ENZYMOLOGIE
1
Enzymologie Věda ležící na pomezí fyz. ch. a bioch. Zabývá se problematikou biokatalyzátorů.
„Jak je možné, že buňka dokáže utřídit hrozivou změť chemických procesů, které v ní v každém okamžiku probíhají? Kterou cestou se bude v buňce přeměňovat určitá sloučenina?“
2
Enzymologie Biochemické procesy: vysoká aktivační energie ⇒ Nutná přítomnost katalyzátoru = biokatalyzátoru = ⇒ ENZYM:
(makromolekulární látka = bílkovina)
Pzn. AKTIVAČNÍ ENERGIE: Minimální energie, kterou musí částice mít, aby srážka byla účinná. Dána součtem E všech zanikajících vazeb.
3
Enzymologie ENZYM: 1) snižuje aktivační E, neovlivňuje ch. rovnováhu 2) umožní průběh reakcí za mírných podmínek (pH, t, p) 3) bez vedlejších produktů, rychle a specificky 4) vstupuje do reakce a z ní vystupuje nezměněn 5) při velmi nízkých c umožňují v daný okamžik za podmínek v ŽS průběh pouze pro život výhodných reakcí - tzv. metabolismus 6) kat.účinky si uchovají i po izolaci za vhodných podmínek 7) plní funkci katalytickou i regulační
4
Enzymologie Rozdílnost
biokatalyzátoru x
katalyzátoru:
Rychlost v(bio)
v větší než
v (kat)
Teplota
do 100 °C
různá
Tlak
konst.
různý
pH
pH=7 (až na výjimky)
různě
Specifita v VL
vysoká
nižší
Regulace
velmi citlivá účinnost (princip není vždy stejný) 5
STRUKTURA ENZYMU 1) Jednosložkový enzym = jen z bílkovin
2) Dvousložkový (složený) = HOLOENZYM bílkovinná složka + nebílkovinná složka = HOLOENZYM APOENZYM + KOFAKTOR HOLOENZYM
prostetická skupina
koenzym
vázaná kovalentně
vázán slabě (netrvale)
Ion kovu
(lze oddělit)
6
STRUKTURA ENZYMU Enzymy se liší: A)SUBSTRÁTOVOU SPECIFITOU Každý enzym kat. pouze určitou reakci substrátu (VL) (rozhodnutí o tom, kt. látka se v průběhu přemění) Zodpovídá za ni apoenzym B) SPECIFITOU ÚČINOU Určitý enzym kat. pouze 1 z mnoha možných přeměn VL (výběr a přenos účinu enzymu, kt. reakci udělá) Zodpovídá za ni kofaktor
7
KLASIFIKACE ENZYMU -dle typu kat. reakce – 6 tříd! KONCOVKA - ASA - 1) Oxidoreduktasy Kat. ox.- red. reakce = přenos e-, H+ nebo reakci s kyslíkem (obvykle mohou katalyzovat opačné děje) např.: oxidasy, peroxidasy, dehydrogenasy Např. alkoholdehydrogenasa CH3CH2OH + NAD+
CH3CHO + NADH + H+
2) Transferasy Kat. přenos skupin mezi dvěma substráty = Z DÁRCE NA PŘÍJEMCE např.. aminotransferasy, transmethylasy, dinasy (transfosfatasy), … např.: glukosakinasa Glc + ATP Glc – 6 – P + ADP 8
KLASIFIKACE ENZYMU - dle typu kat. reakce – 6 tříd! KONCOVKA - ASA 3) Hydrolasy Kat. hydrolytické štěpení vazeb substrátů Např. peptidasy, nukleasy, lipasy, … např.: ureasa H2N – CO – NH2 + H2O
2 NH3 + H2O
4) Lyásy Kat. nehydrolytické a neoxidační štěpení vazeb C – C substrátů často za vzniku dvojných vazeb, nebo adicí na dvojnou vazbu Např. dekarboxylasy, … např.: oxalátdekarboxylasa (COOH)2 HCOOH + CO2
