תהליכי החיים מזורזים על ידי מספר רב של אנזימים שונים הפועלים בתיאום, ולכן חסר באנזים יחיד עלול לפגוע בפעילות התקינה של הגוף. מחלות תורשתיות רבות,

Size: px

Start display at page:

Download "תהליכי החיים מזורזים על ידי מספר רב של אנזימים שונים הפועלים בתיאום, ולכן חסר באנזים יחיד עלול לפגוע בפעילות התקינה של הגוף. מחלות תורשתיות רבות,"

Sabrina Perkins
5 years ago
Views:

1 אנזימים Enzymes

2 מהו אנזים? אנזימים הם קבוצה ייחודית של חלבונים המגבירים קצב של תגובות כימיות שונות המתרחשות בתאים חיים, ועל כן הם נקראים זרזים ביולוגיים. האנזימים הם קבוצת החלבונים החשובה ביותר. אנזימים מעורבים בכל תהליכי חילוף החומרים. בתהליכי עיכול מזון, למשל, הם מזרזים פירוק מולקולות גדולות )כגון חלבונים, פחמימות ושומנים( למולקולות קטנות יותר. רובן המוחלט של התגובות הכימיות שעליהן מבוססים החיים אינן מסוגלות להתרחש באופן ספונטני בקצב סביר. האנזימים מאפשרים את התרחשותן של תגובות אלו באמצעות זירוז קצבן פי אלפי ומיליוני מונים. ללא אנזימים רבות מן התגובות המתרחשות בתאים לא היו מתנהלות בקצב מהיר דיו.

3 תהליכי החיים מזורזים על ידי מספר רב של אנזימים שונים הפועלים בתיאום, ולכן חסר באנזים יחיד עלול לפגוע בפעילות התקינה של הגוף. מחלות תורשתיות רבות, כגון ציסטיק פיברוזיס או טאי זקס, נובעות מחסר באנזים. המולקולה שעליה פועל האנזים נקראת מצע )או סובסטראט( כל אנזים פועל על סובסטראט ייחודי לו בתגובה ייחודית. האנזים יכול לפעול על הסובסטראט בצורות שונות: חיתוך מולקולה, חיבור של מספר מולקולות או שינוי של מולקולת הסובסטראט. האנזים עצמו משתחרר בסיום התגובה בלי שחל בו שינוי, ולכן הוא מסוגל לזרז תגובה מסוימת מספר רב של פעמים.

4 מבנה האנזים והתאמתו למבנה הסובסטרט מרבית האנזימים הם חלבונים. חלבונים מורכבים מרצפים שונים של חומצות אמיניות. כל חלבון מורכב ממספר שונה ומרצף שונה של חומצות אמיניות. רצף זה קובע את אופן ההתקפלות של החלבון למבנה תלת-ממדי מורכב, ולפיכך גם את תפקודו של החלבון בסופו של דבר. הרצף ותבנית הקיפול של כל אנזים מציבים חומצות אמינו מסוימות באתר שבו מבוצעת התגובה של האנזים. אתר זה קרוי האתר הפעיל. לכל אנזים יש אתר פעיל אחד או יותר, אליו נקשרים המגיבים ובו מתרחשת התגובה הכימית. האתר הפעיל של כל אנזים מותאם ספציפית לסובסטרט שעליו הוא פועל, הן בצורה והן במטען החשמלי של חומצות האמינו המצויות באתר הפעיל. ההתאמה יכולה להתקיים באופן קבוע, או שהיא נוצרת במהלך החיבור בין האנזים למצע. מכיוון שהאנזימים אינם מתכלים בתגובות שהם מזרזים, הם יעילים מאוד, ודי בכמויות זעירות כדי שיעשו את פעולתם. כמעט לכל האנזימים יש ייחודיות גבוהה )בגלל צורתה המיוחדת של המולקולה( לפעולתם הקטליטית ולזיקתם לסובסטראט, ולכן מספרם בטבע עצום.

