Historie poznání enzymů 1835 Jacob Berzelius katalytická fce diastasy pol. 18.stol. Luis Pasteur vitalismus 1878 Frederic W. Kühn enzym 1894 Emil Fischer teorie zámku a klíče 1897 Büchnerův pokus 1926 James Sumner krystalisace ureasy 30. léta Northrop a Kunitz - aktivita enzymu úměrná konc. proteinu 1963 primární struktura ribonukleasy A 1965 rentgenostrukturní analysa lysozymu
Enzymy = biokatalyzátory Téměř každá (metabolická) reakce má svůj enzym
Enzymy biologické katalyzátory Platí o nich totéž co o chemických katalyzátorech Katalyzátor je jiná látka než reaktant a produkt reakce Zvyšuje rychlost reakce v obou směrech, snižuje aktivační energii obou reakcí Z toho plyne, že zkracuje dobu potřebnou k dosažení rovnováhy ale neovlivňuje tuto rovnováhu!!!!!! Může se uplatnit pouze v reakcích, které probíhají i bez jeho přítomnosti (i když jen velmi pomalu) Vystupuje z reakce nezměněn
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 (regenerace kofaktoru) E-Pr S1 + S2 P1 + P2 β-d-glukosa + 2 β-d-glukonolakton + H 2 2
koenzym (druhý substrát) (př. NAD(P),CoA, ATP) E1 S1 + K P1 + K* E2 K* + S2 K + P2 S1 + S2 P1 + P2 CH 3 -CH 2 H + NAD + CH 3 -CH + NADH + H + NADH + H + + Q NAD + + QH 2
Enzymy biologické katalyzátory.platí o nich totéž co o chemických katalyzátorech, ale mají něco navíc: účinné snížení aktivační energie specifita (účinku, substrátová) regulovatelnost účinnosti (aktivity) P
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)
Základní znaky enzymu bílkoviny ( x ribozymy) aktivní místo - vazebné skupiny - katalytické skupiny - regiospecifita - stereospecifita Geometrie aktivního místa
Specifita enzymu Enzymy vykazují různý stupeň specifity: - Absolutní katalyzují přeměnu jediného substrátu (ureasa) - Skupinovou katalyzují jeden typ reakce při přeměně podobných substrátů (hexokinasa) - Přeměnu určitého typu vazby v různých substrátech (hydrolasy)
Základní znaky enzymu mechanismus působení vazba substrátu - zámek a klíč - indukované přizpůsobení úloha "zbytku molekuly
Teorie zámku a klíče: - Aktivní místo má rigidní tvar - Mohou se vázat pouze substráty odpovídající tvarem
Model indukovaného zapadnutí - aktivní místo je flexibilní - geometrie aktivního místa se přizpůsobí tvaru substrátu až v jeho přítomnosti - širší substrátová specifita
Změna konformace hexokinasy způsobená vazbou substrátu (hexosa) D-glc + ATP D-glc-6-fosfát + ADP
Faktory přispívající k vysoké účinnosti enzymů Proximita a orientace aktivního místa a substrátu (ů) Vytěsnění molekul vody Konformační změny Elektrostatické efekty Koncentrační efekt
Molekulární mechanismus účinku chymotrypsinu: 1. nukleofilní atak kyslíku Ser 2. Tvorba a stabilisace prvního intermediátu 3. Vznik prvního produktu reakce 4. Nukleofilní atak kyslíku molekuly vody 5. Tvorba druhého intermediátu 6. Uvolnění druhého produktu reakce
Názvosloví a nomenklatura enzymů NÁZVSLVÍ ENZYMŮ triviální, "polosystematické", systematické, -asa x áza Systematické: Nomenklatura katalog enzymů: http//www.rrz.uni-hamburg.de/biologie/b_online/e18_1/ec.htm http://www.expasy.org/enzyme/ ExPASy Proteomics Server (Expert Protein Analysis System) proteomics server of the Swiss Institute of Bioinformatics Enzyme Commission (EC) IUBMB EC 1.1.1. 1 alkoholdehydrogenasa
