آنزیم ها
تعریف آنزیم:
کاتالیزور های حیاتی هستند که توسط سلول های زنده ساخته می شوند و باعث افزایش سرعت واکنش های بیوشیمیایی می شوند.
نحوه افزایش سرعت واکنشهای شیمیایی توسط آنزیم ها:
انجام سریع یک واکنش شیمیایی در آزمایشگاه به شرایط ویژه ای مانند دما و فشار بالا نیاز دارد.
در سیستم های زنده ای مانند سلول شرایط محیطی مانند دما و فشار کاملا ثابت است. لذا آنزیم ها هم مانند کاتالیزورهای آزمایشگاهی و غیرآلی سرعت واکنش ها را با پایین آوردن انرژی فعالسازی افزایش می دهند.
مقایسه کاتالیزور معدنی و آنزیم
خصوصیات واکنش های آنزیمی:
آنزیم ها در طی واکنش تغییر می کنند ولی در پایان واکنش به حالت اول بر می گردند.
آنزیم ها مصرف نمی شوند، لذا می توانند مقادیر زیادی سوبسترا را به محصول تبدیل کنند.
اکثر واکنش های آنزیمی دو طرفه هستند.
آنزیم ها اثری بر روی تعادل نهایی و خصوصیات ترمودینامیکی ندارند و تنها زمان رسیدن به تعادل را افزایش می دهند.
واکنش های آنزیمی اختصاصی هستند.
ساختار آنزیم:
تقریبا تمامی آنزیم ها پروتئینی هستند (به غیر از چند استثنا که از جنس RNA هستند).
آنزیم ها می تواند به تنهایی فعال باشد و یا برای فعالیت خود به جزء شیمیایی دیگری به نام کوفاکتور نیاز داشته باشد.
کوفاکتورها:
برخی آنزیم ها برای فعالیت خود نیاز به جزئی غیر از پروتئین آنزیم به نام کوفاکتور نیاز دارند.
کوفاکتور ممکن است ساختمان معدنی و یا آلی داشته باشد. و اتصال آن به پروتئین آنزیم ممکن است محکم و یا سست باشد.
کوفاکتور دارای اتصال محکم را گروه پروستتیک می گویند.
آنزیم اتصال یافته به کوفاکتور را هولوآنزیم می گویند.
پروتئین آنزیم را آپوآنزیم می گویند.
کوفاکتورهای معدنی را یون های فلزی تشکیل می دهند:
شامل منیزیم، منگنز، روی، کلسیم، مس، آهن، سدیم، پتاسیم، کبالت و مولیبدن هستند.
اگر اتصال سست باشد فلز را یون فعال کننده می گویند و آنزیم را آنزیم فعال شونده توسط فلز گویند.
اگر اتصال محکم باشد کمپلکس آنزیم و یون را متالوآنزیم می گویند.
کوفاکتور های آلی شامل کوآنزیم ها هستند و در سه گروه جای دارند:
کوآنزیم های ویتامینی
کوآنزیم های متابولیتی
کوآنزیم های پروتئینی
جایگاه فعال آنزیم ها:
بخشی از آنزیم که که با سوبسترا در تماس قرار میگیرد جایگاه فعال (active site) نام دارد.
کاتالیز توسط جایگاه فعال انجام می شود.
هر آنزیمی سوبسترای خاص خود را شناسایی و آن را به محصول تبدیل می کند.
اختصاصی بودن آنزیم به دلیل ساختار جایگاه فعال است که متناسب با سوبسترا می باشد.
جایگاه تنظیمی
جایگاه دیگری که عوامل مهارکننده و فعال کننده به آن متصل می شوند.
به آنزیم های دارای جایگاه تنظیمی ، آنزیم های آلوستریک می گویند.
در ارتباط با ساختار جایگاه فعال چند فرضیه مطرح شده است:
مدل قفل و کلید فیشر :(Fischer lock and key model)
جایگاه فعال ساختار سخت و غیر قابل انعطاف دارد که دقیقا مکمل سوبسترا است و سوبسترا در آن قرار می گیرد، مشابه قرار گرفتن قفل در کلید.
مدل غالب القایی کوشلند :(Koshland induced fit model)
جایگاه فعال آنزیم کاملا مکمل سوبسترا نمی باشد بلکه انعطاف پذیر است و در اثر اتصال سوبسترا متناسب با آن می شود مانند قرار گرفتن دست در دستکش.
امروزه ثابت شده است که جایگاه فعال متناسب با حالت گذار سوبسترا است.
