Enzymy = biokatalyzátory

Prezentace na téma: "Enzymy = biokatalyzátory"— Transkript prezentace:

1 Enzymy = biokatalyzátory

2 Enzymy – biologické katalyzátory
Analogie s chemickými katalyzátory Katalyzátor je jiná látka než reaktant a produkt reakce Zvyšuje rychlost reakce v obou směrech, snižuje aktivační energii obou reakcí; reakce vedena jinudy (ilustrace – tok řeky) Z toho plyne, že zkracuje dobu potřebnou k dosažení rovnováhy ale neovlivňuje tuto rovnováhu!!!!!! Vystupuje z reakce nezměněn

3 ·     bílkoviny ( vyjímka ribozymy, např. 2S-rRNA) ·     aktivní místo - vazebné skupiny - katalytické skupiny ·     vazba substrátu - zámek a klíč - indukované přizpůsobení ·      úloha "zbytku molekuly"

4 Aktivační energie rozkladu peroxidu vodíku
H2O2 → 2H2O + O2 Katalyzátor Reakční rychlost (mol.l-1.s-1) Ea (kJ.mol-1) Žádný 10-8 71,1 HBr 10-4 50,2 Fe(OH)2-triethylen tetraamin 103 29,3 Katalasa 107 8,4

5 účinné snížení aktivační energie
Enzymy – biologické katalyzátory Platí o nich totéž co o chemických katalyzátorech, ale mají něco navíc: účinné snížení aktivační energie specifita regulovatelnost účinnosti (aktivity)

6 Každá (metabolická) reakce má svůj enzym
Enzymy = biokatalyzátory Každá (metabolická) reakce má svůj enzym

7 Co umí enzymy · účinné snížení aktivační energie · specifita účinku
·  účinné snížení aktivační energie ·   specifita účinku ·   specifita substrátová ·   regulovatelnost účinnosti (aktivity)

8 Snížení aktivační energie

9

10 nebo apoenzym (peptidový řetězec) + kofaktor = holoenzym
Enzym = buď jednoduchá bílkovina nebo apoenzym (peptidový řetězec) + kofaktor = holoenzym Kofaktor: nepeptidová součást enzymu, která se přímo účastní chemické reakce (bez něj by to nešlo), častá souvislost s vitaminy Prosthetická skupina - pevně vázána na peptidový řetězec Koenzym - volně vázaná molekula

11 prosthetická skupina (př. FAD, PLP, hem)
E-Pr + S1  E-Pr* + P1 E-Pr* + S2  E-Pr + P2 _____________________ E-Pr S1 + S2  P1 + P2 koenzym (druhý substrát) (př. NAD(P),CoA, ATP) E1 S1 + K  P1 + K* E2 K* + S2  K + P2 ________________

12 Prosthetická skupina x Koenzym

13 AKTIVNÍ MÍSTO ENZYMŮ relativně malá kapsa (štěrbina) uvnitř nebo při povrchu enzymu, často hydrofóbní, umožňující vazbu substrátu(ů), ev. nebílkovinné části enzymu slabšími přechodnými, většinou nekovalentními vazbami: vodíkovými můstky (výrazně směrovaná) elektrostatickým přitahováním hydrofóbními interakcemi van der Waalsovými silami Obsahuje postranní řetězce sekvenčně vzdálených aminokyselin, které představují kontaktní, orientující a katalytické zbytky a vytvářejí biospecifickou trojrozměrnou strukturu (konformaci). -efekt zvýšení koncentrace Vzniká dočasně a reverzibilně komplex enzym-substrát (ES).

14

15 AKTIVNÍ MÍSTO ENZYMŮ

16 Teorie zámku a klíče

17 Změna konformace hexokinasy způsobená vazbou substrátu

18 Kofaktory - prosthetická skupina
1. prosthetická skupina (př. FAD, PLP, hem) E-Pr + S1  E-Pr* + P1 E-Pr* + S2  E-Pr + P2 _____________________ E-Pr S1 + S2  P1 + P2

19 Prosthetická skupina - FAD
přenos elektronů, riboflavin B2

20 Prosthetická skupina - PLP

21 Prosthetická skupina - hem

22 Kofaktory - koenzym 2. koenzym (druhý substrát) (př. NAD(P),CoA, ATP)
S1 + K  P1 + K* E2 K* + S2  K + P2 ________________ S1 + S2  P1 + P2

