Enzymy = biokatalyzátory
Enzymy – biologické katalyzátory Analogie s chemickými katalyzátory
Katalyzátor je jiná látka než reaktant a produkt reakce Zvyšuje rychlost reakce v obou směrech, snižuje aktivační energii obou reakcí; reakce vedena jinudy (ilustrace – tok řeky) Z toho plyne, že zkracuje dobu potřebnou k dosažení rovnováhy ale neovlivňuje tuto rovnováhu!!!!!!
Vystupuje z reakce nezměněn
· · · ·
bílkoviny ( vyjímka ribozymy, např. 2S-rRNA) aktivní místo - vazebné skupiny - katalytické skupiny vazba substrátu - zámek a klíč - indukované přizpůsobení úloha "zbytku molekuly"
Aktivační energie rozkladu peroxidu vodíku
H2O2 → 2H2O + O2 Katalyzátor
Reakční rychlost (mol.l1.s-1)
Ea (kJ.mol-1)
Žádný
10-8
71,1
HBr
10-4
50,2
Fe(OH)2-triethylen tetraamin
103
29,3
Katalasa
107
8,4
Enzymy – biologické katalyzátory Platí o nich totéž co o chemických katalyzátorech, ale mají něco navíc:
účinné snížení aktivační energie specifita regulovatelnost účinnosti (aktivity)
Enzymy = biokatalyzátory
Každá (metabolická) reakce má svůj enzym
Co umí enzymy · účinné snížení aktivační energie
· specifita účinku · specifita substrátová · regulovatelnost účinnosti (aktivity)
Snížení aktivační energie
Enzym = buď jednoduchá bílkovina
nebo apoenzym (peptidový řetězec) + kofaktor = holoenzym
Kofaktor: nepeptidová součást enzymu, která se přímo účastní chemické reakce (bez něj by to nešlo), častá souvislost s vitaminy
Prosthetická skupina - pevně vázána na peptidový řetězec
Koenzym volně vázaná molekula
prosthetická skupina (př. FAD, PLP, hem) E-Pr + S1 E-Pr* + P1 E-Pr* + S2 E-Pr + P2 _____________________ E-Pr S1 + S2 P1 + P2 koenzym (druhý substrát) (př. NAD(P),CoA, ATP) E1 S1 + K P1 + K* E2 K* + S2 K + P2 ________________ S1 + S2 P1 + P2
Prosthetická skupina x Koenzym
AKTIVNÍ MÍSTO ENZYMŮ relativně malá kapsa (štěrbina) uvnitř nebo při povrchu enzymu, často hydrofóbní, umožňující vazbu substrátu(ů), ev. nebílkovinné části enzymu slabšími přechodnými, většinou nekovalentními vazbami: -
vodíkovými můstky (výrazně směrovaná)
-
elektrostatickým přitahováním
-
hydrofóbními interakcemi
-
van der Waalsovými silami
Obsahuje postranní řetězce sekvenčně vzdálených aminokyselin, které představují
kontaktní,
orientující
a
katalytické
zbytky
a
vytvářejí
trojrozměrnou strukturu (konformaci). -efekt zvýšení koncentrace
Vzniká dočasně a reverzibilně komplex enzym-substrát (ES).
biospecifickou
AKTIVNÍ MÍSTO ENZYMŮ
Teorie zámku a klíče
Změna konformace hexokinasy způsobená vazbou substrátu
Kofaktory - prosthetická skupina
1. prosthetická skupina (př. FAD, PLP, hem) E-Pr + S1
E-Pr* + P1
E-Pr* + S2
E-Pr + P2
_____________________ E-Pr S1 + S2
P1 + P2
Prosthetická skupina - FAD
přenos elektronů, riboflavin B2
Prosthetická skupina - PLP
Prosthetická skupina - hem
Kofaktory - koenzym
2. koenzym (druhý substrát) (př. NAD(P),CoA, ATP) E1 S1 + K
P1 + K*
E2 K* + S2
K + P2
________________ S1 + S2
P1 + P2
Koenzymy – NAD+, NADP+
Koenzymy – CoA
Koenzymy – ATP
Kofaktory - ostatní 3. "nespecifické" organické sloučeniny
- kyselina askorbová (komplex s Fe) - některé další vitaminy
4. kovy přímo se účastnící reakce (metaloenzymy, Zn, Fe, Se, Cu ...)
