- Stahuj zápisky z přednášek a ostatní studijní materiály
- Zapisuj si jen kvalitní vyučující (obsáhlá databáze referencí)
- Nastav si své předměty a buď stále v obraze
- Zapoj se svojí aktivitou do soutěže o ceny
- Založ si svůj profil, aby tě tví spolužáci mohli najít
- Najdi své přátele podle místa kde bydlíš nebo školy kterou studuješ
- Diskutuj ve skupinách o tématech, které tě zajímají
Studijní materiály
Zjednodušená ukázka:
Stáhnout celý tento materiálrátu, druhé slouží k vazbě kofaktoru. Zmíněná aktivní centra mají přímý vliv na enzymovou aktivitu, ale i ostatní „neaktivní“ části apoenzymu se mohou výrazně podílet na její regulaci .
Aktivní centrum pro vazbu substrátu je často tvořeno dvěma či třemi aminokyselinami s polárnímy funkčními skupinami (např. serin nebo cystein), které zprostředkovávají interakci enzymu se substrátem. Podle typu těchto skupin a jejich lokalizace v aktivním centru je lze rozdělit na vazebné a katalytické. Aktivní centrum pro vazbu substrátu je zodpovědné především za tzv. substrátovou specifitu. Jeho stavba rozhoduje o tom, jaký substrát bude enzymem akceptován a měněn v reakční produkt. Aktivní centrum pro substrát má rozhodující vliv i na to, jakým směrem se bude ubírat vlastní přeměna substrátu, jakým způsobem bude substrát modifikován. V určitém přiblížení lze říci, že vazba substrátu s aktivním centrem apoenzymu vytváří jakýsi „polotovar“, jehož konečnou přeměnu v reakční produkt dokončí kofaktor. Apoenzym je tedy spolu s kofaktorem zodpovědný i za specifitu účinu.
6.6. Mechanismus enzymové katalysy
Z dosavadních znalostí o reakční kinetice víme, že mají-li spolu reagovat dvě látky A a B, je nejprve třeba, aby se setkaly a dále to, aby měly dostatečnou energii k zahájení reakce. Četnost setkání a velikost této energie závisí na tlaku, koncentraci reakčních partnerů a teplotě reakčního prostředí, neboť všechny tyto veličiny ovlivňují kinetickou energii molekul. Energii, kterou je třeba dodat, aby látky A a B spontánně zreagovaly, nazýváme energií aktivační.
Je pochopitelné, že dodání energie výše uvedenými způsoby nelze u biochemických reakcí uvažovat, neboť v nativní buňce probíhají reakce za nízké a konstantní teploty, za nízkých a konstantních koncentrací reagujících látek a za normálního tlaku. Příslušná energetická bariéra musí být proto zdolána jiným efektivním způsobem. Jak již bylo řečeno, snížení energetické bariéry reagujících molekul umožňují v organismech enzymy.
Enzymy, jakožto katalysátory, vedou reakci jiným mechanismem s nižší aktivační energií a tím uvádějí molekuly do stavu reakční pohotovosti, potřebné k zahájení reakce. Významnou roli má v tomto směru aktivní centrum, situované na bílkovinné části enzymu.
Tím, že substrát ztrácí v aktivním centru hydratační obal vzrůstá jeho reaktivita a současně dochází k výraznému zvýšení jeho koncentrace v úzce ohraničeném prostoru (zhruba o pět řádů vůči okolnímu prostředí). Zmíněný koncentrační efekt má za následek zvýšení rychlosti enzymové reakce. Vazbou v aktivním centru dochází též k vhodnému nasměrování reaktivních oblastí substrátu i katalytických skupin enzymu, takže se vazebné orbitaly obou partnerů dostávají do optimální interakce, umožňující výrazné usnadnění a zrychlení reakce.
