Cataliza enzimatica Enzime

1. Cataliza enzimaticaEnzime Caracteristici, clasificare si mod de actiune

2. Subiecte ce vor fi tratate • Ce sunt enzimele? • Caracteristici generale ale enzimelor • Clasificarea enzimelor • Structura enzimelor • Specificitatea enzimelor • Mecanismul catalizei enzimatice • Cinetica enzimatica • Cofactori (coenzime, grupari prostetice). • Nomenclatura enzimelor

3. Subiecte ce vor fi tratate • Ce sunt enzimele? • Caracteristici generale ale enzimelor • Clasificarea enzimelor • Structura enzimelor • Specificitatea enzimelor • Mecanismul catalizei enzimatice • Cinetica enzimatica • Cofactori (coenzime, grupari prostetice). • Nomenclatura enzimelor

4. Enzime-definitie • Enzimele sunt catalizatori biologici (fermenti) • Enzimele sunt in general proteine cu rol biocatalitic • >100 aminoacizi, >10kDa • Au structura primara, secundara, tertiara, cuaternara Tehnici: cristalografie cu raze X, spectrometrie de masa, fluorescenta, tehnici imunochimice, etc

5. ARN nuclear cu masa moleculara mica (ARNsn) =rol catalitic • La eucariote, in urma procesului de transcriere, rezulta un ARNm primar care contine exoni (secvente informationale ce se vor exprima in proteine) si introni (nu vor fi tradusi in proteine). Acest ARNm primar sufera un proces de excizare a intronilor si legare a exonilor numit splicing. Acest proces este catalizat de catre complexe formate din proteine si molecule mici de ARN nuclear (ARNsn) (din engl.small nuclear RNAs (snRNAs)) numite spliceosomes sau structuri ribonucleoproteice cu masa moleculara mica, snSNP (din engl. small nuclear ribonucleoprotein particles). Fiecare complex contine ARN nuclear cu masa mica (ARNsn) format din 100 to 200 nucleotide. In nucleii eucarioti exista 5 tipuri de ARNsn notate cu U1, U2, U4, U5, si U6 implicate in reactiile de excizie a intronilor si legare a exonilor. • ARNsn si proteinele din snSNP sunt inalt conservate la eucariote, de la drojdii la oameni.

6. ARNm primar Gruparea 3’OH a guanozinei actioneaza ca o molecula nucleofila atacand fosfatul 5’ la nivelul situsului de excizare ARNm intermediar Gruparea 3’OH a exonului dinspre extremitatea 5’ actioneaza ca o molecula nucleofila finalizand excizia intronului ARNm fara introni Excizarea intronilor si legarea exonilor in ARNm la eucariote • Aceasta masinarie enzimatica recunoaste situsurile de excizie a intronilor. Intronii in general incep cu GU si se termina cu AG. Aceste secvente sunt semnale pentru procesul de splicing.

7. ARNr 23 Ssinteza proteica (procesul de traducere) • Faza de formare a legăturii peptidice are loc cu participarea unei peptidil-transferaze (numită şi peptidil-sintetază sau peptidil-polimerază). ARNr 23 S (din subunitatea mare 50S) = peptidil-transferaza are rolul de a transfera formil-metionina (şi ulterior formil-di-, -tri-, …, formil-(poli)-peptidul) de pe ARNt din locusul peptidil, pe aminoacil-ARNt din locusul aminoacil. Peptidil-transferaza catalizează formarea legăturii peptidice între gruparea carboxil a aminoacidului legat anterior de ARNt din locusul peptidil (P) şi gruparea aminică liberă a aminoacidului legat de ARNt din locusul aminoacil (A). În locusul peptidil a rămas un ARNt descărcat, iar în locusul aminoacil se găseşte acum un formil-dipeptidil-ARNt1 (şi ulterior, în etape mai avansate, un formil-peptidil-ARNt, de fiecare dată mai lung).

8. Subiecte ce vor fi tratate • Ce sunt enzimele? • Caracteristici generale ale enzimelor • Clasificarea enzimelor • Structura enzimelor • Specificitatea enzimelor • Mecanismul catalizei enzimatice • Cinetica enzimatica • Cofactori (coenzime, grupari prostetice). • Nomenclatura enzimelor

9. Caracteristici generale ale enzimelor • Diferente dintre enzime si catalizatori chimici: • Enzimele sunt in general proteine • Enzimele au specificitate pentru un substrat • Specificitatea poate fi “ingusta” pentru un singur fel de substrat (ex. D-Glucoza) sau poate fi “larga” pentru o multitudine de substrate (ex. Hexoze) • Au o ToC si pH optim de functionare • Nu sunt produse sau consumate in timpul unei reactii chimice • Nu declanseaza o reactie chimica ci intensifica viteza reactiei chimice • Enzimele modifica viteza reactiei dar nu constanta de echilibru a reactiei catalizate. Cat timp decurge o reactie catalizata enzimatic?