5. specifické kovy, působící "nepřímo" (Mg a ATP)
Jednotky vyjadřování enzymové aktivity katal (zkratka kat): množství enzymové aktivity, které katalyzuje přeměnu l molu substrátu za sekundu; l0-6 kat = µkat ; l0-9 kat = nkat starší mezinárodní jednotka: U : množství enzymové aktivity, které katalyzuje přeměnu l µmolu substrátu za minutu; l0-3 U = mU PŘEVOD: U=16,67 nkat
60 U=1 µkat
Faktory ovlivňující enzymovou aktivitu koncentrace substrátu (Km, V, kcat) teplota pH iontová síla aktivátory a inhibitory
Názvosloví enzymů
triviální (pepsin, trypsin, elastasa, invertasa ...) doporučené ("polosystematické") (alkoholdegydrogenasa...)
Slovník biochemických pojmů: http://vydavatelstvi.vscht.cz/knihy/uid_es-002/ebook.help.htm
enzymy - názvosloví {1} enzyme nomenclature a) triviální (např. pepsin, trypsin, thrombin, elastasa{EC 3.4.21.36, EC 3.4.21.71}), b) tzv. doporučené, tvořené názvem substrátu, typem reakce a příponou -asa (např. alkoholdehydrogenasa, glukosaoxidasa, alaninaminotransferasa{EC 2.6.1.2}, alaninracemasa{EC 5.1.1.1}), c) systémové (též systematické), vytvářené podle daných pravidel. Systémové názvosloví je založeno (až na výjimky) pouze na účinkové a substrátové specifitě enzymů a vychází z rozdělení enzymů do šesti tříd (viz enzymy - rozdělení do tříd). Vedle tohoto jednoznačného, byť v běžné praxi poněkud nepohodlného názvosloví má každý enzym ještě své katalogové číslo (viz EC, enzymový katalog). Názvy enzymů mají, kromě nejstarších triviálních názvů, příponu -asa.
Příklady: ENTRY
EC 3.2.1.26
NAME -Fructofuranosidase Invertase Saccharase CLASS Hydrolases Glycosidases Hydrolysing O-glycosyl compounds SYSNAME -D-Fructofuranoside fructohydrolase REACTION Hydrolysis of terminal non-reducing -D-fructofuranoside residues in -D-fructofuranosides SUBSTRATE -D-Fructofuranoside Sucrose H2O PRODUCT -D-Fructose POZNÁMKA: Termín invertasa vznikl proto, že při hydrolyse sacharosy se obrací (invertuje) optická rotace z pravotočivého na levotočivý smysl. Enzym se využívá k výrobě invertního cukru (směs glukosy a fruktosy), který je mnohem sladší a stravitelnější než sacharosa; používá se jako umělý med, jako sladidlo do zmrzliny, čokolád apod.
Třídy enzymů 1) Oxidoreduktasy katalyzují různé oxidoredukční reakce, často s využitím koenzymů jako např. NADH, NADPH, FADH2,nebo hemu. Triviální názvy v této třídě: dehydrogenasy, oxidasy, cytochromy, peroxidasa, katalasa. 2) Transferasy Katalyzují přenos skupin: amino-, methyl-, acyl-, glykosyl-, fosforyl-. Kinasy katalyzují přenos fosfátové skupiny z ATP nebo jiných nukleosidtrifosfátů. Triviální názvy v této třídě: aminotransferasy (transaminasy), acyltransferasy, fosfotransferasy. 3) Hydrolasy Katalyzují štěpení vazeb mezi atomem uhlíku a jinými atomy prostřednictvím spotřebované molekuly vody. Obvyklé triviální názvy: esterasy, peptidasy, amylasy, fosfatasy, lipasy, proteasy (pepsin, trypsin, chymotrypsin).
