Zobrazení
Obsah |
Enzymy
Poprvé byl enzymatický účinek dokázán v kvasnicích, proto se tak také jmenují (z řeckého en zýmé = v kvasnicích). Jsou to biokatalyzátory, které katalyzují až 99% organických reakcí, které se v organismu odehrávají. Strukturně jde většinou o proteiny, ale katalytický účinek má také rRNA. O těchto pak mluvíme jako o ribozymech.
Srovnání katalyzátorů
Při srovnání s anorganickými katalyzátory jsou mnohem účinnější, a to i ve velmi malých množstvích. Jako každý katalyzátor i oni snižují aktivační energii reakce.
Na rozdíl od anorganických katalyzátorů má každý enzym svoji reakční účinkovou specifitu, což znamená, že jsou schopni katalyzovat pouze jeden typ reakce, jednu konkrétní vazbu. Mají i substrátovou specifitu, kdy na každý typ enzymu připadá jeden typ látky. I toto má své výjimky, například alkoholdehydrogenáza na sebe váže a oxiduje jak ethanol, tak methanol. Enzym si může „vybírat“, rozlišují i jednotlivé optické izomery dané látky.
Enzymy fungují jen za určitých podmínek, tedy v určitém teplotním rozmezí a při určitém pH, pracují tedy za mírných podmínek vnitřního prostředí. Tímto je jejich činnost snadno regulovatelná. Mimo regulaci prostředím se mohou enzymy ovlivňovat i jejich aktivací. Tu je možné provést třeba fosforilací, tedy navázáním fosfátu.
Katalytický účinek enzymu je udán množstvím enzymu, které za standardních podmínek přemění 1 mol substrátu za sekundu. Udává se v jednotkách katal (1 kat).
Pro oba katalyzátory je společné snižování aktivační energie tím, že se jeden reakční krok převede na dva, čímž se radikálně sníží potřebná energie k uskutečnění reakce.
Struktura
Většina enzymů má poněkud složitou strukturu. Takovéto enzymy se nazývají holoenzymy. Takovouto složitou strukturu můžeme dále rozdělit na dvě části. První je nebílkovinná část a říká se jí kofaktor. Proteinová část se jmenuje apoenzym. Vlastní reakce probíhá v aktivním centru, kde dochází k přeměně substrátu. Kofaktor může být dvojího typu. První možností je, že se kofaktor váže na apoenzym kovalentní vazbou. V takovémto případě mluvíme o prostetické skupině. V případě, že je kofaktor navázán na apoenzym pouze slabými vazbami, tedy vodíkovými můstky a nebo van der Waahlsovými silami, mluvíme o tom, že je na apoenzym navázán koenzym.
Působení enzymu
Mechanismy působení enzymů nebyly dosud dokázány, ale byly vyřčeny dvě poměrně reálné teorie. První teorií je teorie komplementarity, tedy teorie zámku a klíče. Tato teorie předpokládá, že substrát přesně odpovídá struktuře enzymu, respektive odpovídá struktuře aktivního centra enzymu. Druhou teorií je teorie indukovaného přizpůsobení, neboli teorie ruky v rukavici. Tato teorie tvrdí, že se aktivní centrum přizpůsobuje substrátu, se kterým reaguje.
Ovlivňující faktory
Prvním faktorem, který ovlivňuje enzymatickou aktivitu je vzájemná koncentrace substrátu a enzymu. Je li buď substrát nebo enzym přítomen ve stálém množství, dochází k zvyšování aktivity reakce až do bodu saturace. Od bodu saturace již můžeme zvyšovat koncentraci obou látek, ale na běhu reakce se to nijak neprojeví.
Druhý faktorem je hodnota pH prostředí, ve kterém reakce běží. Většina enzymů má pH optimum okolo 7,3. Od tohoto průměru se ale některé enzymy odlišují. Příkladem jsou enzymy v trávícím traktu. Enzym pepsin, který se vyskytuje v žaludku, kde je pH kyselé díky trávicím šťávám, především tedy HCl, má pH optimum okolo 2. Jeho působení musí být přizpůsobeno prostředí, aby enzym vůbec mohl fungovat. Naopak trypsin, který se vyskytuje v duodenu, má pH optimum okolo 8. To je způsobeno zpětnou resorpcí iontů v této oblasti střeva, a to především vápenatých iontů.