23 Koenzymy – NAD+, NADP+

24 Koenzymy – CoA

25 Koenzymy – ATP

26 Kofaktory - ostatní 3. "nespecifické" organické sloučeniny
- kyselina askorbová (komplex s Fe) - některé další vitaminy 4. kovy přímo se účastnící reakce (metaloenzymy, Zn, Fe, Se, Cu ...) 5. specifické kovy, působící "nepřímo" (Mg a ATP)

27 Jednotky vyjadřování enzymové aktivity
katal (zkratka kat): množství enzymové aktivity, které katalyzuje přeměnu l molu substrátu za sekundu; l0-6 kat = µkat ; l0-9 kat = nkat starší mezinárodní jednotka: U : množství enzymové aktivity, které katalyzuje přeměnu l µmolu substrátu za minutu; l0-3 U = mU PŘEVOD: U=16,67 nkat 60 U=1 µkat Faktory ovlivňující enzymovou aktivitu koncentrace substrátu (Km, V, kcat) teplota pH iontová síla aktivátory a inhibitory

28 Názvosloví enzymů triviální (pepsin, trypsin, elastasa, invertasa ...)
doporučené ("polosystematické") (alkoholdegydrogenasa...)

29 Slovník biochemických pojmů:
enzymy - názvosloví {1} enzyme nomenclature a) triviální (např. pepsin, trypsin, thrombin, elastasa{EC , EC }), b) tzv. doporučené, tvořené názvem substrátu, typem reakce a příponou -asa (např. alkoholdehydrogenasa, glukosaoxidasa, alaninaminotransferasa{EC }, alaninracemasa{EC }), c) systémové (též systematické), vytvářené podle daných pravidel. Systémové názvosloví je založeno (až na výjimky) pouze na účinkové a substrátové specifitě enzymů a vychází z rozdělení enzymů do šesti tříd (viz enzymy - rozdělení do tříd). Vedle tohoto jednoznačného, byť v běžné praxi poněkud nepohodlného názvosloví má každý enzym ještě své katalogové číslo (viz EC, enzymový katalog). Názvy enzymů mají, kromě nejstarších triviálních názvů, příponu -asa.

30 Příklady:  ENTRY EC NAME -Fructofuranosidase Invertase Saccharase CLASS Hydrolases Glycosidases Hydrolysing O-glycosyl compounds SYSNAME -D-Fructofuranoside fructohydrolase REACTION Hydrolysis of terminal non-reducing -D-fructofuranoside residues in -D-fructofuranosides SUBSTRATE -D-Fructofuranoside Sucrose H2O PRODUCT -D-Fructose POZNÁMKA: Termín invertasa vznikl proto, že při hydrolyse sacharosy se obrací (invertuje) optická rotace z pravotočivého na levotočivý smysl. Enzym se využívá k výrobě invertního cukru (směs glukosy a fruktosy), který je mnohem sladší a stravitelnější než sacharosa; používá se jako umělý med, jako sladidlo do zmrzliny, čokolád apod.

31 Třídy enzymů 1) Oxidoreduktasy
katalyzují různé oxidoredukční reakce, často s využitím koenzymů jako např. NADH, NADPH, FADH2,nebo hemu. Triviální názvy v této třídě: dehydrogenasy, oxidasy, cytochromy, peroxidasa, katalasa. 2) Transferasy Katalyzují přenos skupin: amino-, methyl-, acyl-, glykosyl-, fosforyl-. Kinasy katalyzují přenos fosfátové skupiny z ATP nebo jiných nukleosidtrifosfátů. Triviální názvy v této třídě: aminotransferasy (transaminasy), acyltransferasy, fosfotransferasy. 3) Hydrolasy Katalyzují štěpení vazeb mezi atomem uhlíku a jinými atomy prostřednictvím spotřebované molekuly vody. Obvyklé triviální názvy: esterasy, peptidasy, amylasy, fosfatasy, lipasy, proteasy (pepsin, trypsin, chymotrypsin).

32 Třídy enzymů 4) Lyasy Katalyzují adiční reakci na dvojné vazbě nebo eliminační reakci mezi dvěma C atomy za vzniku dvojné vazby. Příklady: fumaráthydratasa (fumarasa), karbonátdehydratasa (karboanhydrasa), aldolasa, citrátlyasa, dekarboxylasy. . 5) Isomerasy Katalyzují racemizaci optických isomerů nebo vytváření polohových isomerů: epimerasy, racemasy, mutasy. 6) Ligasy Katalyzují tvorbu vazeb mezi uhlíkem a jinými atomy spojenou se štěpením ATP (spřažení exergonické a endergonické reakce): karboxylasy, synthetasy (glutaminsynthetasa).

