Enzymologie. Věda ležící na pomezí fyz. ch. a bioch. Zabývá se problematikou biokatalyzátorů.

Transkript

1 ENZYMOLOGIE 1

2 Enzymologie Věda ležící na pomezí fyz. ch. a bioch. Zabývá se problematikou biokatalyzátorů. Jak je možné, že buňka dokáže utřídit hrozivou změť chemických procesů, které v ní v každém okamžiku probíhají? Kterou cestou se bude v buňce přeměňovat určitá sloučenina? 2

3 Enzymologie Biochemické procesy: vysoká aktivační energie Nutná přítomnost katalyzátoru = biokatalyzátoru toru = ENZYM: (makromolekulárn rní látka = bílkovina) b Pzn.. AKTIVAČNÍ ENERGIE: Minimáln lní energie, kterou musí částice mít, m aby srážka byla účinná. Dána součtem E všech zanikajících ch vazeb. 3

4 ENZYM: Enzymologie 1) snižuje aktivační E, neovlivňuje ch. rovnováhu 2) umožní průběh reakcí za mírných podmínek (ph, t, p) 3) bez vedlejších produktů, rychle a specificky 4) vstupuje do reakce a z ní vystupuje nezměněn 5) při velmi nízkých c umožňují v daný okamžik za podmínek v ŽS průběh pouze pro život výhodných reakcí - tzv. metabolismus 6) kat.účinky si uchovají i po izolaci za vhodných podmínek 7) plní funkci katalytickou i regulační 4

5 Enzymologie Rozdílnost biokatalyzátoru x katalyzátoru: Rychlost v(bio) Teplota Tlak ph Specifita v VL Regulace v větší než do 100 C konst. ph=7 (až na výjimky) vysoká velmi citlivá účinnost (princip není vždy stejný) v (kat) různá různý různě nižší 5

6 STRUKTURA ENZYMU 1) Jednosložkový enzym = jen z bílkovin 2) Dvousložkový (složený) = HOLOENZYM bílkovinná složka + nebílkovinná složka = HOLOENZYM APOENZYM + KOFAKTOR HOLOENZYM prostetická skupina vázaná kovalentně Ion kovu koenzym vázán slabě (netrvale) (lze oddělit) 6

7 Enzymy se liší: STRUKTURA ENZYMU A)SUBSTRÁTOVOU SPECIFITOU Každý enzym kat. pouze určitou reakci substrátu (VL) (rozhodnutí o tom, kt. látka se v průběhu přemění) Zodpovídá za ni apoenzym B) SPECIFITOU ÚČINOU Určitý enzym kat. pouze 1 z mnoha možných přeměn VL (výběr a přenos účinu enzymu, kt. reakci udělá) Zodpovídá za ni kofaktor 7

8 KLASIFIKACE ENZYMU -dle typu kat. reakce 6 tříd! KONCOVKA - ASA - 1) Oxidoreduktasy Kat. ox.- red. reakce = přenos e -, H + nebo reakci s kyslíkem (obvykle mohou katalyzovat opačné děje) např.: oxidasy, peroxidasy, dehydrogenasy Např. alkoholdehydrogenasa CH 3 CH 2 OH + NAD+ CH 3 CHO + NADH + H + 2) Transferasy Kat. přenos skupin mezi dvěma substráty = Z DÁRCE NA PŘÍJEMCE např.. aminotransferasy, transmethylasy, dinasy (transfosfatasy), např.: glukosakinasa Glc + ATP Glc 6 P + ADP 8

9 KLASIFIKACE ENZYMU - dle typu kat. reakce 6 tříd! KONCOVKA - ASA 3) Hydrolasy Kat. hydrolytické štěpení vazeb substrátů Např. peptidasy,, nukleasy, lipasy, např.: ureasa H 2 N CO NH 2 + H 2 O 2 NH 3 + H 2 O 4) Lyásy Kat. nehydrolytické a neoxidační štěpení vazeb C C substrátů často za vzniku dvojných vazeb, nebo adicí na dvojnou vazbu Např. dekarboxylasy, např.: oxalátdekarboxylasa (COOH) 2 HCOOH + CO 2 9

10 KLASIFIKACE ENZYMU - dle typu kat. reakce 6 tříd! KONCOVKA - ASA 5) Ligásy kat. intramolekulární přeměny substrátů, vzájemné přeměny jednotlivých izomerů např.: argininracemasa D-Arg L-Arg 6) Izomerázy kat. vznik vazeb za současného štěpení makroergické vazby v ATP, (uvolněná energie se spotřebuje pro syntézu produktu) např.: acetetyl-coa-synthetasa CH 3 COOH + ATP+ CoA CH 3 CO~CoA + P ~ P + AMP 10

