Jak enzymy pracují
description
Transcript of Jak enzymy pracují
![Page 1: Jak enzymy pracují](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062314/56814097550346895dac31da/html5/thumbnails/1.jpg)
![Page 2: Jak enzymy pracují](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062314/56814097550346895dac31da/html5/thumbnails/2.jpg)
Specifický charakter uspořádání bílkovinných řetězců
• Prostorové uspořádání molekuly enzymu je determinováno jeho chemickou strukturou
• Je na vyšší úrovni než struktura syntetických polymerů• Části molekuly enzymu mají periodicky se opakující
uspořádání (strukturní domény, např. kofaktorové domény)
• Vznikají unikátní struktury kombinací uspořádaných a neuspořádaných úseků
• Stabilizace finální konformace disulfidovými můstky• Prostorové uspořádání je flexibilní možnost citlivé
regulace na vnější podněty• Struktura s minimální Gibbsovou energií
![Page 3: Jak enzymy pracují](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062314/56814097550346895dac31da/html5/thumbnails/3.jpg)
Specifické rozpoznávání biomolekul
• Na úrovni molekul se jedná o „vázání specifickým způsobem“
• Nemůže vést k trvalému spojení rozpoznávaných molekul kovalentními vazbami
• Realizace probíhá slabými interakcemi nekovalentní (nevazebné) interakce
![Page 4: Jak enzymy pracují](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062314/56814097550346895dac31da/html5/thumbnails/4.jpg)
Charakter nekovalentních interakcí
• Vodíkové vazby (atom vodíku vázán na silně elektronegativní atom kyslíku nebo dusíku polarizace vazby positivní náboj na atomu vodíku interakce s jiným negativním atomem
• Vazebná energie (síla vazby) je asi 5 % typické kovalentní vazby
![Page 5: Jak enzymy pracují](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062314/56814097550346895dac31da/html5/thumbnails/5.jpg)
Charakter nekovalentních interakcí
• Elektrostatické interakce mezi nabitými a dipolárními částmi biomolekul (realizovány např. karboxylovými a aminoskupinami molekul bílkovin)
• Hydrofobní interakce (nositelem jsou nepolární části molekul, mají malou afinitu k vodě a projevují tendenci vzájemně se seskupovat)
![Page 6: Jak enzymy pracují](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062314/56814097550346895dac31da/html5/thumbnails/6.jpg)
Charakter nekovalentních interakcí
• π – π interakce vytvářejí se mezi aromatickými a heterocyklickými kruhy umístěnými blízko u sebe a plochami kruhů k sobě (patrové interakce)
• Londonovy dispersní síly uplatňují se mezi atomy které nejsou spojeny kovalentní vazbou
• Většinou působí zároveň několik typů nekovalentních vazeb (kooperativa nekovalentních vazeb) poměrně silná stabilita fixovaných struktur)
![Page 7: Jak enzymy pracují](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062314/56814097550346895dac31da/html5/thumbnails/7.jpg)
Klíčové oblasti molekul enzymů
• Aktivní centrum prostorově vymezená malá oblast molekuly enzymu, obsahující určité, přesně rozmístěné funkční skupiny
• Aktivní centrum je tvořeno několika typy skupin:Katalyticky aktivní skupiny (katalytické centrum)Skupiny specificky vážící substrát (vazebné
centrum)Skupiny vážící koenzym NAD+ vazebná doména (všechny pyridinové
oxidoreduktasy)
![Page 8: Jak enzymy pracují](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062314/56814097550346895dac31da/html5/thumbnails/8.jpg)
Aktivní centrum
Fisherova teorie Koshlandova teorie
komplementarity indukovaného přizpůsobení
![Page 9: Jak enzymy pracují](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062314/56814097550346895dac31da/html5/thumbnails/9.jpg)
