Biochemie 2 Chemische reacties en enzymen BCM21: samengesteld door mw. dr. B. Schrammeijer BML Docenten: dr. J. de Jong, dr. K. Langereis en dr. M. Luijendijk

Intermediaire stofwisseling Chemische reacties: hoe kunnen ze verlopen? Vrije energie Activeringsenergie Enzymen: Eigenschappen, werking Naamgeving Enzymactiviteit

Enkele biologische functies van eiwitten NB: een enzym is niet altijd een eiwit!!!! Sommige RNA moleculen vertonen ook enzymwerking

De Gibbse energieverandering in een systeem ΔG < 0 reactie verloopt spontaan (exergonisch) ΔG = 0 evenwicht ΔG > 0 reactie verloopt niet spontaan, toevoer van vrije energie nodig (endergonisch). Denk aan de rol van ATP. De meeste reacties in ons lichaam zijn exergoon, maar verlopen niet als ze niet geholpen worden door ………………………………………. omdat ze te langzaam verlopen.

Reactie kinetiek In heel veel gevallen zit er een energie barrière tussen reactanten en producten Wat moet er allemaal gebeuren? EA is ……….. Wat doet een enzym? …….

Enzymen Een enzym verlaagt de energiebarrière tussen reactanten en producten. Op het hoogste energie nivo zijn de moleculen het minste stabiel

Hoe werken enzymen Enzym + Substraat EnzymSubstraatcomplex Enzym + Product E + S ES E + P

De rol van enzymen in metabole reacties - Zonder een katalysator lopen veel reacties (ook al zijn ze exergoon) niet (te traag) - Met een katalysator verloopt de reactie vaak erg snel/ veel sneller - In levende organismen zijn enzymen de katalysatoren - Hierbij wordt de katalysator niet verbruikt Enzyme 1 Enzyme 2 Enzyme 3 A B C D Reaction 1 Reaction 2 Reaction 3 Substraat Product

Hoe werkt een enzym enzym bindt een specifiek substraat en zorgt voor een comfortabele pasvorm voor het transitie stadium. de binding van enzym aan substraat is exergonisch de energie die erbij vrijkomt verlaagt de activeringsenergie voor de reactie en vergroot daarmee de reactiesnelheid Bij dezelfde temperatuur hebben meer moleculen voldoende energie dus neemt de snelheid van omzetting toe.

Kenmerken van een enzym komt onveranderd uit de reactie katalyseert zowel de heen- als teruggaande reactie (hoe weet je nu welke kant de reactie op gaat?) beïnvloedt niet de ligging van het evenwicht de reactie blijft afhankelijk van de temperatuur

Invloed omgevingsfactoren op enzym activiteit Temperatuur en pH effect

Substraatbindingsplaats (actief centrum) van het enzym Het gebied in het enzym waar de katalysatie van de reactie plaatsvindt Emil Fisher (1894): Sleutel-slot model Het actief centrum van het enzym is complementair aan het substraat Polanyi (1921); Haldane (1930) en Pauling (1946): Het actief centrum is complementair aan het transitie stadium van het substraat

Substraatbindingsplaats (actief centrum) van het enzym

Induced fit: Hexokinase www.molmovdb.org/cgi-bin/morph.cgi?ID=038678-20686

Met welke energie verlagen enzymen de activeringsenergie? De bindingsenergie ΔGb draagt bij aan specificiteit en katalyse 1. Niet-covalente interacties - deze zwakke interacties zijn optimaal in transitie stadium van de reactie - Ionogene interacties; H-bruggen; v.d. Waalskrachten 2. Herrangschikking van covalente banden (katalyse) - tijdelijke covalente binding tussen substraat en enzym (AZ zijketens, cofactoren, coenzymen) - groep overdracht van substraat op enzym (bv. een H+)

Met welke energie verlagen enzymen de activeringsenergie?

