Introduktion till Biokemi PDF

Introduktion till Biokemi Energi ur ett biokemiskt perspektiv  Att en reaction är gynsam eller inte beror på om reaktionsförloppet absorberar energi eller lösgör energi (i form av värme) (D H), till omgivande system, och om det ökar eller minsar i “ordning” (entalpi) (DS)...

Introduktion till Biokemi Energi ur ett biokemiskt perspektiv  Att en reaction är gynsam eller inte beror på om reaktionsförloppet absorberar energi eller lösgör energi (i form av värme) (D H), till omgivande system, och om det ökar eller minsar i “ordning” (entalpi) (DS). DG = DH – TDS Endergon: En icke spontan reaction som absorberar energi har ett positivt D G Exergon: En spontan reaction som frigör energi har ett negativt DG Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 4 Cellen Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 6 Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 8 Enzymer Aminosyror, 20 st Sura 5 laddade Basiska Icke polära 15 oladdade Polära Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 10  1° Proteiner Primärstruktur – aminosyra sekvensen 2° Sekundärstruktur – aminosyrornas enskilda strukturer och intramolekylära interaktioner mellan R-grupper bidrar med klassiska 2° strukturer som alfahelix och beta-flak. 3° 4° Tertiärstruktur, struktur av den fullständigt veckade proteinet Quartiärstruktur – subenheter Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 11 Proteiner Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 12  Vad gör enzymer? Enzym: Ett protein eller annan typ av biomolekyl som agerar katalysator för en biologisk reaktion Enzymer påverkar inte jämnvikten av en reaktion! Enzymer minskar dock tiden det tar för att nå jämnvikt, genom att minska aktiveringsenergin för reaktionen. Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 13 Vad är enzymer? Hexokinas (blått), glukos (rött) Majoriteten av våra enzymer är vattenlösliga globulära proteiner. Men undantag finns! Ett aktivt säte är en ficka i ett enzym med den specifika form och kemiska sammansättning som Aktivt säte krävs för att binda ett substrat. Ett substrat är en reaktant i en enzymkatalyserad reaktion. Substrat Produkt Enzymets specificitet är begränsningen av ett Hexokinas är väldigt enzyms aktivitet till ett specifikt substrat, en specifik specifik för hexoser reaktion eller en specifik typ av reaktion. speciellt glukos! Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 14 Vad gör enzymer? När man kikar på katalytiska reaktioner så beskrivs de generellt med dessa symboler: E (enzym), S (substrat), P (produkt), [S] och [P] (substrat/produkt-koncentration) ES (enzym-substratkomplex), EP (enzym-produktkomplex). Reaktionerna är oftast beskrivna såhär: E + S à ES à EP à E + P Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 15  Hur funkar enzymer? Modeller för interaktionen mellan substrat och enzymer: I lås-och-nyckel-modellen beskrivs underlaget som att det passar in i det aktiva stället på samma sätt som en nyckel passar in i ett lås. I induced fit (“inducerade passformsmodellen”) har enzymet ett flexibelt, aktivt säte som ändrar form under inbindandet och under reaktionen. Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 16 Hur funkar enzymer? Varför Föra samman substrat och katalytiska platser i enzymet (närhetseffekt). Håller substratet/substraten på det exakta avståndet och i den exakta orientering som krävs för att reaktion ska främjas (orienteringseffekt). Tillhandahåller sura, basiska eller andra typer av ”reaktiva” grupper som krävs för katalys (katalytisk effekt). Sänker energibarriären genom att inducera töjning i bindningar i substratmolekylen (energieffekt). ”intermediära bindningar” Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 17 Hur funkar enzymer? Modell som visar den inducerade passningen av hexokinas (blå) och dess substrat, glukos (röd). (a) Det aktiva sätet är ett ficka hexokinasmolekylen. (b) När glukos kommer in i det aktiva sätet ändrar enzymet form och lindar sig närmare runt substratet, vilket medför nya korta interaktioner med enzyme som främjar reaktionen Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 18 Exempel – Aldosreduktas Strukturen för aldosreduktas, ett oxidoreduktasenzym som reducerar en C = O-grupp i en sockermolekyl till en -C-OH-grupp med hjälp av koenzymet NADH. Sockret glukos (orange) och NADH (grått) visas i enzymets aktiva säte. Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 19 Enzymer kan behöva olika kofaktorer för att utföra sin katalytiska funktion Kofaktor: En “icke-protein” del av ett enzym som är väsentlig för enzymets katalytiska aktivitet. En metalljon eller ett koenzym Ett enzym kan kräva en metalljon, ett koenzym eller båda. Kofaktorer kan hållas hårt eller vara löst bundna, så att de kan komma in och ut ur den aktiva platsen. Koenzym: En organisk molekyl som fungerar som en enzymkofaktor. Genom att kombinera med kofaktorer förvärvar enzymer kemiskt reaktiva grupper som inte finns i sidokedjor. Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 20 Metalljoner Metalljoner kan bilda, koordinerade kovalenta bindningar och fungera som Lewis-syror genom att attrahera elektronpar som finns på kväve- eller syreatomer i enzymer eller substrat. Det krav som många enzymer har på metalljonkofaktorer förklarar vårt kostbehov av spårmineraler Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 21 Vitaminer Vissa vitaminer är essentiella för människor eftersom vi inte kan syntetisera dem i kroppen. Viktiga byggstenar för koenzymer. Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 22 Hur fungerar enzymer? Vad karakteriserar dem? Den katalytiska aktiviteten hos ett enzym mäts genom dess omsättningsnummer, det maximala antalet substratmolekyler som påverkas av en enzymmolekyl per tidsenhet. Detta är en konstant anges som Kcat och är oftast i s-1. Varierar från 10 till 10 000 000 molekyler per sekund hos olika typer av enzymer i våra kroppar. Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 23 Hur fungerar enzymer? Vad karakteriserar dem? Enzymets specificitet är begränsningen av ett enzyms aktivitet till ett specifikt substrat(eller substratgrupp), en specifik reaktion eller en specifik typ av reaktion. Dvs vilket/vilka substrat kan binda in och bilda ES komplex, och hur effektivt är detta ES bildande. Man brukar kalla detta enzymets affinitet till substratet. Detta är en konstant kallad Km, och är ”baserat” på substratets koncentration i förhållande till enzymet. Låga Km värden – betyder att substratet binder in effektivt även vid låga koncentrationer av substratet, och reaktionen kan ske… Höga Km värden – betyder att substratet behöver finnas i höga koncentrationer för att det effektivt ska binda in ,sen sker reaktionen… Det påverkar dock inte själva reaktionshastigheten! Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 24 Exempel Lågt Km och högt Kcat – Enzymet är aktivt redan vid låga substratkoncentrationer, och har förmågan att utföra dess katalytiska aktivitet på en hög mängd substrat och bildar produkt per tidsenhet. Högt Km och högt Kcat – Enzymet är inte aktivt förrän substratkoncentrationen som omger enzymet blir hög (strax under Km). När koncentrationen av substratet blivit tillräckligt hög så har den en katalytisk aktivitet på en hög mängd substrat och bildar därmed mycket produkt per tidsenhet. Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 25 Enzymkoncentration Det är möjligt för koncentrationen av ett aktivt enzym att variera beroende på metaboliska behov. Så länge koncentrationen av substrat inte blir en begränsning varierar reaktionshastigheten direkt med enzymkoncentrationen. Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 26  Substratkoncentration Om substratkoncentrationen är låg används inte alla enzymmolekyler. Hastigheten ökar med koncentrationen av substrat i takt med att fler enzymmolekyler sätts i arbete. Fler ES-komplex kan bildas och med det mer produkt. I takt med att substratkoncentrationen fortsätter att öka, planar ökningen av hastigheten ut eftersom fler och fler aktiva platser hos de enzymer som finns är upptagna. Enzymerna är mättade Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 27 Substratkoncentration När enzymet väl är mättat har en ökad Vmax substratkoncentration ingen effekt. 