Protože katalytický proces probíhá na specializovaném místě enzymu, kterým je reagující látka (substrát) pevně vázána, nelze snížení aktivační energie přičíst zvýšení kinetické energie reaktantu. Zdrojem potřebné energie je v tomto případě sama molekula enzymu. Energie vazeb v celé molekule enzymu je vektorována do katalytických skupin vazebného místa a do substrátu, který se spojením s aktivní centrem stal vlastně součástí enzymu. Zdrojem energie pro umožnění průběhu reakce je tedy energie vazeb mezi oběma reakčními partnery - substrátem a enzymem.
Zmíněné skutečnosti dovolují vysvětlit obrovskou katalytickou účinnost enzymů, umožňující urychlení průběhu biochemických reakcí až o 12 řádů s pozoruhodnou specifitou jak k substrátu, tak i vzhledem k jednoznačnému průběhu reakce bez vzniku vedlejších produktů.
Průběh katalysované a nekatalysované reakce z hlediska různých hodnot aktivační energie ukazuje následující obrázek.
I. Reakce nekatalysovaná AE1 - aktivační energie nekatalysované reakce
II. Reakce katalysovaná AE2 - aktivační energie katalysované reakce
-ΔG - změna volné energie reakce
Z uvedeného obrázku vyplývá, že katalysátor (enzym) nemá vliv na změnu volné energie. To ve svém důsledku znamená, že enzym neovlivňuje ani rovnovážnou konstantu reakce ani složení reakční směsi v rovnovážném stavu. Nižší hodnota aktivační energie pouze urychlí ustavení rovnováhy, které by nekatalysovaná reakce dosáhla v čase nesrovnatelně delším.
K pochopení funkce enzymů jako biokatalysátorů je třeba si připomenout obecné vlastnosti katalysátorů, respektive katalysovaných reakcí. Urychlení chemických reakcí, pozorované v přítomnosti některých látek v reakčním prostředí, bylo zprvu přičítáno ryze fyzikálním vlivům těchto látek, jako například jejich velkému povrchu, na kterém reagují. K takovým závěrům sváděla skutečnost, že látka (nazývaná katalysátor) se během reakce neměnila a její množství zůstávalo v reakční směsi konstantní. Teprve později bylo podrobným studiem urychlování průběhu reakcí za přítomnosti katalysátoru zjištěno, že tato látka interaguje s reakčním partnerem za tvorby nestabilního komplexu, ze kterého se uvolňuje reakční produkt za opětné regenerace katalysátoru v původní nezměněné formě.
K podobným úvahám o katalyse biochemických reakcí v mikrobiální, rostlinné či živočišné buňce došli na počátku minulého století Wieland a Michaelis s Mentenovou při studiu vlastností enzymů a kinetiky enzymových reakcí. Podle jejich předpokladu reaguje enzym se substrátem (pozměňovaná látka, reaktant) za tvorby komplexu enzym-substrát, který přechází v komplex enzym-produkt, ze kterého resultuje produkt a enzym se regeneruje v původní podobě. Průběh reakce lze vyjádřit schematem:
E + S ( E - S ( E - P ( E + P ,
Tvorba komplexu E - S má pak za následek rozvolnění některých vazeb v substrátu tak, že se substrát stane snadno přístupným vlastní chemické přeměně, realizované ve většině případů (u dvousložkových enzymů) příslušným kofaktorem.
Podle dosavadních znalostí má každý enzym (apoenzym) aktivní centrum pro vazbu substrátu, jehož součástí jsou aminokyseliny schopné vytvářet vazby s molekulou substrátu. Takovými aminokyselinami bývají často serin a cystein a aminokyseliny s kyselými či basickými skupinami, jako například kyselina asparagová a glutamová, lysin, arginin nebo histidin.
Intimní spojení aktivního centra se substrátem, v jehož důsledku se rozvolní některé vazby v molekule reaktantu, usnadní vlastní chemickou přeměnu. Substrát se stane jakýmsi „polotovarem“, jehož konečnou „úpravu“ dokončí kofaktor. Předpokladem katalytické funkce enzymu je tedy tvorba komplexu enzym-substrát.
Vznik komplexu enzymu se substrátem vysvětlovala starší teorie (Fischerova) analogií zámku a klíče. Podle těchto představ je aktivní centrum enzymu přesnou kopií tvaru substrátu, do které substrát zapadá jako klíč do odpovídajícího zámku.
