🌱🧪 Biochemia - Kinetyka reakcji enzymatycznych ⚙️⏩️

⭐️⭐️⭐️⭐️⭐️🙏

• 🪫 Przy niskich stężeniach substratu (S) - szybkość reakcji (V) jest proporcjonalna do stężenia substratu (reakcja I rzędu);

• 🔋 W miarę zwiększania stężenia substratu (S) - zależność szybkości od substratu zmniejsza się (reakcja mieszanego rzędu);

• ⚡ Przy wysokich stężeniach substratu (S) - szybkość reakcji (V) osiąga V_max - jedynym czynnikiem ograniczającym szybkość reakcji jest stężenie enzymu.

🏃‍♂⚗ Opisz zależność szybkości reakcji (V) od stężenia substratu (S).

⚖✅ Szybkość reakcji (V) jest proporcjonalna do stężenia enzymu (E).

Liniowy wzrost szybkości reakcji jest widoczny tylko na początku - dalej następuje spadek zależności spowodowany:

• nagromadzeniem produktów reakcji (zgodnie z regułą przekory);

• spadkiem ilości substratu.

🏃‍♂⚙ Opisz zależność szybkości reakcji (V) od stężenia enzymu (E).

Opisz również dynamikę widoczności zmian, oraz czynniki wpływające na jej zmianę [2].

🏃‍♂⚗ Równanie określa ilościową zależność między szybkością reakcji enzymatycznej a stężeniem substratu.

Oznaczenia:

• K_M - stała Michaelisa-Mentzen; K_M={([E]-[ES])[S]}/{[ES]} lub K_M={k_-1+k₊₂}/{k₊₁};

• Vmax - szybkość maksymalna reakcji;

• [S] - stężenie substratu;

• [E] - stężenie enzymu;

• [ES] - stężenie kompleksu enzym-substrat;

• k₊₁, k_-1, k₊₂ - stałe szybkości reakcji.

⚖⚗ Opisz dynamikę równania Michaelisa-Mentzen.

Opisz również zależności wynikające z tego równania.

1. 🏃‍♂⏩️ Początkowo szybkość reakcji (V) wzrasta wraz ze wzrostem temperatury;

   • 🌡 Reguła van’t Hoffa precyzuje, że szybkość reakcji enzymatycznej podwaja się przy wzroście temperatury o 10^oC;

2. 🤒⛓‍💥️ Po osiągnięciu konkretnej temperatury (T≈42^oC) następuje gwałtowny spadek szybkości reakcji (V), spowodowany denaturacją białek enzymatycznych.

🏃‍♂🌡 Opisz wpływ temperatury na szybkość reakcji enzymatycznej.

1. 🫟🤷‍♂ Optymalny poziom pH dla większości enzymów występuje w okolicach odczynu obojętnego.
   W wyjątkowych przypadkach optimum przypada na odczyn kwasowy lub zasadowy;

2. 🔀🧩 pH powoduje również dysocjację podjednostek enzymów oligomerycznych;

3. ⛓‍💥🍼 Skrajne wartości pH powodują denaturację białka enzymatycznego.

🏃‍♂🫟 Opisz wpływ pH na szybkość reakcji enzymatycznej [3].

🫟👍 Optimum pH:

• 🍗 Pepsyna - [1,5-2,5];

• 🍬 Amylaza ślinowa (słodowa) - [4,5];

• 🥤 Fosfataza kwaśna - [4,5-5,0];

• 🍗 Trypsyna - [8,0-9,5];

• 🌻 Lipaza trzustkowa [7,8-8,3];

• 🥤 Fosfataza zasadowa [8,0-9,0].

🫟❓ Wymień optymalne wartości pH dla konkretnych enzymów:

• 🍗 Pepsyna;

• 🍬 Amylaza ślinowa (słodowa);

• 🥤 Fosfataza kwaśna;

• 🍗 Trypsyna;

• 🌻 Lipaza trzustkowa;

• 🥤 Fosfataza zasadowa.