Třídy enzymů 4) Lyasy Katalyzují adiční reakci na dvojné vazbě nebo eliminační reakci mezi dvěma C atomy za vzniku dvojné vazby. Příklady: fumaráthydratasa (fumarasa), karbonátdehydratasa (karboanhydrasa), aldolasa, citrátlyasa, dekarboxylasy. . Isomerasy 5) Katalyzují racemizaci optických isomerů nebo vytváření polohových isomerů: epimerasy, racemasy, mutasy. 6) Ligasy Katalyzují tvorbu vazeb mezi uhlíkem a jinými atomy spojenou se štěpením ATP (spřažení exergonické a endergonické reakce): karboxylasy, synthetasy (glutaminsynthetasa).
1. OXIDOREDUKTASY donor + akceptor
oxidovaný donor + redukovaný akceptor
Systematický název: donor : akceptor-oxidoreduktasa angl .: donor : acceptor oxidoreductase Triviální názvy: dehydrogenasa reduktasa (důležitější redukce substrátu) transhydrogenasa (vzácné, glutathion-cystin-transhyhrogenasa) oxidasa (přenos dvou elektronů na O2, obvykle vznik H2O2) oxygenasa (1 nebo 2 atomy O jsou inkorporovány do substrátu(ů), monooxygenasa: vzniká voda, dioxygenasa: nevzniká) peroxidasa (peroxid vodíku je akceptorem elektronů) katalasa (disproporcionace peroxidu vodíku)
donor
akceptor
CH_OH (alkohol) CHO (aldehyd) CH_CH CH_NH2 CH_NH (sekundární amin) NADH nebo NADPH ostatní dusíkaté donory sloučeniny síry hemová skupina difenoly a příbuzné slouč. peroxid vodíku jako akceptor vodík působící na jeden donor, do něhož se vnáší kyslík (oxygenasy) 1.14. působící na dva donory, reakcí) které inkorporují kyslík 1.15. superoxidový radikál jako akceptor 1.16. kovové ionty _CH _ (vzniká alkohol) 1.17. 2 1.18. redukovaný ferredoxin 1.19. redukovaný flavodoxin 1.97. ostatní oxidoreduktasy 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6. 1.7. 1.8. 1.9. 1.10. 1.11. 1.12. 1.13.
1.n.1 NAD+ nebo NADP+ 1.n.2 cytochrom 1.n.3 molekulový kyslík 1.n.4 disulfidová sloučenina 1.n.5 chinon nebo příbuzné látky 1.n.6 dusíkatá skupina 1.n.7 FeS proteiny 1.n.8 flavin
1.13. (14.) 11 až 18 (různé typy oxygenačních
1.n.99 různé další akceptory
Oxidoreduktasy - příklady EC 1.14.13.25 Methan,NAD(P)H:kyslík-oxidoreduktasa (hydroxylující) CH4 + NAD(P)H + H+ + O2
CH3OH + NAD(P)+ + H2O
EC 1.11.1.6 H2O2: H2O2-oxidoreduktasa, katalasa (též peroxid vodíku:peroxid vodíku - oxidoreduktasa) H2O2 + H2O2
2 H2O + O2
EC 1.11.1.7 donor: H2O2-oxidoreduktasa, peroxidasa donor + H2O2
oxidovaný donor + 2 H2O
Oxidoreduktasy - příklady EC 1.1.1.1 Alkohol:NAD+-oxidoreduktasa, alkoholdehydrogenasa CH3-CH2-OH + NAD+
EC 1.1.3.4
CH3-CHO + NADH + H+
-D-Glukosa:O2-1-oxidoreduktasa, glukosaoxidasa
-D-glukosa + O2
-D-glukono-1,5-lakton + H2O2
EC1.13.11.18 Síra:kyslík-oxidoreduktasa, síradioxygenasa S + O2
SO2
2. TRANSFERASY
donor_SK + akceptor
donor + akceptor_SK
Systematický název: donor : akceptor_skupinatransferasa angl. donor : acceptor grouptransferase Triviální názvy: methyltransferasy, hydroxymethyltransferasy aminotransferasy (dříve transaminasy) kinasy = fosfotransferasy atd.