5 5

6 כיצד אנזים מזרז את התגובה? כאמור, אנזימים הם זרזים ביולוגים, המסוגלים להגביר את הקצב של תגובות שונות. באיור הבא מתוארת בצורה סכמתית תגובת חיבור שתי מולקולות של חד-סוכר ליצירת מולקולה של דו-סוכר )למשל יצירת מולקולה של סוכר החלב, לקטוז, ממולקולות של גלוקוז וגלקטוז(. כדי שמולקולות החד-סוכר יתחברו, הן צריכות לפגוש זו את זו בתמיסה בדיוק בכיווניות הנכונה. בהעדר אנזים, המולקולות נעות בתמיסה ומתנגשות זו בזו באופן אקראי. כשהן נפגשות בדיוק בכיוון הנכון, יכול להיווצר ביניהן קישור. בנוכחות אנזים, כל מולקולות המצע נקשרות למקום מסוים באנזים וכך הן מצויות בכיוון ובמרחק המאפשרים את יצירת הקשר ביניהן:

8 הורדת אנרגיית השפעול פעולת האנזים מתבטאת לא רק בהתאמה מרחבית של מולקולות המצע, אלא גם בהורדת רמת האנרגיה הדרושה להתרחשות התגובה. * ברוב התגובות הביוכימיות יש להשקיע כמות מסוימת של אנרגיה כדי שהתגובה תוכל להתרחש. אנרגיה זו נקראת אנרגיית שפעול. פעולת האנזימים מתבטאת בהנמכתה של אנרגיית השפעול של תגובה.

9 ללא אנזים גלקטוז לקטוז גלוקוז + אנרגיית שפעול ללא אנזים עם אנזים podgorski/sp%2005/powerpoints%2005/energetics%20and%20enzymes.ppt#10 לקטוז גלוקוז + גלקטוז אנרגיית שפעול עם אנזים

10 גורמים המשפיעים על פעילות אנזימים קצב התגובה מוגדר כמספר מולקולות התוצר הנוצרות ביחידת זמן. כדי לקבוע קצב של תגובה אנזימטית, אפשר למדוד את קצב היווצרות התוצר על ידי בדיקת השינוי בריכוז התוצר עם הזמן. אפשר גם למדוד את קצב היעלמות הסובסטראט, על ידי מדידת ריכוז הסובסטראט שנשאר במערכת התגובה עם הזמן. גורמים שונים משפיעים על קצב התגובה של אנזימים, בהם טמפרטורה,,pH ריכוז האנזים, ריכוז הסובסטראט, ונוכחות של חומרים שונים המגבירים או מעכבים את פעילות האנזים. לכל אנזים יש טמפרטורה מיטבית )אופטימלית( לפעילותו, ובה קצב התגובה הגבוה ביותר. אם נבדוק את השפעת הטמפרטורה על הפעילות של אנזימים שונים, צורת העקומה שנקבל תהיה דומה, אולם הטמפרטורה המיטבית תשתנה בהתאם לאנזים הנבדק.

11 השפעת הטמפרטורה על פעילות האנזים הטמפרטורה משפיעה על פעילות האנזים בשתי צורות: ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר האנרגיה שיש למולקולות המשתתפות בתגובה, גבוהה יותר. מולקולות האנזים והמצע נעות מהר יותר, מתנגשות זו בזו בתדירות גבוהה יותר, ולכן עולה קצב התגובה. מאחר שמרבית האנזימים הם חלבונים, טמפרטורות גבוהות מידי גורמות לשינוי המבנה המרחבי שלהם )דנטורציה(. בשל שינוי המבנה, עלולה להיפגע ההתאמה בין האתר הפעיל לסובסטראט, ולכן קצב התגובה יורד, עד שבטמפרטורה מסוימת אין יותר התאמה בין מבנה האנזים למבנה הסובסטראט, והתגובה אינה יכולה להתרחש.

השפעת ph על פעילות האנזים גורם נוסף המשפיע על פעילות אנזימים הוא ה- ph )רמת החומציות( של התמיסה שבה מתרחשת התגובה. בדרך כלל לכל אנזים יש תחום צר של ערכי ph בו הוא פעיל.

