enzimi za organsku hemiju i...neki enzim katalizira samo jednu određenu hemijsku reakciju ili grupu...
TRANSCRIPT
ENZIMI
DEFINICIJA I ZNAČAJ ENZIMA
• Biohemijske reakcije su reakcije koje se odvijaju u živim organizmima.
• Poznavanje ovih pojava preduslov su za razumjevanje
procesa koji se odvijaju in vivo.
• Kinetika kojom opisujemo procese u živom organizmu nešto je
jednostavnija od one in vitro, jer na nju ne utiče promjena
temperature, pritiska i volumena.
• U životinjskim organizmima toplokrvnih vrsta, nema promjene tjelesne temperature, jer ti organizmi imaju vlastitu
termoregulaciju pa im je tako i tjelesna temperatura stalna.
2
DEFINICIJA I ZNAČAJ ENZIMA
• Hemijske reakcije u biološkim sistemima se odvijaju uz učešće enzima kao katalizatora.
• Bez enzimske katalize većina biohemijskih reakcija bila bi tako spora da se reakcije ne bi mogle odvijati u blagim uslovima temperature i pritiska u kojima se odvija život.
• Katalizatori žive ćelije
• Dva su osnovna preduslova za život:
• Organizam se mora sam replicirati;
• Organizam mora katalizirati hemijske reakcije efikasno i selektivno
• Sve hemijske pretvorbe u organizmu – metabolizam- moguće su zbog prisustva i djelovanja enzima. 3
DEFINICIJA I ZNAČAJ ENZIMA
• Proteini; polarni R ostaci AK su orijentisani prema vanjskoj
strani, dok su nepolarni okrenuti prema unutrašnjosti
• Velika katalitička moć i specifičnost za hemijske reakcije i
substrate
• Reakcije se ubrzavaju i preko 1000000 puta
• Snižavaju energiju aktivacije
• Reverzibilno vežu supstrat
• Ne mijenjaju smjer hemijske reakcije
• Enzimska kataliza se može regulirati
4
DEFINICIJA I ZNAČAJ ENZIMA
7.7x106 1x106 1.3x10-1 5 sekundi Karboanhidraza
1x109 4,300 4.3x10-6 1.9 dana Trioza fosfat
izomeraza
1.9x1011 578 3.0x10-9 7.3 godina Karboksipeptidaza A
6.0x1012 60 1.0x10-11 69.000 godina Adenozin monofosfat
nukleozidaza
1.4x1017 39 2.8x10-16 78.000.000 godina Orotidin monofosfat
dekarboksilaza
Povećanje brzine kkat/knk
Brzina katalizovane
reakcije kkat/s
Brzina nekatalizovane
reakcije knk/s Poluživot reakcije bez
enzima Enzimi
Povećanje brzine enzimskih kataliziranih reakcija
DEFINICIJA I ZNAČAJ ENZIMA
• Holoenzim = kofaktor + apoenzim
• Proteinski dio enzimske molekule (apoenzim) treba se povezati
s nekom neproteinskom molekulom (kofaktorom) da bi se
dostigla katalitička moć.
