Enzymy Vladimíra Kvasnicová
METABOLISMUS „soubor enzymových reakcí, při nichž dochází k přeměně látek a energií v živém organismu, látková přeměna“
Enzymy jsou biokatalyzátory
• • • • • •
snižují aktivační energii reakce (EA) zkracují čas dosažení rovnovážných koncentrací nespotřebovávají se, z reakce vycházejí nezměněny umožňují uskutečnění reakce při T, p a pH lidského těla jsou specifické mohou být regulovány
• nemění ∆G dané reakce • nemění rovnovážné koncentrace
Obrázek převzat z učebnice: Devlin, T. M. (editor): Textbook of Biochemistry with Clinical Correlations, 4th ed. Wiley-Liss, Inc., New York, 1997. ISBN 0-471-15451-2
Významné enzymy metabolických drah: a) regulační enzymy (= klíčové enzymy) b) enzymy související s genetickým onemocněním c) enzymy běžně stanovované v krevní plazmě
Enzymy nacházející se v plazmě: a) enzymy specifické pro plazmu (př. srážecí faktory) b) sekreční enzymy (př. amyláza, lipáza) c) buněčné enzymy (ukazují na stav příslušných buněk)
Důležité je znát: 1.
intracelulární lokalizaci a funkci enzymů
2. distribuci enzymů v orgánech a tkáních 3. zdroj enzymů nacházejících se v plazmě 4. cesty a rychlost eliminace enzymů z krve
Stanovení aktivity enzymů z diagnostických důvodů nejčastěji je vyšetřována krev (sérum, plazma) → zjištění přítomnosti a závažnosti tkáňového poškození
jednotky: µkat/L (= katalytická koncentrace enzymu) kat = katal 1 katal = 1 mol substrátu přeměněný enzymem za 1 sec. 1 µkat = 10-6 kat
Enzymy stanovované jako součást krevních testů • ALT, AST, GMT, ALP (součást jaterních testů) • AMS, LPS (zvýšené při pankreatitidě) • CK, LD (srdeční enzymy) • ACP (zvýšena při zvýšeném odbourávání kostí) ALT AST GMT ALP ACP AMS LPS CK LD
alanin aminotransferáza aspartát aminotransferáza gamma-glutamyl transpeptidáza alkalická fosfatáza kyselá fosfatáza α-amyláza lipáza kreatin kináza laktát dehydrogenáza
Důležité termíny •
apoenzym / kofaktor (koenzym, prostetická skupina, ion)
•
izoenzymy / izoformy
•
proenzymy / zymogeny
•
multienzymový komplex
•
enzymová aktivita
•
Michaelisova konstanta
•
alosterický enzym
•
specifita substrátová / reakční
•
pH-optimum / teplotní optimum
Kinetika Michaelis-Mentenové • průběh křivky (hyperboly) může být popsán rovnicí:
Obrázek převzat z http://www.steve.gb.com/science/enzymes.html (prosinec 2006)
Km popisuje afinitu enzymu k danému substrátu ! nepřímá úměrnost!
Obrázek převzat z http://fig.cox.miami.edu/~cmallery/255/255enz/gk3x15.gif (prosinec 2006)
IUBMB nomenklatura enzymů EC nomenklatura http://www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/enzyme/ * každý enzym má své EC číslo (Enzyme Commission of IUBMB) – 6 tříd enzymů: • • • • • •
EC 1.x.x.x EC 2.x.x.x EC 3.x.x.x EC 4.x.x.x EC 5.x.x.x EC 6.x.x.x
oxidoreduktázy transferázy hydrolázy lyázy izomerázy ligázy (syntetázy)
→ vychází z typu enzymem katalyzované reakce
Hlavní metabolické dráhy intermediárního metabolismu - lokalizace, enzymy glykogeneze
glykogenolýza
= syntéza glykogenu
= štěpení glykogenu
• v cytozolu různých tkání, • v cytozolu různých tkání, nejvíce: játra, sval jaterní glykogen je zdrojem krevní glukózy na počátku • glykogensyntáza (EC 2) hladovění (aktivována inzulinem) ⇒ UDP-glc + glykogen (nebo
glykosylovaný glykogenin) → glykogen-glc + UDP
• větvící enzym (EC 2) (branching enzyme)
• glykogenfosforyláza (EC 2) (aktivována glukagonem) ⇒ glykogen + fosfát → glc-1-P
• odvětvovací enzym (EC 2a3) (debranching enzyme)
Hlavní metabolické dráhy intermediárního metabolismu - lokalizace, enzymy glukoneogeneze
glykolýza
= syntéza glukózy z necukerných substrátů
= oxidační štěpení glukózy
• v cytozolu hepatocytů a tubulárních buněk ledvin
•
glc → 2 pyruváty (→ 2 laktáty)
•
aktivována inzulinem
•
• hexokináza / glukokináza
aktivována glukagonem
• pyruvátkarboxyláza (EC 6) (v mitochondrii !)