11 NÁZVOSLOVÍ ENZYMU - KONCOVKA - ASA 1) SYSTEMATICKÉ Char. Kat. reakci dvěčásti: 1. část = název substrátu (substrátů) (laktát) vstupujících do reakce 2. část = typ katalyzované reakce (dehydrogen) + zakončení asa 2) TRIVIÁLNÍ a) s koncovkou in (pro většinu enzymů štěpících v trávícím ústrojí proteiny) např. laktátdehydrogenasa např.: ptyalin, pepsin, b) název štěpeného substrátu (obvykle) + zakončení -asa např.: α-amylasa nebo enzym: ureasa 11

12 Vztah koenzymů a vitamínů KOENZYMY: Enzym potřebuje pro svou funkci prostetickou skupinu = koenzym k bílkovinné části vázány slabě deriváty vitamínů (vychází z vitamínů) významné vitaminy rozpustné ve vodě DĚLENÍ DLE TOHO, KT. REAKCÍ SE PŘI KAT. ÚČASTNÍ: 1) Koenzymy oxidoreduktas účast ox red dějů NAD + nikotinamidadenindinukleotid NADP + nikotinamidadenindinukleotidfosfát FAD FMN Cytochromy redoxní systém v mitochondriích a chloroplastech 12

13 Vztah koenzymů a vitamínů DĚLENÍ DLE TOHO, KT. REAKCÍ SE PŘI KAT. ÚČASTNÍ: 2) Koenzymy transferas Přenos skupin i celých molekul ATP adenosintrifosfát GTP CTP UTP koenzyma (CoA) přenáší zbytky kyselin ACYLY (zbytek kys, octové) 13

14 Vztah koenzymů a vitamínů Vitamín Koenzym Reakce Thiamin (B 1 ) thiaminpyrofosfát (TPP) přenos aldehydu Riboflavin (B 2 ) flavinadenindinukleotid (FAD) přenos [H] ( aktivních vodíků ) Kyselina nikotinová nikotinamidadenindinukleotid (NAD + ) přenos [H] ( aktivních vodíků ) Pyridoxin (B 6 ) Pyridoxalfosfát přenos NH 2 Biotin (H) Biocytin přenos COOH Kyselina pantotenová koenzym A (CoA) přenos acylu Kyselina listová kyselina tetrahydrolistová přenos C 1 Kyselina L-askorbová (C) kofaktor hydroxylace 14

15 ENZYMY - veličiny MULTIENZYMOVÁ JEDNOTKA = - molekuly několika enzymů spojená nekovalentními vazbami - katalyzují za sebou jdoucí reakce - produkt 1 reakce je substrátem reakce následující Enzymová aktivita = Vyjádření enzymové aktivity enzymů (účinnosti) jednotka = katal 1 katal = množstv ství katalyzátoru, toru, které přemění za standardních podmínek 1 mol substrátu tu za 1 sekundu 15

16 Podmínky enzymové aktivity Faktory ovlivňující aktivitu enzymů 1) Teplota s rost. t. aktivita enzymů roste do určité kritické teploty (cca C), po jejímž překročení aktivita enzymu prudce klesá (denaturace enzymu). Teplotní optimum = teplota, při které má enzym maximální aktivitu. (pzn. Termofilní bakterie kritická teplota cca 90 C. Při teplotách kolem 0 C prakticky nulová aktivita enzymů (uchovávání potravin v ledničkách). 16

17 Podmínky enzymové aktivity Faktory ovlivňující aktivitu enzymů 2) ph většina enzymů pracuje pouze v určité oblasti ph (ovlivňuje disociaci skupin v aktivním centru => jeho tvar => jeho aktivitu), ph optimum = ph, při které má enzym maximální aktivitu 17

18 Podmínky enzymové aktivity Faktory ovlivňující aktivitu enzymů 3) Efektory obvykle nízkomolekulární látky ovlivňující aktivitu enzymů: Aktivátory zvyšují aktivitu enzymů Inhibitory snižují aktivitu enzymů 18

