kapitola 3 enzymová katalýza i katylytická aktivita enzymů katylytická aktivita enzymů...

33
KAPITOLA 3 KAPITOLA 3 Enzymová katalýza I Enzymová katalýza I katylytická aktivita enzymů katylytická aktivita enzymů interakce enzym - substrát interakce enzym - substrát koenzymy koenzymy vazebné místo pro substrát vazebné místo pro substrát fyzikálně chemické vlastnosti fyzikálně chemické vlastnosti nomenklatura enzymů nomenklatura enzymů

Upload: kathlyn-edwards

Post on 03-Jan-2016

237 views

Category:

Documents


2 download

TRANSCRIPT

Page 1: KAPITOLA 3 Enzymová katalýza I katylytická aktivita enzymů katylytická aktivita enzymů interakce enzym - substrát interakce enzym - substrát koenzymy koenzymy

KAPITOLA 3KAPITOLA 3

Enzymová katalýza IEnzymová katalýza I

• katylytická aktivita enzymůkatylytická aktivita enzymů

• interakce enzym - substrátinterakce enzym - substrát

• koenzymykoenzymy

• vazebné místo pro substrátvazebné místo pro substrát

• fyzikálně chemické vlastnostifyzikálně chemické vlastnosti

• nomenklatura enzymůnomenklatura enzymů

Page 2: KAPITOLA 3 Enzymová katalýza I katylytická aktivita enzymů katylytická aktivita enzymů interakce enzym - substrát interakce enzym - substrát koenzymy koenzymy

Reaction coordinate

Fre

e en

ergy

, G

The role of binding energy in catalysis. To lower the activation energy for a reaction, the system must acquire an amount of energy equivalent to the amount by which DG# is lowered. This energy comes largery from binding energy ( GB) contribued by formation of weak noncovalent interactions between substrate and enzyme in the transition state. The role of GB is analogous to that of GM.

Page 3: KAPITOLA 3 Enzymová katalýza I katylytická aktivita enzymů katylytická aktivita enzymů interakce enzym - substrát interakce enzym - substrát koenzymy koenzymy

An imaginary enzyme (stickase) designed to catalyze the breaking of a metal stick. (a) To break, the stick must first be bent (the transition state). In the stickase, magnetic interactions take

the place of weak-bonding interactions between enzyme and substrate.(b) An enzyme with a magnet-lined pocket complementary in structure to the stick (the substrate) will

stabilize this substrate . Bending will be impeded by the magnetic attraction between stick and stickase.

Page 4: KAPITOLA 3 Enzymová katalýza I katylytická aktivita enzymů katylytická aktivita enzymů interakce enzym - substrát interakce enzym - substrát koenzymy koenzymy

(c) An enzyme complementary to the reaction transition state will help to destabilize the stick, resulting in catalysis of the reaction. The magnetic interactions provide energy that compensates for the increase in free energy required to bend the stick. Reaction coordinate diagrams show the energetic consequences of complementarity to substrate versus complementarity to transition state. The term GM represents the energy contribued by the magnetic interactions between the stick and stickase. When the enzyme is complementary to the substrate, as in (b), the ES complex is more stable and has less free energy in the ground state than substrate alone. The result is an increase in the activation energy. For simplicity, the EP complexes are not shown.

Page 5: KAPITOLA 3 Enzymová katalýza I katylytická aktivita enzymů katylytická aktivita enzymů interakce enzym - substrát interakce enzym - substrát koenzymy koenzymy

Many organic reactions are promoted by proton donors (general acids) or proton acceptors (general bases). The active sites of some enzymes contain amino acid functional groups, such as those shown here, that can participe in the catalytic process as proton donors or proton acceptors.

