Cataliza enzimatica Enzime

Cataliza enzimaticaCataliza enzimaticaEnzimeEnzime

Caracteristici, clasificare si mod de actiuneCaracteristici, clasificare si mod de actiune

Subiecte ce vor fi tratateSubiecte ce vor fi tratate

Ce sunt enzimele?Ce sunt enzimele? Caracteristici generale ale enzimelorCaracteristici generale ale enzimelor Clasificarea enzimelorClasificarea enzimelor Structura enzimelor Structura enzimelor Specificitatea enzimelorSpecificitatea enzimelor Mecanismul catalizei enzimatice Cinetica enzimaticaCinetica enzimatica Cofactori (coenzime, grupari prostetice).Cofactori (coenzime, grupari prostetice). Nomenclatura enzimelorNomenclatura enzimelor



Enzime-definitieEnzime-definitie

Enzimele sunt catalizatori biologici (Enzimele sunt catalizatori biologici (fermentifermenti)) Enzimele sunt Enzimele sunt in generalin general proteine cu rol proteine cu rol

biocataliticbiocatalitic >100 aminoacizi, >10kDa>100 aminoacizi, >10kDa Au structura primara, secundara, tertiara, Au structura primara, secundara, tertiara,

cuaternaracuaternara

Tehnici: cristalografie cu raze X, spectrometrie de Tehnici: cristalografie cu raze X, spectrometrie de masa, fluorescenta, tehnici imunochimice, etcmasa, fluorescenta, tehnici imunochimice, etc

ARN nuclear cu masa moleculara mica ARN nuclear cu masa moleculara mica (ARNsn) =rol catalitic(ARNsn) =rol catalitic

La eucariote, in urma procesului de transcriere, rezulta un ARNm La eucariote, in urma procesului de transcriere, rezulta un ARNm primar care contine exoni (secvente informationale ce se vor primar care contine exoni (secvente informationale ce se vor exprima in proteine) si introni (nu vor fi tradusi in proteine). Acest exprima in proteine) si introni (nu vor fi tradusi in proteine). Acest ARNm primar sufera un proces de excizare a intronilor si legare a ARNm primar sufera un proces de excizare a intronilor si legare a exonilor numit exonilor numit splicingsplicing. Acest proces este catalizat de catre . Acest proces este catalizat de catre complexe formate din proteine si molecule mici de ARN nuclear complexe formate din proteine si molecule mici de ARN nuclear (ARNsn) (din engl.(ARNsn) (din engl.small nuclear RNAs (snRNAs))small nuclear RNAs (snRNAs)) numite numite spliceosomes sau structuri ribonucleoproteice cu masa moleculara spliceosomes sau structuri ribonucleoproteice cu masa moleculara mica, snSNP (din engl. small nuclear ribonucleoprotein particles). mica, snSNP (din engl. small nuclear ribonucleoprotein particles). Fiecare complex contine ARN nuclear cu masa mica (ARNsn) Fiecare complex contine ARN nuclear cu masa mica (ARNsn) format din format din 100 to 200 nucleotide. In nucleii eucarioti exista 5 tipuri 100 to 200 nucleotide. In nucleii eucarioti exista 5 tipuri de ARNsn notate cu U1, U2, U4, U5, si U6 implicate in reactiile de de ARNsn notate cu U1, U2, U4, U5, si U6 implicate in reactiile de excizie a intronilor si legare a exonilor. excizie a intronilor si legare a exonilor.

ARNsn si proteinele din snSNP sunt inalt conservate la eucariote, de ARNsn si proteinele din snSNP sunt inalt conservate la eucariote, de la drojdii la oameni. la drojdii la oameni.

Excizarea intronilor si legarea exonilor in Excizarea intronilor si legarea exonilor in ARNm la eucarioteARNm la eucariote

Aceasta masinarie Aceasta masinarie enzimatica recunoaste enzimatica recunoaste situsurile de excizie a situsurile de excizie a intronilor. Intronii in general intronilor. Intronii in general incep cu GU si se termina incep cu GU si se termina cu AG. Aceste secvente cu AG. Aceste secvente sunt semnale pentru sunt semnale pentru procesul de splicing. procesul de splicing.