• Aktivni oblik enzima naziva se holoenzim
• Kvarterne strukture
• Homopolimerni
• Heteropolimerni
• izoenzimi i polienzimi
6
DEFINICIJA I ZNAČAJ ENZIMA
• Kataliziraju hemijske procese u organizmu
• Spojevi koji se hemijski mjenjaju djelovanjem enzima nazivaju
se supstrati
• Enzimi su uglavnom globularni proteini mada neke molekule
RNA isto imaju kataliticko djelovanje
• Svaka enzimska reakcija počinje reverzibilnim vezivanjem
substrata i enzima
• Enzimi izlaze nepromjenjeni iz reakcije
• Primarna, sekundarna, tercijarna i kvaterna struktura enzima su
esencijalne za njihovu kataliticku aktivnost
7
Hemija Enzimologija
Reaktant Supstrat
Katalizator Enzim
Proizvod Proizvod
KLASIFIKACIJA I NOMENKLATURA
• Trivijalni naziv
• ALKOHOL DEHIDROGENAZA
• počinje sa imenom substrata
• slijedi tip reakcije
• na kraju je sufiks “aza”
8
KLASIFIKACIJA I NOMENKLATURA
• sistem numeričkog obilježavanja enzima sa 4 broja
TRIPEPTID AMINOPEPTIDAZA
EC 3.4.11.4
• 3 – grupa hidrolaza (grupa koja koristi vodu da prekine neku drugu molekulu)
• 3.4. – hidrolaza koja djeluje na peptidnu vezu
• 3.4.11. - hidrolaze koje odvajaju amino-terminalnu aminokiselinu iz polipeptida
• 3.4.11.4 – hidrolaze koje odvajaju amino-terminalni kraj od tripeptida
9
KLASIFIKACIJA I NOMENKLATURA
• 6 grupa enzima
• 7. grupa - TRANSLOKAZE (2018. g) - kataliziraju kretanje iona ili
molekula preko membrana ili njihovo odvajanje unutar membrana
10
# Enzim Tip reakcije
1 Oksidoredukaze oksido-redukcije
2 Transferaze prenos grupa
3 Hidrolaze hidroliza (raskidanje veza uz adiciju vode)
4 Liaze uklanjanje ili dodavanje grupa pri čemu se
uklanjanju ili nastaju dvostuke veze
5 Izomeraze intramolekularna preuređivanja
6 Ligaze formiranje veze između dvije molekula
supstrata
OKSIDOREDUKTAZE (E.C.1)
• Grupa enzima koji kataliziraju reakcije oksido-redukcije
11
Klasa Funkcija
Dehidrogenaze uklanjanje 2H iz supstrata i formiranje dvostruke
veze. H se prenosi na koenzim koji postaje redukovan
Oksidaze oksidacija pri kojoj se 2 e- sa donora prenose na kisik,
pri čemu obično nastaje vodik peroksid
Reduktaze redukcija
Peroksidaze oksidacija uz korišćenje vodik peroksida
Katalaza oksidacija i redukcija pri čemu se sam vodik peroksid
koristi i kao donor i kao akceptor
Oksigenaze ugradnja kisika u supstrat
OKSIDOREDUKTAZE (E.C.1)
• Primjer dehidrogenaza
• Koenzimi u reakcijama oksido-redukcije:
oksidovani i redukovani oblici
NAD+ / NADH + H+
NADP+ / NADPH + H+
FAD / FADH2
12
Alkohol-
dehidrogenaza Primjer
TRANSFERAZE (E.C.2)
• Grupa enzima koji kataliziraju transfer funkcionalnih grupa
između akceptora i donora (metil, acil, amino, sulfo...)
• Kinaze su enzimi koji katalizuju transfer forsfatne grupe sa ATP-a
ili drugog nukleozid trifosfata na alkoholnu ili amino grupu.
13
Primjer
L-alanin α-ketoglutarat piruvat L-glutamat
Alanin- aminotransferaza
HIDROLAZE (E.C.3)
• Grupa enzima koji kataliziraju reakcije u kojima je raskidanje
veza praćeno adicijom vode
• Klase: esteraze; glikozidaze; peptidaze; fosfataze; tiolaze;
fosfolipaze; amidaze; deaminaze; ribonukleaze
Primer Peptidaza
C-terminalni kraj polipeptida C-terminalna aminokiselina Ostatak polipeptida
LIAZE (E.C.4)
• Grupa enzima koji kataliziraju uklanjanje ili dodavanje grupa,
kao što su H2O, CO2 ili NH3, pri čemu nastaju ili se uklanjaju
dvostruke veze bez hidrolize ili oksidacije
• Klase: dekarboksilaze; aldolaze; hidrataze; dehidrataze; sintaze
Primjer
Piruvat dekarboksilaza
piruvat acetaldehid
IZOMERAZE (E.C.5)
• Heterogena grupa enzima koji katalizuju nekoliko tipova
intramolekularnih preuređivanja, odnosno izomerizacija
• Klase: racemaze; epimeraze; izomeraze; mutaze
Primjer
Malat Fumarat
Maleat- izomeraza
LIGAZE (E.C.6)
• Grupa enzima koji katalizira formiranje veza između 2 molekula
supstrata, a energija za ove reakcije se dobija hidrolizom ATP-a
• Klase: sintetaze; karboksilaze
Primjer
Piruvat Oksalacetat
Piruvat karboksilaza
AKTIVNO MJESTO ENZIMA
• Aktivno mjesto – mali broj AK u hidrofobnoj unutrašnjosti enzima čije prostorno uređenje odgovara strukturi molekule
substrata
• Indiferentne Konformacijske
• Pomoćne Kontaktne
18
AKTIVNO MJESTO ENZIMA
• Vezivanje enzima i substrata silama (vodikove, hidrofobne, Van de Warslove)
• Enzim osigurava kalup koji okuplja reaktante usmjerene na
pravi način da se pospješi stvaranje prijelaznog stanja putem
kojeg će stupiti u međusobnu interakciju.
