1 / 35

Enzimreakciók

Enzimreakciók. Enzimatikus katalízis értelmezése. k cat. [s -1 ]. enzim. víz. carbonic anhydrase 6x10 5 10 -9 acetylcholine esterase 2x10 4 8x10 -10

bona
Download Presentation

Enzimreakciók

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Enzimreakciók Enzimatikus katalízis értelmezése kcat [s-1] enzim víz carbonic anhydrase 6x105 10-9 acetylcholine esterase 2x104 8x10-10 staphylococcal nuclease 102 2x10-14

  2. Enzimreakciók Enzimatikus katalízis értelmezése Elméletek • entrópia • sztérikus hatások • dinamikus hatások • deszolvatáció • alacsony energiájú hidrogénkötések • kvantum effektusok (tunneling) • elektrosztatikus effektusok (szolvatáció)

  3. Enzimreakciók Enzimatikus katalízis értelmezése Reaktánsok destabilizálása (DRS) Átmeneti állapot stabilizálása (TSS) TS TS Energia Energia p P P R R p w w Reakciókoordináta Reakciókoordináta entropy, steric strain, orbital steering, desolvation solvation

  4. Enzimreakciók Enzimatikus katalízis értelmezése Entrópia faktor 100 szoros sebességnövekedés Oldószerben a reaktánsok egy „üregbe” (solvent cage) kerülését entrópiaveszteség kíséri. Enzimben már egymás közelében vannak.

  5. Enzimreakciók Enzimatikus katalízis értelmezése Entrópia faktor bimolekuláris reakció A + B AB‡ C monomolekuláris reakció AB AB‡ C gázfázisban 13-14 kcal/mól entrópia csökkenés effektív koncentráció: 109 oldószerben: effektív koncentráció max. 55 M (cH2O vízben)

  6. Enzimreakciók Enzimatikus katalízis értelmezése Entrópia tényező 1. A + B AB‡ C 2. AB AB‡ C 1M A; 1M B vA+B ~ 55 vwat oldószer-üreg: ~ 6 vwat kcat, AB/ kcat, A+B < 10

  7. Enzimreakciók Enzimatikus katalízis értelmezése valódi entrópia tényező alapállapotú konfiguráció entrópiacsökkenése felt.

  8. Enzimreakciók Enzimatikus katalízis értelmezése valódi entrópia tényező mivel az enzim flexibilis, nagy (NMA, QHA =20-200 cm-1) azok a szabadsági fokok számítanak, melyek az átmeneti állapotban csökkennek kiszámítható (két PES összehasonlítása gázfázisban) az entrópiacsökkenés miatt ~ 1 kcal/mol „orbital steering” szintén kicsi effektus

  9. Enzimreakciók Enzimatikus katalízis értelmezése Sztérikus feszültség (Steric strain hypothesis) A katalízis hajtóereje, hogy ez enzim a kindulási anyagok geometriáját destabilizálja és az átmeneti állapothoz hasonlóvá teszi (feszültség) TS Energia P R p w Reakciókoordináta

  10. Enzimreakciók Enzimatikus katalízis értelmezése Sztérikus feszültség (Steric strain hypothesis) Lizozim ( oligoszacharidok hidrolízisét katalizálja) ROR’+ AH ROH+R’+A- R+ +A- + R’OH ROH + AH +R’OH TS: sofa konformáció Alapállapot enzimben: sofa konformáció csökken

  11. Enzimreakciók Enzimatikus katalízis értelmezése Sztérikus feszültség (Steric strain hypothesis) kiszámítása: model: 1. enzim + szék konformációjú szubsztrát 2. enzim + sofa szubsztrát alapáll. víz enzim

  12. Enzimreakciók Enzimatikus katalízis értelmezése Sztérikus feszültség (Steric strain hypothesis) Miért kicsi a fehérjében a feszültség? MM model fehérje fehérje szubsztrát 1 Å változás a szubsztrátban 5 kötésre tevődik át a fehérjében (0.2 Å kötésenként) felső becslés k=30 kcal/mol Å2 kcat(p)/kcat(w)~ 150

