Enzymy - wetaaa PDF

Preview

Summary

Enzymy z wety...

Description

Enzymy (definicja, właściwości, podział, schemat działania, nazwy klas głównych, czynniki wpływające na szybkość reakcji enzymatycznej). Enzymy są złożonymi, ciepło chwiejnymi, wielkocząsteczkowymi katalizatorami o charakterze białkowym inaczej biokatalizatory , wytwarzanymi wyłącznie przez żywe komórki oraz odznaczają się dużą swoistością w, przyśpieszaniu lub nadawaniu odpowiedniego kierunku reakcjom chemicznym. Zasadniczym elementem budowy cząsteczki enzymu są białka. W cząsteczce tej mogą też występować składniki niebiałkowe, np. koenzymy, aktywatory, inhibitory. Enzymy charakteryzują się wysoką specyficznością w stosunku do substratu i funkcjonalna: - specyficzność substratowa- dany enzym katalizuje przemiany tylko określonego substratu lub grupy substratów do siebie podobnych. - Specyficzność funkcjonalna- enzymy katalizują ściśle określoną przemianę. Klasy enzymów: - Oksydoreduktazy - zaliczamy tu enzymy, których funkcja katalityczna polega na odczepieniu atomów wodoru z odpowiedniego donatora i przenoszeniu ich na odpowiedni akceptor. - Transferazy - zebrano tu enzymy, które katalizują przenoszenie charakterystycznych grup z jednego związku na drugi. - Hydrolazy - obejmują enzymy katalizujące procesy hydrolizy wiązań estrowych, eterowych i peptydowych. Hydrolityczny rozkład tych wiązań zachodzi z równoczesnym dołączeniem cząsteczki wody. - Liazy - klasa ta obejmuje enzymy katalizujące rozszczepienie wiązania C-C, C-O, C-N, C-S oraz węgiel-halogenek. W procesie rozszczepiania nie biorą udziału cząsteczki wody. - Izomerazy - klasa ta obejmuje enzymy katalizujące przekształcenia struktury przestrzennej cząsteczki, bez jej rozkładu. - Ligazy - zwana też klasą syntetaz, obejmuje enzymy katalizujące wytwarzanie nowych wiązań kowalencyjnych. Nazwa enzymu

Działanie

Oksyreduktazy

- dehydrogenazy – przenoszenie protonów i elektronów na (lub z) koenzym lub tlen, - oksydazy – aktywują tlen cząsteczkowy przez przeniesienie nań elektronów, wskutek czego może on się łączyć z protonami wydzielonymi uprzednio z roztworu tworząc H2O, rzadziej H2O2, - oksygenazy i hydroksylazy, - peroksydazy, Katalizują przeniesienie pewnych - aminotransferazy (przeniesienie grupy aminowej), grup z jednego związku (donoru) - kinazy (przeniesienie reszty fosforanowej) - acylotrasferazy (przeniesienie grupy acylowej) na inny związek (akceptor) - glikozylotransferazy Katalizują reakcje hydrolizy - esterazy- rozkładają wiązania estrowe, - glikozydazy- działają na wiązania glikozydowe, - peptydazy- rozkładają wiązania peptydowe, - amidazy- rozkładają wiązania amidowe, Katalizują odłączenie od - dekarboksylazy- atakują wiązania C-C, substratu grup, bez udziału wody - hydratazy – działają na wiązania C-O, - deaminazy- katalizują rozkład wiazań C-N, Izomeraza glukozowa przetwarzająca glukozę w równowagową Katalizują odwracalnie mieszaninę glukozy i fruktozy, transformację w odmiany izomeryczne danego związku - Aktywacja wiązania C-C (karboksylazy) Katalizują wytwarzanie wiązań - aktywacja wiązania C-N (np. ligazy kwas- aminokwas) między cząsteczkami, co jest połączone z rozpadem bogatego w energię wiązania w związku makroergicznym np.ATP

Transferazy

Hydrolazy

Liazy

Izomerazy

Ligazy

Katalizują reakcje utleniania i redukcji poprzez przenoszenie protonów lub neutronów