⚙⛓‍💥 Inaktywatory działają hamująco na enzym poprzez denaturację całego białka enzymatycznego.

⛔️❔ Opisz sposób działania inaktywatorów.

⛔️❓ Rodzaje inaktywatorów:

• 🔨 Czynniki fizyczne:

  • 🫟 zmiana pH;

  • 🌡 zmiana temperatury;

• ⚗ Czynniki chemiczne:

  • 🧯 rozpuszczalniki organiczne;

  • 🪖 sole metali ciężkich.

⛔️❓ Wymień rodzaje inaktywatorów [2/4].

⛔️🤖 Inaktywacja/inhibicja kationami metali ciężkich (np. Pb2+, Ag+, Hg2+, Cu2+) polega na ich nieodwracalnym wiązaniu z enzymem.

⛑❗ Sposobem na odwrócenie tej inaktywacji jest wprowadzenie do układu/organizmu związków zawierających grupy tiolowe np. cysteina, lub chelatujące np. EDTA lub Wersanian.

⛔️🤖 Opisz sposób inhibicji/inaktywacji jonami metali ciężkich.

Opisz również sposób na odwracanie tego rodzaju inhibicji/inaktywacji.

⛓🥛 Składnikami reakcji enzymatycznej są enzym, substrat(y), koenzym, kofaktor. Ich wzajemne powiązanie w określony układ przestrzenny pozwala na zajście reakcji.

Inhibicja polega na działaniu modyfikującym przestrzenny układ tych składników, co zmniejsza szybkość reakcji.

🛑⚙ Opisz sposób działania inhibitorów.

Inhibicja od inaktywacji różni się odwracalnością:

• 🛑🔂 inhibicja może być odwracalna lub nieodwracalna;

• ⛔⛓‍💥️ inaktywacja jest tylko nieodwracalna.

🛑⛔️ Określ różnicę między inhibicją, a inaktywacją.

🛑❓ Typy inhibicji:

1. 🏆 Inhibicja kompetycyjna;

2. 🎩 Inhibicja niekompetycyjna;

3. 🪖 Inhibicja akompetycyjna.

🛑❓ Wymień typy inhibicji [3].

🛑⚙ Inhibitor ma strukturę cząsteczkową podobną do struktury substratu i rywalizuje z nim o miejsce aktywne enzymu. Zwiększenie stężenia substratu na powrót zwiększa szybkość reakcji enzymatycznej.

ℹ🛑 Klasycznym przykładem inhibicji jest działanie dehydrogenazy bursztynianowej - substratem, którego reakcję katalizuje enzym jest bursztynian, inhibitorem kompetycyjnym jest natomiast malonian, szczawian, szczawiooctan.

📉❓ Wzrasta wartość K_M, wartość V_max pozostaje niezmieniona.

🛑🏆 Opisz mechanizm inhibicji kompetycyjnej.

Opisz również wpływ na jednostki równania Michaelisa-Menten.

🛑🗺 Inhibitor nie łączy się z centrum aktywnym, tylko z innym fragmentem enzymu, co zmienia strukturę centrum aktywnego uniemożliwiając tworzenie kompleksu enzym-substrat ES - nie rywalizuje z substratem, więc jest niewrażliwy na wzrost stężenia substratu [S].

ℹ🛑 Klasycznym przykładem jest inhibitor pepstatyna, która może hamować reninę.

📉❓ Spada wartość V_max, wartość K_M pozostaje niezmieniona.

🛑🎩 Opisz mechanizm inhibicji niekompetycyjnej.

Podaj klasyczny przykład tego rodzaju inhibicji. Opisz również wpływ na jednostki równania Michaelisa-Menten.

🛑🏗 Inhibitor nie łączy się z wolnym enzymem, natomiast reaguje z kompleksem enzym-substrat ES.

