ENZIMI bioloski katalizatori

EnzimiEnzimi su katalizatori biolokog porekla.Funkcija im se sastoji u ubrzavanju hemijskih procesa.Biokatalizatori nemaju ni energetsku ni gradivnu ulogu, ali je njihova aktivnost neophodna za odvijanje procesa koji su bitni za normalno funkcionisanje organizma.

EnzimiBitna karakteristika biokatalizatora je:Da su aktivni u minimalnim koliinama,Da se ne nalaze u konanim produktima reakcija koje katalizuju,Da ne menjaju konstantu ravnotee hemijskih reakcija.

EnzimiEnzimi su mnogo efikasniji od neorganskih katalizatora.Enzimi pokazuju manju ili veu specifinost prema supstratu i prema vrsti hemijske reakcije koju kataliu.Poto su proteinske prirode, enzimi su podloni procesima denaturacije.Iako se direktno ne troe u hemijskim reakcijama koje kataliu, enzimi imaju odreeno vreme trajanja pa se vre procesi razgradnje i resinteze njihovih molekula.

EnzimiAktivnost enzima podlee regulaciji pod uticajem razliitih faktora koncentracije supstrata, kofaktora, aktivatora, inhibitora itd.Enzimi svoju katalitiku aktivnost ispoljavaju pri relativno niskim temperaturama, pri skoro neutralnim pH vrednostima i uz nizak atmosferski pritisak.

EnzimiUeem enzima se ispoljava jedna od najbitnijih osobina ive elije: sposobnost ostvarivanja vrlo sloenih hemijskih reakcija za veoma kratko vreme i pri relativno niskim temperaturama.Moe se rei da enzimi omoguavaju ivot, jer se reakcije koje katalizuju odvijaju u svakom ivom organizmu.Izuzetno su retke reakcije u organizmu koje se odvijaju spontano, bez katalitikog dejstva fermenata.

EnzimiBrzina hemijskih reakcija koje katalizuju fermenti je 106 do 1014 puta vea od brzine odgovarajuih reakcija koje se odvijaju spontano.

EnzimiPoto imaju veliku katalitiku efikasnost, enzimi omoguavaju ekonomian tok sloenih metabolikih procesa jer obezbeuju odvijanje hemijskih reakcija uz minimalan utroak energije.

Struktura enzimaEnzimi su globularni proeini sa aktivnim mestom.

Struktura enzimaEnzimi su po hemijskoj grai svojih molekula proteini, to znai da se sastoje iz jednog ili vie peptidnih lanaca.U zavisnosti od toga da li pored AK sadre i neku neproteinsku materiju, dele se na dve osnovne grupe:protein enzime u iju strukturu ulaze samo AKproteid enzime koji pored AK u svojim molekulima imaju neproteinsku komponentu (koenzim).

Struktura enzimaKod proteid enzima se proteinska komponenta zove apoenzim, neproteinski deo koenzim, a zajedno oni ine holoenzim.

Struktura enzimaKoenzim se vezuje za enzim vezama razliite stabilnosti (kovalentne veze, a kod nekih i van der Waals-ove sile).Ako se apoenzim i koenzim razdvoje prestaje katalitika aktivnost fermenta.Apoenzim je nosilac specifinosti enzima prema supstratu, a koenzim odreuje tip hemijske reakcije koju enzim katalizuje.

Struktura enzimaSvaki enzim (kao i proteini koji nisu katalizatori) ima specifinu strukturu koja je genetski uslovljena i od koje zavise njegove hemijske, fizike i funkcionalne osobine.Ta specifina graa je predstavljena precizno odreenom sekvencom AK u peptidnom lancu i oznaava se kao primarna struktura.Osim primarne, enzimi imaju izraenu i sekundarnu i tercijarnu strukturu, a neki i kvaternernu.

Struktura enzimaMnoge AK pored amino i karboksilne grupe koje uestvuju u stvaranju peptidnih veza i tako izgrauju peptidni lanac imaju i druge hemijske grupe koje mogu da sudeluju u obrazovanju dodatnih spojeva vanih za nastajanje sekundarne i tercijarne strukture.Sekundarna i tercijarna struktura su uslovljene primarnom graom peptidnog lanca.

Struktura enzimaSekundarna struktura se stvara obrazovanjem vodonikovih veza izmeu susednih AK, tako da nastaje helikoidna formacija.

Tercijarna struktura se obrazuje uspostavljanjem hemijskih veza izmeu udaljenih AK (po primarnom rasporedu), zbog ega dolazi do njihovog pribliavanja i do savijanja peptidnog lanca pa molekul dobija izgled loptaste formacije (globularna struktura). Veze koje odreuju tercijarnu strukturu su elektrostatike, van der Waals-ove, hidrofobne interakcije itd.

