Enzymologia

Zasadniczym celem przedmiotu jest przekazanie Studentom podstawowych wiadomości dotyczących katalizy i katalizatorów ze szczególnym uwzględnieniem enzymów i rybozymów. Słuchacze mają okazję poznać szczegóły dotyczące budowy i specyficzności rybozymów, enzymów i ich koenzymów. Przedstawiona zostanie kinetyka jedno- i wielosubstratowych reakcji enzymatycznych oraz różne strategie katalityczne realizowane przez enzymy. Sporo uwagi zostanie poświecone klasyfikacji i nazewnictwu ezymów oraz sposobom regulacji aktywności enzymów i ich roli w szlakach sygnalizacji wewnątrzkomórkowej. Celem ćwiczeń laboratoryjnych jest natomiast zapoznanie Studentów z metodami oznaczania aktywności enzymów (warunki reakcji i jednostki aktywności enzymów), wykreślaniem danych kinetyki enzymatycznej i wyznaczaniem typów inhibicji oraz z podstawowymi zasadami obowiązującymi podczas izolacji enzymów i ich immobilizacji.

Treść kształcenia

Kataliza homo- i heterogeniczna, typy katalizatorów i przyczyny ich różnej efektywności. Budowa i specyficzność działania rybozymów.

Budowa domenowa enzymów mono- i oligomerycznych, tworzenie kompleksów wieloenzymowych, struktura centrum aktywnego i allosterycznego. Rola metali w strukturze i działaniu enzymów. Budowa i znaczenie koenzymów. Rola witamin w strukturach koenzymów. Sprzężenie koenzymatyczne

Specyficzność działania enzymów i teorie oddziaływania enzym – substrat. Mechanizmy katalizy enzymatycznej (istota aktywacji i teoria stanu przejściowego).

Kinetyka hiperboliczna i sigmoidalna jedno- i wielosubstratowych reakcji enzymatycznych. Typy inhibicji i inhibitorów i ich wpływ na przebieg reakcji enzymatycznej.

Badanie kinetyki reakcji enzymatycznej. Wyznaczanie stałej Michaelisa-Menten i powinowactwa enzymu do dwóch różnych substratów.

Badanie wpływu aktywatorów i inhibitorów na aktywność katalityczną enzymów. Sporządzanie wykresów kinetyki enzymatycznej i wyznaczanie typów inhibicji.

Sposoby regulacji ilości (synteza i degradacja) i aktywności enzymów. Indukcja i represja syntezy enzymów (enzymy indukcyjne i konstytutywne), kontrola allosteryczna, stymulacja i hamowanie przez białka regulacyjne, odwracalne modyfikacje kowalencyjne, aktywacja proteolityczna (zymogeny i zymogeniczność)

Klasyfikacja i nazewnictwo enzymów. Techniki pozyskiwania i oczyszczania enzymów. Techniki immobilizacji enzymów. Zastosowanie enzymów w analityce biochemicznej i w modyfikacji składników żywności.

Izolacja inwertazy z komórek drożdży, wyznaczanie aktywności właściwej otrzymanego preparatu, wyznaczanie wskaźnika oczyszczenia i wydajności ogólnej procesu. Immobilizacja otrzymanego enzymu i badanie jego efektywności

Literatura podstawowa:

1. Krauss G.: Biochemistry of signal transduction and regulation. Wiley VCH GmbH&Co. KGaA 2003.

2. Murray R.K., Granner D.K., Mayes P.A., Rodwell V.W.: Biochemia Harpera. Wydawnictwo lekarskie PZWL 2004.

3. Witwicki J., Ardelt W.: Elementy enzymologii. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1989.

4. Zgirski A., Gondko R.: Kinetyka reakcji enzymatycznych w Obliczenia Biochemiczne. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1998.

Literatura uzupełniająca

1. Bednarski W., Reps A. (red): Biotechnologia żywności. WNT Warszawa, 2001.

2. Eisenthal R., Danson M.J. (red): Enzyme assays a practical approach. Oxford University Press, New York 1992.

3. Kłyszejko-Stefanowicz L. (red): Ćwiczenia z Biochemii. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1999.

4. Webb E.C., (red): Enzyme nomenclature. Academic Press, Inc., 1992 (i wznowienia).

Wiedza

Zna pojęcia katalizy i katalizatora, charakteryzuje typy katalizy i katalizatorów. Wie od czego zależy siła ich działania i specyficzność. Zna zasady klasyfikacji i nazewnictwa enzymów