ARNm primar

ARNm intermediar

ARNm fara introni

Gruparea 3’OH a guanozinei actioneaza ca o molecula nucleofila atacand fosfatul 5’ la nivelul situsului de excizare

Gruparea 3’OH a exonului dinspre extremitatea 5’ actioneaza ca o molecula nucleofila finalizand excizia intronului

ARNr 23 SARNr 23 S sinteza proteica (procesul de traducere)sinteza proteica (procesul de traducere)

Faza de formare a legăturii peptidiceFaza de formare a legăturii peptidice are are loc cu participarea unei loc cu participarea unei peptidil-transferazepeptidil-transferaze (numită şi (numită şi peptidil-sintetazăpeptidil-sintetază sau sau peptidil-peptidil-polimerazăpolimerază). ARNr 23 S (din subunitatea ). ARNr 23 S (din subunitatea mare 50S) = mare 50S) = peptidil-transferazapeptidil-transferaza are rolul de are rolul de a transfera a transfera formil-metioninaformil-metionina (şi ulterior (şi ulterior formil-formil-di-, -tridi-, -tri-, …, -, …, formil-(poli)-peptidulformil-(poli)-peptidul) de pe ARNt ) de pe ARNt din din locusul peptidillocusul peptidil, pe aminoacil-ARNt din , pe aminoacil-ARNt din locusul aminoacillocusul aminoacil. Peptidil-transferaza . Peptidil-transferaza catalizează formarea catalizează formarea legăturii peptidicelegăturii peptidice între între gruparea carboxil a aminoacidului legat gruparea carboxil a aminoacidului legat anterior de ARNt din locusul peptidil (P) şi anterior de ARNt din locusul peptidil (P) şi gruparea aminică liberă a aminoacidului legat gruparea aminică liberă a aminoacidului legat de ARNt din locusul aminoacil (A). În locusul de ARNt din locusul aminoacil (A). În locusul peptidil a rămas un ARNt descărcat, iar în peptidil a rămas un ARNt descărcat, iar în locusul aminoacil se găseşte acum unlocusul aminoacil se găseşte acum un formil- formil-dipeptidil-ARNt1dipeptidil-ARNt1 (şi ulterior, în etape mai (şi ulterior, în etape mai avansate, un avansate, un formil-peptidil-ARNtformil-peptidil-ARNt, de fiecare , de fiecare dată mai lung).dată mai lung).



Diferente dintre enzime si catalizatori chimici:Diferente dintre enzime si catalizatori chimici: Enzimele sunt in general proteineEnzimele sunt in general proteine Enzimele au Enzimele au specificitatespecificitate pentru un substrat pentru un substrat Specificitatea poate fi “ingusta” pentru un singur fel de substrat (ex. Specificitatea poate fi “ingusta” pentru un singur fel de substrat (ex.

D-Glucoza) sau poate fi “larga” pentru o multitudine de substrate (ex. D-Glucoza) sau poate fi “larga” pentru o multitudine de substrate (ex. Hexoze)Hexoze)

Au o TAu o TooC si pH optim de functionareC si pH optim de functionare Nu sunt produse sau consumate in timpul unei reactii Nu sunt produse sau consumate in timpul unei reactii

chimicechimice Nu declanseaza o reactie chimica ci intensifica viteza Nu declanseaza o reactie chimica ci intensifica viteza

reactiei chimicereactiei chimice Enzimele modifica Enzimele modifica viteza reactieiviteza reactiei dar nu constanta de dar nu constanta de

echilibru a reactiei catalizate.echilibru a reactiei catalizate.Cat timp decurge o reactie catalizata enzimatic?Cat timp decurge o reactie catalizata enzimatic?

