1 / 37

Enzimek

Enzimek. Az élő szervezetben (hőmérséklet, földi atmoszféra nyomásviszonyai mellett) nem, vagy csak nagyon lassan játszódnak le a különböző folyamatok → meggyorsításukhoz katalízisre van szükség.

Sophia
Download Presentation

Enzimek

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript


  1. Enzimek

  2. Az élő szervezetben (hőmérséklet, földi atmoszféra nyomásviszonyai mellett) nem, vagy csak nagyon lassan játszódnak le a különböző folyamatok → meggyorsításukhoz katalízisre van szükség. • A katalízist enzimeknek nevezett fehérjék végzik, amelyek a kémiai anyagok átalakításához szükséges időt lerövidítik, a reakciósebességet pedig 109 – 1012 – szeresére is fokozhatjuk.

  3. Újabb megfigyelések szerint néhány speciális biokémiai folyamatban RNS molekulák is képesek a katalizátor feladatát ellátni. A katalitikus képességgel rendelkező ribonukleinsavakat „ribozim”-nak nevezzük. (Vagy önmaguk átszerkesztődését katalizálják, de van olyan típus is, amely valódi katalizátornak tekinthető).

  4. Az enzimek csökkentik a reakciók aktiválási energiáját (Az aktiválási energia a kiindulási és az aktivált állapot energiaszintje közötti különbség) Animáció

  5. A szubsztrát(ok) és a végtermék(ek) stabil kémiai szerkezete között az átalakuló molekulának egy ún. tranzíciós (átmeneti) állapotba kell kerülnie, amelyben átmenetileg mind a kiindulási szerkezethez, mind a végtermék szerkezetéhez tartozó energiaszintnél magasabb energiaszintet ér el. Ez az átmeneti energiaszint növekedés a gátja a reakciónak. • Az enzimek az aktív helyen (centrumban) kötik meg az átalakítandó anyagot, a szubsztrátot (szubsztrát kötő hely)

  6. Az aktív helyhez tartoznak még azok a katalitikus csoportoknak nevezett aminosav oldalláncok, amelyek részt vesznek a szubsztrát átalakításában (katalitikus hely) →a kémiai átalakulást elvégzi • A szubsztrát és a szubsztrát kötő hely közötti kölcsönhatás hozza létre a komplementer szerkezetet • Bizonyos enzimek működéséhez, bizonyos kis molekulákkal, ún. kofaktorokkal történő kapcsolódás szükséges. Ilyen kofaktorok lehetnek bizonyos ionok, pl. Cu2+ , Zn2+. • Vannak enzimek, amelyek működésükhöz más kofaktorokat, ún. prosztetikus csoportokat vesznek segítségül. Ezek pl. vitamintermészetű anyagok.

  7. Az enzim és szubsztrát közötti kapcsolatot gyenge, reverzibilis kölcsönhatások (elektrosztatikus kötések, H-hidak, hidrofób kölcsönhatások) biztosítják. a; kulcs-zár modell b; indukált illeszkedés (induced fit)

  8. Néhány toxikus nehézfém (pl. Cd2+, Hg2+) hatása részben azzal magyarázható, hogy helyettesíti a Zn2+-t az aktív helyen (pl. RNS- polimeráz) • Kofaktorok lehetnek az ún. koenzimek is (pl. NAD, FAD) • A katalitikusan aktív enzim-kofaktor komplexet holoenzimeknek nevezzük. apoenzim (inaktív) + kofaktor  holoenzim (aktív) Animáció

  9. Az enzimek osztályozása • Az enzimeket katalizált reakció jellege szerint 6 osztályba soroljuk (ezen belül alosztályok, csoportok, majd maguk az egyes enzimek). Minden egyes enzimet így négy szám határoz meg. Pl. glükóz-6-PDH : EC 1.1.1.49