10. Subiecte ce vor fi tratate • Ce sunt enzimele? • Caracteristici generale ale enzimelor • Clasificarea enzimelor • Structura enzimelor • Specificitatea enzimelor • Mecanismul catalizei enzimatice • Cinetica enzimatica • Cofactori (coenzime, grupari prostetice). • Nomenclatura enzimelor

11. Clasificarea enzimelor • 2 criterii majore: Solubilitate Structura

12. Dupa solubilitatea (localizarea) enzimelor • Enzime hidrosolubile (ex. Enzimele cu localizare citosolica, lumenala sau matriceala) • Enzime partial hidrosolubile sau insolubile in apa(ex. cu localizare membranara, periferica sau transmembranara)

13. Dupa criteriul structural 2 categorii de enzime: • Enzime numai de natura proteica: Ex: ribonucleaze, hidrolaze 2) Enzime alcatuite dintr-o parte proteica si una neproteica

14. Subiecte ce vor fi tratate • Ce sunt enzimele? • Caracteristici generale ale enzimelor • Clasificarea enzimelor • Structura enzimelor • Specificitatea enzimelor • Mecanismul catalizei enzimatice • Cinetica enzimatica • Cofactori (coenzime, grupari prostetice). • Nomenclatura enzimelor

15. Structura unei enzime Parte proteică (apoenzimă, apoferment sau feron) (Holo)enzima (holoferment sau simplex). Parte neproteica- Cofactor (coenzimă, coferment, sau agon)

16. Structura unei enzime • Componenta proteică a enzimei • determină caracterul de izoenzimă, • determină specificitatea de substrat • dirijează specificitatea de acţiune. • Componenta neproteică • micromoleculară şi termostabilă • joacă rolul de coenzimă sau grupare prostetica şi este implicată în mecanismul catalitic.

17. Centrul activ al enzimelor • Centru activ= totalitatea gruparilor chimice din molecula enzimei care recunosc, leaga specific si transforma molecula de substrat • Confera specificitate enzimelor pentru substrat

18. Centrul activ al enzimelor • Confera specificitate enzimelor pentru substrat • Centru activ= totalitatea gruparilor chimice din molecula enzimei care recunosc, leaga specific si transforma molecula de substrat • Are un caracter hidrofob • Cum se poate mentine intacta functia enzimei?

19. Interactiunea centru activ substrat 2 modele: • Mecanismul cheie-broasca- Emil Fischer, 1890 • Mecanismul potrivirii induse- Daniel E. Koshland,Jr., 1958

20. Interactiunea centru activ substrat • Mecanismul cheie-broasca- Emil Fischer, 1890

21. Interactiunea centru activ substrat • Mecanismul potrivirii induse- Daniel E. Koshland,Jr., 1958

22. Subiecte ce vor fi tratate • Ce sunt enzimele? • Caracteristici generale ale enzimelor • Clasificarea enzimelor • Structura enzimelor • Specificitatea enzimelor • Mecanismul catalizei enzimatice • Cinetica enzimatica • Cofactori (coenzime, grupari prostetice). • Nomenclatura enzimelor

23. Arg Lys Specificitatea enzimelor • Specificitate de actiune • Este determinata de partea proteica a enzimei • Piridoxalfosfat-coenzima a transaminazelor, decarboxilazelor, liazelor, sintetazelor • Specificitate de substrat • specificitate de legatura: enzimele recunosc un anumit tip de legatura chimica Ex: Esterazele recunosc legaturile de tip esteric Tripsina recunoaste legatura dintre Arg-Lys Trombina recunoaste legatura dintre Arg-Gly • stereospecificitate Ex: L-aminoacid-oxidazele : numai L-aminoacizi !!!

24. Specificitatea enzimelor • Specificitate absoluta: enzimele recunosc un anumit tip de legatura chimica si un anumit component chimic Exemplu: Ureaza degradeaza numai ureea Exemplu: Hexokinaza metabolizeaza D-glucoza dar nu si 2-18F-dezoxi-D-glucoza –utilizare in tehnici de imagistica

25. Tomografia prin emisie de positroni (din engl Positron emission tomography (PET) ) aplicatii in diagnosticarea si tratamentul cancerului si a bolilor inflamatorii Aorta

26. Izoformele enzimelor • Izoenzime sau izozime • Sunt enzime localizate în aceeaşi celulă sau în celule diferite, care îndeplinesc funcţii catalitice identice, dar diferă prin unele proprietăţi cum ar fi afinitate pentru substrat, termostabilitate, sarcină electrică etc.

27. Rol in diagnosticul medical indicand distrugeri celulare Izoformele lactat dehidrogenazei (LDH) • LDH-1 (4H) - in inima • LDH-2 (3H1M) - in sistemul reticuloendotelial • LDH-3 (2H2M) - in plamani • LDH-4 (1H3M) - in rinichi • LDH-5 (4M) - in ficat si muschiul striat (H este tipul de monomer intalnit in inima, iar M este monomerul caracteristic izoenzimei hepatice si musculare)

28. Enzime cu dubla localizare • În aceeaşi celulă, dar în compartimente diferite, pot exista enzime cu aceeaşi specificitate de substrat, dar cu proprietăţi fizice şi chimice diferite • Enzime biloculare – mitocondriale şi citosolice: • aspartat-aminotransferaza (GOT) • malat-dehidrogenaza, • izocitrat-dehidrogenaza, • -glicerofosfat-dehidrogenaza.

