e n z i m e

Cursul 5

E N Z I M E

• Caracteristici generale ale enzimelor

• Însuşiri caracteristice enzimelor

• Complexul ES

• Centrul activ al enzimelor

• Energia de activare a reacţiilor catalizate enzimatic

Caracteristici generale ale enzimelor

• Ce sunt enzimele ?

catalizatori ai reacţiilor chimice din organismele vii

Însuşirile comune cu catalizatorii

• acţionează în concentraţii foarte mici;

• nu se consuma în cursul reacţiei;

• nu modifică constantele de echilibru ale reacţiilor pe care le catalizează;

• grăbesc numai atingerea stării de echilibru pentru reacţiile termodinamic posibile.

Însuşiri caracteristice enzimelor

A.Sunt macromolecule proteice

B. Au eficienţă catalitică mult mai mare

C.Au specificitate

D. Activitatea lor poate fi reglată

A.Cu excepţia ribozimilor (ARN)

enzimele sunt invariabil

proteine

• Structură:

a. enzime cu structura strict proteică:

ribonucleaza

chimotripsina

lizozimul din mucusul nazal şi lacrimi;

b. enzime cu structura heteroproteică: parte proteica numită „apoenzimă“

partea neproteică numită cofactor:

coenzimă = componentă neproteică organică, legată slab necovalent de apoenzimă;

grupare prostetică = componentă organică legată puternic de apoenzima (ex. hemul)

metal- legat permanent sau temporar

B.Enzimele asigură viteze mari reacţiilor

• reacţiile enzimatice sunt de 106 - 1012 ori mai rapide ca cele neenzimatice

a.hidratarea CO2 este catalizată de anhidraza carbonică , cea mai

activă enzimă:

105 molecule/ secundă

reacţia este de 107 ori mai rapidă decât reacţia necatalizată

CO2 + H2O H2CO3

b.descompunerea H2O2 catalizată de Fe3+ şi de

catalază:

activitatea catalazei este de 2x106 ori mai

mare ca a Fe3+

2 H2O2 2 H2O + O2

C.Specificitate

1. de reacţie

2. de substrat: -absolută

-relativă: -de grup

-mai largă

3. stereospecificitate

1.Specificitate de reacţie

Substrat + Reactant Produşi

• clasificarea enzimelor:

Oxido-reductaze;

Transferaze;

Hidrolaze;

Liaze;

Ligaze.

2.Specificitate de substrat (selectivitate în alegerea substratului)

a.Specificitate absolută

E utilizează ca S un singur compus chimic:

-ureaza catalizează hidroliza ureei:

-acetilcolinesteraza catalizează hidroliza esterului colinei cu acidul acetic:

-anhidraza carbonică

H2N CO NH2 + 2 H2O CO2 + 2 NH3

H3C COO CH2 CH2

N+(CH3)3

+ H2O H3C COOH + H2C CH2

N+(CH3)3HO

b.Specificitate relativă: de grup

• E catalizează un tip de reacţie pentru o familie de compuşi

• Enzima are afinitate mare pentru alcoolul etilic

R CH2 OHAlcool dehidrogenaza

NAD+ NADH + H+

R CH O

b.Specificitate relativă mai largă

• Glicozidazele

(H, OH)

O

HO

OH

OH

CH2-OHO

OH

OH

CH2-OH

O

O

HO

OH

OH

CH2-OH

O

O

OH

H

OH

CH2OHH

H

HOH2C

1

1

2 5

(H, OH)

OHO

OH

OH

CH2-OHO

OH

OH

CH2-OH

O

Proteazele

NH CH CO NH

R2

CH CO

R3

R3 = fenilalaninã, tirozinãmetioninã, leucinã

Pepsinã

NH CH CO NH

R2

CH CO

R3

R2 = lizinã, argininã

Tripsinã

NH CH CO NH

R2

CH CO

R3

R2 = Phe, Tyr, Trp

Chimotripsinã

Carboxil esterazele

C

O

O R1

R

3.Specificitate stereochimică

• Enzimele disting

-un enantiomer levogir de cel dextrogir;

-un izomer cis de cel trans.

Lactat dehidrogenaza

NAD+ NADH + H+

COOH

C

CH3

HHO

Acid L-lactic

COOH

C

CH3

O

Acid piruvic

O N

N

N

N

NH2

OH2C

OROH

O P O-

O

O P O-

ON+

OH2C

OHOH

CONH2

N

COOH

Acidul nicotinic Amida acidului nicotinic (niacina) (niacinamida)

N

CONH2

Nicotinamid-adenin dinucleotid (NAD+)

(R = H formeazã NAD+ ; R = -PO3H2 formeazã NADP+)

Vitamina PP

succinatdehidrogenaza

• acidul maleic (izomerul cis) nu se obţine nici în urme:

FAD FADH2

CH2

CH2

COOH

COOH

Acid succinic

COOH

C

C

HOOC

H

H

Acid fumaric

CH2

COOH

Vitamina B2

• Conţine heterociclul numit izoaloxazină

N N

NNH

CH2

O

OCH3

CH3

CH CH CH

OH OH OH

OCH2 P O

O-

O

P O

O-

O

N

N

N

N

NH2

OH2C

OHOH

lumicrom

lumiflavinã

riboflavinã

flavin adenin mononucleotid (FMN)

adenozinã

adenozin 5`-monofosfat(AMP)

flavin adenin dinucleotid (FAD)

(H)

(H)

(H)(H)

(OH)

• 6.Activitatea catalitică a enzimelor poate fi

modulată de anumiţi agenţi reglatori.

Enzimele se deosebesc de catalizatorii anorganici prin:A.Nu modifică echilibrele chimice la care conduc reacţiile reversibile

B.Prezintă specificitate de reacţie

C.Majoritatea sunt proteine

D.Intervin numai în reacţii chimice posibile din punct de vedere termodinamic

E.Acţiunea lor este susceptibilă de reglare

Complexul ES

• reprezentare reacţii enzimatice :

E + S ES E + Produsi

Centrul activ al enzimelor

• Enzimele sunt macromolecule

care prezintă

Centrul activ = entitate tridimensională

unde se leagă substratul

• Centrul activ al enzimelor =

– o regiune restrânsă din proteină

– cu structură

chimică şi

geometrică

bine

determinate

Cine conferă structura Centrului Activ ?