نامگذاری آنزیم ها 1.عمومی یا غیرسیستماتیک
◄ آنزیم های هیدرولیز کننده (هضم):
سوبسترا + آز: همانند اوره از ،لیپاز ، پروتئاز ، سوکراز
◄آنزیم های درگیر در متابولیسم نام سوبسترا+عمل آنزیم+آز: پیروات دهیدروژناز، DNAپلیمراز
عمل آنزیم + آز: همانند اکسیداز، هیدرولاز
نامگذاری متداول: آلفا – آمیلاز
نامگذاری آنزیم ها 2.سیستماتیک
نامگذاری سیستماتیک glucanohydrolase α-1,4 glucan 4-
شماره سیستماتیک EC 3.21.1
EC مخفف نام کمسیون آنزیم و اعداد بعدی هر کدام خاصیت خاصی را بیان می کنند.
1. اکسیدوردوکتاز
کاتالیز واکنشهای اکسیداسیون – احیاء
انتقال الکترون ها ، اتم هیدروژن و اکسیژن از یک مولکول (دهنده الکترون) به مولکول دیگر(گیرنده الکترون)
آنزیمهائی مثل: دهیدروژناز – ردوکتاز – اکسیداز – اکسیژناز – هیدروکسیلاز – کاتالاز -پراکسیداز
2.ترانسفرازها
انتقال یک گروه شیمیایی مثلاً گروه متیل(CH3) ، آمین و فسفات (به جز H) را از یک مولکول (دهنده) به مولکول دیگر(گیرنده)
به عنوان مثال آنزیمی که بتواند واکنش زیر را کاتالیز کند یک ترانسفراز است:
A–X + B → A + B–X
مانند : آمینوترانسفراز ها – کینازها – متیل ترانسفراز ها
3.هیدرولازها
با افزودن یک مولکول آب باعث شکستن یک پیوند می شوند(شکستن آب و مولکول )
آنزیمی که بتواند واکنش زیر را کاتالیز کند یک هیدرولاز است:
استراز- پپتیداز – پروتئاز-نوکلئاز
4. لیازها
از طریق گذاشتن یا برداشتن گروه هایی بر روی دو کربن مجاور موجب تشکیل و یا شکستن پیوند دوگانه می شوند.
لیازها آنزیمهایی هستند که شکست پیوندهای C-CوC-OوC-N و سایر پیوند ها را با حذف یک اتم وباقی گذاشتن پیوندهای دوگانه و یا تشکیل یک حلقه کاتالیزمی کنند.
به عنوان مثال آنزیمی که بتواند واکنش زیر را کاتالیز کند یک لیازاست:
مانند : دکربوکسیلاز – هیدراتاز –دهیدراتاز – سنتاز
5. ایزومرازها:
واکنشهای تشکیل ایزومرها را کاتالیز می کنند یا می توان گفت باعث جابه جایی اتم ها بر روی یک سوبسترا می شوند.
مانند آنزیم راسماز -اپی مراز – ایزومراز – موتاز
6. لیگازها
اتصال دومولکول را به همدیگر، همزمان با هیدرولیزATP (یعنی همزمان با مصرف انرژی) کاتالیز می کنند.
مانند : سنتتاز – کربوکسیلاز – لیگاز
مانند DNA لیگاز که ساخت زنجیره DNA را بر عهده دارد
عوامل موثر بر سرعت واکنش آنزیمی :
◄غلظت آنزیم ◄غلظت سوبسترا ◄دما
◄ pH
1.اثر دما بر سرعت واکنش های آنزیمی
ضریب وانتهوف یا Q10 : با افزایش هر 10 درجه سانتیگراد ، سرعت واکنش 2 برابر می شود.
2.اثر PH بر سرعت واکنش های آنزیمی
2.اثر PH بر سرعت واکنش های آنزیمی
3.اثر غلظت آنزیم بر سرعت واکنش های آنزیمی
سرعت یک واکنش آنزیمی تا زمانی که سوبسترا به مقدار کافی موجود باشد مستقیما متناسب با غلظت آنزیم می باشد.
4.اثر غلظت سوبسترا بر سرعت واکنش های آنزیمی
کینتیک واکنش های آنزیمی
بیان رابطه ریاضی بین غلظت سوبسترا و سرعت (معادله میکائیلیس- منتن)
نمودار میکائیلیس- منتن
معادله میکائیلیس- منتن
تعریف Km
غلظتی از سوبسترا است که نصف سرعت ماکزیمم را ایجاد کند.
Km نسبت عکس با تمایل آنزیم به سوبسترا دارد یعنی هر چه Km بیشتر باشد تمایل آنزیم به سوبسترا کمتر است.
ایزوآنزیم ها واکنش های شیمیایی یکسانی را کاتالیز می کنند ولی دارای انتشار بافتی، ساختمان و Km متفاوتی هستند.
