Enzymy Vladimíra Kvasnicová
Enzym je biokatalyzátor:
⇒ enzym vychází z reakce nezměněn
Obrázek převzat z http://fig.cox.miami.edu/~cmallery/255/255enz/enzymology.htm (prosinec 2006)
Obrázek převzat z http://stallion.abac.peachnet.edu/sm/kmccrae/BIOL2050/Ch1-13/JpegArt1-13/05jpeg/05_jpeg_HTML/index.htm (prosinec 2006)
Obrázek převzat z http://fig.cox.miami.edu/~cmallery/255/255enz/enzymology.htm (prosinec 2006)
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
Enzymy • • • • • •
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
Struktura a vlastnosti - většina enzymů jsou proteiny
Obrázek převzat z http://fig.cox.miami.edu/~cmallery/255/255enz/enzymology.htm (prosinec 2006)
Obrázek převzat z http://fig.cox.miami.edu/~cmallery/255/255enz/enzymology.htm (prosinec 2006)
Obrázek převzat z http://stallion.abac.peachnet.edu/sm/kmccrae/BIOL2050/Ch1-13/JpegArt1-13/05jpeg/05_jpeg_HTML/index.htm (prosinec 2006)
Každý enzym má teplotní optimum
pH optimum
určitou afinitu k substrátu
Obrázek převzat z http://stallion.abac.peachnet.edu/sm/kmccrae/BIOL2050/Ch1-13/JpegArt1-13/05jpeg/05_jpeg_HTML/index.htm (prosinec 2006)
Obrázek převzat z http://www.carleton.ca/biology/2200/schedule.html (prosinec 2006)
Některé enzymy jsou produkovány ve formě prekurzorů
(= PROENZYMY nebo ZYMOGENY)
Obrázek převzat z : http://wine1.sb.fsu.edu/bch4053/Lecture26/zymogen.jpg (prosinec 2006)
nebo musí být nejprve aktivovány (např. fosforylací):
Obrázek převzat z http://fig.cox.miami.edu/~cmallery/150/memb/c11x11enzyme-cascade.jpg (prosinec 2006)
Izoenzymy (izozymy) jsou enzymy, které katalyzují stejnou reakci, ale liší se strukturou a fyzikálně-chemickými vlastnostmi. Izoenzymy • jsou kódovány různými geny (= pravé izoenzymy) • nebo vznikají různou posttranslační modifikací (= izoformy)
• se nachází v různých kompartmentech buňky • se nachází v různých tkáních organismu • mohou být oligomery různých podjednotek
př. 5 izozymů (různý poměr jednotlivých monomerů)
Obrázek převzat z http://wine1.sb.fsu.edu/bch4053/Lecture26/isozymes.jpg (prosinec 2006)
samostatné enzymy mtb dráhy
multienzymové komplexy
Figure 17.6 z Garrett, R.H.; Grisham, C.M. Biochemistry; Saunders: Orlando,1995; str. 553, nalezený na http://www.uwsp.edu/chemistry/tzamis/enzyme_complex.html (prosinec 2006)
př. multienzymový komplex dehydrogenázy 2-oxokyselin
Obrázek převzat z http://faculty.uca.edu/~johnc/pdhrxns.gif (prosinec 2006)
př. multienzymový komplex dehydrogenázy 2-oxokyselin
Obrázek převzat z http://faculty.uca.edu/~johnc/pdhrxns.gif (prosinec 2006)
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
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
Enzymy v medicíně • stanovení aktivity enzymů v krvi • enzymové analytické metody • enzymoterapie
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 nacházející se v plazmě: a) enzymy specifické pro plazmu (př. srážecí faktory) b) sekreční enzymy (př. amyláza, lipáza) c) buněčné enzymy Důležité je znát: 1) intracelulární lokalizaci enzymů 2) distribuci enzymů v orgánech a tkáních 3) zdroj enzymů nacházejících se v plazmě 4) cesty eliminace enzymů z krve
„ srdeční enzymy“
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
ENZYMY
Žádanka na biochemické vyšetření: http://spch.cz/kliniky/kbi/laboratorni_prirucka/zadanka_biochemie.pdf (prosinec 2006)
Názvosloví enzymů • -áza nebo -asa / -in • IUMB nomenklatura enzymů • doporučené názvy
IUMB nomenklatura enzymů EC nomenklatura * 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
systematické názvy * tvoří se podle specifických pravidel, specifikují reakci katalyzovanou enzymem příklad:
ATP : D-glukóza fosfotransferáza (EC 2.7.1.2) → přenáší (2) fosfát (7) na alkoholovou sk. (1) ATP + D-Glc → ADP + D-Glc-6-fosfát (Glc-6-P)
doporučené názvy (= akceptované) * jednodušší než systematické, běžně se používají * velmi důležité! příklad:
EC 2.7.1.2. = glukokináza (viz výše)
