ENZYMY
HISTORIE ENZYMOLOGIE 1. Berzelius (18.stol.) v rostlinách i živočiších probíhají tisíce katalyzovaných reakcí FERMENTY fermentace (Fabrony) 2. W.Kühne en zýme = v kvasnicích enzymy 3. J. Sumner (1926) prokázána bílkovinná povaha enzymů
HISTORIE Katalytický účinek enzymů: a) teorie komplementarity E. Fischer (1894) představa o vzniku komplexu enzymsubstrát b) V.Henri (1902) představa o vzniku meziproduktu enzym-substrát Michaelis a Mentenová kinetika jednosubstrátových reakcí (1913)
HISTORIE 1814 první enzym AMYLASA ze sladu SLINNÁ AMYLASA 1830 1840 žaludeční proteasa PEPSIN - dnes známo cca 3000 různých enzymů
ENZYMY základ existence života
CHARAKTERISTIKA 1. Enzymy ve všech živých systémech. 2. Nejjednodušší buňky obsahují přes 3000 enzymů. 3. Jeví druhovou specifitu. 4. Veškerá existence života založena na existenci enzymů. 5. Aktivita enzymů pružně regulovatelná dle měnících se potřeb organismu.
ENZYMY předčí umělé katalyzátory: 1. Jsou účinnější což je spojeno se značnou reakční rychlostí (vyšší o několik řádů než u umělých katalyzátorů). 2. Vykazují značnou specifitu jak co do typu katalyzované reakce, tak co do substrátů struktury přeměňovaných
ENZYMY předčí umělé katalyzátory: 3. Pracují za mírných podmínek: teplota 20-40 C, tlak 0,1 MPa, ph většina kolem 7. 4. Jejich účinek lze snadno regulovat, dokonce na několika úrovních. 5. Jsou netoxické, na rozdíl od uměle vyrobených enzymů.
Jak za tyto přednosti platí živá příroda? - složité struktury enzymů jsou citlivé k řadě vlivů - enzymy podléhají poměrně rychlému opotřebení - podle potřeb regulace jsou stále odbourávány a znovu syntetizovány
AKTIVAČNÍ ENERGIE katalyzátory reakcí
KLASIFIKACE A NÁZVOSLOVÍ ENZYMŮ Enzymová komise Mezinárodní unie biochemnie (IUBMB- 1961) vedle triviálních názvů (pepsin, trypsin, kathepsin,..) i systémové názvosloví (EC klasifikace) - hlavním hlediskem je TYP KATALYZOVANÉ REAKCE: dělení do 6 tříd
TŘÍDY ENZYMŮ 1. OXIDOREDUKTÁZY - katalyzují intramolekulární a oxidačněredukční reakce, mají povahu složených bílkovin - oxidačně-redukční děje se realizují buď: přenosem atomů VODÍKU - dehydrogenázy nebo ELEKTRONŮ - transelektronázy
TŘÍDY ENZYMŮ 2. TRANSFERÁZY - realizují přenos skupin CH3, - NH2,... v aktivované formě z jejich donoru na akceptor - mají povahu složených bílkovin - dělí se na podtřídy dle charakteru přenášených skupin
TŘÍDY ENZYMŮ 3. HYDROLÁZY - hydrolyticky štěpí vazby, které vznikly kondenzací - například PROTEASY štěpí peptidickou vazbu v molekule proteinů a peptidů 4. LYASY - katalyzují nehydrolytické štěpení a vznik vazeb C-C, C-O, C-N
TŘÍDY ENZYMŮ 5. ISOMERAZY - realizují vnitromolekulární přesuny atomů a jejich skupin vzájemné přeměny isomerů - nejméně početná třída - typ jednoduchých bílkovin - dělení na podtřídy podle typu isomerie
TŘÍDY ENZYMŮ 6. LIGASY ( triviální názen SYNTHETASY) - katalyzují vznik energeticky náročných vazeb za současného rozkladu ATP - málo početná třída uplatňuje se při biosyntézách - povaha složených bílkovin - dělení podle vytvářených vazeb
VYJÁDŘENÍ KATALYTICKÉ ÚČINNOSTI ENZYMŮ 1972 definována nová jednotka KATAL 1 kat představuje množství katalyzátoru, který přemění za standardních podmínek za 1 sekundu 1 mol substrátu - v praxi se používají zlomky této jednotky : mikrokatal, nanokatal
STRUKTURA MOLEKUL ENZYMŮ enzymy : 1.globulární bílkoviny + 2.kofaktor KOFAKTORY nízkomolekulární struktury, které většinou obsahují heterocyklus Funkce: přenos atomů, skupin atomů a elektronů při biochemických reakcích, které enzymy katalyzují.
