Transcript מצגת שלישית
אנזימים :מושגים כללים וקנטיקה
נושאים:
זירוז ,ספציפיות
אתר פעיל
קנטיקה במצב עמיד
מעכבים
אנזימים – מקרומולקולות ביולוגיות הנוצרות בתאים חיים ,מזרזות ראקציות
ספציפיות באופן קטליטי בתנאים מתונים .במקרים רבים ,פעילותו של אינזים נתונה לבקרה.
בדרך כלל אינזימים הם חלבונים.
זירוז הריאקציה :פי 106-1012או יותר
באופן קטליטי :בלי להשתנות ,הרבה מאוד מחזורים
בתנאים מתונים :טמפרטורה פחות מ ,pH-2.5-10 ,100o-לחץ 1אטמוספרה
רוב הראקציות הביולוגיות המתרחשות בתוך התא מזורזות על-ידי חלבונים.
אנזימים מאופייים על-ידי שני דברים עיקריים:
• עליה בקצה הראקציה כימית כאשר הם עצמם לא משתנים על ראקציה.
• עליה בקצב הראקציה ללא שינוי של שיווי משקל כימי בין תוצרים ומגיבים.
ללא אנזים
עם אנזים
כיצד פועל אנזים?
במערכות ביולוגיות ראקציות יכולות להיות איטיות מאוד (במקרים
של הרחקת רעלים יש חשיבות למהירות) .האנזים מכיל אתר פעיל
active site,שאליו נקשרת מולקולת ה - substrate.כתוצאה
מהקישור (לשייר של חומצה אמינית מסוימת) נוצר enzyme -
substrate complex.שלאחריו משתחרר התוצר והאנזים יכול
לפעול על סובסטרט נוסף.
ניתן לכתוב ראקציה אנזימתית כך:
E+P
ES
E+S
ספציפיות של אינזימים
כל אינזים פועל על תחום צר של סובסטרטים ויוצר תוצרים כמעט אחידים
קיימים 6קבוצות עיקריות של אינזימים:
.1
.2
.3
.4
.5
.6
אוקסידורדוקטזות ) – )Oxidoreductasesמשתתפים בראקציות חימצון-חיזור
טרנספרזות ) –(Transferasesמשתתפים במעבר קבוצות ממולקולה למולקולה
הידרולזות ) -(Hydrolasesראקציה של הידרולידה ,מעבר קבוצות פונקציונליות
למולקולת מים
ליאזות ) - (Lyasesהוספה או הוצאה של קבוצה ליצירת קשר כפול
איזומרזות ) -(Isomerasesעושים ראקציה של איזוצרציה של מולקולה ,מעבר בתוך
מולקולה
ליגזות ) – (Ligasesעושים ליגציה (חיבור) של 2סובסטרטים
הרבה אנזימים מנצלים קו-פקטורים (מולקולות ) על מנת לזרז ריאקציה
לכל חומר בטבע יש אנרגיה פנימית כל שהיא (או אנרגיה חופשית G
) .בראקציה כימית מקבלים תוצרים בעלי תכולת אנרגיה חופשית
שהיא נמוכה מתכולת האנרגיה החופשית של המגיבים .ההפרש
ביניהם (או ) delta Gהוא שלילי .אך לצורך ביצוע הראקציה יש
צורך לעבור שלב מעבר ) (transition stateשהוא בעל אנרגיה
חופשית הגבוהה ביותר .המחסום האנרגתי שיש לעבור נקרא אנרגית
אקטיבציה (Activation Energy, Ea).באם לא תהיה מספיק
אנרגיה על מנת לעבור את – Eaלא תתרחש הראקציה.
אנזימים ,הקטליזטורים הביולוגים ,מזרזים את קצב הראקציה
בכך שהם מורידים את אנרגית האקטיבציה הדרושה לביצוע
הראקציה .תהליך הראקציה מסוגל להתקיים בתנאי טמפרטורה
ולחץ מתונים שמצויים בתאי הגוף ( 30oC, 1 atm), 37זאת
בניגוד לקטליזטורים כימיים שפועלים בתנאי לחץ-טמפרטורה
גבוהים.
אתר פעיל )(active site
פעולת האנזימים היא ספציפית ,כלומר לכל אנזים נקשר סובסטרט
באופן ספציפי .לדוגמא ,פפטידאז (אנזים המפרק קשרים פפטידים) לא
יפרק עמילן וכו' .הסובסטרט נקשר לאנזים באתר הפעיל .(Active
)Siteישנה התאמה מרחבית בין האנזים לסובסטרט באתר הפעיל.
לאחר הקישור נוצר תצמיד ) (complexשל אנזים-סובסטרט.
חומצות אמיניות המרכיבות את אתר הפעיל של האינזים לא
חייבום להיות קרובות אחד לשניה ברצף אלא תלויות במבנה המרחבי של החלבון.
