Enzymy
Historie enzymů
První zprávy – 18. století (trávení, rozkladné procesy v přírodě)
Zaveden název fermenty
Později (1877) název enzymy
První izolovaný enzym v krystalickém stavu – ureáza (1926)
: James B. Sumner, 1926 – izolace ureázy, objev proteinové struktury enzymů, 1946 NC
Dnes známo přes 3000 enzymů v lidském těle
Charakteristika enzymů
Bílkoviny se specifickou strukturou
Biokatalyzátory (umožňují, urychlují, řídí většinu chemických reakcí v organismech)
Vysoká účinnost – rychlost katalyzovaných reakcí je o několik řádů vyšší než u nekatalyzované reakce
1 molekula enzymu za 1s přemění až 50 tisíc molekul substrátu
Za mírných podmínek:
20 – 40°C
tlak
Bez objemových změn
pH kolem 7 – výjimkou trávicí enzymy
Netoxické (výhoda při průmyslových aplikacích)
Jsou ve všech živých soustavách
Poslední výzkumy – enzymová aktivita RNA
Nevýhody enzymů:
Složitá struktura → citlivé na řadu vlivů
Rychle se opotřebovávají → neustále odbourávány a syntetizovány
Bílkoviny katalyzující procesy bez chemických změn (koagulace apod.) se nazývají faktory
(koagulační faktor, iniciační faktor apod.)
Názvosloví enzymů
Dříve: triviální názvy – koncovka –in (pepsin, chymotrypsin, trypsin,…)
Později – koncovka –asa (-áza)
Podle substrátu (lipáza, proteáza, amyláza,…)
Podle katalyzované reakce (oxidáza, hydroláza,…)
Nejnověji – název vyjadřuje i substrát i typ katalyzované reakce:
L-laktát + NAD+ → pyruvát + NADH + H+
Systematický název enzymu: L-laktát : NAD+- oxidoreduktáza
Doporučený název: laktátdehydrogenáza
(E.C.1.1.1.27) – každý enzym má kódové číslo (jednoznačná identifikace)
Klasifikace enzymů
6 hlavních tříd – podle katalyzované CHR
1. OXIDOREDUKTÁZY
Katalyzují redoxní přeměny (přenos H+, přenos e-, vnesení O-atomu do substrátu)
Nejpočetnější třída
2. TRANSFERÁZY
Katalyzují přenos skupin (-CH3, -NH2,…) z donoru na akceptor
Obvykle složené bílkoviny
3. HYDROLÁZY
Katalyzují hydrolytické štěpení vazeb, které vznikly kondenzací (peptidické, glykosidické, esterové vazby)
Většinou jednoduché bílkoviny (často původní názvy)
4. LYÁZY
Katalyzují nehydrolytické nebo neoxidační štěpení vazeb (často eliminace nebo adice H2O, CO2, NH3) za vzniku nebo zrušení dvojné vazby
Většinou složené bílkoviny
Málo početná skupina
5. IZOMERÁZY
Katalyzují izomerace (= intramolekulární přenos atomů nebo skupin)
Většinou jednoduché bílkoviny
Nejméně početná skupina
6. LIGÁZY
Katalyzují vznik energeticky náročných vazeb za současného rozštěpení makroergní fosfátové vazby (ATP → ADP)
Většinou složené bílkoviny
Méně početná skupina
Struktura enzymové molekuly
Převážně globulární B (z AMK, peptid. vazba)
Některé jednoduché
Často složené (60 – 70% enzymů)
Polypeptidový řetězec + nebílkovinný nízkomolekulární kofaktor
Je-li kofaktor pevně vázán na B složku → označuje se prostetická skupina
Je-li vázán slabě (lze snadno oddělit) → koenzym
Často nejasné rozlišení koenzymu a prostetické skupiny
Holoenzym = komplex protein-kofaktor (katalyticky aktivní)
Apoenzym = proteinová část enzymu po odstranění kofaktoru
KOENZYMY a prostetické skupiny
Nebílkovinné
Podmiňují katalytickou fci enzymu
Typy kofaktorů:
Kov – ionty
Vitamin (např. biotin)
Nukteotid (NAD+, NADP+ = nikotinamidové)
Koenzym Q (ubichinon)
Lipid a další
Některé enzymy mohou mít více kofaktorů
Enzymy obsahující ionty kovů jako kofaktory = metaloenzymy:
Fungují jako:
Můstky pro vazbu substrátu
Jako prvek stabilizující strukturu
Nejčastěji Zn2+, Mg2+, Mn2+, Fe2+, Fe3+, Cu2+, K+, Na+
Aktivní centrum
Relativně malá oblast molekuly enzymu – zde probíhá enzymová reakce
Obsahuje přesně rozmístěné funkční skupiny:
Funkční skupiny jsou na postranních řetězcích řetězce
Často od sebe vzdálené – svinutím řetězce se dostávají k sobě
Často -NH2, -COOH, -SH (cysteinu), -OH (serinu)
Na výstavbě aktivního centra se účastní několik typů skupin:
Katalyticky aktivní skupiny (katalytické centrum)
Skupiny specificky vázající substrát (vazebné centrum)
Skupiny tvořící vhodné chemické prostředí
U složených enzymů:
AC obsahuje 2 vazebné oblasti:
Jednu pro substrát (viz výše)
Jednu pro kofaktor
Jsou blízko sebe
V molekule enzymu i další významné oblasti:
→ pro vazbu molekul ovlivňujících stabilitu, aktivitu enzymu, prostorové uspořádání apod.