Przykłady

Enzymy możemy podzielić na: - enzymy produkowane i stosowane w dużych ilościach, są to głównie enzymy hydrolityczne (glukoamylazy, amylazy, proteazy, pektynazy) o stosunkowo niskich cenach, produkcja w skali światowej jest rzędu setek tysięcy ton, - enzymy specjalne, produkowane w znacznie mniejszych ilościach, za to w formie bardzo czystej, otrzymanie enzymów tej grupy ma zwykle charakter preparatywny i przeprowadzane jest w skali laboratoryjnej. Można je również podzielić na: - endoenzymy- enzymy katalizujące reakcje wewnątrz komórki, - ektoenzymy- enzymy, które hydrolizują pozakomórkowo związki wielkocząsteczkowe np. białka. Istnieje również podział enzymów ze względu na substancję na jaką działają: - enzymy proteolityczne- rozczepiają białka, - enzymy amylolityczne- rozkładają skrobię i inne węglowodany, - enzymy lipolityczne – działają na tłuszcze,

Mechanizm działania : Mechanizm procesu katalizy enzymatycznej polega na obniżeniu energii aktywacji tj. energii jaką należy dostarczyć cząsteczką substratu , aby stały się one zdolne do reakcji. Jest to znaczna ilość energii potrzebna do rozerwania wiązań kowalencyjnych , typowych dla związków organicznych występujących w organizmach żywych. Układy biologiczne nie są zdolne do wytwarzania energii w ilościach wystarczających do rozerwania większości rodzajów istniejących w tych układach wiązań. Barierę energetyczną pokonują dzięki enzymom, które w części białkowej zawierają grupy chemiczne zdolne do wytworzenia z cząsteczkami substratu przejściowego połączenia kompleksu enzym- substrat wymagającego znacznie mniejszego nakładu energii. Enzym + Substrat = Kompleks = Produkt + Enzym Wiązanie substratu z enzymem zachodzi w określonym miejscu białka enzymatycznego , zwanym centrum aktywnym. W centrum aktywnym cząsteczki substratu ulegają przemianom. Na skutek oddziaływania enzymu dochodzi do przemieszczania ładunków elektrycznych i przegrupowania elektronów w cząsteczkach substratu. Elektrony , które znajdą się w stanie posiadania wysokiej energii spowodują rozerwanie wiązań w cząsteczkach substratu. Tak zaaktywowane cząsteczki substratu w końcowym efekcie tych przemian tworzą cząsteczki produktu. Równocześnie z pierwotnego , przejściowego kompleksu ES wyzwala się wolny enzym. Właściwości enzymów : Właściwości enzymów odpowiadają właściwością białek , co jest dowodem ich białkowej struktury. Podobnie jak białka są wrażliwe na wpływ zewnętrznych czynników , od których zależy przebieg reakcji enzymatycznych . A więc od : - temperatury - stężenia jonów wodorowych środowiska (pH środowiska) - obecności i stężenia innych związków w środowisku reakcji enzymatycznych (aktywatory ,inhibitory) Wpływ temperatury : Szybkość reakcji chemicznych wzrasta 2-4 krotnie przy podwyższeniu temp. O 10 stopni C. Należy jednak pamiętać , że w skład enzymów wchodzi część białkowa więc w podwyższonej temp. W większości przypadków ulegają one nieodwracalnym zmianom strukturalnym tzw. Denaturacji, przy ogrzaniu powyżej temp. 50 –70 C ,powoduje to utratę właściwości biologicznych i zdolności enzymu.W reakcji enzymatycznej zatem , ze wzrostem temperatury początkowo wzrasta szybkość reakcji , ale po osiągnięciu pewnego optimum spada z powodu denaturacji części białkowej a tym samym następuje inaktywacja enzymu.

Większość enzymów spełnia swoje funkcje w temp. 0 -50C, a optimum temperaturowe przypada w granicach 35- 45C.