–natura resturilor aminoacidice şi

–organizarea secundară,

terţiară şi

cuaternară a

proteinei.

Centrului activ al chimotripsinei

• His - 57 din lanţul B;

• Ser - 195 din lanţul C; • Asp - 102 din lanţul B.

A B C

S S S S-chimotripsina contine 5 legãturi disulfurice

S S S S S S

Structura tridimensionalã a chimotripsinei

Triada Asp-His-Ser

• Centrul activ

conţine resturi aa

ce crează o entitate tridimensională

complementară cu substratul

• Inhibitorii interferă cu proteazele utilizate de HIV pentru transformarea proteinelor precursor (gag, pol, env) în proteine active

• Inhibitorul proteazelor blochează centrul activ al enzimelor

• Fatty Acid Desaturases - Integral Membrane Metalloenzymes

• ScienceDaily (Oct. 16, 2006) — Univ Chicago

• S-a identificat structura tridimensională a enzimei de degradare a insulinei, care degradează şi amiloidul implicat în boala Alzheimer.

• Enzima este o ţintă promiţătoare

Formarea plãcii amiloid

Centrul activ al enzimelor

• centru de legare prezintă resturi aminoacidice care asigură legarea substratului

• centru catalitic prezintă resturi aa responsabile de catalizarea propriu-zisă

• Resturile de aa din situsurile catalitice ale enzimelor sunt: Cys, Ser, His, Tyr, acid Glu şi Asp, Lys cu grupările funcţionale:

OH, SH, NH3+, COO-

HN+

NH

imidazol

Complexul enzimă – substrat (ES)

• structuri labile, cu o viaţă foarte scurtă • între E şi S se stabilesc:

- forţe necovalente (punţi de hidrogen, interacţiuni hidrofobe, interacţiuni electrostatice) sau

-covalente reversibile

• Complementaritatea chimică şi geometrică determină legarea E-S

Modelul clasic (lacăt – cheie)

• al CA al enzimei în raport cu structura substratului, propus de Emil-Fischer

• Este un model rigid.

Modelul lacãt cheie

SubstratEnzimã Complexul ES

Modelul dinamic „centrul indus“sau „complementaritate indusă“,

• produs de Koshland, este acela de mâna în mănuşă

• Modelul indus presupune o flexibilitate a zonei în care se află centrul activ

Modelul centrului indusSubstrat Enzimã Complexul ES

Cum acţionează enzimele ?

• Mecanismul de acţiune privit din 2 perspective:

– modificarea energiei în timpul reacţiei;

– rolul centrului activ în realizarea catalizei din punct

de vedere chimic

• Ce este energia liberă de activare ?

• Toate reacţiile chimice sunt însoţite de variaţii

ale energiei

• In organismele vii temperatura şi presiunea ==

constante

• Energia liberă de reacţie G caracterizează reacţiile

din lumea vie

• Reacţiile posibile termodinamic decurg cu

scăderea energiei libere a reactanţilor

Gproduşi –

Greactanţi <0

– reacţie „exergonică“, G<0

– reacţie „endergonică“, G>0

Cum se modifică energia în timpul reacţiei ?

• Virtual, toate reacţiile chimice au o barieră energetică ce separă

rectanţii de produşi

• Această barieră numită energie liberă de activare este

diferenţa dintre energia reactanţilor şi energia intermediarului

care se produce în timpul formării produsului.

BTA

Durata reactiei

Stare de tranzitie

Ene

rgia

libe

rã

(reactie necatalizatã)

Stare de tranzitie

(reactie catalizatã)Stare initialã

Energia liberã de activarea reactiei (necatalizate)

Energia liberã de activarea reactiei (catalizate)

Stare finalã

Energia totalã eliberatã

Produsi C + D

Reactanti A + B

• Enzima nu modifică energia liberă a reacţiei

catalizate (G0), a reactanţilor sau produşilor, şi deci

nu modifică echilibrul recţiei (constanta de echilibru)

• Enzima furnizează o cale de reacţie alternativă, prin

micşorarea energiei libere de activare (ca urmare

a micşorării entropiei substratului)

Formarea stãrii de tranzitie

Mecanisme chimice folosite de centrul

activ pentru a transforma

Substrat Produşi

• Centrul activ al E stabilizează starea T* a

substratului

Cataliza covalentă

• Enzime care formează intermediari covalenţi enzimă-substrat: • Clasa serinei• Tripsina, Chimotripsina, Elastaza, Acetilcolinesteraza

• Clasa cisteinei• Gliceraldehid 3P-dehidrogenaza, Papaina

• Clasa histidinei• Glucozo 6-fosfataza, Succinil~CoA sintetaza • Clasa lizinei• D-aminoacid oxidaza, Transaldolaza

Triada Asp-His-Ser

Cataliza acido-bazică

• Enzimele conţin grupări funcţionale care pot acţiona ca donori sau ca acceptori de protoni: amino, carboxil, sulfhidril, imidazol, hidroxilul fenolic.

• hidroliza esterilor carboxilici şi fosforici, reacţii de izomerizare

Glucozo-6-fosfat izomeraza

Există un factor de tensiune în cataliza

enzimatică ?

