Enzymy = biokatalyzátory

Transkript

1 Enzymy = biokatalyzátory

2 Enzymy biologické katalyzátory Analogie s chemickými katalyzátory Katalyzátor je jiná látka než reaktant a produkt reakce Zvyšuje rychlost reakce v obou směrech, snižuje aktivační energii obou reakcí; reakce vedena jinudy (ilustrace tok řeky) Z toho plyne, že zkracuje dobu potřebnou k dosažení rovnováhy ale neovlivňuje tuto rovnováhu!!!!!! Vystupuje z reakce nezměněn

3 bílkoviny ( vyjímka ribozymy, např. 2S-rRNA) aktivní místo - vazebné skupiny - katalytické skupiny vazba substrátu - zámek a klíč - indukované přizpůsobení úloha "zbytku molekuly"

4 Aktivační energie rozkladu peroxidu vodíku H 2 2 2H Katalyzátor Reakční rychlost (mol.l - 1.s -1 ) E a (kj.mol -1 ) Žádný ,1 HBr ,2 Fe(H) 2 -triethylen tetraamin ,3 Katalasa ,4

5 Enzymy biologické katalyzátory Platí o nich totéž co o chemických katalyzátorech, ale mají něco navíc: účinné snížení aktivační energie specifita regulovatelnost účinnosti (aktivity)

6 Enzymy = biokatalyzátory Každá (metabolická) reakce má svůj enzym

7 Co umí enzymy účinné snížení aktivační energie specifita účinku specifita substrátová regulovatelnost účinnosti (aktivity)

8 Snížení aktivační energie

9

10 Enzym = buď jednoduchá bílkovina nebo apoenzym (peptidový řetězec) + kofaktor = holoenzym Kofaktor: nepeptidová součást enzymu, která se přímo účastní chemické reakce (bez něj by to nešlo), častá souvislost s vitaminy Prosthetická skupina - pevně vázána na peptidový řetězec Koenzym - volně vázaná molekula

11 prosthetická skupina (př. FAD, PLP, hem) E-Pr + S1 E-Pr* + P1 E-Pr* + S2 E-Pr + P2 E-Pr S1 + S2 P1 + P2 koenzym (druhý substrát) (př. NAD(P),CoA, ATP) E1 S1 + K P1 + K* E2 K* + S2 K + P2 S1 + S2 P1 + P2

12 Prosthetická skupina x Koenzym

13 AKTIVNÍ MÍST ENZYMŮ relativně malá kapsa (štěrbina) uvnitř nebo při povrchu enzymu, často hydrofóbní, umožňující vazbu substrátu(ů), ev. nebílkovinné části enzymu slabšími přechodnými, většinou nekovalentními vazbami: - vodíkovými můstky (výrazně směrovaná) - elektrostatickým přitahováním - hydrofóbními interakcemi - van der Waalsovými silami bsahuje postranní řetězce sekvenčně vzdálených aminokyselin, které představují kontaktní, orientující a katalytické zbytky a vytvářejí biospecifickou trojrozměrnou strukturu (konformaci). -efekt zvýšení koncentrace Vzniká dočasně a reverzibilně komplex enzym-substrát (ES).

14

15 AKTIVNÍ MÍST ENZYMŮ

16 Teorie zámku a klíče

17 Změna konformace hexokinasy způsobená vazbou substrátu

18 Kofaktory - prosthetická skupina 1. prosthetická skupina (př. FAD, PLP, hem) E-Pr + S 1 E-Pr * + P 1 E-Pr * + S 2 E-Pr + P 2 E-Pr S 1 + S 2 P 1 + P 2

19 přenos elektronů, riboflavin B 2 Prosthetická skupina - FAD

20 Prosthetická skupina - PLP

21 Prosthetická skupina - hem

22 Kofaktory - koenzym 2. koenzym (druhý substrát) (př. NAD(P),CoA, ATP) E 1 S 1 + K P 1 + K * E 2 K * + S 2 K + P 2 S 1 + S 2 P 1 + P 2

23 Koenzymy NAD +, NADP +

24 Koenzymy CoA

25 Koenzymy ATP

26 Kofaktory - ostatní 3. "nespecifické" organické sloučeniny - kyselina askorbová (komplex s Fe) - některé další vitaminy 4. kovy přímo se účastnící reakce (metaloenzymy, Zn, Fe, Se, Cu...) 5. specifické kovy, působící "nepřímo" (Mg a ATP)