Struktura enzimaZa enzim je veoma vana tercijarna struktura koja je bitna za aktivnost veeg broja funkcionalnih grupa u molekulu u koje spadaju:aktivni centar (za koji se vezuje supstrat),regulatorni centar,delovi za koje se vezuje koenzim,delovi pomou kojih se enzim vezuje za bioloke membrane,delovi koji omoguavaju vezivanje subjedinica.

Struktura enzimaPoto su enzimi proteinske prirode, delovanjem razliitih fizikih i hemijskih agenasa moe da se izvri njihova denaturacija.Denaturacija je proces povezan sa raskidanjem intramolekulskih hemijskih veza, usled ega dolazi do promene sekundarne i tercijarne strukture, a time se naruava i katalitika sposobnost enzima i oni se inaktiviraju.

Katalitiki centar aktivni centarTo je deo molekula enzima koji neposredno uestvuje u vezivanju supstrata.Ovaj centar je sastavljen iz malog broja funkcionalnih grupa i predstavlja mali deo molekula enzima.Ukoliko enzim pripada proteid fermentima, u sastav aktivnog centra ulazi i koenzim.

Katalitiki centar aktivni centarKarakteristino za strukturu enzimskih molekula je to da na povrini molekula postoji duboki usek koji moe prodirati i veoma duboko u unutranjost globule.Po zidovima ovog useka se nalazi mnotvo hidrofobnih aminokiselinskih ostataka.

Katalitiki centar aktivni centarUpravo ovaj usek koji se nalazi na svakom enzimskom molekulu je pozicija gde se nalazi aktivno mesto.Supstrat mora, da bi reagovao sa enzimom, duboko da ue u hidrofobnu unutranjost enzima gde su u tano odreenom odnosu komplementarno sa odreenim grupama supstrata rasporeene grupe aminokiselinskih ostataka enzima koje prihvataju supstrat gradei enzim supstrat kompleks.PRELAZNO STANJE E + S = [ES] = E + P

Energetski uslovi za odvijanje reakcijeEnzimi su bioloki aktivni proteini koji deluju na organske materije (supstrate) ubrzavajui njihovu transformaciju u produkte hemijske reakcije.Pri ostvarivanju jedne hemijske reakcije postoje razliite prepreke koje treba da se savladaju da bi estice stupile u reakciju. Jedna od tih prepreka je valentna priroda hemijskih supstanci koje stupaju u reakciju.

Energetski uslovi za odvijanje reakcijeOrganska jedinjenja su slabo reaktivna i inertna pa ih je neophodno prvo aktivirati.Upravo ta energija koja je neophodna da bi se svi molekuli jednog reaktanta doveli u aktivno stanje je energija aktivacije.Dejstvo katalizatora se sastoji u sniavanju energije aktivacije.

Energetski uslovi za odvijanje reakcijeSutina katalitikog delovanja enzima je u tome da oni sniavaju energiju aktivacije neophodnu za datu hemijsku reakciju, upuujui je zaobilaznim putem, preko niza meureakcija koje se odvijaju u enzim supstrat kompleksu.Te meureakcije zahtevaju znatno manje energije nego direktna reakcija i zbog toga one teku bre zahvaljujui emu se poveava i brzina osnovne reakcije transformacije supstrata u produkte.

Energija aktivacije katalisanih reakcija je mnogo manja

U prisustvu enzima treba manje energije za odvijanje nekog procesabez enzima

sa enzimom

Kinetika enzimske reakcijePri odvijanju hemijske reakcije u in vitro uslovima, obezbeeni su konstantni uslovi: optimalna T, pH, prisustvo koenzima, aktivatora itd.Zbog toga, brzina reakcije zavisi od koncentracije supstrata i produkata.Teoriju o enzimskoj kinetici su razradili Michaelis i Menten, definiui odnos izmeu brzine reakcije, koncentracije supstrata, Vmax i Km vrednosti.

Kinetika enzimske reakcijeUticaj koncentracije enzimaMoe da se izrazi sledeom jednainom:V=k[E] V-brzina reakcije, [E]-konc. enzima, k-konstanta brzine reakcije.Prema tome, pri optimalnim uslovima, brzina hemijske reakcije je direktno proporcionalna koncentraciji enzima.

Kinetika enzimske reakcijeUticaj koncentracije supstrataOvaj uticaj je specifian jer bioloki katalizatori pokazuju fenomen zasienja supstratom.Grafiki prikaz ovog odnosa ima oblik hiperbole.