9
KLASIFIKACE ENZYMU - dle typu kat. reakce – 6 tříd! KONCOVKA - ASA 5) Ligásy – kat. intramolekulární přeměny substrátů, vzájemné přeměny jednotlivých izomerů např.: argininracemasa D-Arg L-Arg
6) Izomerázy – kat. vznik vazeb za současného štěpení makroergické vazby v ATP, (uvolněná energie se spotřebuje pro syntézu produktu) např.: acetetyl-CoA-synthetasa CH3COOH + ATP+ CoA CH3CO~CoA + P ~ P
+ AMP
10
NÁZVOSLOVÍ ENZYMU - KONCOVKA - ASA 1) SYSTEMATICKÉ Char. Kat. reakci – dvě části: 1. část = název substrátu (substrátů) (laktát) vstupujících do reakce 2. část = typ katalyzované reakce (dehydrogen) + zakončení – asa např. laktátdehydrogenasa
2) TRIVIÁLNÍ a) s koncovkou –in (pro většinu enzymů štěpících v trávícím ústrojí proteiny) např.: ptyalin, pepsin, …
b) název štěpeného substrátu (obvykle) + zakončení -asa např.: α-amylasa nebo enzym: ureasa 11
Vztah koenzymů a vitamínů KOENZYMY: Enzym potřebuje pro svou funkci prostetickou skupinu = koenzym k bílkovinné části vázány slabě deriváty vitamínů (vychází z vitamínů) významné vitaminy rozpustné ve vodě DĚLENÍ DLE TOHO, KT. REAKCÍ SE PŘI KAT. ÚČASTNÍ: 1) Koenzymy oxidoreduktas účast ox red dějů NAD+ nikotinamidadenindinukleotid NADP+ nikotinamidadenindinukleotidfosfát FAD FMN Cytochromy redoxní systém v mitochondriích a chloroplastech
12
Vztah koenzymů a vitamínů DĚLENÍ DLE TOHO, KT. REAKCÍ SE PŘI KAT. ÚČASTNÍ: 2) Koenzymy transferas Přenos skupin i celých molekul ATP adenosintrifosfát GTP CTP UTP koenzymA (CoA) – přenáší zbytky kyselin ACYLY (zbytek kys, octové)
13
Vztah koenzymů a vitamínů Vitamín
Koenzym
Reakce
Thiamin (B1)
thiaminpyrofosfát (TPP)
přenos aldehydu
Riboflavin (B2)
flavinadenindinukleotid (FAD)
přenos [H] („aktivních vodíků“)
Kyselina nikotinová
nikotinamidadenindinukleotid (NAD+)
přenos [H] („aktivních vodíků“)
Pyridoxin (B6)
Pyridoxalfosfát
přenos –NH2
Biotin (H)
Biocytin
přenos –COOH
Kyselina pantotenová
koenzym A (CoA)
přenos acylu
Kyselina listová
kyselina tetrahydrolistová
přenos C1
Kyselina L-askorbová (C)
---
kofaktor hydroxylace
14
ENZYMY - veličiny MULTIENZYMOVÁ JEDNOTKA = - molekuly několika enzymů spojená nekovalentními vazbami - katalyzují za sebou jdoucí reakce - produkt 1 reakce je substrátem reakce následující Enzymová aktivita = Vyjádření enzymové aktivity enzymů (účinnosti) – jednotka = katal 1 katal = množství katalyzátoru, které přemění za standardních podmínek 1 mol substrátu za 1 sekundu 15
Podmínky enzymové aktivity Faktory ovlivňující aktivitu enzymů 1) Teplota s rost. t. aktivita enzymů roste do určité kritické teploty (cca 50 – 60 °C), po jejímž překročení aktivita enzymu prudce klesá (denaturace enzymu). Teplotní optimum = teplota, při které má enzym maximální aktivitu.