Teorie zámku a klíče
Na základě kinetických studií vzájemné interakce enzymu se substrátem a studií enzymových struktur však bylo zjištěno, že takovéto zjednodušení neodpovídá skutečnosti. Novější představa o vzniku komplexu enzym-substrát předpokládá, že aktivní centrum není rigidní a neodpovídá zcela tvaru substrátu. Toto aktivní centrum je plastické a dokáže se svým prostorovým uspořádáním příslušnému substrátu přizpůsobit (Koshlandova teorie indukovaného přizpůsobení). Podle zmíněné teorie se začne dosednutím substrátu k ústí aktivního centra měnit tvar tohoto centra tak, že se přizpůsobí substrátu. Zároveň se dostanou do vhodné polohy i funkční skupiny zodpovědné za vazbu aktivní centrum - substrát. Pro lepší představu lze říci, že aktivní centrum se tvarem přizpůsobí substrátu podobně jako se změní tvar rukavice po vsunutí ruky. Tato dynamická představa lépe vystihuje povahu aktivního centra nespecifických enzymů a lépe vyhovuje i při vysvětlení účinku inhibitorů a allosterických efektorů.
Teorie indukovaného přizpůsobení
Jak již bylo řečeno, podílí se na katalytickém působení mnoha enzymů vedle bílkovinné části i kofaktor. Ten obvykle přejímá od substrátu, modifikovaného vazbou na aktivní centrum, některé atomy nebo skupiny atomů, aby je předal na jiný substrát nebo kofaktor jiného enzymu.
Mnohé enzymy, které po sobě následují v řetězcích biochemických reakcí, vytvářejí nekovalentně spojené, avšak relativně pevné komplexy. Tyto tzv. multienzymové komplexy jsou uspořádány tak, že si jednotlivé enzymy „podávají“ substrát, či přenášené atomy nebo jejich skupiny, jako štafetový kolík v zájmu co nejrychlejšího průběhu celého sledu reakcí. Enzymy takovýchto komplexů se obvykle nedají vzájemně oddělit bez ztráty aktivity. Jsou často vázány na membrány některých subcelulárních částic, jako například enzymy respiračních řetězců na vnitřní membránu mitochondrií.
U různých organismů může být táž reakce katalysována analogickými enzymy stejného fylogenetického původu či enzymy geneticky nezávislými a tudíž i chemicky odlišnými. Taková situace může nastat i u jednoho a téhož organismu. Pokud je rozličnost enzymů (resp. enzymových bílkovin) katalysujících tutéž reakci geneticky podmíněna, hovoříme o isoenzymech (str. 174).
6.6.1. Specifita enzymových reakcí
Srovnáme-li biokatalytickou funkci enzymů s katalysátory známými z obecné chemie, vidíme mezi nimi výrazné odlišnosti.
Prvním kriteriem pro jejich vzájemné porovnání je katalytická účinnost při normálním tlaku a fysiologických teplotách. Za těchto podmínek je výhoda zřetelně na straně enzymů, neboť tyto biokatalysátory mohou urychlit průběh reakcí až o 12 řádů. Výhodou enzymů je i možnost jejich prostorového uspořádání tak, aby na sebe navazující reakce měly plynulý a efektivní průběh v zájmu optimálního plnění životních požadavků organismu.
Druhým kriteriem, mluvícím ve prospěch enzymů, je možnost citlivé regulace aktivity podle okamžitých potřeb organismu vlivem často velmi specifických modifikátorů (str. 42).
Třetím kriteriem je specifita účinu. Enzymy, na rozdíl od ostatních katalysátorů, vedou reakci pouze k jedinému, často přísně stereospecifickému produktu. Této skutečnosti lze cíleně využít například v preparativní organické chemii k synthese reakčního produktu bez vzniku obtížně odstranitelných vedlejších produktů. Kromě toho může být urychlována pouze jedna z více možných chemických přeměn, přičemž každá z těchto přeměn může být nezávislá na ostatních za katalysy jiných specifických enzymů.