1/2 Vmax Hastigheten när enzymet är mättat bestäms av enzymets effektivitet. Enzym- och substratmolekyler som rör sig slumpmässigt i lösning kan kollidera med varandra med en hastighet av cirka 108 kollisioner per mol per liter per sekund. Ett fåtal enzymer arbetar faktiskt med Km nära denna effektivitet. Vmax kommer vara beroende på enzymkoncentrationen i ett experiment – men mha Vmax kan man ta reda på både kcat och Km Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 28  Temperatur och pH Frekvensen av enzymkatalyserade reaktioner ökar inte kontinuerligt med stigande temperatur. Enzymernas hastighet når ett maximum och minskar sedan. Detta beror på hur nära bindningar är (dvs svängningar i molekylen), sannolikheten att aktivt säte och substrat ska passa ihop. Enzymer denaturerar när icke-kovalenta attraktioner mellan proteinsidokedjor störs, vilket förstör det aktiva sätet. Den katalytiska aktiviteten hos många enzymer beror på pH och har vanligtvis en väldefinierad optimal punkt vid det normala, buffrade pH-värdet i enzymets miljö. De flesta enzymer har sin maximala aktivitet mellan pH- värdena 5 till 9. Så småningom kommer extrema pH-värden att denaturera ett protein. Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 29  Reglering Aktivering (av ett enzym): Varje process som initierar eller ökar effekten av ett enzym Hämning/inhibering (av ett enzym): Varje process som saktar ner eller stoppar ett enzyms verkan Reversibel kompetitiv hämning: En kompetitiv hämmare binder reversibelt till det aktiva sätet genom icke-kovalenta interaktioner, men genomgår ingen reaktion, vilket hindrar substratet från att komma in i det aktiva stället. Reversibel icke-kompetitiv hämning: Hämmaren konkurrerar inte med substratet om det aktiva sätet. Det binder (oftast) till enzym-substratkomplexet så att reaktionen sker mindre effektivt, eller inte alls. Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 30  Inhibitorer Den övre kurvan och den streckade linjen visar reaktionshastigheten och Vmax utan inhibitor. (svart kurva) Med en kompetitiv hämmare (röd kurva) är Vmax är oförändrad, men en högre substratkoncentration krävs för att nå den. Med en icke-kompetitiv hämmare (blå kurva) är Vmax (den nedersta streckade linjen) sänks. Irreversibel hämning Enzymets reaktion kan inte ske eftersom substratet inte kan ansluta till det aktiva sätet. Många irreversibla hämmare är gifter som ett resultat av deras förmåga att helt stänga av det aktiva området. Tungmetalljoner, såsom kvicksilver och bly, är irreversibla hämmare som bildar kovalenta bindningar till svavelatomerna i -SH-grupperna av cysteinrester. Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 31 Allosterisk kontroll och feedback inhibering Både allosterisk kontroll och feedback inhibering kräver att regulatorerna binder till enzymet, men på ett annat sätt än hämningsreglering. Allosterisk kontroll: En interaktion där bindningen av en regulator på ett ställe på ett protein påverkar proteinets förmåga att binda en annan molekyl på ett annat ställe Allosteriskt enzym: Ett enzym vars aktivitet styrs av bindningen av en aktivator eller inhibitor på en annan plats än den aktiva platsen Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 32 Allosterisk kontroll och feedback Inhibition/kontroll Allosterisk kontroll kan vara antingen positiv eller negativ. En negativ regulator förändrar det aktiva sätet så att enzymet inte längre kan binda substratet till det aktiva sätet. Bindning av en positiv regulator förändrar ett otillgängligt aktivt ställe så att substratet kan passa in i det aktiva sätet och reaktionen inträffar. Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 33 Feedback kontroll Feedback kontroll: Reglering av ett enzyms aktivitet genom produkten av en reaktion senare i en signalväg. Detta är bra när “D” inte längre behövs i samma utsträckning i cellen längre, och då är det bra att omvandlingen av substrat bromsas redan tidigt i processen. Om D hämmar enzym 1 minskar mängden syntetiserad B och C när det inte behövs mer D. När mer D behövs kommer enzym 1 inte längre att vara hämmat. Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 34 Kovalentmodifiering av enzymer Det finns två sätt att reglera enzymer genom kovalent modifiering - avlägsnande av en kovalent bunden del av ett enzym eller tillsats av en grupp Vissa enzymer syntetiseras i inaktiv form. Aktivering av zymogener, eller proenzymer, kräver en kemisk reaktion som delar av molekylen Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 35 Kovalentmodifiering av enzymer En bindning mellan en molekyl och en del av enzymet skapas eller bryts – oftast mha ett annat enzyme specifit för denna uppgift Metylering, Myrostylering, glykocylering mfl En vanlig typ av kovalent modifiering är den reversibla tillsatsen av fosforylgrupper till serin-, tyrosin- eller treoninrester. Kinaser katalyserar tillsatsen av en fosforylgrupp som tillhandahålls av ATP (fosforylering). Fosfataser katalyserar avlägsnandet av fosforylgruppen (defosforylering). Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 36 Typer av enzymer - subklasser Nomenklatur av Enzymer: De flesta enzymer har ett familjenamn som slutar på –ase/-as. (undantag: papain and trypsin.) Namnen är oftast uppdelade i två delar: à Det första identifierar substratet för enzymet som enzymet binder till. à Det andra är till vilken enzym-klass det tillhör – detta beskriver i sin tur vilken typ av reaktion som enzymet katalyserar. Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 37 Oxidoreduktaser Oxidoreduktases katalyserar oxidation-reduktions reaktioner. Oftast sker då en addition eller reduktion av syre eller väte. Eftersom oxidation och reduktion måste ske samtidigt, så behöver dessa enzymer som oftast koenzym (ex. NADH/NAD+ ) som är oxiderat eller reducerat för att kunna utföra reaktionen. Oxidoreductases Subclasses: à Oxidaser katalyserar oxidation av substrat genom att addera O2 till substratet. à Reduktaser katalyserar reduktion av substratet. à Dehydrogenaser katalyserar reaktioner genom att addera eller ta bort 2 H atomer. Dessa behöver ett koenzym. Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 38 Transferaser Transferaser katalyserar överförningen av en grupp från en molekyl till en annan.. à Transaminaser överför en amin-grupp från en molekyl till en annan molekyl. à Kinaser överför en fosfatgrupp från ATP (som då blir till ADP) till en målmolekyl. Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 39 Hydrolaser Hydrolaser katalyserar hydrolysen av ett substrat genom att H2O används för att bryta de intramolekylära bindningarna i substratet. Subklasses av hydrolaser: à Lipaser bryter glycerollipider (ex TAGs) till fritt glycerol och fettsyror. à Proteaser bryter proteiner till mindre peptider och fria aminosyror. à Amylaser bryter ner komplexa kolhydrater som ex stärkelse till tri-di eller monosackarider. à Nucleaser bryter deoxyribonucleic acid (DNA) and RNA till nukleinsyror. Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 40 Isomeraser Isomeraser katalyserar isomerisationen (omstrukturering av atomer i molekylen). Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 41 Lyaser Lyaser (från grekiskans lein = “att bryta”) katalyserar additionen eller borttagandet av en liten molekyl så som H2O, CO2, or NH3 för att bryta en dubbelbindning eller för att skapa en. Subklasser av Lyaser: à Dekarboxylaser katalyserar avlägsnandet av CO2. à Deaminaser katalyserar avlägsnandet av NH3. à Dehydrataser katalyserar avlägsnandet av H2O. à Hydratases katalyserar additionen av H2O. Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 42  Ligaser Ligaser (från Latinet ligare, “knyta ihop”) katalyserar bildandet av en större molekyl från två mindre. Oftast så är dessa reaktioner inte gynsamma så de behöver ha en samtidig hydrolys, oftast ATP till ADP. Ofta är Ligaser involverasde i syntes av biologiska polymerer. Ex DNA. Subklasser av Ligaser: à Syntetaser katalyserar bindningar mellan två mindre substrat till en större produkt genom att använda energi från ATP. à Karboxylaser katalyserar bildandet av bindning mellan CO2 och substratet mha ATP. Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 43 Karolinska Institutet - a medical university 03/11/2024 44