C5720 Biochemie 11-Enzymy 10/18/2013 1 Petr Zbořil Obsah •Reakční kinetika, enzymy jako biokatalyzátory. Aktivní místo, katalytické místo, kofaktory, koenzymy a prostetické skupiny, mechanismus působení (příklad serinových proteináz), rozdělení enzymů a jejich třídy. Praktické aspekty – klinické a technologické aplikace, termostabilní enzymy. 10/18/2013 Petr Zbořil 2 Katalýza •Aktivační energie oPřekonání repulsních sil oKinetická energie oT – v živých systémech omezeno • •Katalýza – Berzelius 1835 oUsnadnění reakce oSnížení Ea, rozložení oTransitní stavy o • • 10/18/2013 Petr Zbořil 3 Katalýza •Chemické katalyzátory oLátky urychlující chemické reakce onemění přitom rovnováhy chemických reakcí osnižují aktivační energii o„nemění“ se při reakci •Biokatalyzátory – speciální požadavky oKatalyzované reakce probíhají cíleně podle přesného genetického plánu oPrůběh reakcí musí být specifický oJejich rychlost musí být přesně regulována podle potřeb organismu • • • 10/18/2013 Petr Zbořil 4 Biokatalyzátory • •Proto se biokatalyzátory liší od běžných chemických katalyzátorů: •1) Vyšší reakční rychlostí •2) Mírnějšími podmínkami reakce – T, pH, tlak. •3) Vyšší specifitou. •4) Schopnosti regulace • 10/18/2013 Petr Zbořil 5 Biokatalyzátory • •Globulární bílkoviny – enzymy oKatalytická funkce bílkovin oTéměř všechny reakce • •RNA – ribozymy oKatalyticky účinné RNA - T. R. Cech a S. Altmann, NC 1989 oNěkolik speciálních reakcí oSyntéza peptidové vazby oZbytek „RNA světa“ • 10/18/2013 Petr Zbořil 6 Biokatalyzátory •Příklady enzymů oPorovnání rychlostních konstant spontánní a katalyzované reakce oI tak snadno a rychle probíhající pochod jako je disociace CO2 je v organizmech katalyticky urychlena • o 10/18/2013 Petr Zbořil 7 Historie poznávání enzymů •Pasteur 1860 – fermentace je katalyzovány látkami, tuto schopnost však nelze oddělit od živých buněk, které jsou vybaveny tzv. životní sílou vis vitalis •Liebig – fermenty jsou schopny katalyzovat tyto reakce i mimo živou buňku – spor s Pasteurem •Kühn 1878 – „enzym“ en zume – v kvasnicích •Büchnerovi 1897 – tyto reakce je schopen katalyzovat i samotný extrakt kvasinek •Sumner 1926 – bílkovinná povaha enzymů – ureasa • 10/18/2013 Petr Zbořil 8 Vlastnosti enzymů •Struktura •Bílkovina mající schopnost vázat reaktanty (substráty) a přeměnit je na produkty •K tomu dochází v tzv. aktivním místě (centru) •Struktura aktivního centra umožňuje specifickou interakci a vazbu s omezeným výběrem substrátů •K tomu má vhodný geometrický tvar a rozložení reaktivních skupin – chemické interakce – architektura •Specificita enzymů – klíčová vlastnost oSubstrátová oReakční • • • 10/18/2013 Footer Text 9 Substrátová specificita •Model zámku a klíče •Indukovaného přizpůsobení, •postupné změny konformace oRůzné mechanizmy oŘazená vazba substrátů o(uspořádaný mechanismus) -např. vazba NAD na LDH změní •konformaci řetězce, vytvoří se •smyčka (kapsa pro vazbu laktátu) • •Různá přísnost – volnost oAbsolutní, skupinová oAfinita – Km oČást molekuly – galaktosidasa, peptidasy oStereoselektivita – substrát i produkt o •Širší uplatnění – biorekognice • 10/18/2013 Footer Text 10 Názvosloví enzymů •Triviální onázvy souvisely s místem výskytu nebo funkcí – ptyalin (sliny), trypsin, pepsin, starý žlutý enzym •Jednoduché oNázev substrátu nebo reakce + koncovka asa – amylasa, ureasa •Systematické názvosloví oodráží rekční specificitu – základ systematického třídění oRegulérní •Substráty:produkty-reakce, typické pro jednotlivé třídy •L-Glu:NAD+-oxidoreduktasa (deaminující) ozjednodušené •Substrát + reakce + asa •glukosa-6-fosfátdehydrogenasa • 10/18/2013 Footer Text 11 Třídění a klasifikace •IUB – 1961 •6 tříd podle typu katalyzované reakce •1.třída oxidoreduktasy – oxidačně redukční reakce – nejpočetnější třída – laktátdehydrogenasa •2.třída transferasy – přenos skupin •aspartátaminotransferasa •3.třída hydrolázy – hydrolyticky (za účast H2O) štěpí vazby – početná skupina – ureasa •4.třída lyasy – nehydrolyticky (bez účast H2O) štěpí vazby, eliminace i adice – karbonátdehydratasa •5.třída izomerasy – intramolekulární přesuny atomů či skupin – glukosa-6-fosfátizomerasa •6.třída ligasy – vznik energeticky náročných vazeb nejčastěji za spotřeby ATP – asparaginsyntethasa 10/18/2013 Footer Text 12 Třídění a klasifikace 10/18/2013 Footer Text 13 Třídění a klasifikace •http://www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/enzyme/index.html • •EC a.b.c.d • •Např. alkohol:NAD:oxidoreduktasa (alkoholdehydrogenasa) EC 1.1.1.1 •EC 1 – oxidoreduktasy •EC 1.1. – skupina CHOH •EC 1.1.1. – kofaktor NAD •EC 1.1.1.1 – číslo uvnitř skupiny • 10/18/2013 Footer Text 14 Struktura enzymů •Jednoduché enzymy – složené pouze z proteinu oglobulárních protein oenzymy monomerní, tvořené jedinou podjednotkou ooligomerní, tvořené z více podjednotek •Složené enzymy – obsahují nebílkovinou složku – kofaktor + apoenzym (apoprotein) oKovový ion – metaloenzymy (Zn2+ - alkoholdehydrogenasa, Cu2+ - diaminoxidasa) oOrganická skupina či sloučenina •Pevně (většinou kovalentně) vázaná – prostetická skupina (širší význam) – odstranění – ztráta aktivity •Volně vázaná – koenzym – běžně disociuje 10/18/2013 Petr Zbořil 15 Struktura enzymů •Jak prostetická skupina, tak koenzym vstupují do enzymové reakce, liší se však způsobem regenerace : oprostetická skupina – na téže enzymové bílkovině, je pevně vázáná okoenzym – disociuje z dané enzymové bílkoviny a může se regenerovat v jiné enzymové reakci – též druhý substrát •Jednoduchý enzym – vratná změna reaktivních skupin aminoacylů • 10/18/2013 Petr Zbořil 16