• legarea S la E poate deforma atât enzima cât şi substratul

• centrul activ al unor enzime este relativ nepolar

Care dintre următoarele afirmaţii referitoare la

enzime sunt adevărate:

A.Scad G0 (energia liberă) a reacţiei catalizate

B.Scad energia de activare a procesului catalizat

C.Deplasează echilibrul reacţiei catalizate în sensul formării

produşilor

D.Catalizează ruperea şi/sau formarea unor legături

covalente

E.Cresc viteza de apariţie a produşilor de reacţie

• Enzimele:

A.Sunt polizaharide naturale

B.Au structură asemănătoare vitaminelor

C.Pot cuprinde în structura lor toţi aminoacizii naturali

D.Pot fi reprezentate de anumite molecule de acizi nucleici

E.Pot fi localizate în membranele celulare deoarece au

structură lipidică

Cursul 6 18.11.2009

Cinetica enzimatică

• Factori care influenţează activitatea enzimatică

• Teoria cinetică Michaelis-Menten• Ecuaţia Lineweaver Burk• Inhibiţia activităţii enzimelor• Enzime alosterice

Cinetica enzimatică

• Cinetica studiază reacţiile chimice:

–desfăşurarea în timp a reacţiei;

–factori care influenţează viteza reacţiilor;

–etapele intermediare prin care trec

reactanţii până devin

produşi.

• Cum caracterizăm cinetic o reacţie

chimică ?

• Prin viteza de reacţie

• Viteza unei reacţii = variaţia în timp a

concentraţiei reactanţilor sau a produşilor de reacţie.

• A B

• ecuaţii cinetice

dt

]A[dv

dt

]B[dv

Ce postulează Legea cinetică ?

☻ Viteza de reacţie este proporţională cu

produsul concentraţiilor reactanţilor

• Pentru o reacţie:

A Produşi V = K [A]

Pentru o reacţie:

A + B Produşi V = K [A][B]

K = constanta de viteză sau viteza specifică(V de reacţie la concentraţii 1M ale reactanţilor)

Activitatea enzimatică

• U.I. (unitatea internaţională) = activitatea enzimei care transformă 1 mol substrat/minut în cond standard de pH, temperatură, cofactori

• Activitatea moleculară = nr. molecule de S transformate în produs de către o moleculă de E /secundă.

• Activitatea specifică = nr. de unităţi de activitate enzimatică / mg de proteină totală.

• Constanta catalitică (turn-over number) = nr. de transformări S P catalizate de fiecare CA al E în unitatea de timp.

Factorii care influenţează activitatea enzimatică

• Temperatura;

• pH;

• [E];

• [S];

• prezenţa inhibitorilor

Temperatura

• T optimă = temp. la care activitatea enzimelor este maximă

50

100

20 40 60temperatura

activitatea enzimaticã

%

Toptimã

pH• pH-uri extreme denaturează enzimele• Variaţii mici de pH în zona de stabilitate a enzimei

modifică v.

Vite

za d

e r

ea

ctie

(v)

Pepsina Fosfataza alcalinã

amilaza salivara

[E]

• [S] = constantă, v este proporţională cu cantitatea de enzimă


%

concentratia enzimei

Ecuaţia Michaelis Menten

• V = f([s]) la [E], temp., pH = constante

• Michaelis şi Menten au introdus

parametrii cinetici KM şi Vmax


concentratia substratului

vmax

vmax

2

KM

saturatie

E + SK1

K2

ES E + ProdusK3

Unde E, ES şi S sunt în echilibru

[Etotal]=[ES]

Vmax=K3[Etotal]

• La echilibru• v1 = v2 + v3

• K1[E][S] = K2[ES] + K3[ES]• K1[E][S] = [ES](K2 + K3)

E + SK1

K2

ES E + ProdusK3

Etapa rapidã Etapa lentã

KM

• KM este o măsură a afinităţii dintre E şi S

• afinităţile enzimelor pentru substraturile lor

sunt cu atât mai mari

cu cât valorile KM sunt mai mici

M1

32 KK

KK

]ES[

]S][E[

Ecuaţia Michaelis - Menten

• Ecuaţia de viteză a reacţiilor enzimatice cu un singur

substrat sau ecuaţia lui Michaelis-Menten

• reprezentare grafică v = f([S]) este un arc de hiperbolă.

][

].[max

SK

SVv

M



vmax

vmax

2

KM

saturatie

• KM este numeric egală cu [S]

la care viteza reacţiei este semimaximă

]S[]S[K

]S[V

2

V

M

maxmax

MK

Ecuaţia Lineweaver – Burk

• Ecuaţia Michaelis-Menten inversată este ecuaţia unei drepte.

maxmax V

1

][

11

SV

K

VM

][

].[max

SK

SVv

M

- 1/KM 0 1/[S]

1/V

1/Vmax

Panta = KM/Vmax

• Inhibiţia activităţii enzimelor

Inhibiţia activităţii enzimelor

• scăderea activităţii catalitice a enzimei

în prezenţa unui compus chimic denumit

inhibitor

Inhibitorii pot fi:

– endogeni (metaboliţi)

– exogeni (substanţe toxice,medicamente)

Inhibiţia poate fi:

- ireversibilă

- reversibilă

Inhibiţia ireversibilă

• legături covalente între E şi I

• Când [I] = [E]

activitatea catalitică a enzimei

este redusă la zero.

E + I EI

• diizopropil-fluorofosfatului (DIFP)

inhibă acivitatea serin enzimelor

NH CH CO

CH2

OH+

P

F

O

OOHC

CH3

CH3

CH

CH3

CH3

DIFP

- HF

NH CH CO

CH2

O

P

O

OOHC

CH3

CH3

CH

CH3

CH3

☺acetilcolinesteraza este foarte sensibilă

la acţiunea

DIFP

DIFP este utilizat ca paralizant

• Hemoproteinele (citocromi, hemoglobina)

sunt inactivate de către:

CO -CN

care se leagă de ionul de Fe2+ din

hem

Inhibiţia reversibilă

• Ce efecte are Ic

asupra celor doi parametrii cinetici

vmax şi KM ?