19
AKTIVNO MJESTO ENZIMA
20
• Enzimi ubrzavaju reakcije i time
što mijenjaju konformaciju
odgovarajućih supstrata radi
približavanja konformaciji
prijelaznog stanja.
• Najjednostavniji model interakcije
enzim-supstrat je model »ključ-
brava« u kojem supstrat savršeno
pristaje u aktivno središte
• Model inducirane prilagodbe
pretpostavlja da vezanje
supstrata mijenja konformacije
supstrata i enzima. Ta promjena
približava supstrat konformaciji
prijelaznoga stanja, što ubrzava
reakciju.
ENZIMSKA KINETIKA
• Enzim se reakcijom ne mijenja, pa hemijska ravnoteža ostaje nepromijenjena, jer je određena isključivo termodinamičkim
svojstvima S i P.
21
ENZIMSKA KINETIKA
• Brzina enzimske reakcije zavisi od promjene koncentracije supstrata promjenjenog u produkt u jedinici vremena
• Zavisi od koncentracije enzima, koncentracije substrata i
afiniteta enzima prema substratu
• Brzina reakcije u odnosu na koncentraciju substrata i enzima
• Porast do maksimalne vrijednosti
22
ENZIMSKA KINETIKA
• Model za razrješenje kinetike enzimski kataliziranih hemijskih reakcija
• Enzim se spaja sa supstratom i stvara enzim-supstrat kompleks
• ES kompleks enzim-supstrat
• k1 konstanta brzine stvaranja kompleksa ES
• k2 konstanta brzine reverzibilne reakcije
• k3 konstanta brzine nastanka proizvoda
• U stacionarnom stanju brzina stvaranja enzim-supstrat
kompleksa je jednaka brzini njegovog raspadanja
ENZIMSKA KINETIKA
• Michael-Mentenova jednačina
• Km konstantna
• maksimalna brzina reakcije
• Kada je enzim zasićen supstrator postiže se maksimalna brzina
reakcije
24
ENZIMSKA KINETIKA
• Km - [S] pri kojoj je polovina aktivnog mjesta na enzimu ispunjeno supstratom i enzim postiže polovicu max brzine
• Pomaže da se odredi ispunjenost aktivnog mjesta enzima pri
svakoj koncentraciji substrata
• Značenje Km konstante
• Afinitet enzima prema substratu
• Manja vrijednost Km – veći afinitet
25
ENZIMSKA AKTIVNOST
• Faktori koji utiču na enzimsku aktivnost:
• Enzimska reverzibilnost
• Enzimska specifičnost
• Fizički uslovi sredine i
• Utjecaj hemijskih komponenti
26
ENZIMSKA AKTIVNOST
• Enzimska reverzibilnost
Sve biohemijske reakcije su reverzibilne. Kao svi katalizatori i enzimi kataliziraju reakcije u oba smjera i ubrzavaju uspostavljanje hemijske ravnoteže. Pri tome konstanta hemijske ravnoteže nije promijenjena. Ako ova reverzibilnost nije uvijek uočljiva, razlog je što se produkti reakcije uglavnom koriste dalje kao supstrati za slijedeće reakcije.
• Enzimska specifičnost
Neki enzim katalizira samo jednu određenu hemijsku reakciju ili grupu sličnih reakcija, a specifičnost prema supstratu je uglavnom potpuna, tolika da je potrebno zadovoljiti i stereospecifičnost. Enzim djeluje samo na određeni optički izomer. Npr. ako selektivno djeluje na L-alanin, tada ne djeluje na D-alanin.
