Az enzimműködés termodinamikai és szerkezeti alapjai

Átírás

1 Dr. Tretter László, Dr. Kolev Kraszimir Az enzimműködés termodinamikai és szerkezeti alapjai február 27., március 2. 1 Mit kell(ene) tudni az előadás után: 1. Az enzimműködés termodinamikai sémája, entrópia- és entalpiaváltozások a katalitikus ciklusban az indukált illesztés modellje szerint 2. Enzimek hatása a reakciók egyensúlyára és sebességére 3. A katalitikus hatás kémiai szerkezeti alapjai a szerinproteázok példáján 4. Kofaktorok szerepe glikogén-foszforiláz példáján 5. Az enzimhatás ph- és hőmérséklet-függése 6. Az enzimek osztályozása (a tankönyv alapján) 2 1

2 A termodinamika második törvénye (spontán folyamatok iránya S>0) q S S 0 reagensek Skörnyezet T Amennyiben a reakció úgy zajlik, hogy a környezetben csak hő felvétel vagy leadás történik: S környezet H T G H T S reagensek 0 Kisszótár: H: entalpiaváltozás, reakcióhő G: Gibbs-féle energiaváltozás S: entrópiaváltozás 3 ve A B v h Mit jelent a a G 0 után? Gibbs-féle energiaváltozás és egyensúly 0 [ B] G G ' RT.ln [ A ] [A]=1 mol/l; ph=7.0; T=298 K; p=101,3 kpa 0 [ B] G ' RT.ln RT.lnK [ A] 4 2

3 Enzimek definíciója és általános tulajdonságai Az élőszervezetekben működő katalizátorok (reakciósebesség növelése) Specificitás Szabályozhatóság A ve vh B Kérdés 1: Módosul-e enzim hatására A és B egyensúlyi koncentrációja? Kérdés 2: A v e és v h növelése azonos mértékű-e enzim hatására? 5 Az enzimműködés kinetikai és termodinamikai aspektusai - termodinamika: folyamatok spontaneitása, iránya - kinetika: folyamatok sebessége Mi a kapcsolat a két megközelítés között? A tranzíciós állapot A P dp [ ] v k[ A] dt 6 3

4 A reakciósebességi állandó értelmezése Arrhenius egyenlet E a k Ae RT A és E a értelmezése kolliziós elmélet alapján Az enzimek csökkentik az E a értékét E hatás háttere: Termodinamikai Szerkezeti 7 A Gibbs-féle aktivációs energia értelmezése K A A B Kvázi-egyensúlyban K [ A ] [ A] G RT.ln K H T S Tehát Tehát [ ] [ ] S R A A e e A tranzíciós állapot elérésének van egy entalpiás és egy entrópiás komponense H RT 8 4

5 Az aktivációs entalpia és entrópia értelmezése Magas aktivációs entalpia: kémiai kötések jelentős torzítása és bontása Nagy negatív aktivációs entrópia: a reagáló molekulák nagyfokú rendezettsége és orientáltsága valamint a közeg (oldószer) rendezettsége Enzimek hatása az aktiválási entalpiára és entrópiára: az indukált illesztés modell szerkezeti alapjai szubsztrátok közelsége térbeli orientáltság kényszer pozicionálási feszültség a kémiai kötésekben kölcsönhatások további funkciós csoportokkal 9 Az enzimek kémiai természete Az összes enzim fehérje vagy RNS Miért van szükség makromolekulára? Katalitikus hatás entalpiás és entrópiás komponenséhez Specificitás növeléséhez Szabályozhatósághoz 10 5

6 Az enzimek makromolekuláris természete és a konformációs entrópia Science 2017 Jan. 20; 355: Szerin-proteázok hatásmechanizmusa 1. A katalizált reakció 12 6

7 Szerin-proteázok hatásmechanizmusa 2. A szubsztrát kötődése Gibbs-féle energia a katalitikus ciklus alatt 13 Szerin-proteázok hatásmechanizmusa 3. Az aktív centrum közelebbről 14 7

