enzymologia.pdf

Enzymologia

Notatki z wykładów prof. W. Jarmuszkiewicz i prof. H. Kmity, wersja 1.3 (17.05.2009)

Wykład 1 – 03.03.2009

Enzymy sprawują kontrolę nad metabolizmem komórki. Metabolizm wymaga

skoordynowanego działania enzymów. Enzymy wzmacniają reaktywność reakcji chemicznej

(dzięki czemu część reakcji może zachodzić w temperaturze komórki) oraz zapewniają

precyzyjną kontrolę metabolizmu.

Enzymy są zestawione w szlaki bądź cykle, co zapewnia ich skoordynowane działanie.

Skoordynowane działanie enzymów jest także możliwe dzięki kontaktom miedzy szlakami i

cyklami enzymatycznymi. Reakcje enzymatyczne są połączone w ciągi: produkt jednej reakcji

jest substratem drugiej.

Szlaki i cykle enzymatyczne zawierają punkty kontrolne (enzymy kluczowe), decydujące o ich

przebiegu.

Fosfofruktokinaza (kluczowy enzym glikolizy):

fruktozo-6-fosforan + ATP → fruktozo-1,6-bisfosforan + ADP + H +

symulowana jest przez AMP, ADP, hamowana przez ATP, cytrynian.

Enzymy kluczowe są białkami allosterycznymi . Białko allosteryczne dostosowuje swoje

działanie do sytuacji zewnętrznej, czyli reaguje na informacje w postaci oddziałujących z nimi

cząsteczek. Cechą charakterystyczną działania białka allosterycznego jest kooperatywność ,

tzn. współdziałanie tworzących je podjednostek, co zapewnia zwiększoną skuteczność tego

działania.

Istotą katalizy enzymatycznej jest specyficzne wiązanie stanu przejściowego . Pierwszym

etapem katalizy enzymatycznej jest utworzenie kompleksu enzym-substrat (ES). Substraty

wiążą się w miejscu aktywnym enzymu w określonej, korzystnej orientacji przestrzennej.

Zwykle substraty wiązane są w sposób silnie selektywny, co ma wpływ na katalityczną

specyficzność enzymów.

Enzymy przyspieszają reakcję ponad milionkrotnie.

Anhydraza węglanowa – jest jednym z najszybszych enzymów:

CO 2 + H 2 0 ↔ O=C-(OH) 2

Enzymy charakteryzuje duża specyficzność pod względem:

– katalizowanej reakcji chemicznej,

– substratów.

W reakcjach katalizowanych przez enzymy rzadko występują reakcje uboczne prowadzące do

powstania zbędnych produktów.

Katalizowanie reakcji przez enzymy prowadzi do wytworzenia stanów przejściowych o

najwyższej energii. Stabilizacja stanów przejściowych jest istotą katalizy enzymatycznej.

Specyficzność substratowa i specyficzność reakcji.

Enzymy proteolityczne prowadzą:

- proteolizę, czyli hydrolizę wiązania peptydowego:

Peptyd +H20 ↔ komponent karboksylowy + komponent aminowy

- oraz zwykle także hydrolizę wiązania estrowego:

Ester + H20 ↔ kwas + alkohol

Specyficzność enzymów proteolitycznych:

Trypsyna (enzym trawienny) rozcina wiązanie peptydowe po karboksylowej stronie reszt

argininy i lizyny.

Trombina (uczestnicząca w krzepnięciu krwi) rozcina tylko wiązanie Arg-Gly.

Bakteryjna subtylizyna nie rozróżnia bocznych łańcuchów aminokwasowych sąsiadujących z

hydrolizowanym wiązaniem (najmniej specyficzny enzym proteolityczny).

Polimeraza DNA I to przykład enzymu o wysokiej specyficzności. Polimeraza „myli się”

rzadziej niż raz na milion operacji.

Specyficzność enzymu wynika z precyzyjnej interakcji substratu z enzymem, co z kolei jest

wynikiem odpowiedniej struktury trójwymiarowej enzymu.

Aktywność wielu enzymów wymaga kofaktorów .

Apoenzym + kofaktor = holoenzym

Kofaktory enzymów:

– koenzym – kofaktor będący małą cząsteczką organiczną,

– grupa prostetyczna – koenzym silnie związany z enzymem,

– „kosubstrat” – koenzym luźno związany z enzymem.

kofaktor (koenzym/metal)

enzym

pirofosforan tiaminy

dehydrogenaza pirogronianowa

nukleotyd flawinoadeninowy

monooksydaza aminowa

Zn 2+

anhydraza węglanowa

Zn 2+

karbkoskypeptydaza

Mg 2+

EcoRV

dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy

dehydrogenaza mleczanowa

fosforan pirydoksalu

fosforylaza glikogenowa

Mg 2+

heksokinaza

Enzymy przekształcają z dużą wydajnością jedną formę energii w drugą:

– zamiana energii świetlnej na energię wiązań chemicznych z wytworzeniem gradientu

jonów w czasie fotosyntezy,

– zamiana energii chemicznej cząsteczek pożywienia na energię gradientu jonowego a

następnie energię wiązania chemicznego ATP – w mitochondriach,

– zamiana energii chemicznej ATP na energię mechaniczną w mięśniu (miozyna),

– „zamiana” energii chemicznej ATP na wytworzenie gradientu jonowego – pompy

błonowe.

