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

8. Kinetyka reakcji enzymatycznych:

a/ założenia Michaelisa - Menten (M-M):

• tworzenie się kompleksu enzym-substrat - E∗S

• reakcja jednosubstratowa - E + S ↔ E∗S ↔ E∗P ↔ E + P

analiza przebiegu reakcji w początkowym (v_o), bardzo krótkim przedziale czasu; tylko wówczas znamy stężenie substratu ([S_o]) i można pominąć wpływ bardzo niskiego stężenia produktu a powyższa reakcja upraszcza się do - k₁ k₂

E + S ↔ E∗S → E + P

k_-1

• stężenie molowe substratu wielokrotnie wyższe niż stężenie molowe enzymu, utrzymuje się tzw. stan stacjonarny - stałe stężenie kompleksu E∗S przy zmieniających się stężeniach substratu (maleje) i produktu (wzrasta)

b/ analiza stanu stacjonarnego - stanu zrównoważonych szybkości tworzenia i rozpadu

E∗S - prowadzi do zależności początkowej szybkości reakcji enzymatycznej (v_o)

od początkowego stężenia substratu ([S_o]):

V_max • [S_o]

v_o = K_m = k_-1 + k₂ / k₊₁ - stała M-M, V_max - szybkość maksymalna

K_m + [S_o] wykresem tej zależności v_o od [S_o] jest krzywa hiperboliczna

c/ znaczenie poszczególnych parametrów kinetycznych reakcji enzymatycznej:

• K_m - określa powinowactwo substratu do enzymu; stężenie substratu, przy

którym szybkość reakcji równa się 0.5•V_max; jednostki stężenia [=] M;

najczęstsze wartości w zakresie stężeń μM-mM

• k₂ ≡ k_kat - stała szybkości reakcji powstawania produktu, tzw. liczba obrotów - ilość moli produktu tworzonych w jednostce czasu (s) przez jeden mol enzymu; jednostki odwrotności czasu [=] s^-1, wartości wahają się w granicach od rzędu 10⁶ do mniejszych niż 1

• V_max - maksymalna prędkość katalizowanej reakcji przy danym stężeniu enzymu - aktywność enzymu; jednostki stężenia/czas, najczęściej stosowane μM/s lub mM/s

• k_kat /K_m - najlepiej określa skuteczność enzymu, jego sprawność przy stężeniach substratu znacznie poniżej wartości K_m (odpowiada to często warunkom fizjologicznym); dla najskuteczniejszych enzymów k_kat /K_m ≈ k₁ co oznacza, że wydajność katalizowanych przez nie reakcji jest ograniczona jedynie dyfuzją cząsteczek w roztworze i nie może przekroczyć wartości 10⁸-10⁹ M^-1s^-1

• wyznaczanie wartości K_m i V_max - stosowanie odwróconej postaci zależności M-M; wyrażenie Lineweavera-Burka - 1/v_o = 1/V_max + K_m/V_max • 1/[S_o] - wykres zależności 1/v_o od 1/[S_o] to linia prosta z charakterystycznymi punktami przecięcia osi 1/[S_o] = -1/ K_m a osi 1/v_o = 1/V_max

9. Wyznaczanie i sposoby wyrażania aktywności enzymów - konieczność znajomości i stosowania optymalnych warunków przebiegu reakcji katalizowanej przez dany enzym:

a/ K_m - stosuje się wysycające stężenia substratów - [S] > K_m

b/ niezbędne kofaktory - indywidualny dobór rodzaju i stężeń

c/ pH - indywidualna zależność

d/ temperatura (T) - zasadniczo jednakowa zależność dla większości enzymów z

maksimum aktywności dla około 40^oC

e/ jednostki aktywności:

• jednostki międzynarodowe (IU, U): 1U to aktywność wytwarzająca 1μmol produktu/min

• katale: 1kat to aktywność wytwarzająca 1 mol produktu/s; 1katal=6•10⁷ U, 1U=16.67 nKat

