ENZIMI za organsku hemiju i...Neki enzim katalizira samo jednu određenu hemijsku reakciju ili grupu sličnih reakcija, a specifičnost prema supstratu je uglavnom potpuna, tolika

ENZIMI

DEFINICIJA I ZNAČAJ ENZIMA

• Biohemijske reakcije su reakcije koje se odvijaju u živim organizmima.

• Poznavanje ovih pojava preduslov su za razumjevanje

procesa koji se odvijaju in vivo.

• Kinetika kojom opisujemo procese u živom organizmu nešto je

jednostavnija od one in vitro, jer na nju ne utiče promjena

temperature, pritiska i volumena.

• U životinjskim organizmima toplokrvnih vrsta, nema promjene tjelesne temperature, jer ti organizmi imaju vlastitu

termoregulaciju pa im je tako i tjelesna temperatura stalna.

2


• Hemijske reakcije u biološkim sistemima se odvijaju uz učešće enzima kao katalizatora.

• Bez enzimske katalize većina biohemijskih reakcija bila bi tako spora da se reakcije ne bi mogle odvijati u blagim uslovima temperature i pritiska u kojima se odvija život.

• Katalizatori žive ćelije

• Dva su osnovna preduslova za život:

• Organizam se mora sam replicirati;

• Organizam mora katalizirati hemijske reakcije efikasno i selektivno

• Sve hemijske pretvorbe u organizmu – metabolizam- moguće su zbog prisustva i djelovanja enzima. 3


• Proteini; polarni R ostaci AK su orijentisani prema vanjskoj

strani, dok su nepolarni okrenuti prema unutrašnjosti

• Velika katalitička moć i specifičnost za hemijske reakcije i

substrate

• Reakcije se ubrzavaju i preko 1000000 puta

• Snižavaju energiju aktivacije

• Reverzibilno vežu supstrat

• Ne mijenjaju smjer hemijske reakcije

• Enzimska kataliza se može regulirati

4


7.7x106 1x106 1.3x10-1 5 sekundi Karboanhidraza

1x109 4,300 4.3x10-6 1.9 dana Trioza fosfat

izomeraza

1.9x1011 578 3.0x10-9 7.3 godina Karboksipeptidaza A

6.0x1012 60 1.0x10-11 69.000 godina Adenozin monofosfat

nukleozidaza

1.4x1017 39 2.8x10-16 78.000.000 godina Orotidin monofosfat

dekarboksilaza

Povećanje brzine kkat/knk

Brzina katalizovane

reakcije kkat/s

Brzina nekatalizovane

reakcije knk/s Poluživot reakcije bez

enzima Enzimi

Povećanje brzine enzimskih kataliziranih reakcija


• Holoenzim = kofaktor + apoenzim

• Proteinski dio enzimske molekule (apoenzim) treba se povezati

s nekom neproteinskom molekulom (kofaktorom) da bi se

dostigla katalitička moć.

• Aktivni oblik enzima naziva se holoenzim

• Kvarterne strukture

• Homopolimerni

• Heteropolimerni

• izoenzimi i polienzimi

6


• Kataliziraju hemijske procese u organizmu

• Spojevi koji se hemijski mjenjaju djelovanjem enzima nazivaju

se supstrati

• Enzimi su uglavnom globularni proteini mada neke molekule

RNA isto imaju kataliticko djelovanje

• Svaka enzimska reakcija počinje reverzibilnim vezivanjem

substrata i enzima

• Enzimi izlaze nepromjenjeni iz reakcije

• Primarna, sekundarna, tercijarna i kvaterna struktura enzima su

esencijalne za njihovu kataliticku aktivnost

7

Hemija Enzimologija

Reaktant Supstrat

Katalizator Enzim

Proizvod Proizvod

KLASIFIKACIJA I NOMENKLATURA

• Trivijalni naziv

• ALKOHOL DEHIDROGENAZA

• počinje sa imenom substrata

• slijedi tip reakcije

• na kraju je sufiks “aza”