Základní typy aktivních center u hydrolas
• Tvar štěrbiny (pukliny) štěpení jednotlivých biopolymerních řětězců
• Tvar mělké povrchové prohlubně štěpení vazeb přímo v nerozbaleném svazku řetězců
• Tvar jamky odštěpení koncových struktur (např. dekarboxylace)
![Page 10: Jak enzymy pracují](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062314/56814097550346895dac31da/html5/thumbnails/10.jpg)
Aktivace enzymů
![Page 11: Jak enzymy pracují](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062314/56814097550346895dac31da/html5/thumbnails/11.jpg)
Specifita enzymů
Substrátová specifita
Strukturní specifita (rozpoznání obecných strukturních rysů substrátu)
Stereospecifita (dodržení stereospecifického průběhu katalysy)
![Page 12: Jak enzymy pracují](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062314/56814097550346895dac31da/html5/thumbnails/12.jpg)
Strukturní specifita
• Absolutní specifita [přeměna jediného substrátu; ureasa (močovina); aspartasa (aspartát fumarát)]
• Skupinová specifita [přeměna skupiny substrátů téhož typu; alkoholdehydrogenasa (různé alifatické alkoholy); hexokinasa (transfer fosforylové skupiny z ATP na různé hexosy)
• Relativní skupinová specifita (přednostní reakce jedné skupiny substrátů, schopnost působit i na jiné skupiny substrátů)
![Page 13: Jak enzymy pracují](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062314/56814097550346895dac31da/html5/thumbnails/13.jpg)
Reakční specifita
• Specifita k typu katalyzované reakce
• Přeměna jednoho substrátu několika enzymy s různou specifitou účinku na různé produkty
Aminokyselina
dekarboxylace (dekarboxylasa)
přenos aminoskupiny (aminotransferasa)
![Page 14: Jak enzymy pracují](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062314/56814097550346895dac31da/html5/thumbnails/14.jpg)
Enzymy a energie
• Chemické reakce mohou být klasifikovány podle energetického průběhu:
Exergonické reakce (přeměny z nestálého stavu o vyšší chemické energii do stabilnějšího stavu s nižším obsahem chemické energie pokles Gibbsovy energie)
Endergonické reakce (spojeny se vzrůstem Gibbsovy energie)
![Page 15: Jak enzymy pracují](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062314/56814097550346895dac31da/html5/thumbnails/15.jpg)
Enzymy a energie
![Page 16: Jak enzymy pracují](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062314/56814097550346895dac31da/html5/thumbnails/16.jpg)
Aktivační energie
• Aktivační energie je nezbytná pro vznik přechodových stavů (komplex enzym – substrát)
• Aktivační energie je nezbytná i pro průběh exergonické reakce !!!
• Čím vyšší aktivační energie, tím pomalejší průběh chemické reakce
![Page 17: Jak enzymy pracují](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062314/56814097550346895dac31da/html5/thumbnails/17.jpg)
Urychlení reakce
• Enzymy urychlují reakce snížením aktivační energie EA. Přechodový stav
může být dosažen při fysiologických teplotách
• Enzymy nemění ∆ G.• Enzymy nemění
rovnovážné složení směsi
![Page 18: Jak enzymy pracují](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062314/56814097550346895dac31da/html5/thumbnails/18.jpg)
Enzymová reakce probíhá uvnitř aktivního centra
• Snížení aktivační energie při enzymové katalýze je způsobeno několika faktory:
Vazba reagujících substrátů blízko sebe a blízko katalytickým skupinám aktivního centra (efekt přiblížení)
Vytvoření specifického mikroprostředí (vytěsnění molekul vody z prostředí, zesílení elektrostatických interakcí, lokální pH...)