13 השפעת ph על פעילות האנזים גורם נוסף המשפיע על פעילות אנזימים הוא ה- ph )רמת החומציות( של התמיסה שבה מתרחשת התגובה. בדרך כלל לכל אנזים יש תחום צר של ערכי ph בו הוא פעיל. ה - ph בו פעילות האנזים מירבית נקרא ph אופטימלי. האיור שלפניכם מתאר את השפעת ה- ph על קצב התגובה של שני אנזימים שונים. השפעת ה- ph על הפעילות האנזימטית נובעת מיינונן של קבוצות שונות במולקולות האנזים ו/או במולקולות הסובסטראט.

14 השפעת ריכוז הסובסטראט על קצב התגובה הגורם המגביל הוא ריכוז האנזים.

15 סיכום ההשפעות השונות על קצב התגובה

16 מודלים לפעילות אנזים מודל השראה מותאמת מודל מנעול מפתח

17 קטליזה אנזימטית אנזימים הם חלבונים בעלי מסה מולרית גבוהה מאוד. כל אנזים הוא ספציפי מזרז תגובה מסוימת. האנזים (E) פועל על סובסטרט (S) יוצר אתו קישור ספציפי באתר קישור (ES) האתר הפעיל.

18 מודל התאמת אנזים לסובסטרט

19 מודל : מנעול-מפתח P S S + + P E + S ES complex E + P

20 מודל : התאמה מושרית S S P P E + S ES complex E + P

21 בקרה על פעילות אנזימים Regulation האמצעי העיקרי לתיאום בין מסלולים מטבוליים ושמירה על הומיאוסטזיס, הוא בקרה על פעילות אנזימים: סינתזה/פירוק: הגדלה/הקטנה של מספר מולקולות האנזים המזרז שלב מפתח במסלול מטבולי. עירור/עיכוב: פעילות של מולקולות אנזים קיימות.

22 רגולציה על ידי חיתוך החלבון )1 ייצור כ-זימוגן- פרוטאוליטי( פרקורסור לא-פעיל - הפעלה )בהמשך לעיכול רק ברקמות ובאזור המתאים פיזיולוגית. זוהי הפעלה בלתי-הפיכה. דוגמא 1: טריפסינוגן נוצר בלבלב, טריפסין שהוא האנזים הפעיל דוגמא 2: מגיע למעי, מפורק קשר פפטידי ונוצר Preproinsulin Proinsulin Mature insulin

עיכוב באמצעות משוב inhibition Feedback עיכוב ע"י היזון חוזר - inhibition - feedback התוצר הסופי בשרשרת תהליכים מעכב באופן הפיך את השלב הראשון ) 2 אינו דומה ל- A ונקשר באנזים לאתר אלוסטרי D A B C D

23 עיכוב באמצעות משוב inhibition Feedback עיכוב ע"י היזון חוזר - inhibition - feedback התוצר הסופי בשרשרת תהליכים מעכב באופן הפיך את השלב הראשון ) 2 אינו דומה ל- A ונקשר באנזים לאתר אלוסטרי D A B C D עיכוב על-ידי תוצר סופי התוצר הסופי שאינו מנוצל ומצטבר, נקשר )קישור הפיך( לאתר אלוסטרי )אתר "בקרה"( של אנזים מפתח במסלול עיכוב האנזים הקטנת הסיכוי לקישור לאתר האלוסטרי חסימת המסלול הסרת העיכוב ע"י התוצר הסופי ירידת ריכוז התוצר העודף סינתזת D מחודשת

24 אלוסטריה Allostery אלוסטריה )"צד אחר" ביוונית(היא תכונה של אנזימים וחלבונים. תופעה זו מתרחשת כשמולקולה מסוימת נקשרת לאנזים או לחלבון, דבר שבעקבותיו משתנה נטייתו להיקשר לסובסטרט )במקרה של אנזים( או לליגנד )במקרה של חלבון(

.1.2.3 אנזימים אלוסטריים: בעלי אתר/ים קטליטי/ים ואתר/ים אלוסטרי/ים )רגולטורי/ים(.