Caracteristici generale ale enzimelorCaracteristici generale ale enzimelor



Clasificarea enzimelorClasificarea enzimelor

• 2 criterii majore:2 criterii majore:

SolubilitateSolubilitate

Structura Structura

Dupa solubilitatea (localizarea) enzimelorDupa solubilitatea (localizarea) enzimelor

EnzimeEnzime hidrosolubile hidrosolubile (ex. Enzimele cu localizare (ex. Enzimele cu localizare citosolica, lumenala sau matriceala)citosolica, lumenala sau matriceala)

Enzime Enzime partial hidrosolubile sau insolubilepartial hidrosolubile sau insolubile in apa(ex. in apa(ex. cu localizare membranara, periferica sau cu localizare membranara, periferica sau transmembranara)transmembranara)

Dupa criteriul structuralDupa criteriul structural

2 categorii de enzime: 2 categorii de enzime:

1)1) Enzime numai de natura proteica: Enzime numai de natura proteica:

Ex: ribonucleaze, hidrolazeEx: ribonucleaze, hidrolaze

2) Enzime alcatuite dintr-o parte proteica si una 2) Enzime alcatuite dintr-o parte proteica si una neproteicaneproteica



Structura unei enzimeStructura unei enzime

((HoloHolo))enzimaenzima ( (holofermentholoferment sau sau simplex simplex). ).

Parte proteicăParte proteică (apoenzimă(apoenzimă, , apofermentapoferment sau sau feronferon) )

Parte neproteica-Cofactor (coenzimă, coferment, sau agon)

Structura unei enzimeStructura unei enzime

Componenta proteicăComponenta proteică a enzimei a enzimei determină caracterul de izoenzimă,determină caracterul de izoenzimă, determină specificitatea de substrat determină specificitatea de substrat dirijează specificitatea de acţiune. dirijează specificitatea de acţiune.

Componenta neproteicăComponenta neproteică micromoleculară şi termostabilămicromoleculară şi termostabilă joacă rolul de joacă rolul de coenzimă sau grupare prosteticacoenzimă sau grupare prostetica şi este implicată şi este implicată

în mecanismul catalitic.în mecanismul catalitic.

Centrul activ al enzimelorCentrul activ al enzimelor

Centru activ= totalitatea gruparilor chimice din molecula Centru activ= totalitatea gruparilor chimice din molecula enzimei care recunosc, leaga specific si transforma enzimei care recunosc, leaga specific si transforma molecula de substratmolecula de substrat

Confera specificitate enzimelor pentru substratConfera specificitate enzimelor pentru substrat

Centrul activ al enzimelorCentrul activ al enzimelor

Confera specificitate enzimelor pentru Confera specificitate enzimelor pentru substratsubstrat

Centru activ= totalitatea gruparilor chimice Centru activ= totalitatea gruparilor chimice din molecula enzimei care recunosc, leaga din molecula enzimei care recunosc, leaga specific si transforma molecula de substratspecific si transforma molecula de substrat

Are un caracter hidrofobAre un caracter hidrofobCum se poate mentine intacta functia Cum se poate mentine intacta functia

enzimei?enzimei?

Interactiunea centru activ substratInteractiunea centru activ substrat

2 modele:2 modele: Mecanismul cheie-broasca- Emil Fischer, 1890Mecanismul cheie-broasca- Emil Fischer, 1890 Mecanismul potrivirii induse- Mecanismul potrivirii induse- Daniel E. Koshland,Jr., 1958

Mecanismul cheie-broasca- Emil Fischer, 1890Mecanismul cheie-broasca- Emil Fischer, 1890


Mecanismul potrivirii induse- Mecanismul potrivirii induse- Daniel E. Koshland,Jr., 1958




Specificitatea enzimelorSpecificitatea enzimelor

Specificitate de substratSpecificitate de substrat specificitate de legaturaspecificitate de legatura: enzimele : enzimele

recunosc un anumit tip de legatura recunosc un anumit tip de legatura chimicachimica

Ex: Esterazele recunosc legaturile de tip Ex: Esterazele recunosc legaturile de tip estericesteric

Tripsina recunoaste legatura dintre Arg-Tripsina recunoaste legatura dintre Arg-LysLys

Trombina recunoaste legatura dintre Arg-Trombina recunoaste legatura dintre Arg-GlyGly

stereospecificitatestereospecificitate

• Specificitate de actiuneSpecificitate de actiuneEste determinata de partea proteica a enzimeiEste determinata de partea proteica a enzimeiPiridoxalfosfat-coenzima a transaminazelor, decarboxilazelor, Piridoxalfosfat-coenzima a transaminazelor, decarboxilazelor, liazelor, sintetazelorliazelor, sintetazelor

Ex: L-aminoacid-oxidazele : numai L-aminoacizi !!!Ex: L-aminoacid-oxidazele : numai L-aminoacizi !!!