Ztráta hydratačního obalu substrátu („holé“ skupiny jsou nraktivnější)
Koncentrační efekt (vazbou v aktivním centru se substrát koncentruje)
Efekt orientace substrátu
![Page 19: Jak enzymy pracují](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062314/56814097550346895dac31da/html5/thumbnails/19.jpg)
Aktivační energie
• Zdrojem aktivační energie je molekula enzymu• Výměna energie mezi nekovalentně navázanými
molekulami substrátu a přilehlými strukturami enzymu
• Molekula enzymu je rezervoár a převodník energie
Energie uvolněná při vazbě substrátu na enzym
![Page 20: Jak enzymy pracují](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062314/56814097550346895dac31da/html5/thumbnails/20.jpg)
Faktory zahrnuté v katalytické aktivitě enzymu
• Chemický aparát aktivního centra (deformace a polarizace vazeb substrátu větší reaktivita)
• Vazebné místo umožňuje koncentrovat substrát • Vazba substrátu ve správné prostorové orientaci • Způsob fixace substrátu ve vazebném místě,
které poskytuje energii pro enzymovou reakci
![Page 21: Jak enzymy pracují](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062314/56814097550346895dac31da/html5/thumbnails/21.jpg)
Chemická povaha enzymové katalysy
Dva základní typy chemické katalýzyHomogenní (např. kyseliny, báze)Heterogenní (katalytické povrchy)
Enzymová katalýza se blíží heterogenní katalýza
![Page 22: Jak enzymy pracují](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062314/56814097550346895dac31da/html5/thumbnails/22.jpg)
Chemická povaha enzymové katalysy
• Enzymové reakce jsou realizovány stejnými mechanismy jako v organické chemii
• Nukleofilní skupiny (mají volné elektronové páry) serin (hydroxyl), cystein (thiolová skupina), histidin (dusíkové atomy v imidazolovém kruhu)
• Elektrofilní skupiny (akceptory elektronových párů) kovové ionty
• Acidobazická katalýza (protonace nebo odštěpení protonu) kyselé a bazické skupiny (karboxylové, fenolové, aminové, thiolové, imidazolový kruh)
• Interakce s kofaktorem („kosubstrát“), často poskytuje i energii (např. makroergické fosforečné estery)
• Kovalentní katalýza
![Page 23: Jak enzymy pracují](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062314/56814097550346895dac31da/html5/thumbnails/23.jpg)
Histidin
• pK cca 6 při fysiologickém pH imidazolový kruh může fungovat jako donor i akceptor protonů
• Imidazolový kruh zároveň působí jako nukleofil
• Histidin se vyskytuje v aktivním místě velké řady enzymů
CH
NH3+ COO-
CH2
C
CH
CH
NH+
NH
![Page 24: Jak enzymy pracují](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062314/56814097550346895dac31da/html5/thumbnails/24.jpg)
Příklady enzymových reakcí
![Page 25: Jak enzymy pracují](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062314/56814097550346895dac31da/html5/thumbnails/25.jpg)
Serinové proteinasy
• Molekuly trypsinu a chymotrypsinu jsou velmi podobné
• Polypeptidové substráty se váží podobným způsobem
• Rozdíl v oblasti pro vazbu aminokyselin podílejících se na štěpené vazbě štěpení různých peptidových vazeb
![Page 26: Jak enzymy pracují](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062314/56814097550346895dac31da/html5/thumbnails/26.jpg)
Serinové proteinasy
• Substrátové specifity závisí na substrátové kapse v aktivním místě
• Trypsin: kladně nabité aminokyseliny v peptidovém řetězci v kapse je přítomen negativně nabitý karboxyl (štěpení za Lys, Arg)
• Chymotrypsin: aromatické (hydrofobní) aminokyseliny v peptidovém řetězci hydrofobní kapsa (štěpení za Phe, Trp)
![Page 27: Jak enzymy pracují](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062314/56814097550346895dac31da/html5/thumbnails/27.jpg)
Chymotrypsin
• Asp 102• His 57• Ser 195
Nábojová (protonová) štafeta
![Page 28: Jak enzymy pracují](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062314/56814097550346895dac31da/html5/thumbnails/28.jpg)
Chymotrypsin
• Štěpený polypeptid se váže do aktivního centra
• Postranní řetězec aminokyseliny podílející se na štěpené vazbě (Phe, Trp) se váže do hydrofobní kapsy
• Nábojová štafeta vyvolá vznik záporného náboje na kyslíkovém atomu serinu vzrůst nukleofility (His působí jako basický katalyzátor)
