enzymologia, Parazytologia, Enzymologia
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Enzymologia
Notatki z wykładów prof. W. Jarmuszkiewicz i prof. H. Kmity, wersja 1.3 (17.05.2009)
Wykład 1 – 03.03.2009
Enzymy
sprawują kontrolę nad metabolizmem komórki. Metabolizm wymaga
skoordynowanego działania enzymów. Enzymy wzmacniają reaktywność reakcji chemicznej
(dzięki czemu część reakcji może zachodzić w temperaturze komórki) oraz zapewniają
precyzyjną kontrolę metabolizmu.
Enzymy są zestawione w szlaki bądź cykle, co zapewnia ich skoordynowane działanie.
Skoordynowane działanie enzymów jest także możliwe dzięki kontaktom miedzy szlakami i
cyklami enzymatycznymi. Reakcje enzymatyczne są połączone w ciągi: produkt jednej reakcji
jest substratem drugiej.
Szlaki i cykle enzymatyczne zawierają punkty kontrolne (enzymy kluczowe), decydujące o ich
przebiegu.
Fosfofruktokinaza
(kluczowy enzym glikolizy):
fruktozo-6-fosforan + ATP → fruktozo-1,6-bisfosforan + ADP + H
+
symulowana jest przez AMP, ADP, hamowana przez ATP, cytrynian.
Enzymy kluczowe są
białkami allosterycznymi
. Białko allosteryczne dostosowuje swoje
działanie do sytuacji zewnętrznej, czyli reaguje na informacje w postaci oddziałujących z nimi
cząsteczek. Cechą charakterystyczną działania białka allosterycznego jest
kooperatywność
,
tzn. współdziałanie tworzących je podjednostek, co zapewnia zwiększoną skuteczność tego
działania.
Istotą katalizy enzymatycznej jest
specyficzne wiązanie stanu przejściowego
. Pierwszym
etapem katalizy enzymatycznej jest utworzenie kompleksu enzym-substrat (ES). Substraty
wiążą się w miejscu aktywnym enzymu w określonej, korzystnej orientacji przestrzennej.
Zwykle substraty wiązane są w sposób silnie selektywny, co ma wpływ na katalityczną
specyficzność enzymów.
Enzymy przyspieszają reakcję ponad milionkrotnie.
Anhydraza węglanowa – jest jednym z najszybszych enzymów:
CO
2
+ H
2
0 ↔ O=C-(OH)
2
Enzymy charakteryzuje duża specyficzność pod względem:
1
–
katalizowanej reakcji chemicznej,
–
substratów.
W reakcjach katalizowanych przez enzymy rzadko występują reakcje uboczne prowadzące do
powstania zbędnych produktów.
Katalizowanie reakcji przez enzymy prowadzi do wytworzenia stanów przejściowych o
najwyższej energii. Stabilizacja stanów przejściowych jest istotą katalizy enzymatycznej.
Specyficzność substratowa i specyficzność reakcji.
Enzymy proteolityczne prowadzą:
- proteolizę, czyli hydrolizę wiązania peptydowego:
Peptyd +H20 ↔ komponent karboksylowy + komponent aminowy
- oraz zwykle także hydrolizę wiązania estrowego:
Ester + H20 ↔ kwas + alkohol
Specyficzność enzymów proteolitycznych:
Trypsyna (enzym trawienny) rozcina wiązanie peptydowe po karboksylowej stronie reszt
argininy i lizyny.
Trombina (uczestnicząca w krzepnięciu krwi) rozcina tylko wiązanie Arg-Gly.
Bakteryjna subtylizyna nie rozróżnia bocznych łańcuchów aminokwasowych sąsiadujących z
hydrolizowanym wiązaniem (najmniej specyficzny enzym proteolityczny).
Polimeraza DNA I to przykład enzymu o wysokiej specyficzności. Polimeraza „myli się”
rzadziej niż raz na milion operacji.
Specyficzność enzymu wynika z precyzyjnej interakcji substratu z enzymem, co z kolei jest
wynikiem odpowiedniej struktury trójwymiarowej enzymu.
Aktywność wielu enzymów wymaga
kofaktorów
.
Apoenzym + kofaktor = holoenzym
Kofaktory enzymów:
–
koenzym – kofaktor będący małą cząsteczką organiczną,
–
grupa prostetyczna – koenzym silnie związany z enzymem,
–
„kosubstrat” – koenzym luźno związany z enzymem.
kofaktor (koenzym/metal)
enzym
pirofosforan tiaminy
dehydrogenaza pirogronianowa
2
nukleotyd flawinoadeninowy
monooksydaza aminowa
Zn
2+
anhydraza węglanowa
Zn
2+
karbkoskypeptydaza
Mg
2+
EcoRV
dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy
dehydrogenaza mleczanowa
fosforan pirydoksalu
fosforylaza glikogenowa
Mg
2+
heksokinaza
Enzymy przekształcają z dużą wydajnością jedną formę energii w drugą:
–
zamiana energii świetlnej na energię wiązań chemicznych z wytworzeniem gradientu
jonów w czasie fotosyntezy,
–
zamiana energii chemicznej cząsteczek pożywienia na energię gradientu jonowego a
następnie energię wiązania chemicznego ATP – w mitochondriach,
–
zamiana energii chemicznej ATP na energię mechaniczną w mięśniu (miozyna),
–
„zamiana” energii chemicznej ATP na wytworzenie gradientu jonowego – pompy
błonowe.