📉❓ Zmniejszają się wartości pozornej V_max i pozornej K_M.

🛑🪖 Opisz mechanizm inhibicji akompetycyjnej.

Opisz również wpływ na jednostki równania Michaelisa-Menten.

1. 🧮 Aktywność molekularna/liczba obrotów;

2. 🌏 Uniwersalna jednostka aktywności (U);

3. 🎓 Katal (kat);

4. ⚙ Aktywność właściwa enzymu;

5. ⚖ Aktywność molarna.

⚙📈 Wymień sposoby wyrażania aktywności enzymu [5].

• ⚖ Liczba moli substratu, która przereaguje…

• ⚙ …z jednym molem enzymu…

• ⏱ …w ciągu 1 minuty.

…lub dokładniej…

dP/dt = V = k[ES] = k[E]_t

k[E]_t - suma stężenia enzymu wolnego i związanego w postaci ES; 

Dla [E]=[ES], [E]_t - stężenie moli centrów aktywnych [mol/dm3], stała k to aktywność molekularna, czyli:

• Liczba moli substratu, która przereaguje…

• …w ciągu 1 minuty…

• …z 1 molem centrów aktywnych enzymu.

Określenie można zastosować jedynie przy znanej ⚖ masie cząsteczkowej i 🧩 budowie białka enzymatycznego.

📈🧮 Opisz sposób określania aktywności enzymu pod kątem aktywności molekularnej.

Określ również warunki konieczne dla określenia aktywności tą metodą.

• ⚙ Ilość enzymu, która…

• ⏱ …w ciągu 1 minuty…

• ⚖ …przekształca 1 µmol substratu.

1 U = 16,67 nKat

Określenie ma zastosowanie w standardowych warunkach:

• 🌡 T=30^oC;

• 🫟 Optymalne pH;

• ⚗ Optymalne [S].

📈🌏 Opisz sposób określania aktywności enzymu pod kątem uniwersalnej jednostki aktywności (U).

Określ również warunki konieczne dla określenia aktywności tą metodą.

• ⚙ Ilość enzymu, która…

• ⏱ …w ciągu 1 sekundy…

• ⚖ …przekształca 1 mol substratu.

1 Kat = 6^.10⁷ U

Określenie ma zastosowanie w standardowych warunkach:

• 🌡 T=30^oC;

• 🫟 Optymalne pH;

• ⚗ Optymalne [S].

📈🎓 Opisz sposób określania aktywności enzymu pod kątem jednostki Katala (Kat).

Określ również warunki konieczne dla określenia aktywności tą metodą.

🎓⚖ Liczba katali przypadająca na 1 kg aktywnego białka.

📈⚙ Opisz sposób określania aktywności enzymu pod kątem aktywności właściwej.

🎓⚖ Liczba katali przypadająca na 1 mol enzymu.

📈⚖ Opisz sposób określania aktywności enzymu pod kątem aktywności molarnej.

🔗🧱 Reakcja między dwiema cząsteczkami substratu(ów) nastąpi po zetknięciu odpowiednimi miejscami z wystarczająco dużą energią kinetyczną.

🔨🚦 Czynniki ograniczające:

1. 💧 Prędkość dyfuzji - 2,27^.10^-5 cm/s (dla cząsteczek H₂O przy T=25^oC);

2. 💢 Niekulisty kształt cząsteczek;

3. 🍯 Lepkość roztworu;

4. 🦠 Objętość komórek i organelli;

5. 🌐 Rozmiar cząsteczki - z uwagi na wolniejsze tempo obrotu i mniejszy % udział sfery aktywnej im większa cząsteczka, tym mniejsza szansa na zderzenie z innym substratem z udziałem fragmentu reagującego.

🔨🚦 Opisz zależności dotyczące fizycznych czynników ograniczających szybkość reakcji nieenzymatycznych.