29. Complexe enzimatice • Enzimele pot fi organizate in complexe enzimatice atunci cand produsul unei reactii este rapid preluat si transformat de o alta enzima • Diferite grade de organizare: Exemple: acid-gras sintetaza cu localizare citosolică. Acest sistem enzimatic, descoperit de Lynen în drojdie, apare ca fiind format din 6 enzime diferite, grupate în jurul unei proteine centrale purtătoare de radical acil. Întregul sistem enzimatic are masa moleculară de 2300 kDa Complexe multienzimatice: enzime asociate cu ribozomii, enzimele lantului respirator

30. Catene polipeptidice formate din domenii cu activitati enzimatice diferite • La mamifere, acid gras sintetaza este un dimer cu subunităţile identice. Fiecare subunitate este asamblată din trei domenii, unite între ele prin regiuni flexibile. Domeniul I, reprezentând unitatea de intrare a substratului, conţine: acetil transferaza, malonil transferaza şi β-cetoacil sintetaza (enzima de condensare). Domeniul II reprezentând unitatea de reducere, conţine: ACP, β-cetoacil reductaza, enzima de deshidratare şi enoil reductaza. Domeniul III este unitatea de eliberare a palmitatului şi conţine tioesteraza.

31. Subiecte ce vor fi tratate • Ce sunt enzimele? • Caracteristici generale ale enzimelor • Clasificarea enzimelor • Structura enzimelor • Specificitatea enzimelor • Mecanismul catalizei enzimatice • Cinetica enzimatica • Cofactori (coenzime, grupari prostetice). • Nomenclatura enzimelor

32. Mecanismul catalizei enzimatice Caracteristici generale • Enzimele sunt catalizatori biologici (fermenti) • Nu sunt produse sau consumate in timpul unei reactii chimice • Nu declanseaza o reactie chimica ci intensifica viteza reactiei chimice (Enzimele modifica viteza reactiei dar nu constanta de echilibru a reactiei catalizate)

33. Mecanismul catalizei enzimatice • Energia libera a unei reactii (∆G) • Energia de activare: necesara energizarii unui substrat pentru a atinge o stare de tranzitie in care exista o mare probabilitate ca o legatura chimica sa se formeze sau sa se rupa in substrat • Enzimele reduc energia de activare fara sa afecteze energia libera a reactiei (G) Astfel, enzimele cresc viteza de reactie

34. Energia de activare a reactiei necatalizate Energia de activare a reactiei catalizate G S + E ↔ E-S→ E + P Energie S P Progresul reactiei Enzimele reduc energia de activare fara sa afecteze energia libera a reactiei (G). Astfel, enzimele cresc viteza de reactie.

35. Rolul metalelor in cataliza enzimatica - Sunt componente esentiale ale centrului catalitic (activ); • Intermediaza formarea complexului ES; • Necesar in mentinerea structurii 3D a enzimei; • Participa in reactii de transfer de electroni

36. Mecanismul catalizei enzimatice Metaloenzime: - Fe-enzime: grup prostetic hem (citocromi, catalaze, peroxidaze); - Cu-enzime: citocromoxidaza, superoxid-dismutaza, tiroxin-hidroxilaza; - Mn-enzime: peptidaza, arginaza, izocitrat-dehidrogenaza; - Co-enzime: cobalamin-enzime; - Se-enzime: glutationperoxidaza

37. Mecanismul catalizei enzimatice • Enzimele nu acţionează toate după un singur mecanism de reacţie universal valabil • Dintre numeroasele mecanisme de acţiune propuse, cele mai importante sunt: • cataliza acido-bazică, • cataliza covalentă • cataliza prin distorsiune.

38. Cataliza acido-bazica • Este cel mai frecvent mecanism întâlnit în cataliza enzimatică • Consta in procese de transfer de protoni intre gruparile acido-bazice ale enzimei si cele ale substratului • În calitate de catalizatori acido-bazici generali pot funcţiona grupările carboxilice sau aminice libere ale resturilor aminoacizilor acizi sau bazici; gruparea tiol a cisteinei, gruparea imidazol a histidinei şi gruparea hidroxil a tirozinei.

39. Cataliza covalenta • Formarea complexului enzimă-substrat presupune formarea unei legături puternice, de tip covalent (punere in comun a electronilor), între S şi E

40. Cataliza prin deformare (distorsiune) • Se aplică în special la enzimele hidrolitice • Accelerarea vitezei de reacţie prin acest mecanism s-ar datora inducerii unei tensiuni în molecula substratului, ceea ce ar determina “activarea” sa. • Se presupune astfel că legarea specifică a substratului de molecula enzimei induce apariţia unei tensiuni sau a unei deformări în legătura ce urmează a fi scindată. • Deformarea survenită permite complexului enzimă-substrat să fie mai reactiv decât substratul singur şi să se transforme mai rapid în produşii de reacţie.