ENZYMY Krystalová struktura trypsinu Obrázek byl převzat z http://en.wikipedia.org/wiki/Trypsin

Funkce enzymů jsou to specializované proteiny produkované živými buňkami jsou to katalyzátory → zvyšují rychlost chemických reakcí a snižují aktivační energii těchto reakcí působení většiny enzymů je velmi specifické – substrátová a reakční specifita

Enzymy jako biologické katalyzátory Vysoká účinnost – reakční rychlost enzymově katalyzovaných reakcí bývá někdy až o několik řádů vyšší Efektivita i za mírných podmínek - poměrně nízké teploty, normální atmosférický tlak, neutrální hodnoty pH Snadná regulace – možnost přizpůsobit se měnícím se podmínkám Enzymy ovlivňují pouze rychlost reakce nikoli rovnováhu reakce.

Enzymová katalýza Enzymy E jsou schopné specificky vázat reaktanty (své substráty S) v aktivním místě → komplex E-S (přechodný stav, ↓ aktivační energie) → rozpad komplexu E-S na produkty P a E http://en.wikipedia.org/wiki/Enzyme

Aktivní místo enzymu tvarově odpovídá jakési prohlubni nebo zářezu molekula substrátu do této „díry“ zapadne a zde se naváže je trojrozměrný útvar tvořený zbytky aminokyselin jsou zde vazebné skupiny a katalytické skupiny (Cys, Ser, Thr, bazické a kyselé aminokyseliny) v aktivním místě ACHE se nalézá Ser → inhibice diisopropylfluorofosfátem

Charakteristika enzymů Intracelulární enzymy Extracelulární enzymy Jednoduché enzymy – pouze proteinová struktura (globulární str.) Komplexní enzymy = proteinová struktura + kofaktor Kofaktory jsou sloučeniny neproteinové povahy. Kofaktorem může být: 1) iont kovu: Zn2+, Mn2+, Mg2+, Fe2+, Cu2+, …. 2) organická molekula a) koenzymy jsou vázány slabými vazbami na enzym, podléhají chemické přeměně a jsou pak uvolněny: NAD(P)+, FAD, koenzym Q,.. b) prostetické skupiny jsou vázány silnými vazbami na enzym a zůstávají s ním asociovány během reakce: hem, …

Koenzymy NAD+ ↔ NADH + H+ FAD ↔ FADH2 nikotinamidadenindinukleotid flavinadenindinukleotid (vit. B2 = riboflavin) Další příklady: koenzym A, koenzym Q, tetrahydrofolát, thiamindifosfát (vit. B1 = thiamin) Obrázky byly převzaty z http://web.indstate.edu/thcme/mwking/vitamins.html

Prostetické skupiny Biotin (vit. H) Hem Další příklad: pyridoxalfosfát (vit. B6) Obrázky byly převzaty z http://web.indstate.edu/thcme/mwking/vitamins.html

Koenzymy a prostetické skupiny a jejich vztah k vitamínům Koenzym/prostetická skup. Vitamín Thiaminpyrofosfát (TPP) vit. B1 - thiamin FAD, FMN vit. B2 - riboflavin NAD+, NADP+ nikotinamid koenzym A (CoA) kys. pantothenová tetrahydrofolát (THF) kys. listová pyridoxalfosfát vit. B6 - pyridoxin biotin vit. H - biotin koenzym Q (CoQ) ubichinon kys. lipoová kys.lipoová

Názvosloví enzymů První objevené enzymy byly pojmenovány podle svého zdroje. název enzymu + koncovka -in Pepsin je součástí žaludeční šťávy (řecky pepsis = trávení). 2) Enzymy byly pojmenovány podle svých substrátů: název substrátu + přípona -asa (-áza) Př. lipáza katalyzuje hydrolýzu lipidů. Př. ureáza katalyzuje hydrolýzu urey. 3) V roce 1961 International Union of Biochemistry doporučila systematickou klasifikaci enzymů podle typu chemické reakce, kterou daný enzym katalyzuje → 6 hlavních tříd. Každý enzym má své EC číslo (kód) (4-místný). Laktátdehydrogenáza má EC kód 1.1.1.27