Arg Lys

Specificitatea enzimelorSpecificitatea enzimelor

• Specificitate absolutaSpecificitate absoluta: enzimele recunosc un anumit : enzimele recunosc un anumit tip de legatura chimica si un anumit component chimictip de legatura chimica si un anumit component chimic

Exemplu: Ureaza degradeaza numai ureeaExemplu: Ureaza degradeaza numai ureea

Exemplu: Hexokinaza metabolizeaza D-glucoza dar nu si 2-Exemplu: Hexokinaza metabolizeaza D-glucoza dar nu si 2-1818F-dezoxi-D-glucoza –utilizare in tehnici de imagisticaF-dezoxi-D-glucoza –utilizare in tehnici de imagistica

Tomografia prin emisie de positroni Tomografia prin emisie de positroni (din engl Positron emission tomography (PET)(din engl Positron emission tomography (PET) ) )

aplicatii in diagnosticarea si tratamentul aplicatii in diagnosticarea si tratamentul cancerului si a bolilor inflamatorii cancerului si a bolilor inflamatorii

Aorta

Izoformele enzimelorIzoformele enzimelor

Izoenzime sau izozimeIzoenzime sau izozime Sunt enzime localizate în aceeaşi celulă sau în celule Sunt enzime localizate în aceeaşi celulă sau în celule

diferite, care îndeplinesc funcţii catalitice diferite, care îndeplinesc funcţii catalitice identiceidentice, dar , dar diferă prin unele proprietăţi cum ar fi diferă prin unele proprietăţi cum ar fi afinitateafinitate pentru pentru substrat, substrat, termostabilitatetermostabilitate, , sarcină electricăsarcină electrică etc. etc.

Izoformele Izoformele llactat actat ddeehhidrogenazei (LDH)idrogenazei (LDH)

LDH-1 (4H) - in LDH-1 (4H) - in inimainima LDH-2 (3H1M) - in LDH-2 (3H1M) - in sistemul reticuloendotelialsistemul reticuloendotelial LDH-3 (2H2M) - in LDH-3 (2H2M) - in plamaniplamani LDH-4 (1H3M) - in LDH-4 (1H3M) - in rinichirinichi LDH-5 (4M) - in LDH-5 (4M) - in ficatficat si si muschiul striatmuschiul striat

((HH este tipul de monomer intalnit in inima, iar este tipul de monomer intalnit in inima, iar MM este monomerul caracteristic este monomerul caracteristic izoenzimei hepatice si musculare)izoenzimei hepatice si musculare)

Rol in diagnosticul medical indicand distrugeri celulare

Enzime cu dubla localizareEnzime cu dubla localizare

În aceeaşi celulă, dar în compartimente diferite, pot În aceeaşi celulă, dar în compartimente diferite, pot exista enzime cu aceeaşi specificitate de substrat, dar cu exista enzime cu aceeaşi specificitate de substrat, dar cu proprietăţi fizice şi chimice diferiteproprietăţi fizice şi chimice diferite

Enzime biloculare – mitocondriale şi citosolice: Enzime biloculare – mitocondriale şi citosolice: aspartat-aminotransferaza (GOT) aspartat-aminotransferaza (GOT) malat-dehidrogenaza, malat-dehidrogenaza, izocitrat-dehidrogenaza, izocitrat-dehidrogenaza, -glicerofosfat-dehidrogenaza.-glicerofosfat-dehidrogenaza.