19 STRUKTURA ENZYMU Aktivní místo enzymu: - místo, kde se uskutečňuje reakce = část apoenzymu -obsahuje vazebné skupiny - váže se na něj substrát (výchozí látka) -tvarem a typem vazeb odpovídá molekule substrátu = Substrát zapadá do aktivního místa jako klíč do zámku. Vznik komplexu enzym-substrát. Dnes ruka v rukávu. 19

20 Mechanismus katalytického působení enzymů Substrát se váže v enzymu na tzv. aktivní centrum = (relativně malé místo na povrchu molekuly enzymu, kde probíhá přeměna substrátu v produkt ) Komplementární tzv. princip zámku a klíče vazba E S je reverzibilní 20

21 Podmínky enzymové aktivity Typy inhibice a) kompetitivní inhibice inhibitor a substrát mají podobnou strukturu => soutěž o aktivní centrum (na enzym se váže látka o vyšší koncentraci) reverzibilní (vratná) 21

22 Podmínky enzymové aktivity Typy inhibice b) nekompetitivní inhibice inhibitor se pevně váže na aktivní centrum enzymu, čímž jej blokuje ireverzibilní (nevratná) obvykle ionty těžkých kovů (Hg 2+, Pb 2+, Cu 2+, ) c) inhibice substrátem při velmi vysoké c substrátu snaha o navázání více molekul substrátu do aktivního centra enzymu => přeměna není možná d) inhibice produktem není-li produkt odčerpáván, přestane se uvolňovat po vzniku z enzymu a tím jej blokuje (význam pro regulaci enzymové aktivity) 22

23 Podmínky enzymové aktivity Typy inhibice e) alosterická inhibice inhibitor se váže do jiného místa v enzymu tzv. alosterického centra čímž vyvolá změnu konformace aktivního centra => neschopnost navázat substrát 23

24 Mechanismus katalytického působení enzymů 24

25 KINETIKA ENZYMOVÝCH REAKCÍ Kinetika enzymových reakcí rychlost enzymaticky katalyzované reakce je : 1) přímo úměrná c enzymu při konst. koncentraci substrátu 2) hyperbolicky závislá na koncentraci substrátu s limitou k hodnotě tzv. mezní (limitní) rychlosti při konstantní koncentraci enzymu 25

26 KINETIKA ENZYMOVÝCH REAKCÍ Kinetika enzymových reakcí dle rovnice Michaelise a Mentenové maximální rychlost V = V max. [S] K M + [S] koncentrace substrátu Michaelisova konstanta 26

27 VYUŽITÍ enzymů Využití enzymů v praxi využití celých buněk (jejich metabolismu) fermentace (kvašení) a následná izolace produktu z kultivačního média (výroba potravin a nápojů sýry, kynutá těsta, kysané zelí, alkoholické nápoje, kyselina citronová, ; výroba antibiotik ; čištění vod ; ) využití izolovaných enzymů (nákladnější vzhledem k poměrně náročné izolaci) potravinářství, kožedělný a textilní průmysl, prací prostředky, chemická analýza, farmacie, medicína, Využívají se enzymové preparáty (proteasy, amylasy, invertasa, celulosa, ) 27

28 ZDROJE enzymů Zdroje enzymů rostliny např. proteasy živočichové např. trávicí enzymy (chymosin výroba sýra) mikroorganismy většina průmyslově používaných enzymů 28

29 Enzymy a trávení TRÁVENÍ A ENZYMY - hydrolytické štěpení základních složek potravy => hydrolasy: sacharidy α-amylasa (dutina ústní) proteiny pepsin (žaludek) ; trypsin, chymotrypsin, (pankreas) lipidy lipasy (pankreas) + emulgace (žluč) - všechny živiny jsou štěpeny v tenkém střevě, kde se resorbují do vnitřního prostředí organismu 29

30 REGULACE enzymové aktivity Regulace enzymové aktivity 2 typy regulačních mechanismů enzymů: 1) alosterické enzymy do alosterického centra enzymu se vážou efektory ovlivňující aktivitu enzymu (tyto efektory si obvykle buňka tvoří sama obvykle meziprodukty metabolismu => řízení metabolických drah tzv. zpětnovazebná inhibice feedback control ) 2) dvě formy existence enzymů prvotně je syntetizován jako inaktivní proenzym (zymogen), kde je aktivní centrum blokováno nadbytečnou částí řetězce (charakteristické např. pro trávicí enzymy). Při aktivaci se odštěpí tato část řetězce => aktivní centrum se zpřístupní, např.: pepsinogen (inaktivní forma) pepsin (aktivní forma) trypsinogen (inaktivní forma) trypsin (aktivní forma) 30