אינטרקצית סובטרט-אנזים:
מצב מעבר )(Transition state
כימוטריפסין הוא דוגמה לאינזים המפרקים קשר פפטידי במקום מסויים בחלבון אחרי חומצה אמינית
הידרופובית כמו טריפטופן או פנילאלנין
קואנזימים Coenzymes
חלק מאנזימים קושרים לא רק סובסטרטים אלא מולקולות קטנות נוספות החשובות לתהליך
הקטליטי של האנזים ,מולקולות אלה נקראות קבוצות פרוסטטיות – Prosthetic groups
מולקולות אנאורגניות.
בנוסף ישנה קבוצה של מוקולות אורגניות המשתתפות בראקציות אנזימטיות ,מולקולות אלה
נקראות קואנזימים .Coenzymesקואנזימים עובדים יחד עם אינזימים על מנת להגדיל קצה של
ראקציה אנזימטית .להבדיל מסובסטרט קואנזימים הם רברסיביליים :ניתנים למחזור ויכולים
להשתתף בראקציות אנזימטיות רב-שלביות.
קינטיקה של אנזימים:
מהירות הראקציה יכולה להשתנות והיא תלויה בריכוז הקומפלקס אנזים-
סובסטרט .יצירת הקופלקס תלויה בריכוז שני המרכיבים (אנזים +
סובסטרט) .כאשר נתאר את מהירות הראקציה ) (Vכתלות בריכוז
הסובסטרט ] [Sנקבל את ההתנהגות הבאה:
בריכוזי סובסטרט נמוכים
מקבלים תלות ישרה (ליארית)
בין ריכוז הסובסטרט לבין
מהירות הראקציה .ואילו
בריכוזי סובסטרט מאוד
גבוהים ,מהירות התגובה
תתקרב למקסימום )(Vmax
והיא אינה תלויה בריכוז
הסובסטרט (שמצוי בעודף(
KMמהווה ריכוז הסובסרט שיביא למהירות תגובה השווה למחצית
מהמהירות המקסימלית KM .מהווה מדד לזיקה (אפיניות) של האנזים
לסובסטרט .בערכי KMנקבל זיקה גבוהה יותר זאת משום שנחוץ ריכוז
סובסטרט נמוך יחסית בשביל להגיע ל . ½ Vmax
ההתנהגות הקצבית (הקינטית) מצאו מכאליס ומנטן לפי המשוואה:
] Vmax [ S
[S ] kM
V
חקירת משוואת מיכאליס מנטן
] V max [ S
] K M [S
V
בדיקת הגרף של קינטיקת אנזימים:
זאת בריכוזי סובסטרט שונים:
( [S]<<< Km .1ריכוזים נמוכים)
( [S]>>>Km .2ריכוזים גבוהים)
[S]=Km .3
.1כאשר [S]<<<Km
[ S ]
V max
V
KM
] V max [ S
] K M [S
V
] V max [ S
] K M [S
V
בסכום אפשר לבטל
מספר קבוע
קטן מאוד
מקבלים גרף בדומה ל( y=aX+b :או גרף ישר)
כלומר בריכוזי סובסטרט נמוכים,
קצב הראקציה עולה ביחס ישר
לריכוז הסובסטרט אשר יוצרים
את הקומפלקס ( ESמרבית אתרי
האנזים פנויים)
.2כאשר [S]>>>Km
V V max
] V max [ S
] K M [S
V
] V max [ S
] K M [S
V
בסכום אפשר לבטל
קטן מאוד
כלומר בריכוזי סובסטרט גבוהים ,קצב
הראקציה מגיע לערכו המכסימלי
מרבית אתרי האנזים תפוסים
.3כאשר [S]=Km
] V max [ S
] 2 [S
] V max [ S
V
] [S ] [S
V
] V max [ S
] K M [S
בסכום אפשר לבטל
V max
V
2
כלומר בריכוזי סובסטרט השווים ל-
,Kmקצב הראקציה מגיע לחצי
ממהירות המכסימלית
V
מציאת ערכי Vmax , KM
מתוך שרטוט גרף של Vo1כפונ' של /[S] 1תוך שימוש במשוואה:
מקבלים (גרףLineweaver-Burke):
שיפוע הגרף= Km/Vmax
חיתוך עם צירy = 1/Vmax
חיתוך עם צירx = -1/Km
פעילות ספציפית )(Specific activity
פעילות ספציפית מוגדרת כיחס בין מהירות ראקציה ) (Vלכמות אינזים
)V/(amount of enzyme
דוגמה 0.1 :מ"ג אינזים נמצא במערכת ראקציה
V maxשל הראקציה 20ננומול תוצר הנוצר כל דקה.