Zna budowę rybozymów i enzymów, rozumie kluczową rolę tych cząsteczek w regulacji metabolizmu komórki. Rozumie funkcjonowanie kompleksów wieloenzymowych. Zna budowę i mechanizm działania koenzymów oraz rolę witamin w ich strukturach

Zna kinetykę jedno- i wielosubstratowych reakcji enzymatycznych oraz mechanizmy działania inhibitorów i aktywatorów enzymów, potrafi wskazać ich zastosowania praktyczne. Zna różne strategie katalityczne realizowane przez enzymy

Zna bierne i aktywne sposoby regulacji aktywności enzymów w komórkach. Potrafi wskazać ich znaczenie dla prawidłowego funkcjonowania komórki

Posiada wiedzę o procesach technologicznych wykorzystujących enzymy. Zna podstawowe metody immobilizacji enzymów i ich zastosowanie

Umiejętności

Posługuje się poprawnie nomenklaturą enzymatyczną. Zapisuje równania reakcji enzymatycznych

Ustala warunki oznaczania aktywności enzymów i wylicza dawki preparatów enzymatycznych optymalne dla danego procesu. Umie regulować szybkość przebiegu procesu enzymatycznego i przewidywać stopień konwersji substratu oraz ilość wytworzonego produktu

Sporządza wykresy kinetyki enzymatycznej i wyznacza typy inhibicji

Potrafi izolować, oczyszczać i immobilizować enzymy. Wykazuje znajomość słabych i mocnych stron przyjętego rozwiązania biotechnologicznego

Kompetencje społeczne

Potrafi organizować warsztat pracy, pracować w grupie i kierować małym zespołem. Umie zarządzać czasem

Ma świadomość zagrożeń wynikających z niezgodnej z zasadami BHP pracy w laboratorium potrafi prawidłowo określić priorytety służące realizacji określonego celu

Jest świadom możliwości ale i zagrożeń związanych z doskonaleniem technik pozyskiwania enzymów i ich masowym wykorzystaniem

Rozumie zalety wykorzystania „zielonej chemii” w przemyśle

Na ocenę 2

Nie zna podstawowych pojęć i definicji charakterystycznych dla katalizy i katalizatorów. Nie zna zasad klasyfikacji i nazewnictwa enzymów ani mechanizmów katalizy enzymatycznej. Nie zna budowy enzymów i nie rozumie z czego wynika ich specyficzność ani jak można na nią wpływać. Nie zna wzorów koenzymów ani ich roli w katalizie. Nie rozumie kinetyki reakcji enzymatycznej ani zasad działania inhibitorów. Nie zna powiązań między aktywnością enzymów a przekazem sygnałów komórkowych i regulacją metabolizmu.

Nie potrafi posługiwać się nomenklaturą enzymatyczną i nie rozpoznaje różnic w mechanizmach reakcji katalizowanych przez enzymy różnych klas. Nie potrafi zapisywać równań reakcji enzymatycznych. Nie zna zasad, metod i narzędzi analizy enzymatycznej i izolacji enzymów. Nie potrafi posługiwać się jednostkami aktywności ani wykonywać prostych zadań obliczeniowych. Nie potrafi analizować kinetyki reakcji enzymatycznych.

Nie potrafi organizować warsztatu pracy ani pracować w grupie. Nie rozumie zasad obowiązujących w laboratorium biochemicznym. Nie jest świadomy ani możliwości ani zagrożeń związanych z doskonaleniem technik pozyskiwania enzymów i ich masowym wykorzystaniem.

Na ocenę 3

Zna podstawowe pojęcia z zakresu katalizy i katalizatorów. Zna zasady klasyfikacji i nazewnictwa enzymów. Ma podstawową wiedzę na temat budowy enzymów i rybozymów. Potrafi podać proste przykłady wskazujące na ich specyficzność. Zna wzory podstawowych koenzymów i wskazuje enzymy z którymi mogą współdziałać. Dostrzega różnice pomiędzy hiperboliczną i sigmoidalną kinetyką działania enzymów. Rozróżnia typy inhibicji. Zna podstawowe sposoby regulacji ilości i aktywności enzymów i wie jakie może to mieć znaczenie dla prawidłowego funkcjonowania organizmu.

