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)

Aktivace enzymů

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 chemické energie pokles Gibbsovy energie)

Endergonické reakce (spojeny se vzrůstem Gibbsovy energie)

Enzymy a 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 katalýzyHomogenní (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

CH

NH3+ COO-

CH2

C

CH

CH

NH+

NH

Příklady enzymových reakcí

Serinové proteinasy

• Molekuly trypsinu a chymotrypsinu jsou velmi podobné

• Polypeptidové substráty se 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

Lipasy

Lipasy

Acetylcholinesterasa

Acetylcholinesterasa

Alkoholdehydrogenasa

Alkoholdehydrogenasa

Alkoholdehydrogenasa

Laktátdehydrogenasa

Laktátdehydrogenasa

Lysozym

Lysozym

Lysozym

Lysozym

Lysozym

Aspartátové (kyselé) proteasey

Karboxypeptidasa A