הפעילות הספציפית של ראקציה זו:
1
1
) ( gE
1
0 . 2 mol min
mol min
gEnz
6
9
20 x10
0 . 1 x10
V
E
גורמים המשפיעים על פעילות אנזימתית
.1טמפרטורה
pH .2
.3ריכוז סובסטראט
.4מעכבים
עיכוב פעילות של אנזימים:
בתא החי פעילות האנזימים חייבת להיות מבוקרת .תנסו לחשוב מה
היה קורה אלו אנזים שתפקידו לפרק סוכרים בגוף ,היה פועל ללא
הפסקה במהירות מכסימלית .לצורך כך קיימים בתא מנגנונים שנועדו
לבקר את פעילות האנזימים .מבין אלה ניתן למנות:
מעכבים תחרותיים,
מעכבים לא-תחרותיים
ועיכוב ע"י היזון חוזר.
מעכבים תחרותיים )(Competitive Inhibition
מסוגלים להקשר לאתר הפעיל באנזים .ונוצרת תחרות בין הסובסטרט
לבין המעכב על קשירה לאתר הפעיל באנזים .ישנו דמיון מרחבי בין
הסובסטרט לבין המעכב התחרותי .ניתן להתגבר על פעולת העיכוב
באם ריכוזי הסובסטרט יהיו מאוד גבוהים .ואז הפעילות של האנזים
תהיה מכסימלית.
קינטיקה של עיכוב תחרותי
מעכבים בלתי תחרותיים )(Non-Competitive Inhibition
מעכבים שנקשרים לאתר ששונה מאתר הפעיל (אין דמיון מרחבי בין
הסובסטרט לבין המעכב) .כתוצאה מהקישור של המעכב ,פעילות האנזים
תרד באופן משמעותי ,וגם עליה בריכוזי הסובסטרט לא תצליח להתגבר
על פעולת העיכוב .לדוגמא :גז עצבים ,מעכב שפוגע במערכת העברת
האותות החשמליים.
Non-Competitive
Inhibition
Competitive
Inhibition
קינטיקה של עיכוב לא תחרותי
עיכוב ע"י היזון חוזר(feedback Inhibition):
בשבילים מטבולים רבים ,תוצר של ראקציה ראשונה יהיה המגיב של
התגובה שלאחריה .לעיתים התוצר הסופי של המסלול ,יגרום לעיכוב אחד
האנזימים המצויים באותו מסלול .ובכך יצירת התוצר (שלשם כך ישנו
המסלול) תהיה מבוקרת .באם ריכוז התוצר הסופי לא יהיה מספיק גבוה,
אין צורך לעכב את המסלול והאנזים יפעל כרגיל.
מעכבים הפיכים ומעכבים בלתי הפיכים
מעכב הפיך :לא יוצר קשרים קוולנטים עם סובסטרט,
ניתן להוציאו ממערכת ראקציה והשפעתו תפסק.
מעכב הפיך יכול להיות תחרותי ולא תחרותי.
מעכב בלתי הפיך :בדרך כלל מעכב בלתי הפיך יוצר
קשר קוולנטי עם האינזים .פניצילין :חומר אנטיביוטי טבעי
יוצר קשר קוולנטי באתר פעיל של האינזים חיידקי היוצר גשר ביניים
בפפטידוגליקן של דופן החיידק.
פעילות של אנזימים אלוסטרים(Allostery Enzymes):
מכילים אתרי קישור למווסתים (modulator).אתרי קישור אלו שונים
מהאתר הפעיל ,אך כתוצאה מהקישור האפיניות של האנזים לסובסטרט
יכולה להשתנות .קישור מודולטור חיובי יגרום לעליה באפיניות( ,ירידה
ב ) Km-ואלו קישור למודולטור שלילי יגרום לירידה באפיניות (עליה ב-
Km
באנזימים שמכילים מספר אתרים פעילים לאותו סובסטרט ,קישור לסובסרט
הראשון יגרום לשינוי מרחבי בשאר אתרי הקישור (ולעליה באפיניות).
כתוצאה מכך הסובסטרטים הבאים יקשרו ביעילות רבה יותר .לדוגמה,
פעילות ההמוגלובין :האנזים מכיל 4אתרי קישור לסובסטרט (מולקולות
החמצן) .במקרה זה הסובסטרט (החמצן) משמש כמודולטור חיובי.
ניתן להבחין שהאפיניות של ההמוגלובין משתנה בהתאם לריכוזי
החמצן .בריאות לחצי החמצן גבוהים ,האפיניות של ההמוגלובין גבוהה
– החמצן נקשר להמוגלובין .ברקמות ,לחצי החמצן נמוכים ,האפיניות
יורדת – החמצן משתחרר מהמוגלובין לרקמות .ברקמות ישנו אנזים
אחר (מיוגלובין) שפועל באופן לא-אלוסטרי .ופועל באפיניות גבוהה
בלחצי חמצן נמוכים ,זה מאפשר למיוגלובין לקשור את החמצן.
R state
S state