Klasifikace enzymů Oxidoreduktázy katalyzují redox reakce. alkoholdehydrogenáza oxidázy, oxygenázy, peroxidázy 2. Transferázy katalyzují přenos funkčních skupin mezi donory a akceptory. aminotransferázy, kinázy 3. Hydrolázy katalyzují hydrolytické štěpení substrátů. peptidázy, proteázy, lipázy, α-amyláza 4. Lyázy (syntázy) katalyzují nehydrolytické a neoxidační štěpení nebo syntézu molekul (větš. malá molekula je zabudována /odstraněna do/ze substrátu) karboxylázy/dekarboxylázy, hydratázy/dehydratázy 5. Izomerázy epimerázy, mutázy 6. Ligázy (syntetázy) katalyzují syntetické reakce, kde 2 molekuly jsou spojeny v 1 molekulu, syntéza vyžaduje dodávku energie (ATP) polymerázy

Enzymová kinetika Enzymová kinetika dle Michaelise a Mentenové Michaelisova konstanta KM odpovídá koncentraci substrátu [S], při které je dosaženo poloviny maximální rychlosti Vmax (když v = ½ Vmax). Enzym je při této rychlosti z ½ nasycen svým substrátem. Enzym s vysokou afinitou ke svému substrátu má nízkou hodnotu KM. KM = [mol/l] Obrázek byl převzat z http://en.wikipedia.org/wiki/Enzyme

Aktivita enzymů Reakční rychlost je vyjádřena jako změna koncentrace látky za jednotku času (mol/l / s). Pro enzymově-katalyzované reakce: přeměna substrátu za jednotku času: ● Jednotka: katal (kat) = mol substrátu / s kat/l a nkat/l jsou používány v medicíně ● Mezinárodní jednotka: IU = μmol substrátu / min Převody: 1 IU = 16,67 nkat/l 1 kat/l = 60 IU

Faktory ovlivňující enzymovou aktivitu Koncentrace substrátu Koncentrace enzymu Teplota Koncentrace H+ iontů (pH) Inhibitory ireverzibilní inhibice reverzibilní inhibice a) kompetitivní b) nekompetitivní c) antikompetitivní

Kompetitivní inhibice Kompetitivní inhibitor I soutěží se substrátem S o vazebné místo v enzymu no inhibitor plus inhibitor Hodnota Vmax zůstává stejná Zvýšení hodnoty KM (je nutno dodat více S k dosažení původní aktivity enzymu)

Nekompetitivní inhibice Inhibitor I se váže na jiné místo enzymu než substrát S, I se může vázat na volný enzym i na komplex ES no inhibitor plus inhibitor Hodnota Vmax je snížena (↓ koncentrace aktivního enzymu) Hodnota KM se nemění

Akompetitivní inhibice Inhibitor I se váže pouze na komplex ES Hodnoty Vmax i KM jsou sníženy

Vliv typu inhibice na konstanty Kompetitivní I se váže jen na E roste KM, Vmax se nemění Nekompetitivní I se váže jak na E tak na ES KM se nemění, klesá Vmax Akompetitivní I se váže jen na ES klesá Vmax a KM

Kovalentně modifikované enzymy a) fosforylace/defosforylace Regulace enzymů Allosterické enzymy Kovalentně modifikované enzymy a) fosforylace/defosforylace b) limitovaná proteolýza př. zymogeny (proenzymy) trypsinogen → trypsin + hexapeptid http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/E/Enzymes.html

Enzymy v medicíně Některé důležité enzymy stanovované v klinické biochemii: Enzym Poškozený orgán nebo tkáň -amyláza (AMS) pankreas alkalická fosfatáza (ALP) kost, játra kreatinkináza (CK) sval, srdce laktátdehydrogenáza (LD) srdce, játra alaninaminotransferáza (ALT) játra aspartátaminotransferáza (AST)

Příklad: normální (fyziologická) aktivita ALT v krvi: do 0.73 kat/l Aktivita ALT v séru během akutní virové hepatitidy je 50x vyšší než normální aktivita! IZOENZYMY jsou enzymy katalyzující tutéž chemickou reakci, avšak liší se ve svých fyzikálně-chemických vlastnostech (primární struktura). Často se vyskytují v různých tkáních organismu. Separace izoenzymů je možná např. elektroforézou. Laktátdehydrogenáza (LD) má 5 izoenzymů (LD1 – LD5), které jsou lokalizovány např. v játrech, srdci, kosterním svalu, erytrocytech a ledvinách.