33 1. OXIDOREDUKTASY donor akceptor  oxidovaný donor + redukovaný akceptor Systematický název: donor : akceptor-oxidoreduktasa angl .: donor : acceptor oxidoreductase Triviální názvy: dehydrogenasa reduktasa (důležitější redukce substrátu) transhydrogenasa (vzácné, glutathion-cystin-transhyhrogenasa) oxidasa (přenos dvou elektronů na O2, obvykle vznik H2O2) oxygenasa (1 nebo 2 atomy O jsou inkorporovány do substrátu(ů), monooxygenasa: vzniká voda, dioxygenasa: nevzniká) peroxidasa (peroxid vodíku je akceptorem elektronů) katalasa (disproporcionace peroxidu vodíku)

34 donor akceptor 1.1. CH_OH (alkohol) n.1 NAD+ nebo NADP+ 1.2. CHO (aldehyd) n.2 cytochrom 1.3. CH_CH n.3 molekulový kyslík 1.4. CH_NH n.4 disulfidová sloučenina 1.5. CH_NH (sekundární amin) n.5 chinon nebo příbuzné látky 1.6. NADH nebo NADPH n.6 dusíkatá skupina 1.7. ostatní dusíkaté donory n.7 FeS proteiny 1.8. sloučeniny síry n.8 flavin 1.9. hemová skupina 1.10. difenoly a příbuzné slouč. 1.11. peroxid vodíku jako akceptor 1.12. vodík 1.13. působící na jeden donor, do něhož se vnáší kyslík (oxygenasy) (14.) 11 až 18 (různé působící na dva donory, typy oxygenačních reakcí) které inkorporují kyslík superoxidový radikál jako akceptor 1.16. kovové ionty 1.17. _CH2 _ (vzniká alkohol) 1.18. redukovaný ferredoxin 1.19. redukovaný flavodoxin 1.97. ostatní oxidoreduktasy 1.n.99 různé další akceptory

35 Oxidoreduktasy - příklady
EC Methan,NAD(P)H:kyslík-oxidoreduktasa (hydroxylující) CH4 + NAD(P)H + H+ + O2  CH3OH + NAD(P)+ + H2O EC H2O2: H2O2-oxidoreduktasa, katalasa (též peroxid vodíku:peroxid vodíku - oxidoreduktasa) H2O2 + H2O2  2 H2O + O2 EC donor: H2O2-oxidoreduktasa, peroxidasa donor + H2O2  oxidovaný donor + 2 H2O

36 Oxidoreduktasy - příklady
EC Alkohol:NAD+-oxidoreduktasa, alkoholdehydrogenasa CH3-CH2-OH + NAD+  CH3-CHO + NADH + H+ EC -D-Glukosa:O2-1-oxidoreduktasa, glukosaoxidasa -D-glukosa + O2  -D-glukono-1,5-lakton + H2O2 EC Síra:kyslík-oxidoreduktasa, síradioxygenasa S + O2  SO2

37 2. TRANSFERASY donor_SK + akceptor  donor + akceptor_SK
Systematický název: donor : akceptor_skupinatransferasa angl. donor : acceptor grouptransferase Triviální názvy: methyltransferasy, hydroxymethyltransferasy aminotransferasy (dříve transaminasy) kinasy = fosfotransferasy atd.

38 Kofaktory transferas (koenzym)

39 Kofaktory transferas (koenzym)
přenos acylových zbytků

40 2. TRANSFERASY 2.1 Přenášející jednouhlíkatou skupinu 2.1.1 Methyltransferasy 2.1.2 Hydroxymethyltransferasy 2.1.3 Karboxyl_ a karbamoyltransferasy 2.1.4 Amidinotransferasy 2.2 Přenášející aldehydické nebo ketonické skupiny Transaldolasy a transketolasy 2.3 Acyltransferasy Acyltransferasy Aminoacyltransferasy

41 2. TRANSFERASY 2.4 Glykosyltransferasy 2.4.1. Hexosyltransferasy
Pentosyltransferasy Přenášející ostatní glykosylové skupiny 2.5 Přenášející akrylové nebo arylové skupiny jiné než methyl (velmi heterogenní skupina) 2.6 Přenášející dusíkaté skupiny Aminotransferasy Oximinotransferasy Přenášející jiné dusíkaté skupiny