Nie chodzi o inaktywatory.

1. 🧩 Aktywacja przez kofaktory;

2. 🌋 Aktywacja proteolityczna;

3. 🔗 Modyfikacja kowalencyjna;

4. 🧩 Regulacja allosteryczna o charakterze aktywacji;

5. 🍼 Aktywacja przez białka regulatorowe.

✅⚙ Wymień mechanizmy aktywacji enzymu [5].

⚙✅ Przekształcenie nieaktywnej formy enzymu (proenzymu, zymogenu) w formę aktywną.

Przykładowe zymogeny:

• 🍗 Trypsynogen;

• 🍗 Pepsynogen;

• 🍗 Chymotrypsynogen.

🍬 Ich wydzielanie następuje przez komórki trzustki, a aktywacja następuje po wydzieleniu do światła p. pokarmowego (dwunastnicy) poprzez odłączenie peptydu blokującego przez inny enzym proteolityczny.

⛓‍💥 Np. aktywacja trypsynogenu następuje z udziałem enteropeptydazy lub samej trypsyny, przez odłączenie heksapeptydu (Val-Asp-Asp-Asp-Asp-Lys).

🛡 Wydzielenie w formie nieaktywnej zabezpiecza komórki i narządy przed samostrawieniem.

🌋✅ Opisz mechanizm aktywacji proteolitycznej.

Wymień też przykładowe enzymy w formie nieaktywnej, opisz na przykładzie sposób wydzielania, oraz określ korzyści z takiego sposobu wydzielania.

🔩🪖 To inhibitor niekompetycyjny.

🔗🔧 Bierze udział w zjawisku allosterii, gdzie wiąże się z centrum regulatorowym białka allosterycznego.

🔩❓ Opisz czym jest modyfikator/efektor allosteryczny.

Określ z jakiego mechanizmu korzysta i w jakim zjawisku bierze udział.

🧩🔧 To podjednostka enzymu zawierająca centrum allosteryczne - miejsce wiązania modyfikatora.

🔗🔧 Bierze udział w allosterii - mechanizmie modyfikowania aktywności enzymu.

🛑❓Mechanizm hamowania może przybierać trzy formy:

• 🔗 tworzenia wiązań między podjednostkami;

• ⛓‍💥 rozrywanie wiązań między podjednostkami;

• ♻ zmiana trzeciorzędowej struktury podjednostki regulacyjnej, i pośrednio centrum aktywnego.

🍼🔧 Opisz czym jest białko allosteryczne.

Określ również jego funkcję w ramach tego zagadnienia, oraz formy pełnienia jej funkcji [3].

⭕🔧 Przy nieobecności efektora allosterycznego konformacja przestrzenna enzymu zmnienia się w sposób umożliwiający bądź ułatwiający przyłączanie substratu.

✅🔗 Opisz aktywacyjny charakter allosterii.

🍼🪫 Białkowy apoenzym pozostaje nieaktywny do czasu przyłączenia składnika niebiałkowego - kofaktora.

🪫🧩 Kompleks apoenzym-kofaktor nazywa się holoenzymem.

🧩❓ Rodzaje kofaktorów:

1. 🤖 Kationy metali (np. Mg²⁺, Ca²⁺, Mn²⁺, Co²⁺, Zn²⁺,Mo²⁺, Mo³⁺);

2. 🌱 Aniony niemetali (np. Cl^-, SO₄^2-);

3. 🧩 Koenzymy - organiczne związki drobnocząsteczkowe (często pochodne witamin z grupy B np. NAD, FAD, koenzym A).

✅🧩 Opisz sposób aktywacji enzymów przez kofaktory.

Nazwij również kompleks, oraz wymień rodzaje kofaktorów [3].

1. ☑ Utrzymywanie aktywnej konformacji enzymu;

2. ✅ Aktywacja substratu/grup nukleofilowych;

3. 🫧 Udział w reakcjach redoks (zmiana stopnia utlenienia).

