Metabolismus krok za krokem CVIČENÍ 3 1) Uvedené názvy enzymů (tzv. „accepted names“, tj. přijaté, běžně používané názvy) přiřaďte do správné skupiny v tabulce, zahrnující 6 základních tříd enzymů:
a) jednoduché dehydrogenázy (DH)
kináza, esteráza, dehydrogenáza, glykosidáza, fosforyláza, mutáza, nukleáza, tautomeráza, oxidáza, fosfatáza, peroxidáza, transaldoláza, reduktáza, dekarboxyláza, syntetáza, epimeráza, hydratáza, monooxygenáza, dioxygenáza, nukleotidáza, hydroxyláza, lipáza, transketoláza, desaturáza, cytochrom, fosfolipáza, transamináza, proteáza, fosfodiesteráza, karboxyláza, racemáza, dehydratáza
alkoholdehydrogenáza
laktátdehydrogenáza
sukcinátdehydrogenáza oxidoreduktázy
malátdehydrogenáza transferázy
β-hydroxybutyrát DH hydrolázy
b) dehydrogenázy (DH) katalyzující tzv. oxidační dekarboxylaci α-ketokyselin nebo oxidační deaminaci aminokyselin
lyázy
pyruvátdehydrogenáza izomerázy
α-ketoglutarát DH ligázy
2) Do následujících rámečků napište pomocí vzorců reakce katalyzované uvedenými enzymy, doplňte názvy reaktantů a produktů a případný kofaktor.
glutamátdehydrogenáza
Poznámka: toto cvičení zahrnuje důležité enzymy metabolismu, které je potřeba znát.
[email protected]
1
Metabolismus krok za krokem CVIČENÍ 3 c) peroxidázy
f) hydrolázy (* použijte obecné vzorce zahrnující štěpenou vazbu)
kataláza dipeptidáza *
glutathionperoxidáza glykosidáza*
d) aminotransferázy esteráza *
ALT
fosfatáza *
AST
lipáza
e) kinázy g) jednoduché dekarboxylázy (lyázy) glukokináza aspartát-1-dekarboxyláza
fruktokináza glutamát-1-dekarboxyláza
galaktokináza DOPA-dekarboxyláza
glycerolkináza histidindekarboxyláza
[email protected]
2
Metabolismus krok za krokem CVIČENÍ 3 h) další lyázy
j) ligázy
karbonátdehydratáza
pyruvátkarboxyláza
fumaráthydratáza
acetyl-CoA-karboxyláza
adenylátcykláza
glutaminsyntetáza
i) izomerázy acyl-CoA-syntetáza
UDP-glukóza-4-epimeráza
aminoacyl-tRNAsyntetáza triózafosfát izomeráza
ribóza-5-fosfát izomeráza
3) Nakreslete graf závislosti počáteční rychlosti enzymem katalyzované reakce na koncentraci substrátu, popište osy. Přidejte další 2 křivky: enzym v přítomnosti a) kompetitivního, b) nekompetitivního inhibitoru. Do všech 3 křivek vyznačte Vmax a Km. (uvažujte jednoduchý enzym dle Michaelise-Mentenové)
glukóza-6-fosfát izomeráza
4) Stručně vysvětlete uvedené termíny: a) Michaelisova konstanta
fosfoglukomutáza
b) aktivita enzymu
c) izoenzymy racemáza aminokyselin
d) alosterický enzym
[email protected]
3