8 Szerin-proteázok hatásmechanizmusa 4. az enzim-szubsztrát komplex első tetraéderes állapota Gibbs-féle energia a katalitikus ciklus alatt - A Ser195 hidroxil oxigén atomjától egy proton kerül át a His57-hez, a His57-től pedig egy proton kerül át az Asp102-höz - A Ser195 nukleofil oxigénje így megtámadja a hasítandó peptid kötés karbonil C-atomját és létrehozza az enzim-szubsztrát komplex első tetraéderes tranzíciós állapotát 15 Szerin-proteázok hatásmechanizmusa 5. a peptid kötés hasítása Gibbs-féle energia a katalitikus ciklus alatt - A tetraéderes szerkezet szétesik acil-enzim köztitermékre és egy új N- terminálisú peptidre 16 8

9 Szerin-proteázok hatásmechanizmusa 6. az enzim-szubsztrát komplex második tetraéderes állapota Egy víz molekula belép az aktív centrumba és megtámadja az észter kötést, a karbonil C-atom körül ismét egy tetraéderes szerkezet jön létre, miközben a vízről egy proton kerül át a His57-hez. Gibbs-féle energia a katalitikus ciklus alatt 17 Szerin-proteázok hatásmechanizmusa 7. az enzim és a szubsztrát közötti észter kötés hasítása Gibbs-féle energia a katalitikus ciklus alatt - A tetraéderes szerkezet szétesik az új C-terminálisú peptid leválásával. - A Ser195 visszanyeri H-atomját a His57-ről és így helyreáll az aktív centrum eredeti állapota. 18 9

10 Glikogén foszforiláz hatásmechanizmusa 1. a katalizált reakció, izoenzimek fogalma Izom GPMM: 841 AS (PYGM gén) Máj GPLL: 846 AS (PYGL gén) Agy, szív GPBB: 862 AS (PYGB gén) 19 Glikogén foszforiláz hatásmechanizmusa 2. az enzim szerkezete és aktív centruma

11 Glikogén foszforiláz hatásmechanizmusa 3. a kofaktor a kofaktor Piridoxál-foszfát A kofaktor foszfát csoportja proton donorként viselkedik 21 Kofaktorok és koenzimek az enzimek működésében Koenzim Vitamin Reakció Biotin Biotin Karboxilezés Flavin koenzimek (FMN, FAD) Riboflavin (B2) Oxidáció-redukció Kobalamin koenzimek Kobalamin (B12) Alkil-transzfer (dezoxiadenozil-kobalamin, metil-kobalamin) Koenzim-A Pantotensav Acil-transzfer Liponsav Acil-transzfer Nikotinamid-koenzimek Niacin Oxidáció-redukció (NAD, NADP) Piridoxál-foszfát Piridoxin (B6) Aminocsoport-transzfer Tetrahidrofolát Folsav Egy C-atom csoporttranszfer 22 Tiamin-pirofoszfát Tiamin (B1) Karbonil-transzfer 11

12 Glikogén foszforiláz hatásmechanizmusa 4. a kofaktor szerepe a katalitikus mechanizmusban A kofaktor foszfát csoportja proton donorként viselkedik a szubsztrát foszfát számára, amely így protont adhat át a glikozidos kötés O-atomjának és ezzel a glikozidos kötés elhasad, a foszfát pedig nukleofil támadással a glikozidos kötésből leváló protonált metenil csoporthoz kötődik.. 23 Kofaktorok, prosztetikus csoportok és koenzimek 24 12

13 Az enzimhatás ph-függése Kisszótár: enzimaktivitás= az enzim által katalizált reakció sebessége 25 Az enzimhatás ph-függésének szerkezeti háttere 26 13

14 Az enzimhatás hőmérséklet-függése 27 Az optimális hőmérséklet mítosza 28 14

15 Releváns tankönyvfejezetek oldal oldal (bioenergetikai alapfogalmak) 29 15