  13. Enzimreakciók Enzimatikus katalízis értelmezése Near Attack Conformation (NAC hypothesis) az enzim a reaktánsok konfigurációs terét úgy csökkenti le, hogy ideális legyen a reakcióhoz TS Energia P R p w Reakciókoordináta

  14. Enzimreakciók Enzimatikus katalízis értelmezése Near Attack Conformation (NAC hypothesis) Haloalkán dehalogenáz (DHlA) SN2 reakció GS TS Shurki és Warshel (2001) J. Am. Chem. Soc. 124, pp. 4097-4107

  15. Enzimreakciók Enzimatikus katalízis értelmezése Near Attack Conformation (NAC hypothesis) Haloalkán dehalogenáz (DHlA) pontosan definiálni kell! 1. MD szimuláció kényszerfeltétellel, majd elengedve a kényszert 2. MD szimuláció elektrosztatika nélkül (csak sztérikus effektusok)

  16. Enzimreakciók Enzimatikus katalízis értelmezése Near Attack Conformation (NAC hypothesis) sztérikus eff. 2.2 kcal/mol, de ebből 1.5 kcal/mol elektrosztatikus hatás

  17. Enzimreakciók Enzimatikus katalízis értelmezése Dinamikus effektusok speciális fluktuációk lecsökkentik a TS régióban töltött időt k kiszámítható, hogy a trajektóriák mekkora része visz át a TS régión

  18. Enzimreakciók Enzimatikus katalízis értelmezése Dinamikus effektusok „lineáris válasz közelítésben” Q: általános koordináta, oldószer hozzájárulása a ej(t)-ei(t) energiakülönbséghez m: oldott anyag dipólusmomentuma t 10-12 – 10-13 között változik kcat: max. 10-szeres változás

  19. Enzimreakciók Enzimatikus katalízis értelmezése Kvantum effektusok (tunneling) Variational transition state theory (VTST) • átmeneti állapot meghatározása • TS elmozdítása a nyeregpontból a r.k. mentén • TS optimálása a reakciósebesség számításával kvantum effektusok mennyire járulnak hozzá az energiagát csökkentéséhez viszonylag kis effektus, ~10-100 szoros gyorsítás Cui és Karplus (2002) J. Am. Chem. Soc. 124, pp.3093-3124

  20. Enzimreakciók Enzimatikus katalízis értelmezése Kvantum effektusok (tunneling) Csak megfelelő referenciarendszer esetén van értelme! Meg kell vizsgálni az oldatfázisú reakciót is, és a kísérleti kcat értékekhez kell viszonyítani

  21. Enzimreakciók Enzimatikus katalízis értelmezése Deszolvatáció Nem poláros aktív helyek azzal segítik a katalízist, hogy deszolvatálják a reaktánsokat, ezzel hasonlóvá teszik a gázfázishoz. TS Energia P G.S. p w Reakciókoordináta

  22. Enzimreakciók Enzimatikus katalízis értelmezése Deszolvatáció Orotidin Monofoszfát dekarboxiláz (kcat/KM)/knon ~ 1023 „a leghatékonyabb enzim” kcat/kw ~ 1017 Lee és Houk (1997) Science 92, pp. 942-945

  23. Enzimreakciók Enzimatikus katalízis értelmezése Deszolvatáció Orotidin Monofoszfát dekarboxiláz Ab initio számítások gázfázisban (MP2/6-31+G*) • protonáltsági állapotok tesztelése (gázfázisú protonaffinitások) • környezet figyelembe vétele makroszkópikusan • reprodukálják a sebességnövekedést gázfázis vs. oldatfázis ODCase fő katalitikus eleme: az alacsony dielektromos állandójú környezet, mely hasonlóvá teszi a reakciót a gázfázisúhoz Lee és Houk (1997) Science 92, pp. 942-945

  24. Enzimreakciók Enzimatikus katalízis értelmezése Deszolvatáció Orotidin Monofoszfát dekarboxiláz Lee és Houk (1997) Science 92, pp. 942-945

  25. Enzimreakciók Enzimatikus katalízis értelmezése Deszolvatáció Orotidin Monofoszfát dekarboxiláz Florian és Warshel (1998) PNAS USA 95, pp. 5950-5955.

