Historie poznání enzymů 1835 pol. 18.stol. 1878 1894 1897 1926 30. léta
1963 1965
Jacob Berzelius – katalytická fce diastasy Luis Pasteur – vitalismus Frederic W. Kühn – „enzym“ Emil Fischer –„teorie zámku a klíče“ Büchnerův pokus James Sumner – krystalisace ureasy Northrop a Kunitz - aktivita enzymu úměrná konc. proteinu primární struktura ribonukleasy A rentgenostrukturní analysa lysozymu
Enzymy = biokatalyzátory Téměř každá (metabolická) reakce má svůj enzym
Enzymy – biologické katalyzátory
Platí o nich totéž co o chemických katalyzátorech………
Katalyzátor je jiná látka než reaktant a produkt reakce Zvyšuje rychlost reakce v obou směrech, snižuje aktivační energii obou reakcí Z toho plyne, že zkracuje dobu potřebnou k dosažení rovnováhy ale neovlivňuje tuto rovnováhu!!!!!! Může se uplatnit pouze v reakcích, které probíhají i bez jeho přítomnosti (i když jen velmi pomalu) Vystupuje z reakce nezměněn
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 (regenerace kofaktoru) _____________________ E-Pr S1 + S2 P1 + P2
β-D-glukosa + O2 → β-D-glukonolakton + H2O2
koenzym (druhý substrát) (př. NAD(P),CoA, ATP) E1 S1 + K P1 + K* E2 K* + S2 K + P2 ________________ S1 + S2 P1 + P2
CH3-CH2OH + NAD+ → CH3-CHO + NADH + H+ NADH + H+ + Q → NAD+ + QH2
Enzymy – biologické katalyzátory ….platí o nich totéž co o chemických katalyzátorech, ale mají něco navíc: účinné snížení aktivační energie specifita (účinku, substrátová) regulovatelnost účinnosti (aktivity)
P
Aktivační energie rozkladu peroxidu vodíku H2O2 → 2H2O + O2 Katalyzátor
Reakční rychlost (mol.l-1.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)
Základní znaky enzymu bílkoviny ( x ribozymy)
aktivní místo
- vazebné skupiny - katalytické skupiny
- regiospecifita - stereospecifita
Geometrie aktivního místa
Specifita enzymu Enzymy vykazují různý stupeň specifity: -
Absolutní – katalyzují přeměnu jediného substrátu (ureasa)
-
Skupinovou – katalyzují jeden typ reakce při přeměně podobných substrátů (hexokinasa)
-
Přeměnu určitého typu vazby v různých substrátech (hydrolasy)
Základní znaky enzymu …… mechanismus působení
vazba substrátu - zámek a klíč - indukované přizpůsobení úloha "zbytku molekuly“
Teorie zámku a klíče: - Aktivní místo má rigidní tvar - Mohou se vázat pouze substráty odpovídající tvarem
Model indukovaného zapadnutí - aktivní místo je flexibilní - geometrie aktivního místa se přizpůsobí tvaru substrátu až v jeho přítomnosti - širší substrátová specifita
Změna konformace hexokinasy způsobená vazbou substrátu (hexosa)
D-glc + ATP → D-glc-6-fosfát + ADP
Faktory přispívající k vysoké účinnosti enzymů
Proximita a orientace aktivního místa a substrátu (ů)
Vytěsnění molekul vody
Konformační změny
Elektrostatické efekty
Koncentrační efekt
Molekulární mechanismus účinku chymotrypsinu:
1. nukleofilní atak kyslíku Ser 2. Tvorba a stabilisace prvního intermediátu 3. Vznik prvního produktu reakce 4. Nukleofilní atak kyslíku molekuly vody 5. Tvorba druhého intermediátu 6. Uvolnění druhého produktu reakce