VAZBA KOFAKTORU A ENZYMU 1. Je-li kofaktor vázán pevnou vazbou (kovalentní) stabilní součást molekuly tvoří prostetickou skupinu (př. hem u transelektronáz cytochromů) 2. Je-li kofaktor vázán slabou vazbou tvoří tzv. koenzym
PŘEHLED KOFAKTORŮ klasifikace dle jejich funkcí 1. PYRIDINOVÉ (NIKOTINAMIDOVÉ) - nejdéle známé (1906) NAD +, NADP+ - součástí jejich molekul je niacin vit. B - známo cca 250 enzymů s těmito kofaktory, jsou povahy transhydrogenas odnímají substrátům dvojici atomů vodíku
PRĚHLED KOFAKTORŮ 2. FLAVINOVÉ (ŽLUTÉ) - struktura 1933 FAD, FMN - součástí jejich struktury je riboflavin vit B2 - účastní se redoxních reakcí - oxidací jsou substrátem odebírány 2H za vzniku = vazby, v této formě jsou žluté - při redukci jsou 2H přijímány a vytváří se bezbarvá leuko forma kofaktorů FADH2, FMNH2
PŘEHLED KOFAKTORŮ 3. alfa LIPOÁT - objeven 1950 jako růstový faktor určitých mikroorganismů - je součástí některých transhydrogenás - reakce za účasti tohoto kofaktoru jsou součástí komplexního děje : OXIDAČNÍ DEKARBOXYLACE alfa-oxokyselin
PŘEHLED KOFAKTORŮ 4. UBICHINONY - fungují v organismu jako časté akceptory atomů vodíku patří mezi ně např. koenzym Q (Co-Q) - jsou součástí mitochondriálních dýchacích řetězců - dalším příkladem je plastochinon účastní se světelné fáze fotosyntézy
PŘEHLED KOFAKTORŮ 5. ATP adenosintrifosfát - kofaktor má nukleotidovou strukturu - triviálním názvem se označují jako KINASY - přenášejí za odštěpení ADP fosforylovou skupinu
LOKALIZACE ENZYMŮ Dle místa působení: 1. INTRACELULÁRNÍ - jsou a zůstávají uvnitř buňky, ve které vznikly - mohou být vázány v různých biologických strukturách - mnohé z nich jsou pouze v některých orgánech (popř. organelách) 2. EXTRACELULÁRNÍ - jsou buňkami, které je vytvořily vylučovány - nacházejí se ve tkáňových kapalinách (žaludeční šťáva, krev, mozkomíšní mok, )
FORMY ENZYMŮ - některé enzymy jsou syntetizovány v inaktivním stavu PROENZYMY - jsou dopraveny z místa vzniku do místa působení a jejich aktivaci umožní jiná látka (lipásy alkalické prostředí duodena) - ISOENZYMY různé formy určitého enzymu, který se postupně nahrazuje během vývoje organismu - (chymosin pepsin)
ENZYMATICKÉ REAKCE - reakce enzymů se odehrávají v malé oblasti molekuly enzymu 1. AKTIVNÍ CENTRUM - do tohoto místa se váží substráty - na výstavbě katalytického centra se účastní několik skupin: - a) katalytické aktivní skupiny tvoří katalytické centrum - b) skupiny, jejichž úkolem je specificky vázat substrát vazebné centrum
ENZYMATICKÉ REAKCE c) další skupiny, které tvoří vhodné chemické prostředí v centru a vhodnou prostorovou strukturu Vedle aktivního centra jsou v molekule enzymů další významné oblasti pro funkci těchto biokatalyzátorů tyto oblasti 2. AKTIVAČNÍ MÍSTA
PRŮBĚH ENZYMATICKÉ REAKCE - v oblasti aktivního centra jsou reakce ASYMETRICKÉ tzn., že připojování struktury se blíží k molekule substrátu z jednoho směru a odštěpované části odcházejí z komplexu enzym-substrát v druhém směru
MECHANISMUS ÚČINKU ENZYMŮ Názory na mechanismus účinků enzymů vychází ze dvou představ: 1. Představa teorie komplementarity (též systém zámek a klíč) - formuloval E. Fischer 1894 do aktivního centra zapadne pouze substrát o vhodné velikosti a tvaru molekuly
