Jak enzymy pracují

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

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

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

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)

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)

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: Katalytické centrum (málo početné katalyticky aktivní skupiny; zbytky AK v aktivním místě podílející se na reakci) Skupiny specificky vážící substrát (vazebné centrum) Skupiny vážící koenzym (např. NAD+ vazebná doména všechny pyridinové oxidoreduktasy) Skupiny vytvářející vhodné chemické prostředí v centru a jeho vhodnou prostorovou strukturu

NAD+ vazebná doména

Aktivní centrum Fisherova teorie komplementarity Koshlandova teorie indukovaného přizpůsobení

Hypotéza indukovaného přizpůsobení Koshland -1959 přizpůsobení molekuly enzymu molekule substrátu po interakci E se S - změna konformace enzymu a optimální prostorová pozice pro tvorbu aktivovaného stavu struktura aktivního místa E je komplementární k S v přechodném stavu a ne volného S potvrzena experimentálně

Základní typy aktivních center u hydrolas Tvar štěrbiny (pukliny)  štěpení jednotlivých biopolymerních řětězců (např. lysozym) Tvar mělké povrchové prohlubně štěpení vazeb přímo v nerozbaleném svazku řetězců (např. trávící enzymy –> chymotrypsin, trypsin, elastasa) Tvar jamky  odštěpení koncových struktur (např. karboxypeptidasa odštěpující aminokyseliny z karboxylových konců peptidů)

Aktivace enzymů

Substrátová specifita Specifita enzymů Substrátová specifita Strukturní specifita (rozpoznání obecných strukturních rysů substrátu) Stereospecifita (dodržení stereospecifického průběhu katalysy např. rozpoznání jednoho enantiomeru v racemické směsi a jeho přeměna; stereospecifita je důsledkem toho že enzym (a tedy i jeho aktivní centrum) je vybudován z chirálních monomerních jednotek (L-aminokyselin) a je proto chirální jako celek)

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)

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)

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 chemické energie  pokles Gibbsovy energie) Endergonické reakce (spojeny se vzrůstem Gibbsovy energie)

Enzymy a energie

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

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

Enzymová reakce

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 ve správné orientaci (efekt přiblížení a orientace) nutná vzájemně vhodná orientace molekul po navázání S na E - znehybnění substrátu, seřazení do vhodné polohy, optimalizace reaktivity

Enzymová reakce probíhá uvnitř aktivního centra Vytvoření specifického mikroprostředí (vytěsnění molekul vody z prostředí, zesílení elektrostatických interakcí, lokální pH...) Ztráta hydratačního obalu substrátu („holé“ skupiny jsou reaktivnější)

Enzymová reakce probíhá uvnitř aktivního centra Koncentrační efekt (vazbou v aktivním centru se substrát koncentruje) Koncentrace v aktivním centru (ca 100 M) může být až 105 x větší než je v roztoku (ca 1 mM) zvýšení rychlosti reakce (rychlost je úměrná rychlosti reaktantů) Efekt orientace substrátu (v roztoku je orientace náhodná, v aktivním místě je orientace optimální)

Energie uvolněná při vazbě substrátu na enzym 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

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

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

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

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

Příklady enzymových reakcí

Serinové proteinasy Molekuly trypsinu a chymotrypsinu jsou velmi podobné Polypeptidové substráty se váží podobným způsobem Rozdíl v oblasti pro vazbu aminokyselin podílejících se na štěpené vazbě štěpení různých peptidových vazeb

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)

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

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)

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

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

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

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

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

Lipasy

Lipasy

Acetylcholinesterasa

Acetylcholinesterasa

Alkoholdehydrogenasa

Alkoholdehydrogenasa

Alkoholdehydrogenasa

Laktátdehydrogenasa

Laktátdehydrogenasa

Lysozym

Lysozym

Lysozym

Lysozym

Lysozym

Aspartátové (kyselé) proteasy

Karboxypeptidasa A