27
ENZIMSKA AKTIVNOST
• Fizički uslovi sredine
• Utjecaj temperature: Enzimske reakcije se ubrzavaju s povišenjem
temperature, ali samo do određene vrijednosti, jer na višim
temperaturama počinje denaturacija apoenzima (proteinski dio).
• Za svakih 10°C raste brzina raste 2x
• Utjecaj pH: Ako se odredi brzina enzimske reakcije u ovisnosti o pH
sredine u kojoj se odvija može se primijetiti da aktivnost enzima raste,
prolazi kroz maksimum, a zatim opada. Može se zaključiti da za neku
enzimsku reakciju postoji optimalan pH pri kojem je enzim najaktivniji.
28
ENZIMSKA AKTIVNOST
• Utjecaj hemijskih komponenti
• Aktivatori enzimske aktivnosti - Aktivatori uglavnom ubrzavaju
enzimske reakcije, a da pri tom ne mijenjaju afinitet enzima za
supstrat (Michaelisova konstanta ostaje nepromijenjena)
• Jedni su pravi aktivatori (npr. metalni ioni), a drugi su u stvari anti
inhibitori (npr. cijanidni ion).
29
ENZIMSKA AKTIVNOST
• Utjecaj hemijskih komponenti
• Aktivacija metalnim jonima - Mnogi enzimi se aktiviraju metalnim
ionima. Praktično sve kinaze se aktiviraju s Mg2+ ionom koji se veže na
ATP molekulu i pokreće enzimsku reakciju. Alkohol dehidrogenaze se
aktiviraju sa Zn2+, a piruvat dekarboksilaze s Mn2+
• Zimogena aktivacija – postojanje u neaktivnom obliku (zaštita od
autoproteolize)
30
ENZIMSKA AKTIVNOST
• Utjecaj hemijskih komponenti
• Kovalentna aktivacija - Aktivnost enzima se može regulisati
kovalentnom ugradnjom neke hemijske skupine u neaktivan enzim.
Npr. aktivacija fosforilaze, enzima koji katalizira metabolizam
glikogena.
31
INHIBITORI ENZIMSKE AKTIVNOSTI
• Ireverzibilni inhibitori – prekidaju enzimsku aktivnosti
• Reverzibilni inhibitori – kontrolisana inhibicija
• Kompeticijski i nekompeticijski inhibitori
32
INHIBITORI ENZIMSKE AKTIVNOSTI
33
S I
I
II
S
Kompetitivni Nekompetitivni
E
Takmiče se za aktivno mjesto
Inhibitor
Supstrat
[I] se vezuje samo za
slobodan [E] i takmiči se
sa [S];inhibicija je
reverzibilna u višku
supstrata
[I] se vezuje za slobodan [E]
ili kompleks [ES]; inhibicija
nije reverzibilna u višku
supstrata
E + S → ES → E + P
+ I
↓
EI
←
↑
E + S → ES → E + P
+ + I I
↓ ↓
EI + S →EIS
←
↑ ↑
E
I
S
INHIBITORI ENZIMSKE AKTIVNOSTI
• Kompeticijski inhibitori – hemijski spojevi strukturno slični substratu,
pa se može smjestiti na aktivno mjesto
• Kompeticija između supstrata i inhibitora
• Brzina reakcije je ista
• Raste vrijednost Km
34
INHIBITORI ENZIMSKE AKTIVNOSTI
• Nekompeticijski inhibitori – inhibitor se veze izvan aktivnog mjesta,
pa se afinitet enzima prema supstratu ne mjenja. Može se vezivati za
enzim ili za enzim-supstrat kompleks
• Brzina reakcije se mjenja
• Km vrijednost se ne menja
35
INHIBITORI ENZIMSKE AKTIVNOSTI
• Inhibitori enzima se često koriste u medicini
• Primjer aspirin, inhibira enzime (ciklooksigenaze) koji proizvode
prostaglandine koji su hormoni što prenose informacije o bolu
mozgu, kao i informacije o upali.
36
KOFAKTORI
• Kofaktori nisu proteini.
• To su termostabilni spojevi za razliku od apoenzimskog
proteinskog dijela koji je termolabilan.
