BIOCHEMIA

Enzymy

To białkowe biokatalizatory umożliwiające przebieg reakcji poprzez obniżanie reakcji aktywacji.

Nie zmieniają stanu równowagi chemicznej.

Jeżeli enzym jest białkiem złożonym (nie każdy enzym), to składa się z:

• części białkowej nazywanej apoenzymem (decyduje ona o specyficzności lub kierunku jego działania)

• części niebiałkowej nazywanej (w zależności od rodzaju wiązania łączącego ją z apoenzymem):

• koenzymem (przeważnie są to witaminy rozp. w H₂O lub jony luźno i odwracalnie złączone z apoenzymem)

• grupą prostetyczną enzymu (trwale związana z enzymem wiązaniem kowalencyjnym lub niekowalencyjnym). Bierze ona udział w reakcji enzymatycznej.

Apoenzym + Koenzym = Holoenzym

W czasie katalizy substrat wiąże się z enzymem w jego centrum aktywnym tworząc kompleks enzym-substrat. Możemy to porównać do działania suwaka błyskawicznego:

E + Substraty ES E + Produkt

Miejsce aktywne - to obszar enzymu w którym wiązany jest substrat. Substrat musi mieć odpowiedni kształt, aby mógł dopasować się do enzymu. Szczeliny i zagłębienia zwykle zawierają grupy polarne.

Wiązania występujące w kompleksie enzym-substrat:

• Oddziaływania elektrostatyczne

• 
  Wiązania wodorowe

• Siły van der Waalsa

• Oddiaływania hydrofobowe

• Wiązania kowalencyjne

Na działalność enzymów wpływa:

• temperatura

• pH

• stężenie substratu

• stężenie enzymu

• promienie gamma

• obecność aktywatorów

• obecność inhibitorów

Temperatura

Prawo Van't Hoffa: „Jeśli podwyższymy temp. O 10⁰C, szybkość reakcji wzrośnie 2-3 razy”.

Aktywność enzymów zależy od temp. komórek w których występują

Enzymy ludzi działają tylko do 45⁰C - gdyż wyższa temperatura ścina białko enzymu.

Optymalna temperatura dla większości enzymów zwierzęcych wynosi ok. 37⁰C.

Optymalna temperatura dla większości enzymów roślinnych wynosi ok. 20-30⁰C.

UWAGA! Część enzymów bakteryjnych wyjątkowo pozostaje aktywnych w temp. > 100⁰C (żyjące na dnie ocenau lub w gorących źródłach)

pH

Zmiany pH powodują zmiany stopnia dysocjacji grup NH₂ i COOH w resztach aminokwasowych (w końcu to białka), co może powodować obniżenie aktywności enzymu.

Dla większości enzymów optymalne pH wynosi ok. 7,4 (odczyn obojętny).

Są też enzymy działające w skrajnych pH, np.:

• Pepsyna (pH = 2)

• Arginaza (pH = 10)

• Trypsyna (pH = 8)

Do zmian pH środowiska reakcji wprowadza się bufory.

Stężenie substratu i enzymu

Wpływ ten opisuje równanie Michaelisa-Menten:

V =

V_max [S]

K_m [S]

V - szybkość reakcji Vmax - szybkość maksymalna Km - stała Michaelisa [S] - stężenie substratu

Stała Michaelisa (K_m) - stężenie substratu, przy którym szybkość reakcji enzymatycznej jest równa połowie maksymalnej szybkości tej reakcji (V=0,5 * V_max). Jest miara powinowactwa enzymu do substratu. Im jest ona wyższa, tym niższe powinowactwo enzymu do substratu . Nie zależy ona od stężenia enzymu.