Názvosloví a nomenklatura enzymů NÁZVOSLOVÍ ENZYMŮ triviální, "polosystematické", systematické, -asa x –áza Systematické: Nomenklatura katalog enzymů: http//www.rrz.uni-hamburg.de/biologie/b_online/e18_1/ec.htm http://www.expasy.org/enzyme/ ExPASy Proteomics Server (Expert Protein Analysis System) proteomics server of the Swiss Institute of Bioinformatics Enzyme Commission (EC) IUBMB
EC 1.1.1. 1
alkoholdehydrogenasa
EC X.Y.Z.W Třída 1 - 6
Podtřída
Podpodtřída
Typ reakce
substrát
Speciální vlastnosti Akceptor apod
Pořadové číslo
NÁZVOSLOVÍ ENZYMŮ triviální, "polosystematické", systematické, -asa x –áza Tvorba systematických názvů: substrát (y) oddělené : třída (asa) za povšimnutí stojí: prosthetické skupiny se neobjevují v názvu enzymu, koenzymy ano
Příklady: H2O2 + H2O2 = O2 + 2 H2O H2O2 : H2O2 oxidoreduktasa (katalasa)
β-D-glukosa + O2
→ δ-D-glukonolakton + H2O2
β-D-glukosa:O2 1-oxidoreduktasa (glukosaoxidasa)
Třídy enzymů 1. Oxidoreduktasy
2. Transferasy 3. Hydrolasy 4. Lyasy
5. Isomerasy 6. Ligasy
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 (vzácně, glutathion-cystin transhyhrogenasa ) oxidasa (přenos dvou elektronů na O2 ,obvykle vzniká H2O2) oxygenasa (1 nebo 2 (mono-, di-, ) atomy O jsou inkorporovány do substrátu) peroxidasa (peroxid vodíku je akceptorem elektronů, 1.11.) katalasa (disproporcionace peroxidu vodíku, též 1.11.) •
akceptor donor
CH3-CH2-OH
NAD+
NADH + H+
CH3-CHO
Kofaktory oxidoreduktas Nikotinamidadenindinukleotid Kyselina nikotinová, vit.B3
- PO32-
=
NADP+
NAD+ + 2 [H] → NADH + H+
Spektrální vlastnosti – význam pro analytiku
NADH
NAD+
Flavinové kofaktory oxidoreduktas Flavinadedindinukleotid (FAD) Flavinmononukleotid - FMN
Riboflavin, vitamin B2
Flavinadedindinukleotid (FAD)
Flavinadedindinukleotid v redukované formě (FADH2)
Hem – prosthetická skupina
O
O
O
N
N Fe N
N
O
Oxidoreduktasy - příklady: EC 1.1.3.4 -D-Glukosa:O2-1-oxidoreduktasa, glukosaoxidasa
-D-glukosa + FAD -D-glukono-1,5-lakton + FADH2 FADH2 + O2 FAD + H2O2 -D-glukosa + O2 -D-glukono-1,5-lakton + H2O2
EC 1. 1.1.1
alkoholdehydrogenasa
CH3CH2OH + NAD+ CH3CHO + NADH + H+
Oxidoreduktasy EC 1.11.1.6 H2O2: H2O2-oxidoreduktasa, katalasa
H2O2 + H2O2 2 H2O + O2 EC 1.11.1.7 donor: H2O2-oxidoreduktasa, peroxidasa donor + H2O2
oxidovaný donor + 2 H2O
2.Transferasy donor skupiny +
akceptor
donor
+
Systematický název : donor:akceptor- skupinatransferasa
Triviální názvy:
methyltransferasy hydroxymethyltransferasy aminotransferasy (transaminasy) kinasy = fosfotransferasy
Příklady: 2.1 Přenášející jednouhlíkatou skupinu
2.2 Přenášející aldehydické nebo ketonické skupiny 2.3 Acyltransferasy 2.4 Glykosyltransferasy 2.7 Přenášející skupiny obsahující fosfor (kinasy)
akceptor skupiny
Kofaktory transferas
Adenosin trifosfát
(ATP)
Kofaktory transferas Koenzym A
(vitamin B5)
(CoA, CoASH)
Pyridoxalfosfát (B6 – pyridoxol, pyridoxamin) Prostetická skupina - metabolismus AK
Lipoamid, kyselina lipoová (prostetická skupina)
Thiamindifosfát, přenos 2C zbytků, aldehydy
Thiamin (B1), živočichové pouze dietou, obilné slupky, beri-beri
Příklady transferas EC 2.3.1.15 Acyl-CoA :sn-glycerol-3-fosfát-1-O-acyltransferasa glycerol-3 fosfátacyltransferasa O
H2C OH HO CH H2C
O O
P O O
+ acyl-SCoA
H2C O HO CH H2C
C R1 O
O
P O O
+ HSCoA
Příklady transferas EC 2.6.1.2 L-Alanin:2-oxoglutarát aminotransferasa, alaninaminotransferasa (ALT)