Molekularne mechanizmy działania enzymów poznajemy dzięki mikrografii rentgenowskiej

ujawniającej szczegóły struktury 3D.

ATPaza-Ca 2+ używa energii hydrolizy ATP do transportu Ca 2+ w poprzek błony komórkowej,

wytwarzając gradient jonów Ca2 + .

Nazwa enzymu zwykle pochodzi od jego substratu lub katalizowanej reakcji (końcówka –

aza). Są też nazwy potoczne.

Klasyfikacja enzymów oparta jest na typie przeprowadzanej reakcji.

6 głównych klas enzymów:

klasa

typ reakcji

Przykład

1. Oksydoreduktazy

Utlenianie-redukcja Dehydrogenaza mleczanowa

2. Transferazy

Przenoszenie grup

Kinaza nukleozydomo-

nofosforanowa (kinaza NMP)

3. Hydrolazy

Reakcje hydrolizy

(przenoszenie grup

funkcyjnych na cząsteczki

wody)

Chymotrypsyna

4. Liazy

Utworzenie wiązań

podwójnych poprzez dodanie

lub usunięcie grup

Fumaraza

5. Izomerazy

Izomeryzacja

(wewnątrzcząsteczkowe

przeniesienie grup)

Izomeraza triozofosforanowa

6. Ligazy

Ligacja (połączenie) dwóch

substratów na koszt hydrolizy

ATP

Syntetaza aminoacylo-tRNA

Przykład:

ATP + NMP ↔ ADP + NDP

Nazwa potoczna – kinaza NMP = kinaza nukleozydomonofosforanowa.

Oznaczenie numerowe – EC 2.7.4.4 (1. liczba – klasa, druga – przenoszona grupa

(fosforanowa), trzecia – akceptor (fosforan), czwarta – jeszcze bardziej specyficzna).

I zasada termodynamiki – zasada zachowania energii – w każdym procesie suma energii

układu i otoczenia pozostaje stała. Energia nie może być tworzona lub niszczona; może być

tylko przekształcana.

II zasada termodynamiki – wszystkie procesy przebiegają w takim samym kierunku, aby

następował sumaryczny wzrost entropii wszechświata, aż do ustalenia się stanu równowagi.

Każdy układ dąży do stanu maksymalnego nieuporządkowania (entropii).

Energia swobodna (Gibbsa, G) – funkcja termodynamiczna wiążąca pierwszą i drugą zasadę

termodynamiki – jest użyteczną funkcją dla zrozumienia działania enzymów.

ΔG = ΔH – TΔS

Gdzie:

- ΔG – zmiana swobodnej energii układu podczas przemiany przy stałej temperaturze (T) i

ciśnieniu (p).

- ΔH – zmiana entalpii tego układu

- ΔS – zmiana jego entropii.

Ponieważ:

- ΔH = ΔE + pΔV,

Gdzie:

- ΔE – zmiana wewnętrznej energii,

- ΔV – zmiana objętości (zwykle bardzo mała)

Stąd:

ΔG = ΔE – tΔS

A zatem ΔG zależy zarówno od zmiany energii wewnętrznej, jak i od zmiany entropii układu.

ΔG dostarcza informacji o spontaniczności reakcji, a nie o jej szybkości:

ΔG = 0 – układ w stanie równowagi, brak zmian

ΔG < 0 – wartość ujemna – reakcja może zajść spontanicznie, reakcja egzoergiczna

ΔG > 0 – wartość dodatnia – reakcja nie może zajść spontanicznie, reakcja endoergiczna

ΔG reakcji zależy jedynie od ΔG produktów (stanu końcowego) i substratów (stanu

początkowego). ΔG reakcji nie zależy od drogi przemiany czy molekularnego mechanizmu

przemiany. ΔG reakcji nie daje informacji o szybkości reakcji.

Enzymy nie wpływają na ΔG reakcji.

Enzymy wpływają na energię wymaganą dla zapoczątkowania reakcji (czyli swobodną

energię aktywacji , ΔG ‡ ), która określa szybkość reakcji.

Jednostki energii:

Dżul (J) jest ilością energii potrzebną do użycia siły 1 N przez odległość 1 m.

Kilodżul (kJ) równa się 1000 J.

Kaloria (cal) jest równoważna ilości ciepła potrzebnego do podwyższenia temperatury 1

grama wody z 14,5⁰C do 15,5⁰C.

Kilokaloria (kcal) równa się 1000 cal.

1 kcal = 4,184 kJ

1 kJ = 0,239 kcal

Wyznaczanie ΔG reakcji (aby określić spontaniczność reakcji):

A+B ↔ C+D

ΔG = ΔG⁰ + RT ln [ C ][ D ]

[ A ][ B ]

R – stała gazowa, T – temperatura absolutna ([K]), [A], [B] – molowe stężenia (aktywności)

składników reakcji, ΔG⁰ – standardowa ΔG, gdy stężenia A, B, C, D równe są 1 M, a warunki

gazowe – 1 atmosferze.

A zatem, ΔG zależy od właściwości substancji reagujących (ΔG⁰) i od ich stężeń.

Dla ułatwienia przyjęto, że pH 7 to wartość standardowa.

ΔG⁰ ' to ΔG⁰ w pH 7 – zmiana standardowej energii swobodnej w pH 7.

ΔG⁰ jest związana ze stałą równowagi K eq .

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: