówi, że wzrost temperatury o 10O może przyśpieszyć 2-3 krotnie szybkość reakcji. Każdy enzym posiada temperaturę optymalną tj. taką, przy której stopień denaturacji enzymu jest jeszcze niewielki, a temperatura enzymu zależy od warunków, w których te enzymy funkcjonują. Mają strukturę przestrzenną dostosowaną do temperatury życia organizmu
4) Wpływ pH - każdy enzym posiada odpowiednie optimum pH swojego działania. Niewielkie odchylenia od optimum powodują zwolnienie szybkości reakcji. Wynika to stąd, że jony H+ bądź też OH- zmieniają stopień dysocjacji grup funkcyjnych enzymu. Dotyczy to zwłaszcza grup funkcyjnych obecnych w centrum aktywnym i znajdujących się w bliskim sąsiedztwie centrum aktywnego. Powstaje inny układ ładunków w cząsteczkach, a tym samym inna struktura centrum. Przy wyższych odchyleniach od optimum pH następuje zniszczenie wiązań stabilizujących strukturę przestrzenną enzymu tym samym jego denaturację. Wartość pH dla enzymu może zależeć od miejsca działania tego enzymu (np. pepsyna w soku żołądkowym - pH 2,2, trypsyna w jelicie 7,8). Wartość pH może zależeć od substratu czy też od różnych kofaktorów uczestniczących w reakcji.
II. Czynniki hamujące reakcje enzymatyczne
1) Inaktywatory działające niespecyficznie. Najważniejsze to:
- Wysoka temperatura
- Skrajne odchylenie pH
- Metale ciężkie
- Rozpuszczalniki organiczne (etanol, benzen
2) Inhibitory - grupa czynników działających specyficznie, czyli określone substraty działają na określone enzymy. Wśród inhibitorów wyróżniamy:
- Inhibitory działające nieodwracalnie - Inhibitory działające nieodwracalnie tworzą wiązania kowalencyjne z enzymem i odwrócenie tego zjawiska jest wyjątkowo skomplikowane i wymaga specyficznych zabiegów.
- Inhibitory działające odwracalnie:
· Inhibitory współzawodniczące (kompetycyjne)
· Inhibitory nie współzawodniczące (niekompetycyjne)
- Inhibicja kompetycyjna: polega na współzawodnictwie pomiędzy substratem i inhibitorem o centrum aktywne enzymu. Zawsze substrat i inhibitor przyłączane są do centrum aktywnego. Inhibitor musi być strukturalnie podobny do substratu. Stopień zahamowania reakcji zależy od stosunku stężenia inhibitora do stężenia substratu. Inhibicję tę można cofnąć zwiększając stężenie substratu. Najprostszym przykładem inhibicji kompetycyjnej jest działanie kwasu malonowego HOOC-CH2-COOH, który hamuje reakcję katalizowaną przez dehydrogenazę bursztynową.
- Inhibicja niekompetycyjna: inhibitor może zarówno przyłączyć się do centrum aktywnego jak i w innym miejscu niż centrum aktywne. Zazwyczaj przyłącza się gdzieś indziej. Stopień zahamowania przy tym typie inhibicji zależy wyłącznie od stężenia substratu. Można ją cofnąć jedynie wprowadzając związek o wysokim powinowactwie do inhibitora. Związek ten uwolni enzym od inhibitora sam tworząc z nim połączenie.
Przykłady inhibicji niewspółzawodniczącej (niekompetycyjnej):
- Działanie jonów metali ciężkich np. Hg, Cu, które wiążą grupy SH cysteiny w centrum aktywnym enzymu - tworzą się mekaptydy.
- Działanie cyjanków czy azydków i fluorków na enzymy wymagające do swej aktywności jonów żelaza. Związki te tworzą kompleksy z jonami Fe powodując obniżenie aktywności.
III. Sposoby aktywacji enzymów (przyśpieszenie V reakcji)
1. Przekształcenie nieaktywnej formy enzymów w formę aktywną. Ma to miejsce głównie przy aktywacji enzymów protolitycznych np. pepsyny, trypsyny. Aktywacja ta polega na odłączeniu od nieaktywnej formy (proenzymu) peptydu lub kilku peptydów. Po odłączeniu tych peptydów zmienia się struktura przestrzenna pozostałej części enzymu na taką, która umożliwia powstanie centrum aktywnego. Np.:
Pepsynogen ® pepsynę
Trypsynogen ® trypsynę
2. Regulacja potencjału redox w środowisku gdzie enzym występuje. Enzymy cysteinowe (posiadające w centrum aktywnym grupę SH) są silnie aktywowane przez takie związki jak glutation (zredukowany), cysteina (jako wolny aminokwas), kwas askorbinowy.