25 אנזימים אלוסטריים: בעלי אתר/ים קטליטי/ים ואתר/ים אלוסטרי/ים )רגולטורי/ים(. קישור המודולטור משרה שינוי צורה על האנזים ועל האתר הקטליטי - הגורם לשינוי זיקה של האנזים לסובסטרט. בנויים בד"כ מיותר מתת-יחידה אחת)מספר אתרים קטליטיים(. לרוב עקומת הקינטיקה סיגמואידית. שינוי קל בריכוז הסובסטרט גורם לשינוי ניכר במהירות Vmax Rate

26 דוגמא לחלבון אלוסטרי: המוגלובין

27 3( מידור אנזימים הקשורים לממברנות עובדים )בד כ( לאט יותר ועוברים שיפעול כשליגנדים מתקשרים לקולטנים על-פני הממברנה. ph -ים שונים במדורים שונים בתא. 4( שינוי כמות החלבון האנזימטי - ייצור או פירוק של האנזים בהשפעת גורמי בקרה. דוגמא: אינסולין מעלה את כמות האנזימים הרגולטורים בתהליך פירוק הגלוקוז בתא. 5( איזואנזימים אנזימים שונים בהרכבם המזרזים ריאקציות דומות, עדין של המטבוליזם. 6( מודיפיקציה קוולנטית - קשירת קבוצה קטנה לאנזים בקשר קוולנטי. הצורה הנפוצה: פוספורילציה - דה-פוספורילציה 7( שינוי מבנה רבעוני E ATP H 2 O E P - מאפשרים ויסות חיבור או ניתוק תת-יחידות של האנזים.

28 דוגמאות זרחון (phosphorylation) הפיך של Glycogen phosphorylase על שיירי סרין: פחות פעיל Phosphorylase kinase Glycogen phosphorylase (more active form) a Phosphorylase phosphatase Glycogen phosphorylase (less active form) b יותר פעיל

29 שינוי מבנה רבעוני חיבור או ניתוק תת-יחידות של האנזים רגולציה על ידי השליח המשני (second messenger) (camp) Cyclic AMP של האנזים Protein kinase A (PKA) אתר רגולטורי PKA לא פעיל פעיל אתר קטליטי PKA

30 סוגי עיכוב של ריאקציות אנזימטיות: עיכוב הפיך עיכוב בלתי הפיך תחרותי בלתי תחרותי

31 הפיך סוגי עיכוב בלתי הפיך מעכב תחרותי: האזור במולקולת המעכב המוכר ע י האנזים, דומה לסובסטרט והשאר שונה. לכן: נקשר באופן הפיך לאתר הפעיל באנזים. תחרותי בלתי תחרותי "מתחרה" בסובסטראט מעכב תחרותי סובסטרט האנזים אינו פועל עליו נמנע קישור הסובסטרט לאנזים אנזים אנזים ריכוז סובסטראט גבוה מתגבר על העיכוב

32 סוגי-עיכוב תחרותי הפיך בלתי תחרותי בלתי הפיך מעכב בלתי הפיך: יוצר קשר קוולנטי עם קבוצה באתר הפעיל. לכן: האתר הפעיל נתפס והאנזים לא פעיל. H H 3 C C CH 3 O H H 3 C C CH 3 O Enzyme CH 2 OH + F P O Enzyme CH 2 O P O + HF O O C H 3 C CH 3 H C H 3 C CH 3 H

33 סוגי-עיכוב תחרותי הפיך בלתי תחרותי סובסטרט בלתי הפיך -תחרותי לא מעכב מעכב בלתי תחרותי: מבנה שונה מהסובסטרט. מתקשר לקומפלקס ES באתר שונה מהאתר הפעיל. גורם לשינוי המבנה המרחבי של האנזים וכך מפריע לפעילותו אנזים לא ניתן להתגבר על העיכוב ע"י העלאת ריכוז הסובסטרט.