Complexe enzimaticeComplexe enzimatice Enzimele pot fi organizate in complexe enzimatice atunci cand produsul unei reactii

este rapid preluat si transformat de o alta enzima Diferite grade de organizare:Exemple: acid-gras sintetaza cu localizare citosolică. Acest sistem enzimatic, descoperit

de Lynen în drojdie, apare ca fiind format din 6 enzime diferite, grupate în jurul unei proteine centrale purtătoare de radical acil. Întregul sistem enzimatic are masa moleculară de 2300 kDa

Complexe multienzimatice: enzime asociate cu ribozomii, enzimele lantului respirator

Catene polipeptidice formate din domenii cu Catene polipeptidice formate din domenii cu activitati enzimatice diferiteactivitati enzimatice diferite

La mamifere, La mamifere, acid gras sintetazaacid gras sintetaza este un dimer cu subunităţile este un dimer cu subunităţile identice. Fiecare subunitate este asamblată din trei domenii, unite identice. Fiecare subunitate este asamblată din trei domenii, unite între ele prin regiuni flexibile. Domeniul între ele prin regiuni flexibile. Domeniul II, reprezentând unitatea de , reprezentând unitatea de intrare a substratului, conţine: intrare a substratului, conţine: acetil transferaza, malonil transferazaacetil transferaza, malonil transferaza şi şi ββ-cetoacil sintetaza-cetoacil sintetaza (enzima de condensare). Domeniul (enzima de condensare). Domeniul IIII reprezentând unitatea de reducere, conţine: reprezentând unitatea de reducere, conţine: ACP, ACP, ββ-cetoacil -cetoacil reductaza, enzima de deshidratarereductaza, enzima de deshidratare şi şi enoil reductazaenoil reductaza. Domeniul . Domeniul IIIIII este unitatea de eliberare a palmitatului şi conţine este unitatea de eliberare a palmitatului şi conţine tioesterazatioesteraza. .



Mecanismul catalizei enzimatice Mecanismul catalizei enzimatice Caracteristici generaleCaracteristici generale

Enzimele sunt catalizatori biologici (Enzimele sunt catalizatori biologici (fermentifermenti)) Nu sunt produse sau consumate in timpul unei reactii Nu sunt produse sau consumate in timpul unei reactii

chimicechimice Nu declanseaza o reactie chimica ci intensifica viteza Nu declanseaza o reactie chimica ci intensifica viteza

reactiei chimicereactiei chimice

(Enzimele modifica (Enzimele modifica viteza reactieiviteza reactiei dar nu dar nu constanta de echilibru a reactiei catalizate)constanta de echilibru a reactiei catalizate)

Mecanismul catalizei enzimaticeMecanismul catalizei enzimatice

Energia libera a unei reactii (Energia libera a unei reactii (∆G)∆G)

Energia de activare: necesara energizarii unui Energia de activare: necesara energizarii unui substrat pentru a atinge o substrat pentru a atinge o stare de tranzitiestare de tranzitie in in care exista o mare probabilitate ca o legatura care exista o mare probabilitate ca o legatura chimica sa se formeze sau sa se rupa in substratchimica sa se formeze sau sa se rupa in substrat

Enzimele Enzimele reduc energia de activarereduc energia de activare fara sa fara sa afecteze energia libera a reactiei afecteze energia libera a reactiei ((G) Astfel, Astfel, enzimele enzimele cresc viteza de reactiecresc viteza de reactie

S + E S + E ↔ ↔ E-SE-S →→ E + P E + P

Enzimele Enzimele reduc energia de activarereduc energia de activare fara sa afecteze energia libera a fara sa afecteze energia libera a reactiei (reactiei (G). Astfel, enzimele . Astfel, enzimele cresc viteza de reactiecresc viteza de reactie..