10. Kinetyka niehiperboliczna:

• wiele enzymów nie wykazuje hiperbolicznej zależności v_o od [S_o], wykres ma najczęściej kształt sigmoidalny (przypomina krzywą wysycenia Hb tlenem) co generalnie sygnalizuje zjawisko allosterii z dodatnią kooperacją co najmniej dwóch centrów aktywnych - są to tzw. enzymy allosteryczne, zbudowane zasadniczo z wielu identycznych lub różnych podjednostek, które współpracują, kooperują ze sobą (patrz HEMOGLOBINA p. 8 i 9)

• zależność v_o od [S_o] dla enzymów allosterycznych najlepiej opisuje wyrażenie Hilla - v_o/V_max = [S_o]ⁿ/(K_0.5) ⁿ + [S_o]ⁿ - gdzie K_0.5 odpowiada K_m dla enzymów M-M, a n (n_H) to współczynnik kooperacji Hilla; gdy wartość n_H > 1 krzywa wykazuje typowy dla niemal wszystkich enzymów allosterycznych kształt sigmoidalny (wyraz kooperacji pozytywnej (patrz też Y w funkcji pO₂ dla Hb)); natomiast gdy n_H = 1 to otrzymujemy zależność M-M !; wykres Lineweavera-Burka (1/v_o od 1/[S_o]) dla enzymów allosterycznych nie jest linia prostą!

• efektory allosteryczne - inne niż substrat(y) ligandy enzymów allosterycznych, które wiążąc się do enzymu odwracalnie w miejscach innych niż centrum(a) aktywne zmieniają ich aktywność względem katalizowanej reakcji:

- inhibitory allosteryczne - zmniejszają aktywność enzymu - krzywa

sigmoidalna „przesuwa się w prawo” (kładzie się)

- aktywatory allosteryczne - zwiększają aktywność enzymu - krzywa

sigmoidalna „przesuwa się w lewo” (podnosi się)

• modele funkcjonowania enzymów allosterycznych:

- jednoprzejściowy (Monod-Wyman-Changeau) zakłada, że efektor

allosteryczny wiążąc się do jednej tylko podjednostki wywołuje analogiczne

zmiany powinowactwa i aktywności wszystkich podjednostek danego

enzymu

- sekwecyjny (Koshlanda) zakłada, że efektor allosteryczny wiążąc się do

jednej podjednostki wywołuje zmiany powinowactwa i aktywności tej

podjednostki i nic nie potrafimy powiedzieć na temat charakteru zmian

powinowactwa i aktywności pozostałych podjednostek danego enzymu

• enzymy allosteryczne ”klasy K” - efektory allosteryczne nie zmieniają szybkości maksymalnej V_max z jaką enzym katalizuje daną reakcję natomiast inhibitor allosteryczny zmniejsza aktywność takiego enzymu poprzez zwiększanie wartości K_0.5 dla substratu(ów) a aktywator allosteryczny zwiększa aktywność enzymu poprzez zmniejszenie K_0.5 - zdecydowana większość enzymów allosterycznych naturalnie funkcjonujących w żywych organizmach należy do ”klasy K”

11. Kontrola aktywności enzymów występująca w organizmie:

a/ zwiększenie lub zmniejszenie efektywności ekspresji genu(ów) kodującego(ych)

enzym - synteza enzymu lub jej zahamowanie (zmiana ilości enzymu)

b/ aktywacja zymogenowa - aktywacja enzymu syntetyzowanego i występującego w

postaci nieaktywnego proenzymu (zymogenu); dotyczy m.in. enzymów

proteolitycznych przewodu pokarmowego jak pepsynogen (pepsyna), trypsynogen

(trypsyna), chymotrypsynogen (chymotrypsyna), proelastaza (elastaza) czy kaskady

krzepnięcia krwi (protrombina -trombina) i polega na usunięciu różnej długości

fragmentów łańcuchów polipeptydowych tych proenzymów

c/ regulacja aktywności enzymów allosterycznych poprzez efektory allosteryczne,

których stężenia zmieniają się w trakcie przemian zachodzących w organizmie

d/ modyfikacja kowalencyjna - regulacja aktywności enzymu występującego w

komórce poprzez odwracalne, kowalencyjne przyłączanie do łańcuchów bocznych

niektórych aminokwasów czynnika modyfikującego: głównie jest to fosforylacja

grup hydroksylowych seryn, treonin lub tyrozyn ale także pierścienia imidazolowego