34 אנזימים בפרקטיקה רפואית מדידת רמות פעילות של אנזימים בסרום יכולה לעזור באבחון מחלות רבות. חלבונים אינם יכולים לעבור את הממברנה בתא בריא ולהגיע לדם. תא פגוע הופך ל"נזיל", והחלבונים דולפים ממנו לזרם הדם, כולל האנזימים, אותם קל לזהות בגלל פעילותם הקטליטית. ניתן לזהות את האיבר הפגוע עפ"י האנזימים בסרום החולה. ישנן מספר גישות המנצלות את נוכחות האנזימים בדם: א. מדידת פעילות אנזימים ספציפיים לאיבר מסויים. ב. מדידת פעילות איזואנזימים ספציפיים לאיבר מסויים. ג. מדידת פרופיל אנזימטי יחס בין פעילויות של מספר אנזימים.

35 בדיקות דם

36 אנזימים בדם ואבחון מחלות Enzyme Glutamic oxaloacetate transaminase (GOT/AST) Glutamic pyruvic transaminase (GPT/ALT) Trypsin Amylase Acid phosphatase Alkaline phosphatase Creatine phosphokinase Lactate dehydrogenase (LDH) Possible Diagnosis Infectious hepatitis, Myocardial infarction Infectious hepatitis Acute pancreatic disease Liver & pancreatic disease Cancer of prostate Liver or bone disease Myocardial infarction or muscles Myocardial infarction, leukemia

37 השוואת פעילות אנזימים במצבים חולי שונים

38 מעקב אחרי התקף לב בעזרת אנזימים

39 תוספת אקטואלית לנושא החלבונים והאנזימים: כך מסכם פרופ' אהרן צ'חנובר את עיקרי עבודתו המחקרית: "מתברר שגוף האדם והאורגניזמים בכלל - בניגוד לגוף המתכת של המכונית או קירות האבן של הבית שבו אנו מתגוררים - איננו סטאטי, והוא נמצא בתהליך מתמיד של הרס ובנייה מחדש, עד כדי כך שמדי יום אנחנו מחליפים כ- 10% מסך מרכיבי הגוף. החלבונים המרכיבים את שרירי הגוף והעצמות ומהווים גם זרזים ובקרים לכל הריאקציות הכימיות המתרחשות בגוף אינם יוצאים מן הכלל, ומתחלפים גם הם. השאלה המרכזית שנשאלה: מדוע אנו נדרשים לדינמיקה אינטנסיבית כזו של הרס ובנייה, ומה המנגנון המוציא אותה לפועל? הדרישה לדינמיקה נובעת משתי סיבות: האחת - כי החלבונים הם בעלי מבנה מורכב ביותר ותיפקודם רגיש לשינויים במבנה המתרחשים כתוצאה משינויים גנטיים, מהשפעת הטמפרטורה שאנו חיים בה, מקרינה וממזהמים סביבתיים. על הגוף לסלק את החלבונים הפגומים, לייצר חדשים תחתם, ובאותה עת להשאיר את אלו הלא-פגומים. הסיבה השנייה - בקרת הליכים מסוימים דורשת את סילוקם של חלבונים ספציפיים המשמשים בלמים או זרזים להליכים אלה. המנגנון הבסיסי המבצע את סילוק החלבונים התגלה במהלך המחקר שביצעתי כתלמיד מחקר בהנחיית הפרופ' הרשקו. חלבונים המיועדים להריסה מסומנים קודם לכך על ידי 'תג מוות', שהוא חלבון הקרוי אוביקיטין. רק אלה שסומנו יושמדו. הפרעות בתפקוד המערכת לסילוק חלבונים פגומים נמצאו, בין השאר, בבסיס מנגנוני ממאירויות רבות ובמחלות ניווניות של המוח."

נילי חמני

נילי חמני מבנה שריר שלד (מקרוסקופי) עטוף ברקמת חיבור (אפימזיום) מחולקלצרורותתאישרירשכלאחדמהםעטוף ברקמתחיבורנוספת (פרימזיום) (תא) שרירעטוףברקמתחיבורמשלו כלסיב (אנדומזיום) לרקמות החיבור בשריר תפקיד חשוב ביצירת המבנה