EC X.Y.Z.W Třída 1-6 Typ reakce Podtřída substrát Podpodtřída Speciální vlastnosti Pořadové číslo Akceptor apod
NÁZVSLVÍ ENZYMŮ triviální, "polosystematické", systematické, -asa x áza Tvorba systematických názvů: substrát (y) oddělené : třída (asa) za povšimnutí stojí: prosthetické skupiny se neobjevují v názvu enzymu, koenzymy ano Příklady: H 2 2 + H 2 2 = 2 + 2 H 2 H 2 2 : H 2 2 oxidoreduktasa (katalasa) β-d-glukosa + 2 δ-d-glukonolakton + H 2 2 β-d-glukosa: 2 1-oxidoreduktasa (glukosaoxidasa)
Třídy enzymů 1. xidoreduktasy 2. Transferasy 3. Hydrolasy 4. Lyasy 5. Isomerasy 6. Ligasy
1. xidoreduktasy donor + akceptor oxidovaný donor + redukovaný akceptor Systematický název: donor:akceptor-oxidoreduktasa angl.: donor:acceptor oxidoreductase Triviální názvy: dehydrogenasa reduktasa (důležitější redukce substrátu ) transhydrogenasa (vzácně, glutathion-cystin transhyhrogenasa ) oxidasa (přenos dvou elektronů na 2,obvykle vzniká H 2 2 ) oxygenasa (1 nebo 2 (mono-, di-, ) atomy jsou inkorporovány do substrátu) peroxidasa (peroxid vodíku je akceptorem elektronů, 1.11.) katalasa (disproporcionace peroxidu vodíku, též 1.11.) akceptor donor NAD + NADH + H + CH 3 -CH 2 -H CH 3 -CH
Kofaktory oxidoreduktas Nikotinamidadenindinukleotid Kyselina nikotinová, vit.b 3 - P 3 2- = NADP + NAD + + 2 [H] NADH + H +
Spektrální vlastnosti význam pro analytiku NADH NAD +
Flavinové kofaktory oxidoreduktas Flavinadedindinukleotid (FAD) Flavinmononukleotid - FMN Riboflavin, vitamin B2
Flavinadedindinukleotid (FAD) Flavinadedindinukleotid v redukované formě (FADH 2 )
Hem prosthetická skupina N N Fe N N
xidoreduktasy - příklady: EC 1.1.3.4 -D-Glukosa: 2-1-oxidoreduktasa, glukosaoxidasa -D-glukosa + FAD -D-glukono-1,5-lakton + FADH 2 FADH 2 + 2 FAD + H 2 2 -D-glukosa + 2 -D-glukono-1,5-lakton + H 2 2 EC 1. 1.1.1 alkoholdehydrogenasa CH 3 CH 2 H + NAD + CH 3 CH + NADH + H +
xidoreduktasy EC 1.11.1.6 H 2 2 : H 2 2 -oxidoreduktasa, katalasa 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
2.Transferasy donor skupiny + akceptor donor + akceptor skupiny Systematický název : donor:akceptor- skupinatransferasa Triviální názvy: methyltransferasy hydroxymethyltransferasy aminotransferasy (transaminasy) kinasy = fosfotransferasy Příklady: 2.1 Přenášející jednouhlíkatou skupinu 2.2 Přenášející aldehydické nebo ketonické skupiny 2.3 Acyltransferasy 2.4 Glykosyltransferasy 2.7 Přenášející skupiny obsahující fosfor (kinasy)
Kofaktory transferas Adenosin trifosfát (ATP)
Kofaktory transferas Koenzym A (CoA, CoASH) (vitamin B 5 )
Pyridoxalfosfát (B6 pyridoxol, pyridoxamin) Prostetická skupina - metabolismus AK
Lipoamid, kyselina lipoová (prostetická skupina)
Thiamindifosfát, přenos 2C zbytků, aldehydy Thiamin (B1), živočichové pouze dietou, obilné slupky, beri-beri
Příklady transferas EC 2.3.1.15 Acyl-CoA :sn-glycerol-3-fosfát-1--acyltransferasa glycerol-3 fosfátacyltransferasa H H 2 C CH H 2 C H P H 2 C C R1 + acyl-scoa H CH + HSCoA H 2 C P