27 Jednotky vyjadřování enzymové aktivity katal (zkratka kat): množství enzymové aktivity, které katalyzuje přeměnu l molu substrátu za sekundu; l0-6 kat = µkat ; l0-9 kat = nkat starší mezinárodní jednotka: U : množství enzymové aktivity, které katalyzuje přeměnu l µmolu substrátu za minutu; l0-3 U = mu PŘEVD: U=16,67 nkat 60 U=1 µkat Faktory ovlivňující enzymovou aktivitu koncentrace substrátu (K m, V, k cat ) teplota ph iontová síla aktivátory a inhibitory

28 Názvosloví enzymů triviální (pepsin, trypsin, elastasa, invertasa...) doporučené ("polosystematické") (alkoholdegydrogenasa...)

29 Slovník biochemických pojmů: enzymy - názvosloví {1} enzyme nomenclature a) triviální (např. pepsin, trypsin, thrombin, elastasa {EC , EC } ), b) tzv. doporučené, tvořené názvem substrátu, typem reakce a příponou -asa (např. alkoholdehydrogenasa, glukosaoxidasa, alaninaminotransferasa {EC }, alaninracemasa {EC } ), c) systémové (též systematické), vytvářené podle daných pravidel. Systémové názvosloví je založeno (až na výjimky) pouze na účinkové a substrátové specifitě enzymů a vychází z rozdělení enzymů do šesti tříd (viz enzymy - rozdělení do tříd). Vedle tohoto jednoznačného, byť v běžné praxi poněkud nepohodlného názvosloví má každý enzym ještě své katalogové číslo (viz EC, enzymový katalog). Názvy enzymů mají, kromě nejstarších triviálních názvů, příponu -asa.

30 Příklady: ENTRY EC NAME -Fructofuranosidase Invertase Saccharase CLASS Hydrolases Glycosidases Hydrolysing -glycosyl compounds SYSNAME -D-Fructofuranoside fructohydrolase REACTIN Hydrolysis of terminal non-reducing -D-fructofuranoside residues in -D-fructofuranosides SUBSTRATE -D-Fructofuranoside Sucrose H 2 PRDUCT -D-Fructose PZNÁMKA: Termín invertasa vznikl proto, že při hydrolyse sacharosy se obrací (invertuje) optická rotace z pravotočivého na levotočivý smysl. Enzym se využívá k výrobě invertního cukru (směs glukosy a fruktosy), který je mnohem sladší a stravitelnější než sacharosa; používá se jako umělý med, jako sladidlo do zmrzliny, čokolád apod.

31 1) xidoreduktasy Třídy enzymů katalyzují různé oxidoredukční reakce, často s využitím koenzymů jako např. NADH, NADPH, FADH2,nebo hemu. Triviální názvy v této třídě: dehydrogenasy, oxidasy, cytochromy, peroxidasa, katalasa. 2) Transferasy Katalyzují přenos skupin: amino-, methyl-, acyl-, glykosyl-, fosforyl-. Kinasy katalyzují přenos fosfátové skupiny z ATP nebo jiných nukleosidtrifosfátů. Triviální názvy v této třídě: aminotransferasy (transaminasy), acyltransferasy, fosfotransferasy. 3) Hydrolasy Katalyzují štěpení vazeb mezi atomem uhlíku a jinými atomy prostřednictvím spotřebované molekuly vody. bvyklé triviální názvy: esterasy, peptidasy, amylasy, fosfatasy, lipasy, proteasy (pepsin, trypsin, chymotrypsin).

32 Třídy enzymů 4) Lyasy Katalyzují adiční reakci na dvojné vazbě nebo eliminační reakci mezi dvěma C atomy za vzniku dvojné vazby. Příklady: fumaráthydratasa (fumarasa), karbonátdehydratasa (karboanhydrasa), aldolasa, citrátlyasa, dekarboxylasy..5) Isomerasy Katalyzují racemizaci optických isomerů nebo vytváření polohových isomerů: epimerasy, racemasy, mutasy. 6) Ligasy Katalyzují tvorbu vazeb mezi uhlíkem a jinými atomy spojenou se štěpením ATP (spřažení exergonické a endergonické reakce): karboxylasy, synthetasy (glutaminsynthetasa).

