Enzymy
Hlavní záložky
1. Obecná charakteristika enzymů
Reakce uskutečňující se v živých organismech mohou probíhat jen za určitých podmínek (teplotě, tlaku, vlhkosti, pH...). Podmínky v buňkách ale nejsou pro tyto reakce optimální, a tak by se procesy v živých organismech nemohly vůbec realizovat. Jejich průběh však umožňují látky zvané enzymy.
Enzymy jsou biokatalyzátory, neboť urychlují děje probíhající v živých soustavách. Jelikož enzymy zajišťují prakticky průběh všech chemických reakcí v buňkách, nebyl by bez nich možný život.
Enzymy jsou látky bílkovinné povahy. Jestliže je určitý enzym tvořený pouze bílkovinou, označuje se jednoduchý (jednosložkový) enzym. Pokud je v enzymu kromě bílkovinné části obsažena i jiná složka (nebílkovinná), hovoříme poté o složeném (dvousložkovém) enzymu, přičemž bílkovinná část se označuje apoenzym a ta nebílkovinná kofaktor (= koenzym). Celý složený enzym je označován za holoenzym.
Obr.: Struktura složeného enzymu (holoenzymu) z bílkovinné části (apoenzymu) a nebílkovinné (kofaktoru, koenzymu)
3. Porovnání enzymů s jinými katalyzátory
V porovnání s běžnými katalyzátory urychlující chemické reakce (mimo živé organismy) jsou enzymy podstatně účinnější. Katalýzy s využitím enzymu probíhají však pouze při určitém rozpětí teplot a tlaku (jen některé teploty a tlaky je schopen organismus snášet). Většinou probíhají v neutrálním prostředí (výjimkou je například pepsin přítomný v žaludku – žaludeční šťávy způsobují kyselé pH). Výrazným rozdílem mezi běžnými reakcemi a enzymovými je skutečnost, že enzymové podléhají samovolné regulaci – sám organismus si určuje, kdy mají reakce probíhat (enzym se na nich účastnit) a kdy se mají tyto děje ustálit. Každý enzym se podílí pouze na jedné (specifické) katalytické reakci a reaguje jen s některým substrátem - tato skutečnost se označuje jako substrátová specifita enzymu.
Na začátku reakce se enzym váže s látkami vstupujícími do reakce (substráty) a vytváří se komplex enzym-substrát. Substrát se tak váže na povrch enzymu, do místa zvaného aktivní centrum, kde probíhá samotná biochemická reakce. Aktivní centrum je tvořeno aminokyselinovými zbytky, které mají schopnost vázat reaktivní části molekuly substrátu.
Obr.: Navázání substrátu do aktivního centra enzymu a vznik komplexu
Některé enzymy potřebují pro svoji činnost nebílkovinné látky zvané koenzymy. Ty mohou být na začátku reakce buď již součástí enzymu (1), anebo se mohou vyskytovat volně v buňce a do reakce vstupovat společně se substrátem (2). Koenzymy plní funkci dárce (donora) či příjemce (akceptora) protonů p+, elektronů e- či celých funkčních (charakteristických) skupin. Koenzymy jsou často vitamíny ve formě esteru s kyselinou fosforečnou H3PO4.
(1)
(2)
Obr.: Vybrané enzymové reakce mohou probíhat pouze za účasti koenzymu.
Komplex enzym-substrát se následně rozpadá za současného uvolnění produktů reakce:
Obr.: Rozpad komplexu enzym-substrát.
| Pro lepší představu je možné aktivní centrum enzymu přirovnat k zámku, do kterého pasuje pouze ten správný klíč (substrát). Aby se "dveře odemkly" - enzymová reakce proběhla - musí "klíč zapadnout do zámku". |
Produkty enzymových reakcí jsou obvykle výchozí látky pro další, pro život důležité, biochemické procesy.
Každá enzymová reakce probíhá různě rychle v závislosti na podmínkách reakčního prostředí. Pro porovnávání rychlostí jednotlivých enzymových reakcí se zavádí jednotka katal, která udává množství enzymu potřebné pro přeměnu 1 molu substrátu za 1 sekundu. V praxi se častěji používá jednotka označovaná symbolem U (= 1 μmol za 1 min, tj. cca 16,67 nkatal). Rychlost enzymových reakcí ovlivňuje převážně:
a) Množství substrátu – rychlost enzymové reakce vzrůstá společně s koncentrací substrátu až do obsazení všech aktivních center daného enzymu.
b) Množství enzymu – rychlost enzymové reakce vzrůstá společně s množstvím enzymu (za předpokladu dostatečného množství substrátu).
c) Teplota – rostoucí teplota má za následek větší pravděpodobnost efektivních srážek, a tak zrychlení chemické reakce. Pro reakce v živých organismech je optimální teplotní rozsah 10 – 40 °C. Při nižších i vyššich teplotách efektivita reakcí obvykle klesá (např. při teplotě 50 °C může docházet k narušení bílkovinné struktury – její denaturaci)
d) Hodnota pH – každý enzym má svoji optimální hodnotu pH, při které působí nejefektivnějí. Většina enzymových reakcí probíhá za neutrálního pH, výjimkou je například pepsin, jehož optimální hodnota pH je v rozmezí 1 – 2.