Page 6: KAPITOLA 3 Enzymová katalýza I katylytická aktivita enzymů katylytická aktivita enzymů interakce enzym - substrát interakce enzym - substrát koenzymy koenzymy
Page 7: KAPITOLA 3 Enzymová katalýza I katylytická aktivita enzymů katylytická aktivita enzymů interakce enzym - substrát interakce enzym - substrát koenzymy koenzymy

Enzymes

What? Proteins which catalyse biological reactions

Properties? Highly specificUnchanged after reactionCan accelerate reactions >106 foldTurnoverCannot alter reaction equilibria

Conversion of substrate to product:

S P

2 factors determine the appearance of product:i. Thermodynamicii. Kinetic

Page 8: KAPITOLA 3 Enzymová katalýza I katylytická aktivita enzymů katylytická aktivita enzymů interakce enzym - substrát interakce enzym - substrát koenzymy koenzymy

Enzyme Classification

Page 9: KAPITOLA 3 Enzymová katalýza I katylytická aktivita enzymů katylytická aktivita enzymů interakce enzym - substrát interakce enzym - substrát koenzymy koenzymy

Rawn Biochemistry, International edition

Reaction profile for a simple reaction

Page 10: KAPITOLA 3 Enzymová katalýza I katylytická aktivita enzymů katylytická aktivita enzymů interakce enzym - substrát interakce enzym - substrát koenzymy koenzymy

Rawn Biochemistry, International edition

Uncatalysed

Enzyme catalysed

Reaction profile for an enzyme-catalysed reaction

Page 11: KAPITOLA 3 Enzymová katalýza I katylytická aktivita enzymů katylytická aktivita enzymů interakce enzym - substrát interakce enzym - substrát koenzymy koenzymy

0

200

400

600

800

1000

1200

0

Conce

ntr

ati

on (

mic

rom

ola

r)

50 100 150 200 250 300 350

S

P

Time (secs)

Change in [S] and [P] with time

Enzyme kinetics

Page 12: KAPITOLA 3 Enzymová katalýza I katylytická aktivita enzymů katylytická aktivita enzymů interakce enzym - substrát interakce enzym - substrát koenzymy koenzymy

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0

Rate

(v)

mic

rom

ola

r per

sec

1 2 3 4 5 6

[Enzyme] micromolar

Rate versus [enzyme]

Impact of changing enzyme concentration

Page 13: KAPITOLA 3 Enzymová katalýza I katylytická aktivita enzymů katylytická aktivita enzymů interakce enzym - substrát interakce enzym - substrát koenzymy koenzymy

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0

Rate

(v)

mic

om

ola

r per

sec

200 400 600 800 1000 1200

[Substrate] micromolar

Rate versus [substrate]

Impact of changing substrate concentration

Page 14: KAPITOLA 3 Enzymová katalýza I katylytická aktivita enzymů katylytická aktivita enzymů interakce enzym - substrát interakce enzym - substrát koenzymy koenzymy

E + S ES E + P

k1

k-1

k2

Derivation of the Michaelis-Menten equation

Rate of reaction: v k2[ES] Equation (1)

During the steady-state, [ES] is constant i.e. the rate of formation = rate of breakdown

k 1[E ][S] k 1[ES]k 2[ES]

Therefore:

[ES]

k1[E][S]k 1 k2

Page 15: KAPITOLA 3 Enzymová katalýza I katylytická aktivita enzymů katylytická aktivita enzymů interakce enzym - substrát interakce enzym - substrát koenzymy koenzymy

[ES]

k1[E][S]k 1 k2

KM

k 1k 2

k1

[ES]

[E][S]KM

Equation (2)

If we introduce a constant KM defined as

This equation becomes

The total concentration of enzyme introduced at the start of the reaction is still present, it is either bound to substrate or it is not, i.e.

[E0] = [E] + [ES]

Or rearranged: [E] = [E0] - [ES]

Substituting this into Equation (2) gives us:

[ES]

([E0] [ES])[S]KM

Page 16: KAPITOLA 3 Enzymová katalýza I katylytická aktivita enzymů katylytická aktivita enzymů interakce enzym - substrát interakce enzym - substrát koenzymy koenzymy

Opening the bracket on the right-hand side gives:

[ES] = [E0][S] - [ES][S]

KM

[ES] = ([E0] - [ES])[S]

KM

Therefore: KM [ES] = [E0][S] - [ES][S]

