Enzymy. Vladimíra Kvasnicová

Transkript

1 Enzymy Vladimíra Kvasnicová

2 METABOLISMUS soubor enzymových reakcí, při nichž dochází k přeměně látek a energií v živém organismu, látková přeměna

3 Enzymy jsou biokatalyzátory snižují aktivační energii reakce (E A ) zkracují čas dosažení rovnovážných koncentrací nespotřebovávají se, z reakce vycházejí nezměněny umožňují uskutečnění reakce při T, p a ph lidského těla jsou specifické mohou být regulovány nemění G dané reakce nemění rovnovážné koncentrace

4 Obrázek převzat z učebnice: Devlin, T. M. (editor): Textbook of Biochemistry with Clinical Correlations, 4th ed. Wiley-Liss, Inc., New York, ISBN

5 Významné enzymy metabolických drah: a) regulační enzymy (= klíčové enzymy) b) enzymy související s genetickým onemocněním c) enzymy běžně stanovované v krevní plazmě Enzymy nacházející se v plazmě: a) enzymy specifické pro plazmu (př. srážecí faktory) b) sekreční enzymy (př. amyláza, lipáza) c) buněčné enzymy (ukazují na stav příslušných buněk)

6 Důležité je znát: 1. intracelulární lokalizaci a funkci enzymů 2. distribuci enzymů v orgánech a tkáních 3. zdroj enzymů nacházejících se v plazmě 4. cesty a rychlost eliminace enzymů z krve

7 Stanovení aktivity enzymů z diagnostických důvodů nejčastěji je vyšetřována krev (sérum, plazma) zjištění přítomnosti a závažnosti tkáňového poškození jednotky: µkat/l (= katalytická koncentrace enzymu) kat = katal 1 katal = 1 mol substrátu přeměněný enzymem za 1 sec. 1 µkat = 10-6 kat

8 Enzymy stanovované jako součást krevních testů ALT, AST, GMT, ALP (součást jaterních testů) AMS, LPS (zvýšené při pankreatitidě) CK, LD (srdeční enzymy) ACP (zvýšena při zvýšeném odbourávání kostí) ALT AST GMT ALP ACP AMS LPS CK LD alanin aminotransferáza aspartát aminotransferáza gamma-glutamyl transpeptidáza alkalická fosfatáza kyselá fosfatáza α-amyláza lipáza kreatin kináza laktát dehydrogenáza

9 Důležité termíny apoenzym / kofaktor (koenzym, prostetická skupina, ion) izoenzymy / izoformy proenzymy / zymogeny multienzymový komplex enzymová aktivita Michaelisova konstanta alosterický enzym specifita substrátová / reakční ph-optimum / teplotní optimum

10 Kinetika Michaelis-Mentenové průběh křivky (hyperboly) může být popsán rovnicí: Obrázek převzat z (prosinec 2006)

11 K m popisuje afinitu enzymu k danému substrátu! nepřímá úměrnost! Obrázek převzat z (prosinec 2006)

12 IUBMB nomenklatura enzymů EC nomenklatura * každý enzym má své EC číslo (Enzyme Commission of IUBMB) 6 tříd enzymů: EC 1.x.x.x EC 2.x.x.x EC 3.x.x.x EC 4.x.x.x EC 5.x.x.x EC 6.x.x.x oxidoreduktázy transferázy hydrolázy lyázy izomerázy ligázy (syntetázy) vychází z typu enzymem katalyzované reakce

13 Hlavní metabolické dráhy intermediárního metabolismu - lokalizace, enzymy glykogeneze = syntéza glykogenu v cytozolu různých tkání, nejvíce: játra, sval glykogensyntáza (EC 2) (aktivována inzulinem) UDP-glc + glykogen (nebo glykosylovaný glykogenin) glykogen-glc + UDP větvící enzym (EC 2) (branching enzyme) glykogenolýza = štěpení glykogenu v cytozolu různých tkání, jaterní glykogen je zdrojem krevní glukózy na počátku hladovění glykogenfosforyláza (EC 2) (aktivována glukagonem) glykogen + fosfát glc-1-p odvětvovací enzym (EC 2a3) (debranching enzyme)