• PEP-karboxykináza (EC 4)
• v cytozolu všech buněk
• 6-fosfofruktokináza 1 • pyruvátkináza
(EC 2)
• fruktóza-1,6-bisfosfatáza • glukóza-6-fosfatáza (EC 3) • laktátdehydrogenáza (EC 1)
Hlavní metabolické dráhy intermediárního metabolismu - lokalizace, enzymy lipogeneze
lipolýza
= syntéza zásobních TAG
= štěpení TAG
• hladké ER, hlavně v játrech a tukové tkáni
• extra nebo intracelulárně • lipoproteinová lipáza (na endotelu cév; akt. inzulinem)
•
aktivována inzulinem
• acyltransferázy (EC 2) 3 acyl-CoA + glycerol-3-P → TAG
• hormonsenzitivní lipáza (v adipocytech; akt. glukagonem)
(EC 3) TAG → 3 FA + glycerol
Hlavní metabolické dráhy intermediárního metabolismu - lokalizace, enzymy syntéza FA
β-oxidace
= syntéza mastných kyselin
= oxidační štěpení FA
• v cytozolu do C16 a dále v hladkém ER mnoha tkání
• v matrix mitochondrie, různé tkáně
• acetyl-CoA karboxyláza acetyl-CoA + CO2 → malonyl-CoA aktivována inzulinem
(EC 6,ATP!)
• syntáza mastných kyselin = multienzymový komplex acetyl-CoA + n x malonyl-CoA
acyl-CoA → acetyl-CoA
• regulace na úrovni lipolýzy a vstupu FA do mitochondrie: • karnitinacyltransferáza (karnitin palmitoyl transferáza)
(EC 2)
Hlavní metabolické dráhy intermediárního metabolismu - lokalizace, enzymy ketogeneze
odbourávání ketolátek
= syntéza ketolátek
= přeměna ketolátek na acetyl-CoA
• v mitochondrii, pouze v játrech • regulace na úrovni lipolýzy a beta-oxidace acetyl-CoA → acetoacetát
• β-hydroxybutyrát dehydrogenáza (EC 1)
acetoacetát → β-hydroxybutyrát
• v mitochondrii extrahepatálních tkání (neprobíhá v játrech) acetoacetát → acetyl-CoA
• β- hydroxybutyrát dehydrogenáza (EC 1) β-hydroxybutyrát → acetoacetát
Hlavní metabolické dráhy intermediárního metabolismu - lokalizace, enzymy proteosyntéza
proteolýza
= syntéza proteinů
= štěpení proteinů
• na volných ribosomech nebo drsném ER
• v lyzosomech nebo proteasomech
• ve všech buňkách
• exo a endopeptidázy, proteázy (EC 3)
• aminoacyl-tRNA syntetáza (EC 6)
Hlavní metabolické dráhy intermediárního metabolismu - lokalizace, enzymy syntéza močoviny
odbourávání AMK
= syntéza urey, detoxikace amoniaku
= přeměna na meziprodukty intermediárního metabolismu (pyruvát, acetyl-
• v mitochondrii / cytozolu, pouze v játerch • karbamoylfosfát syntetáza (EC 6)
CoA, meziprodukty Krebsova cyklu)
• transaminace: aminotransferázy (EC 2)
syntéza aminokyselin
• oxidační deaminace: glutamátdehydrogenáza (EC 1)
• transaminace aj.