33 1. XIDREDUKTASY donor + akceptor oxidovaný donor + redukovaný akceptor Systematický název: donor : akceptor-oxidoreduktasa angl.: donor : acceptor oxidoreductase Triviální názvy: dehydrogenasa reduktasa (důležitější redukce substrátu) transhydrogenasa (vzácné, glutathion-cystin-transhyhrogenasa) oxidasa (přenos dvou elektronů na 2, obvykle vznik H 2 2 ) oxygenasa (1 nebo 2 atomy jsou inkorporovány do substrátu(ů), monooxygenasa: vzniká voda, dioxygenasa: nevzniká) peroxidasa (peroxid vodíku je akceptorem elektronů) katalasa (disproporcionace peroxidu vodíku)

34 donor akceptor 1.1. CH _ H (alkohol) 1.n.1 NAD + nebo NADP CH (aldehyd) 1.n.2 cytochrom 1.3. CH _ CH 1.n.3 molekulový kyslík 1.4. CH _ NH 2 1.n.4 disulfidová sloučenina 1.5. CH _ NH (sekundární amin) 1.n.5 chinon nebo příbuzné látky 1.6. NADH nebo NADPH 1.n.6 dusíkatá skupina 1.7. ostatní dusíkaté donory 1.n.7 FeS proteiny 1.8. sloučeniny síry 1.n.8 flavin 1.9. hemová skupina difenoly a příbuzné slouč peroxid vodíku jako akceptor vodík působící na jeden donor, do něhož se vnáší kyslík (oxygenasy) (14.) 11 až 18 (různé působící na dva donory, typy oxygenačních reakcí) které inkorporují kyslík superoxidový radikál jako akceptor kovové ionty _ CH _ 2 (vzniká alkohol) redukovaný ferredoxin redukovaný flavodoxin ostatní oxidoreduktasy 1.n.99 různé další akceptory

35 xidoreduktasy - příklady EC Methan,NAD(P)H:kyslík-oxidoreduktasa (hydroxylující) CH 4 + NAD(P)H + H CH 3 H + NAD(P) + + H 2 EC H 2 2 : H 2 2 -oxidoreduktasa, katalasa (též peroxid vodíku:peroxid vodíku - oxidoreduktasa) H H H EC donor: H 2 2 -oxidoreduktasa, peroxidasa donor + H 2 2 oxidovaný donor + 2 H 2

36 xidoreduktasy - příklady EC Alkohol:NAD + -oxidoreduktasa, alkoholdehydrogenasa CH 3 -CH 2- H + NAD + CH 3 -CH + NADH + H + EC D-Glukosa: 2-1-oxidoreduktasa, glukosaoxidasa -D-glukosa + 2 -D-glukono-1,5-lakton + H 2 2 EC Síra:kyslík-oxidoreduktasa, síradioxygenasa S + 2 S 2

37 2. TRANSFERASY donor _ SK + akceptor donor + akceptor _ SK Systematický název: donor : akceptor _ skupinatransferasa angl. donor : acceptor grouptransferase Triviální názvy: methyltransferasy, hydroxymethyltransferasy aminotransferasy (dříve transaminasy) kinasy = fosfotransferasy atd.

38 Kofaktory transferas (koenzym)

39 Kofaktory transferas (koenzym) přenos acylových zbytků

40 2. TRANSFERASY 2.1 Přenášející jednouhlíkatou skupinu Methyltransferasy Hydroxymethyltransferasy Karboxyl _ a karbamoyltransferasy Amidinotransferasy 2.2 Přenášející aldehydické nebo ketonické skupiny Transaldolasy a transketolasy 2.3 Acyltransferasy Acyltransferasy Aminoacyltransferasy

41 2. TRANSFERASY 2.4 Glykosyltransferasy Hexosyltransferasy Pentosyltransferasy Přenášející ostatní glykosylové skupiny 2.5 Přenášející akrylové nebo arylové skupiny jiné než methyl (velmi heterogenní skupina) 2.6 Přenášející dusíkaté skupiny Aminotransferasy ximinotransferasy Přenášející jiné dusíkaté skupiny