3. Wprowadzenie niskocząsteczkowych kofaktorów np. aktywność syntetazy glutaminowej jest przyśpieszana przez jony Mg2+, aktywność a-amylazy jest silnie przyśpieszana przez Cl-, aktywność arginazy jest aktywowana przez jony Mn2+.
SPOSÓB REGULACJI:
Enzymy allosteryczne (regulatorowe) posiadają oprócz centrum aktywnego drugie centrum tzw. allostryczne. Enzymy mogą być zbudowane z jednej podjednostki i wówczas w niej zlokalizowane są obydwa centa, lub zbudowane jest, z co najmniej 2 podjednostek gdzie centrum aktywne jest umieszczone w podjednostce katalitycznej, a centrum allosteryczne w podjednostce regulatorowej. Pod wpływem przyłączonego efektora allosterycznego (do centrum allosterycznego) następują zmiany struktury wtórnej białka zwłaszcza 3-cio i 4-to rzędowej. Zmiany struktury wtórnej w podjednostce regulatorowej pośrednio oddziaływują na strukturę podjednostki katalitycznej zmieniając centrum aktywne. Ten typ regulacji ma miejsce zarówno przy hamowaniu jak i aktywacji enzymów.
Jednym ze sposobów regulacji aktywności enzymów opartym na efekcie allosterycznym jest sprzężenie zwrotne. Polega ono m.in. na tym,że końcowy produkt ciągu reakcji jest efektorem allosterycznym enzymu katalizującego pierwszą reakcję lub jedną z początkowych. Efektorem tym jest efektor negatywny. Związek będący substratem, który gromadzi się w nadmiernych ilościach może być efektorem allosterycznym pozytywnym dla wielu reakcji, które zaangażowane są w jego rozkład.
Rola hormonów w aktywacji enzymów:
Hormony np. adrenalina za pośrednictwem receptorów umieszczonych na zewnętrznej powierzchni błon komórkowych może aktywować szereg enzymów. Adrenalina w pierwszej kolejności aktywuje cyklazę adenylową zlokalizowaną na wewnętrznej stronie błony komórkowej ( naprzeciw receptora). Aktywcja cyklazy jest na tyle ważna, że powstały cAMP ( cykliczny adenozynomonofosforan) jest efektorem allosterycznym dla kinaz białkowych. Z kolei kinazy białkowe modyfikują szereg białek aktywując je. Tak więc rola adrenaliny czy też innych hormonów polega na tym, że wywołują one kaskadowo działające mechanizmy aktywacji. Tak więc pamiętajcie dzieci, że na kolosie z biobzdur wytwarza nam się cAMP.
Każdy enzym charakteryzuje się określoną specyficznością substratową. Pod jej pojęciem rozumiemy możliwość wyboru przez dany enzym jednego związku lub grupy związków strukturalno podobnych substancji.
Do najważniejszych typów specyficzności substratowej zaliczamy:
1. Specyficzność absolutna - polega na tym, że enzym może przekształcić tylko jeden związek jako substrat np. ureaza lub mocznik jako substrat.
2. Specyficzność grupowa - enzym może katalizować przekształcanie kilku związków jako substraty. Związki te muszą charakteryzować się wspólną cechą np. fosfatazy przekształcają monoestry fosforanowe.
3. Specyficzność stechiometryczna
a) Specyficzność stosunku do szeregu L lub D np. syntetaza glutaminy wykorzystuje tylko L - glutaminian jako substrat.
b) Specyficzność do izomerii cis lub trans np. hydroliaza jabłczanowa przyłącza cząsteczkę wody tylko do fumaranu (trans)
c) Specyficzność do wiązania a lub b np. a-glikozydaza rozkłada tylko wiązania typu a. a-amylaza rozkłada wiązanie a-1,4-glikozydowe.
d) Specyficzność do miejsca ataku (miejsce wiązania rozkładanego) np. endopeptynaza cysteinowa rozkłada tylko wiązania peptydowe wewnątrz łańcucha (nigdy na skraju), aminopeptydaza leucynowa atakuje skrajne wiązania peptydowe od N-końca.
Jednostki aktywności:
1. Jednostka międzynarodowa, standardowa, uniwersalna, jest to tak ilość enzymu, która przekształca 1 mmol substratu w ciągi 1 min w optymalnym pH w temp 30OC i przy nadmiarze substratu.
2. Katal - jest to taka ilość enzymu, która przekształca 1 mol substratu w ciągu 1 sec w temp 30OC przy optymalnym pH i przy nadmiarze substratu. Ponieważ jest to jednostka bardzo duża, dlatego stosuje się częściej milikatale, mikrokatale, nanokatale.