Graf: Závislost aktivity enzymů (pepsinu, amylasy a tripsinu) na pH
e) Aktivátory a inhibitory – přítomnost některých iontů anebo nízkomolekulárních sloučenin v reakčním prostředí může ovlivnit rychlost chemické reakce. V případě, že dojde k její urychlení, jedná se o aktivaci (danou látkou je poté aktivátor). Jestliže se enzymová reakce zpomalí, hovoříme poté o inhibici (způsobena inhibitorem). Buňka samotná je schopna pomocí katalýzy a inhibice regulovat průběh enzymových reakcí.
Rozlišujeme 2 základní typy inhibice enzymů, a sice:
a) Kompetitivní inhibice – částice inhibitoru má podobnou strukturu jako částice substrátu, a tak se váže do aktivního centra enzymu (má vyšší sklon se tam navázat než částice substrátu), čímž brání vytvoření enzym-substrátového komplexu. Tento děj je vratný, enzymovou reakci lze obnovit zvýšením množství substrátu. Název kompetitivní inhibice znamená, že substrát a inhibitor mezi sebou ,,soutěží‘‘ (angl. competition - soutěž) o aktivní centrum enzymu.
Obr.: Schéma kompetitivní inhibice
b) Nekompetitivní inhibice – inhibitor pevně zablokuje aktivní centrum enzymu, a tak do něj nemůže vstoupit substrát. Tento typ inhibice způsobují zpravidla ionty těžkých kovů (Hg, Pb..), které se označují pojmem enzymové (katalytické) jedy.
Obr.: Schéma nekompetitivní inhibice
Inhibice může být způsobena také změnou struktury molekuly enzymu (tím i jeho aktivního centra) vlivem inhibitoru. Poté tedy nemůže dojit k vytvoření enzym-substrátového komplexu.
Některé ionty kovů (např. hořečnaté kationty Mg2+) mají schopnost zvyšovat katalytickou aktivitu enzymů. Aktivace enzymu může nastat tak, že se jeho neúčinná forma (proenzym) přemění na formu účinnou. Obvykle k tomu dochází odštěpením části řetězce molekuly (nejčastěji polypeptidického), která brání přístupu do aktivního centra enzymu.
Enzymy je možné rozdělit do 6ti tříd dle typu reakce, kterou katalyzují, a to na:
a) Oxidoreduktasy – účastní se oxidačně-redukčních (redoxních) reakcí. Při těchto reakcích dochází k přenosu elektronů e- mezi jednotlivými substráty. Významným koenzymem oxidoreduktas je nikotinamidadenindinukleotid NAD+.
Příklad enzymové reakce: CH3CH2OH + NAD+ → CH3CHO + NADH + H+
b) Transferasy – podílí se na přenosu skupin mezi jednotlivými substráty. Příkladem je enzym fosfotransferasa HPO42-.
Tento enzym katalyzuje například přeměnu D-glukosy na D-glukosa-6-fosfát.
c) Hydrolasy – účastní se hydrolytického štěpení substrátu. Třeba enzym glykosidasa se podílí na štěpení glykosidické vazby.
"Do zkumavky nalijeme 5 ml 2 % roztoku močoviny a přidáme k ní 1 g sójové moučky. Jakmile začneme pozorovat průběh reakce, opatrně přičichneme k ústí zkumavky. Nakonec přidáme do zkumavky 2 kapky fenolftaleinu. Sójová moučka obsahuje enzym ureasu, který katalyzuje rozklad močoviny na amoniak a oxid uhličitý. Unikající amoniak jsme zaregistrovali čichem a vznik zásaditého prostředí ve zkumavce dokázali přidáním fenolftaleinu."
d) Lyasy – enzymy štěpící vazbu mezi dvěma atomy uhlíku C-C nehydrolytickým způsobem. Do této skupiny patří například enzymy dekarboxylasy (odštěpují oxid uhličitý CO2).
Oxid uhličitý se odštěpuje například při enzymovém rozkladu kyseliny šťavelové (COOH)2: (COOH)2 → HCOOH + CO2
Obr.: Ukázka struktury glyoxylyasy
e) Izomerasy – umožňují vnitromolekulární přeměny substrátů (jejich izomerace).
Může tak docházet například k přeměně glukosy na fruktosu:
D-glukosa C6H12O6 → D-fruktosa C6H12O6
f) Ligasy – podílí se na slučování více molekul substrátu, přičemž dochází ke spotřebě (štěpení) adenosintrifosfátu ATP – to umožní vznik potřebné energie pro průběh reakce.
Názvy enzymů jsou odvozeny od typu katalyzované chemické reakce. Jejich systematický název je tvořen názvem substrátu vstupujícího do chemické reakce a typem katalytické reakce se zakončením –asa. Například enzym oxalát karboxy-lyasa (oxalátdekarboxylasa) katalyzuje dekarboxylaci kyseliny šťavelové (COOH)2. Často se také využívají triviální názvy jednotlivých enzymů (α-amylasa, pepsin, trypsin aj.).
