500 likes | 762 Views
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
E N D
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: • Katalyticky aktivní skupiny (katalytické centrum) Skupiny specificky vážící substrát (vazebné centrum) • Skupiny vážící koenzym • NAD+ vazebná doména (všechny pyridinové oxidoreduktasy)
Aktivní centrum Fisherova teorie Koshlandova teorie komplementarity indukovaného přizpůsobení
Základní typy aktivních center u hydrolas • Tvar štěrbiny (pukliny) štěpení jednotlivých biopolymerních řětězců • Tvar mělké povrchové prohlubně štěpení vazeb přímo v nerozbaleném svazku řetězců • Tvar jamky odštěpení koncových struktur (např. dekarboxylace)
Specifita enzymů Substrátová specifita Strukturní specifita (rozpoznání obecných strukturních rysů substrátu) Stereospecifita (dodržení stereospecifického průběhu katalysy)
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 chemickéenergie pokles Gibbsovy energie) • Endergonické reakce (spojeny se vzrůstem Gibbsovy 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 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 (efekt přiblížení) • Vytvoření specifického mikroprostředí (vytěsnění molekul vody z prostředí, zesílení elektrostatických interakcí, lokální pH...) • Ztráta hydratačního obalu substrátu („holé“ skupiny jsou nraktivnější) • Koncentrační efekt (vazbou v aktivním centru se substrát koncentruje) • Efekt orientace substrátu
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
Serinové proteinasy • Molekuly trypsinu achymotrypsinujsou velmi podobné • Polypeptidové substrátyse 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)
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