Enzymy = biokatalyzátory

Enzymy = biokatalyzátory

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

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

Aktivační energie rozkladu peroxidu vodíku H 2 2 2H 2 + 2 Katalyzátor Reakční rychlost (mol.l - 1.s -1 ) E a (kj.mol -1 ) Žádný 10-8 71,1 HBr 10-4 50,2 Fe(H) 2 -triethylen tetraamin 10 3 29,3 Katalasa 10 7 8,4

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

Enzymy = biokatalyzátory Každá (metabolická) reakce má svůj enzym

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

Snížení aktivační energie

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

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

Prosthetická skupina x Koenzym

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).

AKTIVNÍ MÍST ENZYMŮ

Teorie zámku a klíče

Změna konformace hexokinasy způsobená vazbou substrátu

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

přenos elektronů, riboflavin B 2 Prosthetická skupina - FAD

Prosthetická skupina - PLP

Prosthetická skupina - hem

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

Koenzymy NAD +, NADP +

Koenzymy CoA

Koenzymy ATP

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)

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

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

Slovník biochemických pojmů: http://vydavatelstvi.vscht.cz/knihy/uid_es-002/ebook.help.htm enzymy - názvosloví {1} enzyme nomenclature a) triviální (např. pepsin, trypsin, thrombin, elastasa {EC 3.4.21.36, EC 3.4.21.71} ), b) tzv. doporučené, tvořené názvem substrátu, typem reakce a příponou -asa (např. alkoholdehydrogenasa, glukosaoxidasa, alaninaminotransferasa {EC 2.6.1.2}, alaninracemasa {EC 5.1.1.1} ), 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.

Příklady: ENTRY EC 3.2.1.26 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.

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).

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).

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)

donor akceptor 1.1. CH _ H (alkohol) 1.n.1 NAD + nebo NADP + 1.2. 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 1.10. difenoly a příbuzné slouč. 1.11. peroxid vodíku jako akceptor 1.12. vodík 1.13. působící na jeden donor, do něhož se vnáší kyslík (oxygenasy) 1.13. (14.) 11 až 18 (různé 1.14. působící na dva donory, typy oxygenačních reakcí) které inkorporují kyslík 1.15. superoxidový radikál jako akceptor 1.16. kovové ionty 1.17. _ CH _ 2 (vzniká alkohol) 1.18. redukovaný ferredoxin 1.19. redukovaný flavodoxin 1.97. ostatní oxidoreduktasy 1.n.99 různé další akceptory

xidoreduktasy - příklady EC 1.14.13.25 Methan,NAD(P)H:kyslík-oxidoreduktasa (hydroxylující) CH 4 + NAD(P)H + H + + 2 CH 3 H + NAD(P) + + H 2 EC 1.11.1.6 H 2 2 : H 2 2 -oxidoreduktasa, katalasa (též peroxid vodíku:peroxid vodíku - oxidoreduktasa) H 2 2 + H 2 2 2 H 2 + 2 EC 1.11.1.7 donor: H 2 2 -oxidoreduktasa, peroxidasa donor + H 2 2 oxidovaný donor + 2 H 2

xidoreduktasy - příklady EC 1.1.1.1 Alkohol:NAD + -oxidoreduktasa, alkoholdehydrogenasa CH 3 -CH 2- H + NAD + CH 3 -CH + NADH + H + EC 1.1.3.4 -D-Glukosa: 2-1-oxidoreduktasa, glukosaoxidasa -D-glukosa + 2 -D-glukono-1,5-lakton + H 2 2 EC1.13.11.18 Síra:kyslík-oxidoreduktasa, síradioxygenasa S + 2 S 2

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.

Kofaktory transferas (koenzym)

Kofaktory transferas (koenzym) přenos acylových zbytků

2. TRANSFERASY 2.1 Přenášející jednouhlíkatou skupinu 2.1.1 Methyltransferasy 2.1.2 Hydroxymethyltransferasy 2.1.3 Karboxyl _ a karbamoyltransferasy 2.1.4 Amidinotransferasy 2.2 Přenášející aldehydické nebo ketonické skupiny 2.1.1. Transaldolasy a transketolasy 2.3 Acyltransferasy 2.3.1. Acyltransferasy 2.3.2. Aminoacyltransferasy

2. TRANSFERASY 2.4 Glykosyltransferasy 2.4.1. Hexosyltransferasy 2.4.2. Pentosyltransferasy 2.4.3. Přenášející ostatní glykosylové skupiny 2.5 Přenášející akrylové nebo arylové skupiny jiné než methyl 2.5.1. (velmi heterogenní skupina) 2.6 Přenášející dusíkaté skupiny 2.6.1. Aminotransferasy 2.6.3. ximinotransferasy 2.6.99 Přenášející jiné dusíkaté skupiny

2. TRANSFERASY 2.7. Přenášející skupiny obsahující fosfor 2.7.1. Fosfotransferasy s alkoholem jako akceptorem 2.7.2. Fosfotransferasy s karboxylem jako akceptorem 2.7.3. Fosfotransferasy s dusíkatou skup. jako akcept. 2.7.4. Fosfotransferasy s fosfátovou skup. jako akcept. 2.7.6. Difosfotransferasy 2.7.7. Nukleotidyltransferasy 2.7.8. Transferasy ostatních substituovaných fosf. skup. 2.7.9. Fosfotransferasy se dvěma akceptory 2.8. Přenášející sirné skupiny 2.8.1. Sulfurtransferasy (sirné skupiny kromě 2.8.2. a 2.8.3.) 2.8.2. Sulfotransferasy (přenášející sulfát) 2.8.3. CoA _ transferasy