Metabolismus krok za krokem CVIČENÍ 3 Řešení: 1) oxidoreduktázy: dehydrogenáza, oxidáza, peroxidáza, reduktáza, monooxygenáza, dioxygenáza, hydroxyláza, desaturáza, cytochrom; transferázy: kináza, fosforyláza, transaldoláza, transketoláza, transamináza; hydrolázy: esteráza, glykosidáza, nukleáza, fosfatáza, nukleotidáza, lipáza, fosfolipáza, proteáza, fosfodiesteráza; lyázy: dekarboxyláza, hydratáza, dehydratáza; izomerázy: mutáza, tautomeráza, epimeráza, racemáza; ligázy: syntetáza, karboxyláza; poznámka: neuvádím zde nikde název syntáza, protože jde o častý název enzymu, který něco syntetizuje, a to nezávisle na třídě, do níž patří - syntázy se vyskytují ve všech třídách enzymů, včetně ligáz (dokonce i mezi hydrolázami lze najít syntázu: ATP-syntáza, katalyzující aerobní fosforylaci, je vlastně opačným směrem pracující protonová pumpa, EC 3.6.3.14)
-
CH(NH2)-COO (aspartát + α-ketoglutarát → oxalacetát + glutamát; kofaktor: pyridoxalfosfát = PALP); obě reakce jsou vratné; e) glukokináza: (glukóza + ATP → glukóza-6-fosfát + ADP; jde o specifickou hexokinázu)
fruktokináza: (fruktóza + ATP → fruktóza-1-fosfát + ADP; narozdíl od glukokinázy fosforyluje na C1)
+
2) a) alkoholdehydrogenáza: CH3-CH2-OH + NAD + → CH3-CHO + NADH+H (etanol → acetaldehyd); + laktátdehydrogenáza: CH3-CH(OH)-COO + NAD + → CH3-CO-COO + NADH+H (laktát → pyruvát; glykolýza, glukoneogeneze); sukcinátdehydrogenáza: OOC-CH2-CH2-COO + FAD → trans OOC-CH=CH-COO + FADH2 (sukcinát → fumarát; Krebsův cyklus); malátdehydrogenáza: OOC-CH2-CH(OH)-COO + + + NAD → OOC-CH2-CO-COO + NADH+H (malát → oxalacetát; Krebsův cyklus); β-hydroxybutyrátdehydrogenáza: CH3-CH(OH)+ CH2-COO + NAD → CH3-CO-CH2-COO + + NADH+H (β-hydroxybutyrát → acetoacetát; mezipřeměna ketolátek); -
b) pyruvátdehydrogenáza (PDH): CH3-CO-COO + + + NAD + CoA-SH → CO2 + NADH+H + CH3-COCoA (pyruvát → acetyl-CoA + oxid uhličitý; „nevratná“ reakce); α-ketoglutarátdehydrogenáza: + OOC-CH2-CH2-CO-COO + NAD + CoA-SH → + CO2 + NADH+H + OOC-CH2-CH2-CO-CoA (α-ketoglutarát → sukcinyl-CoA + oxid uhličitý; „nevratná“ reakce, Krebsův cyklus); glutamátdehydrogenáza: OOC-CH2-CH2-CH(NH2)+ COO + NAD → OOC-CH2-CH2-CO-COO + + NADH+H + NH3 (glutamát → α-ketoglutarát + amoniak; vratná reakce, metabolismus aminokyselin); c) kataláza: H2O2 + H2O2 → O2 + 2 H2O (dismutace = reakce dvou stejných molekul peroxidu vodíku na kyslík a vodu; hemoprotein); glutathionperoxidáza: 2 GSH + H2O2 → GS-SG + 2 H2O (redukovaný glutathion + peroxid vodíku → oxidovaný glutathion + voda) nebo 2 GSH + R-O-OH → GS-SG + H2O + R-OH (redukovaný glutathion + organický hydroperoxid → oxidovaný glutathion + voda + alkohol; selenoprotein = obsahuje selenocystein); d) alaninaminotransferáza (ALT): CH3-CH(NH2)COO + OOC-CH2-CH2-CO-COO → CH3-COCOO + OOC-CH2-CH2-CH(NH2)-COO (alanin + α-ketoglutarát → pyruvát + glutamát; kofaktor: pyridoxalfosfát; aspartátaminotransferáza (AST): OOC-CH2-CH(NH2)-COO + OOC-CH2-CH2-COCOO → OOC-CH2-CO-COO + OOC-CH2-CH2-