معادله لینیور برگ
معادله لینیور برگ
نمودار لینیور برگ
نکات معادله لینیور برگ
این معادله عکس معادله میکائیلیس-منتن می باشد.
برعکس منحنی و معادله میکائیلیس-منتن که تعیین Km و Vmax آنزیمی تقریبی می باشد، در این معادله با داشتن دو نقطه به طور دقیق می توان پارامترهای فوق را به دست آورد.
فعالیت آنزیم ها و واحد آن ها
فعالیت آنزیم اشاره به تعداد کل مولکول آنزیم موجود در محلول دارد.
دو واحد معمول مورد استفاده برای فعالیت آنزیم عبارتند از:
واحد بین الملل (IU=µM/min): میزان آنزیمی است که در هر دقیقه یک میکرومول سوبسترا را به محصول تبدیل کند.
واحد کاتال (Kat=M/s): میزان آنزیمی است که در هر ثانیه یک مول سوبسترا را به محصول تبدیل کند.
مهارکننده ها:
به دو دسته برگشت پذیر و برگشت ناپذیر تقسیم می شوند.
مهارکننده های برگشت پذیر:
برای ارزیابی این مهارکننده ها از پارامترهای Km و Vmax استفاده می شود.
شدت تغییرات بستگی به غلظت مهارکننده ([I]) و ثابت تعادل اتصال آن (Ki) دارد.
این میزان برابر با /Ki [I]1+ می باشد که در هنگام افزایش در پارامتر ضرب و در هنگام کاهش بر پارامتر تقسیم می شود.
در هنگام مطالعه مهارکننده استفاده از معادله لینیور-برگ راحت تر است.
مهارکننده های برگشت پذیر در سه گروه رقابتی، غیر رقابتی و نارقابتی تقسیم می شوند.
مهارکننده های رقابتی (Competitive inhibitor)
نکات مهارکننده های رقابتی:
به دلیل وجود جایگاه اتصالی مشترک و یا تداخل فضایی این جایگاه ها، بین مهارکننده و سوبسترا برای اتصال به آنزیم رقابت وجود داشته و فقط یکی از آن ها اتصال می یابد.
با افزایش غلظت سوبسترا، اثر مهارکننده حذف می شود.
مقدار Vmax ثابت مانده اما Km افزایش می یابد.
ساختار مهارکننده رقابتی شبیه سوبسترا می باشد.
مثال این نوع مهارکننده: رقابت مالونات با سوکسینات برای اتصال به سوکسینات دهیدروژناز
مهارکننده های غیرقابتی (Noncompetitive inhibitor)
نکات مهارکننده های غیررقابتی:
اتصال سوبسترا و مهارکننده به انزیم مستقل از هم بوده و امکان ایجاد کمپلکس سه تایی ESI وجود دارد.
افزایش غلظت سوبسترا اثری بر روی مهارکننده ندارد و Vmax ظاهری کاهش می یابد.
آنزیم هایی که به مهارکننده اتصال نیافته اند، فعالیت طبیعی دارند و در نتیجه Km ثابت می ماند.
نوعی مهار مخلوط (mix) می باشد که در آن ثابت اتصال مهارکننده به آنزیم آزاد و کمپلکس ES برابر است.
مهارکننده های نارقابتی (Uncompetitive inhibitor)
نکات مهارکننده های نارقابتی:
مهارکننده تنها به ES اتصال می یابد و احتمالا اتصال قبلی سوبسترا به آنزیم باعث تغییرشکل آنزیم برای اتصال به مهارکننده لازم است.
در این نوع مهارکننده هر دو گارامتر Km و Vmax کاهش می یابد.
مهارکننده های برگشت ناپذیر:
مهارکننده با اتصال کووالانسی یا غیرکووالانسی برگشت ناپذیر به آنزیم اتصال می یابد.
به دلیل برگشت ناپذیری، از قوانین میکائیلیس-منتن برای این نوع مهارکننده ها نمی توان استفاده کرد.
گازهای جنگی فسفره مثل دی ایزوپروپیل فسفوفلوریدات (DIPE) با اتصال کوالان به ریشه سرین جایگاه فعال آنزیم استیل کولین استراز موجب مهار برگشت ناپذیر این آنزیم می گردند.
پنی سیلین با اتصال به گروه هیدروکسیل اسیدهای آمینه موجود در آنزیم باعث مهار سنتز دیواره سلولی باکتری می گردند.
فلزات سنگین و عوامل آلکیله کننده مثل یدواستامید از طریق اتصال کوالان با ریشه CYS جایگاه فعال، باعث مهار آنزیم می گردند.