Transferasy - příklady EC 2.4.1.1 1,4- -D-Glukan:orthofosfát- -D-glukosyltransferasa, fosforylasa (1,4- -D-glukan) n + P i (1,4- -D-glukan) n-1 + -D-glukosa-1- fosfát EC 2.6.1.2 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

Transferasy - příklady EC 2.7.1.1 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

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

3. HYDRLASY 3.1 Esterasy 3.1.1. Estery karboxylových kyselin (lipasy) 3.1.3. Monoestery fosforečné kyseliny (fosfatasy) 3.1.4. Diestery fosforečné kyseliny (fosfodiesterasy, štěpení c-amp) 3.1.11 _ 30 Endo _ a exo _ (deoxy)nukleasy 3.2 Glykosidasy 3.2.1. Hydrolysující _ glykosidové vazby (amylasy, invertasa=sacharasa, celulasy) 3.2.2. Hydrolysující N-glykosidové vazby 3.3 Působící na etherové vazby

3. HYDRLASY 3.4 Peptidasy 3.4.11. _ Aminoacylpeptid hydrolasy (aminopeptidasy) 3.4.13. Dipeptid hydrolasy 3.4.14. Dipeptidylpeptid hydrolasy 3.4.15 Peptidyldipeptid hydrolasy 3.4.16 Serinové karboxypeptidasy 3.4.17 Metallo _ karboxypeptidasy 3.4.18 Cysteinové karboxypeptidasy 3.4.21 Serinové proteinasy 3.4.22 Cysteinové proteinasy 3.4.23 Aspartátové proteinasy 3.4.24 Metallo _ proteinasy 3.4.99 Proteinasy neznámého katalyt. mechanismu 3.5 Působící na C _ N vazbu jinou než peptidovou

3. HYDRLASY 3.6 Působící na anhydridy kyselin 3.6.1 Anhydridy fosforečné kyseliny (pyrrofosfatasa, nespec. ATPasy) 3.6.3 a zprostředkující membránový transport (transportní ATPasy) 3.6.4 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

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)

4. LYASY 4.1 C _ C lyasy 4.1.1 Karboxylyasy (dekarboxylasy) 4.1.2 Aldehydlyasy (aldolasy) 4.1.3 xo _ acid lyasy (např. citrátsynthasa) 4.1.99 statní C _ C lyasy 4.2 C _ lyasy 4.2.1 Hydrolyasy (např. fumarasa) 4.2.2 Působící na polysacharidy (štěpí za vzniku deoxysacharidů) 4.2.3 statní C _ lyasy 4.3 C _ N lyasy 4.3.1 Ammonia _ lyasy (např. aspartátamonialyasa) 4.4 C _ S lyasy 4.5 C _ halogen lyasy 4.6 P _ lyasy 4.99 statní lyasy

4. LYASY Lyasy - příklady: EC 4.1.1.1 pyruvát-karboxylyasa, pyruvátdekarboxylasa CH 3 -C-CH CH 3 -CH + C 2 EC 4.2.1.1 karbonát-hydrolyasa, karbonátanhydrasa, karbonátdehydratasa H 2 C 3 C 2 + H 2

EC 4.6.1.1 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 +

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

5. ISMERASY 5.2 Cis _ trans _ isomerasy 5.3 Intramolekulární oxidoreduktasy 5.3.1 Přeměňující aldehydy na ketony (ketolisomerasy) 5.3.2 Přeměňující ketoskupiny na enoly (keto _ enolisomerasy) 5.3.3 Posunující C=C vazbu ( n _ m isomerasy) 5.3.4 Posunující S _ S vazbu (proteindisulfid _ isomerasa) 5.3.99 statní intramolekulární oxidoreduktasy

5. ISMERASY 5.4 Intramolekulární transferasy (mutasy) 5.4.1 Přenášející acylovou skupinu (acylmutasy) 5.4.2 Fosfotransferasy (fosfomutasy) 5.4.3 Přesunující aminoskupinu (aminomutasy) 5.5 Intramolekulární lyasy (decyklisující, intramolekulární adice) 5.99 statní isomerasy (např. DNA-topoisomerasy)

Isomerasy - příklady: EC 5.1.1.13 Aspartátracemasa (s poloviční rychlostí působí též na Ala) EC 5.1.2.1 Laktátracemasa EC 5.3.1.1 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 5.4.2.1 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

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)

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 6.3.1 Acid _ ammonia (or amine) ligases (asparaginsynthetasa) 6.3.2 Acid _ amino _ acid ligases (např. peptidsynthetasy) 6.3.3 Cyklisující ligasy 6.3.4 statní C _ N ligasy 6.3.5 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)

Ligasy - příklady EC 6.1.1.1 L-Tyrosin:tRNA Tyr -ligasa (AMP-tvořící), tyrosin-trna-ligasa L-Tyr + trna Tyr + ATP L-Tyr-tRNA Tyr + AMP + PP i EC 6.2.1.1 Acetát:CoA-ligasa (AMP-tvořící), acetát-coa ligasa CH 3 C - + HSCoA + ATP acetyl-scoa + AMP + PP i EC 6.3.1.4 L-Aspartát:amoniak-ligasa (ADP-tvořící), asparaginsynthetasa L-Asp + NH 3 + ATP L-Asn + ADP + P i (EC 6.3.1.1.. AMP-tvořící) EC 6.4.1.1 Pyruvát:oxid uhličitý-ligasa (ADP-tvořící), pyruvátkarboxylasa CH 3 -C-C - + HC 3- +ATP - C-CH 2 -C-C - + ADP + P i EC 6.5.1.1 Poly(deoxyribonukleotid): poly(deoxyribonukleotid)-ligasa (AMPtvořící), DNA-ligasa ATP + (deoxyribonukleotid) n + (deoxyribonukleotid) m (deoxyribonukleotid) n+m + AMP + PP i