E + I EI

• Inhibiţia reversibilă poate fi:

– Competitivă

– Necompetitivă

– Uncompetitivă

Inhibiţia reversibilă competitivă

• Ic este analog structural al S

• se leagă în centrul activ al enzimei

prin aceleaşi grupări ca S;

• Într-un sistem cu: E, S şi Ic au loc reacţiile:

E + S ES E + Produsi+I

EI

1/V

1/Vmax



vmax

vmax

2

KM

saturatie

- 1/KM`

KM`

+ Ic

+ Ic

- 1/KM1/[S]0

• reacţia enzimatică atinge Vmax

dar la concentraţii mari de S.

• aparent creste KM,

deci afinitatea enzimei pentru S scade şi

nu se modifică Vmax;

Ic (compuşi naturali sau de sinteză)

• Acizii dicarboxilici: oxalic, malonic, malic, oxaloacetic, pirofosfat sunt inhibitori competitivi ai succinat dehidrogenazei (SD).

FAD FADH2

CH2

CH2

COOH

COOH

Acid succinic

COOH

C

C

HOOC

H

H

Acid fumaric

CH2

COOH

Succinat dehidrogenazã

Sulfanilamida

• Folat sintetaza, la bacterii este păcălită şi sintetizează un intermediar cu sulfanilamidă în locul acidului para-amino-benzoic care nu se poate transforma în acid folic.

• Cum acidul folic este indispensabil bacteriilor, acestea mor.

NH2

SO2NH2

NH2

COOHSulfanilamida Acid p-aminobenzoic

N

NN

N

H2N

OHCH2 NH CO NH

COOH

CH2

CH2

CH

COOH9 10

5

pterina acid p-aminobenzoic

acid glutamicacid pteroic

Analogi structurali ai bazelor purinice şi pirimidinice

• se utilizează în chimioterapia cancerului.

• inhibă sinteza de acizi nucleici, împiedicând diviziunea celulară care este mult mai rapidă în tumori

Metotrexat

• analog al acidului folic se foloseşte în chimioterapia leucemiilor.

NCH2

N

N

N

N C

H2N

NH2

H

R

N CH CH2 C O-

O

H

COO- O

R=H aminopterinã R= -CH3 metotrexat

Inhibiţia reversibilă necompetitivă

• Substratul şi inhibitorul necompetitiv (In)

– nu sunt analogi structurali

– nu au dimensiuni comparabile

– In nu se leagă în centrul activ


EI + S ESI

+I

• Se modifică Vmax

• KM nu se modifică în prezenţa inhibitorului

1/v

1/vmax



vmax

KM

+ Ic

+ Ic

- 1/KM 1/[S]0

vmax / 2

v`max / 2

v`max 1/v`max

• grupări - SH libere (nu din centrul activ), pot lega slab:– Ag+

– Hg2+

– Pb care micşorează sau chiar anulează activitatea enzimelor

aşa se explică efectul otrăvitor al unor metale grele

• Pb inhibă ferochelataza

Inhibiţia reversibilă uncompetitivă

• Un astfel de inhibitor modifică şi

– KM şi

– Vmax


ESI

Enzime alosterice

• Sunt proteine oligomere (dimeri, tetrameri,

etc.)

• Au mai multe centre de legare pentru S

(câte un centru pentru fiecare subunitate).

• Curbele v = f([S]) sunt sigmoide

• Vmax se atinge atunci când toate centrele

active sunt ocupate cu S

• Parametrii cinetici pentru enzimele oligomere

sunt:

• -Vmax şi

-S0,5(S50) concentraţia substratului pentru

care reacţia are o viteză semimaximă



vmax

KM

vmax / 2

• Aspectul sigmoid al curbei v = f([S]) reflectă o

modificare a afinităţii enzimei pentru substrat

• Enzimele care dau curbe v=f([s])

sigmoide sunt denumite

alosterice

• Liganzii fixaţi pot fi:– identici (de ex. Substraturi în ambele centre)

sau – diferiţi

• centru izosteric leagă substratul

• centru alosteric (allos=altul) (poate fi situat pe acelaşi lanţ polipeptidic dar în regiune

diferită)

leagă un efector alosteric

• Activatori alosterici

• Inhibitori alosterici


vmax

KM

50

%100

1 23

[S]

• După natura centrelor de legare şi a liganzilor pentru aceste centre, efectele alosterice sunt:

• –Efecte homotrope (presupun cooperarea între două centre izosterice

• –Efecte heterotrope (cooperare între un centru izosteric şi un centru alosteric)

• Alosteria

capacitatea unor liganzi de a modifica funcţiile

unor proteine

prin

inducerea unor tranziţii alosterice (modificări

conformaţionale).

Caracteristici esenţiale pentru Enzimele alosterice:

-catalizează etape cheie din căile metabolice;

ireversibile, cu Go < 0

-au structură cuaternară

• Două Modele explică

mecanismul de acţiune

al Enzimelor Alosterice

1.modelul concertat (simetric)

2.modelul secvenţial

• Elemente comune ale modelelor

Fiecare monomer al oligomerului are centrul său activ

Monomerii cooperează în fixarea substratului :

–homotrop

–heterotrop

• Reglarea alosterică se face cu consum minim de energie

Modelul simetric

Subunităţile dimerului, pot avea două conformaţii;

-R (relaxată) cu afinitate mare pentru substrat

-T (tensionată) cu afinitate mică pentru substrat.

• Modelul impune simetria dimerului, care există numai în forma R sau T.

• La enzimele heterotrope:

• Activatorii stabilizează starea R

• Efectorii negativi stabilizează starea T

Modelul secvenţial

• admite interacţia stării R cu starea T

• Legarea lui S la primul monomer se face cu dificultate

• Ce tip de cooperare am întâlnit la

realizarea rolurilor Hemoglobinei ????