Posledním kriteriem, hovořícím zcela jednoznačně ve prospěch enzymů, je specifita substrátová. Jak již bylo řečeno, za specifitu enzymové katalysy obecně je zodpovědná bílkovinná část molekuly enzymu. Některé enzymy jsou téměř absolutně specifické při výběru reakčního partnera a nemohou akceptovat žádnou z molekul, byť by byla sebevíce svojí strukturou substrátu podobná. Příkladem takového enzymu s absolutní specifitou je aspartasa, nalezená v mnoha rostlinách a bakteriích, adující amoniak na dvojnou vazbu fumarové kyseliny za tvorby L-aspartátu. Aspartasa má přísnou optickou i geometrickou specifitu - neposkytuje D-aspartát, ani nemůže katalysovat adici amoniaku na cis-isomer butendiové kyseliny (kys. maleinovou). Absolutní specifitu má i ureasa, přítomná v semenech některých rostlin a v mikroorganismech, štěpící močovinu (diamid kys. uhličité) na oxid uhličitý a amoniak.
Vedle vysoce specifických enzymů jsou v organismech i enzymy se specifitou relativně širokou. Tyto enzymy působí na více sloučenin (substrátů) majících určité společné strukturální rysy. Takovým příkladem může být chymotrypsin, který katalysuje hydrolysu aminů a esterů, především však hydrolysu řady rozdílných peptidů nebo bílkovin. Při hydrolysách peptidových vazeb dává tento enzym přednost štěpení těch vazeb, na kterých se svým karboxylem podílejí aromatické aminokyseliny tyrosin, fenylalanin a tryptofan. Příčina této preference tkví ve tvaru aktivního centra s hydrofobním místem, neumožňujícím jiným aminokyselinovým zbytkům dostatečně pevné „zakotvení“ a tím snadné zahájení štěpení peptidové vazby.
Poněkud odlišným případem je intestinální fosfatasa, katalysující značně rozdílnými rychlostmi hydrolysu různých fosforečných esterů lišících se typem alkoholové složky.
Badatelé, zabývající se problémy enzymové specifity, předpokládají dva odlišné strukturní rysy na substrátu:
substrát obsahuje specifickou chemickou vazbu, která může být atakována enzymem
substrát obsahuje některou jinou funkční skupinu či část molekuly, která zajistí přesné nasednutí substrátu a jeho relativně pevné spojení s enzymem (resp. apoenzymem) a tím i usnadnění interakce štěpené vazby substrátu se specifickými oblastmi (katalytickými skupinami) aktivního centra.
Tento druhý fenomen vysvětluje například relativní specifitu výše uvedeného chymotrypsinu při hydrolytickém štěpení jak peptidů v místě obsahujícím aromatickou aminokyselinu, tak i amidů či esterů s aromatickým jádrem v sousedství štěpené amidové či esterové vazby.
Z uvedeného je zřejmé, že enzymy jsou mnohem efektivnějšími katalysátory chemických reakcí než ty, se kterými jsme se dosud v chemii setkali. Za všechny svoje nesporné přednosti však enzymy platí větší labilitou vůči změnám prostředí, především vůči teplotě, pH a ionisujícímu záření. V průběhu plnění svých katalytických funkcí se enzymy také poměrně rychle opotřebovávají a musí být proto neustále nově synthetisovány.
6.6.2. Faktory ovlivňující aktivitu enzymů
Na reakční rychlost, respektive aktivitu enzymu, má vliv celá řada faktorů. Jsou to mimo jiné především teplota, pH, koncentrace substrátu, enzymu a reakčního produktu, dále přítomnost modifikátorů (aktivátorů nebo inhibitorů). Všechny tyto vlivy působí v organismu společně, vzájemně se prolínají a vytváří tak (mimo pathologické stavy) přirozené optimální podmínky pro činnost enzymů.
Vliv teploty a pH bude probrán v následujících dvou kapitolách, vliv reagujících látek a reakčního produktu v kapitole Kinetika enzymových reakcí, vliv modifikátorů v kapitole Regulace enzymové aktivity.