galaktokináza: (galaktóza + ATP → galaktóza-1fosfát + ADP; fosforyluje také na C1)
glycerolkináza: (glycerol + ATP → glycerol-3-fosfát + ADP; přítomna v játrech)
f) dipeptidáza: NH2-CH(R1)-CO-NH-CH(R2)-COOH + H2O → NH2-CH(R1)-COOH + NH2-CH(R2)-COOH (dipeptid + voda → 2 aminokyseliny; R = postranní řetězec; štěpí peptidovou vazbu); glykosidáza: (štěpí glykosidovou vazbu v oligo a polysacharidech, např. laktáza štěpí laktózu: laktóza + voda → galaktóza + glukóza
esteráza: R1-O-CO-R2 + H2O → R1-OH + R2-COOH (ester, např. ester karboxylové kyseliny s alkoholem se štěpí na alkohol a karboxylovou kyselinu; štěpí se esterová vazba); fosfatáza: R-O-PO(OH)2 + H2O → R-OH + H3PO4 (specifičtější esteráza, která štěpí estery kyseliny fosforečné na alkohol a kyselinu fosforečnou);
[email protected]
4
Metabolismus krok za krokem CVIČENÍ 3 lipáza: (štěpí triacylglyceroly na mastné kyseliny a glycerol; triacylglycerol + H2O → diacylglycerol + mastná kyselina; diacylglycerol + H2O → monoacylglycerol + mastná kyselina; monoacylglycerol + H2O → glycerol + mastná kys.)
triózafosfát izomeráza: Pi-O-CH2-CH(OH)-CHO ↔ Pi-O-CH2-CO-CH2-OH (glyceraldehyd-3-fosfát ↔ dihydroxyacetonfosfát; vratná reakce, glykolýza, glukoneogeneze)
g) aspartát-1-dekarboxyláza: OOC-CH2-CH(NH2)-COO → OOC-CH2-CH2-NH2 + CO2 (aspartát → β-alanin + oxid uhličitý; kofaktor: pyridoxalfosfát = PALP) glutamát-1-dekarboxyláza: OOC-CH2-CH2-CH(NH2)-COO → OOC-CH2-CH2CH2-NH2 + CO2 (glutamát → γ-aminomáselná kyselina = GABA + oxid uhličitý; kofaktor: PALP) DOPA-dekarboxyláza: (dihydroxyfenylalanin = DOPA → dopamin + oxid uhličitý; „dekarboxyláza aromatických aminokyselin“; PALP)
ribóza-5-fosfát izomeráza: (ribóza-5-fosfát ↔ ribulóza-5-fosfát; ribulóza netvoří cyklickou strukturu - má málo uhlíků, pentózový cyklus; přeměna aldózy na ketózu, stejně jako u předchozího i následujícího enzymu)
histidin-dekarboxyláza: (histidin → histamin + CO2)
h) karbonátdehydratáza: H2CO3 ↔ CO2 + H2O (kyselina uhličitá → oxid uhličitý a voda, vratná reakce; další název: karboanhydráza) fumaráthydratáza: trans OOC-CH=CH-COO + H2O → OOC-CH2-CH(OH)-COO (fumarát + voda → malát; vratná reakce; další název: fumaráza; Krebsův cyklus) adenylátcykláza: ATP → 3´,5´-cAMP + Pi-Pi (adenosintrifosfát → cyklický adenosinmonofosfát + difosfát)
glukóza-6-fosfát izomeráza: (glukóza-6-fosfát ↔ fruktóza-6-fosfát; glykolýza, glukoneogeneze)
fosfoglukomutáza: (glukóza-6-fosfát ↔ glukóza-1fosfát; mutázy přesouvají nějakou skupinu v molekule, zde se přemísťuje fosfát)
racemáza aminokyselin: (D-aminokyselina ↔ Laminokyselina) i) UDP-glukóza-4-epimeráza: (UDP-glukóza → UDP-galaktóza; galaktóza je 4-epimer glukózy - liší se pouze uspořádáním -OH skupiny na 4. uhlíku; vratná reakce: také UDP-galaktóza-4-epimeráza) -