staré triviální názvy * bez vztahu ke katalyzované reakci * koncovka -in (pepsin, trypsin) * používají se pro enzymy objevené již dávno (dlouho používané názvy) zkratky enzymů * běžné v medicíně př. LD, ALT, ALP
Většina názvů enzymů obsahuje koncovku
-áza a) název substrátu + -áza
(př. amyláza)
b) typ reakce + -áza
(př. dehydrogenáza)
= skupinový doporučený název, nejde o název konkrétního enzymu
IUBMB Enzyme Nomenclature
EC 2.7.1.1 Accepted name: hexokinase Reaction: ATP + D-hexose = ADP + D-hexose 6-phosphate Other name(s): hexokinase type IV glucokinase; hexokinase D; hexokinase type IV; hexokinase (phosphorylating); ATP-dependent hexokinase; glucose ATP phosphotransferase
Systematic name: ATP:D-hexose 6-phosphotransferase Comments: D-Glucose, D-mannose, D-fructose, sorbitol and Dglucosamine can act as acceptors; ITP and dATP can act as donors. The liver isoenzyme has sometimes been called glucokinase. Příklad odkazu z databáze enzymů: http://www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/enzyme/EC2/7/1/2.html
Doporučené (triviální) názvy enzymů (používají se v biochemii) 1) oxidoreduktázy:
Aox + Bred → Ared + Box
* dehydrogenáza (H- nebo H) * reduktáza * oxidáza * peroxidáza (různé peroxidy) * oxygenáza (O2) * hydroxyláza (= monoxygenáza; -OH) * desaturáza (-CH2CH2- → -CH=CH-)
2) transferázy:
A-x + B → A + B-x
* skupinatransferáza (př. aminotransferáza) * kináza (= fosfotransferáza) * fosforyláza * transketoláza * transaldoláza
3) hydrolázy:
A-B + H2O → A-H + B-OH
* esteráza (R1-CO-O-R2) (fosfát-O-R) → Pi !!! * fosfatáza * fosfodiesteráza (R1-O-fosfát-O-R2) * nukleáza, peptidáza, glykosidáza, lipáza
4) lyázy: * dekarboxyláza * dehydratáza
A-x ↔ B + x (→ CO2) (→ H2O)
* hydratáza (-CH=CH- + H2O → -CH(OH)CH2-) * syntáza
5) izomerázy:
A → izo-A
* epimeráza (monosacharid → jeho epimer) * mutáza (změna polohy fosfátové skupiny v molekule)
6) ligázy:
A + B + ATP → A-B + ADP + Pi
* syntetáza * karboxyláza
ENZYMY
Žádanka na biochemické vyšetření: http://spch.cz/kliniky/kbi/laboratorni_prirucka/zadanka_biochemie.pdf (prosinec 2006)
Doplňte třídu, do níž každý z enzymů patří: AST ALT GMT ALP ACP AMS LPS CK CHE LD
aspartátaminotransferáza alaninaminotransferáza gamaglutamyltranspeptidáza alkalická fosfatáza kyselá fosfatáza α-amyláza lipáza kreatinkináza cholinesteráza laktátdehydrogenáza
Kofaktory enzymů oxidoreduktázy: NAD+ nikotinamidadenindinukleotid NADP+ nikotinamidadenindinukleotid fosfát (prekurzor: niacin = kyselina nikotinová) HFAD FMN
flavinadenindinukleotid flavinmononukleotid 2H
(prekurzor: riboflavin = vitamin B2)
hem
Fe3+ + e- ↔ Fe2+
⇒
e-
transferázy: ATP adenosinetrifosfát GTP guanosintrifosfát TDP thiamindifosfát
/ fosfát / fosfát / C-fragment
(prekurzor: thiamin = vitamin B1)
PALP
pyridoxalfosfát
/ -NH2
(prekurzor: pyridoxin = vitamin B6)
THF
tetrahydrofolate
/ C1-fragment
(prekurzor: kyselina listová)
CoA
koenzym A (HS-Co-A) / acyl
PAPS
fosfoadenosinfosfosulfát / sulfát
3´-fosfoadenosin-5´-fosfosulfát (PAPS) přenáší sulfát do substrátu při konjugačních reakcích (sulfatace)
Obrázek je převzat z http://web.indstate.edu/thcme/mwking/amino-acid-metabolism.html (leden 2007)
Koenzym A = CoA-SH
Obrázky převzaty z http://lxyang.myweb.uga.edu/bcmb8010/pic/NAD+.gif a http://oregonstate.edu/instruct/bb450/stryer/ch14/Slide26.jpg (leden 2008)
Deriváty tetrahydrofolátu
Obrázek převzat z http://www.dentistry.leeds.ac.uk/biochem/postgrad/thftypes.gif (leden 2008)
lyázy: PALP ligázy: ATP
biotin
pyridoxalfosfát (dekarboxylázy)
adenosintrifosfát → acyl-CoA-syntetázy → aminoacyl-tRNA-syntetázy = vitamin H (karboxylázy)
Enzymová kinetika • aktivita, jednotky 1 katal = 1 mol substrátu přeměněný enzymem za 1 sec. 1 IU = 1 µmol substrátu přeměněný enzymem za 1 min. 1 katal
1 katal
= 1 mol = 106 µmol = 60 x 106 µmol = 6 x 107 IU
/ / /
IU = international unit = mezinárodní jednotka
1 sec. 1 sec. 1 min (= 60 sec.)
