Enzymy (E)
· są katalizatorami, które zmieniają szybkość reakcji, same nie ulegając zmianie
· Są wysoce specyficzne, ich aktywność może być regulowana.
· Wszystkie znane enzymy są białkami, chociaż zidentyfikowano pewne RNA katalizujące.
· W nieobecności enzymu reakcja może zachodzić niezwykle wolno.
· Przyspieszają reakcje zestawiając substraty w optymalnej orientacji przestrzennej
· Istotą działania enzymu jest stabilizacja stanów przejściowych substratów – czyli tych o najwyższej energii.
· Enzym nie zmienia wartości stanu równowagi K – jedynie przyspiesza jego osiągnięcie.
- K =( [C]*[D])/([A]*[B]) (A + B <-> C + D)
· Obniżają energię aktywacji.
· Nadają reakcji jeden z możliwych kierunków (w obecności określonego enzymu substrat przekształca się w jednym z kierunków np. pirogronian: dehydrogenaza mleczanowa przekształca go w mleczan, dehydrogenaza pirogronianowa – acetylo – S – CoA, karboksylaza pirogronianowa – szczawiooctan, aminotransferaza – alaninę).
Klasyfikacja enzymów ( system nazewnictwa i podział na klasy wprowadzony przez Enzyme Comission)
Miejsce aktywne (M.A.)
· region enzymu wiążący substrat, zazwyczaj niewielki, stanowi określoną trójwymiarową przestrzeń utworzoną przez reszty aminokwasów.
· Tworzy enzym kompleks enzym – substrat i przekształca do w produkt.
· Jest często szczeliną/zagłębieniem na powierzchni cząsteczki enzymu.
· Tworzy środowisko w znacznym stopni niepolarne, co ułatwia wiązanie substratu.
· Po stworzeniu kompleksu enzym - substrat, katalitycznie czynne reszty w obrębie M.A. działają na cząstkę substratu – przekształcają go początkowo w stan przejściowy – potem zostaje uwolniony do roztworu
Specyficzność substratowa
· Właściwości i ułożenie przestrzenne reszt aminokwasowych tworzących M.A. determinują rodzaj cząsteczki, która może zostać związana i stać się substratem dla danego enzymu.
Prędkość /szybkość reakcji enzymatycznej:
- Ilość substratu, przekształconego przez enzym w jednostce czasu – nie mylić z aktywnością enzymu!
- Zależy od wielu czynników:
Temperatura – prędkość reakcji enzymatycznej wzrasta w pewnym przedziale temperatur (0 – 40 st.). Wzrost temperatury o 10o podwaja prędkość reakcji, jednakże wzrost powyżej określonego przedziału obniża prędkość reakcji – następuje denaturacja termiczna białek enzymatycznych. Są od tej reguły wyjątki (gł. Enzymy bakteryjne).
Stężenie jonów wodorowych (pH) – każdy enzym wykazuje swoje optymalne pH, w którym szybkość reakcji enzymatycznej jest największa. Niewielkie odchylenia od optymalnej wartości powodują zmniejszenie szybkości reakcji, duże odchylenia prowadzą do denaturacji enzymu wywołanej przez zmiany stanu jonizacji reszt aminokwasów i zerwaniem niekowalencyjnych oddziaływań.
Stężenie substratu – wzrost stężenia substratu w określonym zakresie powoduje liniowy przyrost prędkości reakcji. Na ogół jedna cząsteczka enzymu przekształca około tysiąc cząsteczek w ciągu sekundy. Czyli przy małych stężeniach substratu podwojenie go prowadzi do podwojenia prędkości reakcji, natomiast przy większych stężeniach enzym ulega wysyceniu, a szybkość dalej nie wzrasta. Stężenie substratu, przy którym V reakcji osiąga połowę wartości maksymalnej, nosi nazwę stałej Michaelisa. Jest ona miarą powinowactwa enzymu do określonego substratu.
Efektory allosteryczne (drobnocząsteczkowe metabolity łączące się z białkiem enzymatycznym i modyfikujące jego strukturę IV rz., niekiedy III rz.) – dzielą się na dodatnie, czyli aktywatory allosteryczne i ujemne, inhibitory allosteryczne. Aktywator sprawia, iż prędkość maksymalna reakcji zostaje osiągnięta przy niższym stężeniu substratu, inhibitor działa w sposób odwrotny.
Inhibicja enzymów:
· Inhibicja nieodwracalna
§ Wiąże się ściśle, często kowalencyjnie z resztami aminokwasów M.A. enzymu.
