Cataliza biochimică

Enzimele - situsuri de legare Substrat

Reactiile enzimatice Intermediari covalenti

cbc.arizona.edu

Formarea unui

intermediar covalent acil

Interacțiunea enzimă-substrat

https://chem.libretexts.org/

Interactiunileenzima-substrat

grupari

bazice

acide

nucleofile

ARNaza pancreatica bovina

Cataliza biochimică

Interacțiunea enzimă-substrat

www.namrata.co

E. Fischer-1894

Specificitatea enzimelor

D. Koshland-1958

Enzimeleproteine specifice

Complementaritate parteneri

Stabilizarea starii de tranzitie??

Enzimelestructuri flexibile

Modificarea conformatiei situs activ

Situs flexibil

Cataliza biochimică

Interacțiunea enzimă-substrat

Modelul de inducere a conformatiei

www.quora.com

Cataliza biochimică

Interacțiunea enzimă-substrat

iws.collin.edu

Modificarea conformatiei situsului activIn prezenta substratului

Distorsionarea legaturilor chimice ale substratului

energie mai mica(clivarea substratului)

Cataliza biochimicăInteracțiunea enzimă-substrat

Matsunaga Y, Fujisaki H, et al. (2012) PLOS Computational Biology 8(6): e1002555

Sol M. Resnick, and Alexander J. B. Zehnder Appl. Environ. Microbiol. 2000;66:2045-2051

Teoria starii de tranzitie

Cataliza biochimică

[X‡] = [X] -G‡

RTexp

concentrația speciei în starea de tranziție

CorelațieStr.-reactivitate

Adaptată din research.cm.utexas.edu

= [X‡] = [X] -G‡

RT

-d[X]dt

kT

hexp

k1 =-G‡

RT

kT

hexp

k1 =S‡

RT

kT

hexp

-H‡

RTexp

Rata de descompunere a speciei X

Constanta vitezei de reacție de ordinul I

-G‡ k1

Starea de tranzitiemaxim energetic

Intermediarii

Energii mai mici

Leg chimice formate

Teoria starii de tranzitie

Cataliza biochimică

Starea de tranzitie a E. coli tARN-Adenozine Deaminazei

http://pubs.acs.org/JACSbeta/

Postulatul lui Hammond

Reactia in etape: A I P

I -intermediar instabil

Structura I ~ Structura T#

Stabilizarea T#

Lizozimul

Carboxanioni intermediari ~ T#

Protein structure and Function, Petsko & Ringe, 2004

http://www.chemguide.co.uk/

Cataliza biochimică

Energia de activare

Enzimele reduc Ea a reactie

http://www.mtchs.org/BIO/

Constanta vitezei (k1) 10X

ΔΔG҂ = 5,71 KJ/Mol

½ ΔG legatura de H

Constanta vitezei (k1) 106x

ΔΔG҂ = 34 KJ/Mol

1/10 ΔG C-C

ΔΔG҂ = Eanecat - Eacat

http://i.stack.imgur.com/KQSgM.jpg

Cataliza biochimică

Cataliza bazicaCataliza acida

Stabilizare

Catena laterala aminoaciziaspartat, glutamat, tirozina histidina si lizina

Stari de tranzitie nefavorabile

Transfer proton(baza)

Transfer proton(acid)

Stabilizarea stării de tranziție

Cataliza biochimică

Carboxipeptidaze

Anhidraza carbonicaStructura situsului activ al

Carboxipeptidazei Ahttp://www.open.edu/openlearn/

Stabilizarea stării de tranziție

Cataliza biochimică

Cataliza electrofilă

Stabilizarea starii de tranzitie

Endonucleaza G

Arg 110 si Mg2+

Wu SL et al.J. Biomed. Sci., 2009

Implicata in procesele de proliferare celulara

(inclusiv apoptoza)

Proteina AIF și endonucleaza G sunt eliberate din mitocondrie si provoaca degradarea ADN-uluihttp://www.protein.bio.msu.ru/

Stabilizarea stării de tranziție

Cataliza biochimică

Cataliza electrofilă

Gruparea –OH a serinei

În enzime- grupări nucleofile (în cataliză):

Serin proteaze

Colinesteraze

www.atsdr.cdc.gov

Stabilizarea stării de tranziție

Cataliza biochimică

Cataliza nucleofila

https://proteopedia.org

Gruparea –OH a serinei

Leucocitesteraza (LE)

http://slideplayer.com/slide/4366028/

existența unei infecții urinarepH, conc. Proteinei, NO2

-

https://drugsdetails.com

Indoxil + Sare diazoniu → azoderivat (violet)

Esterul ac. Indolcarboxylic → Indoxil + AcidLE

Limita de detecție 10-25 Leu/µl

Stabilizarea stării de tranziție

Cataliza biochimică

Cataliza nucleofila

Lipaze (situs activ)www.thermofisher.com

Fosfataza acida (E coli)www.scielo.br

Gruparea –OH a serinei

Stabilizarea stării de tranziție

Cataliza biochimică

Cataliza nucleofila

Thomas, Shafee, (2014). "Evolvability of a viral protease: experimental evolution of catalysis, robustness and specificity". PhD Thesis. University of Cambridge.