Hemoglobina fixează

• O2 prin cooperativitate (homotropă)

• coordonată de factorii: H+; CO2; 2,3-DPG (heterotropă)

Curs 7

• Reglarea cantitativă a enzimelor

• Reglarea eficienţei catalitice

• Complexe multienzimatice

• Antienzime

• Izoenzime

• Denumirea enzimelor

• Clasificarea enzimelor

Reglarea activităţii enzimelor

• Viteza reacţiilor enzimatice cheie din căile metabolice depinde de:

• –cantitatea de enzimă;

• –eficienţa enzimelor

Reglarea cantităţii de enzimă

• prin dinamica proceselor de biosinteză şi de degradare

•

Aminoacizi ProteineKs

Kd

Enzimele constitutive: Ks = Kd

• Catalizează procese fundamentale pentru existenţa celulei.

• Se găsesc în celule în cantităţi relativ constante.

• Ele nu suferă fluctuaţii mari în raport cu factorii de mediu.

• Enzimele inductibile: Ks > Kd

• Sunt implicate în căi catabolice.

• se sintetizată numai în prezenţa substratului

• Substratul acţionează ca un inductor, accelerând sinteza enzimelor.

• Enzimele represibile: Ks < Kd

• Sunt implicate în procese anabolice

• Sinteza lor este încetinită de produsul final al reacţiei catalizate;

• Represia se face de obicei, prin intermediul

complexelor corepresori - aporepresori.

• Controlul degradării proteinelor (enzimelor)

-se face independent de controlul sintezei;

-se face prin intermediul ubiquitinei;

-este proces dependent de ATP.

Reglarea eficienţei catalitice a enzimelor

Factorii ?????

• Activitatea unor Enzime alosterice depinde de concentraţia substratului:

• Reglarea printr-un intermediar (feed forward stimulare):

A B C P E1 E2 E3

A B C D Produsi E1 E2 E3

Glucozã

Glucozo-6-fosfat

Fructozo-6-fosfat

Fructozo-1,6-bisfosfat

Gliceraldehid-3-fosfat Dihidroxiaceton-fosfat

Etapa hexozelor

ATP

ADP1

2

3

4

ATP

ADP

1,3-Bisfosfoglicerat

NAD+

NADH + H+

H3PO4

3-Fosfoglicerat

5

6ADP

ATPFosforilare la nivel de substrat

2-Fosfoglicerat

7

8H2O

FosfoenolpiruvatADP

ATP9 Fosforilare la nivel de substrat

Piruvat

Etapa triozelor



vmax

KM

vmax / 2

• Hexokinaza: -prezentă în toate ţesuturile extrahepatice,-are afinitate mare pentru glucoza (KM = 0,15 mM) -ţesuturile preiau glucoza din sânge la orice valoare a glicemiei

• Glucokinaza: -prezentă numai în ficat -are afinitate mică pentru glucoza (KM = 10 mM) - este activă după ingestia de glucide

Glucozã + ATP Glucozo-6-P + ADP

Glucozo-6-fosfat

CH=O

C

C

C

C

CH2 OPO3H2

H OH

OH H

H OH

H OH

CH=O

C

C

C

C

CH2 OH

H OH

OH H

H OH

H OH

Glucozã

ATP ADP

Hexokinaza Mg2+ Glucozo-6-fosfat

izomeraza

CH2

C

C

C

C

CH2 OPO3H2

O

OH H

H OH

H OH

OH

Fructozo-6-fosfat

• Reglarea activităţii enzimelor alosterice prin produsul final (inhibiţie de tip feed back)

A B C D Produsi E1 E2 E3

A B C E1 E2

D P1

E P2

E3

E4

Reglarea covalentă

• Apare la organismele superioare

şi presupune activare prin

ruperea unor legături covalente

☺ enzime interconvertibile

Conversia are loc prin:

–fosforilare-defosforilare;

–nucleotidilare

☺activare prin proteoliză

proces unidirecţional

Enzime interconvertibile prin fosforilare <==> defosforilare

• Fosforilările:-sunt catalizate de kinaze (reglate hormonal, interconvertibile fosfo-defosfo);-sunt ireversibile;-necesită ATP

• Defosforilările: -sunt ireversibile;-se fac hidrolitic în prezenţa unor fosfataze; -fosfatazele sunt supuse unui control hormonal.

Enzimã (Ser-OH) Enzimã (Ser-OP)forma defosfo forma fosfo

ATP ADP

Pi H2O

proteinkinaze

fosfataze

• enzime active în forma fosforilată

glicogen fosforilaza implicată în catabolismul

glicogenului

• Enzime active în forma defosfo

glicogen sintaza implicată în proces anabolic

• activarea este implicată într-o cascadă de evenimente

declanşate de legarea unui hormon la o membrană celulară

Reglarea covalentă prin proteoliză

• Proenzimele (zimogenii)

– sunt produse la locul de sinteză în formă inactivă

– activarea se face la locul de acţiune.

• Activarea se face

– sub influenţa factorilor de mediu şi

– Autocatalitic• printr-un proces ireversibil de rupere a unor legături

peptidice specifice.

De ce este necesară existenţa zimogenilor ?

se obţin foarte rapid

• prin transformări minore

– cantităţi mari de enzime active.

• Enzimele proteolitice digestive

–secretate de stomac: pepsinogenul

–secretate de pancreas: tripsinogenul, chimotripsinogenul, proelastaza, procarboxipeptidaza

• Enzimele coagulării sângelui (secretate de ficat în formă de proenzime)

• Enzimele sistemului complement

• a.Enzimele proteolitice digestive hidrolizează proteine:

• Transformarea

HCl

• pepsinogen pepsina

(- segment terminal (44 aminoacizi) cu caracter bazic)

• Transformarea Tripsinogen tripsină enteropeptidază

(denumire veche enterokinază)

(fragment N-terminal de 6 aminoacizi din tripsinogen)

Tripsina activează tripsinogenul, chimotripsinogenul, proelastaza, şi procarboxipeptidaza.

Zimogenii pancreatici se activează când conţinutul stomacal a ajuns în duoden.

• Transformarea

chimotripsinogen chimotripsină

este activată de tripsină

se face prin îndepărtarea a două dipeptide

• Chimotripsina cuprinde trei lanţuri peptidice şi cinci punţi de sulf.