42 2. TRANSFERASY 2.7. Přenášející skupiny obsahující fosfor Fosfotransferasy s alkoholem jako akceptorem Fosfotransferasy s karboxylem jako akceptorem Fosfotransferasy s dusíkatou skup. jako akcept Fosfotransferasy s fosfátovou skup. jako akcept Difosfotransferasy Nukleotidyltransferasy Transferasy ostatních substituovaných fosf. skup Fosfotransferasy se dvěma akceptory 2.8. Přenášející sirné skupiny Sulfurtransferasy (sirné skupiny kromě a ) Sulfotransferasy (přenášející sulfát) CoA _ transferasy

43 Transferasy - příklady EC ,4- -D-Glukan:orthofosfát- -D-glukosyltransferasa, fosforylasa (1,4- -D-glukan) n + P i (1,4- -D-glukan) n-1 + -D-glukosa-1- fosfát EC L-Alanin:2-oxoglutarát-aminotransferasa, alaninaminotransferasa (AAT) + H 3 N C CH CH 3 C C CH 2 CH 2 C + + L-Ala + 2-oxoglutarát pyruvát + L-Glu C C CH 3 + H 3 N C CH CH 2 CH 2 C

44 Transferasy - příklady EC ATP:D-hexosa-6-fosfotransferasa, hexokinasa ATP + D-hexosa ADP + D-hexosa-6-fosfát NH 2 P P P N H 2 C H N H H N N H P H H CH 2 H H H H H H H H

45 3. HYDRLASY A _ B + H 2 AH + HB Systematický název: substrát (skupina) hydrolasa angl.: substrate (group) hydrolase Triviální název: substrátasa, často zcela nesystematické názvy

46 3. HYDRLASY 3.1 Esterasy Estery karboxylových kyselin (lipasy) Monoestery fosforečné kyseliny (fosfatasy) Diestery fosforečné kyseliny (fosfodiesterasy, štěpení c-amp) _ 30 Endo _ a exo _ (deoxy)nukleasy 3.2 Glykosidasy Hydrolysující _ glykosidové vazby (amylasy, invertasa=sacharasa, celulasy) Hydrolysující N-glykosidové vazby 3.3 Působící na etherové vazby

47 3. HYDRLASY 3.4 Peptidasy _ Aminoacylpeptid hydrolasy (aminopeptidasy) Dipeptid hydrolasy Dipeptidylpeptid hydrolasy Peptidyldipeptid hydrolasy Serinové karboxypeptidasy Metallo _ karboxypeptidasy Cysteinové karboxypeptidasy Serinové proteinasy Cysteinové proteinasy Aspartátové proteinasy Metallo _ proteinasy Proteinasy neznámého katalyt. mechanismu 3.5 Působící na C _ N vazbu jinou než peptidovou

48 3. HYDRLASY 3.6 Působící na anhydridy kyselin Anhydridy fosforečné kyseliny (pyrrofosfatasa, nespec. ATPasy) a zprostředkující membránový transport (transportní ATPasy) umožňující pohyb (aktomyosinový komplex, složky cytoskeletu) 3.7 Působící na vazbu C _ C 3.8 Působící na vazby halogenů 3.9 Působící na P _ N vazby 3.10 Působící na S _ N vazbu 3.11 Působící na C _ P vazbu

49 4. LYASY substrát 1 (+ substrát 2) produkt 1 + produkt 2 (malý) Systematický název: substrát 1 (substrát 2)- produkt 2lyasa angl: substrate l (substrate 2)- product 2 lyase Triviální název: dekarboxylasa, hydrolyasy (=dehydratasa), ammonialyasa, aldolasa, synthasa (velmi riskantní)

50 4. LYASY 4.1 C _ C lyasy Karboxylyasy (dekarboxylasy) Aldehydlyasy (aldolasy) xo _ acid lyasy (např. citrátsynthasa) statní C _ C lyasy 4.2 C _ lyasy Hydrolyasy (např. fumarasa) Působící na polysacharidy (štěpí za vzniku deoxysacharidů) statní C _ lyasy 4.3 C _ N lyasy Ammonia _ lyasy (např. aspartátamonialyasa) 4.4 C _ S lyasy 4.5 C _ halogen lyasy 4.6 P _ lyasy 4.99 statní lyasy

51 4. LYASY Lyasy - příklady: EC pyruvát-karboxylyasa, pyruvátdekarboxylasa CH 3 -C-CH CH 3 -CH + C 2 EC karbonát-hydrolyasa, karbonátanhydrasa, karbonátdehydratasa H 2 C 3 C 2 + H 2