Kinetika enzimske reakcije

Kinetika enzimske reakcijePri niskim koncentracijama supstrata, brzina reakcije se poveava srazmerno porastu koncentracije supstrata i taj deo krive je linearan.Pri daljem poveavanju koncentracije supstrata brzina reakcije raste sporije pa vie nije proprcionalna koncentraciji supstrata.Ukoliko se i dalje poveava koncentracija supstrata, brzina reakcije dostie najviu vrednost i na tom nivou se dalje odrava.

Kinetika enzimske reakcijeTa dostignuta brzina enzimske reakcije koja se ne menja u prisustvu veih koncentracija supstrata se zove maksimalna brzina (Vmax).Kad se postigne Vmax faktor koji ograniava brzinu katalizovane reakcije postaje koncentracija enzima u medijumu, a ne koncentracija supstrata.Ukoliko se dodaju nove koliine enzima, postie se nova maksimalna brzina.

Kinetika enzimske reakcijeOna koncentracija supstrata pri kojoj se postie polovina maksimalne brzine, oznaava se kao Km vrednost ili Michaelis Menten-ova konstanta.Reciprona vrednost Km konstante (1/ Km) se definie kao afinitet enzima prema supstratu. Nie vrednosti za Km oznaavaju da se intenzivnije odvija katalitika transformacija supstrata.

Kinetika enzimske reakcijePrema Michaelis Menten-ovoj teoriji, svaka enzimski katalisana reakcija moe da se predstavi na sledei nain:

k1, k-1, k2 su konstante brzine datih reakcija.

Kinetika enzimske reakcijeMihaelis Menteno-ova jednaina opisuje kako brzina reakcije varira u zavisnosti od koncentracije supstrata:

Kinetika enzimske reakcijeV0 brzina formiranja produkta pri datim koncentracijama supstrataVmax maksimalna brzinaKm Michaelis-ova konstanta = (k-1 + k2)/k1[S] koncentracija supstrata

Kinetika enzimske reakcijeKm i Vmax su veoma bitni kinetiki parametri katalizovanih reakcija.Vmax uvek zavisi od koncentracije enzima i indikator je katalitike moi enzima.Katalitika mo se oznaava kao prometni broj i pod njim se podrazumeva broj molova supstrata koji se u jedinici vremena prevedu u produkt, pod uticajem 1mol enzima.

Kinetika enzimske reakcijeU sluaju kada je V0 = Vmax/2, iz Michaelis Menten-ove jednaine sledi da je Km jednaka koncentraciji supstrata. Zato se M.M. konstanta definie kao ona koncentracija supstrata pri kojoj je inicijalna brzina jednaka polovini maksimalne brzine.

Lineweaver-Burk-ov dijagramKada se V0 posmatra u odnosu na [S], nije uvek mogue odrediti kada je dostignuta maksimalna brzina zbog postepenog krivljenja hiperbole pri visokim koncentracijama supstrata.Ali, ako se posmatraju njihove reciprone vrednosti, dobija se izraz koji ima linearni grafiki prikaz.

Lineweaver-Burk-ov dijagram1/V0 = km/Vmax [S] + 1/Vmax

Inhibicija enzimske aktivnostiPod inhibitorima se podrazumevaju supstance koje u malim koncentracijama smanjuju aktivnost enzima hemijskim putem.Inhibicija moe da bude kompetitivna, nekompetitivna i akompetitivna.

Inhibicija enzimske aktivnostiKompetitivna inhibicija se javlja onda kada je inhibitor jedinjenje po strukturi slino supstratu pa se i supstrat i inhibitor vezuju za isto mesto na enzimu.

Inhibicija enzimske aktivnostiNekompetitivna inhibicija se javlja kada se inhibitor ne vezuje za aktivno mesto enzima nego za neke druge hemijske grupe koje su znaajne za enzimsku reakciju.

Inhibicija enzimske aktivnostiAkompetitivna inhibicija se javlja onda kada se inhibitor vezuje za enzim supstrat kompleks i spreava njegovo razlaganje i obrazovanje produkata hemijske reakcije.

KoenzimiKoenzimi su neproteinske komponente u proteid enzimima.Jedino u vezi sa apoenzimom imaju uticaj na katalitiki proces, a bez apoenzima ne pokazuju katalitika svojstva.Najvaniji koenzimi su:koenzim A (CoA)flavin adenin dinukleotid (FAD/ FADH2)nikotinamid adenin dinukleotid (NAD+/NADH + H+)nikotinamid adenin dinukleotid fosfat (NADP+/NADPH+H+)