8


• sistem numeričkog obilježavanja enzima sa 4 broja

TRIPEPTID AMINOPEPTIDAZA

EC 3.4.11.4

• 3 – grupa hidrolaza (grupa koja koristi vodu da prekine neku drugu molekulu)

• 3.4. – hidrolaza koja djeluje na peptidnu vezu

• 3.4.11. - hidrolaze koje odvajaju amino-terminalnu aminokiselinu iz polipeptida

• 3.4.11.4 – hidrolaze koje odvajaju amino-terminalni kraj od tripeptida

9


• 6 grupa enzima

• 7. grupa - TRANSLOKAZE (2018. g) - kataliziraju kretanje iona ili

molekula preko membrana ili njihovo odvajanje unutar membrana

10

# Enzim Tip reakcije

1 Oksidoredukaze oksido-redukcije

2 Transferaze prenos grupa

3 Hidrolaze hidroliza (raskidanje veza uz adiciju vode)

4 Liaze uklanjanje ili dodavanje grupa pri čemu se

uklanjanju ili nastaju dvostuke veze

5 Izomeraze intramolekularna preuređivanja

6 Ligaze formiranje veze između dvije molekula

supstrata

OKSIDOREDUKTAZE (E.C.1)

• Grupa enzima koji kataliziraju reakcije oksido-redukcije

11

Klasa Funkcija

Dehidrogenaze uklanjanje 2H iz supstrata i formiranje dvostruke

veze. H se prenosi na koenzim koji postaje redukovan

Oksidaze oksidacija pri kojoj se 2 e- sa donora prenose na kisik,

pri čemu obično nastaje vodik peroksid

Reduktaze redukcija

Peroksidaze oksidacija uz korišćenje vodik peroksida

Katalaza oksidacija i redukcija pri čemu se sam vodik peroksid

koristi i kao donor i kao akceptor

Oksigenaze ugradnja kisika u supstrat

OKSIDOREDUKTAZE (E.C.1)

• Primjer dehidrogenaza

• Koenzimi u reakcijama oksido-redukcije:

oksidovani i redukovani oblici

NAD+ / NADH + H+

NADP+ / NADPH + H+

FAD / FADH2

12

Alkohol-

dehidrogenaza Primjer

TRANSFERAZE (E.C.2)

• Grupa enzima koji kataliziraju transfer funkcionalnih grupa

između akceptora i donora (metil, acil, amino, sulfo...)

• Kinaze su enzimi koji katalizuju transfer forsfatne grupe sa ATP-a

ili drugog nukleozid trifosfata na alkoholnu ili amino grupu.

13

Primjer

L-alanin α-ketoglutarat piruvat L-glutamat

Alanin- aminotransferaza

HIDROLAZE (E.C.3)

• Grupa enzima koji kataliziraju reakcije u kojima je raskidanje

veza praćeno adicijom vode

• Klase: esteraze; glikozidaze; peptidaze; fosfataze; tiolaze;

fosfolipaze; amidaze; deaminaze; ribonukleaze

Primer Peptidaza

C-terminalni kraj polipeptida C-terminalna aminokiselina Ostatak polipeptida

LIAZE (E.C.4)

• Grupa enzima koji kataliziraju uklanjanje ili dodavanje grupa,

kao što su H2O, CO2 ili NH3, pri čemu nastaju ili se uklanjaju

dvostruke veze bez hidrolize ili oksidacije

• Klase: dekarboksilaze; aldolaze; hidrataze; dehidrataze; sintaze

Primjer

Piruvat dekarboksilaza

piruvat acetaldehid

IZOMERAZE (E.C.5)

• Heterogena grupa enzima koji katalizuju nekoliko tipova

intramolekularnih preuređivanja, odnosno izomerizacija

• Klase: racemaze; epimeraze; izomeraze; mutaze

Primjer

Malat Fumarat

Maleat- izomeraza

LIGAZE (E.C.6)

• Grupa enzima koji katalizira formiranje veza između 2 molekula

supstrata, a energija za ove reakcije se dobija hidrolizom ATP-a

• Klase: sintetaze; karboksilaze

Primjer

Piruvat Oksalacetat

Piruvat karboksilaza

AKTIVNO MJESTO ENZIMA

• Aktivno mjesto – mali broj AK u hidrofobnoj unutrašnjosti enzima čije prostorno uređenje odgovara strukturi molekule

substrata

• Indiferentne Konformacijske

• Pomoćne Kontaktne

18


• Vezivanje enzima i substrata silama (vodikove, hidrofobne, Van de Warslove)

• Enzim osigurava kalup koji okuplja reaktante usmjerene na

pravi način da se pospješi stvaranje prijelaznog stanja putem

kojeg će stupiti u međusobnu interakciju.