KM [ES] + [S][ES] = [E0][S]

(KM + [S])[ES] = [E0][S]

Collect [ES]:

Therefore:[ES] =

[E0][S]

[S] + KM

Page 17: KAPITOLA 3 Enzymová katalýza I katylytická aktivita enzymů katylytická aktivita enzymů interakce enzym - substrát interakce enzym - substrát koenzymy koenzymy

[ES] = [E0][S]

[S] + KM

Substituting this back into equation (1): v k2[ES]

Gives us:v = k2

[E0][S]

[S] + KM

The maximum rate for the enzyme (Vmax) will be achieved when all of the

Enzyme is saturated with substrate, i.e. [ES] = [E0]

Putting this again into equation (1) we get: Vmax = k2 [E0]

Notice that the term k2[E0] features in equation (3), which can now be written

Equation (3)

v = Vmax [S]

KM + [S] Michaelis-Menten

equation

Page 18: KAPITOLA 3 Enzymová katalýza I katylytická aktivita enzymů katylytická aktivita enzymů interakce enzym - substrát interakce enzym - substrát koenzymy koenzymy

What does the KM actually tell us?

Consider the case when the reaction rate (v) is half of the maximum rate (Vmax). Under these conditions the MM equation becomes:

= Vmax [S]

KM + [S]

Vmax

2

This leaves us with:2[S] = KM + [S]

Which simplifies to:

[S] = KM

KM is the substrate concentration at which the reaction proceeds at half of the maximum rate (Vmax)

Page 19: KAPITOLA 3 Enzymová katalýza I katylytická aktivita enzymů katylytická aktivita enzymů interakce enzym - substrát interakce enzym - substrát koenzymy koenzymy

KM

Vmax

Initialrate, V

Substrate concentration, [S]

Vmax/2

Plot of rate (V) against substrate concentration ([S])

Page 20: KAPITOLA 3 Enzymová katalýza I katylytická aktivita enzymů katylytická aktivita enzymů interakce enzym - substrát interakce enzym - substrát koenzymy koenzymy

v = Vmax [S]

KM + [S]

= KM 1 1 1

v [S] Vmax +

Vmax .

Taking the reciprocal of both sides can give

This is in the general form y = m x + c

i.e. a plot of 1/v against 1/[S] will give straight line

This is a Lineweaver-Burk plot

Page 21: KAPITOLA 3 Enzymová katalýza I katylytická aktivita enzymů katylytická aktivita enzymů interakce enzym - substrát interakce enzym - substrát koenzymy koenzymy

1/V

1/[S]

-1/KM1/Vmax

KM/Vmax

slope =

Lineweaver-Burk plot

Page 22: KAPITOLA 3 Enzymová katalýza I katylytická aktivita enzymů katylytická aktivita enzymů interakce enzym - substrát interakce enzym - substrát koenzymy koenzymy

KAPITOLA 4KAPITOLA 4

Enzymová katalýza IIEnzymová katalýza II

• kinetika reakcí katalyzovaných enzymykinetika reakcí katalyzovaných enzymy

• analýza reakční rychlostianalýza reakční rychlosti

• inhibice a regulace katalytické aktivityinhibice a regulace katalytické aktivity

• metody studiametody studia

Page 23: KAPITOLA 3 Enzymová katalýza I katylytická aktivita enzymů katylytická aktivita enzymů interakce enzym - substrát interakce enzym - substrát koenzymy koenzymy

Dependence of initial velocity on substrate concentration, showing the kinetic parameters that define the limits of the curve at hight and low [S]. At low [S], Km>>[S], and the [S] term in the denominator of the Michaelis-Menten equation becomes insignificant; the equation simplifies to V 0 = Vmax[S]/Km, and V0 exhibits a linear dependence on [S], as observed. At high [S], where [S]>>Km, the Km term in the denominator of the Michaelis-Menten equation becomes insignificant, and the equation simplifies to V0=Vmax; this is consistent with the plateau observed at high [S]. The Michaelis-Menten equation is therefore consistent with the observed dependence of V0 on [S], with the shape of the curve defined by the terms Vmax/Km at low [S] and Vmax at high [S].