Třetím faktorem je teplota. U teploty je podobně jako u pH problém, že enzymy jsou bílkovinné povahy a tudíž mohou denaturovat. Teplotní optimum proto nemůže být přesně nastavené na běžnou teplotu lidského těla, protože by při každém onemocnění všechny enzymy zdenaturovali. Tím, že mají teplotní optimum okolo 40°C se jejich aktivita při onemocnění stupňuje, čímž pomáhají imunitnímu systému. Nad tuto teplotu se již enzymatická aktivita snižuje a enzymu obecně v reakční směsi ubývá, protože dochází k jejich denaturaci.
Regulace enzymu
Činnost enzymu musí být podle potřeby regulována. Dochází u nich k aktivaci i k inhibici. Enzymy jsou často produkovány v neaktivní formě tzv. proenzymu neboli zymogenu. Aktivaci způsobí až proteolytické štěpení části apoenzymu, např. kyselé prostředí žaludku přeměňuje neaktivní pepsinogen na aktivní enzym pepsin. Kdyby buňku produkující pepsinogen produkovali aktivní pepsin, docházelo by k jejich destrukci.
Aktivace může být způsobena i změnou aktivního místa, která je způsobená navázáním nějaké molekuly (regulátoru a to buď aktivátoru nebo inhibitoru) mimo aktivní centrum do tzv. allosterického centra. Takováto aktivace se jmenuje allosterická. Navázáním regulátoru do allosterického centra dochází ke strukturní změně, která se projeví i na aktivním centru. Aktivovaný enzym pak katalyzuje tak dlouho, dokud je katalýzy zapotřebí. Jakmile již není katalýza nutná, dochází k inhibici. Druhou možností enzymatické regulace je inhibice. Ta může být vratná i trvalá. Tímto se může enzymu buď úplně odstranit jeho funkce, nebo se může pouze omezit jeho katalytický účinek. Kompetitivní, neboli soutěživá, čili vratná, neboli reversibilní inhibice je založena na „soutěžení“ inhibitoru se substrátem o aktivní místo. Ta látky, které je více se vždy přednostně navazuje na aktivní centrum, a látka jejíž koncentrace je nižší se do aktivního centra nenavazuje. I inhibice mohou být allosterické. Je li na allosterickém místě navázán inhibitor, dojde ke strukturní změně na aktivním místě a enzym se tak stává neaktivním.
U nekompetitivní neboli nevratné, tedy irreverzibilní inhibice se aktivní nebo allosterická místa zablokují tím, že se do nich naváže inhibitor naváže kovalentní vazbou. Inhibitorům, které jsou tohoto schopné se říká katalytické jedy. Dochází k zablokování reaktivní skupiny aktivního centra enzymu, tedy například –OH nebo –SH. Jako katalytické jedy často působí kationty těžkých kovů. Jakmile je na aktivním místě enzymu navázán inhibitor, již tam substrát nepustí.
Význam enzymů v praxi
Enzymy se používají v pracích prášcích. Použité enzymy se získávají z termofilních bakterií, takže mají enzymy posunuté teplotní optimum, takže se nemusí omezovat teplota praní. Enzymatické technologie se používají v pivovarnictví, sýrařství nebo pekařství. Jsou i předmětem zkoumání toxikologů, kteří zkoumají katalytické jedy. V medicíně se bakteriální enzymatické řízení používá při tvorbě antibiotik, například sulfoamidy. Ty blokují bakteriální, ale nikoli lidský metabolismus. Enzymy jsou i cytostatika, která účinkují proti zhoubnému bujení, rakovinám, které jsou schopné blokovat enzymy řídící mitózu.