🤖⚙ Opisz udział jonów metali w katalizie [3].

1. 🧩🔧 Koenzym wiążący się trwale z enzymem nazywany jest grupą prostetyczną (np. FAD, hem);

2. 🧩🚛 Mogą działać jako przenośniki:

   • 🔩 grup funkcyjnych np. CoA przenosi grupy acylowe;

   • 📍 protonów np. NAD;

   • ⚡ elektronów.

🧩❓ Opisz charakter koenzymów [2].

☑🥤 To odwracalny proces polegający na zmianie aktywności chemicznej przez przyłączenie lub odłączenie grupy chemicznej - PO₄^3-.

⚙🔗 Mechanizm przebiega przy pomocy:

• 🔗🥤 Kinaz białkowych - przenoszenie reszt fosforanowych z ATP na grupy hydroksylowe reszt aminokwasowych enzymu: seryny, treoniny, tyrozyny;

• ⛓‍💥🥤 Fosfataz białkowych - odłączają reszty fosforanowe.

✅🔗 Opisz aktywację przez modyfikację kowalencyjną.

Określ czynnik, przez który następuje aktywacja enzymu, oraz czynniki inicjujące mechanizmy w ramach tego sposobu aktywacji.

1. ⚙🪫 Enzym jest nieaktywny w formie kompleksu podjednostek katalitycznych i regulatorowych. Po dysocjacji enzym zostaje aktywowany;

2. 🔋🦴 Aktywność enzymu ulega zmianie po przyłączeniu kompleksu białka kalmoduliny i Ca²⁺.

✅🍼 Opisz aktywację przez białko regulatorowe [2].

⚙⚠ Enzym katalizuje przekształcanie jednego, konkretnego substratu. Nawet niewielka zmiana w strukturze substratu (np. izomer) uniemożliwia reakcję.

ℹ⚙ Przykład: Ureaza - rozkłada wyłącznie mocznik (do CO₂ i NH₃).

🔒⚠ Opisz zagadnienie swoistości bezwzględnej.

⚙❓ Enzym katalizuje reakcję dla grupy podobnych związków zawierających określony typ wiązania lub grupę chemiczną.

ℹ⚙ Przykład: fosfatazy - specyficzne wobec wielu estrów kwasu ortofosforowego bez względu na rodzaj alkoholu.

🔒❓ Opisz zagadnienie swoistości względnej.

Podaj też przykład enzymu i jego substratów.

⚠🔎 Enzymy wykazują swoistość bezwzględną wobec izomerów optycznych. W ludzkim organizmie enzymy działają wyłącznie na:

• 🧬 L-aminokwasy (składniki białek);

• 🍬 D-cukry (węglowodany).

ℹ⚙ Przykład: Dehydrogenaza mleczanowa - działa tylko na L-mleczan.

🔒🔎 Opisz zagadnienie swoistości optycznej.

Podaj również przykład takiego enzymu.

⚙🔛 Enzym nadaje reakcji jeden, ściśle określony kierunek - z danego substratu powstaje konkretny produkt, mimo że chemicznie ten sam substrat mógłby ulec wielu różnym przemianom.

ℹ⚙ Przykład: Pirogronian w zależności od dostępnego enzymu, może zostać przekształcony w cztery różne produkty:

1. 🍼 Dehydrogenaza mleczanowa - mleczan;

2. 🪫 Dehydrogenaza pirogronianowa - acetylo-CoA;

3. 🔋 Karboksylaza pirogronianowa - szczawiooctan;

4. 🧬 Aminotransferaza alaninowa - alanina.

🔒🔜 Opisz zagadnienie specyficzności kierunku działania.

Podaj również przykład substratu i jego przemian.

🩻🧪 Substancje wytwarzane przez organizm dla precyzyjnej kontroli metabolizmu lub ochrony tkanek przed samostrawieniem.