Zna zasady klasyfikacji enzymów ale nie potrafi ich wykorzystywać. Z błędami zapisuje równania reakcji enzymatycznych. Zna zasady analizy enzymatycznej i izolacji enzymów ale nie rozumie co wynika z nich w praktyce. Oblicza aktywności, dawki enzymów itp. ale ze znaczącymi błędami. Zna teorie dotyczące kinetyki reakcji enzymatycznej ale nie do końca potrafi wykorzystać je w praktyce.

Nie potrafi organizować warsztatu pracy ale umie dostosować się do grupy i wykonać powierzone zadanie. Rozumie zasady obowiązujące w laboratorium biochemicznym. Teoretycznie zna niektóre skutki zdrowotne, ekonomiczne i społeczne wykorzystywania enzymów różnego pochodzenia na dużą skalę, ale nie uwzględnia ich w praktycznym działaniu.

Na ocenę 4

Zna i rozumie pojęcia z zakresu katalizy i katalizatorów i prawidłowo się nimi posługuje. Zna zasady budowy enzymów i rybozymów, wskazuje ich domeny odpowiedzialne za katalizę, regulację aktywności i kooperację z innymi składnikami komórki. Rozumie różnice w specyficzności katalizatorów, wie co z nich wynika i jak można je modyfikować. Wskazuje przyczyny różnic w kinetyce działania enzymów oraz wpływ na to działanie inhibitorów i aktywatorów (zna zapis matematyczny). Zna zasady kierowania enzymów do poszczególnych przedziałów komórkowych, opisuje sposoby regulacji ilości i aktywności enzymów i wie jakie może to mieć znaczenie dla prawidłowego funkcjonowania organizmu. Posiada wiedzę o procesach technologicznych wykorzystujących enzymy.

Zna i stosuje nomenklaturę enzymatyczną. Rozpoznaje różnice w mechanizmach reakcji katalizowanych przez enzymy różnych klas. Zapisuje równania reakcji enzymatycznych. Zna zasady, metody i narzędzia analizy enzymatycznej i potrafi je stosować. Oblicza aktywności, dawki enzymów itp. z drobnymi błędami. Bez większych problemów wyznacza typy inhibicji. Zna procesy izolacji, oczyszczania i immobilizacji enzymów, potrafi je zastosować w praktyce laboratoryjnej i wskazać ich słabe i mocne strony.

Aktywnie działa w grupie, potrafi organizować warsztat pracy i zarządzać czasem. Ma świadomość zagrożeń wynikających z niezgodnej z zasadami BHP pracy w laboratorium. Rozumie potrzebę doskonalenia technik pozyskiwania enzymów i ich stosowania w przemyśle ale nie do końca rozumie zagrożenia jakie mogą z tego wynikać.

Na ocenę 5

Bezbłędnie posługuje się pojęciami z zakresu katalizy i katalizatorów. Zna zasady budowy enzymów i rybozymów, wskazuje ich domeny odpowiedzialne za katalizę, regulację aktywności i kooperację z innymi składnikami komórki. Bardzo dobrze rozumie różnice w specyficzności katalizatorów, wie co z nich wynika i jak można je modyfikować. Wskazuje przyczyny różnic w kinetyce działania enzymów oraz wpływ na to działanie inhibitorów i aktywatorów (zna zapis matematyczny). Zna zasady kierowania enzymów do poszczególnych przedziałów komórkowych, szeroko opisuje sposoby regulacji ilości i aktywności enzymów i wie jakie może to mieć znaczenie dla prawidłowego funkcjonowania organizmu. Posiada wiedzę o procesach technologicznych wykorzystujących enzymy. Z łatwością wskazuje ich słabe i mocne strony.

Zna i stosuje nomenklaturę enzymatyczną, potrafi na podstawie nazwy enzymu wskazać katalizowaną przez niego reakcję i prawidłowo ją zapisać. Rozumie wpływ różnych czynników na przebieg katalizy i potrafi to wykorzystać w praktyce. Bezbłędnie oblicza aktywności, wyznacza typy inhibicji i ustala dawki enzymów odpowiednie dla danych procesów. Zna zasady izolacji, oczyszczania i immobilizacji enzymów i potrafi je wykorzystać. Bezbłędnie wskazuje słabe i mocne strony przyjętego rozwiązania technologicznego.

Jest liderem grupy planującym i sprawnie organizującym warsztat pracy. Zna możliwości, skutki zdrowotne, ekonomiczne i społeczne związane z wdrażaniem zasad zielonej „chemii w przemyśle”. Uwzględnia je w swoich działaniach. Jest świadomy możliwości ale i zagrożeń wynikających z faktu stosowania enzymów różnego pochodzenia.