Příklady transferas EC 2.6.1.2 L-Alanin:2-oxoglutarát aminotransferasa, alaninaminotransferasa (ALT) C C C + H 3 N CH CH 2 + + C + C H 3 N CH C CH 2 CH 3 CH 2 CH 3 CH 2 C C L-Ala + 2-oxoglutarát pyruvát + L-Glu
Příklady transferas EC 2.7.1.1 ATP:D-hexosa-6-fosfotransferasa, hexokinasa ATP + D-hexosa ADP + D-hexosa-6-fosfát
Hydrolasy A - B + H 2 AH + HB Systematický název: substrát (skupina) hydrolasa Triviální název: substrátasa, často zcela nesystematické názvy Dobrá zpráva: nepotřebují kofaktory
3. Hydrolasy 3.1 Esterasy (lipasy, fosfolipasy, nukleasy, fosfatasy) 3.2 Glykosidasy (amylasy, celulasy, pektinasy. 3.3 Působící na etherové vazby 3.4 Peptidasy (amino- a karboxypeptidasy, serinové, aspartátové, sulfhydrylové, metaloproteasy) 3.5 Působící na C_N vazbu jinou než peptidovou (nukleasy) 3.6 Působící na anhydridy kyselin 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 (+ substrát2) produkt1 + produkt2 (malý) Systematický název: substrát1 (:substrát 2)- produkt2 lyasa Triviální název: dekarboxylasa, hydrolyasy (=dehydratasa), ammonialyasa, aldolasa, synthasa (velmi riskantní) 4.1 C-C lyasy 4.2 C- lyasy 4.3. C-N lyasy 4.4 C-S lyasy 4.5 C-halogen lyasy 4.6 P- lyasy... 4.99 statní 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-pyrofosfátlyasa (cyklisující), adenylátcyklasa camp 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 ATP camp + PPi +
5. ISMERASY Triviální názvy: (různé typy isomerací podobně i v systematickém názvu) racemasy, cis-trans-isomerasy, ketolisomerasy, mutasy, atd. Systematický název: substráttyp isomerace angl.: substrate type 5.1 Racemasy a epimerasy 5.2 Cis-trans-isomerasy 5.3 Intramolekulární oxidoreduktasy 5.4 Intramolekulární transferasy (mutasy) 5.5 Intramolekulární lyasy (decyklisující, intramolekulární adice) 5.99 statní isomerasy (např. DNA-topoisomerasy)
Isomerasy - příklady: EC 5.3.1.1 D-Glyceraldehyd-3-fosfátketolisomerasa, triosafosfátisomerasa H HC CH H 2 C P H 2 C C H 2 C D-glyceraldehyd-3-fosfát dihydroxyacetonfosfát H P EC 5.3.1.5 glukosaisomerasa Glukosa fruktosa (průmyslová výroba HFCS)
6. LIGASY substrát1 + substrát2 + A(G) TP substrát1-substrát2 + ADP + Pi nebo substrát1 + substrát2 + ATP substrát1-substrát2 + AMP + PPi Systematický název: substrát1:substrát2-ligasa (tvořící ADP, AMP nebo GDP) Triviální názvy: pokud možno substrát1-substrát2-ligasa (synthetasy jsou možné, často se však vyskytují i synthasy)
6. LIGASY katalyzují energeticky náročné slučování dvou substrátů S1 + S2 + NTP + H 2 S1-S2 + NDP + Pi nebo S1 + S2 + NTP + H 2 S1-S2 + NMP + PPi. 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 6.4 Tvořící C-C vazby (např. karboxylasy) 6.5 Tvořící estery kyseliny fosforečné (např. DNA-ligasa)
Ligasy - příklady: EC 6.1.1.1 L-Tyrosin:tRNATyr-ligasa (AMP-tvořící), tyrosin-trna-ligasa L-Tyr + trna Tyr + ATP L-Tyr-tRNA Tyr + AMP + PP i 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 + PPi
Biotin, přenáší karboxylovou skupinu, prostetická skupina (transferasy, ligasy) Růstový faktor kvasinek, avidin-biotin komplex
Tetrahydrolistová kyselina, přenáší 1C zbytky vázané na N5