  10. 1;Oxidoreduktázok (elektron ill. H átvitel) pl. G-6-P + NADP+ → 6-foszfoglükonsav - lakton + NADPH + H+ almasav+NAD+→oxálecetsav+NADH+ H+ etanol + NAD+ →acetaldehid+NADH+ H+ 2;Transzferázok (csoportátvitel egy szubsztrátról egy másikra) Foszfátátvivők a kinázok pl. glükóz + ATP G-6-P + ADP glükokináz

  11. lipáz -amiláz 3;Hidrolázok (víz bevitellel hasítanak kovalens kötéseket) pl. triglicerid + 3H2O glicerol + 3 zsírsav keményítő + H2O dextrin →maltóz (glükóz) 4; Liázok (szintáz) A szubsztrátmolekulát úgy hasítják ketté, hogy az egyik termékben kettős kötés alakul ki (vagy visszafelé kettős kötésre való addíció játszódik le) Más szóval: víz, CO2 vagy NH3 adódik a szubsztráthoz vagy vonódik el pl. 2-foszfoglicerát ↔ foszfoenolpiruvát + H2O fumársav + H2O  almasav F-6-P  GAP + DHAP aldoláz

  12. 5; Izomerázok Különböző típusú izomerizációkat (cisz-transz, aldóz-ketóz, stb.) katalizálnak. G-6-P  F-6-P 6; Ligázok (szintetázok) Energiaigényes szintéziseket katalizálnak (pl. DNS-ligáz)

  13. Az enzimreakciók kinetikája • Már a múlt században kimutatták, hogy az enzimreakciók nem egyszerű másodrendű reakciók. A századfordulón több megfigyelésből azt a következtetést vonták le, hogy az enzim komplexet kell képezzen a szubsztrátjával, mielőtt átalakítja (BROWN, valamint HENRI, 1902). A legegyszerűbb, két egymást követő lépésből álló enzimes folyamat feltételezett mechanizmusát és kinetikáját MICHAELIS és MENTEN írták le 1913-ban.

  14. A általuk analizált legegyszerűbb enzimreakció a következő egyenlettel írható le: Ahol E enzimet, S a szubsztrátot, P pedig az enzimreakció termékét jelenti. A nyilakhoz írt sebességi állandók indexébe írt szám a reakciólépés számát, előjele a reakció irányát jelöli.

  15. A kétlépéses mechanizmus egyenes következménye, hogy a teljes folyamat, azaz a termék képződésének a sebessége nem lineáris függvénye az [S] szubsztrátkoncentrációnak, hanem hiperbola szerint alakul A kezdeti sebesség hiperbolája végtelen nagy szubsztrát-koncentrációnál egy maximális értékhez a Vmax úgynevezett maximális sebességhez konver-gál. A maximális sebesség feléhez tartozó szubsztrát-koncentráció az abszcissza-tengelyen megadja a Michaelis féle állandó (KM) számértékét. • Az enzimreakciók kezdeti sebességének a szubsztrátkoncentrációtól való függése.

  16. MICHAELIS és MENTEN elméletüket olyan enzimreakcióra írták le, amelyekben az ES komplex képződésének és visszafelé menő disszociációjának sebessége egyaránt nagyon nagy, sokkal nagyobb, mint a termék képződésééaz ES komplexből, azaz amelyekre nézve K-1 >> k2

  17. Minthogy k1 értéke általában mindig jóval nagyobb k-1-nél, a fenti egyenlőtlenség fennállása olyan enzimreakciókra vonatkozik, amelyeknél az enzim-szubsztrát komplex képződésének és elbomlásának gyorsasága miatt a reakció minden pillanatában az [E], [S], valamint az [ES] koncentrációk megfelelnek az enzim-szubsztrát komplex Ks disszociációs állandója által meghatározottaknak, vagyis fennáll a egyenlőség. Az ilyen eseteket „rapid ekvilibrium" mechanizmust követő enzimreakciónak nevezzük.