19


20

• Enzimi ubrzavaju reakcije i time

što mijenjaju konformaciju

odgovarajućih supstrata radi

približavanja konformaciji

prijelaznog stanja.

• Najjednostavniji model interakcije

enzim-supstrat je model »ključ-

brava« u kojem supstrat savršeno

pristaje u aktivno središte

• Model inducirane prilagodbe

pretpostavlja da vezanje

supstrata mijenja konformacije

supstrata i enzima. Ta promjena

približava supstrat konformaciji

prijelaznoga stanja, što ubrzava

reakciju.

ENZIMSKA KINETIKA

• Enzim se reakcijom ne mijenja, pa hemijska ravnoteža ostaje nepromijenjena, jer je određena isključivo termodinamičkim

svojstvima S i P.

21

ENZIMSKA KINETIKA

• Brzina enzimske reakcije zavisi od promjene koncentracije supstrata promjenjenog u produkt u jedinici vremena

• Zavisi od koncentracije enzima, koncentracije substrata i

afiniteta enzima prema substratu

• Brzina reakcije u odnosu na koncentraciju substrata i enzima

• Porast do maksimalne vrijednosti

22

ENZIMSKA KINETIKA

• Model za razrješenje kinetike enzimski kataliziranih hemijskih reakcija

• Enzim se spaja sa supstratom i stvara enzim-supstrat kompleks

• ES kompleks enzim-supstrat

• k1 konstanta brzine stvaranja kompleksa ES

• k2 konstanta brzine reverzibilne reakcije

• k3 konstanta brzine nastanka proizvoda

• U stacionarnom stanju brzina stvaranja enzim-supstrat

kompleksa je jednaka brzini njegovog raspadanja

ENZIMSKA KINETIKA

• Michael-Mentenova jednačina

• Km konstantna

• maksimalna brzina reakcije

• Kada je enzim zasićen supstrator postiže se maksimalna brzina

reakcije

24

ENZIMSKA KINETIKA

• Km - [S] pri kojoj je polovina aktivnog mjesta na enzimu ispunjeno supstratom i enzim postiže polovicu max brzine

• Pomaže da se odredi ispunjenost aktivnog mjesta enzima pri

svakoj koncentraciji substrata

• Značenje Km konstante

• Afinitet enzima prema substratu

• Manja vrijednost Km – veći afinitet

25

ENZIMSKA AKTIVNOST

• Faktori koji utiču na enzimsku aktivnost:

• Enzimska reverzibilnost

• Enzimska specifičnost

• Fizički uslovi sredine i

• Utjecaj hemijskih komponenti

26

ENZIMSKA AKTIVNOST

• Enzimska reverzibilnost

Sve biohemijske reakcije su reverzibilne. Kao svi katalizatori i enzimi kataliziraju reakcije u oba smjera i ubrzavaju uspostavljanje hemijske ravnoteže. Pri tome konstanta hemijske ravnoteže nije promijenjena. Ako ova reverzibilnost nije uvijek uočljiva, razlog je što se produkti reakcije uglavnom koriste dalje kao supstrati za slijedeće reakcije.

• Enzimska specifičnost

Neki enzim katalizira samo jednu određenu hemijsku reakciju ili grupu sličnih reakcija, a specifičnost prema supstratu je uglavnom potpuna, tolika da je potrebno zadovoljiti i stereospecifičnost. Enzim djeluje samo na određeni optički izomer. Npr. ako selektivno djeluje na L-alanin, tada ne djeluje na D-alanin.