histydyny

12. Hamowanie aktywności enzymów czynnikami (inhibitory) nie będącymi naturalnymi

składnikami środowiska katalizowanych przez nie reakcji:

a/ inhibicja nieodwracalna - najczęściej kowalencyjna modyfikacja łańcuchów bocznych

aminokwasów centrum aktywnego lub katalitycznego, organizm nie posiada

enzymów, które mogłyby rozciąć tak powstałe wiązanie, stąd nosi ono charakter

trwałego i wyłącza zmodyfikowane cząsteczki enzymu z udziału w katalizie

- aspiryna (kwas acetylosalicylowy) acetyluje serynę (via grupa -OH) centrum

aktywnego cyklooksygenazy i wpływa w ten sposób na przemiany kwasu

arachidonowego i syntezę związków uczestniczących i towarzyszących

szeroko rozumianemu procesowi zapalnemu

- DFP (diizopropylofluorofosforan) i inne halogenopochodne związków

fosforoorganicznych (np. sarin - gaz bojowy czy liczne pestycydy) reagują z

grupą -OH seryny centrum aktywnego wielu hydrolaz jak np.

acetylocholinesterazy, enzymu odpowiedzialnego za hydrolizę acetylocholiny,

zahamowanie jego aktywności powoduje utrzymujące się pobudzenie

cholinergicznych zakończeń nerwowych; podobne pochodne siarczanów

organicznych jak PMSF (fluorek fenylometylosulfonylu) reagują z grupami -

OH reszt seryn licznych proteaz serynowych jak np. trypsyna

- jodooctan lub amid kwasu jodooctowego reagują z grupami -SH łańcuchów

bocznych cystein obecnych w centrum aktywnym wielu enzymów; podobną

reaktywność wykazują jony metali ciężkich jak rtęci czy ołowiu (Hg⁺², Pb⁺²)

- penicylina należy do inhibitorów przypominających działanie tzw.

”substratów samobójców”- modyfikuje kowalencyjnie centrum aktywne

peptydylotransferazy glikopeptydów, której aktywność jest niezbędna licznym

szczepom bakterii dla budowania szczelnych ścian komórkowych; penicylina

jako analog ”stanu przejściowego” wiąże się efektywnie z centrum aktywnym

tego enzymu i tworzy estrowe połączenie z łańcuchem bocznym obecnej tam

seryny nie dopuszczając do budowania przez bakterie zabezpieczających je

ścian komórkowych

b/ inhibicja odwracalna - przejściowe, odwracalne wiązanie inhibitorów co prowadzi do

czasowego wyłączenia cząsteczek enzymów wiążących inhibitor z udziału w katalizie

• hamowanie kompetycyjne - inhibitor wykazuje strukturalne podobieństwo do substratu i konkuruje, współzawodniczy z nim o związanie się w centrum aktywnym (E∗): wytworzenie kompleksu z inhibitorem (E∗I) wyłącza enzymu z udziału w katalizie ale wzrost stężenia substratu usuwa efekt działania inhibitora - ↑[S] ⇒ ↑v_o , V^I_max = V_max , K^I_m = K_m•(1+ [I]/K_i) ; analiza wykresów obrazujących zależność v od [S] i 1/v od 1/[S];

poszukiwania inhibitorów kompetycyjnych znajdują się w centrum

zainteresowania nauk biomedycznych (na przykład metotreksat i amino-

pteryny jako inhibitory przemian kwasu foliowego i syntezy DNA w leczeniu

nowotworów, azaseryna jako analog kwasu glutaminowego i sulfonamidy

jako analogi kwasu p-aminobenzoesowego stosowane w zwalczaniu infekcji

bakteryjnych poprzez blokowanie syntezy kwasu foliowego)

