Biokatalyzátory, enzymy, enzym, ribozym
Biokatalyzátory
Enzymy
Již v roce 1834 nepřímo existenci enzymů předpověděl švédský chemik J.J.Berzelius. Původně se označovaly jako fermenty, označení enzymy poprvé použil v roce 1878 W. Kühne. Z chemického hlediska jsou enzymy buď výhradně bílkovinami, nebo se skládají ze dvou částí - bílkovinné (apoenzym) a kovalentně nebo nekovalentně navázané druhé části - koenzymu (kofaktor). Někdy se používá pro komplex apoenzymu a koenzymu označení holoenzym.
V roce 1894 představil teorii o mechanismu působení enzymů německý chemik E. Fischer. Tato teorie (označovaná jako teorie zámku a klíče, nebo později jako komplementární teorie) předpokládá, že katalyticky aktivní je jen malá část na povrchu molekuly enzymu, která musí mít určité prostorové uspořádání odpovídající prostorovému uspořádání přeměňované látky (substrátu). Popsaný model sice vysvětlil celou řadu popsaných jevů o specifičnosti enzymové katalýzy, ale současně se objevila celá řada nevysvětlitelných jevů.
K vysvětlení těchto výjimek přispěl v roce 1958 D. Koshland se svojí teorií indukovaného přizpůsobení. Tato teorie sice vychází z Fischerova modelu, avšak předpokládá, že aktivní centrum enzymu je dynamicky se měnící struktura, která se přizpůsobuje substrátu. V roce 1963 tuto teorii dále rozpracoval J. Monod se svými spolupracovníky. Zavedli pojem alosterického efektu, který vysvětluje spolupůsobení dalších látek při katalytické přeměně substrátu.
Enzymy jsou specifické
Biokatalyzátory jsou tedy látky biologického původu, jejichž hlavní úlohou je urychlovat chemické reakce. Až na několik málo výjimek se jedná o bílkoviny s katalytickou aktivitou (enzymy). Existuje i několik ribonukleových kyselin, které také vykazují katalytickou účinnost a tyto katalyzátory se označují jako ribozymy.
Působení enzymů je specifické. Tato specificita se projevuje jednak typem substrátů, které katalyticky přeměňují (substrátová specificita), jednak typem katalyzované reakce (specificita účinku) a také afinitou ke stereoizomerům (polohová specificita).
Enzymy katalyzují reakce různých typů. Každý enzym má určitou specificitu účinku, tedy katalyzuje přeměnu dané látky určitým způsobem. Na následujícím obrázku jsou znázorněny 3 možné způsoby přeměny aminokyseliny, každou z těchto reakcí katalyzuje jiný enzym. Enzym si tedy dokáže zvolit z různých možných reakcí jen tu jedinou a jenom tuto katalyzovat. Jen pro tento typ reakce totiž dokáže enzym snížit aktivační energii natolik, že se uskuteční potřebná přeměna. Jiný enzym pak uvádí do pohybu jinou reakci směřující k jinému reakčnímu produktu.
Pokud jde o vazbu substrátu, projevuje se výběrový princip enzymového katalyzátoru. I když se do aktivního centra enzymu mnohdy může fyzicky dostat i několik různých látek, ne každá je schopna s aktivním centrem interagovat žádoucím způsobem a vytvořit potřebné vazby. Například v případě dekarboxyláz se mohou do aktivního centra dostat různé aminokyseliny, ale jen některé jsou schopné se dostatečně pevně na enzym navázat. Jiné jsou vázány slabě, některé vůbec ne. Ty poslední nereagují a jejich dekarboxylace neproběhne. Takový výběr substrátu se označuje jako substrátová specificita.
Účinnost enzymu lze vyjádřit jako poměr kkat/KM a ten je největší právě pro pyruvát. Z pyruvátu vzniká laktát, a protože tato molekula je chirální (obsahuje 2 enantiomery - L-laktát a D-laktát), vyvstala otázka, jak je to u tohoto enzymu s polohovou specificitou. Skutečně bylo prokázáno, že laktátdehydrogenáza se vyskytuje ve formě stereospecifických izoenzymů. L-laktátdehydrogenáza se vyskytuje u savců a jejím působením vzniká výlučně L-laktát, zatímco u mikroorganismů se vyskytují obě formy, tedy jak L-, tak i D-forma enzymu. Některé bakterie mléčného kvašení produkují buď jen L-laktát, nebo jen D-laktát. Některé druhy obsahují obě formy enzymu a výsledkem jejich činnosti je produkce směsi L-laktátu a D-laktátu.