Centrului activ al chimotripsinei

• His - 57 din lanţul B;

• Ser - 195 din lanţul C; • Asp - 102 din lanţul B.

A B C

S S S S-chimotripsina contine 5 legãturi disulfurice

S S S S S S

Structura tridimensionalã a chimotripsinei

Enteropeptidazã

Tripsinogen

Tripsinã

Chimotripsinogen

Chimotripsinã

Procarboxipeptidaza A

Carboxipeptidaza A

Carboxipeptidaza B

Procarboxipeptidaza B

In intestin

• Enzimele coagulării şi fibrinolizei.

• Există două căi iniţiate de activatori diferiţi care converg într-o cale finală comună

–calea intrinsecă, cu participare de factori sanguini;

–calea extrinsecă, la care participă şi factori de origine exclusiv tisulară.

Iniţierea procesului de coagulare este urmată de activarea în cascadă a factorilor de coagulare

Care sunt avantajele unui răspuns reglator în cascadă ?

-o cantitate foarte mică de iniţiator declanşază un răspuns amplu.

-fiecare etapă a cascadei amplifică răspunsul

• Fibrinoliza. Componenţii necesari dezagregării chiagului se găsesc în sânge în formă inactivă şi se activează proteolitic

Plasminogen Plasminã

Cheag de fibrinã Peptide solubile

Factor tisular

Implică o modificare covalentă a enzimei:

A.modularea alosterică

B.inhibiţia competitivă

C.asocierea unei enzime cu un cofactor

D.inhibiţia necompetitivă

E.reacţiile de fosforilare în prezenţa kinazelor

specifice

Care dintre următoarele enzime proteolitice este activată prin hidroliza acidă a proenzimei inactive?

• a. tripsina

• b. chimotripsina

• c. elastaza

• d. pepsina

• e. carboxipeptidaza

Care dintre următoarele afirmaţii descriu corect enzimele alosterice?

a. efectorii pot stimula sau inhiba legarea substratului

b. activitatea lor nu este inhibată prin feed back

c. curbele v=f([S]) sunt sigmoide

d. difuzează rapid prin membranele celulare

e. sunt, de obicei, plasate la începuturile căilor metabolice

Antienzimele

• Antienzime (antiproteaze) = proteine reglatoare

Serpinele sunt inhibitori de serin proteaze

Se leagă necovalent în centrul activ al serin proteazelor:

• antitrombina III

1 antiproteaza

(denumită şi 1 antitripsina)

• inhibitorul pancreatic al tripsinei

• inhibitorul proteinei C (proteina C este o serin protează plasmatică dependentă de vitamina K, activată de trombină, care transformă factorii activi VIIIa şi Va ai coagulării în forme inactive).

Antitrombina III:

-prezentă în plasmă;

-inactivează trombina şi alţi factori ai coagulării: IXa, Xa, XIa

Cine măreşte viteza de formare a complexelor ireversibile

între antitrombina III şi serin proteazele coagulării ?

Heparina

1-antiproteaza:

-proteină plasmatică;

-este 1-globulină

inhibă elastaza, tripsina şi alte proteaze

1-antiproteaza sintetizată

• de ficat

• de monocitele şi macrofagele alveolare

– are rol în protejarea ţesuturilor de acţiunea elastazei

☺ Elastaza = enzimă proteolitică distructivă, secretată de

neutrofilele activate poate distruge elastina din pereţii

alveolelor pulmonare

• O deficienţă la nivelul 1-antiproteazei poate

duce la instalarea emfizemului pulmonar

• Inhibitorul pancreatic al tripsinei:

-este o proteină cu masa mică, produsă de pancreas.

-se leagă de tripsină, prevenind distrugerea pancreasului.

Izoenzimele

• Izoenzimele:

- proteine oligomere

-catalizează aceeaşi reacţie în toate ţesuturile;

-diferă prin:

☺structură

☺distribuţie tisulară.

• Diferenţele structurale pot influenta proprietăţile fizico-chimice:

• –pH izoelectric

• –mobilitate electroforetică

• –masa moleculară

• diferenţiere prin însuşirile catalitice:

– afinităţi diferite faţă de acelaşi substrat;

– sensibilităţi diferite la acţiunea unor efectrori

alosterici;

_ specificităţi distincte pentru coenzime

Izoenzimele LDH (lactat dehidrogenaza)

enzimă intracelulară

• LDH are structură cuaternară omogenă sau heterogenă;

lanţuri M (muscle)• LDH = tetramer

lanţuri H (heart).

• LDH are cinci izoenzime:

H4, H3M, H2M2, HM3, M4

sau

după mobilitatea electroforetică

LDH1 LDH5

• Reacţia catalizată:

Lactat dehidrogenaza

NAD+ NADH + H+Acid L-lactic

COOHCH3C

OAcid piruvic

COOHCHH3C

OH

Izoenzimele LDH au afinităţi diferite pentru piruvat (sau lactat):

• H4 şi H3M inimă

afinitate mică pentru piruvat

(îl transformă greu în lactat)

• M4 şi M3H

muşchi scheletici şi ficat

afinitate mare pentru piruvat

Determinarea activităţii enzimelor serice

poate fi folosită în clinică pentru stabilirea

originii ţesutului lezat

Izoenzimele creatin kinazei (creatin fosfokinaza)

• Creatin kinaza:-enzimă intracelulară;-dimer format din două subunităţi:

☼ B (de la brain)☼ M (de la muscle)

• Are trei izoenzime:–MM (prezentă în muşchi şi miocard)–BB (prezentă în creier şi muşchi)–MB (prezentă în urme numai în miocard).

• reacţia catalizată este reversibilă:

Creatină + ATP Fosfo-creatină + ADP

• Creşterea activităţii creatin kinazei-MB în ser, indică lezarea miocardului

(infarct de miocard)

Infarct

Ore

Activitatea CK2 în plasmã la 24 ore dupã infarct

Activitatea LDH în plasmã la 36 - 40 ore de la infarct

Complexe multienzimatice

• Asamblări de proteine într-un complex, cu scopul de a creşte eficienţa globală a procesului.