Kofaktory transferas (koenzym)
Kofaktory transferas (koenzym)
přenos acylových zbytků
2. TRANSFERASY 2.1 Přenášející jednouhlíkatou skupinu 2.1.1 Methyltransferasy 2.1.2 Hydroxymethyltransferasy 2.1.3 Karboxyl_ a karbamoyltransferasy 2.1.4 Amidinotransferasy 2.2 Přenášející aldehydické nebo ketonické skupiny 2.1.1. Transaldolasy a transketolasy 2.3 Acyltransferasy 2.3.1. Acyltransferasy 2.3.2. Aminoacyltransferasy
2. TRANSFERASY 2.4 Glykosyltransferasy 2.4.1. Hexosyltransferasy 2.4.2. Pentosyltransferasy 2.4.3. Přenášející ostatní glykosylové skupiny
2.5 Přenášející akrylové nebo arylové skupiny jiné než methyl 2.5.1. (velmi heterogenní skupina) 2.6 Přenášející dusíkaté skupiny 2.6.1. Aminotransferasy 2.6.3. Oximinotransferasy 2.6.99 Přenášející jiné dusíkaté skupiny
2. TRANSFERASY 2.7. Přenášející skupiny obsahující fosfor 2.7.1. Fosfotransferasy s alkoholem jako akceptorem 2.7.2. Fosfotransferasy s karboxylem jako akceptorem 2.7.3. Fosfotransferasy s dusíkatou skup. jako akcept. 2.7.4. Fosfotransferasy s fosfátovou skup. jako akcept. 2.7.6. Difosfotransferasy 2.7.7. Nukleotidyltransferasy 2.7.8. Transferasy ostatních substituovaných fosf. skup. 2.7.9. Fosfotransferasy se dvěma akceptory 2.8. Přenášející sirné skupiny 2.8.1. Sulfurtransferasy (sirné skupiny kromě 2.8.2. a 2.8.3.) 2.8.2. Sulfotransferasy (přenášející sulfát) 2.8.3. CoA_transferasy
Transferasy - příklady EC 2.4.1.1 1,4- -D-Glukan:orthofosfát- -D-glukosyltransferasa, fosforylasa
(1,4- -D-glukan)n + Pi fosfát
(1,4- -D-glukan)n-1 + -D-glukosa-1-
EC 2.6.1.2 L-Alanin:2-oxoglutarát-aminotransferasa, alaninaminotransferasa (AAT) O O O O C
C
O
O C
+
H 3N
+
O C
O
O
H 3N CH
CH 2
C
CH2
CH
CH 2
O C
CH2
CH 3
C O
L-Ala
+
O
+ 2-oxoglutarát
CH 3
C O
+
O
pyruvát +
L-Glu
Transferasy - příklady
EC 2.7.1.1 ATP:D-hexosa-6-fosfotransferasa, hexokinasa ATP + D-hexosa NH2
O N
N
N
N O O
O
O
O P O CH 2 O O OH H
O
OH
P O P O P O H 2C O
ADP + D-hexosa-6-fosfát
O
H H HO
H
HO
O H
H H
OH
H
OH
3. HYDROLASY
A _ B + H 2O
AOH + HB
Systematický název: substrát (skupina) hydrolasa
angl.: substrate (group) hydrolase Triviální název: substrátasa, často zcela nesystematické názvy
3. HYDROLASY 3.1 Esterasy 3.1.1. Estery karboxylových kyselin (lipasy)
3.1.3. Monoestery fosforečné kyseliny (fosfatasy) 3.1.4. Diestery fosforečné kyseliny (fosfodiesterasy, štěpení c-AMP)