Většina substrátů se váže na enzym aspoň ve 3 bodech. Takové tříbodové spojení může vyvolat asymetrii i na jinak symetrické molekule. Substrát se také váže na enzym jen z jedné strany (aktivní centrum je pro substrát přístupné jednostranně) a také se vážou na vazebná místa jen komplementární skupiny. Přestože jsou skupiny 1 a 4 úmyslně znázorněné jako identické, přesto se může molekula substrátu vázat jen jediným možným způsobem (pozice A). Reakce se pak účastní pouze skupina 1. Díky takovému uspořádání vazebných míst dochází k rozlišení jinak identických skupin. Při reakci se uplatňuje pouze skupina v poloze 1 a nikoliv v poloze 4. Jak je vidět z obrázku, natočení molekuly substrátu do jiné polohy (pozice B a C) neumožní odpovídající vazbu na aktivní centrum, protože do pozic 2‘ příp. 3‘ směřují jiné funkční skupiny. Tento mechanismus vysvětluje, proč například z opticky neaktivní molekuly pyruvátu může vzniknout jen L-laktát a ne D-laktát nebo směs L- a D-laktátu.
Každá buňka je vybavena geneticky danou enzymatickou výbavou. Díky ní se v buňce uskutečňuje řízený sled reakcí. Protože se celá řada enzymů účastní i regulačních mechanismů, je zajištěno, že se buňka dokáže poměrně rychle přizpůsobit měnícím se podmínkám v jejím okolí.
Ustálené stavy
Uzavřený systém v rovnováze nepotřebuje ani energii pro svoji záchovu, ani energii nevydává nebo z něj nemůže být čerpána. Chemická rovnováha tedy nemůže konat žádnou práci. Aby systém mohl konat práci, nesmí být v rovnováze, musí k ní směřovat. V živém organismu se tak děje trvale, proto je systém udržován v neustálém nerovnovážném stavu. Živý organismus je otevřeným systémem.
Ustálený stav je chápán jako stacionární stav, ve kterém se trvale přijímají látky a jsou vydávány reakční produkty. Podstatným znakem jsou transportní jevy na hranicích systému (na buněčných membránách), které určují kromě mnoha jiných parametrů zejména koncentrační poměry jednotlivých látek. Organismus se tedy může vyvíjet jen jako otevřený systém, tedy jako takový, který neustále vyměňuje látky se svým okolím.
Zatímco v uzavřeném systému neovlivňuje katalyzátor rovnovážný stav, v otevřeném systému ovlivňuje výrazně stacionární stav reakčního partnera. Koncentrace určitého substrátu může totiž významně poklesnout třeba za situace, kdy je přítomno více enzymů, které přeměňují stejný substrát na různé reakční produkty. Tím může dojít k přeměně podstatně většího množství substrátu, než může být dodáno z okolí.
Chemická rovnováha je důležitým základem pro pochopení enzymového působení a energetiky chemických reakcí. Enzymy v tomto hrají důležitou roli, protože významně urychlují ustavení rovnováhy. V živém organismu však k ustavení chemické rovnováhy prakticky nikdy nedojde, vytvoří se pouze jakási ustálená koncentrace, která však není totožná s chemickou rovnováhou. Reakce směřující k chemické rovnováze proto probíhají trvale, současně je z důvodů odčerpávání vznikajícího produktu její dosažení nemožné. Právě z těchto reakcí pak buňka získává potřebnou energii pro zachování všech svých životních funkcí.
Klasifikace enzymů
V současné době e popsáno více než 2000 různých typů enzymů. Původní označování bylo založeno na triviálních názvech (některé se dodnes používají, jako například pepsin, trypsin, chymotrypsin apod.). Později se zavedlo systematičtěji pojaté názvosloví odvozované od názvu substrátu s příponou -asa. V roce 1961 zavedla mezinárodní komise IUB systém, který jen s malými upřesněními platí dodnes. Klasifikace je založena na dělení enzymů do 6 základních tříd podle reakčních mechanismů, každá třída má 3 až 17 podtříd.
Název enzymu se skládá z 2 částí. První určuje substrát nebo substráty, druhá má příponu -asa (v češtině se připouští i používání -áza) a označuje typ katalyzované reakce. Přípona -áza již není připojena přímo k názvu substrátu. Každý enzym má své kódové číslo (EC) tvořené 4 čísly oddělenými navzájem tečkami. První číslo určuje třídu (viz následující přehled), druhé číslo určuje podtřídu, třetí číslo určuje podpodtřídu a čtvrté číslo určuje specifický enzym. Někdy je potřeba k objasnění povahy reakce použít doplňující údaj. Tento se zapisuje do závorky. Příkladem může být enzym katalyzující reakci přeměny L-malátu na pyruvát. Tento enzym, známý jako jablečný enzym, má označení 1.1.1.37 L-malát:NAD+-oxidoreduktáza (dekarboxylující).
Například laktátdehydrogenáza má označení EC 1.1.1.27, což znamená, že patří do třídy 1 oxidoreduktázy, podtřídy 1.1 skupina CH-OH jako donor elektronů, podpodtřídy 1.1.1 NAD(P)+ jako akceptor elektronů. Jiným příkladem může být ATP:D-hexóza-6-fosfotransferáza s označením EC 2.7.1.1., což znamená, že patří do třídy 2 transferázy, podtřídy 2.7 přenos fosfátu, podpodtřídy 2.7.1 alkoholová skupina jako akceptor fosfátu.