§ Trwale inaktywuje enzym (np.penicylina, diizopropylofluorofosforan – DIPF, amid kwasu jodooctowego)
· Inhibicja odwracalna:
§ Inhibitory kompetycyjne
- podobne pod względem strukturalnym do substratu
- wiąże się z enzymem w jego M.A.
- wzrasta stała Michaelisa
- odwracalna poprzez zwiększenie stężenia substratu w reagującym układzie
- prędkość maksymalna nie zmienia się, ale jest osiągana przy wyższym stężeniu substratu (przykład inhibitora: kwas malonowy względem kwasu bursztynowego, malonian jest analogiem bursztynianu – ale ma krótszy łańcuch)
§ Inhibitory niekompetycyjne
- nie jest podobny do substratu
- wiąże się z enzymem poza jego M.A.
- zniekształca cząsteczkę enzymu w sposób, który skutkuje zmniejszeniem jego aktywności katalitycznej
- nie zmienia powinowactwa enzymu do substratu – stała Michaelisa nie ulega zmianie, ale obniża prędkość maksymalną reakcji
- inhibicji nie można odwrócić przez zwiększenie stężenia substratu
- może wiązać się z kompleksem substrat – enzym, ponieważ nie konkuruje z substratem o M.A. – substrat jest związany, ale jego przekształcenie przebiega wolniej
Regulacja aktywności enzymatycznej:
- Aktywność białek enzymatycznych podlega ścisłej regulacji.
· Aktywacja proteolityczna
§ Zymogeny/proenzymy ( w tym proteazy) – enzymy wytwarzane w postaci nieaktywnej, nie wykazującej zdolności katalitycznych.
§ Przejście zymogenu w postać aktywną wymaga odłączenia fragmentu (odcinka prekursorowego) cząsteczki, który hamuje M.A.
§ W niektórych przypadkach zymogen staje się substratem dla powstałego z niego enzymu.
§ Przykłady : główne proteinazy przewodu pokarmowego, kaskada krzepnięcia krwi, apoptoza komórki.
· Wiązanie i odłączanie białek regulacyjnych
§ Niektóre enzymy o strukturze IV rz. mają podjednostki katalityczne i regulacyjne
§ Białka regulacyjne kontrolują aktywność tych enzymów.
§ Wywierają hamujący wpływ na aktywność podjednostek katalitycznych.
§ Aktywacja enzymu polega na dysocjacji kompleksu podjednostek i uwolnieniu jednostek katalitycznych.
§ Przykład: aktywacja kinazy białkowej A.
· Fosforylacja i defosforylacja białka enzymatycznego
§ Procesem kierują kinazy (przenoszą reszty fosforanowe z ATP) i fosfatazy białkowe (odłączają reszty fosforanowe od białek w postaci fosforanu nieorganicznego).
§ Efekty reakcji są różnokierunkowe.
· Regulacja allosteryczna
· Naturalne inhibitory ( na przykładzie trypsyny)
§ Hamują aktywność niektórych proteinaz.
§ Działanie trypsyny hamuje trzustkowy inhibitor trypsyny.
§ Trzustkowy inhibitor jest polipeptydem o małej masie cząsteczkowej (6 kDa).
§ Wiąże się trwale z M.A. trypsyny.
· Sprzężenie zwrotne
§ Ciągi reakcji enzymatycznych prowadzących do biosyntezy lub rozpadu metabolitów.
§ Enzym a przekształca substrat A w produkt B, który jest substratem enzymu b, który przekształca go w produkt C itd.
§ Enzym katalizujący wcześniejszy etap biosyntezy jest hamowany przez produkt końcowy danego ciągu reakcji.
§ Przykład : biosynteza cholesterolu, biosynteza nukleotydów pirymidynowych.
· Tworzenie kompleksów wieloenzymatycznych
§ Stworzone z enzymów wiążących się ze sobą
§ Przyspiesza przebieg procesów metabolicznych.
§ Przykłady:
- Dehydrogenaza pirogronianowa – trzy enzymy uczestniczące w oksydacyjnej karboksylacji pirogronianu do acetylo – S – CoA.
- Dehydrogenaza alfa – ketoglutaranowa – trzy enzymy uczestniczące w oksydacyjnej dekarboksylacji alfa – ketoglutaranu do bursztynylo ~ S – CoA.
- enzymy oddechowe – zlokalizowane w mitochondriach i tworzące pięć kompleksów.
xkathyx249