• hamowanie niekompetycyjne (klasyczne) - inhibitor nie wykazuje podobieństwa do substratu i łączy się zarówno z samym enzymem (E◊I) jak i z kompleksem enzym-substrat (I◊E∗S) w innym niż substrat miejscu powodując w obu przypadkach wyłączenie enzymu z udziału w katalizie, spadek jego aktywności (szybkości maksymalnej), w tym wypadku wzrost stężenia substratu nie wpływa na efekt działania inhibitora - ↑[S] v_o , K^I_m = K_m , V^I_max = V_max/(1+ [I]/K_i); analiza wykresów obrazujących zależność v od [S] i 1/v od 1/[S]

• hamowanie akompetycyjne - inhibitor nie wykazuje podobieństwa do substratu a łączy się tylko z kompleksem enzym-substrat (I◊E∗S) w innym niż substrat miejscu powodując wyłączenie enzymu z udziału w katalizie, spadkowi aktywności enzymu (szybkości maksymalnej) towarzyszy spadek K_m co najczęściej tłumaczone jest zmniejszonym oddysocjowywaniem substratu pod wpływem inhibitora, w tym wypadku wzrost stężenia substratu zmniejsza szybkość reakcji - ↑[S] ⇒ ↓v_o , V^I_max = V_max/(1 + [I]/K_i), K^I_m = K_m/(1+ [I]/K_i); z tym typem hamowania mamy głównie do czynienia w reakcjach wielosubstratowych; analiza wykresów obrazujących zależność v od [S] i 1/v od 1/[S]

13. Klasyfikacja enzymów z uwzględnieniem koenzymów (grup prostetycznych):

a/ oksydoreduktazy - A_oks + B_red ⇔ A_red + B_oks - reakcje utleniania-redukcji

• dehydrogenazy - AH₂ + NAD⁺ (FAD) ⇔ A + NADH + H⁺ (FADH₂) koenzymy:

NAD⁺, rzadziej NADP⁺ - pochodne niacyny, witaminy PP (B₃)

FAD, rzadziej FMN - pochodne ryboflawiny, witaminy B₂

(przykłady - dehydrogenaza mleczanowa i bursztynianowa oraz mechanizmy

przenoszenia elektronów z udziałem tych koenzymów)

DPT (difosfotiamina) - pochodna tiaminy, witaminy B₁ , która wraz z

liponianem są niezbędnym elementem funkcjonalnym dehydrogenaz -

ketokwasów (pirogronian, -ketoglutaran i inne pochodne aminokwasów)

• oksydazy - AH₂ + O₂ ⇔ A + H₂O₂ ; koenzymy: FAD, FMN (przykłady - oksydaza glukozy, oksydazy L- i D-aminokwasów)

• oksygenazy:

- dioksygenazy - AH₂ + O₂ ⇔ A(OH) ₂ (niezbyt często występujące)

- monooksygenazy - AH + O₂ + NADP⁺ ⇔ A(OH) + H₂O + NAPDH

(hydroksylazy); koenzymem obok NADPH + H⁺ jest hem (cytochrom

P450, wiele reakcji przemian steroidów; procesy detoksykacji) a także

witamina C (np. reakcja hydroksylacji proliny w trakcie syntezy

kolagenu - hydroksylaza proliny)

• peroksydazy - AH₂ + H₂O₂ ⇔ A + 2H₂O ; koenzym - hem (przykład - peroksydaza glutationowa: 2GSH + H₂O₂ ⇔ GSSG + 2H₂O; enzym z selenocysteiną, uczestniczy w procesach usuwania reaktywnych form tlenu)