Do třídy oxidoreduktáz patří enzymy přenášející protony a elektrony, především pak dehydrogenázy, oxidázy, peroxidázy a oxygenázy.
Dělení na podtřídy je následující:
| 1.1. | působící na CH-OH skupiny |
| 1.2. | působící na aldehydickou nebo ketonickou skupinu donorů |
| 1.3. | působící na CH-CH skupinu donorů |
| 1.4. | působící na CH-NH2 skupinu donorů |
| 1.5. | působící na CH-NH skupinu donorů |
| 1.6. | působící na NADH nebo NADPH |
| 1.7. | působící na jiné dusíkaté sloučeniny jako donory |
| 1.8. | působících na skupinu donorů obsahujících síru |
| 1.9. | působící na hemovou skupinu donorů |
| 1.10. | působící na difenoly a příbuzné látky jako donory |
| 1.11. | působící na peroxid vodíku jako akceptor |
| 1.12. | působící na vodík jako donor |
| 1.13. | působící na jednotlivé donory se zabudováním kyslíku (oxygenázy) |
| 1.14. | působící na spárované donory se zabudováním molekulárního kyslíku |
| 1.15. | působící na superoxidový radikál |
| 1.16. | oxidace iontů kovů |
| 1.17. | působící na -CH2- skupiny |
Do druhé třídy transferáz patří enzymy přenášející skupiny, příkladem jsou C-transferázy, glykosyltransferázy, aminotransferázy (transaminázy) a fosfotransferázy.
Dělení na podtřídy je následující:
| 2.1. | přenos jednouhlíkatých skupin |
| 2.2. | přenos aldehydových nebo ketonových zbytků |
| 2.3. | acyltransferázy |
| 2.4. | glykosyltransferázy |
| 2.5. | přenos alkyl- nebo arylskupin (ale jiných, než methylových) |
| 2.6. | přenos skupin obsahujících dusík |
| 2.7. | přenos skupin obsahujících fosfor |
| 2.8. | přenos skupin obsahujících síru |
Do třetí skupiny hydroláz patří enzymy katalyzující hydrolýzu éteru, esteru, peptidu, glykosylu, anhydridu kyselin, C-C nebo vazeb P-N. Příkladem jsou esterázy, glukozidázy, peptidázy a amidázy.
Dělení na podtřídy je následující:
| 3.1. | působící na esterové vazby |
| 3.2. | působící na glykosylové sloučeniny |
| 3.3. | působící na éterové vazby |
| 3.4. | působící na peptidové vazby |
| 3.5. | působící na vazby C-N jiné, jak peptidové |
| 3.6. | působící na anhydridy kyselin |
| 3.7. | působící na vazby C-C |
| 3.8. | působící na vazby halidů |
| 3.9. | působící na vazby P-N |
| 3.10. | působící na vazby S-N |
| 3.11. | působící na vyzby C-P |
Do čtvrté skupiny lyáz patří enzymy, které štěpí eliminačními reakcemi, tedy nehydrolyticky, vazby C-C, C-O, C-N a podobné. Při tom se tvoří molekuly nebo skupiny atomů s dvojnou vazbou. Také opačně probíhající reakce, tedy adici na dvojnou vazbu, je nutno považovat za lyázové reakce. Protože je u lyáz rozhodující adiční reakce, lze tyto enzymy také označit jako syntázy.
Dělení na podtřídy je následující:
| 4.1. | C-C lyázy |
| 4.2. | C-O lyázy |
| 4.3. | C-N lyázy |
| 4.4. | C-S lyázy |
| 4.5. | C- halid lyázy |
| 4.6. | P-O lyázy |
Do páté skupiny izomeráz patří enzymy, které vnitromolekulárním přesmykem elektronů vyvolají prostorovou změnu molekuly, příkladem jsou epimerázy, intramolekulární transferázy a cis-trans-izomerázy.
Dělení na podtřídy je následující:
| 5.1. | racemázy a epimerázy |
| 5.2. | cis-trans izomerázy |
| 5.3. | intramolekulové oxidoreduktázy |
Do šesté skupiny ligáz patří enzymy katalyzující spojení mezi dvěma substráty v reakci spřažené s hydrolýzou pyrofosfátové vazby, příkladem jsou C-C ligázy, C-O ligázy, C-N ligázy a C-S ligázy. Vznikající produkty mají často vysoký potenciál pro přenos fosfátové vazby nebo funkčních skupin. Také se označují jako syntetázy.
Dělení na podtřídy je následující:
| 6.1. | tvorba vazeb C-O |
| 6.2. | tvorba vazeb C-S |
| 6.3. | tvorba vazeb C-N |
| 6.4. | tvorba vazeb C-C |
| 6.5. | tvorba fosfátových esterových vazeb |
Související články
Enzymová kinetika při inhibici - biochemie
Regulace enzymové aktivity - biochemie
Odkazy
Při zpracovávání textů a grafické stránky článků byly využity podklady z odborné literatury a internetu. Převzaté obrázky byly graficky upraveny pro potřeby tohoto webu. Kreslené obrázky podléhají autorským právům. Seznam použité literatury naleznete zde.