Untitled

Uniwersytet Wrocławski

  • Wydział Biotechnologii

  • ul. Joliot-Curie 14a, 50-383 Wrocław

  • tel. +48 71 375 62 00, +48 71 375 27 32

  • www.biotech.uni.wroc.pl

Biochemia dla studentów GIBE

  • Wykład 8: Funkcje białek

  • Dr Maria Stasiuk - Wacławczyk

Wybrane funkcje białek

  1. Kataliza enzymatyczna

  2. Transport i magazynowanie

  3. Ruch

  4. Funkcje mechaniczno-strukturalne

  5. Ochrona immunologiczna

  6. Wytwarzanie i przekazywanie impulsów nerwowych

  7. Kontrola wzrostu i różnicowania

Enzymy

  • Enzymy są biokatalizatorami białkowymi.

  • Zwiększają szybkość reakcji biochemicznych poprzez specyficzną aktywację substratów.

  • Energia aktywacji: Enzymy obniżają energię aktywacji reakcji chemicznych.

  • Przyspieszają ustalanie równowagi termodynamicznej.

  • Przyspieszają reakcje chemiczne co najmniej milionkrotnie.

Specyficzność enzymów

  • Enzymy wykazują dużą specyficzność w stosunku do substratu i niemal absolutną w stosunku do typu katalizowanej reakcji.

  • Wszechstronność: Niektóre enzymy reagują tylko z jednym związkiem, inne działają na określoną grupę związków, zależnie od budowy substratu.

  • Swoistość enzymu: związana z budową substratu, musi zawierać wiązanie, które ulega atakowi przez dany enzym oraz grupę funkcyjną.

  • Swoistość przestrzenna: Enzymy mogą działać tylko na jeden z możliwych stereoizomerów i syntetyzują asymetrycznie.

Działanie enzymów

  • Enzymy zestawiają substraty w optymalnej konfiguracji przestrzennej, stabilizują stany przejściowe reagentów, co umożliwia szybkie przejście do produktów.

  • Aby reakcja mogła zajść, substraty muszą zbliżyć się do siebie na odpowiednią odległość.

  • Enzymy umożliwiają zajście reakcji w niższych temperaturach w porównaniu do braku enzymu.

Przykłady metaboliczne

  • Enzymy sprzęgają w cyklach odległe miejsca metabolizmu lub cząsteczki.

Budowa enzymu

  • Enzymy mogą być tylko białkami lub składać się z białkowej części (apoenzym) i niebiałkowych grup prostetycznych (atomy metali, pochodne witamin).

  • Część białkowa działa tylko z częścią niebiałkową. Przykłady koenzymów: NADH, FAD, ATP.

  • Reszty aminokwasowe w enzymie stabilizują substrat w kieszeni substratowej (miejsce wiązania substratu).

Centrum aktywne enzymu

  • Miejsce wiązania substratu i miejsce katalityczne.

  • Zajmuje mały fragment cząsteczki enzymu; ma znaczenie dla specyficzności wiązania.

  • Oddziaływania enzym-substrat są słabe (wiązania elektrostatyczne, wodorowe).

  • Miejsca aktywne są często zagłębieniami w strukturze cząsteczki (kieszeń substratowa).

Modele działania enzymów

Model „klucza i zamka” (Fisher)

  • Miejsce aktywne enzymu jest komplementarne do substratu.

Model „ręki i rękawiczki” (Koshland)

  • Zakłada, że związanie substratu powoduje zmianę kształtu enzymu, co zwiększa efektywność wiązania substratu.

Inhibitory enzymatyczne

  • Nieodwracalne: wiążą się z enzymem, powodując trwałą utratę aktywności.

  • Odwracalne:

    • Inhibitory kompetycyjne: przypominają substrat, konkurują o miejsce aktywne.

    • Inhibitory niekompetycyjne: przyłączają się do innego miejsca enzymu.

    • Inhibitory akompetycyjne: łączą się do kompleksu enzym-substrat.

Czynniki wpływające na aktywność enzymów

  1. Temperatura

  2. pH

  3. Siła jonowa

  4. Stężenie substratu

  5. Stężenie enzymu

  6. Obecność aktywatorów

  7. Obecność inhibitorów

Kinetika Michaelisa-Menten

  • Szybkość reakcji zależy od stężenia substratu. Przy wysokim stężeniu, reakcja osiąga maksymalną szybkość (wszystkie centra aktywne są wysycone substratem).

Temperatura

  • Szybkość reakcji wzrasta z temperaturą (ok. podwojenie przy wzroście o 10°C w zakresie nie denaturującym struktury enzymu).

  • Przekroczenie temperatury krytycznej powoduje denaturację enzymów.

Przykład enzymu termostabilnego

  • Thermus aquaticus: źródło polimerazy Taq używanej w PCR.

pH

  • Większość enzymów ma optymalne pH (5,5 – 7,4). Enzymy także aktywne w środowisku kwaśnym (pepsyna) i zasadowym (trypsyna).

Wysokotemperaturowe organizmy

  • Ferroplasma acidophilum: przystosowane do życia w ekstremalnych warunkach.

Strategies regulacyjne

  1. Zmiany produkcji enzymu w odpowiedzi na zmiany środowiska.

  2. Hamowanie przez sprzężenie zwrotne.

  3. Wpływ białek regulacyjnych.

  4. Kontrola allosteryczna.

  5. Odwracalna modyfikacja kowalencyjna.

  6. Aktywacja proteolityczna.

Enzymy markerowe

  • Występują w określonym przedziale komórkowym, niedobory mogą prowadzić do schorzeń. Przykład: enzymy sercowe.

Transport i magazynowanie białek

  • Transferyna: transportuje żelazo w organizmie.

  • Hemoglobina: białko przenoszące tlen, składa się z podjednostek alfa i beta.

Hemoglobina i jej funkcje

  • Hem wiąże tlen; zmiany konformacyjne w reakcjach z tlenem.

Model sekwencyjny i jednoprzejściowy hemoglobiny

  • Opisują mechanizmy, przez które hemoglobina wiąże tlen, wpływ na powinowactwo.

Hemoglobinopatie

  • Anemia sierpowata związana z mutacją punktową w genie hemoglobiny.

Tlenek węgla (CO)

  • Wysokie powinowactwo CO do hemoglobiny, objawy w zależności od poziomu COHb we krwi.

Połączenia międzykomórkowe

Komórki zwierzęce:

  1. Połączenia barierowe (zamykające)

  2. Połączenia komunikacyjne (szczelinowe)

  3. Połączenia mechaniczne (desmosomy)

Komórki roślinne:

  • Plazmodesmy łączą protoplasty sąsiednich komórek, tworząc symplast.

Białka strukturalne

Kolagen i elastyna

  • Kolagen: 50-80 % wszystkich białek w organizmie.

  • Elastyna: zapewnia elastyczność tkanek. Obie struktury ulegają działaniu enzymatycznemu, wymagają witaminy C do syntezy.

Cytoszkielet

  • Stanowi rusztowanie, odpowiada za zmiany kształtu komórki, transport wewnątrzkomórkowy.