  26. Enzimreakciók Enzimatikus katalízis értelmezése Deszolvatáció Orotidin Monofoszfát dekarboxiláz Asp-70 és Asp-75 pre-organizált környezet célja: TS stabilizáció és NEM G.S. destabilizáció Warshel és mtsai (2000) Biochemistry USA 39, pp. 14728-14738.

  27. Észter hidrolízis T.S. Dgdesolv T.I. G.S. apoláros aktív hely apoláros aktív hely poláros aktív hely

  28. Enzimreakciók Enzimatikus katalízis értelmezése Acetilkolin-észteráz Hipotézis: aromás oldalláncok szerepe a gázfázis-szerű környezet kialakítása átmeneti állapot stabilizációjának számítása apoláros enzimben (PDLD/LRA számítás, geometria EVB-FEP/US alapján) destabilizálás antikatalízis

  29. Enzimreakciók Enzimatikus katalízis értelmezése Low Barrier Hydrogen Bond (LBHB) Hipotézis: alacsony aktiválási energiával létrejövő, kovalens jellegű hidrogénkötések segítik a katalízist O...H....O E O-H....O E d d katalitikus hidrogénkötéseknek egy energiaminimuma van (ionos HB) H12 dominál H1 és H2 dominál

  30. Enzimreakciók Enzimatikus katalízis értelmezése Low Barrier Hydrogen Bond (LBHB) Kiszámítható: FEP módszerrel „Kötési energia” számítással (re-organizáció, LRA) Az eredményeknek összhangban kell lenniük pKa számítások eredményeivel. LBHB apoláros környezetben jelentős effektus, polárosban nem.

  31. Enzimreakciók Enzimatikus katalízis értelmezése Acetilkolin-észteráz TS stabilizáció

  32. Enzimreakciók Enzimatikus katalízis értelmezése Acetilkolin-észteráz l: reorganizációs energia

  33. Enzimreakciók Enzimatikus katalízis értelmezése Acetilkolin-észteráz aktiválási energia csökkenése reorganizációs effektussal aktiválási energia csökkenése reorganizációs effektussal 10 kcal/mol a 15 kcal/mol-ból (107 faktor a 1011 -szeres sebességnövekedésből (kcat(p)/kcat(w)) legjelentősebb effektus

  34. Enzimreakciók Enzimatikus katalízis értelmezése Acetilkolin-észteráz Re-organizáció: a fehérje dipólusai úgy állnak, hogy stabilizálják a reakció átmeneti állapotát Hogyan valósul meg? Gly-118, Gly-119, Ala-201 főlánc hidrogénkötések az acetilkolin karbonil oxigénjéhez (hipotetikus kötődési modell, csoporthozzájárulások számítása)

  35. Enzimreakciók Enzimatikus katalízis értelmezése A fehérjék úgy evolválódtak, hogy a feltekeredett fehérje aminosavainak dipólusai tökéletes szolvatációt biztosítsanak a katalizált reakció átmeneti állapotának. Mivel pre-orientált dipólusok elrendeződése megfelel a reakció átmeneti állapotának, az enzimkörnyezet kis átalakuláson megy keresztül míg a reakció a reaktánsoktól a végállapotba jut. Ezért az enzimatikus effektus elektrosztatikus hatásokon keresztül fejeződik ki, mely az „oldott anyag” és a fehérje állandó dipólusai között jön létre. A dipólusok megfelelő elrendeződéséhez szükséges energia a feltekeredés során fektetődik be. Az enzimek tehát az általuk katalizált reakció „szuper-oldószerei”, mely a TS állapotnak komplementer környezetet biztosít. Annak ellenére, hogy néhány oldallánc kiemelkedő hozzájárulást ad a reakció energiagátjának csökkentéséhez, az aktiválási energia csökkentése nem bontható egyszerűen komponensekre.

More Related