Szybkość reakcji

V =

c

t

V - szybkość reakcji c - zmiana stężenia t - czas reakcji

W kompleksie enzym-substrat mogą występować wiązania:

• Hydrofobowe

• Kowalencyjne

• Jon-dipol

• Wodorowe

• Jonowe

• Siły van der Waals'a

• Oddziaływania elektrostatyczne

Wpływ aktywatorów i inhibitorów

Efektory = Aktywatory lub Inhibitory

Aktywatory to np.:

• jony metali Mn²⁺, Cu²⁺, Mg²⁺, Co²⁺, Zn²⁺, Cl^-, Ca²⁺, Fe^2+/3+, K⁺, Na⁺

• związki wielkocząsteczkowe o char. białkowym - działają przez odblokowanie miejsc aktywnych enzymów

• małocząsteczkowe związki organiczne - usuwają wpływ substancji hamujących (cysteina, zredukowany glutation)

Inhibitory - to związki spowolniające reakcje. Wyróżniamy inhibitory:

• specyficzne (uszkadzające strukturę białka enzymu) - np. jodoacetamid, Ag⁺, Hg⁺,

• niespecyficzne (łączą się z enzymem odwracalnie)

• kompetencyjne (współzawodniczące) - substrat i inhibitor współzawodniczą o centrum aktywne.
  Przypomina on więc budową substrat.

• Obniża on powinowactwo enzymu do substratu

• Nie wpływa na V_max

• Nie wpływa na K_m.

• Można cofnąć jego działanie przez zwiększenie stęż. substratu.

• niekompetycyjne - łączenie się inhibitora z enzymem w innym miejscu niż centrum aktywne. Zmienia to kształt enzymu, i substrat nie ma jak się do niego przyłączyć. Mogą spowolnić reakcję, ale nie zatrzymać. Są to np.: jodoacetamid, związki arsenu, kationy met. ciężkich

• Zmniejsza V_max

• Nie wpływa na K_m

• Nie można cofnąć jego działanie przez zwiększenie stęż. substratu.

• Allosteryczne - polegają na zmianie powinowactwa do małych cząsteczek przez zmianę struktury przestrzennej. Mają wpływ na V_max reakcji. Stała Michealisa maleje. Osiągnięcie V_max wymaga wyższego stężenia substratu.
  
  Efekt allosteryczny - łączenie ligandu z centrum allosterycznym enzymu.
  Działanie efektora allosterycznego można zahamować dużym stężeniem substratu.
  

Klasycznym przypadkiem hamowania kompetycyjnego jest para malonian (I) i bursztynian (S) w stos. do dehydrogenazy bursztynianowej (Enz). Jeśli powstanie kompleks EnzI to jedyne co może zrobić to rozpaść się z powrotem na Enz i I. Wzór malonianu: ^-OOC-CH₂-COO^-

Energia aktywacji

Jest to wielkość bariery energetycznej, którą musi pokonać układ reagentów, aby doszło do reakcji chemicznej.

Jednostka aktywności enzymu = 1mikromol (1μ mol; 10^-6 mol) przekształconego produktu na minutę - jednostka pomocna do określania np. ile jest enzymu w danej próbce tkankowej.

1 Katal = aktywność enzymu przekształcającego 1 mol substratu w ciągu sekundy (1mol/s) w temp. 30⁰, w
optymalnym pH w warunkach reakcji zerowego rzedu (przy pelnym wysyceniu enzymu substratem.

Rzędowość reakcji enzymatycznej

Reakcja zerowego rzędu - stan wysycenia, wzrost stężenia substratu nie wpływa na prędkość reakcji.

Reakcja pierwszego rzędu - reakcja jednosubstratowa, której prędkość rośnie proporcjonalnie do wzrostu stężenia substratu.

Reakcja drugiego rzędu - reakcja dwusubstratowa, prędkość jest proporcjonalna do iloczynu stężeń obydwu substratów.

Reakcja trzeciego rzędu - reakcja trój substratowa, prędkość jest proporcjonalna do iloczynu stężeń trzech substratów.

Klasy enzymów wg klasyfikacji międzynarodowej:

Enzymy dzielą się na 6 klas, a każda z nich ma 4-13 podklas.