6.6.2.1. Vliv teploty na aktivitu enzymů
V určitém teplotním intervalu se enzymové reakce chovají stejně jako běžné chemické reakce. To znamená, že se vzrůstající teplotou roste i rychlost enzymové reakce tak, jak to odpovídá vzrůstající kinetické energii reagujících molekul. O vzrůstu reakční rychlosti svědčí hodnota tzv. teplotního kvocientu, udávajícího kolikrát se zvýší rychlost reakce, stoupne-li teplota o 10°C. Zatímco u obecných chemických reakcí je hodnota tohoto kvocientu 3 až 4 (pokud reaktanty tepelně nedisociují), u enzymových reakcí je hodnota tohoto kvocientu 2.
Vliv teploty je u enzymových reakcí výrazně omezen bílkovinnou podstatou enzymu. Závislost rychlosti enzymové reakce na teplotě znázorňuje následující obrázek.
Z obrázku vyplývá, že s rostoucí teplotou roste rychlost enzymové reakce zprvu lineárně tak, jak to odpovídá běžným chemickým reakcím. Tento vzrůst reakční rychlosti však postupně ustává, až dosáhne svého maxima. Od tohoto maxima nastává s dalším stoupáním teploty prudký pokles reakční rychlosti. Tento pokles je způsoben tepelnou inaktivací enzymu, jmenovitě jeho bílkovinné části. Při teplotách, odpovídajících zmíněnému poklesu reakční rychlosti, totiž dochází k denaturaci enzymové bílkoviny, provázené mj. rozvolňováním vodíkových můstků, „tavením“ bílkovinných spirál, totálním zhroucením prostorové struktury enzymu, podmiňující katalytickou funkci enzymu. Tato sestupná část křivky představuje ireversibilní proces, neboť ochlazením reakčního prostředí již nelze obnovit původní prostorovou strukturu a tím i enzymovou aktivitu.
Maximum na diskutované křivce odpovídá teplotě, při které je reakční rychlost největší. Této teplotě se říká optimální teplota enzymové reakce nebo také teplotní optimum.
Enzymy pracují in vivo obvykle při teplotách poněkud nižších než odpovídá experimentálně nalezenému optimu. Je to dáno snahou organismu „šetřit“ enzymy a nezatěžovat se pokud možno jejich synthesou de novo, neboť ve zmíněném teplotním optimu je již enzym výrazně denaturován. Naměřené hodnoty teplotních optim však nejsou enzymovými konstantami, neboť se při jejich stanovení uplatňuje celá řada dalších vlivů (přítomnost aktivátorů, inhibitorů, čistota enzymu, doba průběhu reakce aj.). Ze srovnání teplotních optim rostlinných a živočišných enzymů je zřejmá větší labilita enzymů živočišného původu (u rostlin 40 - 45°C, u živočichů 35 - 37°C). Pozoruhodně termostabilní jsou enzymy některých mikroorganismů horkých minerálních pramenů.
Stabilita enzymů vůči teplotě se výrazně mění při jejich isolaci z nativního prostředí, proto je třeba během purifikace enzymů pracovat při nízkých teplotách (nejčastěji 3 - 5°C).
6.6.2.2. Vliv pH na aktivitu enzymů
Aktivita enzymu je silně závislá na koncentraci vodíkových iontů (pH) v reakčním prostředí, jak je znázorněno na následujícím obrázku.
Z uvedeného grafu vidíme, že rychlost enzymové reakce roste se vzrůstající hodnotou pH až do určité hodnoty dané maximem křivky, od kterého reakční rychlost s dále stoupajícím pH výrazně klesá. Hodnota pH, odpovídající nejvyšší reakční rychlosti, se nazývá optimální pH enzymové reakce, nebo také pH optimum.
