Download
slide1 n.
Skip this Video
Loading SlideShow in 5 Seconds..
Jak enzymy pracují PowerPoint Presentation
Download Presentation
Jak enzymy pracují

Jak enzymy pracují

207 Views Download Presentation
Download Presentation

Jak enzymy pracují

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript

  1. Jak enzymy pracují

  2. 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

  3. 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

  4. 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

  5. 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)

  6. 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)

  7. 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)

  8. Aktivní centrum Fisherova teorie Koshlandova teorie komplementarity indukovaného přizpůsobení

  9. 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)

  10. Aktivace enzymů

  11. Specifita enzymů Substrátová specifita  Strukturní specifita (rozpoznání obecných strukturních rysů substrátu)  Stereospecifita (dodržení stereospecifického průběhu katalysy)

  12. 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)

  13. 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)

  14. 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 chemickéenergie  pokles Gibbsovy energie) • Endergonické reakce (spojeny se vzrůstem Gibbsovy energie)

  15. Enzymy a energie

  16. 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

  17. 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

  18. 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

  19. 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

  20. 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

  21. Chemická povaha enzymové katalysy Dva základní typy chemické katalýzy • Homogenní (např. kyseliny, báze) • Heterogenní (katalytické povrchy) Enzymová katalýza se blíží heterogenní katalýza

  22. 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

  23. 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

  24. Příklady enzymových reakcí

  25. Serinové proteinasy • Molekuly trypsinu achymotrypsinujsou velmi podobné • Polypeptidové substrátyse váží podobným způsobem • Rozdíl v oblasti pro vazbu aminokyselin podílejících se na štěpené vazbě štěpení různých peptidových vazeb

  26. 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)

  27. Chymotrypsin • Asp 102 • His 57 • Ser 195 Nábojová (protonová) štafeta

  28. 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)

  29. 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

  30. 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

  31. Chymotrypsin • Nukleofilní atak molekuly vody (proton tvoří vodíkovou vazbu s N imidazolu a kyslíkem serinu; OH- se bude vázat na acyl štěpeného substrátu)

  32. Chymotrypsin • H+ přenesen z molekuly vody na N imidazolu • OH-přenesen na acyl štěpeného substrátu • Opětné vytvoření O- • Vytvoření druhého nestálého meziproduktu

  33. Chymotrypsin • Štěpení vazby mezi acylem substrátu a O skupinou serinu • Je uvolněn druhý peptid • H+ je přenesen z His na Ser • Enzym je zregenerován

  34. Lipasy

  35. Lipasy

  36. Acetylcholinesterasa

  37. Acetylcholinesterasa

  38. Alkoholdehydrogenasa

  39. Alkoholdehydrogenasa

  40. Alkoholdehydrogenasa

  41. Laktátdehydrogenasa

  42. Laktátdehydrogenasa

  43. Lysozym

  44. Lysozym

  45. Lysozym

  46. Lysozym

  47. Lysozym

  48. Aspartátové (kyselé) proteasey

  49. KarboxypeptidasaA