1. Oksydoreduktazy - przenoszą ładunki (elektrony i jony H₃O⁺ - protony) z cząsteczki substratu na cząsteczkę akceptora: AH₂ + B → A + BH₂;

• Oksydazy - utleniają substraty przy udziale tlenu. Katalizują przenoszenie wodoru na tlen (powstaje woda lub nadtlenek wodoru)
  AH₂ + ½ O₂ → A + H₂O
  AH₂ + O₂ → A + H₂O₂

• Oksygenazy - katalizują proces wbudowania O₂ w cząsteczkę

• Hydroksylazy

• Hydroperoksydazy - zalicza się tu peroksydazy i katalazę

• Peroksydazy - katalizują utlenianie H₂O₂ różnych substratów 2 H₂O₂ + AH₂ → 2H₂O + A

• Katalaza - rozkłada nadtlenek wodoru

• Dehydrogenazy - odczepiają atomy wodoru, ich koenzymy to NAD, NADP, FAD, lipinian.
  2AH₂ + O₂ → 2A + 2H₂O

Koenzymy: NAD⁺, NADP⁺, FAD, FMN, koenzym Q, kwas liponowy,

2. Transferazy - przenoszą daną grupę funkcyjną (tiolową SH₂, aminową, itp.) z cząsteczki jednej substancji na cząsteczkę innej substancji: AB + C → A + BC;

• fosforylazy

• kinazy

• aminotransferazy (EC 2.6.1)

• acylotransferazy

• glukozylotransferazy

• fosfotransferazy

Koenzymy: kwas liponowy, ATP, DTP (difosforan tiaminy),

3. Hydrolazy - powodują rozpad substratu pod wpływem wody (hydroliza); do grupy tej należy wiele enzymów trawiennych: AB + H₂O → A + B; NIE MAJĄ KOENZYMÓW!

• proteazy- rozkładają białka

• amylazy - rozkładają skrobię

• lipazy - rozkładają tłuszcze

• Inwertaza - rozszczepia wiązanie β-glikozydowe sacharozy

• nukleazy - rozkładają kwasy nukleinowe

• fosfatazy - katalizuje hydrolizy różnych estrów fosforanowych.

4. Liazy - powodują rozpad substratu bez hydrolizy: AB → A + B;

• Hydratazy

• Hydroliazy

• Dehydratazy - liazy wiązań C-O

• Dekarboksylazy - liazy wiązań C-C
  

Koenzymy: kwas liponowy, koenzym A (CoA), fosfopirydoksal, difosfotiamina (DTP).

5. Izomerazy - zmieniają wzajemne położenie grup chemicznych bez rozkładu szkieletu związku: AB → BA;

• Izomerazy

• Mutazy

6. Ligazy (syntetazy) - powodują syntezę różnych cząsteczek; powstają wiązania chemiczne: A + B → AB;
   wykorzystują ATP jako źródło energii

• Karboksylaza - przyspieszają powstawanie wiązań C-C

Klasyfikacja enzymów przydziela im numer EC (ang. Enzyme Commission) czyli numer, jaki nadała im komisja enzymatyczna. (Jest więc on istotny!!!)

Oksydoreduktazy - wykorzystują NADPH jako subs. Redukującą, a NAD⁺ jak subs. utleniającą.

Znaczenie biomedyczne enzymów

Enzymy katalizują procesy niezbędne do życia

Rozkład pokarmu w celu uzyskania energii

Ogromne znaczenie diagnostyczne (AspAT, ALAT, amylaza) [amylaza - enzym rozkładający skrobię - wzrasta u chorych na zapalenie trzustki]

Koenzymy

Reakcje lityczne łącznie z reakcjami hydrolitycznymi nie wymagają koenzymów.

Koenzym może być rozpatrywany jako drugi substrat, ponieważ:

1. chemiczne zmiany zachodzące w koenzymie dokładnie równoważą zmiany w substracie
   (np. w reakcjach oksydacyjno-redukcyjnych, gdy jedna cząsteczka substratu utlenia się, jedna cząsteczka substratu ulega redukcji)

2. reakcja z udziałem koenzymu może mieć większe podstawowe znaczenie fizjologiczne

Koenzymy działają jako przenośniki określonych grup funkcyjnych:

D - G + A = A - G + D

Klasyfikacja koenzymów

Koenzymy przenoszące H:

NAD⁺ , NADP⁺

FMN, FAD

Kwas liponowy

Koenzym Q

Koenzymy przenoszące grupy inne niż H:

Fosforany cukrów

Koenzym A (CoA)

Pirofosforan Tiaminy

Fosforan pirydoksalu (PAL lub PLP)

Koenzymyfolianowe

Biotyna

Koenzymy kobamidowe (B₁₂)