27

ENZIMSKA AKTIVNOST

• Fizički uslovi sredine

• Utjecaj temperature: Enzimske reakcije se ubrzavaju s povišenjem

temperature, ali samo do određene vrijednosti, jer na višim

temperaturama počinje denaturacija apoenzima (proteinski dio).

• Za svakih 10°C raste brzina raste 2x

• Utjecaj pH: Ako se odredi brzina enzimske reakcije u ovisnosti o pH

sredine u kojoj se odvija može se primijetiti da aktivnost enzima raste,

prolazi kroz maksimum, a zatim opada. Može se zaključiti da za neku

enzimsku reakciju postoji optimalan pH pri kojem je enzim najaktivniji.

28

ENZIMSKA AKTIVNOST


• Aktivatori enzimske aktivnosti - Aktivatori uglavnom ubrzavaju

enzimske reakcije, a da pri tom ne mijenjaju afinitet enzima za

supstrat (Michaelisova konstanta ostaje nepromijenjena)

• Jedni su pravi aktivatori (npr. metalni ioni), a drugi su u stvari anti

inhibitori (npr. cijanidni ion).

29

ENZIMSKA AKTIVNOST


• Aktivacija metalnim jonima - Mnogi enzimi se aktiviraju metalnim

ionima. Praktično sve kinaze se aktiviraju s Mg2+ ionom koji se veže na

ATP molekulu i pokreće enzimsku reakciju. Alkohol dehidrogenaze se

aktiviraju sa Zn2+, a piruvat dekarboksilaze s Mn2+

• Zimogena aktivacija – postojanje u neaktivnom obliku (zaštita od

autoproteolize)

30

ENZIMSKA AKTIVNOST


• Kovalentna aktivacija - Aktivnost enzima se može regulisati

kovalentnom ugradnjom neke hemijske skupine u neaktivan enzim.

Npr. aktivacija fosforilaze, enzima koji katalizira metabolizam

glikogena.

31

INHIBITORI ENZIMSKE AKTIVNOSTI

• Ireverzibilni inhibitori – prekidaju enzimsku aktivnosti

• Reverzibilni inhibitori – kontrolisana inhibicija

• Kompeticijski i nekompeticijski inhibitori

32


33

S I

I

II

S

Kompetitivni Nekompetitivni

E

Takmiče se za aktivno mjesto

Inhibitor

Supstrat

[I] se vezuje samo za

slobodan [E] i takmiči se

sa [S];inhibicija je

reverzibilna u višku

supstrata

[I] se vezuje za slobodan [E]

ili kompleks [ES]; inhibicija

nije reverzibilna u višku

supstrata

E + S → ES → E + P

+ I

↓

EI

←

↑

E + S → ES → E + P

+ + I I

↓ ↓

EI + S →EIS

←

↑ ↑

E

I

S


• Kompeticijski inhibitori – hemijski spojevi strukturno slični substratu,

pa se može smjestiti na aktivno mjesto

• Kompeticija između supstrata i inhibitora

• Brzina reakcije je ista

• Raste vrijednost Km

34


• Nekompeticijski inhibitori – inhibitor se veze izvan aktivnog mjesta,

pa se afinitet enzima prema supstratu ne mjenja. Može se vezivati za

enzim ili za enzim-supstrat kompleks

• Brzina reakcije se mjenja

• Km vrijednost se ne menja

35


• Inhibitori enzima se često koriste u medicini

• Primjer aspirin, inhibira enzime (ciklooksigenaze) koji proizvode

prostaglandine koji su hormoni što prenose informacije o bolu

mozgu, kao i informacije o upali.

36

KOFAKTORI

• Kofaktori nisu proteini.

• To su termostabilni spojevi za razliku od apoenzimskog

proteinskog dijela koji je termolabilan.

• Kofaktori sudjeluju u enzimskoj reakciji reagirajući sa

supstratom u aktivnom mjestu apoenzima.

• Kofaktori nisu odgovorni za specifičnost enzimske reakcije.

• Kofaktori se potpuno razlikuju od reakcijskog supstrata.