42 2. TRANSFERASY 2.7. Přenášející skupiny obsahující fosfor
Fosfotransferasy s alkoholem jako akceptorem Fosfotransferasy s karboxylem jako akceptorem Fosfotransferasy s dusíkatou skup. jako akcept. Fosfotransferasy s fosfátovou skup. jako akcept. Difosfotransferasy Nukleotidyltransferasy Transferasy ostatních substituovaných fosf. skup. Fosfotransferasy se dvěma akceptory 2.8. Přenášející sirné skupiny Sulfurtransferasy (sirné skupiny kromě a 2.8.3.) Sulfotransferasy (přenášející sulfát) CoA_transferasy

43 Transferasy - příklady
EC ,4--D-Glukan:orthofosfát--D-glukosyltransferasa, fosforylasa (1,4--D-glukan)n + Pi  (1,4--D-glukan)n-1 + -D-glukosa-1-fosfát EC L-Alanin:2-oxoglutarát-aminotransferasa, alaninaminotransferasa (AAT)  L-Ala oxoglutarát  pyruvát L-Glu

44 Transferasy - příklady
EC ATP:D-hexosa-6-fosfotransferasa, hexokinasa ATP + D-hexosa  ADP + D-hexosa-6-fosfát  

45 3. HYDROLASY A _ B + H2O  AOH + HB
Systematický název: substrát (skupina) hydrolasa angl.: substrate (group) hydrolase Triviální název: substrátasa, často zcela nesystematické názvy

46 3. HYDROLASY 3.1 Esterasy 3.1.1. Estery karboxylových kyselin (lipasy)
Monoestery fosforečné kyseliny (fosfatasy) Diestery fosforečné kyseliny (fosfodiesterasy, štěpení c-AMP) _ 30 Endo_ a exo_ (deoxy)nukleasy 3.2 Glykosidasy Hydrolysující O_glykosidové vazby (amylasy, invertasa=sacharasa, celulasy) Hydrolysující N-glykosidové vazby 3.3 Působící na etherové vazby

47 3. HYDROLASY 3.4 Peptidasy _Aminoacylpeptid hydrolasy (aminopeptidasy) Dipeptid hydrolasy Dipeptidylpeptid hydrolasy Peptidyldipeptid hydrolasy Serinové karboxypeptidasy Metallo_karboxypeptidasy Cysteinové karboxypeptidasy Serinové proteinasy Cysteinové proteinasy Aspartátové proteinasy Metallo_proteinasy Proteinasy neznámého katalyt. mechanismu 3.5 Působící na C_N vazbu jinou než peptidovou

48 3. HYDROLASY 3.6 Působící na anhydridy kyselin
3.6.1 Anhydridy fosforečné kyseliny (pyrrofosfatasa, nespec. ATPasy) 3.6.3 a zprostředkující membránový transport (transportní ATPasy) 3.6.4 umožňující pohyb (aktomyosinový komplex, složky cytoskeletu) 3.7 Působící na vazbu C_C 3.8 Působící na vazby halogenů 3.9 Působící na P_N vazby 3.10 Působící na S_N vazbu 3.11 Působící na C_P vazbu

49 4. LYASY substrát 1 (+ substrát 2)  produkt 1 + produkt 2 (malý)
substrát 1 (+ substrát 2)  produkt 1 + produkt 2 (malý) Systematický název: substrát 1 (substrát 2)- produkt 2lyasa angl: substrate l (substrate 2)- product 2 lyase Triviální název: dekarboxylasa, hydrolyasy (=dehydratasa), ammonialyasa, aldolasa, synthasa (velmi riskantní)

50 4. LYASY 4.1 C_C lyasy 4.1.1 Karboxylyasy (dekarboxylasy)
4.1.2 Aldehydlyasy (aldolasy) 4.1.3 Oxo_acid lyasy (např. citrátsynthasa) Ostatní C_C lyasy 4.2 C_O lyasy 4.2.1 Hydrolyasy (např. fumarasa) 4.2.2 Působící na polysacharidy (štěpí za vzniku deoxysacharidů) 4.2.3 Ostatní C _O lyasy C_N lyasy 4.3.1 Ammonia_lyasy (např. aspartátamonialyasa) 4.4 C_S lyasy 4.5 C_halogen lyasy P_O lyasy 4.99 Ostatní lyasy