  18. A Michaelis-Menten-féle reakciósémában nem szerepel a második lépés visszafelé játszódása. Elvileg minden kémiai reakció megfordítható, azonban a visszafelé haladó reakció aktiválási energiája olyan magas lehet, hogy gyakorlati szempontból a reakció lejátszódása elhanyagolható (végtelenül lassan játszódik le). Ettől eltekintve is elhanyagolhatjuk a második reakció visszafelé lejátszódását, ha az enzimreakciót a kezdetekor vizsgáljuk, az enzim és a szubsztrát összehozásakor, amikor még nincs jelen termék. A „kezdeti reakciósebesség”, (V0), a P termék koncentrációjának időbeni változására a következő kifejezéssel írható le:

  19. Az enzimreakciók túlnyomó többségére nézve a v0 sebessége a következő egyenlettel írható le: ahol Vmax és KM állandó. Az összefüggés könnyen levezethető a következő gondolatmenet alapján. Az enzim összes koncentrációja, [E]össz minden esetben két tagból áll, a szabad enzim [E], valamint a komplexben lévő enzim [ES] koncentrációból: [ES]össz=[E]+[S] A rapid ekvilibrium feltétel alapján nagyon jó közelítéssel igaz, hogy bármely időpontban az [E] értéke

  20. Tegyük fel a kérdést: hogyan aránylik egy adott [S] koncentrációnál a v0 értéke a végtelen nagy szubsztrátkoncentrációnál elérhető maximális reakciósebesség, Vmax értékéhez? Az utóbbi esetben az ES komplex képződés egyensúlya teljesen eltolódott a komplex képződésének irányába, azaz nagyon jó megközelítéssel igaz hogy

  21. Ez egy speciális eset, amikor a KM Michaelis-féle állandó számértékileg megegyezik az ES komplex disszociációs állandójával. Ez csak a rapid ekvilibrium mechanizmust követő enzimreakciókra érvényes. Kissé általánosabb eset, amikor a k-1 és a k2 sebességi állandók számértéke nem különbözik nagyságrendileg, de az enzimreakció az eredeti sémát követi. BRIGGS és HALDANE (1925) szerint ilyenkor is érvényes a reakció sebességének a leírása a egyenlet.

  22. A termék koncentrációja az enzimreakció során időben az ábrán látható módon változik, s egy hosszabb időtartamban az idővel lineárisan növekszik. Ez az úgynevezett steady-state állapot. A szaggatott vonallal kijelölt időtartományban a termék koncentrációja egyenletesen, az idővel arányosan növekszik. Ezt nevezzük steady state állapotnak. Ilyenkor az ES-komplex képződése, valamint kétféle irányú elbomlása azonos sebességgel folyik, azaz az ES koncentrációja ebben az időtartományban gyakorlatilag állandó.

  23. Az ES komplex koncentrációja három reakció sebességétől függ, azaz A steady-state állapotban az ES komplex képződésének a sebessége megegyezik a disszociációjának + a termék kialakulásának a sebességével, vagyis az ES koncentrációja hosszabb időtartamban nem változik:

  24. Arapid ekvilibrum esetére végzett levezetés gondolatmenetét követve kapjuk, hogy A nevezőben lévő, sebességi állandókból álló törtet, mint állandót KM-mel jelölve Olyan esetben, amikor az enzimreakció sémája E = S ↔ ES ↔ EP ↔ E+P Akkor a Michaelis-állandó értéke:

  25. Az enzimreakciók túlnyomó többségére jól alkalmazható két állandó számérték a későbbiekben szereplő hiperbola lefutása egyértelműen meghatározza. A Vmax a hiperbola vízszintes aszimptotájának magasságát jelöli, a KM pedig számértékileg megegyezik a Vmax/2 („fél-maximális”) sebességértékhez tartozó abszcisszaértékkel. A Vmax csak egy adott enzimkoncentrációjú rendszerben állandó, máskülönben a Vmax = k2[E]össz egyenlet értelmében a k2 sebességi állandó a valódi állandó az enzimkinetikát leíró hiperbola egyenletében.