![Page 29: Jak enzymy pracují](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062314/56814097550346895dac31da/html5/thumbnails/29.jpg)
Chymotrypsin
• H+ přenesen z OH skupiny Ser na His
• Nukleofilní atak kyslíku Ser na uhlík peptidické vazby
• Vytvoření nestálého meziproduktu
• O- je stabilizován vodíkovým můstkem s -NH skupinou Gly-193
![Page 30: Jak enzymy pracují](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062314/56814097550346895dac31da/html5/thumbnails/30.jpg)
Chymotrypsin
• Přenos protonu z N atomu imidazolu na N atom substrátu (kyselá katalýza)
• Štěpení C-N vazby a uvolnění prvého reakčního produktu
• Zbývající část substrátu se kovalentně váže acylovou skupinou na zbytek serinu
![Page 31: Jak enzymy pracují](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062314/56814097550346895dac31da/html5/thumbnails/31.jpg)
Chymotrypsin
• Nukleofilní atak molekuly vody (proton tvoří vodíkovou vazbu s N imidazolu a kyslíkem serinu; OH- se bude vázat na acyl štěpeného substrátu)
![Page 32: Jak enzymy pracují](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062314/56814097550346895dac31da/html5/thumbnails/32.jpg)
Chymotrypsin
• H+ přenesen z molekuly vody na N imidazolu
• OH- přenesen na acyl štěpeného substrátu
• Opětné vytvoření O- • Vytvoření druhého
nestálého meziproduktu
![Page 33: Jak enzymy pracují](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062314/56814097550346895dac31da/html5/thumbnails/33.jpg)
Chymotrypsin
• Štěpení vazby mezi acylem substrátu a O skupinou serinu
• Je uvolněn druhý peptid
• H+ je přenesen z His na Ser
• Enzym je zregenerován
![Page 34: Jak enzymy pracují](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062314/56814097550346895dac31da/html5/thumbnails/34.jpg)
![Page 35: Jak enzymy pracují](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062314/56814097550346895dac31da/html5/thumbnails/35.jpg)
Lipasy
![Page 36: Jak enzymy pracují](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062314/56814097550346895dac31da/html5/thumbnails/36.jpg)
Lipasy
![Page 37: Jak enzymy pracují](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062314/56814097550346895dac31da/html5/thumbnails/37.jpg)
Acetylcholinesterasa
![Page 38: Jak enzymy pracují](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062314/56814097550346895dac31da/html5/thumbnails/38.jpg)
Acetylcholinesterasa
![Page 39: Jak enzymy pracují](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062314/56814097550346895dac31da/html5/thumbnails/39.jpg)
Alkoholdehydrogenasa
![Page 40: Jak enzymy pracují](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062314/56814097550346895dac31da/html5/thumbnails/40.jpg)
Alkoholdehydrogenasa
![Page 41: Jak enzymy pracují](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062314/56814097550346895dac31da/html5/thumbnails/41.jpg)
Alkoholdehydrogenasa
![Page 42: Jak enzymy pracují](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062314/56814097550346895dac31da/html5/thumbnails/42.jpg)
Laktátdehydrogenasa
![Page 43: Jak enzymy pracují](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062314/56814097550346895dac31da/html5/thumbnails/43.jpg)
Laktátdehydrogenasa
![Page 44: Jak enzymy pracují](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062314/56814097550346895dac31da/html5/thumbnails/44.jpg)
Lysozym
![Page 45: Jak enzymy pracují](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062314/56814097550346895dac31da/html5/thumbnails/45.jpg)
Lysozym
![Page 46: Jak enzymy pracují](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062314/56814097550346895dac31da/html5/thumbnails/46.jpg)
Lysozym
![Page 47: Jak enzymy pracují](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062314/56814097550346895dac31da/html5/thumbnails/47.jpg)
Lysozym
![Page 48: Jak enzymy pracují](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062314/56814097550346895dac31da/html5/thumbnails/48.jpg)
Lysozym
![Page 49: Jak enzymy pracují](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062314/56814097550346895dac31da/html5/thumbnails/49.jpg)
Aspartátové (kyselé) proteasey
![Page 50: Jak enzymy pracují](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062314/56814097550346895dac31da/html5/thumbnails/50.jpg)
Karboxypeptidasa A