1. 🛑🍼 Inhibitory białkowe:

   • 🍗 Trzustkowy inhibitor trypsyny - małe białko (6kDa) wiążące się z centrum aktywnym trypsyny wewnątrz komórek trzustki;

   • 🍗 ɑ₁-antytrypsyna - główne białko osocza hamujące proteazy serynowe wydzielane przez neutrofile (granulocyty); chronią płuca przed degradacją elastyny i rozedmą;

   • 🌋 TIMP (tkankowe inhibitory metaloproteinaz) - regulują aktywność enzymów proteolitycznych;

   • 🩸 Antytrombina III - naturbitor trombiny i innych czynników krzepnięcia;

2. 💩🛑 Metabolity - produkt końcowy może działać jako inhibitor allosteryczny.

🛑🌱 Wymień przykłady inhibitorów naturalnych [2/6].

• 💊🩸 Aspiryna (ASA, kw. acetylosalicylowy) - nieodwracalne hamowanie cyklooksygenazy (COX) acetylacją grupy serynowej centrum aktywnego (działanie przeciwzapalne i przeciwzakrzepowe);

• 💊🌻 Statyny - inhibitory kompetycyjne reduktazy HMG-CoA - kluczowego enzymu syntezy cholesterolu;

• 💊🧪 Allopurinol - analog puryn, hamuje oksydazę ksantynową (stosowany przy dnie moczanowej);

• 💊🦞 Metotreksat - inhibitor reduktazy dihydrofolianiowej (stosowany w nowotworach);

• 💊🧫 Penicylina - antybiotyk hamujący nieodwracalnie transpeptydazę glikopeptydową - (enzym niezbędny do budowy peptydoglikanu w ścianie bakterii);

• 💊🧫 Sulfonamidy - bakteriostatyki; hamują syntezę kw. foliowego u bakterii;

• 💊🦠 Leki antyretrowirusowe - inhibitory proteazy wirusowej/odwrotnej transkryptazy.

🛑💊 Wymień przykłady syntetycznych inhibitorów pełniących rolę leków [7].

• 💨☠ Związki fosfoorganiczne (np. Sarin, DIFF - diizopropylofluorofosforan) - nieodwracalne inhibitory acetylocholineazy (w. kowalencyjne z grupą -OH seryny centrum aktywnego); powodują gromadzenie acetylocholiny i porażenie UN;

• 💊 Cyjanki (CN^-); 🫧 Tlenek węgla (II) (CO); 🐟 Siarkowodór (H₂S) - hamują oksydazę cytochromową (wiążąc się z jonami Fe²⁺ i Fe³⁺); Blokują oddychanie komórkowe;

• 🤖☠ Metale ciężkie (np. Hg⁺; Pb²⁺; Ag⁺) - niespecyficzne inhibitory niekompetycyjne (reagują z grupami -SH cysteiny); Prowadzą do denaturacji lub blokują katalizę;

• ☣☠ Jodoacetoamid - alkiluje grupy -SH w enzymach (inhibicja nieodwracalna).

☠🛑 Wymień przykłady syntetycznych inhibitorów o postaci trucizn i środków bojowych [4].

1. ⚖⚙ Kontrola zawartości białka enzymatycznego w komórce;

2. ➖♻ Sprzężenie zwrotne - hamowanie szlaku enzymów przez produkt (zwykle enzym katalizujący pierwszą nieodwracalną reakcję w szlaku - “First Committed Step), a następnie:

   • ✅ Aktywacja - przekształcenie nieczynnych proenzymów w postacie czynne;

   • 🔛 Kompartmentacja - nierównomierny rozdział substratów i enzymów w różnych częściach komórki;

   • 🧑‍🧑‍🧒‍🧒 Formowanie kompleksów wieloenzymatycznych.

🪛⚙ Opisz sposoby regulacji aktywności metabolicznej enzymów [2/3].