• katalaza - H₂O₂ + H₂O₂ ⇔ O₂ + 2H₂O; koenzym - hem (ważny enzym uczestniczący w procesach usuwania reaktywnych form tlenu)

b/ transferazy - A-B + C ⇔ A + B-C - reakcje przenoszenia fragmentów substratów

przykładem transferaz są kinazy, enzymy przenoszące resztę fosforanową (-P), której

najczęstszym donorem (kosubstratem) jest ATP- adenozynotrifosoforan: gluko- lub

heksokinaza katalizują reakcję: glukoza + ATP ⇔ glukozo-6-P + ADP

koenzymy:

DPT (difosfotiamina) - pochodna tiaminy, witaminy B₁ (transketolazy)

PLP( fosforan pirydoksalu) - pochodna pirydoksaminy, witaminy B₆

(aminotransferazy)

KoA (koenzym A) - pochodna kwasu pantoteinowego, witaminy B₅ (przenoszenie

reszt acetylowych - −CO(CH₃) i acylowych - −CO(R))

THF (tetrahydrofolian) - pochodna kwasu foliowego (przenoszenie licznych tzw.

fragmentów jednowęglowych)

metylokobalamina - pochodna cyjankobalaminy, witaminy B₁₂ (metylotransferaza

homocysteinowa)

c/ hydrolazy - A-B + H₂O ⇔ A-H + B-OH - reakcje hydrolitycznego rozczepienia

substratów: np. proteinazy i peptydazy - hydroliza wiązania peptydowego białek i

peptydów (chymotrypsyna, trypsyna, kolagenazy i inne); glikozydazy - hydroliza

wiązania glikozydowego oligo- i polisacharydów (przykładem jest lizozym); esterazy

jak choćby fosfatazy - glukozo-6-P + H₂O ⇔ glukoza + P_i (fosfataza glukozo-6-P),

nukleazy - hydroliza wiązań fosfodiestrowych w DNA i RNA czy lipazy - hydroliza

wiązań estrowych estrów kwasów karboksylowych

d/ liazy - A-B ⇔ A + B - reakcje rozczepienia lub tworzenia wiązań na innej drodze niż

hydroliza czy reakcje redoks

przykładem liaz są: dehydrataza węglanowa (Zn⁺²) - H₂O + CO₂ ⇔ HCO₃⁻ + H⁺

czy dekarboksylaza pirogronianowa, której koenzymem jest DPT (difosfotiamina)

a także liczne dekarboksylazy współpracujące z PLP (fosforanem pirydoksalu) jako

koenzymem

e/ izomerazy - A ⇔ izo-A - reakcje przekształcenia substratu w jego izomer

przykładem może być izomeraza fosfotrioz katalizująca reakcje:

aldehyd-3-fosfoglicerynowy ⇔ fosfodihydroksyaceton a także

mutaza metylomalonylo-KoA współpracująca z deoksyadenozylokobalaminą

jako koenzymem (pochodna witaminy B₁₂)

f/ ligazy - A + B + ATP ⇔ A-B + ADP + P_i - reakcje łączenia substratów (tworzenia

wiązań) w sprzężeniu z hydrolizy związku ”wysokoenergetycznego)

przykładem ligaz (zwanych czasami syntetazami) są karboksylazy współpracujące

często z biotyną jako koenzymem, jak choćby karboksylaza pirogronianowa:

pirogronian + CO₂ + ATP ⇔ szczawiooctan + ADP + P_i

14. Strategie katalityczne najczęściej wykorzystywane w reakcjach enzymatycznych:

a/ ogólna kataliza kwasowo-zasadowa - wykorzystanie możliwości przekazywania jonu

H⁺ pomiędzy substratem i łańcuchami bocznymi niektórych aminokwasów -

przykład hydrolitycznego rozczepiania przez rybonukleazę wiązań fosfodiestrowych

w RNA (rola histydyny) oraz przez lizozym wiązań glikozydowych w

polisacharydach ścian bakteryjnych (rola glutaminianu i asparaginianu, optimum pH)