Triada catalitică

Stabilizarea stării de tranziție

Cataliza nucleofila

gruparea -OH tirozinica

Topoisomerase IB situs activ (PDB 1A36)

helicase.pbworks.com

Stabilizarea stării de tranziție

Cataliza nucleofila

topoizomeraze

glutamin sintetaza

gruparea -OH tirozinica

Stabilizarea stării de tranziție

Cataliza nucleofila

Spodenkiewicz, M. et al, Biology 2016, 5(4), 40

Homodecamer2 x pentamer

glutamin sintetaza – deficiență

Stabilizarea stării de tranziție

Cataliza nucleofila

Reprezentarea schematică a fiziopatologiei deficientei GS: scăderea detoxifierii NH3și împiedicarea reaprovizionării ciclului Gln-Glu-GABA

Spodenkiewicz, M. et al, Biology 2016, 5(4), 40

Glutamat-cistein ligaza (γ-glutamilcistein sintetaza, EC 6.3.2.2)

William B. Musgrave et al. Biochem. J. 2013;450:63-72

gruparea -OH tirozinica

Stabilizarea stării de tranziție

Cataliza nucleofila

Biosinteza glutationuluiAlmuafri, F., et al.,

Blood Cells, Molecules and Diseases2017;65:73-77

Anemie hemolitică moderată – 3 surori

Gruparea -SH a cisteinei - tiol proteaze papainaficina

Papaina situs activ www.cambridgemedchemconsulting.com

Stabilizarea stării de tranziție

Cataliza nucleofila

Yao, Q. et al., PNAS,2009. 106 (10) 3716-3721

tiol proteaze (bromelaina) gliceraldehid 3-fosfat dehidrogenaza

www.studyblue.com

Influenta bromelainei asupra unor mediatori care intervin in inflamatia acuta

Srivastava, AK et al.,Braz. Arch. Biol. Technol., 59, 2016

Stabilizarea stării de tranziție

Cataliza nucleofila

•imidazolul din histidina cresterea nucleofilicitatii gruparilor -OH si -SH

Stabilizarea stării de tranziție

Cataliza nucleofila

Freeman and co, Biochemistry, 2007

Ash, E. L., et al., H-bond: Proposal for reaction-driven ring flip mechanism in serine

protease catalysis, PNAS, 2000, 97(19)10371-10376

Stabilizarea stării de tranziție

Cataliza nucleofila

• imidazolul din histidina transferul grupei fosfat

Fosfoglicerat mutazaEnzimă glicolitică

2,3-BPG ↑ eritrocite

Controlul afinitățiiHb-O2

gruparea –NH2 (lizinica) - cataliza acetoacetat decarboxilazei

Highbarger, L.A. and Gerlt, J.A,Biochemistry, 35, 41-46, 2016

Gerlt, J.A. Nature Chemical Biology

5, 454 – 455, 2009

Stabilizarea stării de tranziție

Cataliza covalentă

gruparea –NH2 (lizinica) - cataliza acetoacetat decarboxilazei

Stabilizarea stării de tranziție

Cataliza covalentă

Dovedirea intermediarului catalitic

CO

CH3

CH2

- CO2

CO

O

NH2EH+

C

CH3

CH2

CO

O

NH

E C

CH3

CH2

HNE

C

CH3

CH3

NH

EH2O

H+ NH2E+ + C

CH3

CH3

O

CH3COCH2CO2NH2E C

CH3

CH3

NH

EBH4

-

+ CH

CH3

CH3

NH2E

gruparea –NH2 (lizinică) - cataliza transladolazei;

Transaldolaza situs activ www.nature.com chemwiki.ucdavis.edu

Stabilizarea stării de tranziție

Cataliza covalentă

gruparea –NH2 (lizinică) - adolazei;

Stabilizarea stării de tranziție

Cataliza covalentă

C O

CH2

CH2 OH H2N E

H+O P

C

CH2

CH OH

NH

E

O P

H

H+

C

CH2

C

HO

HN E

O P

H

C

OH

R

H+

C

CH2

CHO

NH

E

O P

H

C OHH

R

H2O C

CH2

CHO

O

O P

H

C OHH

R

H2N E+

Stabilizarea stării de tranziție

Cataliza covalentă

Cataliza electrofilă în cazul piridoxal fosfatului

Richard, J.P. et al.,Current Opinion in Chemical Biology,

13(4), 2009, 475-483

Situs catalitic DAA transferazeiBacillus sp. YM-1

https://www.ebi.ac.uk/thornton-srv/m-csa/entry/66/

PLPY31K145

L201E177

• gruparea carboxilica (aspartat) - ATPaze (K+/Na+, Ca2+).

