1 Aktywność katalityczna enzymówEnzymologia-1 Informacje wstępne Aktywność katalityczna enzymów

2

3 Biokatalizatory: Enzymy – zbudowane z aminokwasów (białka)Rybozymy – zbudowane z rybonukleotydów (RNA) DNA-enzymy – zbudowane z deoksyrybonukleotydów

4

5 Ważne daty z historii enzymologiiKuhne – wprowadzenie terminu „enzym” 1894 Fisher – teoria „klucza i zamka” 1897 Buchner – wykazanie, że ekstrakt drożdżowy może katalizować fermentację alkoholową 1913 Michaelis, Menten – podstawy matematycznej analizy kinetyki reakcji enz, 1926 Sumner – pierwsze otrzymanie enzymu w formie krystalicznej (ureaza) 1928 Svedberg – skonstruowanie ultrawirówki 1958 Koshland – teoria „wzbudzonego dopasowania” 1960 Stein, Moore – pierwsze określenie sekwencji aminokwasowej enzymu 1965 Pierwsze określenie struktury przestrzennej enzymu (lizozym) na podstawie danych krystalograficznych. Pierwsza struktura białka (mioglobina) została określona 5 lat wcześniej (Kendrew i in.) 1965 Jacob, Monod – odkrycie zjawiska allosterycznej regulacji aktywności enzymów 1969 Merrifield – chemiczna synteza enzymu (rybonukleaza) 1970 – pierwsze wyjaśnienia mechanizmów działania enzymów 1970 Wilchek, Cuatrecas – opracowanie techniki chromatografii powinowactwa 1980 – 1985 zastosowanie technik rekombinacji DNA w badaniach enzymologicznych (układy nadekspresyjne, ukierunkowana mutageneza 1986 Cech – odkrycie rybozymu

6 Enzymy są „superkatalizatorami”niezwykle duża efektywność katalizy wysoka aktywność katalityczna w umiarkowanych warunkach swoistość reakcji specyficzność substratowa stereospecyficzność praktycznie 100% wydajność; brak produktów ubocznych

7

8 SWOISTOŚĆ REAKCJI ENZYMATYCZNYCHL-asparaginaza EC

9 SWOISTOŚĆ SUBSTRATOWA  L-asparaginaza EC

10 Stereospecyficzność działania enzymów

11

12 Niektóre zlokalizowane są w błonach biologicznychNiektóre są białkami rozpuszczalnymi - globularnymi

13 Niektóre enzymy pomagają przemieszczać się substratom, półproduktom i produktom Enzymy oligomeryczne Enzym z kanałem wewnętrznym

14 Topoizomeraza – enzym skręcający i rozkręcający DNA

15 Polimeraza DNA – enzym łączący nukleotydyna podstawie sekwencji matrycy

16

17 Podobieństwo struktur przestrzennych enzymówStruktury racemazy kwasu mandelowego I enzymu laktonizujacego kwas mukonowy Struktury dwóch proteaz serynowych: chymotrypsyny i subtilizyny

18 Dlaczego enzymy są tak efektywnymi katalizatorami?grupy funkcyjne w centrum aktywnym hydrofobowy charakter centrum aktywnego współdziałanie koenzymów kataliza kwasowo-zasadowa maksymalne zbliżenie i optymalne ustawienie substratu(ów) wzbudzone dopasowane enzymu

19

20 W centrum aktywnym enzymu znajdują się reszty wiążące substrat(y) i koenzym Wiązanie koenzymu i substratu przez aminotransferazę kwasu asparaginowego Wiązanie substratu przez racemazę kwasu mandelanowego

21 Niektóre enzymy potrzebują pomocników...Koenzym – niewielka cząsteczka organiczna współpracująca z cząsteczką enzymu podczas aktu katalitycznego, której obecność jest niezbędna dla katalizy. Koenzym wiąże się z enzymem tylko w trakcie aktu katalitycznego Grupa prostetyczna – cząsteczka organiczna lub jon metalu niezbędna dla działania enzymu, połączona trwale z cząsteczka enzymu

22

23 Niektóre enzymy potrzebują pomocników...Jony metali jako grupy prostetyczne enzymów

24 Szybkość reakcji enzymatycznejEnzym, podobnie jak każdy inny katalizator, przyśpiesza reakcję, ale nie zmienia jej stanu równowagi. Enzymy katalizują jedynie reakcje termodynamicznie możliwe, czyli takie, dla których G0. Uwaga: enzymy w komórkach mogą katalizować reakcje, dla których G>0. Warunek: sprzężenie z reakcją, dla której G<0. Warunkiem zajścia reakcji jest efektywne zderzenie cząsteczek (cząsteczki muszą posiadać odpowiednią energię oraz być odpowiednio ustawione względem siebie) Najmniejsza energia, którą należy dostarczyć molowi substratów, aby każda z cząsteczek stała się reaktywna – energia aktywacji Szybkość reakcji zależy od energii aktywacji układu. v = f (G*)