51 4. LYASY Lyasy - příklady:
EC pyruvát-karboxylyasa, pyruvátdekarboxylasa CH3-CO-COOH  CH3-CHO + CO2 EC karbonát-hydrolyasa, karbonátanhydrasa, karbonátdehydratasa H2CO3  CO2 + H2O

52 4. LYASY EC ATP-pyrrofosfátlyasa (cyklisující), adenylátcyklasa ATP  cAMP PPi +

53 5. ISOMERASY Triviální názvy: (různé typy isomerací _ podobně i
v systematickém názvu) racemasy, cis_trans_isomerasy, ketolisomerasy, mutasy, atd. Systematický název: substráttyp angl.: substrate type

54 5. ISOMERASY 5.2 Cis_trans_isomerasy
Intramolekulární oxidoreduktasy 5.3.1 Přeměňující aldehydy na ketony (ketolisomerasy) 5.3.2 Přeměňující ketoskupiny na enoly (keto_enolisomerasy) 5.3.3 Posunující C=C vazbu (n _  m isomerasy) 5.3.4 Posunující S_S vazbu (proteindisulfid_isomerasa) Ostatní intramolekulární oxidoreduktasy

55 5. ISOMERASY 5.4 Intramolekulární transferasy (mutasy)
5.4.1 Přenášející acylovou skupinu (acylmutasy) 5.4.2 Fosfotransferasy (fosfomutasy) 5.4.3 Přesunující aminoskupinu (aminomutasy) 5.5 Intramolekulární lyasy (decyklisující, intramolekulární adice) 5.99 Ostatní isomerasy (např. DNA-topoisomerasy)

56 3-fosfo-D-glycerát  2-fosfo-D-glycerát
Isomerasy - příklady: EC Aspartátracemasa (s poloviční rychlostí působí též na Ala) EC Laktátracemasa EC D-Glyceraldehyd-3-fosfátketolisomerasa, triosafosfátisomerasa D-glyceraldehyd-3-fosfát  dihydroxyacetonfosfát EC D-Fosfoglycerát-2,3-fosfomutasa, fosfoglycerátmutasa  3-fosfo-D-glycerát  fosfo-D-glycerát 

57 6. LIGASY substrát 1 + substrát 2 + A(G) TP  substrát 1_substrát ADP + Pi nebo substrát 1 + substrát 2 + ATP  substrát 1_substrát AMP + PPi Systematický název: substrát1: substrát 2_ligasa (tvořící ADP, AMP nebo GDP) angl.: substrate l : substrate 2 ligase (ADP, AMP or GDP _forming) Triviální názvy: pokud možno substrát 1_substrát 2_ligasa (synthetasy jsou možné, často se však vyskytují i synthasy)

58 6. LIGASY 6.1 Tvořící C_O vazby (aminoacyl_tRNA_ligasy a podobné estery) 6.2 Tvořící C_S vazby (kyselina_thiol_ligasy) 6.3 Tvořící C_N vazby 6.3.1 Acid_ammonia (or amine) ligases (asparaginsynthetasa) 6.3.2 Acid_amino_acid ligases (např. peptidsynthetasy) 6.3.3 Cyklisující ligasy 6.3.4 Ostatní C_N ligasy 6.3.5 C_N ligasy s glutaminem jako donorem dusíku (např. karbamoylfosfátsynthetasa) 6.4 Tvořící C_C vazby (např. karboxylasy) 6.5 Tvořící estery kyseliny fosforečné (např. DNA-ligasa)

59 Ligasy - příklady EC L-Tyrosin:tRNATyr-ligasa (AMP-tvořící), tyrosin-tRNA-ligasa L-Tyr + tRNATyr + ATP  L-Tyr-tRNATyr + AMP + PPi EC Acetát:CoA-ligasa (AMP-tvořící), acetát-CoA ligasa CH3COO- + HSCoA + ATP  acetyl-SCoA + AMP + PPi EC L-Aspartát:amoniak-ligasa (ADP-tvořící), asparaginsynthetasa L-Asp + NH3 + ATP  L-Asn + ADP + Pi (EC AMP-tvořící) EC Pyruvát:oxid uhličitý-ligasa (ADP-tvořící), pyruvátkarboxylasa CH3-CO-COO- + HCO3- +ATP  -OOC-CH2-CO-COO- + ADP + Pi EC Poly(deoxyribonukleotid): poly(deoxyribonukleotid)-ligasa (AMP-tvořící), DNA-ligasa ATP + (deoxyribonukleotid)n + (deoxyribonukleotid)m   (deoxyribonukleotid)n+m + AMP + PPi

60