Příčinou uvedené závislosti je především schopnost resp. možnost disociace některých funkčních skupin aktivního centra enzymu (případně kofaktoru) a funkčních skupin v molekule substrátu, zodpovědných za vzájemnou interakci. Míra disociace (ionisace) těchto skupin závisí přirozeně na hodnotách pH. Kromě toho může pH (zvláště v extrémních hodnotách) negativně ovlivňovat nativní prostorovou strukturu enzymu, podmiňující jeho katalytickou funkci. Graf diskutované závislosti může mít různý tvar podle druhu či původu enzymu. Společným znakem těchto křivek je jejich zvonkovitý charakter, lišící se šířkou maxima a polohou v kyselé, neutrální či zásadité oblasti pH.
Obecně se dá říci, že většina enzymů má pH optimum v intervalu 6,5 až 7,0 pH. Některé enzymy mají zmíněné optimum v kyselé oblasti (pepsin pH 2), některé v oblasti alkalické (trypsin pH 7,5 - 10,0, pankreatická lipasa pH 8,0, alkalifosfatasa pH 10,0).
Podobně jako tomu bylo u tepelného optima, není ani pH optimum enzymovou konstantou. Závisí rovněž na celé řadě dalších faktorů jako je přítomnost různých druhů iontů, iontová síla media, přítomnost modifikátorů aj.
6.7. Kinetika enzymových reakcí
Vzájemným vztahem mezi reakční rychlostí a koncentrací reagujících látek se zabývá reakční kinetika. Stejně tak jako tomu bylo u chemických reakcí, platí zákony reakční kinetiky i pro reakce biochemické. Nicméně díky zvláštnímu charakteru enzymové problematiky, zahrnující mj. vysoce specifické vlastnosti enzymů, díky různorodosti enzymových reakcí a různým typům vazeb jejich aktivních center se substráty, je studium kinetiky enzymově katalysovaných reakcí poněkud složitější a i závěry z tohoto studia vyplývající jsou v některých oblastech rozdílné.
I přes tyto zmíněné skutečnosti platí, že rychlost enzymové reakce závisí na koncentracích reakčních partnerů, tj. na koncentraci substrátu, na koncentraci reakčního produktu i na koncentraci samotného enzymu.
6.7.1. Vliv koncentrace enzymu na rychlost enzymových reakcí
Z obecné chemie víme, že s rostoucí koncentrací reagující látky roste úměrně i reakční rychlost. I pro biochemické reakce katalysované enzymy platí, že při nadbytku substrátu je rychlost reakce přímo úměrná celkové koncentraci enzymu, jako jednoho z reakčních partnerů. Tento vztah se týká jak enzymů purifikovaných, tak i enzymů v hrubých extraktech tkání či tělesných tekutinách. Průběh této závislosti je dán vztahem
v = k . E, kde
v = počáteční rychlost enzymové reakce (vyjádřená množstvím vzniklého reakčního
produktu či úbytkem substrátu za časovou jednotku)
k = rychlostní konstanta
E = koncentrace enzymu
Grafickým znázorněním této závislosti je přímka procházející počátkem, přičemž k je směrnicí této přímky:
6.7.2. Vliv koncentrace substrátu na rychlost enzymových reakcí
(Teorie Michaelise a Mentenové)
Podle obecně přijatých a již disku
Vloženo: 15.08.2009
Velikost: 710,00 kB
Komentáře
Tento materiál neobsahuje žádné komentáře.
Mohlo by tě zajímat:
Reference vyučujících předmětu B3 - Kapitol 5-6Podobné materiály
- B1 - Biochemie - Biochemie
- B2 - Kapitol 1-4 - Biochemie
- B4 - Kapitol 7 - Biochemie
- B5 - Kapitol 8 - Biochemie
- B6 - Kapitol 9 - Biochemie
- B7 - Kapitol 10-12 - Biochemie
- 1 - Test - Test z Biochemie
- 2 - Test - Test z Biochemie
- 3 - test - Test z Biochemie
- 4 - test - Test z Biochemie
- 5 - test - Test z Biochemie
- 6 - test - Test z Biochemie
- 7 - test - Test z Biochemie
- 8 - test - Test z Biochemie
- 9 - test - Test z Biochemie
- 10 - Meterial - Biochemie
- 11 - material - Biochemie
- 12 - material - Biochemie
- 13 - material - Biochemie
- 14 - material - Biochemie
Copyright 2024 unium.cz