Enzymy
Proč biokatalýza? Vyšší reakční rychlost Vyšší specificita reakce Mírnější reakční podmínky Možnost regulace COO - - COO NH 2 OH - COO NH 2 - COO O OH - COO Chorismate mutase - OOC O OH - COO - COO O Metabolity mají různé možnosti jakou cestou metabolizovat Enzymy zaručí tu správnou cestu
Zvýšení reakčních rychlostí některých reakcí
Enzymy jsou substrátově selektivní H - OOC + NH 3 H - OOC + NH 3 OH H - + OOC NH 3 Bez vazby OH HO H H H NH CH 3 OH Vazba, ale bez reakce Příklad: Fenylalanin hydroxyláza
Substátová specificita zajištěna několikabodovou vazbou molekuly
Klasifikace a názvosloví enzymů
Klasifikace a názvosloví enzymů Enzymy jsou tříděny podle typu reakce, kterou katalyzují Triviální názvy: s příponou -in (historicky - trypsin, pepsin) Většina nazývaná podle substrátu a reakce s příponou áza (ase) (ATPáza štěpí ATP, ATP syntáza tvoří ATP, laktáza, alkohol dehydrogenáza...) 1964, systematicá klasifikace a názvosloví podle Enzymové komise (EC)
Klasifikace a názvosloví enzymů 1964 - systematicá klasifikace a názvosloví podle Enzymové komise (EC): Substrát (donor) : (akceptor nebo kofaktor, typ skupiny, typ izomerizace) typ reakce Číslování enzymů podle Enzymové komise
Mezinárodní klasifikace enzymů Group Reaction catalyzed Typical reaction Examples with trivial name EC 1 Oxidoreductases To catalyze oxidation/reduction reactions; transfer of H and O atoms or electrons from one substance to another AH + B A + BH (reduced) A + O AO (oxidized) Dehydrogenase, oxidase EC 2 Transferases Transfer of a functional group from one substance to another. The group may be methyl-, acyl-, amino- or phosphate group AB + C A + BC Transaminase, kinase EC 3 Hydrolases Formation of two products from a substrate by hydrolysis AB + H2O AOH + BH Lipase, amylase, peptidase EC 4 Lyases Non-hydrolytic addition or removal of groups from substrates. C-C, C-N, C- O or C-S bonds may be cleaved RCOCOOH RCOH + CO2 Decarboxylase EC 5 Isomerases Intramolecule rearrangement, i.e. isomerization changes within a single molekule AB BA Isomerase, mutase EC 6 Ligases Join together two molecules by synthesis of new C-O, C-S, C-N or C-C bonds with simultaneous breakdown of ATP X + Y+ ATP XY + ADP + Pi Synthetase
Klasifikace a názvosloví enzymů Příklad číslování alkohol dehydrogenázy 1 Oxidoreduktáza 1.1 Reaguje na CH-OH skupině 1.1.1 S akceptorem elektronu NAD nebo NADP 1.1.1.1 NAD 1.1.1.2 NADP EC 1.1.1.1 Běžný název: alkohol dehydrogenáza Reakce: alkohol + NAD + -> aldehyd nebo keton + NADH + H + Jiná jména: aldehyd reduktáza; ADH; alkohol dehydrogenáza (NAD); ethanol dehydrogenáza; NADzávislá alkohol dehydrogenáza; NADH-alkohol dehydrogenáza; Systematický název: alkohol:nad + oxidoreduktáza
Izozymes enzymy mající jiné aminokyselinové složení (primární struktura) katalyzující stejnou reakci obvykle maji jinou kinetiku reakce nebo jsou jinak regulovány to zajišťuje jemné laděni metabolismu v závislosti na potřebaách organismu podle vnějších podmínek, potřeb tkání, vývojového stádia a podob.
Kofaktory - Koenzymy
Kofaktory kofaktory lástky vázané k enzymům zajišťující jejich plnou funkčnost anorganické (Kovové ionty) organické látky (Koenzymy) Koenzym může se reverzibilně oddělit od enzymu, přenášet z enzymu na enzym Prostetická skupina pevně vázaná k enzymu
Příklady kofaktorů
Některé anorganické ionty
Některé koenzymy
Jak enzymy fungují
Enzym-substrát komplex Vazba substrátu do aktivního místa
Teorie přechodového stavu Pomalé reakce musí překonat velkou aktivační energetickou bariéru
Zrychlení reakce Enzymy snižují aktivační bariéru ve srovnání se stavem bez katalýzy
Jak snížit aktivační bariéru? Enzymy uspořádají reagující skupiny do pro reakci výhodné orientace Katalyzovaná reakce: Enzymy využívají energii vazby substrátu k enzymu ke tvorbě reakčně výhodného rigidního komplexu enzym-substrát k 1 k 2 E + S ES E + P k -1 k 1 [E][S] = (k -1 +k 2 ) [ES]
Dvě konformačně možné cesty tvorby komplexu enzym-substrát Zámek a klíč Indukovaný fit
Jak snížit aktivační bariéru? Enzymy váží lépe přechodný stav substrátu aktivní místo enzymu je komplementární s přechodným reakčním stavem substrátu takpvý přechodný stav váží lépe než prostý substrát silnější vazba k přechodnému stavu je cesta ke snížení bariéry aktivační energie
Stabilizace přechodného reakčního stavu substrátu
Příklad mechanismu enzymatické reakce
Katalýza fruktóza-2,6-bisfosfatázou (1) Lys 356 a Arg 352, Arg 307 a Arg 257 stabilizují čtyři negativní náboje dvou fosfátů substrátu. (2) Nukleofilní His 392 atakuje C-2 fosfát, který se tak váže na His 258 a tvióří fosfát-enzym meziprodukt. Fruktóza-6-fosfát opouští enzym. (3) Následně dochází k nukleofilnímu ataku vody na vázaný fosfát a tvorby anorganického fosfátu. (4) Anorganický fosfát je uvolněn z enzymu, tedy z vazby na Arg 257 a Arg 307.
Enzymová kinetika
Co je enzymova kinetika? Kinetika studuje rychlost s jakou reagují reakční komponenty Rychlost enzymatických reakcí je ovlivněna Typem enzymu (izoenzymu) Substrátem Efektory Teplotou, ph
Jak měříme enzymovou kinetiku
Efekt koncentrace substátu TRychlost enzymatické reakce závisí na koncentraci substrátu odchylky díky: Limitace vlastním měřením Substrátová inhibice Kontaminace inhibitory
Rovnice enzymové reakce Nejjednodušší model jeden reaktant, jeden produkt, žádná inhibice
Simple reaction equation In steady state - rate of ES production is equal to its breakdown Total enzyme concentration the only we know Series of algebraic steps lead to an expression of ES concentration Concentration of ES depends on [S], [E T ] and a series of constants K m Michaelis constant Concentration of ES depends on [S], [E T ] and K m the Michaelis constant
Reaction rate depends on a concentration of reactants ([ES] in our case) and a rate constant In the case when Reaction rate depend only on concentration of substrate first order reaction In the case when Most of the enzyme in ES state Maximal reaction rate depends on total enzyme concentration [E T ]
Rovnice Michaelise - Mentenové K m (Michaelisova konstanta) přibližná míra afinity substrátu k enzymu
Určení kinetických parametrů Nelineární plot Michaelis-Mentenové může být využit k výpočtu parametrů K m a V max
Co musím znát Fyziologická úloha enzymů Proč je třeba enzymové katalýzy Jak enzymy urychlují chemické reakce Enzymová kinetika Význam Michaelisovy konstanty a jak se zjišťuje