14 Hlavní metabolické dráhy intermediárního metabolismu - lokalizace, enzymy glukoneogeneze = syntéza glukózy z necukerných substrátů v cytozolu hepatocytů a tubulárních buněk ledvin aktivována glukagonem pyruvátkarboxyláza (EC 6) (v mitochondrii!) PEP-karboxykináza (EC 4) fruktóza-1,6-bisfosfatáza glukóza-6-fosfatáza (EC 3) glykolýza = oxidační štěpení glukózy v cytozolu všech buněk glc 2 pyruváty ( 2 laktáty) aktivována inzulinem hexokináza / glukokináza 6-fosfofruktokináza 1 pyruvátkináza (EC 2) laktátdehydrogenáza (EC 1)

15 Hlavní metabolické dráhy intermediárního metabolismu - lokalizace, enzymy lipogeneze = syntéza zásobních TAG hladké ER, hlavně v játrech a tukové tkáni aktivována inzulinem acyltransferázy (EC 2) 3 acyl-coa + glycerol-3-p TAG lipolýza = štěpení TAG extra nebo intracelulárně lipoproteinová lipáza (na endotelu cév; akt. inzulinem) hormonsenzitivní lipáza (v adipocytech; akt. glukagonem) (EC 3) TAG 3 FA + glycerol

16 Hlavní metabolické dráhy intermediárního metabolismu - lokalizace, enzymy syntéza FA = syntéza mastných kyselin v cytozolu do C 16 a dále v hladkém ER mnoha tkání acetyl-coa karboxyláza acetyl-coa + CO 2 malonyl-coa aktivována inzulinem (EC 6,ATP!) syntáza mastných kyselin = multienzymový komplex acetyl-coa + n x malonyl-coa β-oxidace = oxidační štěpení FA v matrix mitochondrie, různé tkáně acyl-coa acetyl-coa regulace na úrovni lipolýzy a vstupu FA do mitochondrie: karnitinacyltransferáza (karnitin palmitoyl transferáza) (EC 2)

17 Hlavní metabolické dráhy intermediárního metabolismu - lokalizace, enzymy ketogeneze = syntéza ketolátek v mitochondrii, pouze v játrech regulace na úrovni lipolýzy a beta-oxidace acetyl-coa acetoacetát β-hydroxybutyrát dehydrogenáza (EC 1) acetoacetát β-hydroxybutyrát odbourávání ketolátek = přeměna ketolátek na acetyl-coa v mitochondrii extrahepatálních tkání (neprobíhá v játrech) acetoacetát acetyl-coa β- hydroxybutyrát dehydrogenáza (EC 1) β-hydroxybutyrát acetoacetát

18 Hlavní metabolické dráhy intermediárního metabolismu - lokalizace, enzymy proteosyntéza = syntéza proteinů na volných ribosomech nebo drsném ER ve všech buňkách aminoacyl-trna syntetáza (EC 6) proteolýza = štěpení proteinů v lyzosomech nebo proteasomech exo a endopeptidázy, proteázy (EC 3)

19 Hlavní metabolické dráhy intermediárního metabolismu - lokalizace, enzymy syntéza močoviny = syntéza urey, detoxikace amoniaku v mitochondrii / cytozolu, pouze v játerch karbamoylfosfát syntetáza (EC 6) NH 3 + HCO ATP syntéza aminokyselin transaminace aj. odbourávání AMK = přeměna na meziprodukty intermediárního metabolismu (pyruvát, acetyl- CoA, meziprodukty Krebsova cyklu) transaminace: aminotransferázy (EC 2) oxidační deaminace: glutamátdehydrogenáza (EC 1) dekarboxylázy (EC 4)

20 Hlavní metabolické dráhy intermediárního metabolismu - lokalizace, enzymy Krebsův cyklus = amfibolická dráha: oxidace acetyl-coa na 2 CO 2 propojení anabolických a katabolickýh reakcí mtb v matrix mitochondrií citrátsyntáza (EC 2) izocitrátdehydrogenáza (EC 1) α-ketoglutarátdehydrogenáza malátdehydrogenáza (EC 1) dýchací řetězec = dokončuje oxidaci živin: elektrony z redukčních ekvivalentů (NADH, FADH 2 ) přeneseny až na O 2 uvolněná energie využita k transportu protonů z matrix do mezimembránového prostoru mitochondrie vnitřní mit. membrána enzymové komplexy I-IV (EC 1)