Výskyt enzymů – podle místa působení
Intracelulární
Většina
Působí uvnitř buňky, ve které vznikly
Forma výskytu: rozpuštěné x vázané v biologických strukturách (multienzymové komplexy)
Extracelulární
Jsou z buněk vylučovány → do krve, trávicích šťáv, mozkomíšního moku…
Některé enzymy produkovány v neaktivní formě → označujeme proenzym nebo zymogen
→ dopraveny na místo působení → zde změna na aktivní enzym:
Odštěpením části molekuly kryjící AC
Reorganizací struktury a vznikem AC
Zpětná přeměna aktivního enzymu na proenzym nelze
Specifita účinků enzymů
Účinková (reakční) – zodpovídá za ni bílkovinná složka enzymu i kofaktor
Katalyzují jen určitý typ reakce, tentýž substrát → různé enzymy → různé produkty
Substrátová – zodpovídá za ni bílkovinná složka enzymu
Absolutní – přeměňuje jen jeden substrát (močovina – ureáza)
Skupinová – přeměňuje skupinu substrátů téhož typu (alkoholy – alkoholdehydrogenáza)
Relativní skupinová – viz výše + může slaběji ovlivňovat i jiné substráty
Mechanismus účinků enzymu
1) Teorie komplementarity:
Klíč (substrát) – zámek (enzym)
1894 – Fisher: substrát musí mít vhodnou velikost, tvar molekuly
2) Teorie substrát-enzymového komplexu (L. Michaelis, M. Mentenová)
Substrát se váže na enzym za vzniku meziproduktu = substrát-enzymový komplex
V 1. fázi vzniká SE komplex
V 2. fázi se komplex rozpadne za vzniku původního enzymu a produktu
3) Teorie indukovaného přizpůsobení
Původní tvar AC neodpovídá substrátu → teprve přítomnost substrátu navodí komplementární tvar AC
Ruka – rukavice
: pouze substrát vhodné struktury vyvolá vazbou na enzym takovou změnu jeho konformace, že se katalytické skupiny správně nasměrují tak, aby reakce proběhla. Látky, které nemají dostatečnou velikost nebo tvar, se mohou na enzym vázat, ale nemohou vyvolat změnu tvaru jeho molekuly, která by umožnila zformování AC
Kinetika enzymové reakce
Aktivační energie = EA – potřebná na přechod reaktantů na produkty (E bariéra)
Nemůže být využita kinetická energie pohybujících se molekul (reakce probíhá uvnitř AC)
Využívá se E uvolněná při navázání substrátu na enzym
Zvýšení rychlosti CHR – obecně:
Zahřátí – v organismech nelze (termolabilní)
Katalýza = zde enzymy
Reakce probíhá jiným mechanismem s nižší EA
Některé CHR využívají světelnou E
Vliv reakčních podmínek na rychlost enzymové reakce:
Enzymatickou reakci lze charakterizovat rovnicí
1) Množství substrátu
Rychlost CHR se zvyšuje s rostoucí koncentrací substrátu tak dlouho, dokud nejsou obsazena všechna aktivní centra
Podle počtu substrátů v enzymové reakci:
Monosubstrátové reakce (izomerázy, lyázy, hydrolázy)
Dvousubstrátové reakce (oxidoreduktázy, transferázy)
Tří- a vícesubstrátové reakce (ligázy)
2) Množství enzymu
Rychlost CHR se zvyšuje přímo úměrně množství enzymu
Za předpokladu stálého přísunu substrátu
3) Vliv teploty
Rychlost CHR roste s rostoucí t
Při dalším zvyšování t (˃ 45 – 50°C)
→ denaturace B, odštěpování kofaktoru
→ rychlý pokles rychlosti CHR
→ pro činnost enzymů je významné teplotní optimum
4) Vliv pH prostředí
Většina enzymů působí jen v určité oblasti pH (jinak aktivita klesá) = pH-optimum
Na zajištění optimálního pH se podílejí protonovatelné skupiny aktivních center enzymů i substrátů
Př. pepsin pH 1,5 – 2 (žaludek), trypsin pH 8 – 11 (dvanáctník)
Většina enzymů při pH = 5 – 7
5) Vliv přítomnosti efektorů (= modifikátorů)
= látky výrazně ovlivňující katalytickou činnost enzymů
Pozitivní efektory = aktivátory
Negativní efektory = inhibitory
Přirozené efektory (fyziologické, endogenní) – běžné součásti buněk (regulují b. Metabolismus)
Nepřirozené (exogenní) – zvenku – léčiva, jedy apod.
Regulační enzymy
Aktivitu všech enzymů lze ovlivňovat (pH, koncentrací substrátu, koenzymu, inhibicí, aktivátorem)
Existují specifické enzymy s regulační úlohou v metabolismu:
Alosterické enzymy – v metabolických drahách
Kovalentně modulované enzymy