Progresul reactieiProgresul reactiei

S

PG

Energia de activare a reactiei necatalizate

Energia de activare a reactiei catalizate

Ene

rgie

Ene

rgie

Rolul metalelor in cataliza enzimaticaRolul metalelor in cataliza enzimatica

- Sunt componente esentiale ale centrului catalitic - Sunt componente esentiale ale centrului catalitic (activ);(activ);

- Intermediaza formarea complexului ES;Intermediaza formarea complexului ES;- Necesar in mentinerea structurii 3D a enzimei;Necesar in mentinerea structurii 3D a enzimei;- Participa in reactii de transfer de electroniParticipa in reactii de transfer de electroni


Metaloenzime:Metaloenzime:- - FeFe-enzime: grup prostetic -enzime: grup prostetic hemhem (citocromi, (citocromi,

catalaze, peroxidaze);catalaze, peroxidaze);- - CuCu-enzime: citocromoxidaza, superoxid--enzime: citocromoxidaza, superoxid-

dismutaza, tiroxin-hidroxilaza;dismutaza, tiroxin-hidroxilaza;- - MnMn-enzime: peptidaza, arginaza, izocitrat--enzime: peptidaza, arginaza, izocitrat-

dehidrogenaza;dehidrogenaza;- - CoCo-enzime: cobalamin-enzime;-enzime: cobalamin-enzime;- Se-enzime- Se-enzime: glutationperoxidaza : glutationperoxidaza


Enzimele nu acţionează toate după un Enzimele nu acţionează toate după un singur mecanism de reacţie universal singur mecanism de reacţie universal valabilvalabil

Dintre numeroasele mecanisme de Dintre numeroasele mecanisme de acţiune propuse, cele mai importante sunt:acţiune propuse, cele mai importante sunt:

cataliza acido-bazică, cataliza acido-bazică, cataliza covalentăcataliza covalentăcataliza prin distorsiune.cataliza prin distorsiune.

Cataliza acido-bazicaCataliza acido-bazica

Este cel mai frecvent mecanism întâlnit în Este cel mai frecvent mecanism întâlnit în cataliza enzimatică cataliza enzimatică

Consta in Consta in procese de transfer de protoni intre procese de transfer de protoni intre gruparile acido-bazice ale enzimei si cele ale gruparile acido-bazice ale enzimei si cele ale substratuluisubstratului

În calitate de catalizatori acido-bazici generali În calitate de catalizatori acido-bazici generali pot funcţiona grupările carboxilice sau aminice pot funcţiona grupările carboxilice sau aminice libere ale resturilor aminoacizilor acizi sau bazici; libere ale resturilor aminoacizilor acizi sau bazici; gruparea tiol a cisteinei, gruparea imidazol a histidinei şi gruparea tiol a cisteinei, gruparea imidazol a histidinei şi gruparea hidroxil a tirozinei.gruparea hidroxil a tirozinei.

Cataliza covalentaCataliza covalenta

Formarea complexului enzimă-substrat Formarea complexului enzimă-substrat presupune formarea unei legături presupune formarea unei legături puternice, de tip covalent (punere in puternice, de tip covalent (punere in comun a electronilor), între S şi Ecomun a electronilor), între S şi E

Cataliza prin deformare (distorsiune)Cataliza prin deformare (distorsiune)

Se aplică în special la enzimele hidroliticeSe aplică în special la enzimele hidrolitice Accelerarea vitezei de reacţie prin acest Accelerarea vitezei de reacţie prin acest

mecanism s-ar datora inducerii unei tensiuni în mecanism s-ar datora inducerii unei tensiuni în molecula substratului, ceea ce ar determina molecula substratului, ceea ce ar determina “activarea” sa. “activarea” sa.

Se presupune astfel că legarea specifică a Se presupune astfel că legarea specifică a substratului de molecula enzimei induce apariţia substratului de molecula enzimei induce apariţia unei tensiuni sau a unei unei tensiuni sau a unei deformări în legătura deformări în legătura ce urmează a fi scindatăce urmează a fi scindată. .

Deformarea survenită permite complexului Deformarea survenită permite complexului enzimă-substrat să fie mai reactiv decât enzimă-substrat să fie mai reactiv decât substratul singur şi să se transforme mai rapid în substratul singur şi să se transforme mai rapid în produşii de reacţie. produşii de reacţie.

Documents

Cataliza enzimatica Enzime