j) pyruvátkarboxyláza: CH3-CO-COO + CO2 + ATP → OOC-CH2-CO-COO + ADP + Pi (pyruvát + oxid uhličitý → oxalacetát; anaplerotická reakce Krebsova cyklu, glukoneogeneze);
[email protected]
5
Metabolismus krok za krokem CVIČENÍ 3 acetyl-CoA karboxyláza: CH3-CO-CoA + CO2 + ATP → OOC-CH2-CO-CoA + ADP + Pi (acetyl-CoA + oxid uhličitý → malonyl-CoA; kofaktor: biotin; syntéza mastných kyselin); glutaminsyntetáza: OOC-CH2-CH2-CH(NH2)-COO + NH3 + ATP → OOC-CH2-CH2-CH(NH2)-CO-NH2 + ADP + Pi (glutamát + amoniak → glutamin); acyl-CoA-syntetáza: R-CH2-COOH + CoA-SH + ATP → R-CH2-CO-CoA + AMP + Pi-Pi (karboxylová kyselina / mastná kyselina + koenzym A + ATP→ acylkoenzym A + adenosinmonofosfát + difosfát); aminoacyl-tRNA-syntetáza: R-CH(NH2)-COOH + tRNA + ATP → R-CH(NH2)-CO-tRNA + AMP + Pi-Pi (aminokyselina + transferová RNA + ATP → aminoacyl-tRNA + AMP + difosfát) 3) a) zelená křivka = bez inhibitoru, červená = v přítomnosti kompetitivního inhibitoru: Vmax zůstává stejná (viz. osa y), Km se zvyšuje (viz. osa x)
1 sekundu; mezinárodní jednotka aktivity je IU; 1 IU = 1 µmol substrátu přeměněný za 1 minutu; 1 kat = 7 6 x 10 IU c) izoenzymy jsou různé formy enzymu katalyzujícího danou reakci; pravé izoenzymy se liší primární strukturou (vznikly na podkladě různých genů); izoformy jsou nepravé izoenzymy - mají stejnou primární strukturu (jsou produkty téhož genu), ale jejich struktura se liší díky různé posttranslační modifikaci; vzhledem k tomu, že se liší strukturou, liší se i jejich fyzikálně-chemické vlastnosti, ale katalyzují stejnou reakci d) alosterický enzym je enzym, který má kromě aktivního centra ještě tzv. regulační místo (nachází se mimo aktivní centrum), kam se mohou vázat efektory ovlivňující aktivitu enzymu (aktivátory aktivitu zvyšují, inhibitory snižují); alosterické enzymy jsou často tvořeny z více podjednotek (mají kvarterní strukturu), závislost rychlosti reakce na koncentraci substrátu je hyperbolická
b) zelená křivka = bez inhibitoru, červená = v přítomnosti nekompetitivního inhibitoru: Vmax se snižuje (viz. osa y; část molekul enzymu je vyřazeno z funkce), Km se nemění (viz. osa x)
4) a) Michaelisova kostanta (Km) popisuje afinitu enzymu k danému substrátu: čím je Km nižší, tím je afinita enzymu k substrátu vyšší, neboť Km je rovna koncentraci substrátu potřebné k tomu, aby reakce běžela polovinou maximální rychlosti; mezi Km a afinitou enzymu k substrátu je nepřímá úměra b) aktivita enzymu vyjadřuje množství aktivity je katal: 1 substrátu přeměněn
(katalytická aktivita enzymu) aktivního enzymu; jednotkou kat = aktivitě, kdy je 1 mol daným množstvím enzymu za
[email protected]
6