(pzn. Termofilní bakterie – kritická teplota cca 90°C. Při teplotách kolem 0°C prakticky nulová aktivita enzymů (uchovávání potravin v ledničkách). 16
Podmínky enzymové aktivity Faktory ovlivňující aktivitu enzymů 2) pH většina enzymů pracuje pouze v určité oblasti pH (ovlivňuje disociaci skupin v aktivním centru => jeho tvar => jeho aktivitu),
pH optimum = pH, při které má enzym maximální aktivitu 17
Podmínky enzymové aktivity Faktory ovlivňující aktivitu enzymů 3) Efektory – obvykle nízkomolekulární látky ovlivňující aktivitu enzymů: Aktivátory –
zvyšují aktivitu enzymů
Inhibitory – snižují aktivitu enzymů
18
STRUKTURA ENZYMU Aktivní místo enzymu: - místo, kde se uskutečňuje reakce = část apoenzymu -obsahuje vazebné skupiny - váže se na něj substrát (výchozí látka) -tvarem a typem vazeb odpovídá molekule substrátu = Substrát zapadá do aktivního místa jako klíč do zámku. Vznik komplexu enzym-substrát. Dnes ruka v rukávu. 19
Mechanismus katalytického působení enzymů Substrát se váže v enzymu na tzv. aktivní centrum = (relativně malé místo na povrchu molekuly enzymu, kde probíhá přeměna substrátu v produkt ) Komplementární – tzv. „princip zámku a klíče“ vazba E – S je reverzibilní
20
Podmínky enzymové aktivity Typy inhibice a) kompetitivní inhibice – inhibitor a substrát mají podobnou strukturu => „soutěž“ o aktivní centrum (na enzym se váže látka o vyšší koncentraci) – reverzibilní (vratná)
21
Podmínky enzymové aktivity Typy inhibice b) nekompetitivní inhibice – inhibitor se pevně váže na aktivní centrum enzymu, čímž jej blokuje – ireverzibilní (nevratná) – obvykle ionty těžkých kovů (Hg2+, Pb2+, Cu2+, …) c) inhibice substrátem – při velmi vysoké c substrátu – snaha o navázání více molekul substrátu do aktivního centra enzymu => přeměna není možná d) inhibice produktem – není-li produkt odčerpáván, přestane se uvolňovat po vzniku z enzymu a tím jej blokuje (význam pro regulaci enzymové aktivity)
22
Podmínky enzymové aktivity Typy inhibice e) alosterická inhibice – inhibitor se váže do jiného místa v enzymu tzv. alosterického centra čímž vyvolá změnu konformace aktivního centra => neschopnost navázat substrát
23
Mechanismus katalytického působení enzymů
24
KINETIKA ENZYMOVÝCH REAKCÍ Kinetika enzymových reakcí rychlost enzymaticky katalyzované reakce je : 1) přímo úměrná c enzymu při konst. koncentraci substrátu 2) hyperbolicky závislá na koncentraci substrátu s limitou k hodnotě tzv. mezní (limitní) rychlosti při konstantní koncentraci enzymu
25
KINETIKA ENZYMOVÝCH REAKCÍ Kinetika enzymových reakcí dle rovnice Michaelise a Mentenové maximální rychlost V=
Vmax . [S] KM + [S]
koncentrace substrátu
Michaelisova konstanta
26
VYUŽITÍ enzymů Využití enzymů v praxi využití celých buněk (jejich metabolismu) – fermentace (kvašení) a následná izolace produktu z kultivačního média (výroba potravin a nápojů – sýry, kynutá těsta, kysané zelí, alkoholické nápoje, kyselina citronová, … ; výroba antibiotik ; čištění vod ; …) využití izolovaných enzymů (nákladnější vzhledem k poměrně náročné izolaci) – potravinářství, kožedělný a textilní průmysl, prací prostředky, chemická analýza, farmacie, medicína, … Využívají se enzymové preparáty (proteasy, amylasy, invertasa, celulosa, …)
27
ZDROJE enzymů Zdroje enzymů rostliny – např. proteasy živočichové – např. trávicí enzymy (chymosin – výroba sýra) mikroorganismy – většina průmyslově používaných enzymů
28
TRÁVENÍ A ENZYMY Enzymy a trávení -
hydrolytické štěpení základních složek potravy => hydrolasy: sacharidy – α-amylasa (dutina ústní) proteiny – pepsin (žaludek) ; trypsin, chymotrypsin, … (pankreas) lipidy – lipasy (pankreas) + emulgace (žluč)
- všechny živiny jsou štěpeny v tenkém střevě, kde se resorbují do vnitřního prostředí organismu
29
REGULACE enzymové aktivity Regulace enzymové aktivity 2 typy regulačních mechanismů enzymů: 1) alosterické enzymy – do alosterického centra enzymu se vážou efektory ovlivňující aktivitu enzymu (tyto efektory si obvykle buňka tvoří sama – obvykle meziprodukty metabolismu => řízení metabolických drah – tzv. zpětnovazebná inhibice – „feedback control“) 2) dvě formy existence enzymů – prvotně je syntetizován jako inaktivní proenzym (zymogen), kde je aktivní centrum blokováno „nadbytečnou“ částí řetězce (charakteristické např. pro trávicí enzymy). Při aktivaci se odštěpí tato část řetězce => aktivní centrum se zpřístupní, např.: pepsinogen (inaktivní forma) – pepsin (aktivní forma) trypsinogen (inaktivní forma) – trypsin (aktivní forma)
30
