Enzymer

1. Enzymer Biologiske katalysatorer

2. Definisjon av katalysator • En katalysator øker reaksjonshastigheten • En katalysator påvirker ikke reaksjonslikevekten • En katalysator forbrukes ikke i reaksjonen

3. Enzymer Biologiske katalysatorer: • Høyt spesialiserte molekyler: I hovedsak proteiner, men kan være RNA • Kraftige katalysatorer, ofte sterkere enn uorganiske katalysatorer • Urease øker reaksjonshastigheten 1014 ganger • Svært spesifikke, skiller mellom stereoisomerer • Aktive i vandig miljø • Aktive under kjemisk milde forhold: lav temperatur, neutral pH

4. Enzymer øker reaksjonshastigheten mye mer: 106-1012 ganger mere enn kjemiske katalysatorer Enzymer fungerer under milde betingelser: lave temperaturer, atmosferisk trykk og neutral pH Enzymer er mye mere spesifikke, både med hensyn til substrat og produkt. Ingen biprodukter. Enzymaktivitet reguleres av cellens behov Enzymer vs. kjemiske katalysatorer

5. Kofaktorer • Noen enzymer er aktive som rene proteiner • Andre trenger kofaktorer, hjelpemolekyler/ioner • Kofaktorene deltar i den katalytiske prosessen, ofte som midlertidige bærere av funksjonelle grupper • Kofaktorer deles i: • Koenzymer, periodevis assosiert til enzymproteinet, ikke kovalent. Regenereres av andre enzymer • Prostetiske grupper, alltid bundet til proteinet, ofte kovalent. Regenereres i løpet av den katalytiske prosessen • Holoenzym = enzymprotein + kofaktor • Apoenzym = enzymprotein uten kofaktor

7. Uorganiske kofaktorer • Essentielle sporstoffer • Beslektede sporstoffer kan være giftige: • Cd2+ og Hg 2+ kan erstatte Zn 2+ i det aktive setet til visse enzymer, men ikke utføre Zn 2+’s funksjon. • Dermed inaktiveres enzymet. • Eksempel: RNA polymerase. Tap av funksjon er farlig

9. Organiske kofaktorer • Mange levende organismer er ikke istand til selv å syntetisere visse deler av kofaktormolekylene • Vannløselige vitaminer bidrar ofte med strukturdeler til kofaktorer • Vitamin: livsnødvendig forbindelse som må til føres fra omgivelsene

10. Konjugerte enzymer Selvom et protein ikke trenger kofaktorer kan dets aktivitet være avhengig av visse modifikasjoner: • Glykosylering • Fosforylering • Sulfatering • Farnesylering • Lipid påkopling Disse modifiserende forbindelser deltar ikke i den katalytiske prosessen, men regulerer aktivitet, lokalisering i cellen, nedbrytning av enzymet

11. Nomenklatur • Trivialnavn på enzymer er ofte vilkårlige og tvetydige, de forteller lite om hva enzymet gjør • Systematiske navn er innført • Enzymer gis navn og klassifiseres ifølge internasjonale regler • Enzymets navn skal fortelle noe om hva pågjeldende enzym gjør • Vanlig å benytte navnet på enzymets substrat, produkt eller den reaksjon enzymet katalyserer og sette ”ase” på slutten av ordet • Det internasjonale enzymklassifiseringssystem deler enzymene i 6 hovedkategorier • Hver hovedkategori har undergrupper, som igjen selv har under-grupper slik at ethvert enzym blir entydig beskrevet

13. Systematiske nummer og navn La oss se på et eksempel: • Enzymet med nummer E.C. 2.7.1.1. (E.C. = enzyme classification) • Første tall ”2” forteller ifølge tabell 8-3 at enzymet er en transferase • Andre tall ”3” forteller at det tilhører gruppen fosfotransferaser, dvs det overfører en fosfatgruppe fra et molekyle til et annet • Tredje tall ”1” forteller at fosfatgruppen overføres til en hydroksylgruppe • Fjerde tall ”1” forteller at det er D-glukose som denne fosfatgruppen overføres til Enzymets systematiske navn er: ATP:glukose-fosfotransferase ATP + D-glukose ADP + D-glukose-6-fosfat Mange tungvinte systematiske navne byttes ofte ut med trivialnavnet som her er heksokinase

14. Hvordan fungerer enzymene? • Enzymer er biologiske katalysatorer, dvs de øker reaksjonshastigheten, uten selv å bli forbrukt eller påvirke likevekten mellom substrat og produkt • Cellens miljø er ikke gunstig med tanke på at reaksjoner skal skje spontant • Vandig miljø, neutral pH og moderat temperatur • Cellen er i tillegg avhengig av full kontrol over alle kjemiske prosesser: • Hvilke molekyler deltar produkt A • Hvilken retning reaksjonene tar: substrat produkt B • Reaksjonenes hastighet produkt C

15. Substratspesifisitet • Alle enzymer har et aktivt sete • Substratbinding • Katalyse • Mange har bindingssete for en eller flere kofaktorer • Mange har bindingssete for andre regulatorer • Aktivt sete er ofte en lomme eller et hulrom i enzymet • Her har enzym og substrat svært tett kontakt • Krever komplementaritet mellom enzym og substrat i overgangstilstand

16. Binding av substrat til heksokinase viser et tilfelle av indusert tilpasning - ”induced fit” Proteinet lukker seg omkring substratet

17. Enzym-substratkomplekset • Enzymets aktive sete ”leser” overflatekonturen på substratet. • Dvs. rett plassering av - hydrogenbindingspartnere - positive og negative ladninger - hydrofobe områder • Aktivt sete er komplementært med substratet i overgangstilstand • Binding av substratet tvinger det inn i en konformasjon som er gunstig for den katalytiske prosessen