  26. A KM és a Vmax meghatározása alapvető feladat egy adott enzim kinetikájának jellemzéséhez. Az alapegyenlet formai átalakításával több olyan egyenletet dolgoztak ki, amelyek segítségével egyszerű grafikus úton meghatározható az állandók értéke. Pl. a egyenlet reciprokát véve az egyenlethez jutunk, s ha a Lineweaver-Burk szerinti kettős reciprok ábrázolását alkalmazzuk, azaz az 1/v0 értéket ábrázoljuk a szubsztrátkoncentráció reciprokának függvényeként, egyenest kapunk.

  27. Az így kapott egyenes ordinátametszete 1/Vmax értékét adja, az abszcissza metszete pedig a -1/KM értéket. Az egyenes meredeksége KM/Vmax értékével egyenlő. A reakciósebességi mérésekből számított reciprok értékek az adott szubsztrátkoncentráció reciprokának függvényében ábrázolva egy egyenesre esnek. Az egyenes extrapolálása bejelöli az ordinátán a maximális sebesség reciprokának értékét, az abszcissza tengelyen pedig a Michaelis-féle állandó értékének negatív reciprokát.

  28. A KM és a Vmax értéke grafikusan könnyen meghatározható az Eisenthal-Cornish-Bowden féle ábrázolás segítségével is. Az abszcisszán a szubsztrátkoncentráció negatív értékeit kijelölve, az ordinátatengelyen pedig az ezekhez tartozó v0 értékeket, az ezeket a pontokat összekötő egyenesek metszéspontjának koordinátái megadják a KM illetve a Vmax értékét.

  29. Az enzimműködést befolyásoló tényezők • A pH hatása az enzimekre - befolyásolhatja a molekulák konformációját és a konformáció stabilitását, - hatással lehet a szubsztrát kötődésére, - befolyásolhatja a katalitikus csoportok működését • A hőmérséklet hatása az enzimek aktivitására - az enzim denaturálódik

  30. Nem kovalensen kötődő aktivátorok és inhibitorok hatása Ki = inhibitor állandó Ka = aktivátor állandó Aktivátorok és inhibitorok: az aktív centrumon reverzibilisen kötődnek → térszerkezetet változtatja

  31. Az aktív centrumra kötődő inhibitorok a; Kompetitív inhibitorok Az enzim szubsztrátkötő helyéhez kötődnek → meggátolják a szubsztrát kötődést KM nő, Vmax ugyanannyi

  32. b; Nemkompetitív inhibitorok A szubsztrát kötődést nem befolyásolják, de megakadályozzák a kötött szubsztrát átalakulását KM változatlan, Vmax csökken

  33. c; Vegyes típusú inhibitorok Az ES komplexen is képesek kötődni, de kisebb affinitással, mint a szabad enzimen. KM nő, Vmax csökken

  34. d; Unkompetitív inhibitorok A szabad enzimre nem képesek kötődni, csak az ES komplexre; kötődésük után az enzim nem tudja a szubsztrátot átalakítani Párhuzamos egyeneseket kapunk A reverzibilisen kötődő aktivátorok, vagy az enzim-szubsztrát kialakulására, vagy a kötött szubsztrát átalakítására hatnak → azaz vagy csökkentik a KM értéket, vagy növelik a Vmax-ot.

  35. Az enzimek allosztérikus szabályozása Allosztérikus szabályozás: A szabályozóanyag nem az aktív, hanem a reguláló centrumon kötődik Ezek az enzimek is több alegységből állnak, a szubsztrátok is szabályozók. Homotrop kölcsönhatás Pozitív és negatív kooperativitás Heterotrop kölcsönhatás Effektorokkal (aktivátorral és inhibitorral)

  36. Magyarázat: a szubsztrát vagy effektor hatására bekövetkező konformációváltozás következménye a hatás • Szekvenciális mechanizmus a megkötődő szubsztrát megváltoztatja annak az alegységnek a konformációját, amelyhez kötődött (induced fit) • Összehangolt mechanizmus (concerted model) minden alegység csak azonos konformációban lehet, vagy aktív (relaxed, R) ←aktivátor kötő vagy inaktív (feszített, tensed, T) ←inhibitor ide kötődik Animáció

More Related