21 Obecné principy regulací regulace katabolické / anabolické dráhy poslední krok všech regulací: změna koncentrace aktivního enzymu (= regulační = klíčový enzym) regulační enzymy většinou alosterické katalyzují silně exergonickou reakci (nevratná!) nízká koncentrace v buňce

22 Alosterický enzym: a) monomerní, b) oligomerní Obrázek převzat z učebnice: Devlin, T. M. (editor): Textbook of Biochemistry with Clinical Correlations, 4th ed. Wiley-Liss, Inc., New York, ISBN

23 A. Syntéza nové molekuly enzymu: indukce substrátem nebo represe produktem (na úrovni transkripce) příklad: nedostatek glukózy indukce enzymů glukoneogeneze nadbytek glukózy indukce enzymů lipogeneze dostatek cholesterolu represe HMG-CoA reduktázy

24 B. Změna aktivity již existujícího enzymu a) ve vztahu k enzymové kinetice koncentrace substrátů (< K m ) dostupnost koenzymů využití produktů změny ph substrátová specifita - různá K m

25 B. Změna aktivity již existujícího enzymu b) aktivace nebo inaktivace enzymu kovalentní modifikace enzymů mezipřeměna: fosforylace / defosforylace štěpení prekurzorů (proenzym, zymogen) modulace aktivity pomocí modulátorů (ligandů): inhibice zpětnou vazbou (feed back) vzájemná regulace mezi drahami (cross regulation) regulace krokem vpřed (feed forward)

26 Fosforylace / defosforylace některé enzymy jsou aktivní pokud jsou fosforylované, jiné jsou inaktivní fosforylace: proteinkinázy donorem fosfátu je makroergní sloučenina (ATP!) defosforylace proteinfosfatáza produktem je anorganický fosfát!

27 Reverzibilní kovalentní modifikace: A) fosforylace proteinkinázou defosforylace proteinfosfatázou B) fosforylovaný enzym je buď aktivní nebo inaktivní (různé enzymy jsou ovlivňovány různě) Obrázek převzat z (prosinec 2006)

28 Modulátory enzymové aktivity (aktivátory, inhibitory) izosterická modulace: kompetitivní inhibice alosterická modulace: změna K m nebo V max T-forma (méně aktivní) nebo R-forma (více aktivní) významné modulátory: ATP / ADP

29 Shrnutí inhibice enzymu Obrázek převzat z (prosinec 2006)

30 Alosterický enzym v T a R konformaci: modulátory ovlivňují rovnováhu reakce inhibitory mají vyšší afinitu k T-konformaci aktivátory a substráty mají vyšší afinitu k R-konformaci Obrázek převzat z učebnice: Devlin, T. M. (editor): Textbook of Biochemistry with Clinical Correlations, 4th ed. Wiley-Liss, Inc., New York, ISBN

31 Shrnutí na závěr * enzymy urychlují metabolické reakce a umožňují jejich regulaci * jsou to proteiny, tj. jsou citlivé na ph, teplotu a látky přítomné v okolí * ke své funkci často potřebují nízkomolekulární kofaktor nebo ion kovu * pojmenovávají se podle typu reakce, kterou katalyzují * jsou specifické jen pro určitou skupinu reaktantů, tzv. substrátů * množství aktivního enzymu se vyjadřuje jako tzv. aktivita enzymu * jednotkou aktivity je katal, 1 kat = 1 mol substrátu přeměněný za 1 sec * podle typu enzymu je závislost rychlosti katalyzované reakce na koncentraci substrátu hyperbolická nebo sigmoidální * koncentrace substrátu potřebná k dosažení ½ max. rychlosti se označuje jako Michaelisova konstanta (K m ) * hodnota K m je tím nižší, čím vyšší afinitu má enzym k danému substrátu * při inhibici enzymu se mění maximální rychlost reakce ( ) a/nebo K m ( )