• Rolul lor:• –cataliza coordonată a unei succesiuni de

reacţii;• –minimalizarea unor reacţii secundare.

• Exempl: acid gras sintază, complexul piruvat dehidrogenazei, etc.

Clasificarea şi denumirea enzimelor

• Denumirea enzimelor• se pot utilza trei modalităţi:

-adăugarea sufixului –ază la numele substratului (zaharază, urează, glucozidază)

-denumire după acţiunea specifică a enzimei (guanilat ciclază, lactat dehidrogenază, glutation reductază)

-denumiri particulare fără legătură cu reacţia catalizată: pepsină, chimotripsină, tripsină.

• Numele enzimei cuprinde:-denumirea substratului, -tipul reacţiei catalizate, -coenzima

• Fiecare enzimă este codificată de patru cifre, care definesc: -clasa; -subclasa; -sub-subclasa;-numărul de ordine al enzimei din şir.

Clasificarea enzimelor

• Sunt 6 clase de enzime după tipul de reacţie catalizat:

• 1.Oxidoreductaze• 2.Transferaze• 3.Hidrolaze• 4.Liaze• 5.Izomeraze• 6.Ligaze

Oxidoreductazele catalizează reacţii redox(transfer de electroni sau de hidrogen)

Subclase: • Dehidrogenazele catalizează

transferul de hidrogen

de la substrat (SH2)

pe o coenzimă redox

(NAD+; NADP+; FMN; FAD):

SH2 + Co Sox + CoH2

O N

N

N

N

NH2

OH2C

OROH

O P O-

O

O P O-

ON+

OH2C

OHOH

CONH2

N

COOH

Acidul nicotinic Amida acidului nicotinic (niacina) (niacinamida)

N

CONH2

Nicotinamid-adenin dinucleotid (NAD+)

(R = H formeazã NAD+ ; R = -PO3H2 formeazã NADP+)

Vitamina PP

Vitamina B2

• Conţine heterociclul numit izoaloxazină

N N

NNH

CH2

O

OCH3

CH3

CH CH CH

OH OH OH

OCH2 P O

O-

O

P O

O-

O

N

N

N

N

NH2

OH2C

OHOH

lumicrom

lumiflavinã

riboflavinã

flavin mononucleotid (FMN)

adenozinã

adenozin 5`-monofosfat(AMP)

flavin adenin dinucleotid (FAD)

(H)

(H)

(H)(H)

(OH)

• Reductazele catalizează transferul de hidrogen de la o coenzima redusă (adesea NADPH) la un acceptor:

Sox + CoH2 SH2 + Co

• Oxidazele catalizează

transferul de echivalenţi reducători de la un substrat la dioxigen,

reducându-l fie la apă, fie la peroxid de hidrogen:

SH2 + 1/2 O2 Sox + H2O

SH2 + O2 Sox + H2O2

• Peroxidazele catalizează transferul de echivalenţi reducători de la un substrat la un peroxid (HOOH sau R-OOH)

• 2G-SH + HOOH G-S-S-G + 2 HOH

glutation peroxidază

SH2 + HOOH Sox + 2 H2O

• Dioxigenazele încorporează dioxigenul în molecula de substrat (care cuprinde o legătură dublă):

CHCH + O2OCH CHO+

CH3

CH3H3C CH3 CH3H3C

H3C CH3CH3CH3-caroten

caroten dioxigenazaO2 în prezenta sãrurilor biliare

OH

CH3

CH3H3C

CH2

CH3 CH3

O

CH3

CH3H3C

CH

CH3 CH3

CH3

CH3H3C

COOH

CH3 CH3

Retinal (retinalaldehidã)

Reducere Oxidare

Retinol (Vitamina A1) Acid retinoic

• Monooxigenazele încorporează numai un atom de oxigen în substrat, celalalt atom al dioxigenului este redus la apă.

Multe monooxigenaze sunt hidroxilaze care implică participarea sistemului redox:

NADP+ - (NADPH+ H+)

R-H + O2 + (NADPH + H+) R-OH + H2O + NADP+

Transferazele

catalizează reacţii de transfer a unei grupări de la un donor către un acceptor

• Subclase: Aminotransferaze (transaminaze) catalizează transferul unei grupări amino între un amino şi un cetoacid. Coenzima participantă este piridoxal fosfatul.

AX + BY AY + BX

COOHCHR1

NH2

COOHCR2

O

COOHCR1

O

COOHCHR2

NH2

+ +

N

CH2HO

H3C

HC

OH

O

N

CH2HO

H3C

H2C

OH

NH2

Piridoxal N

CH2HO

H3C

HC

O

O

O-

O-

O

PATP ADP

piridoxal-kinaza

Piridoxalfosfat

Piridoxamina

ATP ADP

N

CH2HO

H3C

H2C NH2

O O-

O-

O

P

Piridoxaminfosfatul

piridoxamin-kinaza

+

COOH

CH2

CH2

HC

COOH

NH2

Acid glutamic

COOH

CH2

CH2

C

COOH

O

Acid-cetoglutaric

H3C CH

NH2

COOH + H3C C

O

COOH

Alaninã Acid piruvic

GPT

COOH

CH2

CH2

CH

COOH

NH2

Acid glutamic

COOH

CH2

CH2

C

COOH

O

Acid-cetoglutaric

GOT

COOH

CH2

CH

COOH

NH2

COOH

CH2

C

COOH

O+ +

Acid aspartic Acid oxaloacetic

• Aciltransferazele catalizează transferul restului acil de pe compuşi cu potenţial chimic ridicat

(R-CO~SCoA), pe acceptori potriviţi cu formare de esteri, amide, anhidride:

R-CO~S-CoA + R1-OH R-CO-OR1 + CoA-SH

Acid pantotenic

OCH2CCHCNH

CH3

CH3OH

O

CH2CH2CO

O NO

H2C

OOH

O P O-

O

O P O-

N

NN

NH2

NH

SH

CH2

CH2

O-

O-

O

P

Tio

etan

olam

ina

AD

P

Coenzima A - SH

• Fosforil transferazele (kinaze)

catalizează transferul resturilor fosforil

de pe ATP

pe substraturi:

Glucozã + ATP Glucozo-6-P + ADP

Glucozo-6-fosfat

CH=O

C

C

C

C

CH2 OPO3H2

H OH

OH H

H OH

H OH

CH=O

C

C

C

C

CH2 OH

H OH

OH H

H OH

H OH

Glucozã

ATP ADP

Hexokinaza Mg2+ Glucozo-6-fosfat

izomeraza

CH2

C

C

C

C

CH2 OPO3H2

O

OH H

H OH

H OH

OH

Fructozo-6-fosfat

• Metiltransferazele catalizează transferul

grupărilor cu un atom de carbon

• coenzima care poartă aceste grupări este

tetrahidrofolatul (FH4).

N

NN

N

H2N

OHCH2 NH CO NH

COOH

CH2

CH2

CH

COOH9 10

5

pterina acid p-aminobenzoic

acid glutamicacid pteroic

• Transportă grupări:

• metil (-CH3)

• hidroximetil (-CH2OH)

• formil (-CHO)

• formimino (-CH=NH)

• metilen (-CH2-),

• transformarea serinei în glicină:

5

COOH

HC

H2C

NH2

OH

Serinã

9 10

NH

NH

CH2 NH

+

FH4

serin hidroximetiltransferazã

COOH

H2C NH2

Glicinã

+

N

NH

CH2 N

CH2

N5, N10-metilen FH4

• formarea grupărilor metil:

N5,N10-metilen-FH4 + (NADH + H+) N5-metil-FH4 + NAD+

• metilarea homocisteinei la metionină

5

COOH

HC

H2C

NH2

H2C SH N

NH

CH2 NH

CH3

+

N5-metil FH4Homocisteinã

homocistein-metiltransferaza

metilcobalamina

COOH

HC

H2C

NH2

H2C S CH3

+

NH

NH

CH2 NH

FH4Metioninã

• transformarea deoxiuridilatului în deoxitimidilat (folosit în sinteză de ADN):

ON

OH2C

HOH

NH

O-

O

PO-

O

O

FH4+

N

NH

CH2 N

CH2

N5, N10-metilen FH4 dUMP

timidilat sintazaO

N

OH2C

HOH

NH

O-

O

PO-

O

O

H3C

dTMP

+

Hidrolazele

Subclase

• Esterazele care pot fi:

–carboxilesteraze (cu substrat R-COOR’)

–tiolesteraze (cu substrat R-CO -SR’)

–fosfomonoesteraze (substrat R-O-PO3H2)

–fosfodiesteraze sau fosfataze (substrat R-O-PO2H-O-R1)

• Glicozidaze• Peptidaze

A-B + H2O A-H + B-OH

NO

H2CO

HOHO

P

O

O-

P

O

O

O-

O-

O-

O

O

P N

NN

NH2

ATP

OH2CO

OHO

N N

NN

NH2

P

O-

O

Adenilatciclaza

HR

AMPc

OH2CO

OHO

N N

NN

NH2

P

O-

O

AMPc

Fosfodiesteraza

Metilxantine

Insulinã

Ca2+-Calmodulinã

5`-AMP

NO

H2CO

HOHO

P

O

O-

O- N

NN

NH2

Liazele

• catalizează reacţii de adiţie reversibile, la legături multiple.

• Anhidraza carbonică catalizează hidratarea dioxidului de carbon:

CO2 + H2O H2CO3

• Fumaraza catalizează hidratarea acidului fumaric la acid malic:

+ H2O HC

CH2

COOH

COOH

OH

Acid malic

COOH

C

C

HOOC

H

H

Acid fumaric

Fumaraza

Izomerazele

• catalizează reacţii de izomerizare:

Racemazele transformă un enantiomer dextrogir în enantiomerul levogir

(+)-Alanina (-)-Alanina

– Epimerazele schimbă configuraţia unui singur

atom de carbon asimetric

D-Glucozã D-Galactozã

D-Galactozã

CH

C

C

O

OHH

C

C

H

H

OH

OH

CH2 OH

H

OH

CH

C

C

O

OHH

C

C

H

OH

OH

H

CH2 OH

H

OH

CH

C

C

O

HOH

C

C

H

OH

OH

H

CH2 OH

H

OH

D-Glucozã D-Manozã

4020

• Izomerazele cis-trans modifică configuraţia unei duble legături

Acid fumaric Acid maleic

• Mutazele schimbă poziţia unei grupări în moleculă

HC

H2C OPO3H2

COOH

OH HC

H2C OH

COOH

OPO3H2

Acid 3-fosfogliceric Acid 2-fosfogliceric

mutazã

Ligazele

• catalizează reacţii de condensare cuplate cu scindare de ATP

• Sinteza glutaminei catalizată de glutaminsintetază:

A-H + B-OH A-B

ATPADP + Pi

Acid glutamic + NH3 GlutaminãATP

ADP

NH3

COOH

CH2

CH2

HC

COOH

NH2

Acid glutamic

ATPADP+Pi

C

CH2

CH2

HC

COOH

NH2

O

NH2

Glutaminã

Glutamin sintetazã+

• Sintazele catalizează legarea a două molecule fără

implicarea ATP

☺aminolevulinat sintaza

☺glicogen sintaza

☺NOS - nitric oxid sintaza

• Vitaminele care pot fi transformate în coenzime pentru a

participa la reacţii de oxido-reducere sunt:

A.Nicotinamida şi riboflavina

B.Vitamina C şi biotina

C.Biotina şi nicotinamida

D.Tiamina şi riboflavina

E.Tiamina şi Biotina

e n z i m e

Documents

Transcript of e n z i m e