מצגת שלישית

Download Report

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