3. Aktywność właściwa - jest to ilość jednostek uniwersalnych standardowych lub katali przeliczona na 1mg białka przy optymalnym pH. Tę jednostkę stosuje się najczęściej przy oczyszczaniu enzymów.
4. Liczba obrotów (aktywność molekularna) - jest to ilość moli substratu przekształcona przez 1 mol enzymu w ciągu 1 min w temp 30OC przy optymalnym pH. Stosuje się ją wtedy, gdy znana jest masa molowa enzymy jak również liczba centrów aktywnych.
Klasy enzymów i nazewnictwo:
Nazwy enzymów systematyczne jak i potoczne najczęściej składają się z 2 elementów. Pierwszy mówi o klasie, do której należy enzym. Drugi element nazwy wskazuje na substrat lub substraty w przypadku oksyreduktaz, a w przypadku transferaz o donorze i akceptorze.
W klasyfikacji systematycznej enzymy oznacza się wg kodu liczbowego czterema cyframi przedzielonymi kropkami. Pierwsza cyfra kodu zawsze mówi o klasie enzymu. Wyróżniamy 6 podstawowych klas enzymów (Kolejność bardzo ważna!!!):
1. Oksydoreduktazy
2. Transferazy
3. Hydrolazy
4. Liazy
5. Izomerazy
6. Ligazy (Syntetazy)
Ad. 1 Oksydoreduktazy: katalizują reakcję przeniesienia elektronów i protonów lub bezpośrednio wiązania O2 (przyłączenie do substratów). Do najważniejszych podklas oksydoreduktaz należą:
- Dehydrogenazy - katalizują przeniesienie elektronów i protonów substratu na utlenione koenzymy.
- Reduktazy - przenoszą elektrony i protony z przenośników łańcucha oddechowego na inne układy.
- Oksydazy - aktywują tlen przenosząc elektrony z różnych substratów na cząsteczkę O2.
- Peroksydazy - utleniają substraty rozkładając H2O2.
- Oksygenazy - przyłączają O2 do związków organicznych z jednoczesnym przeniesieniem protonów i elektronów.
Ad. 2 Transferazy: katalizują reakcje przeniesienia grup między substratami. Podklasy to:
- Aminotransferazy - przenoszą grupy aminowe z aminokwasów na oksokwasy.
- Fosfotransferazy (kinazy) - przenoszą reszty fosforanowe między substratami.
- Metylotransferazy - przenoszą grypy CH3 między substratami.
- Acylotransferazy - przenoszą reszty acylowe między produktami.
Ad. 3 Hydrolazy: katalizują reakcje rozkładu związków przy udziale cząsteczek H2O (hydroliza). Podklasy to:
- Esterazy - hydrolizują wiązanie estrowe.
- Glikozydazy - hydrolizują wiązanie glikozydowe.
- Peptydazy - hydrolizują wiązanie peptydowe.
Ad. 4 Liazy: katalizują reakcję rozpadu wiązań, ale bez udziału H2O. Wśród tej klasy są też syntazy, które katalizują reakcje odwracalne z równowagą przesuniętą w kierunku syntezy. Enzymy te działają na takie wiązania jak
- C-C (dekarboksylazy),
- C-S (desulfhydrazy),
- C=O (hydroliazy),
- C-N (deaminazy)
Ad. 5 Izomerazy: katalizują reakcje przekształceń wewnątrz cząsteczkowych. Podklasy to:
- Racemazy - przekształcają izomerię L w D.
- Epimerazy - przekształcają fazy a w b.
- Izomerazy cis i trans np. maleinian, fumaran.
Ad. 6 Ligazy (Syntetazy): katalizują reakcje syntezy nowych wiązań w wykorzystaniem energii związków makroergicznych (ATP, GTP, UTP). Enzymy z tej klasy wytwarzają wiązania C-C, C-N, C=O, C-S.
IZOENZYMY:
Są to zróżnicowane strukturalnie formy określonego enzymu zdolne do katalizy tej samej reakcji, lecz powstające przy udziale różnych genów strukturalnych. Izoenzymy różnią się od siebie nie tylko pod względem struktury 1-szo rzędowej, ale też mogą mieć inne optimum pH, inną optymalną temperaturę, inną masę molową, inne wartości Km (powinowactwo substratowe), inną lokalizację wewnątrzkomórkową. Najlepiej poznanymi izoenzymami są izoenzymy dehydrogenazy mleczanowej. Izoenzymy te zbudowane są z 2 lub z jednego typu podjednostek, z czego wszystkie są tetramerami. Wyróżnia się 5 izoform:
- H4 - same formy H
- H3N1 - 3 formy H i 1 forma N
- H2N2 - ------ęę-------
- HN3 - ------ęę-------
- N4 - ------ęę-----

---