]S[K]S[V

2V

m

maxmax

The Michaelis-Menten equation

Page 24: KAPITOLA 3 Enzymová katalýza I katylytická aktivita enzymů katylytická aktivita enzymů interakce enzym - substrát interakce enzym - substrát koenzymy koenzymy

maxmax

m

0 V1

]S[1

VK

V1

A double-reciprocal, or Lineweaver-Burk, plot.

The Lineweaver-Burk equation

Page 25: KAPITOLA 3 Enzymová katalýza I katylytická aktivita enzymů katylytická aktivita enzymů interakce enzym - substrát interakce enzym - substrát koenzymy koenzymy

Common mechanisms for enzyme-catalyzed bisubstrate reactions. (a) the enzyme and both substrates come together to form a ternary complex. In ordered binding, substrate 1 must be bound before substrate 2 can bind productively.(b) an enzyme-substrate complex forms, a product leaves the complex, the altered enzyme forms a second complex with another substrate molecule, and the second product leaves, regenerating the enzyme. Substrate 1 may transfer a functional group to the enzyme (forming E´), which is subsequently transferred to substrate 2. This is a ping-pong or double-displacement mechanism.

Page 26: KAPITOLA 3 Enzymová katalýza I katylytická aktivita enzymů katylytická aktivita enzymů interakce enzym - substrát interakce enzym - substrát koenzymy koenzymy

A B

A shows a set of double-reciprocal plots obtained in the absence of the inhibitor and with two different concentrations of a competitive inhibitor. Increasing inhibitor concentration [I] results in the production of a family of lines with a common intercept on the 1/V0 axis but with different slopes. Because the intercept on the 1/V0 axis is equal to 1/Vmax, we can see that Vmax is unchanged by a presence of a competitive inhibitor. That is, regardless of the concentration of a competitive inhibitor, there is always some high substrate concentration that will displace the inhibitor from the enzyme´s active site.

In noncompetitive inhibition, similar plots of the rate data give the family of lines shown in B, having a common intercept on the 1/[S] axis. This indicates that Km for the substrate is not altered by a noncompetitive inhibitor, but Vmax decreases.

Page 27: KAPITOLA 3 Enzymová katalýza I katylytická aktivita enzymů katylytická aktivita enzymů interakce enzym - substrát interakce enzym - substrát koenzymy koenzymy

Three types of reversible inhibition.Competitive inhibitors bind to the enzyme´s active site. Noncompetitive inhibitors generally bind at a separate site. Uncompetitive inhibitors also bind at a separate site, but they bind only to the ES complex. KI is the equilibrum constant for inhibitor binding.

Page 28: KAPITOLA 3 Enzymová katalýza I katylytická aktivita enzymů katylytická aktivita enzymů interakce enzym - substrát interakce enzym - substrát koenzymy koenzymy

Some well-studied examples of enzyme modification reactions.

Page 29: KAPITOLA 3 Enzymová katalýza I katylytická aktivita enzymů katylytická aktivita enzymů interakce enzym - substrát interakce enzym - substrát koenzymy koenzymy

Allosteric Enzymes

Obrázek Lehninger 3 obr grafy z PDF Lehninger str 228

Page 30: KAPITOLA 3 Enzymová katalýza I katylytická aktivita enzymů katylytická aktivita enzymů interakce enzym - substrát interakce enzym - substrát koenzymy koenzymy
Page 31: KAPITOLA 3 Enzymová katalýza I katylytická aktivita enzymů katylytická aktivita enzymů interakce enzym - substrát interakce enzym - substrát koenzymy koenzymy

Glutamine synthetase

Page 32: KAPITOLA 3 Enzymová katalýza I katylytická aktivita enzymů katylytická aktivita enzymů interakce enzym - substrát interakce enzym - substrát koenzymy koenzymy
Page 33: KAPITOLA 3 Enzymová katalýza I katylytická aktivita enzymů katylytická aktivita enzymů interakce enzym - substrát interakce enzym - substrát koenzymy koenzymy