C8160 Enzymologie

Přírodovědecká fakulta
podzim 2021
Rozsah
2/0/0. 2 kr. (příf plus uk plus > 4). Doporučované ukončení: zk. Jiná možná ukončení: k.
Vyučující
prof. RNDr. Igor Kučera, DrSc. (přednášející)
Garance
prof. RNDr. Igor Kučera, DrSc.
Ústav biochemie – Chemická sekce – Přírodovědecká fakulta
Dodavatelské pracoviště: Ústav biochemie – Chemická sekce – Přírodovědecká fakulta
Rozvrh
Út 8:00–9:50 B11/335
Předpoklady
C4182 Biochemie II || C3580 Biochemie
Je doporučeno absolvování základních kurzů z biochemie, organické chemie a fyzikální chemie.
Omezení zápisu do předmětu
Předmět je nabízen i studentům mimo mateřské obory.
Mateřské obory/plány
Cíle předmětu
Předmět má za cíl poskytnout podrobné informace o nejdůležitějších aspektech enzymových reakcí včetně struktury enzymů, měření enzymové aktivity, purifikaci enzymů, reakčních mechanismů, kinetiky a bioanalytických a průmyslových aplikací biokatalýzy.
Výstupy z učení
Student získá základní představy o vlastnostech enzymů a o vztahu mezi jejich strukturou a mechanismy katalytického působení. Bude znát nejdůležitější zástupce jednotlivých tříd, jejich použití v praxi a nejběžnější metody stanovení enzymové aktivity a koncentrace substrátu. Zvládne také zpracování dat z kinetických studií a interpretaci výsledků ve vztahu k reakčnímu mechanismu.
Osnova
  • ) Úvodní informace o enzymech Historie enzymologie. Stavba enzymů, pojmy holoenzym, apoenzym, kofaktor, koenzym, kosubstrát, prostetická skupina. Charakteristické rysy enzymové katalysy. Možnosti regulace enzymů in vivo. Mnohočetné formy enzymů (isoenzymy, konjugované enzymy, polymerní enzymy), multienzymy (multienzymové komplexy, polypeptidy). Názvosloví enzymů. 2) Enzymová aktivita Závislost rychlosti enzymové reakce na koncentraci enzymu a substrátu. Aktivita, molekulová aktivita, aktivita katalytického místa, katalytická koncentrace, specifické aktivita. Používání konvenčních jednotek enzymové aktivity. Přímé a nepřímé měření aktivity; spřažené enzymové reakce. Možnosti monitorování průběhu enzymové reakce; příklady syntetických substrátů pro fotometrii, fluorimetrii a luminometrii. 3) Isolace enzymů Živočišné, rostlinné a mikrobiální zdroje enzymů. Uvolňování intracelulárních enzymů z buněk, zahušťování extraktu, výběr separačních technik, konečné úpravy. Kvantitativní hodnocení purifikačního postupu. Krystalisace enzymů. Kriteria čistoty enzymových preparátů. Faktory ovlivňující stabilitu enzymových preparátů, možnosti stabilisace. 4) Chemické mechanismy enzymové katalysy Acidobasická katalysa, nukleofilní a elektrofilní katalysa. Kovalentní katalysa. Příklady účasti konkretních aminokyselinových zbytků a kofaktorů. Radikálové reakce enzymů. Konvergence, divergence, paralelismus a zvrat funkce v evoluci katalytického mechanismu. 5) Termodynamika a kinetika přeměny substrátu na produkt Tvorba komplexu enzymu se substrátem. Energetický profil nekatalysované a katalysované reakce, možnosti ovlivnění aktivační energie. Kinetika reakčního mechanismu Michaelise a Mentenové (prestacionární stadium, stacionární a rovnovážné přiblížení). Rovnice Michaelise a Mentenové v diferenciálním a v integrovaném tvaru. Význam kinetických parametrů vmax (vlim), Km a vmax / Km. Reversibilní forma mechanismu Michaelise a Mentenové. Haldanův vztah. 6) Teoretické základy enzymové kinetiky Použití teorie grafů při odvozování kinetických rovnic ve stacionárním, rovnovážném a blokově rovnovážném přiblížení. Grafické a výpočetní metody analysy experimentálních kinetických dat. Software pro enzymovou kinetiku. 7) Vliv faktorů prostředí na rychlost enzymové reakce Vliv teploty, pH, iontové síly a viskosity. 