MECHANISMUS ÚČINKU ENZYMŮ 2.Teorie Michaelise a Mentenové ( poč. 20. století) - základem je předpoklad, že molekuly enzymů vážou substrát za tvorby meziproduktu - existence meziproduktu se stala výchozím bodem pro objasnění mechanismu působení enzymů
KINETIKA ENZYMATICKÝCH REAKCÍ Vysvětlení kinetiky enzymatických reakcí: 1. Schéma průběhu enzymatické reakce 2. Saturační křivka křivka závislosti rychlosti enzymatické reakce na koncentraci substrátu
SATURAČNÍ KŘIVKA
MICHAELISOVA KONSTANTA Michaelisova konstanta - KM - nezávisí na koncentraci enzymu - závisí na prostředí (ph, teplota,...) - hodnoty konstanty mají široké rozmezí pro většinu enzymů 10-1 až 10-6 mol/l - čím je hodnota KM nižší, tím je afinita enzymu k danému substrátu vyšší
VÝZNAM KM - umožňuje odhadnout koncentraci substrátu nutnou pro dosažení limitní rychlosti reakce - umožňuje vypočítat počáteční rychlost enzymatické reakce pro danou koncentraci substrátu
VLIV REAKČNÍCH PODMÍNEK NA ÚČINNOST ENZYMŮ 1. Koncentrace substrátu - rychlost reakce vrůstá s koncentrací substrátu tak dlouho, dokud se neobsadí všechna aktivní centra enzymu 2. Množství enzymu - rychlost reakce se zvyšuje přímo úměrně s množstvím enzymu
VLIV REAKČNÍCH PODMÍNEK NA ÚČINNOST ENZYMŮ 3. ph prostředí - optimální oblast ph (ph= 5-7), kde je jejich účinnost nejvyšší - ph optimum úzké: pepsin: ph 1-2 - ph optimum široké: chymotrypsin: ph 8-11 4. teplota prostředí - rychlost reakce roste se vzrůstající teplotou, při teplotě 45-50 C se rychlost zastavuje a začíná klesat
OVLIVNĚNÍ ÚČINNOSTI ENZYMŮ - enzymatické reakce ovlivňují EFEKTORY (modifikátory) a) pozitivní efektory AKTIVÁTORY - látky, které se vážou na molekulu enzymu vratně (např. ionty kovů) a) látky snižující aktivitu enzymů - INHIBITORY brzdí enzymatické reakce ( ionty anorganických látek, nízkomolekulární látky, antibiotika, kolchicin,...)
OVLIVNĚNÍ ÚČINNOSTI ENZYMŮ Inhibitory vyvolávají buď změnu struktury molekuly enzymu nebo konkurují v působení na aktivní centrum substrátu
INHIBITORY Inhibitory dělíme z hlediska mechanismu působení: a) kompetitivní inhibitory inhibitor se váže na aktivní centrum enzymu a zabraňuje tak substrátu vytvořit komplex enzym-substrát b) nekompetitivní inhibitory - inhibitor pevně blokuje reaktivní skupiny aktivního centra enzymu (např. SH, -OH) - tento účinek mají například ionty těžkých kovů (Hg, Pb, Cu tzv. katalytické jedy)
PROTEOLYTICKÉ ENZYMY - PROTEÁZY - nejvíce prostudované enzymy - katalyzují hydrolýzu bílkovin, peptidů, amidů esterů a aminokyselin - dělení : 4 skupiny dle mechanismu účinku
SKUPINY PROTEÁZ 1. SERINOVÉ PROTEÁZY (též OH proteázy nebo trávicí enzymy) - zásadité ph - trypsin, chymotripsin, - elastáza, trombin, - mikrobní proteázy
SKUPINY PROTEÁZ 2. CYSTEINOVÉ PROTEÁZY (thiolové proteázy) - jako katalytickou skupinu používají thiolovou skupinu zbytku cysteinu - neutrální ph a) rostlinné: papain, ficin, bromelain b) živočišné: cathepsin B c) mikrobní: streptokoková proteáza
SKUPINY PROTEÁZ 3. ASPARTÁTOVÉ PROTEÁZY - kyselé ph ( dva karboxyly jeden donorem, druhý akceptorem) - pepsin, chymosin, plísňové proteázy 4. METHALOPROTEÁZY - typická tvorba komplexu s kovem - karboxypeptidáza A - lucinaminopeptidáza (Zn)