52 EC ATP-pyrrofosfátlyasa (cyklisující), adenylátcyklasa ATP camp + PP i H P H H H H H 2 C H N N N N NH 2 P P H P H H H CH 2 H N N N N NH 2 P P 4. LYASY +

53 5. ISMERASY Triviální názvy: (různé typy isomerací _ v systematickém názvu) podobně i racemasy, cis _ trans _ isomerasy, ketolisomerasy, mutasy, atd. Systematický název: substráttyp angl.: substrate type

54 5. ISMERASY 5.2 Cis _ trans _ isomerasy 5.3 Intramolekulární oxidoreduktasy Přeměňující aldehydy na ketony (ketolisomerasy) Přeměňující ketoskupiny na enoly (keto _ enolisomerasy) Posunující C=C vazbu ( n _ m isomerasy) Posunující S _ S vazbu (proteindisulfid _ isomerasa) statní intramolekulární oxidoreduktasy

55 5. ISMERASY 5.4 Intramolekulární transferasy (mutasy) Přenášející acylovou skupinu (acylmutasy) Fosfotransferasy (fosfomutasy) Přesunující aminoskupinu (aminomutasy) 5.5 Intramolekulární lyasy (decyklisující, intramolekulární adice) 5.99 statní isomerasy (např. DNA-topoisomerasy)

56 Isomerasy - příklady: EC Aspartátracemasa (s poloviční rychlostí působí též na Ala) EC Laktátracemasa EC D-Glyceraldehyd-3-fosfátketolisomerasa, triosafosfátisomerasa HC H H CH H 2 C C H 2 C P H 2 C P D-glyceraldehyd-3-fosfát dihydroxyacetonfosfát EC D-Fosfoglycerát-2,3-fosfomutasa, fosfoglycerátmutasa C C H CH P CH H 2 C P H 2 C H 3-fosfo-D-glycerát 2-fosfo-D-glycerát

57 6. LIGASY substrát 1 + substrát 2 + A(G) TP substrát 1 + substrát 2 + ATP substrát 1 _ substrát 2 + ADP + P i nebo substrát 1 _ substrát 2 + AMP + PP i Systematický název: substrát1: substrát 2 _ ligasa (tvořící ADP, AMP nebo GDP) angl.: substrate l : substrate 2 ligase (ADP, AMP or GDP _ forming) Triviální názvy: pokud možno substrát 1 _ substrát 2 _ ligasa (synthetasy jsou možné, často se však vyskytují i synthasy)

58 6. LIGASY 6.1 Tvořící C _ vazby (aminoacyl _ trna _ ligasy a podobné estery) 6.2 Tvořící C _ S vazby (kyselina _ thiol _ ligasy) 6.3 Tvořící C _ N vazby Acid _ ammonia (or amine) ligases (asparaginsynthetasa) Acid _ amino _ acid ligases (např. peptidsynthetasy) Cyklisující ligasy statní C _ N ligasy C _ N ligasy s glutaminem jako donorem dusíku (např. karbamoylfosfátsynthetasa) 6.4 Tvořící C _ C vazby (např. karboxylasy) 6.5 Tvořící estery kyseliny fosforečné (např. DNA-ligasa)

59 Ligasy - příklady EC L-Tyrosin:tRNA Tyr -ligasa (AMP-tvořící), tyrosin-trna-ligasa L-Tyr + trna Tyr + ATP L-Tyr-tRNA Tyr + AMP + PP i EC Acetát:CoA-ligasa (AMP-tvořící), acetát-coa ligasa CH 3 C - + HSCoA + ATP acetyl-scoa + AMP + PP i EC L-Aspartát:amoniak-ligasa (ADP-tvořící), asparaginsynthetasa L-Asp + NH 3 + ATP L-Asn + ADP + P i (EC AMP-tvořící) EC Pyruvát:oxid uhličitý-ligasa (ADP-tvořící), pyruvátkarboxylasa CH 3 -C-C - + HC 3- +ATP - C-CH 2 -C-C - + ADP + P i EC Poly(deoxyribonukleotid): poly(deoxyribonukleotid)-ligasa (AMPtvořící), DNA-ligasa ATP + (deoxyribonukleotid) n + (deoxyribonukleotid) m (deoxyribonukleotid) n+m + AMP + PP i

60