8) Inhibitory Typy reversibilní inhibice v Botts-Moralesově schematu a jejich diagnostika. Inhibice substrátem a produktem. Vysokoafinitní reversibilní inhibitory. Ireversibilní inhibice - afinitní značení, inaktivace závislá na reakčním mechanismu. Analoga přechodového stavu. Farmakologický význam inhibitorů. Návrh nových účinných inhibitorů. 9) Vícesubstrátové reakce Klasifikace kinetických mechanismů vícesubstrátových reakcí. Clelandova symbolika. Kinetické rovnice. Experimentální rozlišení mezi jednotlivými mechanismy. Primární a sekundární grafy, inhibice produkty, analogy substrátů, isotopová výměna. 10) Kooperativitivní jevy při působení enzymů Definice kooperativity. Homeotropní a heterotropní kooperativita; allosterie. Určení stupně kooperativity. Hillova rovnice, Hillův koeficient. Fenomenologický rovnovážný model; Adairova rovnice. Molekulové modely Monod-Wyman-Changeux a Koshland-Nemethy-Filmer a jejich zobecnění. Asociace-disociace oligomeru. Kinetická kooperativita a kooperativita v monomerních enzymech. Pseudokooperativita a její možné příčiny. 11) Enzymy na pevných površích a v micelách Metody imobilisace enzymů. Vliv imobilisace na kinetické parametry, pH optimum, teplotní závislost aktivity a stabilitu enzymu. Kinetické modely reaktorů s imobilisovaným enzymem. Micelární systémy - příprava, kinetické vlastnosti, možnosti použití. 12) Enzymy v biochemické analytice Stanovení analytů s použitím rozpustných enzymů. Nerovnovážné metody (meření počáteční rychlosti, konverze na produkt za fixní čas, dvouenzymové a jednoenzymové recyklizační systémy), rovnovážné metody (do konečného bodu, isotopová výměna za rovnováhy). Enzymové biosensory - rozdělení podle měřené elektrické veličiny, analytické charakteristiky, příklady použití. Enzymová imunoanalysa. Enzymy jako markery genové exprese. 13) Další oblasti použití enzymů, enzymové inženýrství Nejdůležitější prakticky používané enzymy. Příklady uplatnění (potravinářství, krmivářství, výroba pracích prostředků, organická synthesa, medicina aj.). Extremofily jako zdroje enzymů. Využití strukturních dat k optimalisaci enzymové funkce. Cílená evoluce genů.
Literatura
    doporučená literatura
  • MACHOLÁN, Lumír. Enzymologie. 2. upr. vyd. Brno: Vydavatelství Masarykovy univerzity, 1994, 152 s. ISBN 8021010398. info
  • KOTYK, Arnošt a Jaroslav HORÁK. Enzymová kinetika. Vyd. 1. Praha: Academia, 1977, 268 s. info
  • PRICE, Nicholas C. a Lewis STEVENS. Fundamentals of enzymology : the cell and molecular biology of catalytic proteins. 3rd ed. Oxford: Oxford University Press, 1999, xviii, 478. ISBN 019850229X. info
  • BISSWANGER, Hans. Practical enzymology. 2nd, completely rev. ed. Weinheim: Wiley-Blackwell, 2011, xvi, 360. ISBN 9783527320769. info
  • LESKOVAC, Vladimir. Comprehensive enzyme kinetics. New York: Kluwer Academic/Plenum publishers, 2003, xi, 438. ISBN 0306467127. info
  • CORNISH-BOWDEN, Athel. Fundamentals of enzyme kinetics. Rev. ed. London: Portland Press, 1995, xiii, 343. ISBN 1855780720. info
Výukové metody
Přednášky
Metody hodnocení
Jde o jednosemestrovou přednášku s výukou 2 hod týdne. U zkoušky (kolokvia) si student vylosuje trojici otázek, z nichž jedna je zaměřena na kvantitativní aspekty předmětu. Nejprve má vyhrazenu 1 hod na zpracování písemné přípravy, pak následuje pohovor.
Další komentáře
Studijní materiály
Předmět je vyučován každoročně.
Nachází se v prerekvizitách jiných předmětů
Předmět je zařazen také v obdobích jaro 2008 - akreditace, jaro 2011 - akreditace, jaro 2000, jaro 2001, jaro 2002, jaro 2003, jaro 2004, jaro 2005, jaro 2006, jaro 2007, jaro 2008, jaro 2009, jaro 2010, jaro 2011, jaro 2012, jaro 2012 - akreditace, jaro 2013, jaro 2014, podzim 2014, podzim 2015, podzim 2016, podzim 2017, podzim 2018, podzim 2019, podzim 2020, podzim 2022, podzim 2023, podzim 2024.