Kwas liponowy

Koenzymy oksydoreduktaz:

NAD⁺

NADP⁺

FAD (w skład wchodzi witamina: ryboflawina)

Koenzymy dekarboksylaz:

FAD, NAD+

kwas liponowy

Koenzym A

Fosfopirydoksal

Difosfotiamina

Przykłady Koenzymów

FADH - przenośnik wodoru

FMN -

NADH - to zredukowany NAD⁺

NADH i NADPH -przenośnik wodorku

Koenzym A - przenośnik grup acylowych (reszt kwasowych), zbud. z 3 składników:

• ADP

• Kw. pantotenowy

• cysteamina

Folian - przenośnik grup metylowych

S-adenozylometionina (SAM) - przen. grup metylowych

Biotyna - wiąże CO₂, wykorzystywana w reakcjach karboksylacji

Pirofosforan tiaminy - poch. Wit. B₁

Pirofosforan pirodoksalu - poch. Wit. B₆

Tetrahydrofolian - poch. kw. foliowego

FAD - pochodna wit. B₂

ATP - Adenozynotrifosforan

NADP - fosforan dinukleotydu nikotyamidoadeninowego

NAD - Dinukleotyd nikotynamidoadeninowy

FAD - Dinukleotyd flawinoadeninowy

FMN - Flawinomononukleotyd

Izoenzymy - (Izozymy) różne odmiany jednego enzymu, powstające przy udziale różnych genów strukturalnych i mające zasadniczo taką samą budowę i mechanizm katalityczny. Różnią się sposobem ich regulowania.
np.: dehydrogenazy jabłczanowe pochodzącej z rożnych źródeł (np. wątroby szczura i Escherichia Coli) - chociaż obie te dehydrogenazy jabłczanowe katalizują taką samą reakcję ich właściwości fizyczne i chemiczne znacznie się różnią.

I Prawo Termodynamiki

Energia danego układu izolowanego jest stała (niezależnie od przemian i zmian postaci energii wewnątrz układu)

ENTALPIA (H) - (zawartość ciepła) wyraża się wzorem: H = U + p * V

U - energia wewnętrzna,

p - ciśnienie,

V - objętość

II Prawo Termodynamiki

W układach izolowanych przemiany samorzutne są nieodwracalne i związane ze wzrostem entropii.

ENTROPIA - kierunek przebiegu procesów spontanicznych (samorzutnych) w odosobnionym układzie termodynamicznym (im entropia wyższa tym większe nieuporządkowanie)

Fosforylacja

Fosforylacja to proces endoenergetyczny polegający na przyłączeniu do białka reszty fosforanowej, przeprowadzany przez enzymy zwane kinazami, zużywające energię zgromadzoną w ATP.

kinaza ATP + białko -> białko-fosforan + ADP

Inaczej również można powiedzieć, że jest to proces przyłączenia reszty kwasu ortofosforowego określonych związków chemicznych, zachodzi w organizmach żywych. Jest katalizowany przez enzymy zwane fosfotransferazami (kinazy), które transportują reszty kwasowe na białka, nukleotydy, cukry oraz lipidy. Związki, którym dostarczone zostają reszty fosforanowe, uzyskują wyższy poziom energetyczny. Niezwykle istotną reakcją dla organizmów żywych jest fosforylacja kwasu ADP (włączenie reszty kwasu fosforowego przez ADP), dzięki której dochodzi do wytworzenia ATP, co ma wielkie znaczenie dla regulacji gospodarki energetycznej w komórkach.

Wyróżniamy fosforylację:

• fotosyntetyczną

• oksydacyjną

• substratową

Klasa	Reakcja
Oksydoreduktazy	AH2 + B → A + BH2
Transferazy	AB + C → A + BC
Hydrolazy	AB + H2O → A + B
Liazy	AB → A + B
Izomerazy		AB → BA
Ligazy		A + B → AB

Oddychanie komórkowe

Tlenowe oddychanie komórkowe składa się z 3 etapów:

• Glikoliza (w Cytosolu)

• Reakcja Pomostowa (w Matrix mitochondrialnym)

• Cykl Krebsa (w Matrix mitochondrialnym)

---