18. Reaksjonshastighet, reaksjonslikevekt • Reaksjonshastighet = den hastighet hvormed produkt dannes • Reaksjonslikevekt = mengden av substrat og produkt ved likevekt S P

19. Substrat omdannes til produkt • Krever at nivå av fri Gibbs energi er lavere i grunn-tilstanden til P enn S • Standard fri energi i grunn-tilstand = Go • 298oK, 1 atm. trykk, 1 M • Endring i standard fri energi = DGo • Under fysiologiske forhold, pH 7, DG’o • + • Aktiveringsenergi DG+

20. Substrat omdannes til produkt • Omdannelse av S til P krever overskridelse av energibarrieren • Aktiveringsenergien er den energimengde som S må tilføres for å komme opp på energi-barrieren = komme i overgangstilstand • Herfra kan S omdannes til både S og P. Fordi det fri energinivå i P er lavere enn i S vil reak-sjonen gå mot dannelse av P • Reaksjonshastigheten er avhengig av aktiverings-energien

21. Enzymer øker reaksjonhastigheten ved å senke aktiveringsenergien • E + S ES EP E + P • Enzym og substrat danner kompleks • Energibarrieren her er lavere, men ikke borte • Enzymkatalyserte reaksjoner kan gå via flere overgangs-stadier, men disse eksisterer ikke som forbindelser man kan isolere • Den høyeste av energibarriere bestemmer reaksjonshastighten

22. Enzym-substrat komplekset

23. Hvordan senkes energibarrieren? • Enzymer er store molekyler av flere årsaker • Binding av substrat til enzym fører til frigivelse av en betydelig energimengde = bindingsenergi, pga. dannelse av mange ikke-kovalente bindinger • Ionebindinger • Hydrogenbindinger • Hydrofobe interaksjoner • Van der Waalske interaksjoner • Bindingsenergien reduserer energibarrieren og er i mange tilfelle tilstrekkelig til også å gjennomføre reaksjonen • De mange ikke-kovalente bindinger sikrer også spesifisiteten

24. Bindingsenergi • For hver ikke-kovalent binding som dannes mellom substrat og enzym frigjøres det litt energi • Denne energien kalles bindingsenergi = DGB • Summen av bindingsenergi bidrag reduserer aktiverings-energien og er ofte tilstrekkelig til å drive reaksjonen helt frem til produktdannelse • Frigjøring av den korrekte mengden bindingsenergi er avhengig av korrekt interaksjon mellom enzym og substrat

25. Bindingsenergi/spesifisitet • Feil substrat vil ikke kunne danne det korrekte antall ikke-kovalente bindinger med enzymet, pga feil funksjonelle grupper på feil sted og manglende evne til å innta korrekt konformasjon i overgangstilstand • Dermed frigjøres det ikke tilstrekkelig energi og reaksjonen kan ikke finne sted E E E E S S S P

26. Likevektskonstant er avhengig av forskjell i fri Gibbs energi i grunntilstand • Disse er innbyrdes forbundet • Reaksjonen S P • Likevektskonstanten • K’eq = P / S • DG’o = -RTlnK’eq • Når K’eq så DG’o

27. Reaksjonshastighet er en funksjon av aktiveringsenergi • Reaksjonen S P • Reaksjonshastighet i en første ordens reaksjon er V = k S • Reaksjonen S +S P • Reaksjonshastigheten i en annen ordens reaksjon er V = k S1 S2 • Hastighetskonstanten k er en funksjon av aktiveringsenergien

28. Katalytiske mekanismer Virkningsmekanismen for alle kjente enzymer kan grovt deles i flg. typer: • Nærhetsmekanisme • Generell syre-base mekanisme • Elektrostatiske effekter • Kovalent katalysemekanisme • Strukturell fleksibilitet Disse mekanismer gjør det mulig for enzymer å utføre sin katalytiske aktivitet ved neutral pH

29. Elektrofil/nukleofil gruppe Funksjonelle grupper utfører jobben: • En funksjonell gruppe sies å være elektrofil hvis den har et underskudd av elektroner • En funksjonell gruppe sies å være nukleofil hvis den har et overskudd av elektroner Elektrofile grupper reagerer med nukleofile grupper Hverken nukleofile eller elektrofile grupper kan reagere med sin egen type funksjonell gruppe

35. Aminosyresidekjeder i generell syre-base katalyse

36. Generell syre-base katalyse • Under katalysen kan det dannes et ladet intermediat som er ustabilt • En proton kan overføres eller fjernes fra det for å hindre at det går tilbake til substratformen • Stabilisering muliggjør fortsettelse av prosessen mot produktdannelse • I enzymers katalytiske sete vil aminosyresidekjeder fungere som protondonorer såvel som protonakseptorer

37. Kovalent katalyse • Her dannes kortvarig kovalent binding mellom enzym og substrat • Eks. hydrolyse av bindingen mellom A og B • H2O • A B + X: A X + B A + X: + B • Endrer reaksjonsveien til ny med lavere aktiveringsenergi • Aminosyresidekjeder og koenzymer kan utføre nukleofile angrep på substrater og danne kovalente bindinger

38. Kovalent katalyse/generell syre-base katalyse

39. Metallionkatalyse • Metallioner inngår i 1/3 av kjente enzymer • Metallion kan være kovalent bundet til enzymet eller løst assosiert • Kan danne ionebindinger til substratet => • korrekt orientering • stabilisere ladninger i overgangstilstanden • Ta imot eller avgi elektroner i redoksreaksjoner