Cataliza nucleofila

www.rpi.edu

Structura Na,K-ATPazei cu ouabainahttps://www.researchgate.net/

Reactia: R1 R2 P

Etape determinanta de viteza

Cinetica starii stationare

Starea stationara Sistemele dinamice

Rata formare = rata distrugere

Populatia tarii

Sisteme biochimice

metabolit

celula

Xformare

Ydegradare

vformare = vdegradare

Stare stationara

Intelegere metabolism

S > E

Stare prestationara

Analiza mecanisme de reactie

Ecuatia Michaelis-Menten

ES - Complex enzima-substrat

Leonor Michaelis (1913)

[E] = constant, rata de reactie creste cu cresterea [S] pana cand viteza maxima, Vmax, este atinsa

v =[E]0[S]kcat

Km + [S]

E + S ES P + EKS kcat

v =[E]0[S]kcat

Km + [S]

[S] < < Km

v =kcat

Km

[E]0[S]

a) Enzima libera + substrat

[S] = Km

v =kcat

2[E]0

b) Enzima saturata 50% cu substratul

[S] >> Km

v =kcat [E]0

c) Enzima saturata cu substratul

KS =[E][S]

[ES]

E + S ES P + EKS kcat

v = kcat [ES][E] = [E]0 - [ES]

Reactia enzimei cu un singur substrat

v = kcat [ES][ES] =[E]0[S]

KS + [S]

v =[E]0[S]kcat

Km + [S]

E + S ES P + EKS kcat

Reactia enzimei cu un singur substrat

KS = Km

v =[E]0[S]kcat

Km + [S]

EP disociere rapidă

E + S ES P + Ek1

k-1

k2

Michaelis-Menten - premiza: E E + S k2 << k-1

G. E. Briggs 1925J. B. S. Haldane

[ES] cinetica stationarak2 ~ k-1

d[ES]/dt = 0 = k1[E][S] - k2[ES] - k-1[ES]

Cinetica reactiilor enzimatice - teoria starii stationare

v =[E]0[S]k2

[S] + (k2 + k-1)/k1

(k2 + k-1)/k1 = Km

Km = Ksk2 << k-1

E + S ES P + Ek1

k-1

k2

Cinetica reactiilor enzimatice - teoria starii stationare

k2 = kcat

vmax= [E]0 kcat

v =vmax [S]

Km + [S]

Ecuatia Michaelis-Menten

Introduction to Enzyme and Coenzyme Chemistry (2004) Second Edition, TIM BUGG, Blackwell Publishing

Ec. M-M Vmax??

Cataliza biochimică

Variante ale ecuatiei Michaelis-Menten

Introduction to Enzyme and Coenzyme Chemistry (2004) Second Edition, TIM BUGG, Blackwell Publishing

Cataliza biochimică

Variante ale ecuatiei Michaelis-Menten

Cataliza biochimică

Variante ale ecuatiei Michaelis-Menten

Hanes-Woolf

http://www1.lsbu.ac.uk/water/enztech/determination.html

Eisenthal și Cornish-BowdenPlot grafic

Cataliza biochimică

Alte modalități de determinare ale Km și vmax

allos=altstereos=solid, spatiugrec

Cataliza biochimică

Controlul alosteric al activității enzimatice

Modalități de reglare a activității enzimatice:

a) Controlul disponibilității enzimei

b) Controlul activității enzimatice

Hemoglobina

Modelul simetric(Monod, Wyman, Changeux) Premise

Cataliza biochimică

Controlul alosteric al activității enzimatice

a. proteina – oligomersubunitățile orientate simetric

b. Oligomerul2 stări conformaționaleT (deoxi-Hb) si R (oxi-Hb)

c. ligandul se leagă la o subunitate

d. simetria conformațională păstrată ↓

trecerea T R în toate subunitățile??

Modelul secvential(Kochland)

Cataliza biochimică

Controlul alosteric al activității enzimatice

Premise

a. legarea ligandului induce schimbări conformaționale(subunitatea vecina)

b. interacțiunile cooperative din subunitățile vecine schimbări conformaționale

Cooperare pozitivănegativă

Cataliza biochimică

Controlul alosteric al activității enzimatice

Ecuația Hill

5. Cataliza biochimică

Inhibitia feedback a ATCazei controleaza sinteza pirimidinei

Cataliza biochimică

Inhibitia feedback a ATCazei controleaza sinteza pirimidinei

https://bio.libretexts.org

ATCaza umană – parte integrantăa unui complex enzimatic

Ruiz-Ramos et. al., Stucture, 24, 1081-1094 (2016)

PALA = N-fosfoacetil-aspartat

Cataliza biochimică

Inhibitia feedback a ATCazei controleaza sinteza pirimidinei

Ruiz-Ramos et. al., Stucture, 24, 1081-1094 (2016)

în absența inhibitorului

în prezența inhibitorului