• dekarboxylázy (EC 4)
NH3 + HCO3- + 2 ATP
Hlavní metabolické dráhy intermediárního metabolismu - lokalizace, enzymy Krebsův cyklus
dýchací řetězec
= amfibolická dráha:
= dokončuje oxidaci živin:
oxidace acetyl-CoA na 2 CO2 propojení anabolických a katabolickýh reakcí mtb • v matrix mitochondrií • citrátsyntáza (EC 2)
elektrony z redukčních ekvivalentů (NADH, FADH2) přeneseny až na O2 uvolněná energie využita k transportu protonů z matrix do mezimembránového prostoru mitochondrie
• izocitrátdehydrogenáza (EC 1) • vnitřní mit. membrána • α-ketoglutarátdehydrogenáza • enzymové komplexy I-IV (EC 1) • malátdehydrogenáza (EC 1)
Obecné principy regulací •
regulace katabolické / anabolické dráhy
•
poslední krok všech regulací: změna koncentrace aktivního enzymu (= regulační = klíčový enzym)
•
regulační enzymy většinou alosterické katalyzují silně exergonickou reakci (nevratná!) nízká koncentrace v buňce
Alosterický enzym: a) monomerní, b) oligomerní
Obrázek převzat z učebnice: Devlin, T. M. (editor): Textbook of Biochemistry with Clinical Correlations, 4th ed. Wiley-Liss, Inc., New York, 1997. ISBN 0-471-15451-2
A. Syntéza nové molekuly enzymu: • indukce substrátem nebo represe produktem
(na úrovni transkripce)
příklad: nedostatek glukózy → indukce enzymů glukoneogeneze nadbytek glukózy → indukce enzymů lipogeneze dostatek cholesterolu → represe HMG-CoA reduktázy
B. Změna aktivity již existujícího enzymu a) ve vztahu k enzymové kinetice koncentrace substrátů (< < Km) dostupnost koenzymů využití produktů změny pH substrátová specifita - různá Km
B. Změna aktivity již existujícího enzymu b) aktivace nebo inaktivace enzymu •
kovalentní modifikace enzymů mezipřeměna: fosforylace / defosforylace štěpení prekurzorů (proenzym, zymogen)
•
modulace aktivity pomocí modulátorů (ligandů): inhibice zpětnou vazbou (feed back) vzájemná regulace mezi drahami (cross regulation) regulace krokem vpřed (feed forward)
Fosforylace / defosforylace • některé enzymy jsou aktivní pokud jsou fosforylované, jiné jsou inaktivní • fosforylace: proteinkinázy donorem fosfátu je makroergní sloučenina (ATP !)
• defosforylace proteinfosfatáza produktem je anorganický fosfát!
Reverzibilní kovalentní modifikace: A) • fosforylace proteinkinázou • defosforylace proteinfosfatázou B) • fosforylovaný enzym je buď aktivní nebo inaktivní (různé enzymy jsou ovlivňovány různě) Obrázek převzat z http://stallion.abac.peachnet.edu/sm/kmccrae/BIOL2050/Ch1-13/JpegArt113/05jpeg/05_jpeg_HTML/index.htm (prosinec 2006)
Modulátory enzymové aktivity
(aktivátory, inhibitory) • izosterická modulace: kompetitivní inhibice • alosterická modulace: změna Km nebo Vmax T-forma (méně aktivní) nebo R-forma (více aktivní)
• významné modulátory: ATP / ADP
Shrnutí inhibice enzymu
Obrázek převzat z http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/E/EnzymeKinetics.html (prosinec 2006)
Alosterický enzym v T a R konformaci: modulátory ovlivňují rovnováhu reakce
inhibitory mají vyšší afinitu k T-konformaci
aktivátory a substráty mají vyšší afinitu k R-konformaci
Obrázek převzat z učebnice: Devlin, T. M. (editor): Textbook of Biochemistry with Clinical Correlations, 4th ed. Wiley-Liss, Inc., New York, 1997. ISBN 0-471-15451-2
Shrnutí na závěr * enzymy urychlují metabolické reakce a umožňují jejich regulaci * jsou to proteiny, tj. jsou citlivé na pH, teplotu a látky přítomné v okolí * ke své funkci často potřebují nízkomolekulární kofaktor nebo ion kovu * pojmenovávají se podle typu reakce, kterou katalyzují * jsou specifické jen pro určitou skupinu reaktantů, tzv. substrátů * množství aktivního enzymu se vyjadřuje jako tzv. aktivita enzymu * jednotkou aktivity je katal, 1 kat = 1 mol substrátu přeměněný za 1 sec * podle typu enzymu je závislost rychlosti katalyzované reakce na koncentraci substrátu hyperbolická nebo sigmoidální * koncentrace substrátu potřebná k dosažení ½ max. rychlosti se označuje jako Michaelisova konstanta (Km) * hodnota Km je tím nižší, čím vyšší afinitu má enzym k danému substrátu * při inhibici enzymu se mění maximální rychlost reakce (↓) a/nebo Km (↑)