25 Enzymy obniżają energię aktywacji układuEnergia aktywacji (kJ/mol) Połowiczny czas reakcji I rzędu w 27C 62.7 83.6 104.5 125.4 0.007 s 14 s 19 h 38 h Energia aktywacji a szybkość reakcji Energię aktywacji można wyznaczyć k = A exp(-G*/RT) ln k = f(1/T)  G*

26 Enzymy obniżają energię aktywacji układu

27 Oddziaływanie enzym: substratTeoria wzbudzonego dopasowania Teoria klucza i zamka

28 Enzym wiążąc substrat przyjmuje konformacjękomplementarną do stanu przejściowego

29

30 Enzym przyciąga substrat do centrum aktywnegoSposoby oddziaływań elektrostatycznych enzymu z substratem Rozkład potencjału elektrostatycznego wokół enzymu – dysmutazy nadtlenkowej Pokazano obszary potencjału dodatniego i ujemnego. Substrat: O2-. jest naładowany ujemnie Efekt Kirke

31 Wykres zależności szybkości reakcji katalizowanej przezenzym od stężenia substratu ma kształt hiperboliczny

32 Wykres zależności szybkości reakcji katalizowanej przezenzym allosteryczny od stężenia substratu ma kształt sigmoidalny

33 Czynniki wpływające na aktywność enzymutemperatura odczyn środowiska potencjał redoks Zależność aktywności enzymu od temperatury Zależność aktywności enzymu od pH Kształt wykresu v = f(T) może się zmieniać w zależności od momentu pomiaru

34 Aktywność enzymów może być hamowana

35 Aktywność enzymu może być regulowanaRegulacja allosteryczna Stosunkowo niewielkie cząsteczki – ligandy allosteryczne - wiążą się z enzymami oligomerycznymi, zwiększając lub zmniejszając ich aktywność. Regulacja ma charakter płynny. Dotyczy często enzymu katalizującego pierwszą reakcję w szlaku biosyntetycznym. Regulacja kowalencyjna Enzym traci lub zyskuje aktywność w wyniku odłączenia lub przyłączenia małej grupy funkcyjnej, katalizowanego przez inny enzym. Regulacja ma najczęściej charakter zero-jedynkowy.

36 [Aktywność molekularna] = U/mol = min-1Aktywność enzymu – ilość enzymu katalizująca przekształcenie 1 mola substratu w produkt w jednostce czasu. Jeżeli jednostką czasu jest 1 min, to aktywność jest wyrażona w jednostkach U [U] = mol/min; w układzie SI  katal = mol/s 1 katal = 6  107 U Aktywność molekularna – liczba cząsteczek substratu przekształcona w produkt w czasie 1 min przez 1 cząsteczkę enzymu w optymalnych warunkach  Nazwa stosowana poprzednio – liczba obrotów [Aktywność molekularna] = U/mol = min-1

37 Aktywność molekularna  60 = kkatStała katalityczna Stała katalityczna określa liczbę mikromoli substratu przekształconych przez 1 mol enzymu w produkt w ciągu 1 sekundy w optymalnych warunkach kkat = V/[E] [kkat] = s-1 Aktywność molekularna  60 = kkat Dla enzymów zawierających więcej niż jedno centrum katalityczne Aktywność centrum katalit. = aktywność molekularna/liczba centrów

38 Izoenzymy Różne formy tego samego enzymu występujące w różnych organelach komórki lub różnych tkankach tego samego organizmu. Izoenzymy mogą się różnić m.in. strukturą przestrzenną, stopniem ufosforylowania, sposobem regulacji aktywności. Różnice te są konsekwencją niewielkich zmian struktury I-rzędowej.

39

40 Autokatalityczne introny Rybozymy typu „głowa młotka” i enzymy DNA Rybozymy i enzymy DNA Cząsteczki RNA lub DNA wykazujące aktywność autokatalityczną lub katalityczną RNaza P Autokatalityczne introny Rybozymy typu „głowa młotka” i enzymy DNA Transferaza peptydylowa w rybosomie

41 Autokatalityczne intronyStruktura autokatalitycznego intronu z prekursora rRNA Tetrahymena, wycinającego się bez pomocy białek Mechanizm autokatalitycznego splicingu

42 Niektóre rybozymy i enzymy DNA przecinają mRNAModele struktur II-rzędowych rybozymu typu „głowa młotka” (ang. hammerhead) i enzymu DNA Konformacja zwiniętego kompleksu rybozymu typu „głowa młotka” z mRNA

43 Transferaza peptydylowa – największy rybozym

44 Rybosom

45 Obraz miejsca tworzenia wiązania peptydowego w rybosomie