Enzymwerking: hulp componenten Sommige enzymen hebben voor hun activiteit een niet-eiwitcomponent nodig: Cofactor en/of Coenzym

Cofactoren Metaalionen: Ca2+ , Mg2+ , K+ Spore elementen: Cu2+ , Mn2+ , Zn2+

Voorbeeld werking cofactor Enolase, 2 Mg2+ 2-PGA PEP

Coenzymen/Vitaminen (1) Organische groepen (kunnen niet zelf door het lichaam worden gesynthetiseerd) vaak bevatten deze een vitamine NAD+: Nicotinamide adenine dinucleotide FAD: Flavine adenine dinucleotide Coenzym A (Vit. B1) (e-) (Vit. B2) (e-) (Vit. B6) (NH2) (CO2) Vitamine B5 CoenzymA acyl groepen (RCO-)

Coenzymen/Vitaminen: een voorbeeld Geoxideerd en gereduceerd FAD en FMN Riboflavine (Vitamine B2)

Begrippen Cofactor Co-enzym Holoenzym: Compleet katalytisch actief enzym met gebonden coenzym en/of cofactor Apoenzym (apo eiwit): Eiwit deel in het holoenzym Prosthetische groep: Een coenzym of cofactor welke zeer stevig of zelfs covalent gebonden is aan het enzym

Naamgeving van enzymen Triviale naam: substraat-ase, substraat + reactie-ase pepsine, lysine, trypsine Systematische naam: daarin komt één van onderstaande groepen voor. Indeling in 6 groepen naar type reactie welke ze katalyseren: 1. Oxidoreductases (oxidatie-reductie reacties) 2. Transferases (overdracht van functionele groepen) 3. Hydrolases (hydrolytische reacties) 4. Lyases (addities aan dubbele bindingen) 5. Isomerases (isomeraties) 6. Ligases (vorming van bindingen onder splitsing van ATP) E.C. (enzym catalogus) nummer bestaande uit 4 cijfers

Voorbeeld EC naamgeving Glycerol + NAD+ Glyceron + NADH + H+ Triviale naam: glycerol dehydrogenase Systematische naam: glycerol:NAD+ 2-oxidoreductase EC 1.1.1.6 1 oxidoreductase 1 werkt op CH-OH 1 met NAD+ als electronen acceptor 6 glycerol als substraat

Bio-informatica http://www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/enzyme/ Nomenclatuur van enzymen http://www.expasy.ch/ Expert Protein Analysis System

Reactie snelheid (v) Snelheid van een chemische reactie is de verandering van [S] of [P] in de tijd Reactie: A B v = - = in mol/L.s (V = k [A]) Reactiesnelheid wordt beïnvloed door: grootte van de activeringsenergie temperatuur concentratie van de reagerende stoffen Δ[A] Δ[B] Δt Δt

Meten van enzymactiviteit Een enzym laat zich meten doordat het een reactie versnelt (enzymactiviteit, katalytische activiteit) Een reactiesnelheid is de toename van de concentratie product per tijdseenheid = Dus : We gaan de reactiesnelheid meten van een reactie zonder en met enzym Δ[B] Δt

Reactie: S P Reactiesnelheid geldt: v = d[P] / dt = - d[S] / dt (1) Wet van Lambert-Beer: Absorptie van licht door moleculen A = ε.c.l = ε .[P].l (2) A (absorbantie) ε (molaire extinctiecoëfficiënt) L mol-1 cm-1 [P] = A / ε.l c (concentratie) mol L-1 l (lengte licht afstand) cm en (2): v = d[P]/dt = dA / (ε.l) dt v (reactiesnelheid) mol L-1s-1 (we gaan dus verandering van absorbantie meten gedurende een bepaalde tijd)

Eenheid van enzymactiviteit (IU of Katal) 1 Internationale eenheid (IU) in μmol / minuut : die hoeveelheid enzym die in staat is om 1 μmol product per minuut te vormen bij 25oC. 1 katal (kat) in mol / seconde : die hoeveelheid enzym in staat om 1 mol product te vormen per seconde 1 katal = 6 x 107 IU 1 IU = 16.7 nkatal Specifieke activiteit (SA) van een enzym De specifieke activiteit is de activiteit = het aantal eenheden / mg eiwit (IU/mg eiwit of katal/kg eiwit)