• Kofaktori sudjeluju u enzimskoj reakciji reagirajući sa
supstratom u aktivnom mjestu apoenzima.
• Kofaktori nisu odgovorni za specifičnost enzimske reakcije.
• Kofaktori se potpuno razlikuju od reakcijskog supstrata.
• Većina kofaktora su izgrađeni od cikličkih i heterocikličkih
jezgri. Najčešće, ovi spojevi se ne mogu sintetizirati u ljudskom
organizmu i moraju se unositi s hranom.
• Različiti enzimi koji kataliziraju isti tip hemijskih reakcija, koriste
iste koenzime ili prostetske grupe (primjer oko 700 enzima koristi
NADH kao koenzim)
37
KOFAKTORI
• Kofaktori se djele: • Koenzime
• Metalne jone (Mg2+, Ca2+, Zn2+, Mn2+)
• Koenzimi prema načinu djelovanja se djele: • Prostetičke grupe – kovalentno trajno vezana za apoenzim i ne disocira
(flavin adenin dinukleotid)
• Kosupstrati – slabo vezani i lako disociraju, ne vraćaju se u početno stanje
Protein
Protein
Protein
Metalni jon
Organski molekul KOENZIM
ENZIM
ENZIM +KOFAKTOR
ENZIM +KOFAKTOR
KOFAKTORI
• Kofaktori prenosioci funkcionalnih grupa - uloga mu je da
privremeno prihvati metaboliziranu frakciju nekog supstrata i da je
prenese na drugi supstrat. Većina hidrosolubilnih vitamina (B6, B1,
folna kiselina, B12, biotin, nukleozidi, polinukleotidi..)
• B6 –ima ulogu pri prenosu AK
• B1- prenos aldehidne grupe
• Biotin – prenosi CO2
• Oksidoredukcijski koenzimi – povezani sa procesima oksidacije i
redukcije: nikotinamid adenin dinukleotida (NAD+); flavin adenin
dinukleotida (FAD) – prenos elektrona
• Oksidoredukcijski koenzimi sa hem grupom – porfirinski dio
vezan za enzim –proces disanja, sagrijevanja hranjivih sastojaka,
prenos elektrona, oslobađanje energije
39
KOFAKTORI
• Ostali kofaktori: • vitamin K – koagulacija krvi
• Glutation - otpuštanje elektrona
• vitamin C – različiti procesi oksidacije i redukcije
• Vitamin D – vezan za proces okoštavanja i metabolizmu fosfora i kalcija
• Vitamin A – mehanizmi vezani za vid
•
40
KOFAKTORI
41
Kofaktori Enzimi
Tiamin pirofosfat Flavin adenin nukleotid Nikotinamid adenindinukloetid Piridoksal fosfat Koenzim A Biotin 5`-deoksiadenozil kobalamin Tetrahidrofolat
Piruvat dehidrogenaza Monoamino oksidaza Laktat dehidrogenaza Glikogen fosforilaza Acetil CoA karboksilaza Piruvat karboksilaza Metilmalonil mutaza Timidilat sintetaza
KOENZIMI
Katalaza, peroksidaza Citohrom oksidaza Alkohol dehidrogenaza Heksokinaza Ureaza Superoksid dismutaza Piruvat kinaza Glutation peroksidaza Nitrat reduktaza
Fe2+ ili Fe3+
Cu2+
Zn2+ Mg2+
Ni2+
Mn2+
K+
Se Mo
METALI
UPOTREBA ENZIMA
• Nedostatak samo jednog od ca. 2000 enzima u organizmu
može dovesti do ozbiljnih oboljenja, čak i do smrti
• Primjer fenilalanin hidroksilaza. Nedostatak ovog enzima koji
fenilalanin preobražava u tirosin dovodi do akumulacije
fenilalanina u organizmu što moze dovesti do mentalne
retardacije
• Enzimi iz ćelija kvasca se koriste u proizvodnji piva, vina i
pravljenju peciva (glukoza se prevodi u etanol i ugljendioksid)
• Škrob iz kukuruza, pšeniće i ječma u glukozu
• U sredstvima za čisćenje - da bi se fleke mogle ukloniti lakše i
na nižim temperaturama