• Većina kofaktora su izgrađeni od cikličkih i heterocikličkih

jezgri. Najčešće, ovi spojevi se ne mogu sintetizirati u ljudskom

organizmu i moraju se unositi s hranom.

• Različiti enzimi koji kataliziraju isti tip hemijskih reakcija, koriste

iste koenzime ili prostetske grupe (primjer oko 700 enzima koristi

NADH kao koenzim)

37

KOFAKTORI

• Kofaktori se djele: • Koenzime

• Metalne jone (Mg2+, Ca2+, Zn2+, Mn2+)

• Koenzimi prema načinu djelovanja se djele: • Prostetičke grupe – kovalentno trajno vezana za apoenzim i ne disocira

(flavin adenin dinukleotid)

• Kosupstrati – slabo vezani i lako disociraju, ne vraćaju se u početno stanje

Protein

Protein

Protein

Metalni jon

Organski molekul KOENZIM

ENZIM

ENZIM +KOFAKTOR

ENZIM +KOFAKTOR

KOFAKTORI

• Kofaktori prenosioci funkcionalnih grupa - uloga mu je da

privremeno prihvati metaboliziranu frakciju nekog supstrata i da je

prenese na drugi supstrat. Većina hidrosolubilnih vitamina (B6, B1,

folna kiselina, B12, biotin, nukleozidi, polinukleotidi..)

• B6 –ima ulogu pri prenosu AK

• B1- prenos aldehidne grupe

• Biotin – prenosi CO2

• Oksidoredukcijski koenzimi – povezani sa procesima oksidacije i

redukcije: nikotinamid adenin dinukleotida (NAD+); flavin adenin

dinukleotida (FAD) – prenos elektrona

• Oksidoredukcijski koenzimi sa hem grupom – porfirinski dio

vezan za enzim –proces disanja, sagrijevanja hranjivih sastojaka,

prenos elektrona, oslobađanje energije

39

KOFAKTORI

• Ostali kofaktori: • vitamin K – koagulacija krvi

• Glutation - otpuštanje elektrona

• vitamin C – različiti procesi oksidacije i redukcije

• Vitamin D – vezan za proces okoštavanja i metabolizmu fosfora i kalcija

• Vitamin A – mehanizmi vezani za vid

•

40

KOFAKTORI

41

Kofaktori Enzimi

Tiamin pirofosfat Flavin adenin nukleotid Nikotinamid adenindinukloetid Piridoksal fosfat Koenzim A Biotin 5`-deoksiadenozil kobalamin Tetrahidrofolat

Piruvat dehidrogenaza Monoamino oksidaza Laktat dehidrogenaza Glikogen fosforilaza Acetil CoA karboksilaza Piruvat karboksilaza Metilmalonil mutaza Timidilat sintetaza

KOENZIMI

Katalaza, peroksidaza Citohrom oksidaza Alkohol dehidrogenaza Heksokinaza Ureaza Superoksid dismutaza Piruvat kinaza Glutation peroksidaza Nitrat reduktaza

Fe2+ ili Fe3+

Cu2+

Zn2+ Mg2+

Ni2+

Mn2+

K+

Se Mo

METALI

UPOTREBA ENZIMA

• Nedostatak samo jednog od ca. 2000 enzima u organizmu

može dovesti do ozbiljnih oboljenja, čak i do smrti

• Primjer fenilalanin hidroksilaza. Nedostatak ovog enzima koji

fenilalanin preobražava u tirosin dovodi do akumulacije

fenilalanina u organizmu što moze dovesti do mentalne

retardacije

• Enzimi iz ćelija kvasca se koriste u proizvodnji piva, vina i

pravljenju peciva (glukoza se prevodi u etanol i ugljendioksid)

• Škrob iz kukuruza, pšeniće i ječma u glukozu

• U sredstvima za čisćenje - da bi se fleke mogle ukloniti lakše i

na nižim temperaturama

Documents

ENZIMI za organsku hemiju i...Neki enzim katalizira samo jednu određenu hemijsku reakciju ili grupu sličnih reakcija, a specifičnost prema supstratu je uglavnom potpuna, tolika