b/ kataliza kowalencyjna - tworzenie przejściowego tetraedrycznego połączenia

enzymu z substratem (produktem) reakcji co umożliwia rozerwanie wiązania w

substracie, powstanie kowalencyjnego intermediatu enzym-substrat (produkt) i

uwolnienie ostatecznego produktu - przykład hydrolitycznego rozczepiania przez

chymotrypsynę niektórych wiązań peptydowych w białkach (centrum aktywne -

miejsce wiązania substratu; centrum katalityczne - rola triady katalitycznej

”asparaginian 102−histydyna 57−seryna 195”, nukleofilowy atak tlenu

grupy -OH ”aktywnej seryny” na węgiel wiązania peptydowego)

c/ kataliza z udziałem jonów metali - wykorzystanie jonów niektórych metali do

jonizacji H₂O i dzięki temu wytworzeniu warunków do zajścia katalizy

nukleofilowej - przykład syntezy kwasu węglowego przez dehydratazę węglanową

(liaza) z udziałem jonów Zn⁺² (rola histydyn w koordynacji jonu)oraz ataku

nukleofilowego grupy wodorotlenowej na węgiel CO₂ z ostatecznym wytworzeniem

jonu wodorowęglanowego (HCO₃⁻ ) i jonu H⁺

15. Wykorzystanie wiedzy o enzymach w medycynie:

a/ w diagnostyce - enzymy oznaczane (najczęściej w surowicy krwi) ze względu na

mniej lub bardziej specyficzne towarzyszenie (wzrost aktywności) schorzeniom: amylaza

trzustkowa (ostre zapalenie trzustki) , alkaliczna fosfataza (żółtaczka mechaniczna,

nowotwory kości i wątroby), aminotransferaza alaninowa - ALAT (schorzenia wątroby) i

asparaginianowa - ASPAT (niedotlenienie mięśnia sercowego, schorzenia mięśni

szkieletowych), kinaza kreatynowa^# (niedotlenienie mięśnia sercowego - CK2, dystrofia

mięśniowa - CK3), dehydrogenaza mleczanowa^# (niedotlenienie mięśnia sercowego -

LDH1 > LDH2, schorzenia nerek - LDH1, uszkodzenia mięśni, wątroby - LDH5)

^# izoenzymy - enzymy występujące w różnych formach molekularnych co jest

przeważnie wynikiem różnej kombinacji najczęściej dwóch niejednakowych

podjednostek w struktury wielopodjednostkowe katalizujące tę samą reakcję;

prowadzi to często do różnic we własnościach fizykochemicznych jak np. ruchliwość

elektroforetyczna a także w lokalizacji komórkowej lub tkankowej:

• kinaza kreatynowa (CK, CPK) - dwie różne podjednostki tworzące dimery:

M - mięśnie, B - mózg : MM - różne tkanki, MB - występuje tylko w mięśniu

sercowym, BB - głównie mózg)

katalizuje reakcję - kreatyna + ATP ⇔ fosfokreatyna + ADP

• dehydrogenaza mleczanowa (LDH) - dwie różne podjednostki tworzące

tetramery: H - mięsień sercowy, M - wątroba i mięsień szkieletowy: H4

(LD1) - mięsień sercowy i erytrocyty; H3M (LD2) - mięsień sercowy i

erytrocyty; H2M2 (LD3) - mózg, nerki; HM4 (LD5) - wątroba, mięsień

szkieletowy

katalizują reakcję - mleczan + NAD⁺ ⇔ pirogronian + NADH + H⁺

b/ w terapii - poznanie kinetyki i mechanizmu reakcji enzymatycznej coraz częściej pozwala

na skuteczne ingerowanie w jej przebieg przez stosowanie np. precyzyjnie

dopasowanych inhibitorów kompetycyjnych, analogów stanu przejściowego lub

”substratów samobójców” - przykładami mogą być wspomniane wyżej leki-inhibitory jak

penicylina, metotreksat, azaseryna czy sulfonamidy (punkt 5) a także wykorzystanie

allopurynolu w leczeniu skazy moczanowej (Dna) oraz leczenie nadciśnienia tętniczego

m.in. takimi inhibitorami enzymu konwertującego angiotensynę I (ACE) jak kaptopril

czy enalapril

2

---