O O +
H3N
O
C
O C
O
O
+ O C
CH
CH2
CH3
CH2
C
O +
C
+ H3N CH
O C
CH2
CH3
CH2 C
C O
L-Ala
O
O
O
+ 2-oxoglutarát pyruvát +
O
L-Glu
Příklady transferas EC 2.7.1.1
ATP:D-hexosa-6-fosfotransferasa, hexokinasa
ATP + D-hexosa → ADP + D-hexosa-6-fosfát
Hydrolasy
A - B + H2O
AOH + HB
Systematický název: substrát (skupina) hydrolasa Triviální název: substrátasa, často zcela nesystematické názvy Dobrá zpráva: nepotřebují kofaktory
3. Hydrolasy • 3.1 Esterasy (lipasy, fosfolipasy, nukleasy, fosfatasy) • 3.2 Glykosidasy (amylasy, celulasy, pektinasy…. •
3.3 Působící na etherové vazby
• 3.4 Peptidasy (amino- a karboxypeptidasy, serinové, aspartátové, sulfhydrylové, metaloproteasy)
• 3.5 Působící na C_N vazbu jinou než peptidovou (nukleasy) • • • • •
3.6 Působící na anhydridy kyselin 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 (+ substrát2) produkt1 + produkt2 (malý) • Systematický název: • substrát1 (:substrát 2)- produkt2 lyasa • Triviální název: dekarboxylasa, hydrolyasy (=dehydratasa), ammonialyasa, aldolasa, synthasa (velmi riskantní) 4.1 C-C lyasy 4.2 C-O lyasy 4.3. C-N lyasy 4.4 C-S lyasy 4.5 C-halogen lyasy 4.6 P-O lyasy ........ 4.99 Ostatní 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
EC 4.6.1.1 ATP-pyrofosfátlyasa (cyklisující), adenylátcyklasa
cAMP
NH2 NH2 N
O O
O
O
P O P O P O H2C O
O
O
N
N
H HO
CH2 H H
O O
OH
N
N
O H
N
N
N
P
+
O H
H
O O
O
P O P O O
O
H H
O
OH
O
ATP
cAMP
+
PPi
5. ISOMERASY • Triviální názvy: (různé typy isomerací podobně i v systematickém názvu) racemasy, cis-trans-isomerasy, ketolisomerasy, mutasy, atd. • Systematický název: substráttyp isomerace • angl.: substrate type 5.1 Racemasy a epimerasy 5.2 Cis-trans-isomerasy 5.3 Intramolekulární oxidoreduktasy 5.4 Intramolekulární transferasy (mutasy) 5.5 Intramolekulární lyasy (decyklisující, intramolekulární adice) 5.99 Ostatní isomerasy (např. DNA-topoisomerasy)
Isomerasy - příklady: • EC 5.3.1.1 D-Glyceraldehyd-3-fosfátketolisomerasa, triosafosfátisomerasa HC O HO CH H2C
H2C OH
O O
P O O
• D-glyceraldehyd-3-fosfát
O C H2C
O O
P O O
dihydroxyacetonfosfát
• EC 5.3.1.5 glukosaisomerasa Glukosa fruktosa (průmyslová výroba HFCS)
6. LIGASY substrát1 + substrát2 + A(G) TP substrát1-substrát2 + ADP + Pi
nebo substrát1 + substrát2 + ATP substrát1-substrát2 + AMP + PPi
Systematický název: substrát1:substrát2-ligasa (tvořící ADP, AMP nebo GDP)
Triviální názvy: pokud možno substrát1-substrát2-ligasa (synthetasy jsou možné, často se však vyskytují i synthasy)
6. LIGASY katalyzují energeticky náročné slučování dvou substrátů S1 + S2 + NTP + H2O → S1-S2 + NDP + Pi nebo S1 + S2 + NTP + H2O → S1-S2 + NMP + PPi.
• 6.1 Tvořící estery) • 6.2 Tvořící • 6.3 Tvořící • 6.4 Tvořící • 6.5 Tvořící
C-O vazby (aminoacyl tRNA ligasy a podobné C-S vazby (kyselina thiol ligasy) C-N vazby C-C vazby (např. karboxylasy) 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 6.4.1.1 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
Biotin, přenáší karboxylovou skupinu, prostetická skupina (transferasy, ligasy)
Růstový faktor kvasinek, avidin-biotin komplex
Tetrahydrolistová kyselina, přenáší 1C zbytky vázané na N5