3.1.11
_
30 Endo_ a exo_ (deoxy)nukleasy
3.2 Glykosidasy 3.2.1. Hydrolysující O_glykosidové vazby (amylasy, invertasa=sacharasa, celulasy) 3.2.2. Hydrolysující N-glykosidové vazby 3.3 Působící na etherové vazby
3. HYDROLASY 3.4 Peptidasy 3.4.11. _Aminoacylpeptid hydrolasy (aminopeptidasy) 3.4.13. Dipeptid hydrolasy 3.4.14. Dipeptidylpeptid hydrolasy 3.4.15 Peptidyldipeptid hydrolasy 3.4.16 Serinové karboxypeptidasy 3.4.17 Metallo_karboxypeptidasy 3.4.18 Cysteinové karboxypeptidasy 3.4.21 Serinové proteinasy 3.4.22 Cysteinové proteinasy 3.4.23 Aspartátové proteinasy 3.4.24 Metallo_proteinasy 3.4.99 Proteinasy neznámého katalyt. mechanismu 3.5 Působící na C_N vazbu jinou než peptidovou
3. HYDROLASY 3.6 Působící na anhydridy kyselin
3.6.1 Anhydridy fosforečné kyseliny (pyrrofosfatasa, nespec. ATPasy) 3.6.3 a zprostředkující membránový transport
(transportní ATPasy) 3.6.4 umožňující pohyb (aktomyosinový komplex, složky cytoskeletu)
3.7 Působící na vazbu C_C 3.8 Působící na vazby halogenů 3.9 Působící na P_N vazby 3.10 Působící na S_N vazbu 3.11 Působící na C_P vazbu
4. LYASY
substrát 1 (+ substrát 2)
produkt 1 + produkt 2 (malý)
Systematický název: substrát 1 (substrát 2)- produkt 2lyasa angl: substrate l (substrate 2)- product 2 lyase Triviální název: dekarboxylasa, hydrolyasy (=dehydratasa), ammonialyasa, aldolasa, synthasa (velmi riskantní)
4. LYASY 4.1 C_C lyasy 4.1.1 Karboxylyasy (dekarboxylasy) 4.1.2 Aldehydlyasy (aldolasy) 4.1.3 Oxo_acid lyasy (např. citrátsynthasa) 4.1.99 Ostatní C_C lyasy 4.2 C_O lyasy 4.2.1 Hydrolyasy (např. fumarasa) 4.2.2 Působící na polysacharidy (štěpí za vzniku deoxysacharidů) 4.2.3 Ostatní C _O lyasy 4.3 C_N lyasy 4.3.1 Ammonia_lyasy (např. aspartátamonialyasa) 4.4 C_S lyasy 4.5 C_halogen lyasy 4.6 P_O lyasy 4.99 Ostatní lyasy
4. LYASY Lyasy - příklady: EC 4.1.1.1 pyruvát-karboxylyasa, pyruvátdekarboxylasa CH3-CO-COOH
CH3-CHO + CO2
EC 4.2.1.1 karbonát-hydrolyasa, karbonátanhydrasa, karbonátdehydratasa H2CO3
CO2 + H2O
4. LYASY EC 4.6.1.1 ATP-pyrrofosfátlyasa (cyklisující), adenylátcyklasa ATP
cAMP
+
PPi
NH2
NH2 N
N
N
N
O O O
O
O
P O P O P O H2C O
O
O
CH2
O H
H HO
O
H H OH
N
N
N
N
O
P O
+ O
H H
O
P O P O O
H H
O
O
OH
O
5. ISOMERASY
Triviální názvy: (různé typy isomerací
_
podobně i
v systematickém názvu)
racemasy, cis_trans_isomerasy, ketolisomerasy, mutasy, atd.