Aktivita se vztahuje na konstantní koncentraci enzymu: [E] = konstantní
Obrázek převzat z http://www.steve.gb.com/science/enzymes.html (prosinec 2006)
! DŮLEŽITÉ !
Obrázek převzat z http://fig.cox.miami.edu/~cmallery/255/255enz/gk3x15.gif (prosinec 2006)
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)
linearizace hyperboly (reciproké hodnoty):
y
=
kx
+
q
Obrázek převzat z http://www.steve.gb.com/science/enzymes.html (prosinec 2006)
Obrázek převzat z http://fig.cox.miami.edu/~cmallery/255/255enz/gk3x15.gif (prosinec 2006)
Inhibice enzymů
Obrázek převzat z http://stallion.abac.peachnet.edu/sm/kmccrae/BIOL2050/Ch1-13/JpegArt1-13/05jpeg/05_jpeg_HTML/index.htm (prosinec 2006)
1) Kompetitivní inhibice
• inhibitor je strukturně podobný substrátu • váže se do aktivního centra, ale není enzymem přeměňován • zvyšuje Km (↓ afinity enzymu k substrátu) • zvýšením koncentrace substrátu lze inhibici potlačit • inhibice je vratná
Obrázek převzat z http://www.steve.gb.com/science/enzymes.html (prosinec 2006)
2) Nekompetitivní inhibice • inhibitor se váže na jiné místo enzymu než substrát • inhibici nelze potlačit zvýšením koncentrace substrátu (nemění se Km) • Vmax klesá (protože došlo ke snížení aktuální koncentrace aktivního enzymu) • vratná pouze pokud se inhibitor neváže na enzym kovalentně
Obrázek převzat z http://www.steve.gb.com/science/enzymes.html (prosinec 2006)
Shrnutí inhibice enzymu
Obrázek převzat z http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/E/EnzymeKinetics.html (prosinec 2006)
Některé enzymy mohou být také inhibovány nadbytkem substrátu
Obrázek převzat z http://www-biol.paisley.ac.uk/Kinetics/chapter_3/chapter3_6_1.html (prosinec 2006)
Inhibice léky a jedy a) vratná (reverzibilní) nebo b) nevratná (ireverzibilní) → inhibitor se váže na enzym kovalentně (pevně)
Inhibice jako regulace metabolických drah inhibice produktem nebo meziproduktem a) inhibice zpětnou vazbou (feedback regulace) b) zkřížená regulace c) regulace krokem vpřed (feedforward regulace) inhibice d) reverzibilní kovalentní modifikací (př. fosforylace / defosforylace enzymu)
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)
Inhibice enzymů využívaná při regulacích je buď •
kompetitivní (Km se zvyšuje nad koncentraci substrátu, který je v buňce k dispozici)
nebo • alosterická (dochází ke konformační změně ovlivňující aktivní centrum enzymu)
Alosterická regulace • aktivátor je „pozitivním modulátorem“ • inhibitor je „negativním modulátorem“
! Křivka alosterických enzymů je sigmoidální, ne hyperbolická ! Obrázek převzat z http://www-biol.paisley.ac.uk/Kinetics/Chapter_5/chapter5_2_2.html (prosinec 2006)
SOUHRN Regulace aktivity enzymů • • • • • •
dostupnost substrátu a jeho koncentrace indukce syntézy regulačního enzymu aktivace prekurzorů enzymu kovalentní modifikace enzymů kompetitivní inhibice alosterická regulace