Názvosloví enzymů
Názvosloví enzymů se značně vyvíjelo. Původně ho charakterizovala koncovka –IN (např. trypsin, pepsin), což bylo ale vzhledem k počtu enzymů neudržitelné. Zavedlo se tedy názvosloví nové, podle toho s jakým substrátem enzym reagoval.Názvosloví tedy mělo tuto formu: substrát + -ASA (popř. –ÁZA), např. amyláza, lipáza, alternativou k tomuto byl popis reakce, které enzym provádí a názvosloví pak vypadalo takto: reakce + -ASA, -ÁZA, např. oxidáza, hydroláza. Dnes se názvy tvoří kombinací posledních dvou jmenovaných. Vypadá následovně: substrát + reakce + -ASA, -ÁZA, např. alkohol-dehydrogenáza. Dnes je známo přes 3000 různých enzymů, které jsou klasifikovány podle reakcí, které katalyzují, do 6 enzymatických tříd, které jsou dále děleny na podtřídy, ty na skupiny. Podle tohoto zařazení pak každý enzym dostává své pořadové číslo. Enzymatická komise při IUPAC pak uděluje každému enzymu čtyřmístné kódové číslo. Např. E.C. 1.1.1.27 znamená: (EC je zkratka Enzyme Comission), 1 na prvním místě znamená enzym 1. třídy, tedy oxidoreduktáza, 1 na 2. místě znamená podtřídu způsobující oxidaci primární alkoholové skupiny, 1 na 3. místě znamená přítomnost pyridinového koenzymu a 27 je pořadové číslo enzymu, konkrétně se jedná o laktát-dehydrogenázu.
Třídy enzymů
1. Oxidoreduktázy
Oxidoreduktázy způsobují mezimolekulové redoxní přeměny, přenos vodíku, kyslíku a elektronů. Většinou obsahují na sobě navázané přenašečové kofaktory, jako NAD+, NADP+, FAD nebo cytochromy, tedy látky zodpovědné za redoxní reakci. Tato reakce je katalyzovaná enzymem laktátdehydrogenázou. Dochází zde k oxidaci kyseliny mléčné na kyselinu pyrohroznovou.
Toto je další významná enzymatická reakce. Podílí se na ní enzym alkoholdehydrogenáza, a je to reakce odbourávání alkoholu na acetaldehyd, který pak následně způsobuje kocovinové stavy.
2. Transferázy
Transferázy katalyzují přenos nejrůznějších funkčních skupin, např. –CH3, -NH2, přenos glukózy, fosfátu atd. Při této reakci se vzniká z D glukózy glukóza-5-fosfát za katalytického působení enzymu hexokinázy.
Zde dochází k reakci Alaninu s 2-oxoglutarátem za vzniku pyruvátu a kyseliny glutamové. Reakce je katalyzována enzymem alaninaminotransferázou.
3. Hydrolázy
Hydrolázy způsobují hydrolytické štěpení vazeb, např. rozklad peptidových, glykosidických, esterových, fosfodiesterových vazeb. Do této skupiny patří trávicí enzymy (např. lipázy), pracují bez kofaktorů. Obecně lze říci, že značné množství hydrolýz pracuje bez kofaktorů.
4. Lyázy (Syntázy)
Tuto reakci umožnil enzym aldoláza. Reaguje zde D fruktóza-1,6-bisfosfát a vzniká dihydroxyaceton fosfát a glyceraldehyd fosfát.
Tato reakce je umožněna porfobilinogensyntházou. Jak vidíte, dochází při ní k syntéze bilinogenu, tudíž se asi bude podílet na reakcích v organismu, při nichž vznikají barviva biliny.
5. Isomerázy
Isomerázy katalyzují isomerace, přesuny atomů a skupin v rámci molekuly. Často pracují bez koenzymů. Tato reakce je umožněna enzymem citrátsyntháza. Tvoří se z kyseliny citronové kyseliny isocitronová.
Enzym triosafosfátisomeráza mění tuto triózu z aldózy na ketózu.
6. Ligázy (Synthetázy)
Ligázy katalyzují vznik energeticky náročných vazeb za současného štěpení makroergních sloučenin (např. ATP). K tomu je zapotřebí, aby pracovali v prostředí, které je jim schopno dodat energii.
Enzym glutaminsynthetáza zde převádí kyselinu glutamovou na glutamin za spotřeby ATP.