Systematický název: substráttyp angl.: substrate type
5. ISOMERASY
5.2
Cis_trans_isomerasy
5.3
Intramolekulární oxidoreduktasy
5.3.1 Přeměňující aldehydy na ketony (ketolisomerasy) 5.3.2 Přeměňující ketoskupiny na enoly (keto_enolisomerasy) 5.3.3 Posunující C=C vazbu (
n _
m
isomerasy)
5.3.4 Posunující S_S vazbu (proteindisulfid_isomerasa) 5.3.99 Ostatní intramolekulární oxidoreduktasy
5. ISOMERASY 5.4 Intramolekulární transferasy (mutasy) 5.4.1 Přenášející acylovou skupinu (acylmutasy) 5.4.2 Fosfotransferasy (fosfomutasy) 5.4.3 Přesunující aminoskupinu (aminomutasy) 5.5 Intramolekulární lyasy (decyklisující, intramolekulární adice) 5.99 Ostatní isomerasy (např. DNA-topoisomerasy)
Isomerasy - příklady:
EC 5.1.1.13 Aspartátracemasa (s poloviční rychlostí působí též na Ala) EC 5.1.2.1 Laktátracemasa EC 5.3.1.1 D-Glyceraldehyd-3-fosfátketolisomerasa, triosafosfátisomerasa H2C OH
HC O HO CH H2C
O C
O O
H2C
P O
O P O
O
O
O
D-glyceraldehyd-3-fosfát
dihydroxyacetonfosfát
EC 5.4.2.1 D-Fosfoglycerát-2,3-fosfomutasa, fosfoglycerátmutasa O
O
O
HO CH H2C
O O
O
O
C
P O O
3-fosfo-D-glycerát
O P O
C O CH H 2C
OH
2-fosfo-D-glycerát
6. LIGASY substrát 1 + substrát 2 + A(G) TP
substrát 1_substrát 2 + ADP + Pi
nebo substrát 1 + substrát 2 + ATP
substrát 1_substrát 2 + AMP + PPi
Systematický název: substrát1: substrát 2_ligasa (tvořící ADP, AMP nebo GDP) angl.: substrate l : substrate 2 ligase (ADP, AMP or GDP _forming) Triviální názvy: pokud možno substrát 1_substrát 2_ligasa (synthetasy jsou možné, často se však vyskytují i synthasy)
6. LIGASY 6.1 Tvořící C_O vazby (aminoacyl_tRNA_ligasy a podobné estery) 6.2 Tvořící C_S vazby (kyselina_thiol_ligasy) 6.3 Tvořící C_N vazby 6.3.1
Acid_ammonia (or amine) ligases (asparaginsynthetasa)
6.3.2
Acid_amino_acid ligases (např. peptidsynthetasy)
6.3.3
Cyklisující ligasy
6.3.4
Ostatní C_N ligasy
6.3.5
C_N ligasy s glutaminem jako donorem dusíku (např. karbamoylfosfátsynthetasa)
6.4 Tvořící C_C vazby (např. karboxylasy)
6.5 Tvořící estery kyseliny fosforečné (např. DNA-ligasa)
Ligasy - příklady EC 6.1.1.1 L-Tyrosin:tRNATyr-ligasa (AMP-tvořící), tyrosin-tRNA-ligasa L-Tyr + tRNATyr + ATP L-Tyr-tRNATyr + AMP + PPi
EC 6.2.1.1 Acetát:CoA-ligasa (AMP-tvořící), acetát-CoA ligasa CH3COO- + HSCoA + ATP acetyl-SCoA + AMP + PPi EC 6.3.1.4 L-Aspartát:amoniak-ligasa (ADP-tvořící), asparaginsynthetasa L-Asp + NH3 + ATP L-Asn + ADP + Pi (EC 6.3.1.1.. AMP-tvořící) EC 6.4.1.1 Pyruvát:oxid uhličitý-ligasa (ADP-tvořící), pyruvátkarboxylasa CH3-CO-COO- + HCO3- +ATP -OOC-CH2-CO-COO- + ADP + Pi EC 6.5.1.1 Poly(deoxyribonukleotid): poly(deoxyribonukleotid)-ligasa (AMPtvořící), DNA-ligasa ATP + (deoxyribonukleotid)n + (deoxyribonukleotid)m (deoxyribonukleotid)n+m + AMP + PPi
