1.Właściwości enzymów i mechanizm ich działania
Podstawowe cechy enzymów
1) Są to białka o masie z zakresu 9 – 155 kDa, jeśli są zbudowane z pojedynczego łańcucha polipeptydowego i do 6 X 106 Da w przypadku enzymów oligomerycznych.
2) Charakteryzują się strukturalną czułością czyli specyficznością tj. decydują o kierunku przemiany substratu(ów) o określonej strukturze lub specyficzności jest wyższa niż innych katalizatorów.
3) Przyspieszają osiągnięcie stanu równowagi reakcji, dzięki znacznemu obniżeniu energii aktywacji, Jest efektem zmiany molekularnego schematu reakcji.
Enzym obniżający energię aktywacji
2H2O2 → 2H2O + O2 ↑
1) Reakcja nie katalizowana GR=75 kJ/mol 1,3 x 10-11% cząstek aktywnych.
2) Obecność platyny GR=50 kJ/mol ; 3 X 10-7% cząsteczek aktywnych: V wzrasta 2 X 104 raza.
3) Obecność katalazy : GR=8,4 kJ/mol ; 4% cząsteczek aktywnych: V wzrasta 3 x 1011 raz.
Enzymy zmieniają mechanizm reakcji E+S↔ES↔ES*↔EP↔E+P
1) Związanie substratu następuje poprzez oddziaływanie z resztami aminokwasowymi wiążących, zlokalizowanych w kieszeni katalitycznej (etap charakteryzowany przez Km).
2) konformacyjny stres enzymu indukowany przez zmiany w aktywnym centrum, prowadzący do utworzenia produktu (etap entropowy charakteryzowany przez wartość stałej katalitycznej kkat)
3)utworzenie produktu z kompleksu z enzymem
2.Ogólny model centrum aktywnego enzymów; rola reszt aminokwasowych, budujących centrum
Kieszeń katalityczna
Zwana również centrum aktywnym lub szczeliną, tunelem lub kieszenią katalityczną.
Znajduje się w obszarze hydrofobowym białka globularnego. Stąd silniejsze oddziaływania aminokwasów położonych. Wyróżniamy w centrum aktywnym: aminokwasy kontaktowe występują w obszarze katalitycznym centrum aktywnego oraz w miejscu wiązania substratu.
Pewne aminokwasy kontaktowe są bardzo blisko substratu. Jedna z ich klas to aminokwasy wiążące substrat; siły wiążące substrat to:
- oddziaływania wodorowe
- oddziaływania Van der Valsa
- oddziaływania hydrofobowe
Aminokwasy w centrum aktywnym oddziaływają z grupami funkcyjnymi substratu. Są to właściwe katalizatory S→P.
Aminokwasy pomocnicze również znajdują się w centrum aktywnym ale nie oddziaływają z substratem. Są niezbędne w katalizie. Ich wymiana na drodze mutacji prowadzi do upośledzenia formy enzymu.
Występują również aminokwasy stabilizujące aktywną konformację enzymu zkompleksowane z jakimś metalem (głównie z jonami Ca). Znajdują się one poza centrum aktywnym. Z Ca związana jest np. α-amylaza słodowa, subtylizyna, trypsyna.
Istotą działania enzymu jest zmiana mechanizmu reakcji i przyspieszenia tempa reakcji
Stała efektywności
katalitycznych
powinowactwo
E do S (I etap)
Przemiana S→P
określa II etap
3.Znaczenie warstwy wody niezbędnej enzymów w biokatalizie niewodnej
Enzymy nie wykazują aktywności w środowisku całkowicie pozbawionym H2O. Obecność cząsteczek H2O jest bardzo ważna dla stabilizacji 30 struktury oraz aktywności H2O
O roli H2O w procesie katalizowanym enzymatycznie w środowisku niewodnym decydują właściwości stworzenia przez nią na powierzchni cząsteczki białka enzymatycznego bardzo cienkiej warstewki – woda niezbędna
Woda niezbędna związana z powierzchnią białka enzymatycznego w środowisku polarnym usztywnia jego konformację katalityczną oraz pozwala na przemieszczenie się ładunkom elektrostatycznym między polarnymi grupami aminokwasów. Pełen zasięg jej oddziaływania na enzymy nie jest jednak całkowicie poznany.
4.Rodzaje katalizy enzymatycznej
Przyjmuje się, że reakcja enzymatyczna zachodzi według jednego z czterech poniższych mechanizmów lub ich kombinacji.
Przyspieszenie reakcji enzymatycznej dokonują się po przez
1) katalizę przez zbliżenie reagujących grup i cząstek.
2) enzym lub koenzym.
3) kataliza kwasowo-zasadowa
4) kataliza przez odpowiednią deformację cząstki substratu
Efekty katalityczne tych mechanizmów można szacować, korzystając z badań wpływu różnych czynników.
5.Stałe kinetyczne, charakteryzujące przebieg reakcji enzymatycznych.
Km- jest to pierwsza stała kinetyczna, określa ona pierwszy etap reakcji enzymatycznych.
Km (stała Michaelita) jest stężenie substratu, dla którego szybkość reakcji enzymatycznej osiąga połowę szybkości maksymalnej. Stała michaelita jest to zatem takie stężenie substratu, przy którym połowa cząsteczek enzymu obecnych w układzie jest związana w kompleksy z cząsteczkami substratu, czyli:
Gdy [S]=Km to v=1/2V
Matematyczną zależność miedzy v,[S],Km przedstawia równanie Michaelita- Menten:
Drugą część reakcji enzymatycznej określa tzw. Stała katalityczna Kkat- określa ona osiągnięcie aktywności przez kompleks ES oraz etap w którym substrat w kompleksie z enzymem przekształca się w produkt.
Kkat [s-1]→ mówi ile cząsteczek substratu przekształca się w ciągu 1s w jedną cząsteczkę produktu
Stała katalityczna określa tzw. Liczbę obrotów enzymu.
Keff- stała efektywności katalitycznych
liliw