Molekularne mechanizmy działania enzymów poznajemy dzięki mikrografii rentgenowskiej
ujawniającej szczegóły struktury 3D.
ATPaza-Ca
2+
używa energii hydrolizy ATP do transportu Ca
2+
w poprzek błony komórkowej,
wytwarzając gradient jonów Ca2
+
.
Nazwa enzymu zwykle pochodzi od jego substratu lub katalizowanej reakcji (końcówka –
aza). Są też nazwy potoczne.
Klasyfikacja enzymów
oparta jest na typie przeprowadzanej reakcji.
6 głównych klas enzymów:
klasa
typ reakcji
Przykład
1. Oksydoreduktazy
Utlenianie-redukcja Dehydrogenaza mleczanowa
2. Transferazy
Przenoszenie grup
Kinaza nukleozydomo-
nofosforanowa (kinaza NMP)
3. Hydrolazy
Reakcje hydrolizy
(przenoszenie grup
funkcyjnych na cząsteczki
wody)
Chymotrypsyna
4. Liazy
Utworzenie wiązań
podwójnych poprzez dodanie
lub usunięcie grup
Fumaraza
3
5. Izomerazy
Izomeryzacja
(wewnątrzcząsteczkowe
przeniesienie grup)
Izomeraza triozofosforanowa
6. Ligazy
Ligacja (połączenie) dwóch
substratów na koszt hydrolizy
ATP
Syntetaza aminoacylo-tRNA
Przykład:
ATP + NMP ↔ ADP + NDP
Nazwa potoczna – kinaza NMP = kinaza nukleozydomonofosforanowa.
Oznaczenie numerowe – EC 2.7.4.4 (1. liczba – klasa, druga – przenoszona grupa
(fosforanowa), trzecia – akceptor (fosforan), czwarta – jeszcze bardziej specyficzna).
I zasada termodynamiki
– zasada zachowania energii – w każdym procesie suma energii
układu i otoczenia pozostaje stała. Energia nie może być tworzona lub niszczona; może być
tylko przekształcana.
II zasada termodynamiki
– wszystkie procesy przebiegają w takim samym kierunku, aby
następował sumaryczny wzrost entropii wszechświata, aż do ustalenia się stanu równowagi.
Każdy układ dąży do stanu maksymalnego nieuporządkowania (entropii).
Energia swobodna
(Gibbsa, G) – funkcja termodynamiczna wiążąca pierwszą i drugą zasadę
termodynamiki – jest użyteczną funkcją dla zrozumienia działania enzymów.
ΔG = ΔH – TΔS
Gdzie:
- ΔG – zmiana swobodnej energii układu podczas przemiany przy stałej temperaturze (T) i
ciśnieniu (p).
- ΔH – zmiana entalpii tego układu
- ΔS – zmiana jego entropii.
Ponieważ:
- ΔH = ΔE + pΔV,
Gdzie:
- ΔE – zmiana wewnętrznej energii,
- ΔV – zmiana objętości (zwykle bardzo mała)
Stąd:
ΔG = ΔE – tΔS
4
A zatem ΔG zależy zarówno od zmiany energii wewnętrznej, jak i od zmiany entropii układu.
ΔG dostarcza informacji o spontaniczności reakcji, a nie o jej szybkości:
ΔG = 0 – układ w stanie równowagi, brak zmian
ΔG < 0 – wartość ujemna – reakcja może zajść spontanicznie, reakcja
egzoergiczna
ΔG > 0 – wartość dodatnia – reakcja nie może zajść spontanicznie, reakcja
endoergiczna
ΔG reakcji zależy jedynie od ΔG produktów (stanu końcowego) i substratów (stanu
początkowego). ΔG reakcji nie zależy od drogi przemiany czy molekularnego mechanizmu
przemiany. ΔG reakcji nie daje informacji o szybkości reakcji.
Enzymy nie wpływają na ΔG reakcji.
Enzymy wpływają na energię wymaganą dla zapoczątkowania reakcji (czyli
swobodną
energię aktywacji
, ΔG
‡
), która określa szybkość reakcji.
Jednostki energii:
Dżul (J)
jest ilością energii potrzebną do użycia siły 1 N przez odległość 1 m.
Kilodżul (kJ) równa się 1000 J.
Kaloria (cal)
jest równoważna ilości ciepła potrzebnego do podwyższenia temperatury 1
grama wody z 14,5⁰C do 15,5⁰C.
Kilokaloria (kcal) równa się 1000 cal.
1 kcal = 4,184 kJ
1 kJ = 0,239 kcal
Wyznaczanie ΔG reakcji (aby określić spontaniczność reakcji):
A+B ↔ C+D
ΔG = ΔG⁰ + RT ln
[
C
][
D
]
[
A
][
B
]
R – stała gazowa, T – temperatura absolutna ([K]), [A], [B] – molowe stężenia (aktywności)
składników reakcji, ΔG⁰ – standardowa ΔG, gdy stężenia A, B, C, D równe są 1 M, a warunki
gazowe – 1 atmosferze.
A zatem, ΔG zależy od właściwości substancji reagujących (ΔG⁰) i od ich stężeń.
Dla ułatwienia przyjęto, że pH 7 to wartość standardowa.
ΔG⁰ ' to ΔG⁰ w pH 7 – zmiana standardowej energii swobodnej w pH 7.
ΔG⁰ jest związana ze stałą równowagi K
eq
.
5
[ Pobierz całość w formacie PDF ]