Wpływ pH środowiska : Aktywność enzymu na daną reakcje zależy w dużej mierze od stężenia jonów wodorowych środowiska reakcyjnego . Zbyt kwaśne lub zbyt alkaiczne środowisko powoduje denaturację białka. Reakcje przebiegają najlepiej , gdy enzym jest w pewnym określonym stanie zjonizowania. Enzymy są białkami , a zatem stan zjonizowania ich cząsteczek jako związków amfoterycznych zależy od pH środowiska. Zbyt duże stężenie jonów wodorowych czy wodorotlenowych niszczy nieodwracalnie zdolność katalityczną enzymu. Zakres i wartość optymalna pH jest dla różnych enzymów różna i stanowi ich cechę charakterystyczną. Wartość liczbowa pH przy której reakcja enzymatyczna osiąga największą szybkość nosi nazwę optimum pH. Wpływa aktywatorów i inhibitorów : Aktywatorami nazywamy substancje zwiększające szybkość reakcji enzymatycznych , inhibitorami substancje zmniejszające szybkość reakcji enzymatycznych , a czasem hamujące nawet zupełnie działanie enzymów. Rola aktywatorów polega na zabezpieczeniu grupy czynnej enzymu przed inhibicją lub jeśli ta już nastąpiła, na reaktywowaniu jej. Inhibitory blokują grupy czynne enzymów. Z chwilą gdy połączenie inhibitora z enzymem ulega rozerwaniu, enzym odzyskuje swoja pierwotną aktywność. Wyróżniamy dwa typy inhibicji: - inhibicja współzawodnicza- w przypadku, gdy inhibitor o strukturze podobnej do substratu, łączy się odwracalnie z enzymem: E + I  EI - inhibicja niewspółzawodnicza- polega na odwracalnym połączeniu się inhibitora z kompleksem ES: ES + I  ESI Niektóre enzymy wytwarzane są w organizmie w postaciach katalicznie nie czynnych , jako tzw. proenzymy , będące prekursorami właściwych enzymów. Aktywacja proenzymów przebiega na drodze proteolizy – hydrolizy określonych wiązań peptydowych. Procesowi temu towarzyszą zmiany konformacyjne , prowadzące do odsłonięcia albo utworzenia aktywnego centrum białka enzymatycznego. Przemianę proenzymu w enzym aktywny katalizują enzymy proteolityczne bądź jony wodorowe, np. Pepsynogen  pepsyna Aktywatorami mogą być jony niektórych metali np. Mg 2+ , Ca 2+ . Cl – aktywuje amylazę ślinową Inhibitorami mogą być różne substancje zależnie od rodzaju enzymu np. cyjanki i tlenek węgla.

Przykłady preparatów enzymatycznych stosowanych w przemyśle: - zasadowe proteazy bakteryjne- zużywane są przez przemysł chemii gospodarczej jako składniki proszkóe do prania. Wykazują one wysoką aktywność w podwyższonych temperaturach, niska specyficzność, odporność na alkaliczne składniki proszków. Proteazy te wytwarzane są przez bakterie Bacillus licheniformis, Bacillus amyloliquefaciens. - kwaśne proteazy grzybowe- otrzymane z hodowli grzybów Aspergillus niger, A. Oryzea stosowane są do hydrolizy białek z soi przy produkcji sosu sojowego. Proteazy otrzymane z Mucor pusillus i Mucor miehei używane są do wytracania kazeiny. - -amylazy- najczęściej pochodzenia bakteryjnego (Bacillus licheniformis , Bacillus amyloliquefaciens). Głównie stosowane są do upłynniania skrobi oraz wytwarzania różnego rodzaju skrobi modyfikowanych. Wykorzystywane są w browarnictwie, przemyśle tekstylnym, piekarnictwie, cukiernictwie.

-

glukoamylazy glukozoizomerazy pektynazy celulazy -galaktozydazy Inwertaza Lipazy Oksydaza glukozowa

Enzym immobilizowany Jest to enzym , który został unieruchomiony na stałym podłożu przez co uzyskał właściwości fizyczne nośnika. Immobilizacji poddać można rozpuszczalny enzym lub kompleks enzymów. Wykorzystywany jest m.in.do produkcji biodesla. Najczęściej stosowane metody immobilizacji enzymów to: -

fizyczna immobilizacja w membranie do dializ

-

immobilizacja w materiale żelowym

-

kowalencyjne związanie z matrycą żelową

-

bezpośrednie związanie kowalencyjne z powierzchnią np. sensora

Zalety immobilizacji enzymów: - proces wpływa pozytywnie na stabilizowanie struktury białek co przejawia się zwiększeniu ich stabilności termiczne i odporności na działanie chemicznych czynników denaturujących - immobilizacja enzymów pozwoliła na zastosowanie ich środowiasku rozpuszczalników organicznych - pozwala także na łatwe oddzielenie go od mieszaniny reakcyjnej...